溶射技術白書

溶射技術白書＊ASM インターナショナル溶射部会
日本語訳監修 : 日本溶射学会国際交流委員会＊＊

Thermal Spray Technology White Paper（Japanese Translation）

Thermal Spray Society, Affiliate of ASM International
Editorial Supervision for Japanese Translation: International Exchange Committee,
Japan Thermal Spray Society

MissionThis document is to better educate government, industry and academia as to the benefits of Thermal Spray Technology.
Critical aspects of this document are to highlight the importance of education, training and internships of students, research inapplied science/ engineering/ fundamental science and in collaboration efforts between academia, government and universities
to advance technology from theory to practice. It is anticipated that greater understanding and appreciation of the value ofthermal spray for improved sustainability will lead to government and public funding for additional growth.

酸化物，金属 / セラミック混合物 *1，カーバイド（炭化物），ミッション

線材，棒材，そして様々な複合材料を多様な基板材料に堆積

この白書は，政府，産業界，アカデミアが溶射技術の利点させることで，特殊なコーティング微細組織やニアネットシェを理解する一助となるよう意図したものである．特に，学生イプ部材の形成が可能である．溶射コーティングによって，の教育，訓練，及び，インターンシップ，応用科学 / 工学 / 基

基材・部材の保護もしくは特性改質のための機能性表面が供

礎科学における研究，そして，技術を理論から実践へと進めされる．世界中の数多くの産業において，多くの必須アプリるための産学官連携の重要性を強調することに力点を置いた．

ケーションに溶射技術が利用されている 2）．主要なアプリケー

溶射の持続的発展に寄与する価値が正しく理解，評価されるション機能として，修復・補修，防食やアブレシブ，エロージョ

ことで，さらなる成長に向けた国や公的資金につながること

ン，そして，スカッフィングなど各種耐摩耗，断熱または熱を期待する．

伝導，酸化および高温腐食防止，電気伝導または絶縁，ニアネッ
トシェイプ加工，封止，放射率設計，快削性コーティング，装飾用途などが挙げられる．

溶射技術の価値

溶射プロセスは，施工が容易で，作業コストが比較的低く，溶射技術は，省エネルギー，環境改善，生活環境の快適性ほぼ全ての産業アプリケーションにおいて有益である．このの実現と資源の節約により，人びとの生活を支える助けにな

環境に優しいプロセスによって，低コスト化，工学的性能のる．

向上や部材の長寿命化が見込まれる（図 1）．

溶射とは何か？

溶射のメカニズム

溶射は，エンジニアリング部材の表面処理及び表面再処理

図 2a および 2b に，特に熱・エネルギー源および溶射材料のための確立された産業技術である 1, 2）．金属，合金，金属の観点から整理した溶射プロセスの要件を示す 2）．材料を溶＊ 本溶射技術白書は，ASM インターナショナル溶射部会によって作成された原文を和文に翻訳したものを日本溶射学会国際交流委員会において監修，一部注釈を加えたものである．全ての内容はオープンソースで，溶射関係者は，図表を含め無料で使うことが可能で，どのような形式にも使用・改変して構わない．
＊＊ This thermal spray technology white paper was originally translated into Japanese by Thermal Spray Society/ASM International,followed by correction and annotation by the International Exchange Committee of the Japan Thermal Spray Society. For use byanyone in the community without charge. All content is open source, and can be used or revised for any format.
＊1一部は，サーメットと呼ばれる．
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ASM インターナショナル溶射部会

図 3 溶射プロセスの種類（HVOF：酸素支燃型高速フレーム溶射，HVLF：液体燃料高速フレーム溶射，HVAF：空気支燃型高速フレーム溶射，APS：大気圧プラズマ溶射，LPPS/LVPS：低圧プラズマ溶射 / 低真空プラズマ溶射，CAPS:
Controlled Atmospheric Plasma Spray（雰囲気制御プラズマ溶射）

図 1 性能向上，部品の長寿命化，メンテナンスの軽減につながる溶射技術のメリット

図 2a 溶射における熱・エネルギー源の要件

図 4a 溶射プロセスにおける粒子温度と粒子速度の関係

図 2b 溶射皮膜形成の原理

射ガン又はトーチに投入するため，また材料の溶融に必要な熱を発生させるために，ガス（時には空気と共に）が必要となる．溶射プロセスでは高速度のガスにより溶射材を微小な溶融粒子として加速し，基材に衝突，凝固，付着させる．密着のメカニズムは主に機械的なものであるが，冶金的結合によ

図 4b 異なる材料系における粒子温度と粒子速度の関係

る場合もある．こうして，各層は下の層に頑丈に接着し，“パンケーキのような *2” 積み重なったスプラット構造を形成する．よって，コーティング特性は，溶融粒子の運動エネルギー

図 3 の内５つのプロセスが商業的に利用されており，残りと熱エネルギーに強く依存することになる．

１つの新プロセスはまだ開発段階である．フレーム溶射法（粉図 3 に現在実際に用いられている各溶射法を示す．また，

末 / ワイヤー），爆発溶射法，高速フレーム溶射（HVOF）の 3

図 4a と 4b には，各溶射法，および溶射材料における粒子温プロセスは，燃焼を利用した手法である．残りの２プロセス，度と速度についてそれぞれ示した．なお，追補 1 には *3，各プラズマ溶射法とアーク溶射法は，溶射材料の溶融に電気エ溶射プロセスについてより詳細な情報を記載してある．

ネルギーを用いている．これら５つの溶射法の中のうち，*2
pancake に対する訳語．日本語ではホットケーキと訳されてきたが，近年では，パンケーキという用語も定着し，厚みのあるものをホットケーキ，薄いものをパンケーキと呼ぶことが慣例となってきたことから，薄い溶射スプラットに対応してパンケーキの表現を採用した．

*3
ASM International の Thermal Spray White Paper のウェブページ（https://www.asminternational.org/web/tss/technical/white-paper）にて原文や追補（Addenda）について確認できる．

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溶射

Vol.58，No.4

溶射技術白書

HVOF と爆発溶射法は高い付着強度を示し，非常に緻密な微電子機器と半導体，バイオメディカル，ランディングギア（溶細構造を有するコーティングが得られる．減圧プラズマ溶射

射による硬質クロムめっきの代替品），主要な金属／鉄鋼，紙，法（LPPS）や真空プラズマ溶射法（VPS）など *4 によるプラズ

印刷，原子力，石油化学，繊維産業における例から，溶射がマ溶射コーティングにおいても，比較的高密度で酸化物を含社会にもたらす価値や恩恵について言及している．追補２は，まないコーティングが得られる．
「コールドスプレー」は熱エ

このハンドブックで強調された多数の適用例を要約したもの

ネルギーを抑え，高速で高い運動エネルギーを利用する新しである．溶射とその市場の成長に深く関わる適用例をいくついプロセスである．実際には，いわゆる成膜中に粒子が溶融か下記にまとめる．

しない，固相状態での製膜プロセスである．HVOF に比べて，a. 航空宇宙及び産業用ガスタービン 6, 7）：航空宇宙及び産業

粒子温度は低いが速度は高く，そのためコーティング構造は用ガスタービン市場は，溶射技術とその信頼性が高まるに非常に緻密なバルク鍛造材に近いものとなる．

つれて拡大し続けると考えられる．重要な成長分野は，最図 4b は，様々な溶射材料において粒子速度と温度の関係を先端断熱材（熱遮蔽），耐摩耗性コーティング，クリアラ概観したものである．本図は，各溶射プロセスと材料の組みンス制御コーティング，耐酸化・耐高温腐食合金材料であ合わせにおいて溶射パラメータの最適化を図る上で重要な知る．これらのコーティングの長所は，エンジン効率向上に見を与えてくれる．例えば，高融点で低熱伝導率を示す金属つながるより高温での運転，省エネ運転，温室効果ガス削酸化物セラミックス材料には，適切な性能と製造コストの観減につながる二酸化炭素排出量の低減，メンテナンス回数の削減による材料廃棄物削減にある．

点から，一般にエンタルピーが高く粒子温度は高くなるが粒

b. エネルギー・代替エネルギー 6, 7）：世界の人口が 70 億人か

子速度は低い熱源が要求される．対して，炭化物サーメット
では真逆のパラメータ，すなわち低い粒子温度と高い粒子速ら増え続けている現在 *5，先進国と同様に新興国でも，エ度が要求される．その結果，脱炭を抑えて脆性相の形成を抑ネルギー問題への新たな改善への解決策が必要とされてい制し，耐摩耗性の最適化が可能となる．
図4bに見られるように，る．既存の化石燃料である石炭・ガス，石油に加え，水力

他の材料は金属酸化物セラミックスと炭化物サーメットの中発電，風力，燃料電池，バイオ燃料，バイオマス，太陽光間に位置している．

発電は，再生可能エネルギーにおいて溶射技術が役に立つ
いくつかの事例である．タービンメーカーと電力会社は，これらのエネルギー源に関心を寄せており，コストが見合市場規模と成長分野

うものについては，複合システム化を開始している．

溶射の市場規模は推定 65 億ドルである 3）．重要な市場セグ：医療技術が人の寿命を延ばすにつれ，
c. バイオメディカル 6）

メントは，航空宇宙，及び，発電用ガスタービン産業である．

医療用インプラントはますます一般的となり，溶射技術は収益の 60％はこれらの産業に関わるものと推定される 4）．溶

大きな役割を担うことが予想される．その一つに，骨や生射装置及び材料サプライヤが市場の約20％を占め，残りはジョ体組織が成長する不活性表面の形成が挙げられる . 溶射皮

ブショップと仕上げ加工業者である．歴史的に見ると，溶射膜は膝や腰のインプラントの進歩にひと役買っている .

技術が特に盛んな地域は北米と欧州であった．しかしながら

d. 自動車 6）：政府が車の燃費に関して新しい環境規制を設け近年の動向として，アジアと南米での市場成長率が高い．例

ることにより，自動車メーカーは，車両重量を減らしエン

えば，中国では毎年多くの専門的技術者を養成・輩出し，まジン効率を改善する代替策の探索を余儀なくされている．

た国全体としても大きな経済発展を遂げているため，大きな成長領域の一つは，アルミ製エンジンブロックのシリンダ市場成長を見せている．航空宇宙のような従来市場において内径コーティングである．アルミ製エンジンブロックによも成長しているが，代替エネルギー分野，半導体・電子機器，り車両重量が軽減され，コーティングに気孔があることか鉄鋼，紙・パルプにおいても，更なる成長が見込まれている 5）．

らシリンダとピストンリング間の摩擦低減に役立ってい

溶射技術の価値 :一般的なアプリケーションの成功例

e. 付加製造（コールドスプレー応用）6, 8）：従来溶射プロセス

る．の改良に加え，コールドスプレーにおいても成長が見られる．これは重要で高価な部品の再生や補修用途での成長で省エネに寄与し，環境改善に役立ち，生活環境をサポートし，ある．米軍は重要部材向けに仕様書を整え，実装してきて廃棄物削減によって我々の生活を持続可能にしている溶射技いる．研究されている重要な材料としては，アルミニウム，術の数例を以下に示す．ASM ハンドブック 5A 巻：溶射技術

亜鉛 - アルミニウム，アルミニウム−マグネシウム，銅，ハンドブックにおいて成功例をさらに確認することができチタン，NiFeCr など各種合金がある．コールドスプレーる 6）．このハンドブックでは，タービン関連，海洋性及び大において成長の可能性がある分野は，材料開発と材料製造

気腐食関連，再生可能エネルギー，オイルサンド，自動車，工程である．

*4
原文に倣ったが，LPPS，VPS，また図 3a 中の VLPS は，いずれも商品商標にもなっているため，国内では，LPSと略されることも多い．
*5
2016 年時点

2021年 10月

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ASM インターナショナル溶射部会
f. 環境衛生と安全 6, 9）：溶射は，環境に優しく，持続可能なSprayers（GTS））：www.gts-ev.de

技術であることが示されてきた．現在，航空機のランディd ）欧州溶射協会（European Thermal Spray Association

ングギアや産業用油圧ロッドにおいて，HVOF 溶射した炭（ETSA））：www.etsa-thermal-spray.org

化物系皮膜が硬質クロムめっきの代替として使用されていe ）国 際 溶 射 工 業 会（International Thermal Sprayる．このように環境に配慮し，持続可能な製造プロセスでAssociation（ITSA））：www.thermalspray.org

あることは，市場の成長を支える上で望ましいものである．

f ）日本溶射学会（Japan Thermal Spray Society（JTSS））：

溶射技術の応用と技術の成長に向けた産官学の取り組みg ）中 国 表 面 工 学 協 会 溶 射 委 員 会（Thermal Spraying

追補 3 の「溶射技術のリソースとリンク」には，主要な専h ）中 国 溶 射 協 会（Chinese Thermal Spray Associationwww.jtss.or.jp
Committee of China Surface Engineering Association（TSCC））：www.chinatheramlspray.org

門的業界団体，研究機関，国際会議，環境・健康・安全（EH&S），（CTSA））：www.chinaspraying.com

および溶射産業に関わる実務的な文書が紹介されている．こi ） 韓 国 溶 射 協 会（Korea Thermal Spray Associationの追補の要点は以下のとおりである．

（KTSA））：www.thermalspray.or.kr

1. 専門的な業界団体 *6：ASM インターナショナル溶射部会j ）溶射・表面工学工業会（Thermal Spraying and Surface（TSS）, ドイツ溶接協会（DVS）, 日本溶射学会（JTSS）, 欧州

Engineering Association（TSSEA））：www.tssea.org

溶射協会（ETSA）, 中国表面技術協会溶射委員会（TSCC）,k ）アジア溶射学会（Asian Thermal Spray Society（ATSC））：

日本溶射工業会（JTSA）, 韓国溶射協会（KTSA）, 国際溶射

ウェブページアップデート中．日本溶射学会を通じてコン工業会（ITSA）, ドイツ溶射工業会（GTS）を始めとして，そタクト可能）の他多数の協会と学会が溶射技術の拡大，技術の改善，産業の促進に貢献している．この目的のために，ASM 関連団体で2. 業界がサポートする研究，トレーニング，アプリケーショある TSSとDVS が主催する国際溶射会議（ITSC）をはじめとン開発：最も重要な目的は，市場への技術移転を促進するたした国際会議や専門学会が毎年開催されている．ITSC は，アめに，研究と商用化のギャップを埋めることである．第 2 のジア，欧州，北米で毎年順番に開催される．さらに，TSS は

目的は，実際の問題に対する技術的な解決策を実証すること

論文誌「Journal of Thermal Spray Technology」と溶射技術である．第 3 の目的は，各種産業における学生の教育とトレーハンドブックを発行している．これらの刊行物と ITSC などのニングである．世界には様々なレベルで支援があるため，各国際会議や不定期に開催される小規模イベントは，新技術や国の産業支援プログラムの詳細については，上記ウェブサイアプリケーションの成長と促進に役立っている．

トや追補 3 といった様々な専門的業界団体に関する情報を確

日本，中国，韓国，インド，シンガポールなどの国を結ぶ認することを推奨する．

アジア溶射会議（ATSC）など，アジアの他の組織も会議を推3. 政府出資の組織 / 産業 *7：追補 3 では，溶射技術の発展を進している．
欧州溶射協会，中国溶射協会，日本溶射学会，韓国溶射協支える多くの研究機関を紹介している．溶射が重要な表面工会は，それぞれ独自の活動やイベントを主催している．また，学として世界的に実際に認知されていることを強調するため

ドイツ溶射工業会（GTS），国際溶射工業会（ITSA），日本溶に，世界のいくつかの主要な研究機関を以下に示す．また，

射工業会（JTSA）などの業界団体も独自のイベントを開催し，溶射の研究を行っている学術・研究機関の詳細なリストは，
http://tss.asminternational.org/portal/site/tss/ で参照可能で市場の成長を支えている．

ある *8．
世界の主要な専門的業界団体は，以下のウェブサイトで確a） カナダ国立研究所（National Research Council of Canada

認できる．

（NRC））：www.nrc.gc.caa ）ASM イ ン タ ー ナ シ ョ ナ ル 溶 射 部 会（Thermal Sprayb） 国立研究開発法人物質・材料研究機構（National InstituteSociety（TSS））：www.asminternational.org/tss

for Materials Science（NIMS））: www.nims.go.jpb ）ドイツ溶接協会（The German Welding Society（DVS））：c） ユーリッヒ研究所（Forschungszentrum Julich GmbH,www.dvs-ev.de/en

IEK-1, Germany）：www.fz-juelich.dec ）ド イツ 溶 射 工 業 会（German Association of Thermal*6
英語版においても団体名に表記の揺らぎが見られたため，各言語版，また，該当ウェブサイトを参照することにより表記の統一に努めた．

和訳にあたり，各団体の構成をウェブサイト等で確認し，学術主体の団体を学会，学術・産業共同体を協会，学協会の関連団体を部会，業界団体を工業会とした．ウェブサイトは 2021 年 10 月1日現在アクセス可能なものにアップデートした．また，重複箇所は削除した．
*7
リストは，一部加筆修正．
*8
日本国内の大学，公的研究機関などの関連団体は日本溶射学会のリンクページにおいて確認することが可能である（http://www.jtss.
or.jp/link.htm）．

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溶射Vol.58，No.4

溶射技術白書d ）NASA グ レ ン 研 究 セ ン タ ー（NASA Glenn Research

重要な研究分野Center）：www.nasa.gov/centers/glenn/e ）韓 国 科 学 技 術 院（Korea Institute of Science and五大陸にあるこれらの研究機関や大学の多くは，溶射技術

Technology（KIST））：https://eng.kist.re.kr/kist_eng/

によって人々の生活を向上させる新たな方法を模索している．

main

主な研究分野には，プロセスの信頼性及び堅牢性の向上，材f ）BGRIMM 技 術 グ ル ー プ（Beijing General Research

料と装置技術の拡大，エネルギーと輸送分野での適用推進な

Institute of Mining and Metallurgy（BGRIMM））：

どがあるが，これに限定されるものではない．液相前駆体やhttp://english.bgrimm.com/

サスペンション溶射，コールドスプレー，および診断とモデ
リングは革新的な研究分野の例である．溶射工学・技術の発g ）粉末冶金新材料国際先端研究センター（International
Advanced Research Center for Powder Metallurgy &展を促すために取り組むべき重要な課題と解決策の概要を追New Materials, Hyderabad, India（ARCI））：https://arci.

補 4 に示す．

res.in/h ）オーストラリア連邦科学産業研究機構（Commonwealth

文Scientific & Industrial Research Organization（CSIRO））：1）H. Herman, S. Sampath and R. MuCune: Thermal Spray:Current Status and Future Trends, MRS Bulletin, 25, 7（2000），17-25.
2）M. Kutz: Handbook of Environmental Degradation ofMaterials, Oxford: William Andrew/Elsevier（2012）．
3）M. Dorfman and A. Sharma: Challenges and Strategy for
Growth of Thermal Spray Markets: The Six-Pillar Plan, J.
Therm. Spray Technol., 22, 5（2013），559-563.
4）P. Hanneforth: The Global Thermal Spray Industry-100
years of Success: So What’ s Next?, Adv. Mater. Process.,
164, 5（2006），14-16.
5）M. Fukumoto: The Current Status of Thermal Spray in Asia,J. Therm. Spray Technol., 17, 1（2008），5-13.
6）R. C. Tucker: ASM Handbook, Volume 5A: Thermal Spray
Technology, ASM International（2013）．
7）C. Handwicke and Y. C. Lau: Advanced in Thermal Spray
Coatings for Gas Turbines and Energy Generation: A
Review, J. Therm. Spray Technol., 22, 5（2013），564-576.
8）M. Oakham: Direct Manufacturing Comes of Age, Australian
Manuf. Technol., August,（2010），38-39.
9）N. Krishnan, A. Vardelle, and J. G. Legoux: A Life Cycle
Comparison of Hard Chrome and Thermal Spray Coatings:Case Example of Aircraft Landing Gears, Proc. Int. Therm.
Spray Conf. 2008: Cross Boarders, DVS-ASM, Hamburg,（2008），212-216.

https://www.csiro.au/i ） ウラル溶接研究所（URAL Welding Institute）：アドレス
確認できずj ）フランス国立科学研究センター（Centre national de larecherche scientifique（CNRS））：http://www.cnrs.fr/enk ）原子力・代替エネルギー庁（Commissariat à l’ énergieatomique et aux énergies alternatives（CEA））：https://www.cea.fr/english/l ） NY 州 立 ス ト ー ニ ー ブ ル ッ ク 大 学 溶 射 研 究 セ ン タ ー（Center for Thermal Spray Research, Stony BrookUniversity（CTSR））：https://www.ctsr-sunysb.org/m）アーヘン工科大学（RWTH Aachen University）：https://www.rwth-aachen.de/n ）リモージュ大学（Université de Limoges）：https://www.
unilim.fr/o ）国立研究開発法人産業技術総合研究所（National Instituteof Advanced Industrial Science and Technology（AIST））：https://www.aist.go.jp/*9
一部，整合性とるための修正あり．

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献 *9220