(57)【要約】【課題】限られたスペースで短時間による現地施工を可能とし、施工の際の安全が高く、かつ高い密着性を得ることができるプラズマ溶射法による溶射皮膜の形成方法、及びこの方法によって表面が成膜された熱交換器用部材を提供する。【解決手段】プラズマジェット１０を噴出させるノズル５の先端外側に設けられた２つの供給ポート６、６によって、溶射材料２６を異なる方向からプラズマジェット１０中へ供給する溶射皮膜の形成方法である。各供給ポート６中に流れるキャリアガス２５を、ポート内の最小断面積の１平方ｍｍ当たりで１ＮＬＰＭ〜１２ＮＬＰＭの流量とし、複数の供給ポート６、６の溶射材料２６の合計供給量を８０ｇ／ｍｉｎ以上とすることで、２つ以上の材料フレーム１１Ａ、１１Ｂを生成し、これらの材料フレーム１１Ａ、１１Ｂを被成膜面２０へ吹き付けて成膜する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマジェットを噴出させるノズルの先端外側に設けられた材料ポートから溶射材料をプラズマジェット中へ供給し、溶融させた溶射材料を被成膜面に吹き付けて溶射皮膜を形成するプラズマ溶射法による溶射皮膜の形成方法において、
前記材料ポートは複数の供給ポートからなり、これら複数の供給ポートによって前記溶射材料を異なる方向から前記プラズマジェット中へ供給する溶射皮膜の形成方法であって、当該各供給ポート中に流れるキャリアガス流量を、ポート内の最小断面積の１平方ｍｍ当たりで１ＮＬＰＭ〜１２ＮＬＰＭとし、当該複数の供給ポートの溶射材料の合計供給量を８０ｇ／ｍｉｎ以上として、複数の材料フレームを生成し、これら複数の材料フレームを被成膜面へ吹き付けることを特徴とするプラズマ溶射法による溶射皮膜の形成方法。
【請求項２】
前記各供給ポート内の最小断面積が０．８ｍｍ２〜１６．０ｍｍ２であり、当該各供給ポートによる前記溶射材料の供給角度を前記ノズルの軸心に対して６５°〜１１５°とすることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ溶射法による溶射皮膜の形成方法。
【請求項３】
前記各供給ポートから供給する溶射材料のメジアン径（Ｄ５０粒径）が３０μｍ〜１００μｍであり、かつ当該溶射材料のＤ１０粒径がメジアン径（Ｄ５０粒径）の１／３以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマ溶射法による溶射皮膜の形成方法。
【請求項４】
前記溶射材料はＣｒを１５％以上含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のプラズマ溶射法による溶射皮膜の形成方法。
【請求項５】
前記プラズマジェットを生成するためのプラズマ出力が３０ｋＷ〜１８０ｋＷであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のプラズマ溶射法による溶射皮膜の形成方法。
【請求項６】
燃焼エネルギーによって水を加熱する熱交換器における、燃焼エネルギーを受ける構造部材の表面に、プラズマ溶射法による溶射皮膜を形成した熱交換器用部材において、
前記溶射皮膜が請求項１〜５のいずれかに記載の溶射皮膜の形成方法によって得られた皮膜であることを特徴とする熱交換器用部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、短い工期で密着性の高い溶射皮膜を得ることができるプラズマ溶射法による溶射皮膜の形成方法と、この方法によって表面が成膜された熱交換器用部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
溶射法は金属、セラミックスなどの粉末材料やワイヤー材料を燃焼フレームやプラズマジェットに供給して、これらを軟化又は溶融した状態にし、基材の表面に高速で吹き付けることによって、その表面に溶射皮膜を形成する表面処理技術である。このような溶射法として、大気プラズマ溶射法、減圧プラズマ溶射法、高速フレーム溶射法、ガスフレーム溶射法、アーク溶射法などが知られおり、これら各種の溶射法を用いることによって耐久性に優れ、高品質の皮膜を得ることができる。
【０００３】
各種の溶射法の中でもプラズマ溶射法は、ワイヤー材料を用いるフレーム溶射やアーク溶射で形成した皮膜よりも緻密な皮膜を得たい場合に適している。さらにプラズマ溶射法は、例えば高速フレーム溶射法で必要とされる燃焼ガス及び酸素ガスを不要とするため、安全性が高いといった特徴を有している。皮膜を形成させる被施工物が建造体のような大型の構造体である場合、又は移動させにくい場所に設置されている場合には、溶射機材を持ち込んで施工を行う必要がある。持ち込みによる現地施工が必要とされ、高品質の皮膜が要求される際にはプラズマ溶射法が最適である。
【０００４】
現地施工では、被施工物が組み込まれたプラント又は装置などを停止させて溶射皮膜の形成を行うため、短時間での成膜作業が望まれており、成膜速度を向上させることが重要である。成膜速度を高めるには、一定の時間により多くの材料を被成膜面に付着させればよい。図５（ａ）及び（ｂ）は従来の溶射方法を説明する模式図である。
【０００５】
図５（ａ）はノズル１００から噴出されるプラズマジェット１０１に、キャリアガスと共に溶射材料１０２を供給して、プラズマジェット１０１で溶融・加速された溶射材料の流れである材料フレーム１０３を生成し、基材１２０の被成膜面１０４に溶射皮膜１０５を形成している状態を表している。図５（ｂ）は溶射材料１０２の供給量を２倍にした状態を表している。なおこれらの図は、溶射材料が標準と２倍量で同じ厚みの溶射皮膜１０５、１０６を形成したとき状態を比較するための一例を表す模式図である。溶射材料が標準量のときの溶射皮膜１０５は（図５（ａ））、４層の溶射ビード１０１で形成されており、溶射材料が２倍量のときの溶射皮膜１０６は（図５（ｂ））、２層の溶射ビード１１１で形成されている。
【０００６】
一般に溶射材料にＣｒが多量に含まれていると、ヒュームの発生量が多くなることが経験上知られている。ヒュームとは、プラズマジェット１０１で加熱された溶射材料の一部が蒸発し、冷却されて再凝固したナノサイズの粒子がスス状に凝集体したものである。積層された溶射ビード１０１、１１１の層間、又は溶射皮膜１０５、１０６と基材１２０との界面である被成膜面１０４にヒュームが堆積すると、溶射皮膜１０５、１０６の密着性を低下させる。標準量の溶射材料１０２で一定の厚みの溶射皮膜１０５を得る場合（図５（ａ））、溶射ビード１０１の層間が多くなり、それだけヒュームが分散するため密着性への影響は小さい。
【０００７】
２倍量の溶射材料１０２で短時間に一定の厚みの溶射皮膜１０６を得る場合（図５（ｂ））、各溶射ビード１１１の厚みが大きくなる。溶射ビード１１１の厚みが大きくなると、溶射皮膜１０６中の残留応力が増大し、この残留応力の一部が皮膜を剥離させる剪断応力として働く。それに加えて、積層された溶射ビード１１１の層間に堆積するヒュームが多くなる。これらの現象は溶射皮膜１０６の密着性へ大きく影響を及ぼし、剥離を生じさせる方へ作用する。
【０００８】
標準量の溶射材料の吹き付けで短時間に一定の厚みの溶射皮膜を得るには、プラズマ溶射ガンをロボットでハンドリングして、基材上での走査速度を上げればよい。しかし現地施工においては一般的に大型となるロボットの設置は困難であり、また小型のトラバーサでは効果的な走査速度は得られない。
【０００９】
溶射皮膜の高い密着性を得る方法として次の技術が知られている。例えば特許文献１では溶射ガンと被成膜間の空間を不活性雰囲気としている。特許文献２にはヒュームを被成膜面に到達させる前に吸引する方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平２−２２５６５３号公報
【特許文献２】特開平５−２０２４６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献１の不活性雰囲気を用いる方法では、多量の不活性ガスが必要となり現地施工は現実的ではない。さらに厚膜の溶射皮膜を形成したときの残留応力が大きくなり、皮膜の剥離現象を解消することはできない。特に大面積の部材に溶射皮膜を形成すると残留応力の影響が大きくなり、より剥離し易くなると考えられる。ヒューム対策を講じている特許文献２に記載の方法に関して、金属の微粉と高温のガスを吸引することになるため、発火の危険性が高く、現地での安全確保が難しい。吸引のための装置を要し、溶射ガンと吸引装置を同時に走査させなければならず、限られたスペースでの手作業が困難となり、現地での施工時間が長引くことにもなる。
【００１２】
そこで本発明は従来技術の問題点に鑑み、限られたスペースで短時間による現地施工を可能とし、施工の際の安全が高く、かつ高い密着性を得ることができるプラズマ溶射法による溶射皮膜の形成方法、及びこの方法によって表面が成膜された熱交換器用部材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】
【００１３】
上記目的を達成するため次の技術的手段を講じた。即ち本発明の溶射皮膜の形成方法は、プラズマジェットを噴出させるノズルの先端外側に設けられた材料ポートから溶射材料をプラズマジェット中へ供給し、溶融させた溶射材料を被成膜面に吹き付けて溶射皮膜を形成するプラズマ溶射法による溶射皮膜の形成方法において、前記材料ポートは複数の供給ポートからなり、これら複数の供給ポートによって前記溶射材料を異なる方向から前記プラズマジェット中へ供給する溶射皮膜の形成方法であって、当該各供給ポート中に流れるキャリアガス流量を、ポート内の最小断面積の１平方ｍｍ当たりで１ＮＬＰＭ〜１２ＮＬＰＭとし、当該複数の供給ポートの溶射材料の合計供給量を８０ｇ／ｍｉｎ以上として、複数の材料フレームを生成し、これら複数の材料フレームを被成膜面へ吹き付けることを特徴とする方法である。
【００１４】
本発明によれば、複数の供給ポートによって溶射材料を異なる方向からプラズマジェットへ供給する際に、各供給ポート中に流れるキャリアガスを所定の流速で流すと共に、複数の供給ポートから溶射材料を供給して、複数の材料フレームを生成しているため、１回の走査で吹き付けられる走査範囲を広くすることができる。そのため手作業による短時間での施工が可能となり、しかも溶射ビードを薄くできる。
【００１５】
手作業による短時間での施工が可能となるためロボットを必要とせず、限られたスペースでの現地施工が可能となる。大気中で施工でき、ガス雰囲気を作り出す必要もないので安全性が高い。単一の供給ポートで成膜したときと同じ層構造の溶射皮膜を得ることができ、溶射ビードが厚くならないので残留応力の発生が抑えられ、発生するヒュームも分散させることができる。従って、剥離現象が抑制され、溶射皮膜の密着性を向上させることができる。
【００１６】
前記複数の供給ポートが２つの材料フレームを生成する２本の供給ポートからなる時、当該各供給ポート内の最小断面積が０．８ｍｍ２〜１６．０ｍｍ２であり、当該各供給ポートによる前記溶射材料の供給角度を前記ノズルの軸心に対して６５°〜１１５°とすることが好ましい。この場合、２つの材料フレームを精度よく制御でき、高効率で良好な溶射皮膜を得ることができる。
【００１７】
前記溶射材料に関し、前記各供給ポートから供給する溶射材料のメジアン径（Ｄ５０粒径）が３０μｍ〜１００μｍであり、かつ当該溶射材料のＤ１０粒径がメジアン径（Ｄ５０粒径）の１／３以上であることが好ましい。この場合、短時間に加熱されて蒸発しやすい小粒径の粉末が減少するため、ヒュームの発生を抑制することができ、密着性をさらに向上させることができる。
【００１８】
本発明の方法で使用できる溶射材料は限定されず、例えばヒュームの発生が多くなるＣｒを１５％以上含む溶射皮膜を成形する場合に特に有効である。
【００１９】
前記プラズマジェットを生成するためのプラズマ出力は３０ｋＷ〜１８０ｋＷとすればよい。プラズマ出力が３０ｋＷ以下では、粉末である溶射材料を十分に溶融・加速することができず、成膜速度が小さくなり皮膜の緻密さが低下する。プラズマ出力が１８０ｋＷ以上の場合には、プラズマ溶射トーチ、電源及び冷却装置が大きくなりすぎるため、現地工事には不適である。なお、プラズマ出力とは、プラズマジェットを生成するために消費する電力のことである。
【００２０】
本発明は燃焼エネルギーによって水を加熱する熱交換器における、燃焼エネルギーを受ける構造部材の表面に、プラズマ溶射法による溶射皮膜を形成した熱交換器用部材であって、前記溶射皮膜が上記の溶射皮膜の形成方法によって得られた皮膜であることを特徴とする熱交換器用部材である。
【００２１】
本発明によれば、熱交換器用の構造部材の表面に溶射皮膜を形成する際に、１回の走査で吹き付けられる走査範囲が広くなるため短時間での作業が可能となり、しかも溶射ビードを薄くできる。手作業による短時間での施工が可能となるためロボットを必要とせず、限られたスペースでの現地施工が可能となる。大気中で施工でき、ガス雰囲気を作り出す必要もないので安全性が高い。単一の供給ポートで成膜したときと同じ層構造の溶射皮膜を得ることができ、溶射ビードが厚くならないので残留応力の発生が抑えられ、発生するヒュームも分散させることができる。従って、熱交換器用部材に形成した溶射皮膜の剥離現象が抑制され、密着性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、大気中で施工でき、ガス雰囲気を作り出す必要がないので安全性が高い。１回の走査で吹き付けられる走査範囲が広くなるため、手作業による短時間での施工が可能となる。ロボットを必要とせず限られたスペースでの現地施工が可能となる。溶射ビードを薄くでき、残留応力の発生が抑えられ、発生するヒュームも分散するため、溶射皮膜の高い密着性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施形態に係るプラズマ溶射法による溶射皮膜の形成方法を実施するための溶射装置の一部概略図である。
【図２】溶射材料の粒度分布の一例を表すグラフである。
【図３】試験片の斜視図である。
【図４】（ａ）は実施例３の試験片の表層断面のＳＥＭ写真であり、（ｂ）は比較例６の試験片の表層断面のＳＥＭ写真である。
【図５】（ａ）及び（ｂ）は従来の溶射方法を説明する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施形態に係るプラズマ溶射法による溶射皮膜の形成方法を実施するための溶射装置１の一部概略図である。本実施形態のプラズマ溶射装置１は、金属製の溶射材料をプラズマで加熱し、溶融させて液状粒子とし、この液状粒子をプラズマジェット１０で被成膜面２０に高速で衝突させ、溶射皮膜３０を形成させるための装置である。電気エネルギーを熱源とするプラズマ溶射法は、プラズマの発生源としてアルゴン、水素及び窒素などを利用して成膜するものであり、熱源温度が高く、フレーム速度が速いことから特に高融点の材料を緻密に成膜することが可能である。
【００２５】
プラズマ溶射装置１は、溶射材料を供給する材料供給部２、プラズマジェットを噴出させるプラズマ溶射トーチ３、プラズマ溶射トーチ３へ作動ガスである一次ガス及び二次ガスを供給するガス供給部、プラズマ溶射トーチ３へ動作電力を供給するプラズマ電源部、実際に印加される電圧値を検出する電圧モニタ部、電圧モニタ部で検出された電圧値に基づいて電源部に対してプラズマ溶射トーチ３へ供給する電流値を指示する電源制御部などを備えている。材料供給部２の一部の構成及びプラズマ溶射トーチ３以外の図示は省略する。材料供給部２は、材料を貯留する粉末貯留部、粉末貯留部から搬出される粉末を気流搬送する搬送部、搬送されてきた粉末を溶射材料２６としてプラズマジェット１０中へ供給するための材料ポート４、材料ポート４に送り込むキャリアガス用のガスボンベなどを備えている。プラズマ溶射トーチ３の形態は限定されず、本実施形態では現場施工用としてプラズマ溶射ガン３を採用している。
【００２６】
プラズマ溶射ガン３は、ガンの軸線の周りに配置された放電電極部を備えており、放電電極部はカソードとアノードからなる。カソードは軸中心に突起状の電極を備えており、カソードの外周に絶縁体を介してアノードが配されている。カソードは陽極端子を備えるとともに、その一部がプラズマジェット１０を噴出させるためのノズル５を形成している。プラズマジェットを生成するためのプラズマ電源出力は３０ｋＷ〜１８０ｋＷに調節されている。本実施形態では、プラズマジェット１０を生成するためのプラズマ出力は３０ｋＷ〜１８０ｋＷに調節されている。プラズマ出力が３０ｋＷ以下では、粉末である溶射材料２６を十分に溶融・加速することができず、成膜速度が小さくなり皮膜の緻密さが低下する。プラズマ出力が１８０ｋＷ以上の場合には、プラズマ溶射トーチ３、電源及び冷却装置が大きくなりすぎるため、現地工事には不適である。なお、プラズマ出力とは、プラズマジェットを生成するために消費する電力のことである。
【００２７】
ノズル５は溶射すべき方向に延びる軸線に沿って構成されており、このノズル５の先端外側には、溶射材料を供給する材料ポート４が配置されている。材料ポート４は中空状であり、キャリアガス２５と共に溶射材料２６を吹き出すことができるようになっている。その他、プラズマ溶射ガン３にはガス供給部からの供給ホース、電源からの電力を供給する電源ケーブルなどが接続されている。
【００２８】
プラズマ溶射ガン３の一対の放電電極間にアークを発生させ、ガス供給部から供給された作動ガスをアークへ導入してプラズマ状態とし、ノズル５からプラズマジェット１０を噴出させる。噴出させたプラズマジェット１０内へ、材料ポート４を通じて溶射材料２６を供給し材料フレーム１１Ａ、１１Ｂを生成する。溶射材料２６は溶融されつつ高速で飛行する材料フレーム１１となって被成膜面２０に衝突する。溶融した溶射材料２７は、被成膜面２０上に順次に堆積していき、溶射皮膜３０が形成される。
【００２９】
本発明の方法で使用できる基材２１の素材は限定されず、例えばＦｅ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｎｉの金属単体、ステンレス鋼を含む各種の合金鋼、炭素鋼などである。特に燃焼エネルギーによって水を加熱する熱交換器における、燃焼エネルギーを受ける構造部材へ本発明の方法を適用することができ、このような構造用部材の材質には炭素鋼鋼管やＣｒを含む合金鋼鋼管が用いられる。
【００３０】
本発明の方法を適用できる溶射材料は限定されず、例えばＣｒ、Ａｌ、Ｔａ、Ｆｅ、Ｙ、Ｗ、Ｎｂ、Ｖ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｂ、Ｓｉ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｆｅの群から選択される１種以上の元素の炭化物、硼化物、又はこれらの組み合わせからなる材料などが挙げられる。特にＣｒ成分を多く含む溶射材料で被覆すると、良好な耐高温酸化性、耐硫化腐食性が得られるといった利点がある。その反面、Ｃｒを１５％以上含む組成を有する溶射材料のようにＣｒを多く含ませると一般にヒュームの発生が多くなるため、ヒュームの抑制効果が得られる本発明の方法を有効に作用させることができる。
【００３１】
図１に示すように材料ポート４は、ノズル５の先端外側に配置された２本の供給ポート６で構成されている。本実施形態では供給ポート６を２本としているが、３本以上の供給ポートを設けてもよい。各供給ポート６の形態は図示のものに限定されず、溶射材料を吹き出す構造であればどのような形態であってもよい。
【００３２】
各供給ポート６はノズル５の先端に近いところで当該ノズル５の軸心に対して９０°の角度θで配置されている。各供給ポート６の先端口６ａは、ノズル５から噴出されるプラズマジェット１０の側方近傍に位置しており、溶射材料２６は各供給ポート６から吹き出された直後にプラズマジェット１０中へ導入される。２本の供給ポート６、６の軸心は同一直線上にあり、互いに先端口６ａ、６ａを対向させている。このような各供給ポート６の配置によって、溶射材料２６はプラズマジェット１０の噴出方向と直行する異なる２方向からプラズマジェット１０中へ導入される。
【００３３】
キャリアガス２５にのせられた溶射材料２６を異なる２方向からプラズマジェット１０中へ供給し、図示のように第１及び第２の２つの材料フレーム１１Ａ、１１Ｂを生成し、これら２つの材料フレーム１１Ａ、１１Ｂを被成膜面２０へ吹き付けて成膜する。本実施形態では、供給ポートを２本としているため、生成する材料フレームは２つであるが、供給ポートをそれ以上の例えば４本とした場合には、材料フレームは例えば４つとなる。供給ポートの本数を材料フレームと同数にする必要はなく、供給ポートの本数を材料フレーム数よりも多くしてもよい。例えば供給ポートの本数を４本として、材料フレーム数を２つなどとしてもよい。要は複数の供給ポートを用いることによって、互いに独立した複数の材料フレームを生成すればよい。
【００３４】
各供給ポート６内の好ましい最小断面積は０．８ｍｍ２〜１６．０ｍｍ２であり、より好ましくは１．５ｍｍ２〜７．０ｍｍ２である。最小断面積が小さすぎると十分な供給量で送ることができず、１６．０ｍｍ２を超えるとポート内部で粉末の密度が不均一となり、キャリアガス２５で粉末を均一に加速することができない。各供給ポート６の断面形状は円形が好ましいが、例えば楕円形又は方形状としてもよく、各供給ポート６の中途部を絞って断面積を小さくし、そこから広げるようにしてもよい。供給ポート６の先端出口を広げた形状としてもよい。本実施形態では各供給ポート６による溶射材料２６の供給角度θは、プラズマジェット１０の噴出方向であるノズル５の軸心に対して９０°としているが、当該供給角度θは６５°〜１１５°とすることが好ましい。溶射材料２６の供給角度θが６５°よりも小さければ、材料フレーム１１が複数に分かれない状態となり、１１５°よりも大きければ、溶融した粉末がノズル５に付着・堆積しやすいため安定した溶射施工が困難となる。各供給ポート６の角度調節機構は従来の構成を用いて据付型又は可変型とすればよい。
【００３５】
各供給ポート６中に流れるキャリアガス２５の流量はポート内の最小断面積の１平方ｍｍ当たりで１ＮＬＰＭ〜１２ＮＬＰＭが好ましく、より好ましくは３ＮＬＰＭ〜８ＮＬＰＭである。キャリアガス２５の流量と溶射材料２６の吹き出し速度との間には相関関係が存在する。従ってキャリアガス２５の流量は、プラズマ出力及び粉末粒径に応じた調整を必要とする。例えば、高いプラズマ出力でプラズマジェット１０の流速を大きくした場合、複数の材料フレームを得るためには、溶射材料に関わらずキャリアガス２５の流量を大きくする必要がある。キャリアガス２５の流量が１ＮＬＰＭよりも小さいと、プラズマジェットに導入した溶射材料を軸心から離れた位置まで移送する作用が弱くなり、互いに独立した材料フレームとならない。キャリアガス２５の流量が１２ＮＬＰＭよりも大きいと、一部の粉末がプラズマジェット１０を横切るように抜け出してしまい、粉末に適切な加熱と加速を与えることができないため、健全な皮膜形成が困難となる。
【００３６】
プラズマジェット１０へ導入する溶射材料２６の供給量は８０ｇ／ｍｉｎ〜５００ｇ／ｍｉｎであり、より好ましくは１５０ｇ／ｍｉｎ〜３００ｇ／ｍｉｎである。ここでいう供給量とは、複数の供給ポートで供給する溶射材料の合計量である。溶射材料２６の供給量が８０ｇ／ｍｉｎよりも小さいと、短時間で成膜するという効果を達成できず、５００ｇ／ｍｉｎよりも大きいと溶射ビード３１が厚くなり易く、残留応力及びヒュームの影響で密着性が低下する。
【００３７】
プラズマ電源出力を３０ｋＷ〜１８０ｋＷに調節して形成したプラズマジェット１０をノズル５から噴出させ、そこへ供給する溶射材料２６の供給角度θ、溶射材料２６の吹き出し速度、及び溶射材料２６の供給量を以上の条件を満たす値に調節することによって、複数の良好な材料フレーム１１Ａ、１１Ｂを得ることができる。
【００３８】
複数の材料フレーム１１Ａ、１１Ｂを得るため、外側へ噴射されたプラズマジェット１０に溶射材料２６を吹き付けなければならない。そのため溶射材料２６を供給する位置をノズル５の外側に存在させることが必須となり、従って各供給ポート６は被成膜面２０へ向けられたノズル５の先端外側の近傍となる。各供給ポート６の先端出口６ａとプラズマジェット１０との距離ｎは４ｍｍ〜９ｍｍが好ましい。３つ以上の供給ポートを配置する場合、ノズルの軸心を中心として供給ポートの出口が同一円周上に存在すればよい。
【００３９】
複数の良好な材料フレームとは、各材料フレーム１１Ａ、１１Ｂに含まれる溶融した溶射材料２７の量が十分で、かつ隣り合う材料フレーム１１Ａ、１１Ｂ同士が重なり合うことなく離間しており、被成膜面２０へ向けて適切な広がりを有する材料フレームである。隣り合う材料フレーム１１Ａ、１１Ｂ同士が重なり合うことなく離間するとは、それぞれの材料フレーム１１Ａ、１１Ｂに含まれる溶射材料２７が全く混入し合わない状態をいうのではなく、多少の混入があっても、それぞれ個別の溶射ビード３１を形成できる状態まで離れることをいう。
【００４０】
被成膜面２０における各材料フレーム１１Ａ、１１Ｂの最も近接する縁同士の距離ｗは３ｍｍ〜２０ｍｍ程度である。各材料フレーム１１Ａ、１１Ｂ間の距離が近すぎると溶射ビード３１の厚みの大きい部分ができてしまい、遠すぎると１回の溶射範囲が大きくなり施工作業がしにくくなる。被成膜面２０上における各材料フレーム１１Ａ、１１Ｂが広がる面積は２ｃｍ２〜８ｃｍ２程度である。薄い溶射ビード３１を何層も重ねて溶射皮膜３０を形成するため、プラズマ溶射ガン３を手作業で往復させる操作を繰り返し行う。例えば、走査速度は３ｍ／ｍｉｎ〜５０ｍ／ｍｉｎ程度にし、１回の走査で形成する溶射ビード３１の厚みは７０μｍ〜１５０μｍ程度とする。
【００４１】
一定の膜厚を得るために薄い溶射ビードを何層も重ねればよいが、１回の走査で形成する溶射ビード３１の厚みが５０μｍよりも小さいと、施工に長時間を要してしまう。溶射ビード３１の厚みが３００μｍよりも大きいと、残留応力及びヒュームの影響により剥離が生じやすくなる。
【００４２】
プラズマ溶射法では溶射条件であるプラズマ出力とプラズマガス量を変更することで色々な粒径の溶射材料に対応できる。例えば、粒径が大きい場合には加熱能力の高い溶射条件にして溶射材料を溶融させ、粒径が小さい場合には加熱能力を下げて過熱によるヒュームの発生を抑制する。
【００４３】
本発明では複数の材料フレームを生成したうえで、粒度分布を所定の値に調整した溶射材料を用いる点が重要となる。特にＣｒの含有量が多い溶射材料でヒュームの発生を抑えるためには、蒸発し易い小粒径の粉体を減少させればよい。しかし小粒径の粉体を完全に無くした溶射材料の採用は現実的ではなく、溶射材料には粒度分布が存在し、小粒径から大粒径までの粉末が混在している。粒度が最も多い中心粒径の粉末に合わせて溶射条件を選定することになるが、小粒径の粉末には高すぎる加熱条件となってヒュームが生じやすくなる。
【００４４】
ヒュームを抑制するために大粒径の粉末を多く含む溶射材料を選定すればよいが、緻密で良好な品質の溶射皮膜を得るには、中程度の粒径の粉末も含まれる溶射材料の選定が必要である。本発明では粉末の体積累積量と粒径の関係を表すメジアン径の指標を用いて溶射材料を選定することで、小粒径の粉末の割合を減少させてヒュームの発生を抑えた。体積累積量とは、特定の粒子径以下の粒子量が全体の何％であるかを表わしたものであり、例えばＤ１０粒径は小さい粒径から積算して累積体積量が１０％となる粒子径を表している。
【００４５】
メジアン径（Ｄ５０粒径）が３０μｍ〜１００μｍであり、かつＤ１０粒径がメジアン径（Ｄ５０粒径）の１／３以上となる溶射材料を選定すればよい。より好ましくはメジアン径（Ｄ５０粒径）の範囲が３５μｍ〜８０μｍであり、かつＤ１０粒径がメジアン径（Ｄ５０粒径）の１／２以上である。その中でもＤ１０粒径を１５μm以下とすることが好ましく、１５μｍ以下の微粒子が存在していない溶射材料がより好ましい。図２にメジアン径（Ｄ５０粒径）が７７μｍであり、かつＤ１０粒径がメジアン径（Ｄ５０粒径）の１／２以上である溶射材料の粒度分布を示す。
【００４６】
メジアン径（Ｄ５０粒径）が３０μｍよりも小さければ小粒径の粉末が多くなりすぎてヒュームの発生を抑えることが困難となり、１００μｍを超えれば緻密な皮膜形成が困難となり皮膜品質が低下する。上記の条件を満たす溶射材料を用いれば、プラズマジェット１０中で短時間に過熱状態となる小粒径の粉末の混在割合が減少し蒸発量が格段に減少する。蒸発量を減らすことができればヒュームの発生を抑制することができる。
【００４７】
なお、溶射材料を構成する粉体の真比重は６ｇ／ｃｍ３〜１２ｇ／ｃｍ３とすればよく、７ｇ／ｃｍ３〜９ｇ／ｃｍ３がより好ましい。同範囲の真比重を有する粉体を用いることで、明瞭に分けられた複数の材料フレームを得ることができる。粉体の真比重が６ｇ／ｃｍ３よりも小さければ、例えば個別の材料フレームにならず重なり合ってしまい、１２ｇ／ｃｍ３よりも大きければ、材料フレームから一部の粉体がプラズマジェット１０を突き抜けてしまいプラズマジェット１０による適切な溶融と加速が困難となる。
【００４８】
以上説明したとおり、本実施形態の溶射皮膜の形成方法を用いれば、生成した２つの材料フレーム１１Ａ、１１Ｂを被成膜面２０へ吹き付けて成膜できる。従って被成膜面２０に対するプラズマ溶射ガン３の相対速度を高くすることなく、１回の走査でより広範囲への溶射ビード３１の形成が可能となる。そのため、プラズマ溶射ガン３の走査を被成膜面２０上で従来方法の半分の回数を、繰り返すだけで溶射皮膜３０の施工が完了する。得られる溶射皮膜３０は薄い溶射ビード３１のみが積層されたものとなり、短時間の施工で薄膜構造の溶射皮膜３０が得られる。例えば、単一の供給ポートを用いる図５（ａ）に示す溶射方法の２倍の供給量で、同図に示す溶射皮膜と同じ皮膜構造が得られる。溶射ビード３１が厚くならないので、残留応力の発生が抑えられ、発生するヒュームも分散させることができる。そのうえ、粒度分布を適切に調整しているため溶射の際の蒸発量が格段に減少し、ヒュームを減らすことができる。
【００４９】
従って剥離現象を効果的に抑制することができ、溶射皮膜３０の密着性を向上させることができる。また手作業による短時間での施工が可能となるためロボットを必要とせず、限られたスペースで施工できる。大気中で施工でき、ガス雰囲気を作り出す必要もない。これらにより、限られたスペースで短時間による現地施工を可能とし、施工の際の安全が高く、かつ溶射皮膜３０の高い密着性を得ることができる。
【００５０】
本発明の溶射皮膜の形成方法が適用される代表例として、燃焼エネルギーによって水を加熱する熱交換器における、燃焼エネルギーを受ける構造部材の表面に、溶射皮膜を形成した熱交換器用部材が挙げられる。より具体的には石炭焚きボイラーであり、そのボイラー管などへの溶射皮膜による表面コーティングの施工に特に有効である。ボイラー管表面を補修するためにコーティングする場合には、現地での施工が必須であり、狭い足場での高所作業となる。そのため、大型となるロボットを使用できず手作業で溶射することになるが、足場が小さく設置場所に限りがあるため、使用できる溶射装置の台数が限られる。本発明の溶射皮膜の形成方法を用いることで、少ない溶射装置で短時間に広い範囲の施工が可能となり、工期を従来に比べて大幅に短縮できる。しかも施工した溶射皮膜は剥離しにくく密着性が高いので、高温の火炎に曝されるボイラーの耐久性を格段に向上させることができる。
【実施例】
【００５１】
以下、実施例を用いて本発明をより詳細に説明する。なお本発明は実施例に限定されるものではない。複数の材料フレームで成膜する本発明の方法、及び単一の材料フレームで成膜する従来の方法を用いて、溶射皮膜を形成した試験片を調整し、熱衝撃試験を実施した。試験片の基材は２つの短尺パイプの側面同士を連結させたボイラー製品を模擬して製作した一般構造用ＳＳ４００鋼である。ヒュームは、基材が凹形状となっている部分に優先して堆積しやすいため、試験片は実機を模擬した図３に示す凹凸を有する形状とした。基材の片面に溶射皮膜を形成して試験片を製作した。図３に示す試験片の各部の寸法は次のとおりである。パイプ内径φａ：４０ｍｍ、パイプ外径φｂ：５０ｍｍ、連結部分の幅ｃ：１５ｍｍ、パイプの側面の板状部分の幅ｄ：５０ｍｍ、板状部分の厚みｅ：５ｍｍ。
【００５２】
溶射前処理として基材を有機溶剤にて脱脂した後、粒度がＦ６０のアルミナグリットでブラストにより粗面化処理し、実施例１〜６及び比較例１〜８に示す条件で膜厚１ｍｍとなるように溶射施工した。実施例１〜６及び比較例１〜８の溶射材料は、Ｎｉ−５０ｗｔ％Ｃｒ、Ｎｉ−２０ｗｔ％Ｃｒとした。
【００５３】
熱衝撃試験：溶射皮膜を形成した試験片を電気炉中で７００℃×３０分間加熱した後、これを炉外に取り出し、水冷によって８０℃以下の温度に冷却させる操作を１サイクルとし、この操作を１０サイクル繰り返した。１サイクルごとに溶射皮膜の表面を拡大鏡によって観察し、ひび割れ又は剥離の有無などを目視で観察した。
【００５４】
実施例１〜６及び比較例１〜８のプラズマ出力、供給ポート数（材料フレームの数）、各供給ポート内の最小断面積、溶射材料のＣｒ濃度、溶射材料のメジアン径（Ｄ５０粒径）及びＤ１０粒径、全ての供給ポートからの溶射材料の供給量、各供給ポートにおけるキャリアガス流量、及び試験結果を表１に示す。粉末の体積累積量と粒径の関係は、レーザ散乱・回折式粒度分布測定装置で測定した。試験結果の○印は熱衝撃試験で剥離無し、×印は溶射中又は熱衝撃試験で剥離有りを表す。図４（ａ）は実施例３の試験片の表層断面のＳＥＭ写真であり、ヒュームが分散しているため基材と皮膜の界面および皮膜層間に皮膜の特性を劣化させるような欠陥は認められない。図４（ｂ）は比較例６の試験片の表層断面のＳＥＭ写真である。比較例６の溶射皮膜には層間が少なく、基材と皮膜界面及び層間に多量のヒュームが堆積して皮膜欠陥を形成していることが認められる。
【００５５】
【表１】
2014214372.tif 000003
【００５６】
開示した実施形態及び実施例は例示であり制限的なものではない。例えば必要に応じて本発明の溶射皮膜の形成方法を実施する成膜装置に他の構成を設けてもよい。
【符号の説明】
【００５７】
１  プラズマ溶射装置
２  材料供給部
３  プラズマ溶射ガン
４  供給ポート（材料ポート）
５  ノズル
１０  プラズマジェット
１１Ａ、１１Ｂ  材料フレーム
２０  被成膜面
２１  基材
２５  キャリアガス
２６  溶射材料
２７  溶融した溶射材料
３０  溶射皮膜
３１  溶射ビード
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図４】
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