積層体の製造方法
【課題】本発明の課題は、コールドスプレー法で得られる従来の積層体と比較して基材に対する皮膜の接合強度に優れる積層体の製造方法を提供することにある。
【解決手段】本発明は、コールドスプレー法によって基材の表面に皮膜を形成する積層体の製造方法において、前記基材の表面を予め活性化する基材処理工程と、この基材処理工程後に、前記基材の表面に前記皮膜を形成する皮膜形成工程とを有することを特徴とする。この製造方法では、皮膜形成工程で粉末が基材の表面で塑性変形して皮膜を形成する際に、粉末の塑性変形に要するエネルギが基材の表面の活性化に費やされることが避けられる。その結果、粉末は、基材の表面で効率良く塑性変形して基材に対して接合強度に優れた皮膜を形成する。
【解決手段】本発明は、コールドスプレー法によって基材の表面に皮膜を形成する積層体の製造方法において、前記基材の表面を予め活性化する基材処理工程と、この基材処理工程後に、前記基材の表面に前記皮膜を形成する皮膜形成工程とを有することを特徴とする。この製造方法では、皮膜形成工程で粉末が基材の表面で塑性変形して皮膜を形成する際に、粉末の塑性変形に要するエネルギが基材の表面の活性化に費やされることが避けられる。その結果、粉末は、基材の表面で効率良く塑性変形して基材に対して接合強度に優れた皮膜を形成する。
【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って基材の表面に皮膜を形成する積層体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、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が知られている（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。この方法は、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に皮膜材料の粉末を同伴させることによって、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。このようなコールドスプレー法によれば、緻密な組織で密度の高い皮膜を基材の表面に形成することができる。
【特許文献１】特開２００６−１７９８５６号公報
【特許文献２】米国特許第５３０２４１４号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、コールドスプレー法で得られた積層体は、各種産業機器や一般向け機器における金属部品として一部では慣用されている。そして、昨今では、これらの機器はより一層の効率の向上が図られており、使用される金属部品は苛酷な条件で使用されることとなる。したがって、コールドスプレー法で得られる積層体においても、基材と皮膜の接合強度の更なる向上が望まれている。
【０００４】
そこで、本発明の課題は、コールドスプレー法で得られる従来の積層体と比較して基材に対する皮膜の接合強度に優れる積層体の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記課題を解決する本発明は、コールドスプレー法によって基材の表面に皮膜を形成する積層体の製造方法において、前記基材の表面を予め活性化する基材処理工程と、この基材処理工程後に、前記基材の表面にコールドスプレー法によって前記皮膜を形成する皮膜形成工程とを有することを特徴とする。
また、このような製造方法においては、前記基材処理工程が、コールドスプレー法によって前記基材の表面に粉末を噴射して前記基材の表面を活性化する工程であるものが望ましい。
また、このような製造方法においては、前記基材処理工程で前記基材に噴射する前記粉末の速度が、前記皮膜形成工程で前記基材に噴射する前記粉末の速度よりも低くなるように構成することができる。
また、このような製造方法においては、前記コールドスプレー法で使用する粉末が、準結晶分散アルミ合金またはアモルファス分散合金からなることが望ましい。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、コールドスプレー法で得られる従来の積層体と比較して基材に対する皮膜の接合強度に優れる積層体の製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下に、本発明の実施形態について詳細に説明する。ここで参照する図面において、図１は、実施形態に係る製造方法で得られる積層体の部分断面図である。
【０００８】
図１に示すように、本実施形態の製造方法で得られる積層体１は、後記するコールドスプレー法によって基材２の表面に皮膜３が形成されたものである。
【０００９】
前記基材２としては、その表面に皮膜３を積層することができれば特に制限はなく、金属および非金属のいずれであっても使用することができ、例えば、アルミ、マグネシウム、鉄、チタン、ステンレス、セラミクス、ガラス、木材等が挙げられる。中でもアルミおよびマグネシウムを含むものが望ましく、特にアルミ合金が望ましい。
【００１０】
前記皮膜３としては、基材２の表面に付与する機能に応じて適宜に選択すればよく、例えば、アルミ合金、マグネシウム合金、ガリウム合金、パラジウム合金、チタン合金、クロム合金、バナジウム合金等が挙げられる。そして、皮膜３は、基材２の材質に応じて選択することができ、例えばアルミ合金からなる基材２の表面に形成する皮膜３としては、アルミ合金からなるものが望ましく、中でも準結晶分散アルミ合金またはアモルファス分散アルミ合金が望ましい。ちなみに、準結晶分散アルミ合金およびアモルファス分散アルミ合金のマトリクスは、アルミ結晶相またはアルミ過飽和固溶体相であることが望ましい。
皮膜３の厚さは、適宜変更することができるが、１μｍ以上とするのが望ましく、１０μｍ以上とするのがより望ましく、１００μｍ以上とするのがさらに望ましい。また、皮膜３の厚さは、５ｍｍ以上とすることもできる。
【００１１】
次に、積層体１の製造方法について説明する。ここで参照する図２（ａ）は、実施形態に係る製造方法で積層体を製造する様子を説明する工程説明図であって、基材処理工程を示す図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）における基材の表面の部分拡大図である。図３は、基材に粉末が堆積可能となるまでの時間（堆積必要時間）と、基材に衝突する粉末の速度との関係を示すグラフであって、縦軸は堆積必要時間[秒]を表し、横軸は粉末の速度[ｍ／秒]を表す。図４（ａ）は、実施形態に係る製造方法で積層体を製造する様子を説明する工程説明図であって、皮膜形成工程を示す図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）における基材の表面の部分拡大図である。図５は、実施形態に係る製造方法での基材処理工程および皮膜形成工程のタイムチャートであり、縦軸はラバルノズルに供給するガスの圧力 [ＭＰａ]を表し、横軸はラバルノズルの噴射時間 [秒]を表す。
【００１２】
図１に示す積層体１の製造方法は、コールドスプレー法によって後記する粉末を基材２の表面に噴射して皮膜３を形成するものであって、この皮膜３を形成する前に基材２の表面を活性化することを主な特徴とする。つまり、この製造方法は、基材２の表面を予め活性化する基材処理工程と、基材２の表面に皮膜３を形成する皮膜形成工程とを有している。
【００１３】
基材処理工程では、前記したように、基材２の表面が活性化される。この基材２の表面の活性化を図るための因子としては、基材２の表面における酸化皮膜の存在程度、基材２の表面平滑度（表面粗さ）といった性状、基材２の表面の温度、基材２の表面の硬度等が挙げられる。そして、基材２の表面の「活性化」は、基材２に衝突した粉末の粒子が効率良く塑性変形して皮膜３を形成しやすくなるようにこのような因子を制御することを意味する。
【００１４】
基材２の表面を活性化する方法の具体例としては、例えば、化学研磨法、機械研磨法、電解研磨法、イオンエッチング法、ショットピーニング法、ブラスト処理法、コールドスプレー法等が挙げられる。これらの方法は、一種類単独で使用しても、これらを適宜組み合わせて使用してもよい。
このような活性化の方法の中でも、コールドスプレー法が望ましく、以下の説明では、活性化の方法としてコールドスプレー法を使用した積層体１の製造方法について更に詳しく説明する。
【００１５】
図２（ａ）に示すコールドスプレー法を使用した基材処理工程では、基材２に噴射する粉末４の速度Ｖ１が、後記する皮膜形成工程で基材２に噴射する粉末４の速度Ｖ２（図４（ａ）参照）よりも低くなるように設定される。
【００１６】
図２（ａ）に示すように、本実施形態におけるコールドスプレー法では、ラバルノズル１００に粉末４およびガス５が供給されることによって、ガス５が加速されると共に、加速されたガス５に粉末４が同伴する。
【００１７】
前記粉末４としては、前記した皮膜３を構成する素材からなるものでよく、具体的には、前記したように、アルミ合金からなるものが望ましく、中でも準結晶分散アルミ合金またはアモルファス分散アルミ合金が望ましい。
【００１８】
このような粉末４の粒子径は、例えば、アルミ合金からなる粉末４の場合で、２００μｍ以下のものが望ましく、１５０μｍ以下のものがより望ましい。また、平均粒子径は、０．１〜５０μｍが望ましい。
【００１９】
前記ガス５としては、例えば、ヘリウム、窒素、空気等が挙げられ、中でもヘリウムが望ましい。ラバルノズル１００に供給するガス５の圧力は、後記する粉末４の速度に応じて調節される。
ラバルノズル１００に供給するガス５の温度は、使用されるアルミ合金の融点または軟化点よりも低い温度に設定される。
【００２０】
そして、この基材処理工程では、ラバルノズル１００からガス５と共に噴射された粉末４は、基材２の表面に衝突する。その結果、基材２の表面は活性化される。つまり、基材２の表面に酸化皮膜が存在する場合には、その酸化皮膜が除去され、基材２の表面が平滑過ぎる場合には、その表面が粗面化され、基材２の表面の温度が低過ぎる場合には、その表面が昇温され、そして、表面の硬度が高過ぎる場合には昇温等によってその硬度が低減されること等によって基材２の表面が活性化される。
【００２１】
この基材処理工程では、図２（ｂ）に示すように、基材２の表面に粉末４を堆積させずに基材２の表面を活性化することが望ましい。
ここで図３を参照しながら、基材２の表面に粉末４が堆積可能となるまでの時間（堆積必要時間）と、基材２に衝突する粉末４の速度（以下の説明では、符号を省略して「粉末の速度」という）との関係について説明する。図３に示すように、「粉末の速度」が０[ｍ／秒]以上、Ｖａ[ｍ／秒]以下の範囲（図３の領域１）では、「粉末の速度」が不充分であって、基材２の表面に粉末４が堆積することはない。この領域１は、粉末４の塑性変形能が不充分となっている領域である。
【００２２】
そして、「粉末の速度」がＶａ[ｍ／秒]を超え、Ｖｂ[ｍ／秒]未満の範囲（図３の領域２）では、曲線Ｌで示される堆積必要時間に満たないと、粉末４が堆積して皮膜３を形成することはない。また、領域２では、曲線Ｌで示される堆積必要時間以上となる範囲で、基材２の表面に対して粉末４が堆積する。
【００２３】
これに対して、「粉末の速度」がＶｂ[ｍ／秒]以上の範囲（図３の領域３）では、基材２の表面に対して直ちに粉末４が堆積するが、基材２に対する皮膜３の接合強度が充分となる程度に基材２の表面が活性化していない場合や、エロージョンによって皮膜３の形成効率が低減する場合がある。
【００２４】
したがって、前記したように、基材２の表面に粉末４を堆積させずに基材２の表面を活性化するには、「粉末の速度」を、Ｖａ[ｍ／秒]を超え、Ｖｂ[ｍ／秒]未満の範囲（領域２）に設定すると共に、基材２の表面に対する粉末４の噴射時間を、曲線Ｌで示される堆積必要時間に満たない時間に設定することが望ましい。
【００２５】
次に、図４（ａ）に示す皮膜形成工程について説明する。この皮膜形成工程では、粉末４を同伴させるガス５の速度が、基材２に衝突した粉末４の粒子が塑性変形可能な速度Ｖ２となるように設定される。つまり、速度Ｖ２は、臨界速度以上であって、かつ前記した速度Ｖ１（図２（ａ）参照）を超える速度に設定される。
そして、この皮膜形成工程では、図４（ｂ）に示すように、基材２に衝突した粉末４の粒子は塑性変形して皮膜３を形成する。
【００２６】
ちなみに、ガス５の速度（Ｕｇ）は、一般に、次式（１）で規定される。
【００２７】
【数１】
【００２８】
ただし、式（１）中、Ｕｇｉは、ラバルノズル１００の入口におけるガスの速度を表し、Ｐｉは、ラバルノズル１００の入口におけるガスの圧力を表し、Ｔｉは、ラバルノズル１００の入口におけるガスの温度を表し、Ｒは、ガス５のガス定数を表し、κは、ガス５の比熱比を表している。
【００２９】
この式（１）に示すように、粉末４を同伴させるガス５の速度（Ｕｇ）は、ガス５の温度Ｔｉ、およびラバルノズル１００に供給するガス５の圧力Ｐｉの少なくともいずれかを変更して調節することができる。
つまり、本実施形態に係る製造方法は、図５に示すように、まず、時間ｔ１から時間ｔ２まで「ガスの圧力Ｐ１」でラバルノズル１００にガス５を供給して前記した基材処理工程を実施し、その後、この「ガスの圧力Ｐ１」よりも高い「ガスの圧力Ｐ２」でラバルノズル１００にガス５を供給して前記した皮膜形成工程を実施することとなる。ちなみに、基材処理工程の時間（ｔ２−ｔ１）は、前記した図３に示す領域２内であって、曲線Ｌで示される堆積必要時間に満たない時間で設定することが望ましい。この時間は、基材２の表面に粉末４が堆積するか、または堆積しないかの臨界的な表面状態となるように設定することが望ましい。
【００３０】
以上のような積層体１の製造方法では、コールドスプレー法を使用することで、粉末４が加速されたガス５に同伴して基材２に高速で衝突する。その結果、粉末４の粒子は、基材２の表面で塑性変形して皮膜３を形成する。そして、この製造方法では、皮膜３を形成する前に、基材２の表面が活性化される。ちなみに、従来のコールドスプレー法は、本発明と異なり、皮膜形成工程に先立って、基材２の表面を活性化する基材処理工程を有していない。つまり、従来のコールドスプレー法では、基材２の表面が充分に活性化されていないか、または基材２に皮膜３が形成される際に、粉末４を塑性変形させるために必要なエネルギが基材２の活性化に必要なエネルギに削がれてしまう。その結果、従来のコールドスプレー法では、基材２に衝突した粉末４の塑性変形が不充分となって、基材２と皮膜３との接合強度が低下する。
【００３１】
これに対して、本発明の製造方法は、基材２の表面を活性化する基材処理工程を経た後に、この基材処理工程とは別途に皮膜形成工程を有しているので、基材処理工程で基材２の表面が充分に活性化されると共に、皮膜形成工程で基材２の活性化にエネルギが削がれることがなく、粉末４が効率良く充分に塑性変形する。その結果、本発明の製造方法によれば、基材２に対する皮膜３の接合強度に優れた積層体１を得ることができる。
【００３２】
また、基材処理工程でコールドスプレー法を使用した本発明の製造方法によれば、基材２の表面を活性化するために他の設備を必要とせずに、前記した「粉末の速度」を変更することで簡単かつ確実に基材２の表面を活性化することができる。また、この粉末４は、皮膜３を形成するものと同種のものを使用することによって、例えば、ブラスト処理法等とは異なって、ブラスト粒子が基材２の表面に異物として残存する恐れもない。また、ガス５としてヘリウム等の不活性ガスを使用すれば、例えば酸化しやすい基材２を使用したとしても、基材２の表面が酸化することが回避される。
【００３３】
本発明は前記実施形態に限定されず、種々の形態で実施することができる。
本発明の製造方法は、各種機械部品としての積層体１の製造方法に適用できるほか、物品の表面を皮膜３で被覆して補修する方法に適用するものであってもよい。この場合、補修の対象となる物品が、基材２に相当することとなる。
【００３４】
前記実施形態では、基材処理工程を図３に示す領域２の範囲で「粉末の速度」および粉末４の噴射時間を設定することを想定しているが、本発明はこれに限定されることなく、図３の領域１内であって、基材２の表面を活性化することができるように粉末４の噴射時間を設定するものであってもよい。ちなみに、この領域１を適用する場合は、前記したように、基材２の表面が活性化するが、粉末４の塑性変形能が不充分であることから基材２の表面に粉末４が堆積しない場合に限定される。
【実施例】
【００３５】
次に、本発明の効果を確認した実施例について説明する。
（基材２の活性化のための条件設定）
本実施例では、基材２（図２（ａ）参照）の表面を活性化するための粉末４（図２（ａ）参照）の噴射条件を次のようにして決定した。ここでは、まずアルミ鋳物２種Ａ（ＡＣ２Ｂ：Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ）で、表面粗さＲａが０．０６μｍとなるようにバフ研磨を施した基材２（６０ｍｍ×３０ｍｍ×４ｍｍ）と、組成がアルミ９４．９６原子％、鉄１．６８原子％、クロム２．２４原子％、チタン０．５６原子％、およびコバルト０．５６原子％であって準結晶分散合金からなり、平均粒径が１４．９７μｍの粉末４とを準備した。
【００３６】
次に、基材２の表面に、コールドスプレー法によって粉末４を２０秒間噴射した。このコールドスプレー法では、図２（ａ）に示すラバルノズル１００がスプレーガンとして使用されると共に、このスプレーガンには、４００℃のヘリウムが０．５ＭＰａで供給された。また、スプレーガンの噴出口と基材２の表面との距離は、２０ｍｍに設定された。
【００３７】
ここで参照する図６は、基材の表面に粉末が堆積されていく様子を示す走査型電子顕微鏡写真であって、（ａ）は、粉末の噴射前（噴射時間０秒）の基材の表面の様子を示す写真、（ｂ）は、粉末の噴射時間１秒での基材の表面の様子を示す写真、（ｃ）は、粉末の噴射時間２秒での基材の表面の様子を示す写真、（ｄ）は、粉末の噴射時間３秒での基材の表面の様子を示す写真、（ｅ）は、粉末の噴射時間４秒での基材の表面の様子を示す写真、（ｆ）は、粉末の噴射時間８秒での基材の表面の様子を示す写真である。
【００３８】
図６（ａ）および（ｂ）に示すように、粉末４の噴射時間が１秒を経過するまでは、基材２の表面には粉末４が堆積していない。また、噴射時間１秒（図６（ｂ）参照）では、基材２の表面に多数のクレータＣが形成されていることが確認された。
【００３９】
そして、図６（ｃ）に示すように、粉末４の噴射時間が２秒の基材２の表面には、走査型電子顕微鏡の視野に粉末４の１つの粒子が認められた。ちなみに、この粉末４は、塑性変形せずに基材２の表面に付着した程度のものであった。
【００４０】
次に、図６（ｄ）から（ｆ）に示すように、粉末４の噴射時間が３秒、４秒、および８秒と経過するにしたがって、基材２の表面で塑性変形して堆積する粉末４が次第に増加していくことが確認された。ちなみに、粉末４の噴射時間が２０秒に達したもの（図示せず）は、堆積した粉末４からなる皮膜３が基材２から剥離した。
【００４１】
したがって、ここでの基材２の表面の活性化は、粉末４の噴射時間を２秒とすることで行われ、それ以上の噴射時間を費やすと基材２から剥離しやすい皮膜３が形成されていくことが確認された。
【００４２】
（実施例１）
実施例１では、アルミ鋳物２種Ａ（ＡＣ２Ｂ：Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ）で、表面粗さＲａが０．０６μｍとなるようにバフ研磨を施したもの（５０ｍｍ×１５ｍｍ×１０ｍｍ）を用意した。そして、この基材２の表面に前記した本実施例でのアルミ合金の粉末４を噴射して基材２の表面を活性化した。ここでの基材２の活性化のための条件設定は、本実施例で先に決定した条件とした。つまり、４００℃のヘリウムが０．５ＭＰａでスプレーガンに供給され、スプレーガンの噴出口と基材２の表面との距離は、２０ｍｍに設定された。そして、基材２の表面に対する粉末４の噴射時間が前記した２秒と同程度となるように、スプレーガンのトラバース速度が１００ｍｍ／秒に設定された。ちなみに、スプレーガンのトラバースピッチは４ｍｍに設定し、トラバース回数（重ね数）は１回とした。
【００４３】
ここで参照する図７は、実施例１で活性化した基材の表面の様子を示す走査型電子顕微鏡写真である。
実施例１で活性化した基材２の表面には、図７に示すように、クレータＣが確認されると共に、走査型電子顕微鏡の視野に塑性変形せずに基材２に付着した粉末４の１つの粒子が確認された。
【００４４】
次に、このような基材２の表面に、前記した本実施例でのアルミ合金の粉末４を噴射して基材２の表面に厚さ６００μｍの皮膜３（図４（ａ）参照）を形成して積層体１（図４（ａ）参照）を作製した。ここでは４００℃のヘリウムが３ＭＰａでスプレーガンに供給され、スプレーガンのトラバースピッチが、４ｍｍから２ｍｍに変更され、トラバース回数（重ね数）が、１回から４回重ねに変更された以外は、前記した基材２の活性化での条件と同様にして、基材２に粉末４が噴射された。
【００４５】
この積層体１について基材２に対する皮膜３の接合強度が測定された。この接合強度の測定は、次のせん断試験装置で行われた。図９は、実施例１で得られた積層体における基材に対する皮膜の接合強度を測定したせん断試験装置の模式図である。
【００４６】
図９に示すように、せん断試験装置は、積層体１から切り出された試験片Ｔを支持する一対の支持部１１ａ，１１ｂと、試験片Ｔの皮膜３に荷重Ｆを負荷するせん断刃１０とを備えている。そして、せん断刃１０の刃先は、積層体１から後記する大きさに切り出された試験片Ｔの皮膜３部分に配置されて、１００ｍｍ／秒で下降して基材２と皮膜３との界面にせん断力を加えるようになっている。ちなみに、試験片Ｔは、その厚さＷが１ｍｍ、その幅（図９の紙面に対して垂直方向の長さ）が１０ｍｍとなるように積層体１（図１参照）がスライスされたものである。
【００４７】
そして、ここでは基材２から皮膜３が剥離したときの荷重Ｆを接合強度として測定した。その結果を図１０に示す。図１０は、実施例１、ならびに後記する実施例２および比較例１で得られた積層体における基材に対する皮膜の接合強度を示すグラフであり、縦軸は接合強度[ＭＰａ]を表す。
【００４８】
（実施例２）
実施例２では、基材２の表面を活性化する際に、スプレーガンのトラバース回数（重ね数）が１回から２回重ねに変更された以外は、実施例１と同様に粉末４が基材２の表面に噴射された。
ここで参照する図８は、実施例２で活性化した基材の表面の様子を示す走査型電子顕微鏡写真である。
実施例２で活性化した基材２の表面には、図８に示すように、クレータＣが確認されると共に、走査型電子顕微鏡の視野に基材２の表面を２５％程度覆うように堆積した粉末４が確認された。この粉末４の粒子は、塑性変形が不充分となっていた。
【００４９】
次に、このような基材２の表面に、前記した本実施例でのアルミ合金の粉末４を実施例１と同様に噴射して基材２の表面に厚さ６００μｍの皮膜３を形成して積層体１を作製した。
この積層体１について実施例１と同様にして基材２に対する皮膜３の接合強度が測定された。その結果を図１０に示す。
【００５０】
（比較例１）
比較例１では、表面を活性化しない以外は実施例１と同様の基材２を使用した。そして、この基材２の表面に、前記した本実施例でのアルミ合金の粉末４を実施例１と同様に噴射して基材２の表面に厚さ６００μｍの皮膜３を形成して積層体１を作製した。
この積層体１について実施例１と同様にして基材２に対する皮膜３の接合強度が測定された。その結果を図１０に示す。
【００５１】
（実施例および比較例で得られた積層体１の評価）
図１０に示すように、基材２の表面を予め活性化した実施例１および実施例２での積層体１は、基材２の表面を活性化しなかった比較例１での積層体１よりも、基材２に対する皮膜３の接合強度[ＭＰａ]に優れていることが確認された。
【００５２】
また、基材２の表面に粉末４が殆ど堆積しないように基材２の表面を活性化した実施例１での積層体１は、基材２の表面を活性化した際に粉末４が基材２の表面の一部を覆うように堆積した実施例２での積層体１よりも、基材２に対する皮膜３の接合強度[ＭＰａ]に優れていることが確認された。つまり、基材２の表面に対する活性化は、その表面に粉末４が堆積しないように行うことが望ましいことが確認された。
なお、以上のような積層体１の製造方法においては、基材２の表面の活性化に使用した粉末４を回収し、再利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】実施形態に係る製造方法で得られる積層体の部分断面図である。
【図２】（ａ）は、実施形態に係る製造方法で積層体を製造する様子を説明する工程説明図であって、基材処理工程を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）における基材の表面の部分拡大図である。
【図３】基材に粉末が堆積可能となるまでの時間（堆積必要時間）と、基材に衝突する粉末の速度との関係を示すグラフであって、縦軸は堆積必要時間[秒]を表し、横軸は粉末の速度[ｍ／秒]を表す。
【図４】（ａ）は、実施形態に係る製造方法で積層体を製造する様子を説明する工程説明図であって、皮膜形成工程を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）における基材の表面の部分拡大図である。
【図５】実施形態に係る製造方法での基材処理工程および皮膜形成工程のタイムチャートであり、縦軸はラバルノズルに供給するガスの圧力 [ＭＰａ]を表し、横軸はラバルノズルの噴射時間 [秒]を表す。
【図６】基材の表面に粉末が堆積されていく様子を示す走査型電子顕微鏡写真であって、（ａ）は、粉末の噴射前（噴射時間０秒）の基材の表面の様子を示す写真、（ｂ）は、粉末の噴射時間１秒での基材の表面の様子を示す写真、（ｃ）は、粉末の噴射時間２秒での基材の表面の様子を示す写真、（ｄ）は、粉末の噴射時間３秒での基材の表面の様子を示す写真、（ｅ）は、粉末の噴射時間４秒での基材の表面の様子を示す写真、（ｆ）は、粉末の噴射時間８秒での基材の表面の様子を示す写真である。
【図７】実施例１で活性化した基材の表面の様子を示す走査型電子顕微鏡写真である。
【図８】実施例２で活性化した基材の表面の様子を示す走査型電子顕微鏡写真である。
【図９】実施例１で得られた積層体における基材に対する皮膜の接合強度を測定したせん断試験装置の模式図である。
【図１０】実施例１および実施例２、ならびに比較例１で得られた積層体における基材に対する皮膜の接合強度を示すグラフであり、縦軸は接合強度[ＭＰａ]を表す。
【符号の説明】
【００５４】
１ 積層体
２ 基材
３ 皮膜
４ 粉末
５ ガス
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コールドスプレー法によって基材の表面に皮膜を形成する積層体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、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が知られている（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。この方法は、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に皮膜材料の粉末を同伴させることによって、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。このようなコールドスプレー法によれば、緻密な組織で密度の高い皮膜を基材の表面に形成することができる。
【特許文献１】特開２００６−１７９８５６号公報
【特許文献２】米国特許第５３０２４１４号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、コールドスプレー法で得られた積層体は、各種産業機器や一般向け機器における金属部品として一部では慣用されている。そして、昨今では、これらの機器はより一層の効率の向上が図られており、使用される金属部品は苛酷な条件で使用されることとなる。したがって、コールドスプレー法で得られる積層体においても、基材と皮膜の接合強度の更なる向上が望まれている。
【０００４】
そこで、本発明の課題は、コールドスプレー法で得られる従来の積層体と比較して基材に対する皮膜の接合強度に優れる積層体の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記課題を解決する本発明は、コールドスプレー法によって基材の表面に皮膜を形成する積層体の製造方法において、前記基材の表面を予め活性化する基材処理工程と、この基材処理工程後に、前記基材の表面にコールドスプレー法によって前記皮膜を形成する皮膜形成工程とを有することを特徴とする。
また、このような製造方法においては、前記基材処理工程が、コールドスプレー法によって前記基材の表面に粉末を噴射して前記基材の表面を活性化する工程であるものが望ましい。
また、このような製造方法においては、前記基材処理工程で前記基材に噴射する前記粉末の速度が、前記皮膜形成工程で前記基材に噴射する前記粉末の速度よりも低くなるように構成することができる。
また、このような製造方法においては、前記コールドスプレー法で使用する粉末が、準結晶分散アルミ合金またはアモルファス分散合金からなることが望ましい。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、コールドスプレー法で得られる従来の積層体と比較して基材に対する皮膜の接合強度に優れる積層体の製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下に、本発明の実施形態について詳細に説明する。ここで参照する図面において、図１は、実施形態に係る製造方法で得られる積層体の部分断面図である。
【０００８】
図１に示すように、本実施形態の製造方法で得られる積層体１は、後記するコールドスプレー法によって基材２の表面に皮膜３が形成されたものである。
【０００９】
前記基材２としては、その表面に皮膜３を積層することができれば特に制限はなく、金属および非金属のいずれであっても使用することができ、例えば、アルミ、マグネシウム、鉄、チタン、ステンレス、セラミクス、ガラス、木材等が挙げられる。中でもアルミおよびマグネシウムを含むものが望ましく、特にアルミ合金が望ましい。
【００１０】
前記皮膜３としては、基材２の表面に付与する機能に応じて適宜に選択すればよく、例えば、アルミ合金、マグネシウム合金、ガリウム合金、パラジウム合金、チタン合金、クロム合金、バナジウム合金等が挙げられる。そして、皮膜３は、基材２の材質に応じて選択することができ、例えばアルミ合金からなる基材２の表面に形成する皮膜３としては、アルミ合金からなるものが望ましく、中でも準結晶分散アルミ合金またはアモルファス分散アルミ合金が望ましい。ちなみに、準結晶分散アルミ合金およびアモルファス分散アルミ合金のマトリクスは、アルミ結晶相またはアルミ過飽和固溶体相であることが望ましい。
皮膜３の厚さは、適宜変更することができるが、１μｍ以上とするのが望ましく、１０μｍ以上とするのがより望ましく、１００μｍ以上とするのがさらに望ましい。また、皮膜３の厚さは、５ｍｍ以上とすることもできる。
【００１１】
次に、積層体１の製造方法について説明する。ここで参照する図２（ａ）は、実施形態に係る製造方法で積層体を製造する様子を説明する工程説明図であって、基材処理工程を示す図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）における基材の表面の部分拡大図である。図３は、基材に粉末が堆積可能となるまでの時間（堆積必要時間）と、基材に衝突する粉末の速度との関係を示すグラフであって、縦軸は堆積必要時間[秒]を表し、横軸は粉末の速度[ｍ／秒]を表す。図４（ａ）は、実施形態に係る製造方法で積層体を製造する様子を説明する工程説明図であって、皮膜形成工程を示す図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）における基材の表面の部分拡大図である。図５は、実施形態に係る製造方法での基材処理工程および皮膜形成工程のタイムチャートであり、縦軸はラバルノズルに供給するガスの圧力 [ＭＰａ]を表し、横軸はラバルノズルの噴射時間 [秒]を表す。
【００１２】
図１に示す積層体１の製造方法は、コールドスプレー法によって後記する粉末を基材２の表面に噴射して皮膜３を形成するものであって、この皮膜３を形成する前に基材２の表面を活性化することを主な特徴とする。つまり、この製造方法は、基材２の表面を予め活性化する基材処理工程と、基材２の表面に皮膜３を形成する皮膜形成工程とを有している。
【００１３】
基材処理工程では、前記したように、基材２の表面が活性化される。この基材２の表面の活性化を図るための因子としては、基材２の表面における酸化皮膜の存在程度、基材２の表面平滑度（表面粗さ）といった性状、基材２の表面の温度、基材２の表面の硬度等が挙げられる。そして、基材２の表面の「活性化」は、基材２に衝突した粉末の粒子が効率良く塑性変形して皮膜３を形成しやすくなるようにこのような因子を制御することを意味する。
【００１４】
基材２の表面を活性化する方法の具体例としては、例えば、化学研磨法、機械研磨法、電解研磨法、イオンエッチング法、ショットピーニング法、ブラスト処理法、コールドスプレー法等が挙げられる。これらの方法は、一種類単独で使用しても、これらを適宜組み合わせて使用してもよい。
このような活性化の方法の中でも、コールドスプレー法が望ましく、以下の説明では、活性化の方法としてコールドスプレー法を使用した積層体１の製造方法について更に詳しく説明する。
【００１５】
図２（ａ）に示すコールドスプレー法を使用した基材処理工程では、基材２に噴射する粉末４の速度Ｖ１が、後記する皮膜形成工程で基材２に噴射する粉末４の速度Ｖ２（図４（ａ）参照）よりも低くなるように設定される。
【００１６】
図２（ａ）に示すように、本実施形態におけるコールドスプレー法では、ラバルノズル１００に粉末４およびガス５が供給されることによって、ガス５が加速されると共に、加速されたガス５に粉末４が同伴する。
【００１７】
前記粉末４としては、前記した皮膜３を構成する素材からなるものでよく、具体的には、前記したように、アルミ合金からなるものが望ましく、中でも準結晶分散アルミ合金またはアモルファス分散アルミ合金が望ましい。
【００１８】
このような粉末４の粒子径は、例えば、アルミ合金からなる粉末４の場合で、２００μｍ以下のものが望ましく、１５０μｍ以下のものがより望ましい。また、平均粒子径は、０．１〜５０μｍが望ましい。
【００１９】
前記ガス５としては、例えば、ヘリウム、窒素、空気等が挙げられ、中でもヘリウムが望ましい。ラバルノズル１００に供給するガス５の圧力は、後記する粉末４の速度に応じて調節される。
ラバルノズル１００に供給するガス５の温度は、使用されるアルミ合金の融点または軟化点よりも低い温度に設定される。
【００２０】
そして、この基材処理工程では、ラバルノズル１００からガス５と共に噴射された粉末４は、基材２の表面に衝突する。その結果、基材２の表面は活性化される。つまり、基材２の表面に酸化皮膜が存在する場合には、その酸化皮膜が除去され、基材２の表面が平滑過ぎる場合には、その表面が粗面化され、基材２の表面の温度が低過ぎる場合には、その表面が昇温され、そして、表面の硬度が高過ぎる場合には昇温等によってその硬度が低減されること等によって基材２の表面が活性化される。
【００２１】
この基材処理工程では、図２（ｂ）に示すように、基材２の表面に粉末４を堆積させずに基材２の表面を活性化することが望ましい。
ここで図３を参照しながら、基材２の表面に粉末４が堆積可能となるまでの時間（堆積必要時間）と、基材２に衝突する粉末４の速度（以下の説明では、符号を省略して「粉末の速度」という）との関係について説明する。図３に示すように、「粉末の速度」が０[ｍ／秒]以上、Ｖａ[ｍ／秒]以下の範囲（図３の領域１）では、「粉末の速度」が不充分であって、基材２の表面に粉末４が堆積することはない。この領域１は、粉末４の塑性変形能が不充分となっている領域である。
【００２２】
そして、「粉末の速度」がＶａ[ｍ／秒]を超え、Ｖｂ[ｍ／秒]未満の範囲（図３の領域２）では、曲線Ｌで示される堆積必要時間に満たないと、粉末４が堆積して皮膜３を形成することはない。また、領域２では、曲線Ｌで示される堆積必要時間以上となる範囲で、基材２の表面に対して粉末４が堆積する。
【００２３】
これに対して、「粉末の速度」がＶｂ[ｍ／秒]以上の範囲（図３の領域３）では、基材２の表面に対して直ちに粉末４が堆積するが、基材２に対する皮膜３の接合強度が充分となる程度に基材２の表面が活性化していない場合や、エロージョンによって皮膜３の形成効率が低減する場合がある。
【００２４】
したがって、前記したように、基材２の表面に粉末４を堆積させずに基材２の表面を活性化するには、「粉末の速度」を、Ｖａ[ｍ／秒]を超え、Ｖｂ[ｍ／秒]未満の範囲（領域２）に設定すると共に、基材２の表面に対する粉末４の噴射時間を、曲線Ｌで示される堆積必要時間に満たない時間に設定することが望ましい。
【００２５】
次に、図４（ａ）に示す皮膜形成工程について説明する。この皮膜形成工程では、粉末４を同伴させるガス５の速度が、基材２に衝突した粉末４の粒子が塑性変形可能な速度Ｖ２となるように設定される。つまり、速度Ｖ２は、臨界速度以上であって、かつ前記した速度Ｖ１（図２（ａ）参照）を超える速度に設定される。
そして、この皮膜形成工程では、図４（ｂ）に示すように、基材２に衝突した粉末４の粒子は塑性変形して皮膜３を形成する。
【００２６】
ちなみに、ガス５の速度（Ｕｇ）は、一般に、次式（１）で規定される。
【００２７】
【数１】
【００２８】
ただし、式（１）中、Ｕｇｉは、ラバルノズル１００の入口におけるガスの速度を表し、Ｐｉは、ラバルノズル１００の入口におけるガスの圧力を表し、Ｔｉは、ラバルノズル１００の入口におけるガスの温度を表し、Ｒは、ガス５のガス定数を表し、κは、ガス５の比熱比を表している。
【００２９】
この式（１）に示すように、粉末４を同伴させるガス５の速度（Ｕｇ）は、ガス５の温度Ｔｉ、およびラバルノズル１００に供給するガス５の圧力Ｐｉの少なくともいずれかを変更して調節することができる。
つまり、本実施形態に係る製造方法は、図５に示すように、まず、時間ｔ１から時間ｔ２まで「ガスの圧力Ｐ１」でラバルノズル１００にガス５を供給して前記した基材処理工程を実施し、その後、この「ガスの圧力Ｐ１」よりも高い「ガスの圧力Ｐ２」でラバルノズル１００にガス５を供給して前記した皮膜形成工程を実施することとなる。ちなみに、基材処理工程の時間（ｔ２−ｔ１）は、前記した図３に示す領域２内であって、曲線Ｌで示される堆積必要時間に満たない時間で設定することが望ましい。この時間は、基材２の表面に粉末４が堆積するか、または堆積しないかの臨界的な表面状態となるように設定することが望ましい。
【００３０】
以上のような積層体１の製造方法では、コールドスプレー法を使用することで、粉末４が加速されたガス５に同伴して基材２に高速で衝突する。その結果、粉末４の粒子は、基材２の表面で塑性変形して皮膜３を形成する。そして、この製造方法では、皮膜３を形成する前に、基材２の表面が活性化される。ちなみに、従来のコールドスプレー法は、本発明と異なり、皮膜形成工程に先立って、基材２の表面を活性化する基材処理工程を有していない。つまり、従来のコールドスプレー法では、基材２の表面が充分に活性化されていないか、または基材２に皮膜３が形成される際に、粉末４を塑性変形させるために必要なエネルギが基材２の活性化に必要なエネルギに削がれてしまう。その結果、従来のコールドスプレー法では、基材２に衝突した粉末４の塑性変形が不充分となって、基材２と皮膜３との接合強度が低下する。
【００３１】
これに対して、本発明の製造方法は、基材２の表面を活性化する基材処理工程を経た後に、この基材処理工程とは別途に皮膜形成工程を有しているので、基材処理工程で基材２の表面が充分に活性化されると共に、皮膜形成工程で基材２の活性化にエネルギが削がれることがなく、粉末４が効率良く充分に塑性変形する。その結果、本発明の製造方法によれば、基材２に対する皮膜３の接合強度に優れた積層体１を得ることができる。
【００３２】
また、基材処理工程でコールドスプレー法を使用した本発明の製造方法によれば、基材２の表面を活性化するために他の設備を必要とせずに、前記した「粉末の速度」を変更することで簡単かつ確実に基材２の表面を活性化することができる。また、この粉末４は、皮膜３を形成するものと同種のものを使用することによって、例えば、ブラスト処理法等とは異なって、ブラスト粒子が基材２の表面に異物として残存する恐れもない。また、ガス５としてヘリウム等の不活性ガスを使用すれば、例えば酸化しやすい基材２を使用したとしても、基材２の表面が酸化することが回避される。
【００３３】
本発明は前記実施形態に限定されず、種々の形態で実施することができる。
本発明の製造方法は、各種機械部品としての積層体１の製造方法に適用できるほか、物品の表面を皮膜３で被覆して補修する方法に適用するものであってもよい。この場合、補修の対象となる物品が、基材２に相当することとなる。
【００３４】
前記実施形態では、基材処理工程を図３に示す領域２の範囲で「粉末の速度」および粉末４の噴射時間を設定することを想定しているが、本発明はこれに限定されることなく、図３の領域１内であって、基材２の表面を活性化することができるように粉末４の噴射時間を設定するものであってもよい。ちなみに、この領域１を適用する場合は、前記したように、基材２の表面が活性化するが、粉末４の塑性変形能が不充分であることから基材２の表面に粉末４が堆積しない場合に限定される。
【実施例】
【００３５】
次に、本発明の効果を確認した実施例について説明する。
（基材２の活性化のための条件設定）
本実施例では、基材２（図２（ａ）参照）の表面を活性化するための粉末４（図２（ａ）参照）の噴射条件を次のようにして決定した。ここでは、まずアルミ鋳物２種Ａ（ＡＣ２Ｂ：Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ）で、表面粗さＲａが０．０６μｍとなるようにバフ研磨を施した基材２（６０ｍｍ×３０ｍｍ×４ｍｍ）と、組成がアルミ９４．９６原子％、鉄１．６８原子％、クロム２．２４原子％、チタン０．５６原子％、およびコバルト０．５６原子％であって準結晶分散合金からなり、平均粒径が１４．９７μｍの粉末４とを準備した。
【００３６】
次に、基材２の表面に、コールドスプレー法によって粉末４を２０秒間噴射した。このコールドスプレー法では、図２（ａ）に示すラバルノズル１００がスプレーガンとして使用されると共に、このスプレーガンには、４００℃のヘリウムが０．５ＭＰａで供給された。また、スプレーガンの噴出口と基材２の表面との距離は、２０ｍｍに設定された。
【００３７】
ここで参照する図６は、基材の表面に粉末が堆積されていく様子を示す走査型電子顕微鏡写真であって、（ａ）は、粉末の噴射前（噴射時間０秒）の基材の表面の様子を示す写真、（ｂ）は、粉末の噴射時間１秒での基材の表面の様子を示す写真、（ｃ）は、粉末の噴射時間２秒での基材の表面の様子を示す写真、（ｄ）は、粉末の噴射時間３秒での基材の表面の様子を示す写真、（ｅ）は、粉末の噴射時間４秒での基材の表面の様子を示す写真、（ｆ）は、粉末の噴射時間８秒での基材の表面の様子を示す写真である。
【００３８】
図６（ａ）および（ｂ）に示すように、粉末４の噴射時間が１秒を経過するまでは、基材２の表面には粉末４が堆積していない。また、噴射時間１秒（図６（ｂ）参照）では、基材２の表面に多数のクレータＣが形成されていることが確認された。
【００３９】
そして、図６（ｃ）に示すように、粉末４の噴射時間が２秒の基材２の表面には、走査型電子顕微鏡の視野に粉末４の１つの粒子が認められた。ちなみに、この粉末４は、塑性変形せずに基材２の表面に付着した程度のものであった。
【００４０】
次に、図６（ｄ）から（ｆ）に示すように、粉末４の噴射時間が３秒、４秒、および８秒と経過するにしたがって、基材２の表面で塑性変形して堆積する粉末４が次第に増加していくことが確認された。ちなみに、粉末４の噴射時間が２０秒に達したもの（図示せず）は、堆積した粉末４からなる皮膜３が基材２から剥離した。
【００４１】
したがって、ここでの基材２の表面の活性化は、粉末４の噴射時間を２秒とすることで行われ、それ以上の噴射時間を費やすと基材２から剥離しやすい皮膜３が形成されていくことが確認された。
【００４２】
（実施例１）
実施例１では、アルミ鋳物２種Ａ（ＡＣ２Ｂ：Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ）で、表面粗さＲａが０．０６μｍとなるようにバフ研磨を施したもの（５０ｍｍ×１５ｍｍ×１０ｍｍ）を用意した。そして、この基材２の表面に前記した本実施例でのアルミ合金の粉末４を噴射して基材２の表面を活性化した。ここでの基材２の活性化のための条件設定は、本実施例で先に決定した条件とした。つまり、４００℃のヘリウムが０．５ＭＰａでスプレーガンに供給され、スプレーガンの噴出口と基材２の表面との距離は、２０ｍｍに設定された。そして、基材２の表面に対する粉末４の噴射時間が前記した２秒と同程度となるように、スプレーガンのトラバース速度が１００ｍｍ／秒に設定された。ちなみに、スプレーガンのトラバースピッチは４ｍｍに設定し、トラバース回数（重ね数）は１回とした。
【００４３】
ここで参照する図７は、実施例１で活性化した基材の表面の様子を示す走査型電子顕微鏡写真である。
実施例１で活性化した基材２の表面には、図７に示すように、クレータＣが確認されると共に、走査型電子顕微鏡の視野に塑性変形せずに基材２に付着した粉末４の１つの粒子が確認された。
【００４４】
次に、このような基材２の表面に、前記した本実施例でのアルミ合金の粉末４を噴射して基材２の表面に厚さ６００μｍの皮膜３（図４（ａ）参照）を形成して積層体１（図４（ａ）参照）を作製した。ここでは４００℃のヘリウムが３ＭＰａでスプレーガンに供給され、スプレーガンのトラバースピッチが、４ｍｍから２ｍｍに変更され、トラバース回数（重ね数）が、１回から４回重ねに変更された以外は、前記した基材２の活性化での条件と同様にして、基材２に粉末４が噴射された。
【００４５】
この積層体１について基材２に対する皮膜３の接合強度が測定された。この接合強度の測定は、次のせん断試験装置で行われた。図９は、実施例１で得られた積層体における基材に対する皮膜の接合強度を測定したせん断試験装置の模式図である。
【００４６】
図９に示すように、せん断試験装置は、積層体１から切り出された試験片Ｔを支持する一対の支持部１１ａ，１１ｂと、試験片Ｔの皮膜３に荷重Ｆを負荷するせん断刃１０とを備えている。そして、せん断刃１０の刃先は、積層体１から後記する大きさに切り出された試験片Ｔの皮膜３部分に配置されて、１００ｍｍ／秒で下降して基材２と皮膜３との界面にせん断力を加えるようになっている。ちなみに、試験片Ｔは、その厚さＷが１ｍｍ、その幅（図９の紙面に対して垂直方向の長さ）が１０ｍｍとなるように積層体１（図１参照）がスライスされたものである。
【００４７】
そして、ここでは基材２から皮膜３が剥離したときの荷重Ｆを接合強度として測定した。その結果を図１０に示す。図１０は、実施例１、ならびに後記する実施例２および比較例１で得られた積層体における基材に対する皮膜の接合強度を示すグラフであり、縦軸は接合強度[ＭＰａ]を表す。
【００４８】
（実施例２）
実施例２では、基材２の表面を活性化する際に、スプレーガンのトラバース回数（重ね数）が１回から２回重ねに変更された以外は、実施例１と同様に粉末４が基材２の表面に噴射された。
ここで参照する図８は、実施例２で活性化した基材の表面の様子を示す走査型電子顕微鏡写真である。
実施例２で活性化した基材２の表面には、図８に示すように、クレータＣが確認されると共に、走査型電子顕微鏡の視野に基材２の表面を２５％程度覆うように堆積した粉末４が確認された。この粉末４の粒子は、塑性変形が不充分となっていた。
【００４９】
次に、このような基材２の表面に、前記した本実施例でのアルミ合金の粉末４を実施例１と同様に噴射して基材２の表面に厚さ６００μｍの皮膜３を形成して積層体１を作製した。
この積層体１について実施例１と同様にして基材２に対する皮膜３の接合強度が測定された。その結果を図１０に示す。
【００５０】
（比較例１）
比較例１では、表面を活性化しない以外は実施例１と同様の基材２を使用した。そして、この基材２の表面に、前記した本実施例でのアルミ合金の粉末４を実施例１と同様に噴射して基材２の表面に厚さ６００μｍの皮膜３を形成して積層体１を作製した。
この積層体１について実施例１と同様にして基材２に対する皮膜３の接合強度が測定された。その結果を図１０に示す。
【００５１】
（実施例および比較例で得られた積層体１の評価）
図１０に示すように、基材２の表面を予め活性化した実施例１および実施例２での積層体１は、基材２の表面を活性化しなかった比較例１での積層体１よりも、基材２に対する皮膜３の接合強度[ＭＰａ]に優れていることが確認された。
【００５２】
また、基材２の表面に粉末４が殆ど堆積しないように基材２の表面を活性化した実施例１での積層体１は、基材２の表面を活性化した際に粉末４が基材２の表面の一部を覆うように堆積した実施例２での積層体１よりも、基材２に対する皮膜３の接合強度[ＭＰａ]に優れていることが確認された。つまり、基材２の表面に対する活性化は、その表面に粉末４が堆積しないように行うことが望ましいことが確認された。
なお、以上のような積層体１の製造方法においては、基材２の表面の活性化に使用した粉末４を回収し、再利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】実施形態に係る製造方法で得られる積層体の部分断面図である。
【図２】（ａ）は、実施形態に係る製造方法で積層体を製造する様子を説明する工程説明図であって、基材処理工程を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）における基材の表面の部分拡大図である。
【図３】基材に粉末が堆積可能となるまでの時間（堆積必要時間）と、基材に衝突する粉末の速度との関係を示すグラフであって、縦軸は堆積必要時間[秒]を表し、横軸は粉末の速度[ｍ／秒]を表す。
【図４】（ａ）は、実施形態に係る製造方法で積層体を製造する様子を説明する工程説明図であって、皮膜形成工程を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）における基材の表面の部分拡大図である。
【図５】実施形態に係る製造方法での基材処理工程および皮膜形成工程のタイムチャートであり、縦軸はラバルノズルに供給するガスの圧力 [ＭＰａ]を表し、横軸はラバルノズルの噴射時間 [秒]を表す。
【図６】基材の表面に粉末が堆積されていく様子を示す走査型電子顕微鏡写真であって、（ａ）は、粉末の噴射前（噴射時間０秒）の基材の表面の様子を示す写真、（ｂ）は、粉末の噴射時間１秒での基材の表面の様子を示す写真、（ｃ）は、粉末の噴射時間２秒での基材の表面の様子を示す写真、（ｄ）は、粉末の噴射時間３秒での基材の表面の様子を示す写真、（ｅ）は、粉末の噴射時間４秒での基材の表面の様子を示す写真、（ｆ）は、粉末の噴射時間８秒での基材の表面の様子を示す写真である。
【図７】実施例１で活性化した基材の表面の様子を示す走査型電子顕微鏡写真である。
【図８】実施例２で活性化した基材の表面の様子を示す走査型電子顕微鏡写真である。
【図９】実施例１で得られた積層体における基材に対する皮膜の接合強度を測定したせん断試験装置の模式図である。
【図１０】実施例１および実施例２、ならびに比較例１で得られた積層体における基材に対する皮膜の接合強度を示すグラフであり、縦軸は接合強度[ＭＰａ]を表す。
【符号の説明】
【００５４】
１ 積層体
２ 基材
３ 皮膜
４ 粉末
５ ガス
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コールドスプレー法によって基材の表面に皮膜を形成する積層体の製造方法において、
前記基材の表面を予め活性化する基材処理工程と、
この基材処理工程後に、前記基材の表面にコールドスプレー法によって前記皮膜を形成する皮膜形成工程と、
を有することを特徴とする積層体の製造方法。
【請求項２】
前記基材処理工程が、コールドスプレー法によって前記基材の表面に粉末を噴射して前記基材の表面を活性化する工程であることを特徴とする請求項１に記載の積層体の製造方法。
【請求項３】
前記基材処理工程で前記基材に噴射する前記粉末の速度が、前記皮膜形成工程で前記基材に噴射する前記粉末の速度よりも低いことを特徴とする請求項２に記載の積層体の製造方法。
【請求項４】
前記コールドスプレー法で使用する粉末が、準結晶分散アルミ合金またはアモルファス分散合金からなることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の積層体の製造方法。
【請求項１】
コールドスプレー法によって基材の表面に皮膜を形成する積層体の製造方法において、
前記基材の表面を予め活性化する基材処理工程と、
この基材処理工程後に、前記基材の表面にコールドスプレー法によって前記皮膜を形成する皮膜形成工程と、
を有することを特徴とする積層体の製造方法。
【請求項２】
前記基材処理工程が、コールドスプレー法によって前記基材の表面に粉末を噴射して前記基材の表面を活性化する工程であることを特徴とする請求項１に記載の積層体の製造方法。
【請求項３】
前記基材処理工程で前記基材に噴射する前記粉末の速度が、前記皮膜形成工程で前記基材に噴射する前記粉末の速度よりも低いことを特徴とする請求項２に記載の積層体の製造方法。
【請求項４】
前記コールドスプレー法で使用する粉末が、準結晶分散アルミ合金またはアモルファス分散合金からなることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の積層体の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図９】
【図１０】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図９】
【図１０】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００９−２１５５７４（Ｐ２００９−２１５５７４Ａ）
【公開日】平成２１年９月２４日（２００９．９．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−５７６２０（Ｐ２００８−５７６２０）
【出願日】平成２０年３月７日（２００８．３．７）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【出願人】（５０４１８０２３９）国立大学法人信州大学 (759)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年９月２４日（２００９．９．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月７日（２００８．３．７）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【出願人】（５０４１８０２３９）国立大学法人信州大学 (759)
【Ｆターム（参考）】
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