溶液前駆体プラズマスプレー
溶射プロセス

溶液前駆体プラズマ溶射（SPPS）は、原料溶液を加熱し、基板上に堆積させる熱溶射プロセスです。このプロセスの基本的な特性は、他のプラズマ溶射プロセスと基本的に同様です。ただし、プラズマプルームに粉末を注入する代わりに、液体前駆体を使用します。SPPSプロセスを利用する利点は、粉末システムに通常伴う注入供給の問題なしに、独自のナノメートルサイズの微細構造を作製できること、そして新しい前駆体組成を柔軟かつ迅速に探索できることです。[1] [2]

背景

溶液前駆体の使用は、コーティング技術としてKarthikeyanらによって初めて報告されました。[3] [4] [5]この研究において、Karthikeyanは溶液前駆体の使用が実際に可能であることを示しましたが、十分に密着したコーティングを生成することはできませんでした。2001年にはさらなる研究が報告され、このプロセスが改良され、遮熱コーティング[6] 、 [ YAGフィルム]、[7] 、 [8]といったシリコンセラミックコーティングが製造されました。それ以来、この技術に関する広範な研究は、主にコネチカット大学とインフラマット社によって進められてきました。

プロセス

前駆体溶液は、塩（遮熱コーティングの配合には通常ジルコニウムとイットリウム）を溶媒に溶解して調合されます。溶解後、溶液は加圧供給システムから注入されます。他の溶射プロセスと同様に、原料は溶融され、その後基板上に堆積されます。通常、SPPSプロセスでは、材料はプラズマプルームまたは高速酸素燃料（HVOF）燃焼炎に注入されます。溶液が注入されると、液滴はいくつかの化学的および物理的変化[9]を経て、完全に溶融した状態から未熱分解状態まで、様々な状態で基板に到達します。堆積状態はスプレーパラメータによって制御可能であり、密度や強度などのコーティング特性を大幅に制御するために使用できます。[2] [10]

遮熱コーティング

SPPSに関する最新の研究では、遮熱コーティング（TBC）の作成への応用が検討されています。これらの複雑なセラミック/金属材料システムは、ガスタービンやディーゼルエンジンの高温部分の部品を保護するために使用されます。[11] SPPSプロセスは、特にこれらのTBCの作成に適しています。研究では、優れた耐久性と機械的特性を示すコーティングの生成が報告されています。[12] [13] [14]優れた耐久性は、制御された厚さ方向の垂直亀裂の生成によって付与されます。これらの亀裂は、コーティングの導電性をわずかに増加させる一方で、周期的な加熱中にコーティングと基材の間のCTEの不一致によって発生する応力のひずみ緩和を可能にします。これらの厚さ方向の亀裂の生成は体系的に調査され、コーティング内に制御された量の非熱化材料を堆積させることによって引き起こされることがわかりました。 [15]接着強度や面内靭性などの優れた機械的特性は、SPPSプロセスによって生成されるナノメートルサイズのミクロ構造から生まれます。

他の研究では、人工コーティングによって熱伝導率をTBCの報告値の中で最も低いレベルまで下げることができることが示されています。[16] [17]これらの低い熱伝導率は、交互に高い多孔性、低い多孔性の微細構造を生成するか、希土類元素 ドーパントを含む低伝導性の前駆体組成物を合成することによって達成されました。

費用

SPPSプロセスは既存の溶射システムに適合しており、適用コストはEB-PVDコーティングよりも大幅に低く、エアプラズマ溶射コーティングよりもわずかに高くなります。[18]

参考文献

  1. ^ Eric H. Jordan、L. Xie、C. Ma M. Gell、N. Padture、B. Cetegen、J. Roth、TD Xiao、PEC Bryant、「溶液前駆体プラズマスプレーを用いた優れた遮熱コーティング」、Journal of Thermal Spray、13(1)、2004年、p 57-65
  2. ^ ab L. Xie、X. Ma、EH Jordan、NP Padture、TD Xiao、M. Gell、「溶液前駆体プラズマスプレープロセスを使用した熱バリアコーティングの堆積」、Journal of Materials Science、39、2004年、p.1639–1636。
  3. ^ Karthikeyan J.、Berndt CC、Tikkanen J.、Wang JY、King AH、Herman H、「液体前駆体の熱噴霧処理によるナノ相材料の調製」、ナノ構造材料、9(1)、1997年、137～140頁。
  4. ^ Karthikeyan J.、Berndt CC、Tikkanen J.、Wang JY、King AH、Herman H.、「液体前駆体の火炎噴霧処理によって調製されたナノ材料粉末および堆積物」、8(1)、1997年、61～74頁。
  5. ^ Jeganathan Karthikeyan、Christopher C. Berndt、Sri Reddy、Jenn-Yue Wang、Alexander H. King、Herbert Herman、「液体原料のDCプラズマ噴霧によるナノ材料堆積物の形成」、Journal of the American Ceramic Society、81、1998年、121～128ページ。
  6. ^ NP Padture、KW Schlichting、T. Bhatia、A. Ozturk、B. Cetegen、EH Jordan、M. Gell、S. Jiang、TD Xiao、PR Strutt、E. Garcia、P.Miranzo、MI Osendi、「溶液前駆体プラズマスプレーで堆積した新しい微細構造を備えた耐久性のある遮熱コーティングに向けて」、Acta Materialia、49、2001年、2251～2257頁。
  7. ^ Sujatha D. Parukuttyamma、Joshua Margolis、Haiming Liu、Clare P. Grey、Sanjay Sampath、Herbert Herman、およびJohn B. Parise、「前駆体プラズマ噴霧技術によるイットリウムアルミニウムガーネット（YAG）フィルム」、Journal of the American Ceramic Society、84(8)、2001年、p.1906–908。
  8. ^ E. Bouyer、G. Schiller、M. Muller、RH Heane、「液体前駆体からのSiベースセラミックコーティングの熱プラズマ化学蒸着」、プラズマ化学およびプラズマ処理、21(4)、2001年、523〜546頁。
  9. ^ Ozturk, A.およびCetegen BM、「プラズマ環境への軸方向および横方向注入前駆体液滴のモデリング」、International Journal of Heat and Mass Transfer、48(21-22)、2005年、4367–4383ページ。
  10. ^ L. Xie、X. Ma、EH Jordan、NP Padture、TD Xiao、M. Gell、「モデルスプレー実験を使用した溶液前駆体プラズマスプレープロセスにおけるコーティング堆積メカニズムの特定」、Materials Science and Engineering A、362、2003年、p.204–212。
  11. ^ Padtre, Nitin P., Gell, Maurice, Jordan, Eric H.、「ガスタービンエンジン用途向け遮熱コーティング」、Science、296、2002年、280～285頁。
  12. ^ L. Xie、X. Ma、EH Jordan、NP Padture、TD Xiao、M. Gell、「溶液前駆体プラズマスプレープロセスによる高耐久性遮熱コーティング」、 表面およびコーティング技術、177-178、2004年、97～102頁。
  13. ^ Amol Jadhav、Nitin Padture、Fang Wu、Eric Jordan、Maurice Gell、「溶液前駆体プラズマスプレーを使用して堆積された高耐久性の厚いセラミック熱遮断コーティング」、Materials Science and Engineering A、405、2005年、313〜320ページ。
  14. ^ Liangde Xie、Eric H. Jordan、Maurice Gell、「前駆体プラズマ噴霧熱遮蔽コーティングの相と微細構造の安定性」、Material Science and Engineering A、381、2004年、189～195ページ。
  15. ^ Liangde Xie、Dianying Chen、Eric H. Jordan、Alper Ozturk、Fang Wu、Xinqing Ma、Baki M. Cetegen、Maurice Bell、「溶液前駆体プラズマ噴霧熱遮蔽コーティングにおける垂直亀裂の形成」、Surface Coatings and Technology、201、2006年、1058～1064ページ。
  16. ^ Xinqing Ma、Fang Wu、Jeff Roth、Maurice Gell、Eric Jordan、「ソリューションプラズマスプレープロセスで堆積された低熱伝導性遮熱コーティング」、表面およびコーティング技術、201、2006年、3343〜3349ページ。
  17. ^ XQ Ma、TD Xiao、J. Roth、LD Xie、EH Jordan、NP Padture、M. Gell、XQ Chen、JR Price、「ソリューション前駆体プラズマスプレープロセスを使用した制御されたミクロ構造を備えた厚い遮熱コーティング」、Thermal Spray 2004：テクノロジーとアプリケーションの進歩、ASM International、2004年5月10～12日（大阪、日本）、ASM International、2004年。
  18. ^ Maurice Gell、Fang Wu、Eric H. Jordan、Nitin P. Padture、Baki M. Cetegen、Liangde Zie、Alper Ozturk、Eric Cao、Amol Jadhav、Dianying Chen、およびXinqin Ma、「耐久性の高い遮熱コーティングを製造するための溶液前駆体プラズマスプレープロセス」、GT2005の議事録、ASME Turbo Expo 2005。
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