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最新粒子積層コーティング技術動向 ―コールドスプレー, エアロゾルデポジション―
刊行にあたって
コーティング技術は、部材への物理的、化学的な機能を付与する技術であり、航空機、自動車、発電機器などの機械や橋梁など建築物などの部材の軽量化、高機能化、長寿命化、低コスト化ななどに寄与しており、さらに部材の修復技術としても有用されており、低環境負荷、低炭素社会、循環経済社会の実現に不可欠な技術である。このコーティング技術の中で、数μmの粉末粒子を膜創製の基本単位とする溶射法は、高い成膜速度や厚膜形成能を特徴として、その発明から100余年が経っているが、今なお進化・発展し、各産業分野における基幹技術として重要な役割を担っている。
本書は、コールドスプレー法、エアロゾルデポジション法のその後の10年での進展などを取り纏めたものでる。コールドスプレー法は、その成膜速度の高さから金属造形技術としても再び注目されはじめており、コールドスプレーアディティブマニュファクチャリング(CSAM)として、装置や応用に加えた。
(「はじめに」より抜粋)
★ 循環経済社会の実現へ向けた低環境負荷なコーティング技術! コールドスプレー法およびエアロゾルデポジション法について前書発刊からの10年間の進展をまとめた一冊!
★ 材料粒子を溶かさない(固相粒子)成膜技術の“緻密”で“厚膜作製可能”な特長を活かした事例を詳細に解説!
★ 固相粒子積層メカニズムからコーティング材料、装置、近年注目の金属造形技術や抗菌コーティング技術などの応用までを網羅!
番号
T1243
ISBN
978-4-7813-1750-2
監修
榊和彦
発行年月
2023/09/29
体裁
B5判, 276ページ
フォーマット
紙版
定価
67,100 円(本体61,000円+消費税、送料込)
冊数：
執筆者
榊和彦 信州大学
明渡純 産業技術総合研究所
湯本敦史 芝浦工業大学
市川裕士 東北大学
小川和洋 東北大学
篠田健太郎 産業技術総合研究所
小野智洋 豊橋技術科学大学;産業技術総合研究所
山田ムハマドシャヒン 産業技術総合研究所
安井利明 豊橋技術科学大学
深沼博隆 プラズマ技研工業㈱
植野淳 カンメタエンジニアリング㈱
池田潔 日本バイナリー㈱
松林康仁 産業技術総合研究所
黒岩芳弘 広島大学
長谷川誠 横浜国立大学
名越貴志 産業技術総合研究所
鈴木雅人 産業技術総合研究所
高橋和真 ㈱特殊金属エクセル
後藤拓 産業技術総合研究所
澁谷泰蔵 日本電気㈱
明渡純 産業技術総合研究所
湯本敦史 芝浦工業大学
市川裕士 東北大学
小川和洋 東北大学
篠田健太郎 産業技術総合研究所
小野智洋 豊橋技術科学大学;産業技術総合研究所
山田ムハマドシャヒン 産業技術総合研究所
安井利明 豊橋技術科学大学
深沼博隆 プラズマ技研工業㈱
植野淳 カンメタエンジニアリング㈱
池田潔 日本バイナリー㈱
松林康仁 産業技術総合研究所
黒岩芳弘 広島大学
長谷川誠 横浜国立大学
名越貴志 産業技術総合研究所
鈴木雅人 産業技術総合研究所
高橋和真 ㈱特殊金属エクセル
後藤拓 産業技術総合研究所
澁谷泰蔵 日本電気㈱
目次
【第Ⅰ編 総論】
第1章 粒子積層新コーティング技術
1 コールドスプレー法の概要
1.1 はじめに
1.2 コールドスプレーとは
1.2.1 コールドスプレー法の概略
1.2.2 コールドスプレー装置の概要
1.2.3 コールドスプレーの成膜の概要と特徴
1.3 コールドスプレーの開発の歴史
2 エアロゾルデポジション法の概要
2.1 はじめに
2.2 エアロゾルデポジション法
2.3 粒子衝突現象を利用した成膜手法の研究開発経緯
2.4 類似成膜技術との関係
2.5 エアロゾルデポジション法・海外動向の現状
3 超音速フリージェットPVD
3.1 はじめに
3.2 成膜原理の概要
3.2.1 プロセス及び装置の基本構成
3.2.2 ガス中蒸発によるナノ粒子生成
3.2.3 超音速ノズル及び超音速ガス流によるナノ粒子堆積
3.3 成膜事例紹介
3.4 まとめ
【第Ⅱ編 コールドスプレー法の基礎】
第2章 コールドスプレー法の基本原理と特徴
1 コールドスプレー法の基本原理
1.1 コールドスプレープロセスの概要
1.2 作動ガスの超音速プロセス
1.2.1 作動ガス速度
1.3 粒子の加速・加熱プロセスとノズル形状
1.3.1 粒子の加速と加熱
1.3.2 ノズル形状
1.3.3 ノズル各部の長さと粒子の投入位置
1.4 粒子の基材との衝突・変形・密着プロセス
1.5 粒子の堆積・成膜(粒子間の接合)プロセス
1.6 コールドスプレーの特徴
第3章 固体粒子積層のメカニズム
1 単一粒子の衝突・付着機構
1.1 はじめに
1.2 臨界条件・臨界速度
1.3 Assadiらのアプローチ
1.4 付着メカニズムの検討
1.5 活性化・酸化皮膜の破壊機構
1.6 CS接合界面の様子
1.7 接合臨界条件の探索
1.8 まとめ
2 粒子付着や皮膜特性などに影響する諸因子およびプロセスの特徴
2.1 粒子付着や皮膜特性などに影響する諸因子
2.1.1 材料粒子
2.1.2 作動ガス,ノズル形状
2.1.3 施工条件
2.1.4 基材と前処理・後処理
2.1.5 in-situ(その場処理)
2.2 コールドスプレープロセスの特徴
第4章 コーティング材料と形成皮膜の特性
1 コーティング材料全般
1.1 はじめに
1.2 コールドスプレーのコーティング材料
1.3 コールドスプレーによる銅粉末とその皮膜
1.4 コールドスプレーによる高力黄銅粉末とその皮膜
1.5 おわりに
2 各種材料と皮膜の特徴
2.1 ハイエントロピー合金
2.1.1 はじめに
2.1.2 HEA粒子単独での成膜
2.1.3 軟質金属粒子との混合
2.1.4 まとめ
2.2 樹脂
2.2.1 はじめに
2.2.2 実験方法
2.2.3 成膜実験結果
2.2.4 考察
2.2.5 まとめ
2.3 金属基複合皮膜
2.3.1 はじめに
2.3.2 CSによるMMCの堆積プロセス
2.3.3 CS-MMCに用いられる材料
2.3.4 CS-MMCの特性
2.3.5 耐摩耗性MMC膜の事例
2.3.6 機能性MMC膜の事例
2.3.7 まとめと今後の方向性
3 前処理・後処理の効果
3.1 スプレー前処理
3.1.1 ブラスト処理の効果
3.1.2 基材温度制御の効果
3.1.3 レーザーテクスチャリング処理
3.2 スプレー後処理
3.2.1 低圧型CSアルミニウム皮膜に対するスプレー後熱処理の効果
3.2.2 高圧型CS Ni基超合金皮膜に対するスプレー後熱処理の効果
3.3 まとめ
第5章 装置
1 高圧高温型コールドスプレー装置
1.1 プラズマ技研工業製高圧コールドスプレーシステム
1.1.1 諸言
1.1.2 プラズマ技研製高圧コールドスプレー装置
1.1.3 ポータブルコールドスプレー装置 PCS-H10
1.1.4 内径コーティング用コールドスプレーシステムPCS-H05
1.1.5 低温融点材料コールドスプレーアタッチメントPCS-400Z
1.1.6 高圧パウダーフィダー
1.2 Impact Innovations GmbHの高圧コールドスプレー装置
1.2.1 はじめに
1.2.2 コールドスプレー装置
1.2.3 コールドスプレーの応用事例
1.3 CenterLine Limited Cold Spray-SSTTM コールドスプレー装置
1.3.1 はじめに
1.3.2 コールドスプレー装置
1.3.3 コールドスプレーの応用事例
1.4 VRC Metal System社
1.4.1 VRC社概要
1.4.2 VRC装置
1.4.3 同社装置を用いたコールドスプレー皮膜
1.4.4 現地補修事例
1.5 SPEE3D社の超音速3次元積層装置
1.5.1 はじめに
1.5.2 SPEE3D社の創業
1.5.3 コールドスプレー技術の応用
1.5.4 SPEE3D社システムにおけるコールドスプレーAM
1.5.5 中堅企業にも通用するビジネスモデル
1.5.6 防衛分野での成功
1.5.7 将来に向けて
第6章 課題解決に向けた技術開発と技術の将来展望
【第Ⅲ編 エアロゾルデポジション法の基礎】
第7章 AD法の基本原理と特徴
1 常温衝撃固化現象と成膜原理
1.1 はじめに
1.2 AD法の原理と常温衝撃固化現象
1.2.1 装置構成
1.2.2 常温衝撃固化現象によるセラミックスコーティング
1.2.3 常温衝撃固化された成膜体の微細組織
1.3 AD法成膜条件の特徴と成膜メカニズム
1.3.1 基板加熱の影響
1.3.2 原料粉末の影響
1.3.3 搬送ガス種と膜の透明化
1.3.4 粒子流の基板入射角度の影響と表面平滑化
1.3.5 粒子衝突速度の測定
1.3.6 粒子飛行,基板衝突のシミュレーション
1.3.7 緻密化メカニズム
1.4 原料粒子の強度評価
1.4.1 原料粒子圧縮破壊試験装置
1.4.2 アルミナ粒子の圧縮試験
1.4.3 粒子強度と粒径の関係
1.4.4 粒子強度とAD法における成膜性
1.5 従来薄膜プロセスとの比較
1.6 膜の電気・機械特性と熱処理による特性回復
1.7 常温衝撃固化現象
1.7.1 常温衝撃固化現象と成膜メカニズム
1.7.2 常温衝撃固化現象に対する考察
1.7.3 AD製膜中の発光現象
1.7.4 常温衝撃固化現象での粒子間結合メカニズム
2 放射光X線回折によるエアロゾルデポジションセラミックス膜の構造評価
2.1 緒言
2.2 強誘電体チタン酸鉛の化学結合の特徴
2.3 チタン酸鉛AD膜の構造
2.4 チタン酸鉛AD膜の相転移
2.5 結言
3 粒子衝突および加熱における高配向性セラミックス膜
3.1 はじめに
3.2 AD法により形成されたAl2O3膜の組織と集合組織
3.3 α-Al2O3膜の熱処理による組織と集合組織
3.4 おわりに
第8章 プロセスの高度化(ハイブリッドエアロゾルデポジション法)
1 はじめに
2 ハイブリッドエアロゾルデポジション法の開発
3 堆積メカニズム解明に向けた取り組み
4 まとめと今後の展開
【第Ⅳ編 応用】
第9章 コールドスプレー,ウォームスプレーによる成膜の事例
1 プラズマ技研工業の事例
1.1 はじめに
1.2 IH調理器具
1.3 ロータリースパッターリングターゲット
1.4 巨大タンク内のAgコーティング
1.5 ガスタービンパーツのリペア
1.6 スーパーコンダクティブモーター
1.7 ラビリンスシールリペアー
1.8 Ti のAdditive Coating
2 Cold Sprayの技術開発・設備導入
2.1 はじめに
2.2 導入設備の概要
2.3 皮膜連続生成と成膜後の圧延加工技術
2.4 抗菌コーティングへの取り組み
3 プラスチック材料へのコールドスプレーの応用
3.1 はじめに
3.2 フッ素系樹脂成膜試験
3.3 撥水性試験
3.4 まとめ
4 セラミック材料へのコールドスプレーの応用
4.1 はじめに
4.2 コールドスプレーによる金属粒子とセラミック材料の接合
4.3 セラミック材料へのコールドスプレーの応用
5 コールドスプレーによる付加製造(CSAM)技術の動向
5.1 はじめに
5.2 溶射によるアディティブマニュファクチャリング
5.3 コールドスプレーによる積層造形の歴史と現状
5.4 コールドスプレーアディティブマニュファクチャリングの特徴と現状
5.5 おわりに
第10章 エアロゾルデポジション法の応用展開
1 薬剤担持ポーラスAD膜による抗ウイルスコーティング
2 ハイブリッドエアロゾルデポジション法の応用
2.1 はじめに
2.2 異なる基材上へのセラミックコーティングの堆積
2.3 耐環境アプリケーションに向けた緻密コーティングの開発
2.4 微細構造制御による多孔質コーティングの開発
2.5 まとめ
3 TPV発電機開発の最近のトレンドとPAD法による多孔質エミッタ膜作製
第1章 粒子積層新コーティング技術
1 コールドスプレー法の概要
1.1 はじめに
1.2 コールドスプレーとは
1.2.1 コールドスプレー法の概略
1.2.2 コールドスプレー装置の概要
1.2.3 コールドスプレーの成膜の概要と特徴
1.3 コールドスプレーの開発の歴史
2 エアロゾルデポジション法の概要
2.1 はじめに
2.2 エアロゾルデポジション法
2.3 粒子衝突現象を利用した成膜手法の研究開発経緯
2.4 類似成膜技術との関係
2.5 エアロゾルデポジション法・海外動向の現状
3 超音速フリージェットPVD
3.1 はじめに
3.2 成膜原理の概要
3.2.1 プロセス及び装置の基本構成
3.2.2 ガス中蒸発によるナノ粒子生成
3.2.3 超音速ノズル及び超音速ガス流によるナノ粒子堆積
3.3 成膜事例紹介
3.4 まとめ
【第Ⅱ編 コールドスプレー法の基礎】
第2章 コールドスプレー法の基本原理と特徴
1 コールドスプレー法の基本原理
1.1 コールドスプレープロセスの概要
1.2 作動ガスの超音速プロセス
1.2.1 作動ガス速度
1.3 粒子の加速・加熱プロセスとノズル形状
1.3.1 粒子の加速と加熱
1.3.2 ノズル形状
1.3.3 ノズル各部の長さと粒子の投入位置
1.4 粒子の基材との衝突・変形・密着プロセス
1.5 粒子の堆積・成膜(粒子間の接合)プロセス
1.6 コールドスプレーの特徴
第3章 固体粒子積層のメカニズム
1 単一粒子の衝突・付着機構
1.1 はじめに
1.2 臨界条件・臨界速度
1.3 Assadiらのアプローチ
1.4 付着メカニズムの検討
1.5 活性化・酸化皮膜の破壊機構
1.6 CS接合界面の様子
1.7 接合臨界条件の探索
1.8 まとめ
2 粒子付着や皮膜特性などに影響する諸因子およびプロセスの特徴
2.1 粒子付着や皮膜特性などに影響する諸因子
2.1.1 材料粒子
2.1.2 作動ガス,ノズル形状
2.1.3 施工条件
2.1.4 基材と前処理・後処理
2.1.5 in-situ(その場処理)
2.2 コールドスプレープロセスの特徴
第4章 コーティング材料と形成皮膜の特性
1 コーティング材料全般
1.1 はじめに
1.2 コールドスプレーのコーティング材料
1.3 コールドスプレーによる銅粉末とその皮膜
1.4 コールドスプレーによる高力黄銅粉末とその皮膜
1.5 おわりに
2 各種材料と皮膜の特徴
2.1 ハイエントロピー合金
2.1.1 はじめに
2.1.2 HEA粒子単独での成膜
2.1.3 軟質金属粒子との混合
2.1.4 まとめ
2.2 樹脂
2.2.1 はじめに
2.2.2 実験方法
2.2.3 成膜実験結果
2.2.4 考察
2.2.5 まとめ
2.3 金属基複合皮膜
2.3.1 はじめに
2.3.2 CSによるMMCの堆積プロセス
2.3.3 CS-MMCに用いられる材料
2.3.4 CS-MMCの特性
2.3.5 耐摩耗性MMC膜の事例
2.3.6 機能性MMC膜の事例
2.3.7 まとめと今後の方向性
3 前処理・後処理の効果
3.1 スプレー前処理
3.1.1 ブラスト処理の効果
3.1.2 基材温度制御の効果
3.1.3 レーザーテクスチャリング処理
3.2 スプレー後処理
3.2.1 低圧型CSアルミニウム皮膜に対するスプレー後熱処理の効果
3.2.2 高圧型CS Ni基超合金皮膜に対するスプレー後熱処理の効果
3.3 まとめ
第5章 装置
1 高圧高温型コールドスプレー装置
1.1 プラズマ技研工業製高圧コールドスプレーシステム
1.1.1 諸言
1.1.2 プラズマ技研製高圧コールドスプレー装置
1.1.3 ポータブルコールドスプレー装置 PCS-H10
1.1.4 内径コーティング用コールドスプレーシステムPCS-H05
1.1.5 低温融点材料コールドスプレーアタッチメントPCS-400Z
1.1.6 高圧パウダーフィダー
1.2 Impact Innovations GmbHの高圧コールドスプレー装置
1.2.1 はじめに
1.2.2 コールドスプレー装置
1.2.3 コールドスプレーの応用事例
1.3 CenterLine Limited Cold Spray-SSTTM コールドスプレー装置
1.3.1 はじめに
1.3.2 コールドスプレー装置
1.3.3 コールドスプレーの応用事例
1.4 VRC Metal System社
1.4.1 VRC社概要
1.4.2 VRC装置
1.4.3 同社装置を用いたコールドスプレー皮膜
1.4.4 現地補修事例
1.5 SPEE3D社の超音速3次元積層装置
1.5.1 はじめに
1.5.2 SPEE3D社の創業
1.5.3 コールドスプレー技術の応用
1.5.4 SPEE3D社システムにおけるコールドスプレーAM
1.5.5 中堅企業にも通用するビジネスモデル
1.5.6 防衛分野での成功
1.5.7 将来に向けて
第6章 課題解決に向けた技術開発と技術の将来展望
【第Ⅲ編 エアロゾルデポジション法の基礎】
第7章 AD法の基本原理と特徴
1 常温衝撃固化現象と成膜原理
1.1 はじめに
1.2 AD法の原理と常温衝撃固化現象
1.2.1 装置構成
1.2.2 常温衝撃固化現象によるセラミックスコーティング
1.2.3 常温衝撃固化された成膜体の微細組織
1.3 AD法成膜条件の特徴と成膜メカニズム
1.3.1 基板加熱の影響
1.3.2 原料粉末の影響
1.3.3 搬送ガス種と膜の透明化
1.3.4 粒子流の基板入射角度の影響と表面平滑化
1.3.5 粒子衝突速度の測定
1.3.6 粒子飛行,基板衝突のシミュレーション
1.3.7 緻密化メカニズム
1.4 原料粒子の強度評価
1.4.1 原料粒子圧縮破壊試験装置
1.4.2 アルミナ粒子の圧縮試験
1.4.3 粒子強度と粒径の関係
1.4.4 粒子強度とAD法における成膜性
1.5 従来薄膜プロセスとの比較
1.6 膜の電気・機械特性と熱処理による特性回復
1.7 常温衝撃固化現象
1.7.1 常温衝撃固化現象と成膜メカニズム
1.7.2 常温衝撃固化現象に対する考察
1.7.3 AD製膜中の発光現象
1.7.4 常温衝撃固化現象での粒子間結合メカニズム
2 放射光X線回折によるエアロゾルデポジションセラミックス膜の構造評価
2.1 緒言
2.2 強誘電体チタン酸鉛の化学結合の特徴
2.3 チタン酸鉛AD膜の構造
2.4 チタン酸鉛AD膜の相転移
2.5 結言
3 粒子衝突および加熱における高配向性セラミックス膜
3.1 はじめに
3.2 AD法により形成されたAl2O3膜の組織と集合組織
3.3 α-Al2O3膜の熱処理による組織と集合組織
3.4 おわりに
第8章 プロセスの高度化(ハイブリッドエアロゾルデポジション法)
1 はじめに
2 ハイブリッドエアロゾルデポジション法の開発
3 堆積メカニズム解明に向けた取り組み
4 まとめと今後の展開
【第Ⅳ編 応用】
第9章 コールドスプレー,ウォームスプレーによる成膜の事例
1 プラズマ技研工業の事例
1.1 はじめに
1.2 IH調理器具
1.3 ロータリースパッターリングターゲット
1.4 巨大タンク内のAgコーティング
1.5 ガスタービンパーツのリペア
1.6 スーパーコンダクティブモーター
1.7 ラビリンスシールリペアー
1.8 Ti のAdditive Coating
2 Cold Sprayの技術開発・設備導入
2.1 はじめに
2.2 導入設備の概要
2.3 皮膜連続生成と成膜後の圧延加工技術
2.4 抗菌コーティングへの取り組み
3 プラスチック材料へのコールドスプレーの応用
3.1 はじめに
3.2 フッ素系樹脂成膜試験
3.3 撥水性試験
3.4 まとめ
4 セラミック材料へのコールドスプレーの応用
4.1 はじめに
4.2 コールドスプレーによる金属粒子とセラミック材料の接合
4.3 セラミック材料へのコールドスプレーの応用
5 コールドスプレーによる付加製造(CSAM)技術の動向
5.1 はじめに
5.2 溶射によるアディティブマニュファクチャリング
5.3 コールドスプレーによる積層造形の歴史と現状
5.4 コールドスプレーアディティブマニュファクチャリングの特徴と現状
5.5 おわりに
第10章 エアロゾルデポジション法の応用展開
1 薬剤担持ポーラスAD膜による抗ウイルスコーティング
2 ハイブリッドエアロゾルデポジション法の応用
2.1 はじめに
2.2 異なる基材上へのセラミックコーティングの堆積
2.3 耐環境アプリケーションに向けた緻密コーティングの開発
2.4 微細構造制御による多孔質コーティングの開発
2.5 まとめ
3 TPV発電機開発の最近のトレンドとPAD法による多孔質エミッタ膜作製