パート2：超硬合金の製造プロセス
第6章 コーティングと複合技術
硬質合金（ WCCo ）は、優れた硬度（HV1500～2500±30）、良好な靭性（K₁c 8～20 MPa·m¹ / ² ± 0.5）、そして優れた圧縮強度（>4000 MPa±100 MPa）を有し、航空宇宙、鉱業、エネルギー、深海工学などの分野で重要な役割を果たしています。しかし、高温（>1000°C±10°C）、強い腐食（pH<4±0.1）、高衝撃（>10³Hz ± 100 Hz）といった過酷な使用条件下では、表面性能に対する要求がより高くなり、単一の硬質合金ではこれらの要求を完全に満たすことは困難です。
～200μm±1μm ）と構造最適化（傾斜層、ナノWC <100 nm ±5 nm）により、耐摩耗性（摩耗速度 <0.06 mm³/ N·m ± 0.01 mm³/ N·m ） 、耐腐食性（腐食速度 <0.01 mm/年 ± 0.002 mm /年 ）、耐熱疲労性（寿命> 10 ⁵ 倍 ± 10 ⁴ 倍）を大幅に向上させます。 これらの技術は、超硬合金の耐用年数を延ばすだけでなく、航空タービンブレード（寿命> 5000時間 ± 500時間）、鉱山ドリルビット（> 1500 m ± 100 m）、深海バルブ（> 5年 ± 0.5年）など、その応用範囲を拡大します。
この章では、セメント炭化物コーティングの準備、 コーティング材料、傾斜およびナノ構造の超硬合金、コーティング性能テスト。コーティングの準備は、熱噴射技術（HVOF、APS、デトネーション噴霧など）に焦点を当て、噴霧パラメータ（速度600〜4000 m / s±10 m / s、温度2000〜15000 °C±100°C）を最適化することにより、高硬度コーティング（HV 1200〜1500±30）を実現します。材料の最適化は、 WCCo 、 WCNiCr 、および多相コーティング（WCTiCNiなど）をカバーし、硬度と靭性（K ₁ c 10〜15 MPa·m ¹ / ² ± 0.5）のバランスをとります。傾斜とナノ構造は、インターフェースエンジニアリングとナノ結晶強化により、総合的なパフォーマンス（強度> 4500 MPa±100 MPa）を向上させます。性能テストは、標準（ASTM G65、ISO 6508など）に従ってコーティングの信頼性を検証します。各セクションでは、プロセスの詳細、科学的メカニズム、最適化戦略、エンジニアリングの実践を組み合わせて、コーティングおよび複合技術の中核的な価値を明らかにします。
たとえば、HVOF 溶射 WC12Co コーティング (速度 700 m/s±10 m/s、厚さ 100μm±1μm) により、航空タービンブレードは高温気流 (1000°C±10°C) 中でも低摩耗 (<0.05 mm³/N·m±0.01 mm³/ N·m ) を維持し、耐用年数は 5000 時間 ± 500 時間を超えます。勾配WCCo (Co 含有量 5%-15%±1%) により、掘削深度 1800 m±100 m での採掘ドリルビットの耐衝撃性が向上します。ナノ WC コーティング (粒子 <100 nm±5 nm) は深海バルブに使用され、耐腐食性は 5 年 ± 0.5 年を超えます。この章は、プロセスパラメータと性能データを通じて第 5 章 (成形と焼結、WC 粒子サイズ 0.1-10μm±0.01μm、密度>99.5%±0.1%) とシームレスに接続し、後続の章 (アプリケーションと最適化) の基礎を築きます。
6.1 超硬合金コーティングの準備
超硬合金コーティングは、溶射、物理/化学蒸着（PVD/CVD）、またはレーザークラッディングによって、高性能基材（硬度HV 1500～2500±30、表面粗さRa<0.05μm±0.01μm）上に機能性コーティング（厚さ10～200μm±1μm、硬度HV 1200～1500±30）を堆積するものです。これらのコーティングは、耐摩耗性（摩耗速度<0.06 mm³/N・m±0.01 mm³/N・m） 、耐腐食性（腐食速度<0.01 mm/年±0.002 mm/年）、および高温酸化耐性（酸化重量増加<0.1 mg/cm²±0.02 mg/cm² ）を大幅に向上させ、厳しい作業条件の要件を満たします。熱噴射技術は、その高い効率（堆積率 > 90% ± 2%）、柔軟性（適用可能な基板サイズ > 100 mm ± 1 mm）、および経済性（コスト < $500/m² ± $ 50）により好まれる選択肢であり、航空、鉱業、エネルギー分野で広く使用されています。
本章では、高速酸素燃料噴射（HVOF）、プラズマ噴射（APS）、デトネーション噴射という3つの主流技術について詳細に解説し、それぞれのプロセス原理、パラメータ最適化、適用シナリオを分析します。コーティング品質は、噴射パラメータ（速度、温度、噴射距離）、粉末特性（粒径10～50μm±1μm、流動性12～15秒/50g±0.5秒）、および基材前処理（粗さRa 2～5μm±0.1μm）に依存します。本章では、熱流体力学（噴射速度600～4000 m/s±10 m/s）と界面接合メカニズム（接合強度50～80 MPa±5 MPa）を通して、コア技術を明らかにします。
例えば、HVOF溶射によるWC12Coコーティング（気孔率<1%±0.2%）は、航空機タービンブレードに使用され、摩耗寿命は5000時間±500時間以上です。また、APS溶射によるWCNiCrコーティング（厚さ150μm±1μm）は、鉱山用ドリルビットの寿命を1500m±100mまで延長します。以下は、プロセスの詳細、影響要因、およびエンジニアリングの実践の観点から、高性能コーティングを作製するための包括的なガイドです。
6.1.1 高速酸素燃料噴霧（HVOF、コーティング硬度HV 1200-1500）
プロセス原理と技術の概要
高速酸素燃料溶射（HVOF）は、酸素と燃料の燃焼により高温・高速のジェットを発生させ、超硬合金基材に粉末材料を堆積させることで、高硬度・耐摩耗性を有するコーティングを形成する高効率溶射技術です。HVOFの核となるのは超音速ジェット（速度600～800 m/s±10 m/s）で、このジェットが粉末粒子（ WCCo 、粒径10～45μm±1μm）を部分的に溶融し、基材に高速で衝突させることで、緻密なコーティング（気孔率<1%±0.2%）を形成します。
HVOFは従来の溶射法と比較して、低温（2000～3000℃±50℃）でWCの分解を効果的に回避（<0.5%±0.1%）し、高性能超硬合金コーティングの製造に適しています。HVOF装置は、溶射ガン（出力>100kW±10kW）、燃焼室（圧力5～10bar±0.5bar）、ラバルノズル（スロート径8～12mm±0.1mm）で構成されています。酸素（純度>99.5%±0.1%、流量800～1200L/分±10L/分）が燃焼室で燃料（灯油など、流量0.3～0.5L/分±0.01L/分）と反応し、高いエンタルピー（>10MJ/kg±0.5MJ/kg）を放出します。
ラバルノズルを通してジェットは超音速まで加速され、粉末を基材（粗さRa 2～5μm±0.1μm）に衝突させ、扁平な飛沫粒子（直径50～100μm±5μm）を形成します。これにより、50～80MPa±5MPaの接合強度が確保されます。このプロセスにより、コーティング硬度はHV 1200～1500±30に達し、航空、鉱業などの分野で広く使用されています。
プロセスパラメータと堆積メカニズム
HVOFコーティングの形成には、燃焼、粒子加速、溶融、堆積の4つの段階があります。
燃焼段階
酸素は燃料と反応して高温ジェット（3000℃±50℃）を発生させます。この温度はWCの分解点（約3500℃±50℃）よりも低いため、炭化物の損失（<0.5%±0.1%）が低減されます。熱エンタルピー（>10 MJ/kg±0.5 MJ/kg）により、粒子が完全に加熱されます。
粒子加速
粉末はジェット内で加速され（速度700 m/s±10 m/s、滞留時間<1 ms±0.1 ms ） 、表面が溶融し（溶融率70%～90%±2%）、中心部は固体のまま（溶融<50%±5%）、WC粒子（0.5～2μm±0.01μm）が保持されます。
粒子の溶融と衝突
半溶融粒子が基板に衝突して平らなスパッタを形成し、機械的な連結と痕跡拡散（深さ <1μm±0.1μm）により高い接合強度（>60 MPa±5 MPa）が形成されます。
コーティングの固化
急速冷却（速度 >10 ⁶ K/s±10 ⁵ K/s）により、硬度 HV 1400±30 の緻密なコーティング（多孔度 <1%±0.2%）が形成されます。
ジェットダイナミクスはベルヌーイの定理（速度 約√(2ΔP/ρ)、ρ 約1 kg/m ³ ± 0.1 kg/m ³ ）に従い、熱伝導率は10 ⁴ W/m ² · K±10 ³ W/m ² · Kです。スプレー距離（250 mm±5 mm）と酸素流量（1000 L/min±10 L/min）を最適化することで、気孔率を0.8%±0.1%未満に低減できます。例えば、HVOFスプレーWC12Co（速度700 m/s±10 m/s、厚さ100μm±1μm）コーティングは、硬度HV 1400±30、気孔率<0.8%±0.1%であり、航空タービンブレードの高い耐摩耗性要件を満たしています。
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