コールドスプレーによる皮膜形成方法及びコールドスプレー装置
【課題】 基材に影響を与えることなくレーザ光を皮膜材料に照射して、皮膜材料の粉末堆積層の密度を向上させる等皮膜の性状向上を図る。
【解決手段】 スプレーノズル７から皮膜材料の粉末を当該皮膜材料の融点温度未満の作動ガスと共に基材Ｋに向けて噴射して、基材Ｋに皮膜材料の皮膜を形成するコールドスプレーによる皮膜形成方法において、レーザ照射機１０によりスプレーノズルＫから基材に至る皮膜材料の粉末の経路に該粉末を加熱するレーザ光を照射する。
【解決手段】 スプレーノズル７から皮膜材料の粉末を当該皮膜材料の融点温度未満の作動ガスと共に基材Ｋに向けて噴射して、基材Ｋに皮膜材料の皮膜を形成するコールドスプレーによる皮膜形成方法において、レーザ照射機１０によりスプレーノズルＫから基材に至る皮膜材料の粉末の経路に該粉末を加熱するレーザ光を照射する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コールドスプレー法により皮膜材料の皮膜を基材に形成する技術に係り、特に、レーザ光を利用したコールドスプレーによる皮膜形成方法及びコールドスプレー装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、コールドスプレー（Cold Spray）法によって基材の表面に皮膜を形成する方法は、皮膜材料の融点または軟化点よりも低い温度に設定した超音速で流れるガスで皮膜材料の粉末を搬送することによって、この粉末を基材の表面に衝突させるものである。この方法では、粉末が高速で基材の表面に衝突した際に、固相状態のままで粉末の粒子が塑性変形することによって皮膜が形成される。
従来、このようなコールドスプレー法において、レーザ光を利用した方法も開発されている。この種のコールドスプレーによる皮膜形成方法としては、例えば、特開２００６−１７６８８０号公報（特許文献１）あるいは特表２００８−５２８８００号公報（特許文献２）記載の技術が知られている。
これは、図１３に示すように、スプレーノズル１００から皮膜材料の粉末をその融点温度未満の作動ガスと共に基材Ｋに向けて噴射して、基材Ｋに皮膜材料の皮膜を形成するもので、レーザ照射機１０１からレーザ光を基材Ｋの皮膜材料の粉末が被着される部位（スプレーポイント）に照射して皮膜材料の被着過程においてこの皮膜材料に熱を加え、これにより皮膜材料の粉末堆積層の密度を向上させる等皮膜の性状を良好にするようにしている。あるいはまた、皮膜材料の被着後においてこの皮膜材料に熱を加えることも行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１７６８８０号公報
【特許文献２】特表２００８−５２８８００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記従来のコールドスプレーによる皮膜形成方法においては、皮膜材料の被着過程あるいは皮膜材料の被着後に、レーザ光を基材に照射して皮膜材料に熱を加えているので、例えば、基材を変形させてしまう等、少なからず、基材に悪影響を与えることがあるという問題があった。
本発明は上記の点に鑑みて為されたもので、基材に影響を与えることなくレーザ光を皮膜材料に照射して、皮膜材料の粉末堆積層の密度を向上させる等皮膜の性状向上を図ったコールドスプレーによる皮膜形成方法及びコールドスプレー装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
このような目的を達成するための本発明のコールドスプレーによる皮膜形成方法は、スプレーノズルから皮膜材料の粉末を当該皮膜材料の融点温度未満の作動ガスと共に基材に向けて噴射して、該基材に皮膜材料の皮膜を形成するコールドスプレーによる皮膜形成方法において、上記スプレーノズルから基材に至る皮膜材料の粉末の経路に該粉末を加熱するレーザ光を照射する構成としている。
【０００６】
これにより、スプレーノズルから噴射された皮膜材料の粉末にレーザ光が照射されるので、皮膜材料の粉末が基材に被着する直前で皮膜材料の粉末が加熱されることから、より軟化し、そのため、基材に被着した際に粒子間結合度が向上して皮膜材料の密度が高くなり、皮膜材料の性状が向上させられる。例えば、皮膜材料の硬度を高くすることができ、また、耐摩耗性を向上させることができる。
【０００７】
この場合、上記レーザ光の強度は、上記経路を飛行中の粉末を当該粉末の融点温度未満の温度範囲で温度上昇させる強度であることが有効である。融点温度以上に加熱すると粉末の酸化や分解などの不具合がある。
そして、この温度上昇により、飛行中の粉末が温度低下しても温度上昇させて軟化を促進するので、基材に衝突、積層した際に粒子間結合度を確実に向上させることができる。
また、この場合、上記レーザ光の照射範囲は、上記粉末の飛行方向に直交する投影面上、該粉末の拡散範囲を包含する範囲であることが有効である。粉末全体に亘ってレーザ光を照射できるので、粉末全体の軟化を促進することができ、基材に被着した際に、より一層粒子間結合度を確実に向上させることができる。
【０００８】
更に、上記レーザ光は、カライドスコープを通して照射されるＹＡＧレーザであることが有効である。
カライドスコープは均一分布光学系なので、粉末に均一なレーザ光を照射することができ、粉末の軟化を均一に促進することができ、基材に被着した際に、粒子間結合を均一にして被覆品位を向上させることができる。
また、ＹＡＧレーザは光ファイバーで伝送することができ、ロボットなどへの搭載が容易になる。そのため、自動化し易いなどの効果を奏する。
【０００９】
また、上記目的を達成するための本発明のコールドスプレー装置は、スプレーノズルから皮膜材料の粉末を当該皮膜材料の融点未満の作動ガスと共に基材に向けて噴射して、該基材に皮膜材料の皮膜を形成するコールドスプレー装置において、上記スプレーノズルから基材に至る皮膜材料の粉末の経路に該粉末を加熱するレーザ光を照射するレーザ照射手段を備えた構成としている。
この場合、上記レーザ照射手段は、カライドスコープを通してＹＡＧレーザを照射することが有効である。上記と同様の作用，効果を奏する。
また、必要に応じ、上記レーザ照射手段の粉末の経路に対するレーザ光の照射位置を調整する位置調整機構を備えた構成としている。粉末に最適なレーザ光を照射できるように調整できるので、粉末全体の軟化を確実に促進することができ、基材に衝突、積層した際に、より一層粒子間結合度を確実に向上させることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、スプレーノズルから噴射された皮膜材料の粉末にレーザ光が照射されるので、皮膜材料の粉末が基材に被着する直前で皮膜材料の粉末が加熱されることから、より軟化し、そのため、基材に被着した際に粒子間結合度が向上して皮膜材料の密度が高くなり、皮膜材料の性状が向上させられる。例えば、皮膜材料の硬度を高くすることができ、また、耐摩耗性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態に係るコールドスプレー装置を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るコールドスプレー装置において、粉末の飛行範囲とレーザ光の照射範囲との関係を示す図であり、（ａ）は図１中上面図、（ｂ）は図１中側面図、（ｃ）は基材からスプレーノズル方向へ見た図である。
【図３】本発明の実施例に係るコールドスプレー装置による皮膜形成方法（ａ）を比較例に係る皮膜形成方法（ｂ）（ｃ）とともに示す図である。
【図４】本発明の実施例に係るコールドスプレーによる皮膜形成方法において用いる皮膜材料の一例を示す電子顕微鏡写真である。
【図５】本発明の実施例及び比較例に係るコールドスプレーによる皮膜形成方法におけるコールドスプレー条件を示す表図である。
【図６】本発明の実施例１に関し試料の皮膜断面を示す光学顕微鏡写真である。
【図７】本発明の実施例１に関しレーザ出力と試料の摩耗減量との関係を示すグラフ図である。
【図８】本発明の実施例２に関し試料の皮膜断面を示す光学顕微鏡写真である。
【図９】比較例１に関し試料の皮膜断面を示す光学顕微鏡写真である。
【図１０】比較例２に関し試料の皮膜断面を示す光学顕微鏡写真である。
【図１１】比較例３に関し試料の皮膜断面を示す光学顕微鏡写真である。
【図１２】比較例４に関し試料の皮膜断面を示す光学顕微鏡写真である。
【図１３】従来のコールドスプレー装置の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、添付図面に基づいて、本発明の実施の形態に係るコールドスプレーによる皮膜形成方法及びコールドスプレー装置について詳細に説明する。本発明の実施の形態に係るコールドスプレーによる皮膜形成方法は、本発明の実施の形態に係るコールドスプレー装置において実現されるので、このコールドスプレー装置の作用において説明する。
本発明の実施の形態に係るコールドスプレー装置は、図１及び図２に示すように、スプレーノズルから皮膜材料の粉末を、皮膜材料の融点未満の作動ガスと共に基材Ｋに向けて噴射（実施の形態では水平方向に噴射）して、基材Ｋに皮膜材料の皮膜を形成するものである。
【００１３】
詳しくは、このコールドスプレー装置１は、空気，窒素，ヘリウムなどの高圧の作動ガスが供給される主配管２と、主配管２の途中に設けられ作動ガスを皮膜材料の融点未満の温度または軟化温度よりも低い温度に加温するガス加熱器３と、主配管２から分岐され作動ガスの一部を粉末搬送のキャリアガスとして送る枝配管４と、枝配管４に介装されキャリアガスにより皮膜材料の粉末を搬送せしめる粉末供給装置５と、主配管２及び枝配管４が合流し枝配管４からの皮膜材料の粉末を加温されたガスに投入させるミキシングチャンバ６と、ミキシングチャンバ６に接続され固体基材Ｋに皮膜材料の粉末をガスとともに吹き付けるスプレーノズル７とから構成されている。スプレーノズル７では作動ガス及び皮膜材料の粉末は超音速流となって噴出される。
【００１４】
また、本コールドスプレー装置１は、スプレーノズル７から基材Ｋに至る皮膜材料の粉末の経路に該粉末を加熱するレーザ光を照射（実施の形態では垂直方向に上から照射）するレーザ照射手段としてのレーザ照射機１０を備えている、このレーザ照射機１０はレーザ光として周知のＹＡＧレーザを照射するレーザ加工ヘッド１１を備えている。加工ヘッド１１としてはカライドスコープが用いられ、光ファイバーで発信器からこのレーザ加工ヘッド１１へ伝送される。カライドスコープは、均一なエネルギー密度のレーザビームを照射できる光学系である。ＹＡＧレーザなので、光ファイバーで伝送することができ、ロボットなどへの搭載が容易になる。そのため、自動化し易いなどの効果を奏する。
この場合、レーザ光の強度は、経路を飛行中の粉末を当該粉末の融点温度未満の温度範囲で温度上昇させる強度になるように調整される。融点温度以上に加熱すると粉末の酸化や分解などの不具合がある。
また、この場合、図２に示すように、レーザ光の照射範囲ＬＡは、粉末の飛行方向に直交する投影面（図２（Ｃ））上、該粉末の拡散範囲ＭＡを包含する範囲に設定されている。カライドスコープのレーザ光の形状は、図２（ａ）に示すように、断面略矩形状であり、そのビームの大きさは、例えば、４ｍｍ×４ｍｍと一定に設定される。図２（Ｃ）に示すように、粉末の拡散範囲ＭＡは、粉末の飛行方向に直交する投影面上、例えば、直径１．５ｍｍの円形範囲であり、レーザ光の照射範囲に包含される。
【００１５】
また、本装置においては、図１に示すように、レーザ照射機１０の粉末の経路に対するレーザ光の照射位置を調整する位置調整機構２０を備えている。位置調整機構２０は、例えば、レーザ加工ヘッド１１を粉末の照射方向に沿う前後方向（Ｘ方向）、粉末の照射方向に直交する水平方向（Ｙ方向）、粉末の照射方向に直交する垂直方向（Ｚ方向）の３軸方向に移動可能に支持するスライダ機構（図示せず）と、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向に移動させるボールねじ機構を備えたアクチュエータ（図示せず）とから構成されている。
【００１６】
また、本装置が対象とする被覆材料の粉末は、無機材料粉末または／及び有機材料粉末を用いることができる。被覆材料の粉末均粒径は、例えば、１〜１０００μｍである。
無機材料粉末としては、例えば、ニッケルなどの各種金属、酸化物系や炭化物系のサーメット等のこれらの合金、あるいはこれらの酸化物等、適宜のものを選択することができる。
有機材料粉末としては、ポリエチレン，ポリプロピレン等の各種樹脂等、適宜のものを選択することができる。
また、固体基材Ｋとしては、鉄，鋳鉄，ステンレス，パーマロイ，銅，黄銅，リン青銅，ニッケル，キュプロニッケル，錫，鉛，コバルト，半田，チタン，アルミニウム，クロム，金，銀，白金，パラジウム，亜鉛の何れかの金属、あるいはこれらの合金、金属の酸化物、リン酸塩処理金属、クロム酸塩処理金属、木材、紙、プラスチックス、ガラスや金属粉末等を混合した複合強化プラスチック等、適宜のものを選択することができる。
この基材は、スプレーノズルに対面させられて図示外のテーブルに固定されて図示外の駆動手段により、粉末の飛行方向に直交する面方向に行列状に移動させられる。
【００１７】
従って、実施の形態に係るコールドスプレー装置１によれば、スプレーノズル７から噴射された皮膜材料の粉末にレーザ光が照射されるので、皮膜材料の粉末が基材Ｋに被着する直前で皮膜材料の粉末が加熱されることから、より軟化し、そのため、基材Ｋに被着した際に粒子間結合度が向上して皮膜材料の密度が高くなり、皮膜材料の性状が向上させられる。例えば、皮膜材料の硬度を高くすることができ、また、耐摩耗性を向上させることができる。
この場合、図２（Ｃ）に示すように、レーザ光の照射範囲ＬＡは、粉末の飛行方向に直交する投影面上、該粉末の拡散範囲ＭＡを包含する範囲になっているので、粉末全体に亘ってレーザ光を照射でき、そのため、粉末全体の軟化を促進することができ、基材Ｋに被着した際に、より一層粒子間結合度を確実に向上させることができる。
更に、上記レーザ光は、カライドスコープを通して照射されるＹＡＧレーザなので、カライドスコープは均一分布光学系であることから、粉末に均一なレーザ光を照射することができ、粉末の軟化を均一に促進することができ、基材Ｋに被着した際に、粒子間結合を均一にして被覆品位を向上させることができる。
【実施例】
【００１８】
次に、本発明の実施例について説明する。実施例に係るコールドスプレー装置は、スプレーノズル側の装置として、米国イノバティ社製のKinetic Metallizationシステム（KM-CDS）を用いた。この装置は、粉末供給装置、ガス調整装置、スプレーノズル、制御装置から構成されている。ボンベから供給された作動ガスは、装置内でプロセスガスと粉末を搬送するためのキャリアガスの２つの系統に分岐される。プロセスガスは、ヒーターによって加熱され急激に膨張しながら超高速のガス流となってミキシングチャンバへ流れる。一方、キャリアガスは、粉末供給装置から原料粉末を搬送する。搬送された粉末は、ミキシングチャンバ内でプロセスガスと混合され、超高速のガス流となってスプレーノズルから噴出される。このようなプロセスを経て、超高速に加速された原料粉末は、基材に向かって吹き付けられ皮膜が形成される。使用した装置のノズルは、音速ノズルで粉末に対して効率的に運動エネルギーを供給できるといわれている。基材はジグを介して六軸多関節ロボットに取り付け、被着の際にハシゴ状に移動させた。
【００１９】
また、レーザ照射機としては、最大出力３ｋＷのＹＡＧレーザ装置（石川島播磨重工業（株）製iLS-YC25C）を使用した。レーザ光は光ファイバーで発信器からカライドスコープからなるレーザ加工ヘッドへ伝送され、均一なエネルギー密度のレーザビームとなって照射される。照射するレーザのエネルギー密度を変化させるためにビームの大きさを４ｍｍ×４ｍｍ一定とした。皮膜材料の粒子へ上方からレーザ光が照射されるように、コールドスプレーノズルとレーザヘッドをジグに固定した。
【００２０】
そして、上記の実施例に係るコールドスプレー装置を用い、実施例１，２，比較例１〜４に係る被着を行なった。
実施例１，２，比較例１〜４で用いた基材は、金属基材であり、板状（幅５０ｍｍ×長さ６０ｍｍ×厚さ５ｍｍ）のSUS304鋼を使用した。コーティングに際して、アセトンで超音波洗浄を行った後に#54のアルミナでブラスト処理を行った。
被覆材料として使用した粉末は、金属系粉末であるＮｉ（実施例１，比較例１，比較例３）と、サーメット系粉末であるＷＣ-Ｃｏ（実施例２，比較例２，比較例４）の２種類とした。粉末外観のSEM写真を図４に示す。Ｎｉ粉末はカルボニール法で作製した粉末で球形をしている。ＷＣ-Ｃｏ粉末はサブミクロンのＷＣとＣｏを造粒した粉末であることがわかる。粉末は吸着した水分を十分に除去するために真空乾燥炉中で１００℃、８時間以上乾燥して使用した。
【００２１】
より具体的には、図３（ａ）に示すように、本発明に係る実施例１（飛行中Ｎｉ）及び実施例２（飛行中ＷＣ−Ｃｏ）に係る被着を行ない、図３（ｂ）（ｃ）に示す比較例１〜４の方法と比較した。図３（ｂ）に示すように、比較例１（基材上で同時Ｎｉ）及び比較例２（基材上で同時ＷＣ−Ｃｏ）は、従来例（図１３）と同様の方法での被着であり、基材の皮膜材料のスプレーポイントにレーザ照射位置が交差するようにレーザ照射機を配置して行った。図３（ｃ）に示すように、比較例３（後処理Ｎｉ）及び比較例４（後処理ＷＣ−Ｃｏ）は、レーザ光を基材に皮膜材料を被着後に後処理により行った。
【００２２】
また、スプレーノズル側の装置のコールドスプレーは、図５に示す条件で行った。コーティングに際しては、粉末供給量のキャリブレーションを行い、所定の粉末が供給されるように粉末供給装置を調整した。スプレーノズルと基材間の距離は通常は１５ｍｍであるが、レーザヘッドと基材が干渉するために３０ｍｍとした。所定の厚さになるようにパス数を調整してコーティングを行った。
【００２３】
実施例１（飛行中Ｎｉ）及び実施例２（飛行中ＷＣ−Ｃｏ）、比較例１（基材上で同時Ｎｉ）及び比較例２（基材上で同時ＷＣ−Ｃｏ）においては、照射するレーザのエネルギー密度を変化させるためにビームの大きさを４ｍｍ×４ｍｍ一定とし、レーザ出力を０ｋＷ，１．０ｋＷ，１．５ｋＷ，２．０ｋＷの４水準として変化させた。トラバース速度は、５０ｍｍ/ｓとした。
比較例３（後処理Ｎｉ）においては、レーザヘッドをロボットに取り付けて、トラバース速度は１０ｍｍ/ｓ，２５ｍｍ/ｓ，５０ｍｍ/ｓの３水準とし、ビームの大きさを２ｍｍ×２ｍｍとし、レーザ出力を１．５ｋＷ，２．０ｋＷの２水準として、これらを組み合わせて処理を行った。
比較例４（後処理ＷＣ−Ｃｏ）においては、レーザヘッドをロボットに取り付けて、トラバース速度は５０ｍｍ/ｓ一定とし、エネルギー密度を変化させるためにビームの大きさを２ｍｍ×２ｍｍ，４ｍｍ×４ｍｍ，６ｍｍ×６ｍｍの３水準、レーザ出力を１．５ｋＷ，２．０ｋＷの２水準として、これらを組み合わせて処理を行った。
各レーザ処理に際し、パワーメータを使用して加工端出力を確認してからレーザ処理を行った。
【００２４】
そして、実施例１，２，比較例１〜４について、下記の試験，分析を行った。
試験片は精密切断機で切断して、樹脂に埋め込み、自動研磨機で研磨して皮膜組織観察等の試料とした。皮膜組織は、光学顕微鏡組織観察及びEPMA（（株）日本電子製JXA-8900M）により微細組織観察及び分析を行った。この他にコーティングによる皮膜構造の変化を調べるためにＸ線回折装置（（株）理学電機製RINT-2200）により構造解析を行った。比較のために用いた原料粉末の分析も行い、コーティング前後の酸化、分解等の有無を調べた。一部の皮膜については、皮膜硬さ評価としてマイクロビッカース硬さ測定を耐摩耗性評価としてスガ式摩耗試験を行った。スガ式摩耗試験は、回転円板外周部に#320のSiC耐水研磨紙を貼り付け荷重をかけながら試験片を往復運動させて試験片を摩耗させ、その摩耗減量で耐摩耗性を評価する方法である。試験は荷重１０Ｎ、往復運動回数４０００回で行った。
【００２５】
（１）実施例１（飛行中Ｎｉ）の結果
実施例１に係る試料のＮｉ皮膜組織を図６に示す。実施例１においては、コールドスプレーの飛行粒子速度は、７００ｍ/ｓを超えていて非常に速いので、ビームの大きさを４ｍｍ×４ｍｍに設定しているためレーザを通過する時間は約６μsという非常に短い時間である。そのため皮膜断面組織に大きな違いは無い。尚、顕微鏡写真中、上層の黒い部分は埋め込んだ樹脂である（以下同じ）。
マイクロビッカース硬さはレーザ出力の上昇に伴ってわずかに増加する傾向が認められた。そこでスガ式摩耗試験により皮膜の耐摩耗性について評価した。測定結果を図７に示す。レーザ出力の上昇に伴って摩耗減量は減少傾向を示している。スガ式摩耗試験結果は、皮膜内の粒子間結合度が影響を与えることを示している。非常に短いレーザ照射時間でも皮膜内の粒子間結合度を強化することがわかる。
【００２６】
（２）実施例２（飛行中ＷＣ−Ｃｏ）の結果
実施例２に係る試料のＷＣ-Ｃｏ皮膜組織を図８に示す。皮膜組織中に溶融部などは観察されない。また、気孔が少なく緻密な皮膜が形成されている。出力２．０ｋＷで作成した皮膜は、レーザを照射していない皮膜よりも皮膜厚さが少し厚くなっていることがわかる。
【００２７】
（３）比較例１（基材上で同時Ｎｉ）の結果
比較例１に係る試料のＮｉ皮膜組織を図９に示す。比較例１では、皮膜のエックス線回折結果では、低いＮｉＯのピークが観察されたことから、レーザ同時照射によって熱的な影響は大きいもののコールドスプレーのキャリアガスによる冷却効果によって、後述の比較例４の方法に比べてあまり溶融しないものと考えられる。皮膜の硬さはどのレーザ出力でも１００程度となっていて、レーザ照射無しの皮膜と比較して低い値になっていた。また、比較例１の方法はレーザ照射時間が実施例１よりも長いために熱的な影響が大きく、皮膜の焼きなまし効果が高いと考えられる。これらの結果からレーザ照射条件が短い場合はある程度粒子間結合度を強化する効果があるが、照射時間が長くなると熱的な影響が大きくなるために硬さは低下するので、実施例に比較して劣る。
【００２８】
（４）比較例２（基材上で同時ＷＣ−Ｃｏ）の結果
比較例２に係る試料のＷＣ-Ｃｏ皮膜表面と断面の光学顕微鏡組織を図１０に示す。レーザ照射によってどの条件でも皮膜が溶融してブローホールが発生している。特に２．０ｋＷで処理した皮膜は溶融部が非常に大きくなっている。Ｎｉと比較して皮膜が溶融しているのはＷＣ-Ｃｏの方がＮｉよりもレーザの吸収率が高いためである。
【００２９】
（５）比較例３（後処理Ｎｉ）の結果
比較例３に係る試料のＮｉ皮膜組織を図１１に示す。この方法では、レーザ出力が高くトラバース速度が遅いほど溶け込み幅が広く、溶け込み深さが深くなっていることが分かる。特に、この方法では、スプレー後にレーザ照射を行うために、基材に対してレーザ光を相対的に行列状に移動させなければならないので、加工時間が多くなり、また、レーザビームの先に照射した部分との重なり条件の最適化が非常に難しいため、基材の表面全体を均一に処理することが困難になる。
【００３０】
（６）比較例４（後処理ＷＣ−Ｃｏ）の結果
比較例４に係る試料のＷＣ-Ｃｏ皮膜の断面の光学顕微鏡組織を図１２に示す。ＷＣ-Ｃｏ皮膜はレーザの吸収率がＮｉ皮膜よりも良いためトラバース速度を速くして処理を行っている。エネルギー密度によって皮膜組織は変化していて、その組織は溶融部、熱影響部に分かれている。エネルギー密度が高い２ｍｍ×２ｍｍ、レーザ出力２．０ｋＷの条件では、デンドライトデンドライト状の組織が観察されている。尚、この部分の定性分析では、Ｃ、Ｃｒ、Ｗが検出されており、レーザ照射によって溶け込みが深く基材が溶融したため、基材中のＣｒが溶融してＷとの複炭化物が生成したためと考えられる。これに対して皮膜のみ溶融した皮膜組織では、溶融して凝固することによって粗大化したＷＣ粒子が観察される。この図からエネルギー密度１．０Ｗ/ｍｍ2/ｓ以上で皮膜が溶融していることがわかる。また、溶融部の有無にかかわらずエネルギー密度の上昇とともにマイクロビッカース硬さが上昇する傾向が認められる。皮膜中にブローホールが発生することを除けば、レーザ後処理は、皮膜硬さを向上させるために有効な手段であると考えられる。しかしながら、上述したように、スプレー後にレーザ照射を行うために、基材に対してレーザ光を相対的に行列状に移動させなければならないので、加工時間が多くなり、また、レーザビームの先に照射した部分との重なり調整が困難になり、基材の表面全体を均一に処理することが困難になる。
【００３１】
以上の結果から、比較例１及び比較例２の基材上でコールドスプレーとレーザを同時照射する方法では、エネルギー密度を低くした条件では酸化物等は認められず、均一な皮膜が形成されたものの、単位時間あたりのエネルギー密度が高い条件では、Ｎｉ皮膜中に酸化物が、ＷＣ-Ｃｏ皮膜中にη相が確認された。
また、比較例３のＮｉのレーザ後処理では１０Ｗ/ｍｍ2/ｓ以上で皮膜の溶融が認められた。溶け込み幅は急激に上昇し、溶け込み深さはエネルギー密度の上昇にともなって徐々に深くなる傾向を示した。
比較例４のＷＣ-Ｃｏレーザ後処理のレーザ溶融部は著しい硬さの上昇が認められた。また、ＷＣ-Ｃｏレーザ後処理はエネルギー密度と硬さに相関関係がみとめられ、エネルギー密度が高い条件では、ステンレス基材中のＣｒ、Ｗとの複炭化物が生成され、皮膜のみ溶融した場合は、再凝固で粒径の大きな炭化物が生成した。
これに対して、本実施例に係る飛行粒子へのレーザ照射では、皮膜組織、X線回折結果にはどの条件においても大きな差は認められなかった。Ｎｉ、ＷＣ-Ｃｏともレーザ出力２．０ｋＷ以上からマイクロビッカース硬さに上昇傾向が認められる。また、飛行粒子へレーザ照射したＮｉ皮膜のスガ式耐摩耗性試験では、レーザ出力増加に伴って減少傾向を示し、耐摩耗性が向上した。レーザ同時照射によって成膜した皮膜は、その他のレーザ照射方法と比較して均一な皮膜を短時間で得ることが可能であり、レーザ照射をしていない皮膜よりも耐摩耗性が高くなる。従って、実施例に係るコールドスプレーによる皮膜形成方法は優れているといえる。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明によれば、従来からのコールドスプレー法とレーザを組み合わせることによってコールドスプレーの粒子加熱を行い、レーザ照射条件を最適に保つことによって、皮膜の硬さや粒子間結合度を向上させることが可能になり、そのため、高機能化を図ったコーティング技術を提供でき様々な産業分野で導入可能になる。特に、レーザはエネルギーの集中度が高く、局部加熱が可能で入熱の制御が容易であることから、例えば、金型の補修等の分野では有効に利用することができる。
【符号の説明】
【００３３】
Ｋ 基材
１ コールドスプレー装置
２ 主配管
３ ガス加熱器
４ 枝配管
５ 粉末供給装置
６ ミキシングチャンバ
７ スプレーノズル
１０ レーザ照射機
１１ レーザ加工ヘッド
Ｒ 粉末の飛行方向
ＬＡ レーザ光の照射範囲
ＭＡ 粉末の拡散範囲
２０ 位置調整機構
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コールドスプレー法により皮膜材料の皮膜を基材に形成する技術に係り、特に、レーザ光を利用したコールドスプレーによる皮膜形成方法及びコールドスプレー装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、コールドスプレー（Cold Spray）法によって基材の表面に皮膜を形成する方法は、皮膜材料の融点または軟化点よりも低い温度に設定した超音速で流れるガスで皮膜材料の粉末を搬送することによって、この粉末を基材の表面に衝突させるものである。この方法では、粉末が高速で基材の表面に衝突した際に、固相状態のままで粉末の粒子が塑性変形することによって皮膜が形成される。
従来、このようなコールドスプレー法において、レーザ光を利用した方法も開発されている。この種のコールドスプレーによる皮膜形成方法としては、例えば、特開２００６−１７６８８０号公報（特許文献１）あるいは特表２００８−５２８８００号公報（特許文献２）記載の技術が知られている。
これは、図１３に示すように、スプレーノズル１００から皮膜材料の粉末をその融点温度未満の作動ガスと共に基材Ｋに向けて噴射して、基材Ｋに皮膜材料の皮膜を形成するもので、レーザ照射機１０１からレーザ光を基材Ｋの皮膜材料の粉末が被着される部位（スプレーポイント）に照射して皮膜材料の被着過程においてこの皮膜材料に熱を加え、これにより皮膜材料の粉末堆積層の密度を向上させる等皮膜の性状を良好にするようにしている。あるいはまた、皮膜材料の被着後においてこの皮膜材料に熱を加えることも行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１７６８８０号公報
【特許文献２】特表２００８−５２８８００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記従来のコールドスプレーによる皮膜形成方法においては、皮膜材料の被着過程あるいは皮膜材料の被着後に、レーザ光を基材に照射して皮膜材料に熱を加えているので、例えば、基材を変形させてしまう等、少なからず、基材に悪影響を与えることがあるという問題があった。
本発明は上記の点に鑑みて為されたもので、基材に影響を与えることなくレーザ光を皮膜材料に照射して、皮膜材料の粉末堆積層の密度を向上させる等皮膜の性状向上を図ったコールドスプレーによる皮膜形成方法及びコールドスプレー装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
このような目的を達成するための本発明のコールドスプレーによる皮膜形成方法は、スプレーノズルから皮膜材料の粉末を当該皮膜材料の融点温度未満の作動ガスと共に基材に向けて噴射して、該基材に皮膜材料の皮膜を形成するコールドスプレーによる皮膜形成方法において、上記スプレーノズルから基材に至る皮膜材料の粉末の経路に該粉末を加熱するレーザ光を照射する構成としている。
【０００６】
これにより、スプレーノズルから噴射された皮膜材料の粉末にレーザ光が照射されるので、皮膜材料の粉末が基材に被着する直前で皮膜材料の粉末が加熱されることから、より軟化し、そのため、基材に被着した際に粒子間結合度が向上して皮膜材料の密度が高くなり、皮膜材料の性状が向上させられる。例えば、皮膜材料の硬度を高くすることができ、また、耐摩耗性を向上させることができる。
【０００７】
この場合、上記レーザ光の強度は、上記経路を飛行中の粉末を当該粉末の融点温度未満の温度範囲で温度上昇させる強度であることが有効である。融点温度以上に加熱すると粉末の酸化や分解などの不具合がある。
そして、この温度上昇により、飛行中の粉末が温度低下しても温度上昇させて軟化を促進するので、基材に衝突、積層した際に粒子間結合度を確実に向上させることができる。
また、この場合、上記レーザ光の照射範囲は、上記粉末の飛行方向に直交する投影面上、該粉末の拡散範囲を包含する範囲であることが有効である。粉末全体に亘ってレーザ光を照射できるので、粉末全体の軟化を促進することができ、基材に被着した際に、より一層粒子間結合度を確実に向上させることができる。
【０００８】
更に、上記レーザ光は、カライドスコープを通して照射されるＹＡＧレーザであることが有効である。
カライドスコープは均一分布光学系なので、粉末に均一なレーザ光を照射することができ、粉末の軟化を均一に促進することができ、基材に被着した際に、粒子間結合を均一にして被覆品位を向上させることができる。
また、ＹＡＧレーザは光ファイバーで伝送することができ、ロボットなどへの搭載が容易になる。そのため、自動化し易いなどの効果を奏する。
【０００９】
また、上記目的を達成するための本発明のコールドスプレー装置は、スプレーノズルから皮膜材料の粉末を当該皮膜材料の融点未満の作動ガスと共に基材に向けて噴射して、該基材に皮膜材料の皮膜を形成するコールドスプレー装置において、上記スプレーノズルから基材に至る皮膜材料の粉末の経路に該粉末を加熱するレーザ光を照射するレーザ照射手段を備えた構成としている。
この場合、上記レーザ照射手段は、カライドスコープを通してＹＡＧレーザを照射することが有効である。上記と同様の作用，効果を奏する。
また、必要に応じ、上記レーザ照射手段の粉末の経路に対するレーザ光の照射位置を調整する位置調整機構を備えた構成としている。粉末に最適なレーザ光を照射できるように調整できるので、粉末全体の軟化を確実に促進することができ、基材に衝突、積層した際に、より一層粒子間結合度を確実に向上させることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、スプレーノズルから噴射された皮膜材料の粉末にレーザ光が照射されるので、皮膜材料の粉末が基材に被着する直前で皮膜材料の粉末が加熱されることから、より軟化し、そのため、基材に被着した際に粒子間結合度が向上して皮膜材料の密度が高くなり、皮膜材料の性状が向上させられる。例えば、皮膜材料の硬度を高くすることができ、また、耐摩耗性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態に係るコールドスプレー装置を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るコールドスプレー装置において、粉末の飛行範囲とレーザ光の照射範囲との関係を示す図であり、（ａ）は図１中上面図、（ｂ）は図１中側面図、（ｃ）は基材からスプレーノズル方向へ見た図である。
【図３】本発明の実施例に係るコールドスプレー装置による皮膜形成方法（ａ）を比較例に係る皮膜形成方法（ｂ）（ｃ）とともに示す図である。
【図４】本発明の実施例に係るコールドスプレーによる皮膜形成方法において用いる皮膜材料の一例を示す電子顕微鏡写真である。
【図５】本発明の実施例及び比較例に係るコールドスプレーによる皮膜形成方法におけるコールドスプレー条件を示す表図である。
【図６】本発明の実施例１に関し試料の皮膜断面を示す光学顕微鏡写真である。
【図７】本発明の実施例１に関しレーザ出力と試料の摩耗減量との関係を示すグラフ図である。
【図８】本発明の実施例２に関し試料の皮膜断面を示す光学顕微鏡写真である。
【図９】比較例１に関し試料の皮膜断面を示す光学顕微鏡写真である。
【図１０】比較例２に関し試料の皮膜断面を示す光学顕微鏡写真である。
【図１１】比較例３に関し試料の皮膜断面を示す光学顕微鏡写真である。
【図１２】比較例４に関し試料の皮膜断面を示す光学顕微鏡写真である。
【図１３】従来のコールドスプレー装置の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、添付図面に基づいて、本発明の実施の形態に係るコールドスプレーによる皮膜形成方法及びコールドスプレー装置について詳細に説明する。本発明の実施の形態に係るコールドスプレーによる皮膜形成方法は、本発明の実施の形態に係るコールドスプレー装置において実現されるので、このコールドスプレー装置の作用において説明する。
本発明の実施の形態に係るコールドスプレー装置は、図１及び図２に示すように、スプレーノズルから皮膜材料の粉末を、皮膜材料の融点未満の作動ガスと共に基材Ｋに向けて噴射（実施の形態では水平方向に噴射）して、基材Ｋに皮膜材料の皮膜を形成するものである。
【００１３】
詳しくは、このコールドスプレー装置１は、空気，窒素，ヘリウムなどの高圧の作動ガスが供給される主配管２と、主配管２の途中に設けられ作動ガスを皮膜材料の融点未満の温度または軟化温度よりも低い温度に加温するガス加熱器３と、主配管２から分岐され作動ガスの一部を粉末搬送のキャリアガスとして送る枝配管４と、枝配管４に介装されキャリアガスにより皮膜材料の粉末を搬送せしめる粉末供給装置５と、主配管２及び枝配管４が合流し枝配管４からの皮膜材料の粉末を加温されたガスに投入させるミキシングチャンバ６と、ミキシングチャンバ６に接続され固体基材Ｋに皮膜材料の粉末をガスとともに吹き付けるスプレーノズル７とから構成されている。スプレーノズル７では作動ガス及び皮膜材料の粉末は超音速流となって噴出される。
【００１４】
また、本コールドスプレー装置１は、スプレーノズル７から基材Ｋに至る皮膜材料の粉末の経路に該粉末を加熱するレーザ光を照射（実施の形態では垂直方向に上から照射）するレーザ照射手段としてのレーザ照射機１０を備えている、このレーザ照射機１０はレーザ光として周知のＹＡＧレーザを照射するレーザ加工ヘッド１１を備えている。加工ヘッド１１としてはカライドスコープが用いられ、光ファイバーで発信器からこのレーザ加工ヘッド１１へ伝送される。カライドスコープは、均一なエネルギー密度のレーザビームを照射できる光学系である。ＹＡＧレーザなので、光ファイバーで伝送することができ、ロボットなどへの搭載が容易になる。そのため、自動化し易いなどの効果を奏する。
この場合、レーザ光の強度は、経路を飛行中の粉末を当該粉末の融点温度未満の温度範囲で温度上昇させる強度になるように調整される。融点温度以上に加熱すると粉末の酸化や分解などの不具合がある。
また、この場合、図２に示すように、レーザ光の照射範囲ＬＡは、粉末の飛行方向に直交する投影面（図２（Ｃ））上、該粉末の拡散範囲ＭＡを包含する範囲に設定されている。カライドスコープのレーザ光の形状は、図２（ａ）に示すように、断面略矩形状であり、そのビームの大きさは、例えば、４ｍｍ×４ｍｍと一定に設定される。図２（Ｃ）に示すように、粉末の拡散範囲ＭＡは、粉末の飛行方向に直交する投影面上、例えば、直径１．５ｍｍの円形範囲であり、レーザ光の照射範囲に包含される。
【００１５】
また、本装置においては、図１に示すように、レーザ照射機１０の粉末の経路に対するレーザ光の照射位置を調整する位置調整機構２０を備えている。位置調整機構２０は、例えば、レーザ加工ヘッド１１を粉末の照射方向に沿う前後方向（Ｘ方向）、粉末の照射方向に直交する水平方向（Ｙ方向）、粉末の照射方向に直交する垂直方向（Ｚ方向）の３軸方向に移動可能に支持するスライダ機構（図示せず）と、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向に移動させるボールねじ機構を備えたアクチュエータ（図示せず）とから構成されている。
【００１６】
また、本装置が対象とする被覆材料の粉末は、無機材料粉末または／及び有機材料粉末を用いることができる。被覆材料の粉末均粒径は、例えば、１〜１０００μｍである。
無機材料粉末としては、例えば、ニッケルなどの各種金属、酸化物系や炭化物系のサーメット等のこれらの合金、あるいはこれらの酸化物等、適宜のものを選択することができる。
有機材料粉末としては、ポリエチレン，ポリプロピレン等の各種樹脂等、適宜のものを選択することができる。
また、固体基材Ｋとしては、鉄，鋳鉄，ステンレス，パーマロイ，銅，黄銅，リン青銅，ニッケル，キュプロニッケル，錫，鉛，コバルト，半田，チタン，アルミニウム，クロム，金，銀，白金，パラジウム，亜鉛の何れかの金属、あるいはこれらの合金、金属の酸化物、リン酸塩処理金属、クロム酸塩処理金属、木材、紙、プラスチックス、ガラスや金属粉末等を混合した複合強化プラスチック等、適宜のものを選択することができる。
この基材は、スプレーノズルに対面させられて図示外のテーブルに固定されて図示外の駆動手段により、粉末の飛行方向に直交する面方向に行列状に移動させられる。
【００１７】
従って、実施の形態に係るコールドスプレー装置１によれば、スプレーノズル７から噴射された皮膜材料の粉末にレーザ光が照射されるので、皮膜材料の粉末が基材Ｋに被着する直前で皮膜材料の粉末が加熱されることから、より軟化し、そのため、基材Ｋに被着した際に粒子間結合度が向上して皮膜材料の密度が高くなり、皮膜材料の性状が向上させられる。例えば、皮膜材料の硬度を高くすることができ、また、耐摩耗性を向上させることができる。
この場合、図２（Ｃ）に示すように、レーザ光の照射範囲ＬＡは、粉末の飛行方向に直交する投影面上、該粉末の拡散範囲ＭＡを包含する範囲になっているので、粉末全体に亘ってレーザ光を照射でき、そのため、粉末全体の軟化を促進することができ、基材Ｋに被着した際に、より一層粒子間結合度を確実に向上させることができる。
更に、上記レーザ光は、カライドスコープを通して照射されるＹＡＧレーザなので、カライドスコープは均一分布光学系であることから、粉末に均一なレーザ光を照射することができ、粉末の軟化を均一に促進することができ、基材Ｋに被着した際に、粒子間結合を均一にして被覆品位を向上させることができる。
【実施例】
【００１８】
次に、本発明の実施例について説明する。実施例に係るコールドスプレー装置は、スプレーノズル側の装置として、米国イノバティ社製のKinetic Metallizationシステム（KM-CDS）を用いた。この装置は、粉末供給装置、ガス調整装置、スプレーノズル、制御装置から構成されている。ボンベから供給された作動ガスは、装置内でプロセスガスと粉末を搬送するためのキャリアガスの２つの系統に分岐される。プロセスガスは、ヒーターによって加熱され急激に膨張しながら超高速のガス流となってミキシングチャンバへ流れる。一方、キャリアガスは、粉末供給装置から原料粉末を搬送する。搬送された粉末は、ミキシングチャンバ内でプロセスガスと混合され、超高速のガス流となってスプレーノズルから噴出される。このようなプロセスを経て、超高速に加速された原料粉末は、基材に向かって吹き付けられ皮膜が形成される。使用した装置のノズルは、音速ノズルで粉末に対して効率的に運動エネルギーを供給できるといわれている。基材はジグを介して六軸多関節ロボットに取り付け、被着の際にハシゴ状に移動させた。
【００１９】
また、レーザ照射機としては、最大出力３ｋＷのＹＡＧレーザ装置（石川島播磨重工業（株）製iLS-YC25C）を使用した。レーザ光は光ファイバーで発信器からカライドスコープからなるレーザ加工ヘッドへ伝送され、均一なエネルギー密度のレーザビームとなって照射される。照射するレーザのエネルギー密度を変化させるためにビームの大きさを４ｍｍ×４ｍｍ一定とした。皮膜材料の粒子へ上方からレーザ光が照射されるように、コールドスプレーノズルとレーザヘッドをジグに固定した。
【００２０】
そして、上記の実施例に係るコールドスプレー装置を用い、実施例１，２，比較例１〜４に係る被着を行なった。
実施例１，２，比較例１〜４で用いた基材は、金属基材であり、板状（幅５０ｍｍ×長さ６０ｍｍ×厚さ５ｍｍ）のSUS304鋼を使用した。コーティングに際して、アセトンで超音波洗浄を行った後に#54のアルミナでブラスト処理を行った。
被覆材料として使用した粉末は、金属系粉末であるＮｉ（実施例１，比較例１，比較例３）と、サーメット系粉末であるＷＣ-Ｃｏ（実施例２，比較例２，比較例４）の２種類とした。粉末外観のSEM写真を図４に示す。Ｎｉ粉末はカルボニール法で作製した粉末で球形をしている。ＷＣ-Ｃｏ粉末はサブミクロンのＷＣとＣｏを造粒した粉末であることがわかる。粉末は吸着した水分を十分に除去するために真空乾燥炉中で１００℃、８時間以上乾燥して使用した。
【００２１】
より具体的には、図３（ａ）に示すように、本発明に係る実施例１（飛行中Ｎｉ）及び実施例２（飛行中ＷＣ−Ｃｏ）に係る被着を行ない、図３（ｂ）（ｃ）に示す比較例１〜４の方法と比較した。図３（ｂ）に示すように、比較例１（基材上で同時Ｎｉ）及び比較例２（基材上で同時ＷＣ−Ｃｏ）は、従来例（図１３）と同様の方法での被着であり、基材の皮膜材料のスプレーポイントにレーザ照射位置が交差するようにレーザ照射機を配置して行った。図３（ｃ）に示すように、比較例３（後処理Ｎｉ）及び比較例４（後処理ＷＣ−Ｃｏ）は、レーザ光を基材に皮膜材料を被着後に後処理により行った。
【００２２】
また、スプレーノズル側の装置のコールドスプレーは、図５に示す条件で行った。コーティングに際しては、粉末供給量のキャリブレーションを行い、所定の粉末が供給されるように粉末供給装置を調整した。スプレーノズルと基材間の距離は通常は１５ｍｍであるが、レーザヘッドと基材が干渉するために３０ｍｍとした。所定の厚さになるようにパス数を調整してコーティングを行った。
【００２３】
実施例１（飛行中Ｎｉ）及び実施例２（飛行中ＷＣ−Ｃｏ）、比較例１（基材上で同時Ｎｉ）及び比較例２（基材上で同時ＷＣ−Ｃｏ）においては、照射するレーザのエネルギー密度を変化させるためにビームの大きさを４ｍｍ×４ｍｍ一定とし、レーザ出力を０ｋＷ，１．０ｋＷ，１．５ｋＷ，２．０ｋＷの４水準として変化させた。トラバース速度は、５０ｍｍ/ｓとした。
比較例３（後処理Ｎｉ）においては、レーザヘッドをロボットに取り付けて、トラバース速度は１０ｍｍ/ｓ，２５ｍｍ/ｓ，５０ｍｍ/ｓの３水準とし、ビームの大きさを２ｍｍ×２ｍｍとし、レーザ出力を１．５ｋＷ，２．０ｋＷの２水準として、これらを組み合わせて処理を行った。
比較例４（後処理ＷＣ−Ｃｏ）においては、レーザヘッドをロボットに取り付けて、トラバース速度は５０ｍｍ/ｓ一定とし、エネルギー密度を変化させるためにビームの大きさを２ｍｍ×２ｍｍ，４ｍｍ×４ｍｍ，６ｍｍ×６ｍｍの３水準、レーザ出力を１．５ｋＷ，２．０ｋＷの２水準として、これらを組み合わせて処理を行った。
各レーザ処理に際し、パワーメータを使用して加工端出力を確認してからレーザ処理を行った。
【００２４】
そして、実施例１，２，比較例１〜４について、下記の試験，分析を行った。
試験片は精密切断機で切断して、樹脂に埋め込み、自動研磨機で研磨して皮膜組織観察等の試料とした。皮膜組織は、光学顕微鏡組織観察及びEPMA（（株）日本電子製JXA-8900M）により微細組織観察及び分析を行った。この他にコーティングによる皮膜構造の変化を調べるためにＸ線回折装置（（株）理学電機製RINT-2200）により構造解析を行った。比較のために用いた原料粉末の分析も行い、コーティング前後の酸化、分解等の有無を調べた。一部の皮膜については、皮膜硬さ評価としてマイクロビッカース硬さ測定を耐摩耗性評価としてスガ式摩耗試験を行った。スガ式摩耗試験は、回転円板外周部に#320のSiC耐水研磨紙を貼り付け荷重をかけながら試験片を往復運動させて試験片を摩耗させ、その摩耗減量で耐摩耗性を評価する方法である。試験は荷重１０Ｎ、往復運動回数４０００回で行った。
【００２５】
（１）実施例１（飛行中Ｎｉ）の結果
実施例１に係る試料のＮｉ皮膜組織を図６に示す。実施例１においては、コールドスプレーの飛行粒子速度は、７００ｍ/ｓを超えていて非常に速いので、ビームの大きさを４ｍｍ×４ｍｍに設定しているためレーザを通過する時間は約６μsという非常に短い時間である。そのため皮膜断面組織に大きな違いは無い。尚、顕微鏡写真中、上層の黒い部分は埋め込んだ樹脂である（以下同じ）。
マイクロビッカース硬さはレーザ出力の上昇に伴ってわずかに増加する傾向が認められた。そこでスガ式摩耗試験により皮膜の耐摩耗性について評価した。測定結果を図７に示す。レーザ出力の上昇に伴って摩耗減量は減少傾向を示している。スガ式摩耗試験結果は、皮膜内の粒子間結合度が影響を与えることを示している。非常に短いレーザ照射時間でも皮膜内の粒子間結合度を強化することがわかる。
【００２６】
（２）実施例２（飛行中ＷＣ−Ｃｏ）の結果
実施例２に係る試料のＷＣ-Ｃｏ皮膜組織を図８に示す。皮膜組織中に溶融部などは観察されない。また、気孔が少なく緻密な皮膜が形成されている。出力２．０ｋＷで作成した皮膜は、レーザを照射していない皮膜よりも皮膜厚さが少し厚くなっていることがわかる。
【００２７】
（３）比較例１（基材上で同時Ｎｉ）の結果
比較例１に係る試料のＮｉ皮膜組織を図９に示す。比較例１では、皮膜のエックス線回折結果では、低いＮｉＯのピークが観察されたことから、レーザ同時照射によって熱的な影響は大きいもののコールドスプレーのキャリアガスによる冷却効果によって、後述の比較例４の方法に比べてあまり溶融しないものと考えられる。皮膜の硬さはどのレーザ出力でも１００程度となっていて、レーザ照射無しの皮膜と比較して低い値になっていた。また、比較例１の方法はレーザ照射時間が実施例１よりも長いために熱的な影響が大きく、皮膜の焼きなまし効果が高いと考えられる。これらの結果からレーザ照射条件が短い場合はある程度粒子間結合度を強化する効果があるが、照射時間が長くなると熱的な影響が大きくなるために硬さは低下するので、実施例に比較して劣る。
【００２８】
（４）比較例２（基材上で同時ＷＣ−Ｃｏ）の結果
比較例２に係る試料のＷＣ-Ｃｏ皮膜表面と断面の光学顕微鏡組織を図１０に示す。レーザ照射によってどの条件でも皮膜が溶融してブローホールが発生している。特に２．０ｋＷで処理した皮膜は溶融部が非常に大きくなっている。Ｎｉと比較して皮膜が溶融しているのはＷＣ-Ｃｏの方がＮｉよりもレーザの吸収率が高いためである。
【００２９】
（５）比較例３（後処理Ｎｉ）の結果
比較例３に係る試料のＮｉ皮膜組織を図１１に示す。この方法では、レーザ出力が高くトラバース速度が遅いほど溶け込み幅が広く、溶け込み深さが深くなっていることが分かる。特に、この方法では、スプレー後にレーザ照射を行うために、基材に対してレーザ光を相対的に行列状に移動させなければならないので、加工時間が多くなり、また、レーザビームの先に照射した部分との重なり条件の最適化が非常に難しいため、基材の表面全体を均一に処理することが困難になる。
【００３０】
（６）比較例４（後処理ＷＣ−Ｃｏ）の結果
比較例４に係る試料のＷＣ-Ｃｏ皮膜の断面の光学顕微鏡組織を図１２に示す。ＷＣ-Ｃｏ皮膜はレーザの吸収率がＮｉ皮膜よりも良いためトラバース速度を速くして処理を行っている。エネルギー密度によって皮膜組織は変化していて、その組織は溶融部、熱影響部に分かれている。エネルギー密度が高い２ｍｍ×２ｍｍ、レーザ出力２．０ｋＷの条件では、デンドライトデンドライト状の組織が観察されている。尚、この部分の定性分析では、Ｃ、Ｃｒ、Ｗが検出されており、レーザ照射によって溶け込みが深く基材が溶融したため、基材中のＣｒが溶融してＷとの複炭化物が生成したためと考えられる。これに対して皮膜のみ溶融した皮膜組織では、溶融して凝固することによって粗大化したＷＣ粒子が観察される。この図からエネルギー密度１．０Ｗ/ｍｍ2/ｓ以上で皮膜が溶融していることがわかる。また、溶融部の有無にかかわらずエネルギー密度の上昇とともにマイクロビッカース硬さが上昇する傾向が認められる。皮膜中にブローホールが発生することを除けば、レーザ後処理は、皮膜硬さを向上させるために有効な手段であると考えられる。しかしながら、上述したように、スプレー後にレーザ照射を行うために、基材に対してレーザ光を相対的に行列状に移動させなければならないので、加工時間が多くなり、また、レーザビームの先に照射した部分との重なり調整が困難になり、基材の表面全体を均一に処理することが困難になる。
【００３１】
以上の結果から、比較例１及び比較例２の基材上でコールドスプレーとレーザを同時照射する方法では、エネルギー密度を低くした条件では酸化物等は認められず、均一な皮膜が形成されたものの、単位時間あたりのエネルギー密度が高い条件では、Ｎｉ皮膜中に酸化物が、ＷＣ-Ｃｏ皮膜中にη相が確認された。
また、比較例３のＮｉのレーザ後処理では１０Ｗ/ｍｍ2/ｓ以上で皮膜の溶融が認められた。溶け込み幅は急激に上昇し、溶け込み深さはエネルギー密度の上昇にともなって徐々に深くなる傾向を示した。
比較例４のＷＣ-Ｃｏレーザ後処理のレーザ溶融部は著しい硬さの上昇が認められた。また、ＷＣ-Ｃｏレーザ後処理はエネルギー密度と硬さに相関関係がみとめられ、エネルギー密度が高い条件では、ステンレス基材中のＣｒ、Ｗとの複炭化物が生成され、皮膜のみ溶融した場合は、再凝固で粒径の大きな炭化物が生成した。
これに対して、本実施例に係る飛行粒子へのレーザ照射では、皮膜組織、X線回折結果にはどの条件においても大きな差は認められなかった。Ｎｉ、ＷＣ-Ｃｏともレーザ出力２．０ｋＷ以上からマイクロビッカース硬さに上昇傾向が認められる。また、飛行粒子へレーザ照射したＮｉ皮膜のスガ式耐摩耗性試験では、レーザ出力増加に伴って減少傾向を示し、耐摩耗性が向上した。レーザ同時照射によって成膜した皮膜は、その他のレーザ照射方法と比較して均一な皮膜を短時間で得ることが可能であり、レーザ照射をしていない皮膜よりも耐摩耗性が高くなる。従って、実施例に係るコールドスプレーによる皮膜形成方法は優れているといえる。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明によれば、従来からのコールドスプレー法とレーザを組み合わせることによってコールドスプレーの粒子加熱を行い、レーザ照射条件を最適に保つことによって、皮膜の硬さや粒子間結合度を向上させることが可能になり、そのため、高機能化を図ったコーティング技術を提供でき様々な産業分野で導入可能になる。特に、レーザはエネルギーの集中度が高く、局部加熱が可能で入熱の制御が容易であることから、例えば、金型の補修等の分野では有効に利用することができる。
【符号の説明】
【００３３】
Ｋ 基材
１ コールドスプレー装置
２ 主配管
３ ガス加熱器
４ 枝配管
５ 粉末供給装置
６ ミキシングチャンバ
７ スプレーノズル
１０ レーザ照射機
１１ レーザ加工ヘッド
Ｒ 粉末の飛行方向
ＬＡ レーザ光の照射範囲
ＭＡ 粉末の拡散範囲
２０ 位置調整機構
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スプレーノズルから皮膜材料の粉末を当該皮膜材料の融点温度未満の作動ガスと共に基板に向けて噴射して、該基板に皮膜材料の皮膜を形成するコールドスプレーによる皮膜形成方法において、
上記スプレーノズルから基板に至る皮膜材料の粉末の経路に該粉末を加熱するレーザ光を照射することを特徴とするコールドスプレーによる皮膜形成方法。
【請求項２】
上記レーザ光の強度は、上記経路を飛行中の粉末を当該粉末の融点温度未満の温度範囲で温度上昇させる強度であることを特徴とする請求項１記載のコールドスプレーによる皮膜形成方法。
【請求項３】
上記レーザ光の照射範囲は、上記粉末の飛行方向に直交する投影面上、該粉末の拡散範囲を包含する範囲であることを特徴とする請求項２記載のコールドスプレーによる皮膜形成方法。
【請求項４】
上記レーザ光は、カライドスコープを通して照射されるＹＡＧレーザであることを特徴とする請求項２または３記載のコールドスプレーによる皮膜形成方法。
【請求項５】
スプレーノズルから皮膜材料の粉末を当該皮膜材料の融点未満の作動ガスと共に基板に向けて噴射して、該基板に皮膜材料の皮膜を形成するコールドスプレー装置において、
上記スプレーノズルから基板に至る皮膜材料の粉末の経路に該粉末を加熱するレーザ光を照射するレーザ照射手段を備えたことを特徴とするコールドスプレー装置。
【請求項６】
上記レーザ照射手段は、カライドスコープを通してＹＡＧレーザを照射することを特徴とする請求項５記載のコールドスプレー装置。
【請求項７】
上記レーザ照射手段の粉末の経路に対するレーザ光の照射位置を調整する位置調整機構を備えたことを特徴とする請求項５または６記載のコールドスプレー装置。
【請求項１】
スプレーノズルから皮膜材料の粉末を当該皮膜材料の融点温度未満の作動ガスと共に基板に向けて噴射して、該基板に皮膜材料の皮膜を形成するコールドスプレーによる皮膜形成方法において、
上記スプレーノズルから基板に至る皮膜材料の粉末の経路に該粉末を加熱するレーザ光を照射することを特徴とするコールドスプレーによる皮膜形成方法。
【請求項２】
上記レーザ光の強度は、上記経路を飛行中の粉末を当該粉末の融点温度未満の温度範囲で温度上昇させる強度であることを特徴とする請求項１記載のコールドスプレーによる皮膜形成方法。
【請求項３】
上記レーザ光の照射範囲は、上記粉末の飛行方向に直交する投影面上、該粉末の拡散範囲を包含する範囲であることを特徴とする請求項２記載のコールドスプレーによる皮膜形成方法。
【請求項４】
上記レーザ光は、カライドスコープを通して照射されるＹＡＧレーザであることを特徴とする請求項２または３記載のコールドスプレーによる皮膜形成方法。
【請求項５】
スプレーノズルから皮膜材料の粉末を当該皮膜材料の融点未満の作動ガスと共に基板に向けて噴射して、該基板に皮膜材料の皮膜を形成するコールドスプレー装置において、
上記スプレーノズルから基板に至る皮膜材料の粉末の経路に該粉末を加熱するレーザ光を照射するレーザ照射手段を備えたことを特徴とするコールドスプレー装置。
【請求項６】
上記レーザ照射手段は、カライドスコープを通してＹＡＧレーザを照射することを特徴とする請求項５記載のコールドスプレー装置。
【請求項７】
上記レーザ照射手段の粉末の経路に対するレーザ光の照射位置を調整する位置調整機構を備えたことを特徴とする請求項５または６記載のコールドスプレー装置。
【図５】
【図７】
【図１３】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図７】
【図１３】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１１−１２２２１３（Ｐ２０１１−１２２２１３Ａ）
【公開日】平成２３年６月２３日（２０１１．６．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２８１６９１（Ｐ２００９−２８１６９１）
【出願日】平成２１年１２月１１日（２００９．１２．１１）
【出願人】（３０６０１７０１４）地方独立行政法人 岩手県工業技術センター (61)
【出願人】（０００１５７０８３）関東自動車工業株式会社 (1,164)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月２３日（２０１１．６．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月１１日（２００９．１２．１１）
【出願人】（３０６０１７０１４）地方独立行政法人 岩手県工業技術センター (61)
【出願人】（０００１５７０８３）関東自動車工業株式会社 (1,164)
【Ｆターム（参考）】
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