セラミック溶射材料（1960 年頃～現在）

セラミック溶射材料は，表面改質技術の一つである溶射法によって皮膜形成に使用される材料である．我々の身の回りにある半導体，自動車，航空機などの産業製品を構成する部材，あるいは産業製品を生産する製造装置の部材の表面にはさまざまな機能要求があり，表面改質技術が適用されている．溶射セラミックコーティングは，融点を有するセラミック材料などを効率的に厚膜形成することが可能で，部材の表面に耐摩耗，耐熱，耐腐食といったセラミックスの優れた機能を付与することができる．こうした特長を活かし，母材の長寿命化や製品の効率的な生産の観点で，環境側面において省資源，省エネルギーへ貢献できる技術としても重要な役割を担っている．
１．製品適用分野

Key-words：溶射，表面改質，製膜技術，セラミックコーティン
グ，粉末，複合材料

また，半導体製造における反応性イオンエッチン

発電・航空機タービン翼の熱／環境遮蔽コーティ

グ工程では，微細な回路パターンを形成するために，ング注１），コンプレッサーシールのアブレイダブル

プラズマを利用してシリコンウエハを物理的・化学コーティング注２），半導体製造（主にドライエッチ的にエッチングする．この装置の処理チャンバーをング）装置の保護コーティング，静電チャック注３）

構成している部材は，プラズマによって損耗し（プの耐電圧コーティング，製紙用プロセスロールの耐ラズマエロージョン），デバイスの生産歩留を低下

注４）

摩耗コーティング，固体燃料電池の電極形成，させる．部材を長寿命化し，生産歩留まりを向上させるために耐プラズマエロージョン性に優れたイッ

酸素センサの固体電解質膜などトリアやフッ化イットリウムなどが保護膜として使

２．適用分野の背景用される．

工業製品やその構成部材，あるいはそれらを生産

このように，目的や要求特性に合わせて溶射材料する工程では，摩耗や熱，腐食などの過酷な摩耗やの材質が選定され，セラミックコーティングとして熱，腐食などの環境に曝されることが多く，そういっ適用される．通常数百マイクロメートルのコーティた環境から保護するための表面改質が求められる．

ングで母材表面のみを改質する技術なので，母材そまた，保護だけでなく，電気特性や快削性，光触媒能のものの材料を変更するよりもはるかに省資源であといった機能付与を目的とするケースもある（表 1）．

り，焼結体としての製造が困難な大型なものへ機能

例えば，航空機や発電用のタービンでは，タービ付与できる．さらに，コーティングが損傷した場合

ン入口温度は 1500 ℃を超え，燃費向上のためにはは，リコートすることもできるので，環境負荷の低より高い温度での燃焼が求められる．タービン翼に減にも貢献できる技術である．

は Ni 基合金が主に使われているが，こうした高温環境に部材が耐えられないので，表面温度を下げる

３．溶射の特徴ために断熱を目的とした遮熱コーティングが適用さ

溶射セラミックコーティングは 10000 ℃を超えるれ，熱伝導率の低さと熱膨張係数の大きさから安定高温・高速のフレームを発生させるプラズマ溶射機化ジルコニア（ZrO2-8％ Y2O3）が使用されている．

で溶射材料（図 1 左）を溶かして母材に吹き付ける

表1

溶射コーティングの応用例

溶射コーティングは適用する母材の表面改質を目的としてさまざまな産業分野で使用されている．

注１ 航空機エンジンの耐熱部材として期待される炭素系セラミッ
ク 基 複 合 材 料（SiC/SiC）であるが，高温・高圧で水蒸気に曝されると母材が劣化してしまうため，外部環境を遮断する保護コーティングが必要になり，研究開発が盛んに行われている．
注２ 快削性を有するコーティングのこと
で，回転するタービンの動翼により削られることで，ケースとの間隙を最小化して圧力損失を防ぐ．
注３ 静電チャックは，半導体やフラットパネ
ルディスプレイを製造する際の各種工程でウエハやパネルを固定するために，電気的な力で加工物を吸着する役割をもつ．
注４ 固体燃料電池では，高温での安定性，高い電子・イオン伝導，高比表面積が必要となり，溶射コーティングが適用される場合もある．

© 日本セラミックス協会
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ことで成膜するのが一般的である．図 2 は溶射プロ

ブラストなどで前処理された母材表面とアンカー効セスの概念図であり，プラズマフレームで溶かされ果で機械的に結合されている（図 1 右）．

たセラミックの溶融液滴は，母材の表面に高速で叩きつけられて扁平化した後，凝固してスプラット注５）を形成する．このようにスプラットが堆積して形成
注５ 扁平，堆積した粒子の形状を模してスプラットと呼ばれ，溶滴が飛散したスプラッ
シュ状から円盤状のディスク状のものが存在する．

される溶射コーティングは，内部気孔を有しており，

図1４．製品と仕様
溶射プロセスで使用される溶射材製品とその仕様や特性を例として表 2 に示す．

セラミック造粒－焼結粉末の外観（左）と溶射コーティングの断面（右）の電子顕微鏡画像

セラミック造粒－焼結粉末は球形度の高い顆粒状であり，溶射フレームに供給しやすく，溶けやすい特長がある．溶
射コーティングには気孔が含まれ，母材と機械的に結合している．

図2

溶射プロセスの概念図

プラズマ溶射では，高温のプラズマフレームによって投入された溶射材料が溶融・加速されて母材に堆積してコーティングとなる．

表2

溶射材料とその仕様および材料の特性

溶射材料は，適用される母材の要求特性に応じて選定される．

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溶射材料は粉末供給機からガス流に乗せてプラズマ溶射機に供給される．平均粒子径が 20～80 μmの材料が流通しており，安定的に供給するためには，一定以上に流動性に優れた粉末が必要となる．また，粒子のサイズは，溶融度合いや飛行速度に影響するので，コーティングの緻密さや表面粗さをコントロールするために，溶射材料の粒度分布は厳密な管理が求められる．材質は，上述の通り要求されるコーティングの特性に応じて各種セラミック材料が選ばれる．酸化物セラミックとしては，アルミナ，アルミナ－チタニア，クロミア，安定化ジルコニア，イットリアが一般的であるが，それ以外のセラミック材料も流通しており，用途に応じてさまざまな材質が複合化された材料も市販されている．また，耐摩耗用途を目的として用いられるタングステンカー
バイドと金属の複合材料（例えば WC/Co）はサーメットと呼ばれ，プラズマ溶射よりも低温・高速な高速フレーム溶射プロセスで成膜されて，その優れた耐摩耗からさまざまな産業での適用事例がある．

５．製法
セラミック溶射材料の製造方法は，溶融－粉砕法と造粒－焼結法が一般的である．溶融－粉砕粉は，所定の原料を加熱して溶融させ，冷却後に粉砕・分級して所定の粒度に整えられた粉末である．形状は

図3

造粒－焼結粉の製造フロー

ブロック状で緻密な粉末になるのが特徴である．
造粒－焼結法では，まず微粉末原料に溶媒とバインダーが添加され，これを十分に攪拌・混合するこペンション溶射が緻密コーティングや柱状組織を形とでスラリーを得る．次にスプレードライに代表さ成する目的で注目されている．今後もさまざまなプれる乾燥造粒工程で，スラリーを乾燥させ球状の顆ロセスが実用化されることが予想されるが，素材開粒が得られる．脱脂・焼結によって顆粒内の一次粒発はもちろんのこと，プロセスに適した特徴を有す子を焼き締めた後，顆粒同士の接合箇所を解砕し，る溶射材料の開発が期待される．

篩や気流分級などで分級して所定粒度の造粒－焼結粉が得られる（図 3）．使用する原料のサイズや焼結工程を適切に調整することで，顆粒の密度をある

参考文献・資料
日本溶射学会ホームページ：http://www.jtss.or.jp/
日本溶射工業会ホームページ：http://www.jtsa.jp/

程度コントロールすることが可能であり，使用する（株）フジミインコーポレーテッドホームページ：https://www.

原料の材質によって，合成や複合化が可能で汎用性

fujimiinc.co.jp/service/spray/index.html

が高いのもこの製法の特徴である．

篠田健太郎，明渡純，厚膜技術の必要性と最新動向，表面技術，69［11］，480-483（2018）.

６．現在・将来展望
さまざまな産業用途で既に適用されている溶射技術であるが，産業技術の発展とともに，溶射コーティングに求められる特性もより高度化している．

［連絡先］ 水野 宏昭（みずの ひろあき）〒 509-0103 岐阜県各務原市各務東町 5-82-28
株式会社フジミインコーポレーテッド
溶射材事業部

最近では，懸濁液に分散した微粒子を溶射するサス

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