超音速噴霧とプラズマ噴霧の根本的な違いの分析
近年、ハイエンド機器製造における溶射表面強化技術の応用は拡大を続けている。主流の2つのプロセスである超音波溶射とプラズマ溶射は、その性能の違いから、さまざまな産業条件に適応している。業界をリードする材料メーカーである成都大光新材料有限公司は、20年以上にわたり溶射粉末の研究開発と製造に深く携わってきた。同社は、充実したプロセスラボを擁し、両溶射プロセスの材料要件に深く対応している。同社のWC-10Co4Cr炭化タングステン溶射粉末は、両プロセスの適用範囲を区別するベンチマーク材料となっている。
2 つのスプレー技術の主な違いは、熱源、粒子速度、コーティング品質の 3 つの側面に集中しています。プラズマスプレーは、イオン化された不活性ガスを使用して、数万℃に達する温度でプラズマアークを形成します。炎の温度は 10,000～30,000℃ に達する一方、粒子の噴射速度はわずか 150～800 m/s です。この高温特性により、アルミナやジルコニアなどの高融点セラミック粉末を溶融することができ、非常に幅広い材料適合性が得られます。ただし、粒子の運動エネルギーが不十分なため、形成されたコーティングの気孔率は一般的に 5%～15% と低く、結合強度も比較的低くなります。超音速スプレーは、燃料と酸素の燃焼を使用して超音速の炎を生成し、炎の温度は約 2500～3000℃、粒子の飛行速度は 300 m/s を超えます。この超高運動エネルギーにより、粉末は基材に衝突して十分な塑性変形を起こす。コーティングの気孔率は1%以内に制御でき、結合強度は70MPaを超える。緻密で耐摩耗性、耐腐食性に優れている。ただし、超高融点の特殊セラミック材料は加工できないという欠点がある。
運用上の適応性という点では、この2つの方法には明確な役割分担があります。プラズマ溶射は、高温絶縁、電気絶縁、および航空機エンジンの断熱層やバルブのセラミック絶縁コーティングなどの特殊セラミック保護用途により適しています。超音波溶射は、主に重荷重、耐摩耗性、および腐食が伴う用途に使用され、石油およびガスバルブコア、紙ロール、油圧ピストンロッド、航空機着陸装置などのコンポーネントに好ましいプロセスです。成都大光新材料有限公司は、超音波溶射のコア材料であるWC-10Co4Cr炭化タングステン溶射粉末を独自に開発および製造しました。この粉末は、凝集焼結プロセスを使用して製造され、WC硬質相とコバルトクロム合金マトリックスを組み合わせることで、超高耐摩耗性と耐塩水噴霧腐食性の両方を実現しています。超音速スプレー処理後、コーティングの硬度はHV1100～1300に達し、炭化タングステンの分解は最小限に抑えられ、広範囲の酸化も発生しないため、海洋、化学、鉱業などの摩耗性および腐食性の高い環境に最適です。
成都大光WC-10Co4Cr粉末をプラズマ溶射で加工する場合、超高温の炎によって炭化タングステン粒子が過熱・分解しやすく、コーティングの多孔性が高くなり、耐食性・耐摩耗性が著しく低下します。そのため、低負荷で摩耗の少ない部品の補修にしか適していません。この問題を解決するため、成都大光新材料有限公司はプラズマ溶射と超音波溶射の2つのプロセス試験ラボを設立し、それぞれのプロセスに適した粒径の異なるWC-10Co4Cr粉末を開発しました。超音波プロセスでは微細な粉末を使用して緻密な堆積を確保し、プラズマプロセスでは粗い粉末を使用して高温による燃焼を低減します。また、コーティングの剥離や欠けの問題を解決するために、ニッケルベースの下地用粉末も配合されています。
中国を代表する溶射粉末ハイテク企業である成都大光新材料は、龍泉と新都に2つの主要生産拠点を持ち、8つの粉末生産ラインで年間5,000トンの各種溶射粉末を生産しています。同社の製品は、炭化タングステン、ニッケル系、コバルト系、セラミック粉末など200種類以上を網羅し、国内外の1,000社以上の製造企業にサービスを提供しています。同社の研究開発チームは、WC-10Co4Cr粉末の形態と組成比を継続的に最適化し、2つの溶射プロセスに最適なパラメータをマッチングさせることで、下流顧客に「粉末＋溶射プロセス」を統合したソリューションを提供しています。
業界専門家は、超音速溶射とプラズマ溶射の間には本質的な優劣はなく、重要なのは被加工物の動作条件と材料システムの適合性にあると述べています。成都大光社のWC-10Co4Cr炭化タングステン粉末に代表される硬質で耐摩耗性に優れた材料は、これら2種類の溶射の適用シナリオを区別するための典型的な参考例となります。材料選定の際には、専門の材料メーカーのプロセス試験データを活用することで、部品の寿命を大幅に延ばし、メンテナンスコストを削減できます。成都大光新材料は今後も溶射粉末のイノベーションを深化させ、2つの主流溶射プロセスの進化に同時に対応し、国内のハイエンド機器の表面強化技術の向上に貢献していきます。
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