(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材表面にコールドスプレー法により被膜を形成する被膜形成方法であって、
基材表面を加熱する加熱工程と、
加熱工程後又は同時に、基材の表面に作動ガスと共に粗化処理用粒体を超音速で噴き付け、基材表面の粗化処理を行う前処理工程と、
前処理工程後、基材表面にコールドスプレー法により作動ガスと共に被膜形成用粒体を噴き付け、基材表面に被膜を形成する被膜形成工程と
を有し、
上記基材がセラミックであり、上記被膜形成用粒体が金属粒体であり、
上記被膜形成工程における作動ガスの温度が４００℃以上９００℃以下、流量が８Ｌ／（分・ｍｍ２）以上３０Ｌ／（分・ｍｍ２）以下、圧力が０．４ＭＰａ以上１ＭＰａ以下であることを特徴とする被膜形成方法。
【請求項２】
上記加熱工程を、上記前処理工程における高温の作動ガスの噴き付け、又は上記前処理工程における高温の作動ガスによる粗化処理用粒体の噴き付けにより行う請求項１に記載の被膜形成方法。
【請求項３】
上記加熱工程を、加熱装置を用いた直接加熱により行う請求項１に記載の被膜形成方法。
【請求項４】
上記前処理工程における作動ガスの温度が５００℃以上９００℃以下である請求項１、請求項２又は請求項３に記載の被膜形成方法。
【請求項５】
上記被膜形成工程における作動ガスの温度が４５０℃以上５５０℃以下、流量が１０Ｌ／（分・ｍｍ２）以上２０Ｌ／（分・ｍｍ２）以下、圧力が０．５ＭＰａ以上０．７ＭＰａ以下である請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の被膜形成方法。
【請求項６】
上記前処理工程において、粗化処理用粒体と共に金属粒体を噴き付け、基材と被膜に挟まれる中間層であるボンド層を基材表面に形成する請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の被膜形成方法。
【請求項７】
上記前処理工程及び被膜形成工程を同一の噴射手段を用いて行う請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の被膜形成方法。
【請求項８】
基材と、
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の被膜形成方法により基材表面に形成される被膜と
を備える複合材。
【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基材表面に被膜を形成する方法及びその方法により形成された被膜を備える複合材に関する。
【背景技術】
【０００２】
今日、金属やセラミック、有機素材の基材表面に被膜を形成し、基材自体の機能に被膜の機能を付加した複合材料が各種分野で実用化され、その用途を広げている。このような被膜を形成するために、めっき処理、スパッタリング法、蒸着、溶射等の各種方法が用いられているが、中でも設備が簡素であり、低温で粒子を溶射するため被膜の酸化が少ないコールドスプレー法が注目されている。
【０００３】
このようなコールドスプレー法においては、基材と溶射する粒体との組合せに応じ、作動ガスの種類や温度、圧力等の条件を適宜変更して施工が行われる。しかし、基材と溶射する粒体の組合せによっては、これらの作動ガス条件を工夫しても、充分な密着強度を有する被膜を形成することが出来ない場合も多い。
【０００４】
そこで、被膜の密着強度を向上すべく、例えば、基材表面にショットブラストにより粒体を噴射して表面粗化処理を行ってから被膜形成を行う方法（特開２００７―２４６９６７号公報参照）が提案されている。しかし、この方法ではセラミック等の硬質基材は充分に表面粗化処理できないという不都合がある。また材料基材をヒーターにより背後から加熱しながら溶射を行う方法（特開２００８―３０２３１７号公報参照）が提案されているが、未だ充分な密着強度を得るには至っていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７―２４６９６７号公報
【特許文献２】特開２００８―３０２３１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明はこれらの不都合に鑑みてなされたものであり、従来コールドスプレー法による被膜形成が困難であった、基材と被膜形成用粒体の組合せであっても、良好な密着強度を有する被膜を形成可能な被膜形成方法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】
【０００７】
上記課題を解決するためになされた発明は、
基材表面にコールドスプレー法により被膜を形成する被膜形成方法であって、
基材表面を加熱する加熱工程と、
加熱工程後又は同時に、基材の表面に作動ガスと共に粗化処理用粒体を超音速で噴き付け、基材表面の粗化処理を行う前処理工程と、
前処理工程後、基材表面にコールドスプレー法により作動ガスと共に被膜形成用粒体を噴き付け、基材表面に被膜を形成する被膜形成工程と
を有し、
上記基材がセラミックであり、上記被膜形成用粒体が金属粒体であり、
上記被膜形成工程における作動ガスの温度が４００℃以上９００℃以下、流量が８Ｌ／（分・ｍｍ２）以上３０Ｌ／（分・ｍｍ２）以下、圧力が０．４ＭＰａ以上１ＭＰａ以下であることを特徴とする。
【０００８】
このように、基材表面を加熱する加熱工程後又はこの加熱工程と同時に、基材表面に作動ガス及び粗化処理用粒体を超音速で噴き付けて基材表面の粗化処理を行うことで、粗化処理が困難であった基材の表面にも充分な粗化処理を行うことができる。このようにして粗化処理された基材表面に、作動ガス温度を４００℃以上９００℃以下として、コールドスプレー法による被膜形成を行うことにより、従来被膜形成が困難であった、基材と被膜形成用粒体の組合せであっても、良好な密着強度を有する被膜の形成が可能となる。
【０００９】
上記加熱工程を、上記前処理工程における高温の作動ガスの噴き付け、又は上記前処理工程における高温の作動ガスによる粗化処理用粒体の噴き付けにより行うとよい。高温の作動ガスが有する熱又は高温の作動ガスと粗化処理用粒体とが有する熱により基材表面を加熱することで、より簡便に基材の温度を高めることができる。
【００１０】
上記加熱工程を、加熱装置を用いた直接加熱により行うとよい。基材を直接加熱することで、基材の温度をより効率よく高めることができる。
【００１１】
当該被膜形成方法においては、上記前処理工程における作動ガスの温度が５００℃以上９００℃以下であるとよい。この温度範囲の作動ガスと共に表面粗化処理用粒体を基材表面に噴き付けることにより、より硬質な基材にまで表面の粗化処理を施すことができ、密着強度が高い被膜形成が可能となる。
【００１２】
当該被膜形成方法においては、上記基材としてセラミックを用い、上記被膜形成用粒体として金属粒体を用いる。当該被膜形成方法によれば、セラミック基材上に良好な密着強度を有する金属被膜を形成することができる。
【００１３】
当該被膜形成方法においては、上記被膜形成工程における作動ガスの温度が４００℃以上９００℃以下、流量が８Ｌ／（分・ｍｍ２）以上３０Ｌ／（分・ｍｍ２）以下、圧力が０．４ＭＰａ以上１ＭＰａ以下である。作動ガスの温度が４５０℃以上５５０℃以下、流量が１０Ｌ／（分・ｍｍ２）以上２０Ｌ／（分・ｍｍ２）以下、圧力が０．５ＭＰａ以上０．７ＭＰａ以下であるとさらによい。このような温度、流量、圧力の作動ガスを用いてコールドスプレー法による被膜形成を行うことにより、セラミック基材表面に、より高い密着強度を有する金属被膜を形成することができる。
【００１４】
上記前処理工程において、粗化処理用粒体と共に金属粒体を噴き付け、基材表面にボンド層を形成するとよい。このようにして基材表面にボンド層を形成し、その上にコールドスプレー法により被膜形成を行うことにより、基材と被膜形成用粒体との組合せが、基材表面の粗化処理だけでは被膜形成が困難な場合であっても、密着強度が良好な被膜を形成することができる。
【００１５】
当該被膜形成方法においては、上記前処理工程及び被膜形成工程を同一の噴射手段を用いて行うとよい。こうすることで、表面の粗化処理から被膜形成までの一連の作業を簡便に行うことができる。また、前処理工程に続けて間断なく被膜形成工程を行うことができるため、前処理工程で被膜形成工程のための予熱を効率的に行うこともでき、より密着強度の高い被膜を形成することができる。
【００１６】
従って、基材と、当該被膜形成方法により基材表面に形成される被膜とを備える複合材は、被膜が高い密着強度を有する。
【００１７】
ここで、「基材表面に被膜を形成する」とは、基材表面に直接被膜を形成する場合のみならず、他の層を介して被膜を形成する場合も含む。「粗化処理用粒体」とは、前処理工程において基材表面に噴き付けて基材表面を粗化処理する粒体をいい、ボンド層を形成する前処理工程においては、金属粒体と共に基材表面に被着してボンド層を形成する粒体をいう。「超音速」とは３５０ｍ／ｓ以上の速度をいう。また、「ボンド層」とは、基材と被膜に挟まれる中間層であって、被膜を形成するための下地となる層をいう。
【発明の効果】
【００１８】
以上説明したように、本発明の被膜形成方法によれば、従来被膜を形成することが困難な、基材と被膜形成用粒体の組合せであっても、良好な密着強度を有する被膜を形成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第1実施形態及び第２実施形態に係る被膜形成方法に用いるコールドスプレー装置のシステム概要図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る被膜形成方法により得られるボンド層及び金属被膜を備える複合材の断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下適宜図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。当該被膜形成方法は、基材表面を加熱する加熱工程と、加熱工程後又は同時に、基材の表面に作動ガスと共に粗化処理用粒体を超音速で噴き付け、基材表面の粗化処理を行う前処理工程と、前処理工程後、基材表面にコールドスプレー法により２００℃以上９００℃以下の作動ガスと共に被膜形成用粒体を噴き付け、基材表面に被膜を形成する被膜形成工程とを有する。
【００２１】
この被膜形成方法は、図１に示すようなコールドスプレー装置を用いて好適に実施できる。このコールドスプレー装置を用いて、加熱工程と、前処理工程と、被膜形成工程とを同一の構成によって行うことができる。
【００２２】
図１のコールドスプレー装置は、作動ガスを加熱するヒーター１と、加熱した作動ガスと共に粒体を超音速で噴出するスプレーガン２と、スプレーガン２から噴出する各種粒体を供給する第１粒体フィーダー３及び第２粒体フィーダー４と、ヒーター１に作動ガスを供給するガスホース７と、粒体フィーダー３、４からスプレーガンに粒体を供給するパウダーホース５、６と、粒体フィーダー３、４に作動ガスを供給するガスライン８、９と、ガスホース７、ガスライン８、９に作動ガスを供給するメインガスライン１０と、メインガスライン１０に作動ガスを供給する圧力ガス供給装置１１と、作動ガスの流量や温度、粒体の移送をコントロールする制御用コンピューター１２と、スプレーガン２を用いて作業を行うスプレーブース１３とを備えている。Ｘは、被膜を形成する基材である。以下に示す二つの実施形態においては、上述する加熱、前処理、被膜形成の各工程が、すべてこの構成によりスプレーガン２から加熱した作動ガスと共に超音速の粒体を噴出することで行われる。
【００２３】
次に、スプレーガン２から作動ガスと共に粒体を噴出する仕組みを詳説する。粒体フィーダー３、４には、予め、基材及び形成する被膜の種類に応じて各種の表面粗化処理用粒体や被膜形成用粒体、後述するボンド層を形成する場合には金属粒体が充填される。作動ガスは、スプレーガン２に内蔵されるヒーター１により加熱される。この作動ガスは、圧力ガス供給装置１１からメインガスライン１０及びガスホース７を通じてヒーター１に供給される。一方、圧力ガス供給装置１１からメインガスライン１０及びガスライン８、９を通じて粒体フィーダー３，４にも作動ガスが供給される。この作動ガスにより粒体がパウダーホース５、６を通じてスプレーガン２に供給される。スプレーガン２に供給された粒体は、スプレーガン２内部で上記作動ガスと合流して加熱され、かつ超音速に加速されて、作動ガスとともにスプレーガン２から噴射される。なおスプレーガン２は、内部に作動ガスを超音速に加速するための狭さく部分を有するが、パウダーホース５、６からスプレーガン２へ供給される粒体は、このノズルの狭さく部分の前後いずれに供給されてもよい。（図１はノズルの狭さく部分の後に粒体を供給する場合を図示している。）
【００２４】
また、このコールドスプレー装置は、各粒体フィーダー３、４からスプレーガン２への粒体の移送及びスプレーガン２による粒体の噴出を制御し、さらに作動ガスの流量や温度の制御をするための制御用コンピューター１２を有している。この制御用コンピューター１２によって、スプレーガン２からの上記粒体の噴出が制御されている。スプレーガン２は、粒体を基材表面に噴き付けながら、基材表面と垂直な方向に走行する。スプレーガン２にはロボット（図示せず）が取り付けられ、スプレーガン２の走行は、このロボットによりコントロールされる。
【００２５】
＜第１実施形態＞
まず、本発明の第１実施形態に係る被膜形成方法について説明する。第１実施形態に係る被膜形成方法は、基材表面を加熱する加熱工程と、加熱工程と同時に基材表面の粗化処理を行う前処理工程と、基材表面に被膜を形成する被膜形成工程とからなる。第１実施形態においては、加熱工程と前処理工程とを同時に行うため、これを第１工程とし、被膜形成工程を第２工程として、以下の説明を行う。
【００２６】
（第１工程）
第１工程は、基材を加熱する加熱工程と、基材の表面に作動ガスと共に粗化処理用粒体を超音速で噴き付け基材表面の粗化処理を行う前処理工程とを、同時に行う工程である。以下、具体的に説明する。
【００２７】
図１に示したコールドスプレー装置において、第1粒体フィーダー３に、粗化処理用粒体（以下「粒体Ａ」ともいう。）を充填する。次にヒーター１で作動ガスを加熱し、上述した手順により粒体Ａと共に超音速に加速してスプレーガン２から噴射させる。スプレーガン２から超音速で噴射した高温の作動ガスと、この作動ガスにより超音速に加速され、かつ加熱された粒体Ａとが、基材Ｘ表面に衝突し基材Ｘの表面を加熱すると同時に粗化処理を行う。
【００２８】
（基材Ｘ）
基材Ｘとして用いる材質は、特に限定されないが、金属、ガラス、セラミック等が挙げられ、ステンレス、鉄、銅、アルミニウム等の金属やアルミナ、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素、ジルコニア等のセラミックが好ましく、その中でもアルミニウム、窒化アルミニウム、アルミナが、特に好ましい。また、基材Ｘとしてセラミックを用いる場合の板厚は、特に限定されないが、０．７ｍｍ以上が好ましく、０．９ｍｍ以上が特に好ましい。板厚の上限は用途に応じて決めることができる。
【００２９】
（表面粗化処理用粒体Ａ）
基材表面の粗化処理に使用する粒体Ａの材質としては特に限定されないが、例えば、金属、ガラス、セラミック等が挙げられ、クロム等の硬質の金属、及びアルミナ、炭化ケイ素、ジルコニア等のセラミックが好ましく、その中でもアルミナが特に好ましい。
【００３０】
粒体Ａの平均粒径は特に限定されないが、４５μｍ以上２００μｍ以下が好ましく、６０μｍ以上１００μｍ以下が特に好ましい。粒体Ａの平均粒径が２００μｍを超えると、基材表面を粗化しすぎるおそれがある。また平均粒径が１００μｍを超えると、基材がセラミックの薄板である場合、基材が割れる場合がある。また、粒体Ａの平均粒径が４５μｍ未満だと基材表面を充分に粗化処理することができないおそれがある。
【００３１】
粒体Ａの供給量は、特に限定されないが、より高い密着強度を有する被膜を形成する観点から、２０ｇ／分以上５０ｇ／分以下が好ましく、３０ｇ／分以上４０ｇ／分以下が特に好ましい。
【００３２】
第１工程における粒体Ａの飛翔速度は特に限定されないが、表面粗化処理を充分に行う観点から、３５０ｍ／ｓ以上４５０ｍ／ｓ以下が好ましい。
【００３３】
（作動ガス）
作動ガス温度は特に限定されないが、５００℃以上９００℃以下が好ましい。作動ガス温度が５００℃未満であると、表面粗化処理が不充分となるおそれがある。また作動ガスを９００℃を超える温度とすることは、基材Ｘの酸化や熱傷を発生するので、好ましくない。ただし、基材Ｘの材質や粒体Ａの材質、平均粒径又は形状により、この範囲以外の温度でも好適に採用できる。
【００３４】
作動ガス流量は特に限定されないが、表面粗化処理を充分に行う観点から、８Ｌ／（分・ｍｍ２）以上３０Ｌ／（分・ｍｍ２）以下が好ましい。薄いセラミック基材を表面粗化処理する場合には、充分に表面粗化処理を行う観点から１０Ｌ／（分・ｍｍ２）以上が好ましく、基材が割れないようにする観点から、２０Ｌ／（分・ｍｍ２）以下が好ましい。
【００３５】
作動ガス圧力は特に限定されないが、表面粗化処理を充分に行う観点から、０．４ＭＰａ以上１ＭＰａ以下が好ましく、薄いセラミック基材を表面粗化処理する場合には充分に表面粗化処理を行う観点から、０．５ＭＰａ以上が好ましく、基材が割れないようにする観点から、０．７ＭＰａ以下が好ましい。
【００３６】
基材の加熱及び表面粗化処理の作動ガスとして用いる気体は、特に限定されないが、例えば、空気、窒素、ヘリウム又はこれらの混合ガスを用いることができ、空気が経済性、操作性に優れるため、特に好ましい。
【００３７】
（スプレーガンと基材との距離）
スプレーガンと基材との距離は特に限定されないが、より密着強度の高い被膜を形成する観点から７ｍｍ以上２０ｍｍ以下が好ましく、１０ｍｍ以上１５ｍｍ以下が特に好ましい。
【００３８】
（スプレーガンスピード）
第１工程におけるスプレーガンの移動スピードは、特に限定されないが、充分な密着強度を有する被膜を形成するために、適切に基材表面の粗化処理を行う観点から、１ｍｍ／ｓ以上１００ｍｍ／ｓ以下が好ましく、２０ｍｍ／ｓ以上４０ｍｍ／ｓ以下が好ましい。
【００３９】
（第２工程）
第２工程は、第１工程後、基材表面にコールドスプレー法により作動ガスと共に被膜形成用粒体Ｂを噴き付け、基材表面に被膜を形成する被膜形成工程である。以下具体的に説明する。
【００４０】
図１に示したコールドスプレー装置において、第２粒体フィーダー４に、被膜形成用粒体（以下、「粒体Ｂ」ともいう。）を充填する。上述した手順によりヒーター１で作動ガスを加熱し、粒体Ｂと共に超音速に加速してスプレーガン２から噴射させる。スプレーガン２から超音速で噴射した高温の作動ガスと、この作動ガスにより超音速に加速され、かつ加熱された粒体Ｂとが、表面の粗化処理を終えた基材Ｘ表面に衝突する。こうして粒体Ｂが基材Ｘの表面に密着して積層し、基材Ｘの表面に被膜を形成する。
【００４１】
第１工程及び第２工程は同一の噴射手段すなわちスプレーガン２を用いて行うとよい。
具体的には、第１工程前に、第２粒体フィーダー４に粒体Ｂを充填しておく。こうすることにより、第１工程の後、連続して第２工程を行うことができるため、第１工程により基材Ｘが適温となった状態で第２工程を行うことができ、第２工程で基材Ｘの予熱を必要とする場合に、効率よく基材Ｘの予熱を行うことができる。
【００４２】
（被膜形成用粒体Ｂ）
被膜形成用粒体Ｂの材質としては、特に限定されないが、例えば、各種金属及び各種セラミックが挙げられ、金属としては、銅、アルミニウム、チタン、金、銀、ニッケル、亜鉛、鉄、タンタル、ニオブ等の純金属；ニッケルクロム合金、ニッケル基超合金、ステンレス鋼、亜鉛合金、アルミニウム合金、銅合金等の合金が挙げられる。セラミック基材と導電性材料との複合材を形成する場合には、銅、アルミニウム、金、銀、ニッケル、亜鉛又はこれらの二種類以上の合金が好ましく、銅、銀、アルミニウム及びこれらの合金が特に好ましい。
また、セラミック粒体としては凝集粒体が好ましく、凝集酸化チタンが特に好ましい。
【００４３】
被膜形成用粒体Ｂの平均粒径は特に限定されないが、被膜形成用粒体Ｂの凝集現象を抑制して、粒体フィーダーからスプレーガン２への粒体Ｂの供給を安定させる観点から、粒体Ｂの平均粒径は、５μｍ以上が好ましく１０μｍ以上が特に好ましい。また、粒体Ｂの基材表面への衝突の衝撃で基材表面が削られることを抑制する観点から、１００μｍ以下が好ましく、６５μｍ以下が特に好ましい。粒体Ｂがセラミックの凝集酸化チタンの場合は、凝集粒体の平均粒径は、５μｍ以上３０μｍ以下が好ましい。
【００４４】
粒体Ｂの供給量は特に限定されないが、５ｇ／分以上９ｇ／分以下が好ましく、６ｇ／分以上８ｇ／分以下が特に好ましい。
【００４５】
第２工程における作動ガス中の粒体Ｂの飛翔速度は、特に限定されないが、基材がセラミックの場合で、粒体Ｂが金属である場合は、４００ｍ／ｓ以上５００ｍ／ｓ以下が好ましい。
【００４６】
（作動ガス）
作動ガス温度は、２００℃以上９００℃以下であることが重要である。作動ガス温度をこの範囲の温度とすることで、良好な密着強度を有する被膜を形成できるという本発明の効果が得られる。基材がセラミックで、粒体Ｂが金属である場合は４００℃以上９００℃以下が好ましく、粒体Ｂが銅の場合は４５０℃以上５５０℃以下が特に好ましい。作動ガスの温度が、４５０℃未満だと、銅被膜の場合は密着強度が低下するおそれがある。作動ガス温度が５５０℃を超えると銅被膜が酸化を起こすおそれがある。特に作動ガス温度が６００℃を超えると銅被膜が酸化して着色するため６００℃以下が好ましい。ただし、基材の材質や、粒体Ｂの材質、平均粒径又は形状によりこの範囲以外の温度でも好適に採用することができる。
【００４７】
作動ガス流量は、特に限定されないが、基材がセラミックの場合で、被膜形成用粒体が金属である場合は８Ｌ／（分・ｍｍ２）以上３０Ｌ／（分・ｍｍ２）以下が好ましく、１０Ｌ／（分・ｍｍ２）以上２０Ｌ／（分・ｍｍ２）以下が特に好ましい。
【００４８】
作動ガス圧力は、特に限定されないが、基材がセラミックで、粒体Ｂが金属である場合は０．４ＭＰａ以上１ＭＰａ以下が好ましく、０．５ＭＰａ以上０．７ＭＰａ以下が特に好ましい。
【００４９】
作動ガスとして用いる気体は、特に限定されないが、例えば、空気、窒素、ヘリウム、又はこれらの混合ガスを用いることができ、空気が経済性、操作性に優れるため、特に好ましい。ただし、形成される金属被膜の酸化を抑制する観点からは、窒素やヘリウム等の不活性ガスが好ましく、スプレーガン２から、より高速で粒体を噴出させる観点からは、ヘリウム及びヘリウムと窒素の混合ガスが好ましい。
【００５０】
（スプレーガンと基材との距離）
第２工程におけるスプレーガンと基材との距離は、特に限定されないが、上記第１工程における距離を好適に用いることができる。
【００５１】
（スプレーガンスピード）
第２工程におけるスプレーガンの移動スピードは、特に限定されないが、充分な密着強度を有する被膜を形成する観点から、１ｍｍ／ｓ以上１２０ｍｍ／ｓ以下が好ましく、４０ｍｍ／ｓ以上８０ｍｍ／ｓ以下が、特に好ましい。
【００５２】
（被膜）
第２工程で形成する被膜の厚さの下限は、特に限定されないが、空隙率を下げる観点からは５μｍ以上が好ましく、１０μｍ以上が特に好ましい。
【００５３】
被膜の密着強度は特に限定されないが、セラミック基材上に形成される金属被膜である場合は、０．１ＭＰａ以上が好ましく、１．０ＭＰａ以上が特に好ましい。
【００５４】
（複合材）
第１実施形態により形成される複合材は、良好な密着強度を有するため、工業製品の材料として好適に用いられる。第１実施形態により形成される複合材は、特に限定されないが、セラミック基材に銅、銀、金又はアルミニウムの被膜を形成したものや、アルミニウム、鉄、ステンレス又は銅の基材に酸化チタンや銅、銀、金、アルミニウム、チタン、タンタル、ニオブ、インコネル、ニッケル系合金又はコバルト系合金の被膜を形成したものが挙げられる。
【００５５】
＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態に係る被膜形成方法について説明する。第２実施形態に係る被膜形成方法は、基材表面を加熱する加熱工程と、加熱工程と同時に、基材表面に粗化処理用粒体と共に金属粒体（以下「粒体Ｃ」ともいう。）を噴き付け、この基材表面に粗化処理を施すと共に、図２に示すようなボンド層を形成する前処理工程と、このボンド層表面に被膜を形成する被膜形成工程とを有する。具体的には、第２実施形態においては、加熱工程と前処理工程を同時に行うため、これを第１工程とし、被膜形成工程を第２工程として以下説明を行う。
【００５６】
ここでボンド層Ｙとは、図２の複合材において、基材Ｘと被膜Ｚとに挟まれる中間層であり、基材Ｘに対する被膜の密着性をより高めるために形成されるものである。第２実施形態における第１工程では、表面粗化処理用粒体Ａは、基材表面の加熱及び粗化処理を行うと共に基材Ｘ表面に密着して積層する。すなわち、ボンド層Ｙは、粒体Ａと金属粒体Ｃとが共に基材に積層することで形成される。
【００５７】
（第１工程）
第２実施形態における第１工程は、基材を加熱する加熱工程と、基材の表面に作動ガスと共に粒体Ａ及び粒体Ｃを超音速で噴き付けて基材表面にボンド層を形成する前処理工程とを同時に行う工程である。以下具体的に説明する。
【００５８】
図１のコールドスプレー装置において、第１粒体フィーダー３に粒体Ａ及び粒体Ｃを混合して充填し、第２粒体フィーダー４に粒体Ｂを充填する。上述した手順によりヒーター１で作動ガスを加熱し、粒体Ａ及び粒体Ｃと共に超音速に加速してスプレーガン２から噴射させる。スプレーガン２から超音速で噴射した高温の作動ガスと、この作動ガスにより超音速に加速され、かつ加熱された粒体Ａ及び粒体Ｃとが、基材Ｘ表面に衝突する。こうして粒体Ａと粒体Ｃとが基材Ｘの表面に密着して積層し、基材Ｘの表面にボンド層を形成する。
【００５９】
このボンド層形成用の粒体Ａと粒体Ｃとを混合する方法は、特に限定されないが、上記のように粒体フィーダー３、４に充填する前に混合してもよいし、第１粒体フィーダー３に粒体Ａ及び粒体Ｃのうち一の粒体を充填し、第２粒体フィーダー４に他の粒体を充填しておいて、これらを別々にスプレーガン２に供給してスプレーガン２内部で混合することもできる。このように、粒体Ａ及び粒体Ｃを別々にスプレーガン２に供給することで、より簡便に粒体の混合を行うことができる。
【００６０】
（基材Ｘ）
第２実施形態で用いる基材Ｘは、第１実施形態で例示した基材Ｘを好適に用いることができる。
【００６１】
（粒体Ａ）
第１工程のボンド層を形成する粒体Ａの材質としては、特に限定されないが、第１実施形態における粒体Ａを好適に用いることができる。金属ではクロムが好ましく、セラミックでは、アルミナ、炭化ケイ素、ジルコニア等が好ましく、充分な表面粗化処理を行う観点及び入手の容易さや経済性の観点からアルミナが特に好ましい。
【００６２】
粒体Ａの平均粒径は特に限定されないが、１５μｍ以上６５μｍ以下が好ましい。平均粒径が１５μｍ未満だと、充分に基材表面を粗化処理できず、ボンド層を形成できないおそれがあり、平均粒径が６５μｍを超えると、基材表面への衝突の衝撃で基材表面や新しく形成されたボンド層を削るおそれがある。また、基材がセラミックの薄板である場合、粒体Ａの平均粒径は１５μｍ以上５０μｍ以下が好ましい。その平均粒径が５０μｍを超えると、セラミック基材が割れるおそれがある。
【００６３】
（金属粒体Ｃ）
第１工程に用いる金属粒体Ｃの材質としては特に限定されないが、銅、アルミニウム、銀、ニッケル又はボンド層の表面に形成される被膜に用いる金属粒子と同じ金属が好ましい。
【００６４】
粒体Ｃの平均粒径は特に限定されないが、１０μｍ以上６５μｍ以下が好ましく、１５μｍ以上５０μｍ以下が特に好ましい。１０μｍ未満では粒体Ｃが凝集現象を起こし粒体フィーダーからの供給が難しくなるおそれがあり、また６５μｍを超えるとが粒体Ｃが基材表面への衝突の衝撃で基材表面や新しく形成されたボンド層を削るおそれがある。
【００６５】
ボンド層を形成する粒体Ａ及び粒体Ｃの合計供給量は特に限定されず、６ｇ／分以上１０ｇ／分以下が好ましく、７ｇ／分以上９ｇ／分以下が特に好ましい。
【００６６】
ボンド層を形成する際の作動ガス中の粒体Ａ及び粒体Ｃの飛翔速度は、特に限定されないが、３５０ｍ／ｓ以上４００ｍ／ｓ以下が好ましい。
【００６７】
（作動ガス）
第１工程における作動ガス温度は特に限定されないが、基材Ｘがセラミックである場合は、４００℃以上５５０℃以下が好ましい。４００℃未満だと、セラミックとの間に充分な密着強度を有するボンド層を形成することが困難となるおそれがある。また作動ガス温度が５５０℃を超えると、ボンド層を形成する金属の酸化が顕著になる場合がある。粒体Ｃが銅の場合、作動ガス温度が６００℃以上になるとボンド層被膜が酸化してコーヒー色になる。ただし、基材Ｘの材質や粒体Ｃの材質、平均粒径又は形状により、この範囲以外の温度を好適に採用することができる。
【００６８】
作動ガスとして用いる気体は、特に限定されないが、例えば、空気、窒素、ヘリウム、又はこれらの混合ガスを用いることができ、空気が経済性、操作性に優れるため、特に好ましい。ただし、形成されるボンド層中の金属の酸化を抑制する観点からは、窒素やヘリウム等の不活性ガスが好ましく、スプレーガン２から、より高速で粒体を噴出させる観点からは、ヘリウム及びヘリウムと窒素の混合ガスが好ましい。
【００６９】
（スプレーガンと基材との距離）
スプレーガン２と基材Ｘとの距離は、特に限定されず、第１実施形態の第１工程におけるスプレーガンと基材との距離を、好適に用いることができる。
【００７０】
（スプレーガンスピード）
第１工程におけるスプレーガンの移動スピードは、特に限定されないが、充分な密着強度を有する被膜を形成するために適切なボンド層を形成する観点から、５ｍｍ／ｓ以上１００ｍｍ／ｓ以下が好ましく、２０ｍｍ／ｓ以上５０ｍｍ／ｓ以下が特に好ましい。
【００７１】
このボンド層Ｙ全体の体積に対する粒体Ａの体積比は特に限定されないが、基材Ｘ及び被膜Ｚとの密着強度を高める観点及び被膜形成後の粒体Ａの流出を防止する観点から、５０％以下が好ましく、３０％以下が特に好ましい。粒体Ａは粒体Ｃに比べ、噴射した粒体がボンド層に残留しにくいので、基材Ｘに噴射する粒体Ａの体積の、噴射する粒体全体（粒体Ａと粒体Ｃとの体積の合計）に対する割合は、４０％以上５０％以下が好ましい。
【００７２】
（第２工程）
第１工程でボンド層を形成した基材Ｘに被膜を形成する第２工程においては、作動ガス温度は２００℃以上９００℃以下である。それ以外の条件としては、第１実施形態の第２工程における各種条件を好適に採用することができる。
【００７３】
（粒体Ｂ）
第２工程で使用する粒体Ｂの材質としては、特に限定されず、第１実施形態の第２工程で用いる粒体Ｂにおいて例示したものを用いることができる。その中でも、金属粒体を好適に用いることができ、ボンド層形成に用いた金属粒体Ｃと同じ金属が特に好ましい。
【００７４】
また、第２工程で使用する粒体Ｂの平均粒径としては、第１実施形態の第２工程における粒体Ｂの平均粒径を好適に用いることができる。
【実施例】
【００７５】
以下に実施例を示し、本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。実施例及びその比較例として得られた被膜は、下記の各試験を以下の手順で行い評価をした。
【００７６】
＜評価方法＞
（テープ剥離試験）
セロハンテープを基材上に形成した被膜面に貼付して剥がし、被膜が剥がれないかを目視で確認した。剥がれが全くないものを「○」とし、わずかでも剥がれがあるものを「×」とした。
【００７７】
（密着強度試験）
基材上に形成した直径２５ｍｍの被膜面に、直径２５ｍｍの鉄製丸棒の断面をエポキシ系接着剤にて貼り付けて試験片を作成した。底部中央に直径２８ｍｍの貫通孔が設けられた内寸６５ｍｍ×６５ｍｍ×７０ｍｍの升状の治具を用い、試験片の丸棒部分を下向きにしてこの治具の内側から治具底部の貫通孔に挿通し、基材の丸棒側の表面が治具の底部内面に当接するよう、試験片をセットした。引っ張り試験機（インストロン社製「５５８３型」）を用い、この治具を介して被膜面に接着させた丸棒を下向きに引いて被膜が剥がれる強度を測定し、この強度を密着強度とした。
（目視試験）
形成されたボンド層及び被膜を目視により観察し、酸化の程度を調べた。コーヒー色となったものを「×」、コーヒー色ではないが、変色しているものを「△」、変色が認められないもの「○」をとした。
【００７８】
＜被膜形成１＞
表面粗化処理時の作動ガス温度と被膜の密着強度との関係、及び表面粗化処理用粒体の平均粒径と被膜の密着強度との関係を調べるため、上記実施形態１に示した方法に従って被膜を形成し、実施例１〜９及び比較例１〜３の複合材を得て、テープ剥離試験及び密着強度試験を行い評価した。
【００７９】
（実施例１）
基材上に円形の開口を有するマスキングをして、以下の条件により直径２５ｍｍの円形状の金属被膜を形成した。なお、作動ガスの温度はスプレーガン出口に設置された熱電対により測定されるものである。
〔実施条件〕
・基材材質：アルミニウム（Ａ５０５１）
・基材寸法：５０ｍｍ×５０ｍｍ×５ｍｍ
〈表面粗化処理条件〉
・表面粗化処理用粒体：アルミナ（粒度；＃２２０）
・作動ガス：空気
・作動ガス温度：５８０℃
・作動ガス流量：１６．７Ｌ／（分・ｍｍ２）
・作動ガス圧力：０．６３ＭＰａ
・スプレーガンスピード：３０ｍｍ／ｓ
・スプレーガンと基材との距離：１０ｍｍ
・粒体供給量：３５ｇ／分
〈被膜形成条件〉
・被膜形成用粒体：銅粉末  （平均粒子径；４０μｍ）
・作動ガス：空気
・作動ガス温度：５５０℃
・作動ガス流量：１６．７Ｌ／（分・ｍｍ２）
・作動ガス圧力：０．６０ＭＰａ
・スプレーガンスピード：６０ｍｍ／ｓ
・スプレーガンと基材の距離：１０ｍｍ
・粒体供給量：７ｇ／分
【００８０】
（実施例２〜９及び比較例１〜３）
基材材質、表面粗化処理に用いた方法、表面粗化処理時の作動ガス温度、表面粗化処理用アルミナの粒度を表１及び表２の記載の通りとした以外は、実施例１と同様にして基材上に金属被膜を形成し、実施例２〜９及び比較例１〜３の複合材を得、上記試験を行い評価した。ただし、ショットブラストで表面粗化処理を行った際のガス圧力は０．６ＭＰａである。またアルミナ基材は５０ｍｍ×５０ｍｍ×１．２ｍｍのものを用いた。実施条件及び得られた被膜の評価結果を表１及び表２に示す。
【００８１】
【表１】
0004677050.tif 000002
【表２】
0004677050.tif 000003
【００８２】
表１及び表２の結果から明らかなように、実施例１〜９で得られた被膜はいずれも良好な密着強度を有していることが分かる。コールドスプレー装置のスプレーガンを用いて表面粗化処理を行った場合、作動ガスを高温にして表面粗化処理を行った方が、常温で表面粗化処理を行った場合より、金属被膜の密着強度が高まることが分かった。また表２の結果から明らかなように、薄いセラミック基材の場合は、ショットブラストを用いて、粒度の粗い表面粗化処理用粒体により表面粗化処理を行うと、基材が割れてしまうことが分かった。
【００８３】
＜被膜形成２＞
（実施例１０〜１５）
被膜形成時作動ガス温度と、被膜の密着強度との関係を調べるため、表３に示す実施条件とした以外は、実施例８と同様にして被膜を形成し、実施例１０〜１５の複合材を得、テープ剥離試験、密着強度試験及び被膜の目視試験を行い評価した。実施条件及び得られた被膜の評価結果を表３に示す。
【００８４】
【表３】
0004677050.tif 000004
【００８５】
表３の結果から明らかなように、セラミック基材に金属被膜を形成する場合は、被膜形成時作動ガス温度が４００℃以上、より好ましくは４５０℃以上とすることによりさらに高い密着強度を得ることができることが分かった。また、銅被膜の場合５５０℃を超えると酸化が顕著となり、６００℃を超えるとその色が大きく変わることが分かった。
【００８６】
＜被膜形成３＞
（実施例１６〜１９）
被膜形成時作動ガス圧力及び被膜形成時作動ガス流量と、被膜の密着強度との関係を調べるため、表４に示す実施条件とした以外は、実施例８と同様にして被膜を形成し、実施例１６〜１９の複合材を得、テープ剥離試験及び密着強度試験を実施して評価した。評価結果を表４に示す。
【００８７】
【表４】
0004677050.tif 000005
【００８８】
表４の結果から明らかなように、セラミック基材に金属被膜を形成する場合は、被膜形成時作動ガス圧を０．４ＭＰａ以上、スプレーガン出口におけるガス流量を８Ｌ／（分・ｍｍ２）以上とすることにより、良好な密着強度を有する被膜を形成できることが分かった。また、セラミック基材に金属被膜を形成する場合、被膜形成時作動ガス圧を０．５ＭＰａ以上とすることにより、より高い密着強度が得られることが分かった。さらに、薄いセラミック基材の場合においては、被膜形成時作動ガス圧を０．７ＭＰａ以下とし、スプレーガン出口におけるガス流量を２０Ｌ／（分・ｍｍ２）以下とすることによって基材が割れないようできることが分かった。
【００８９】
＜被膜形成４＞
基材上にまずボンド層を形成してから被膜を形成する場合において、ボンド層形成時の作動ガス温度と、被膜の密着強度との関係を調べるため、以下のような条件で金属被膜を形成し、実施例２０〜２４の複合材を得、テープ剥離試験、密着強度試験及びボンド層の目視試験を実施して評価した。
【００９０】
（実施例２０）
上記第２実施形態に示した方法に従って、以下の条件で実施した。金属被膜を形成する基材中央部分を、直径２５ｍｍの円形状に残し、他の部分をマスキングしてボンド層形成及び金属被膜形成を行った。
〔実施条件〕
・基材材質：アルミナ
・基材寸法：５０ｍｍ×５０ｍｍ×１．２ｍｍ
〈ボンド層形成条件〉
・表面粗化処理用粒体：アルミナ（粒度；＃２２０）
・金属粒体：銅粉末（平均粒子径；４０μｍ）
・作動ガス：空気
・作動ガス温度：４００℃
・作動ガス流量：１６．７Ｌ／（分・ｍｍ２）
・作動ガス圧力：０．６０ＭＰａ
・スプレーガンスピード：６０ｍｍ／ｓ
・スプレーガンと基材の距離：１０ｍｍ
・粒体供給量：８ｇ／分
〈被膜形成条件〉
・被膜形成用粒体：銅粉末（平均粒子径；４０μｍ）
・作動ガス：空気
・作動ガス温度：５００℃
・作動ガス流量：１６．７Ｌ／（分・ｍｍ２）
・作動ガス圧力：０．６０ＭＰａ
・スプレーガンスピード：６０ｍｍ／ｓ
・スプレーガンと基材の距離：１０ｍｍ
・粒体供給量：７ｇ／分
【００９１】
（実施例２１〜実施例２４）
ボンド層形成時作動ガス温度を表５の記載の通りとした他は、実施例２０と同様にして金属被膜の形成を行った。結果を表５に示す。
【００９２】
【表５】
0004677050.tif 000006
【００９３】
表５の結果から明らかなように、セラミック基材にボンド層を形成した上で、金属被膜を形成する場合、ボンド層形成時作動ガス温度を４００℃以上５５０℃以下とすると、高い密着強度を得られることが分かった。また、ボンド層形成時作動ガス温度を、５５０℃以下とすると、ボンド層を形成する金属被膜の酸化を抑制することができ、６００℃以下とすると銅がコーヒー色になることを抑制できることが分かった。
【００９４】
なお、本発明の被膜形成方法は、上記第１、第２実施形態に限定されるものではない。例えば、加熱工程後に前処理工程を行うことで、前処理工程の開始から基材を高温状態にすることができ、基材表面の粗化処理を効率よく行うことができる。また、加熱工程を赤外線ヒーターや電熱ヒーター等の加熱装置により直接基材を加熱することにより行うこともできる。前処理工程における表面粗化処理をショットブラスト等の装置を用いて行うことも可能である。また、レーザー装置により加熱を行いながら前処理工程の表面粗化処理を行うこともできる。また、加熱工程と前処理工程の表面粗化処理をレーザー装置によって行うこともできる。
【産業上の利用可能性】
【００９５】
本発明の被膜形成方法によれば、上述のように表面粗化処理が従来困難であった基材にも表面粗化処理を行うことができるので、各種分野における複合材をコールドスプレー法で製造する場合に好適に用いることができる。
【符号の説明】
【００９６】
１  ヒーター
２  スプレーガン  
３  第１粒体フィーダー
４  第２粒体フィーダー
５  パウダーホース
６  パウダーホース  
７  ガスホース  
８  ガスライン  
９  ガスライン
１０  メインガスライン
１１  圧力ガス供給装置
１２  制御用コンピューター
１３  スプレーブース
Ｘ  基材
Ｙ  ボンド層
Ｚ  被膜
【要約】      （修正有）【課題】従来コールドスプレー法による被膜形成が困難であった、基材と被膜形成用の粒体の組合せであっても、良好な密着強度を有する被膜の形成を可能にするコールドスプレー法による被膜形成方法及びその方法により得られる複合材の提供。【解決手段】基材Ｘ表面にコールドスプレー法により被膜を形成する被膜形成方法であって、基材表面を加熱する加熱工程と、加熱工程後又は同時に基材の表面に作動ガスと共に粗化処理用粒体を超音速で噴き付け、基材表面の粗化処理を行う前処理工程と、前処理工程後、基材表面にコールドスプレー法により２００℃以上９００℃以下の作動ガスと共に被膜形成用粒体を噴き付け、基材表面に被膜を形成する被膜形成工程とを有することを特徴とする。【選択図】図１【図１】
0004677050.tif 000007
【図２】
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