第4章 マクロレーザープロセシング

9. レーザークラッディング

著者:沓名 宗春

1. はしがき

近年、レーザーを始め、プラズマ、イオンビーム、電子ビームなどビームエネルギーを用いた金属の表面加工技術が開発され、各種部品の多機能化、長寿命化、高性能化などに広く利用されるに至った。すなわち、ここ20年間に材料工学のみならず半導体工学、精密機械工学、電子工学などの分野においても、金属、合金、酸化物、炭化物、窒化物などの薄膜生成や皮膜形成により、物理的、化学的、機械的な表面機能の強化、電気的機能の付加、光沢や色彩の変化による意匠性の付与などの目的で高エネルギービームによる表面加工技術が研究開発され、表1に示すように実用化されている1)。レーザーによる皮膜生成による研究も近年盛んで、すでにレーザークラッディングは自動車産業、エネルギー産業、機械産業などで実用化されている。ここではレーザークラッディングを概説する。

2. レーザークラッディングの特徴と溶融特性

レーザービームを材料表面に照射するときのエネルギー密度を102〜1012W/cm2の広範囲で変化できることから、材料の単なる加熱・溶融から蒸発・イオン化(プラズマ化)まで可能で、各種レーザー表面加工法が開発された。レーザークラッディングもその1つである。金属表面に各種材料を合金化・肉盛させ、部品の耐食性、耐摩耗性、耐酸化性などを向上させる。Cr、Ni、Mo、Wなどの金属、酸化物や炭化物などの化合物、金属間化合物を多く含む合金層を形成させる。レーザークラッデイングはつぎの特徴をもつ。
1) 高エネルギー密度のため高融点材料も肉盛可能
2) 線材が困難な金属酸化物や炭化物など脆性な材料も粉末の溶加材として利用できる。
3) 微細肉盛が可能である。
4) 低い希釈率を得るなど希釈率の制御が容易。
5) 結晶粒が微細で、偏析のない均一な金属組織が得られる。肉盛部の性能向上が可能。
6) 合金成分や肉盛層の厚み制御が容易で、直接造形や補修肉盛に利用できる。
7) 準安定相、過飽和固溶体の生成も可能。固溶限の拡大になる。従来以上に性能が期待できる。
8) 熱が低く、冷却速度・凝固速度が大きい。
9) 熱歪の発生がわずか。
10) 局部の補修、肉盛に適する。
これらの特徴を2〜3のデータで示す。たとえば上記の7)の特徴を示す。図1はニッケルの表面にニッケルーハフニウムをレーザークラッディングしたときの固一液界面での冷却速度を示す2)。1秒以内では冷却速度が100°C/s以上と非常に.高い。また、この時の肉盛層厚さとレーザー入熱量に対するハフニウムの濃度を図2に示す2)。レーザー照射時間が短かく、肉盛層厚さが薄いときにはハフニウムの濃度は固溶限(平衡状態では3.05%)を超えて、3.65%にもなる。急冷により固溶限拡大が起こったことを意味する。
レーザークラッディングでの冷却速度は通常103〜106°C/sと急速で、合金元素の偏析が生じにくい。また、基板との接合界面での合金元素の拡散距離が短かいなどの特徴もある。
レーザービーム吸収率は母材の材質よりも用いる粉末や表面状態の方が大きく作用する。図3は軟鋼母材に二ツケルやFe+Cr粉末にエチルシリケートを混合したときのビーム吸収率を示す3)。SiO2の添加により吸収率が増加する。通常粉末添加のレーザークラッディングでは約50%〜80%の吸収率である。



これらの特性をもつレーザークラッディングが生産ラインにFAシステムとして採用されるとさらにつぎのような利点が生じる。

  • 欠陥発生の低下による不良率の低減
  • 品質のバラツキが減少する。
  • 高価な供給粉末の消耗量が低下する。
  • 肉盛後の後工程の大幅な省略
  • 加工時間の大幅な低減で、生産性が高まる
  • トータルコストの大幅低減
  • 製品品質の向上

近年、傾斜材料の研究が盛んであるが、レーザークラッディングによる傾斜肉盛の研究もある4)。図4はチタンにTi-15A1-3.7V/Ti-17AI-3.7V/Ti-3OAI-2.8Vの3層を肉盛したときの耐酸化性を示す4)。3層にして、アルミニウムの含有量を30%まで高め、耐酸化性を向上させている。

3. レーザークラッディング機器システム

レーザークラッディングに用いられるレーザーとしては大出力CO2レーザーやYAGレーザーのほか、近年は高出力半導体レーザー、ファイバーレーザーが利用されている。そのビームモードはマルチモードやリングモードのものも、そのエネルギー分布を光学系で均一化して利用される。ただ、レーザー直接造形や微細肉盛に用いるレーザーはそのスポットサイズはかなり微細に絞り用いる。
図5は3種類の粉末を同時に送給し、レーザークラッディングするシステムを示す5)。このシステムではNi-Si-Cr粉末、CrC粉末およびNi-B粉末を調合し(Ni-Cr-Si-C-B)系合金の肉盛層を形成し、耐磨耗性の向上にっいて検討された。同様のシステムが図6に示すような航空機部品の肉盛に利用された愛このシステムは粉末供給型クラッディングの代表的なもので、通常キャリヤガスとしてはアルゴンが用いられる。ただ、反射球ヘッドを用いている点が特徴で、これによりレーザービームの反射を低下させている。
最近は高出力半導体レーザーを用いたレーザークラッディングシステムもある。また、YAGレーザーと光フアイバーを用いたクラッディングシステムで、エネルギープラントの小径管内面の肉盛を実施した例もある。
レーザークラッディングに用いる光学系には通常のレンズ集光光学系やミラー集光光学系以外につぎのようなものがある。

  • 線状ビーム集光光学系
  • セグメントミラー集光光学系
  • オシレーションビーム光学系
  • 回転ビーム光学系
  • カライドスコープ光学系
  • ファイバー伝送集光光学系
  • x-Yガルバノミラー光学系

図7及び8は300WYAGレーザー装置、6軸制御溶接用ロボット、光ファイバー、粉末送給装置、肉盛用加工へッドを組合せたレーザークラッディングロボットシステムの一例を示す7)



4. レーザークラッディングの施工条件

レーザークラッディングの施工時にその品質保証のために図9に示すような因子を事前に検討する必要がある8)。たとえば、粉末供給の位置、方向、角度、送給量なども大きな影響因子である。特に被肉盛材が円筒形の場合には大きく影響し、肉盛コストの約50%をしめる粉末の量や肉盛部の品質に影響する。希釈率と比エネルギーとの関係を図10に示す9)。エネルギー(E=レーザー出力/(ビード幅)/(走行速度))と希釈率比が直線関係で示させる。また、図11にコバルト基粉末の肉盛の場合の希釈率と比エネルギーの関係を示す10)。希釈率は出力密度により大きく変化している。表面の前処理によってもビード形成が大きくことなることがある。機械加工のままよりもショットブラストを行うと鋼板へのビード形成が良好になる11)。表2はこれまでに報告されたレーザークラッディングの施工条件の例を示す12)。なお、これらのレーザークラッディングの施工条件などをコンピュータで計算し、設計する手法が英国のスティーン教授(リバプール大学)により開発されている。将来はこのような加工ソフトにより、各種材料の肉盛条件が設定されるようになろう。




5. レーザークラッディンクされる各種肉盛材料

5.1 鉄系
  • Fe-Cr-Mn-Cがステライト#6より優れる性能を示すので耐磨耗合金として研究されている13)。界面での合金元素の分布は図12にように約20μmの範囲で変化していて、接合界面での合金元素の拡散距離が短かいことを示す13)
  • Fe-W-V-Cr-Mo-C:木材用切削刃物の刃としてSKH材を改良したこの合金がレーザークラッディングされると刃物の寿命が約10倍改善される14)
5.2 ニッケル系
  • Ni-22Cr-10Al-lY:耐熱被覆材料やセラミックスのコーティングの際に基板との結合層としてこの材料が被覆される16)。とくに耐酸化性の向上が期待できる。
  • Ni-Fe-Cr-Al-Hf:耐熱コーティング材として10kWCO2レーザー研究され16)、ハフニウムが固溶限以上に添加できることやγ’相がレーザー出力の増大とともに増加することが示された。
  • Ni-Cr-B-Si(自溶性合金):排気バルブの肉盛用に研究された17)。衝撃磨耗に対しても良好であった。
  • Ni-Cr-Ta-B:塩酸や硫酸に対する耐食性が非常に良好である18)
  • Ni-20Al-7Cr-3Hf:1200°Cで非常によい耐酸化性をもつ合金の肉盛部の組織が確認されている19,20)

5.3 コバルト基
  • Co-Cr-W(自溶性合金):排気バルブの肉盛用に研究れた17)。衝撃磨耗に対して良好であった。
  • Triballoy 400/800:高融点金属間化合物の晶出する耐磨耗合金で肉盛層の硬さなどが研究された21)
  • ステライト#6:炭化物析出コバルト基耐磨耗性合金は自動車エンジンバルブのレーザークラッディング用に利用されている。
5.4 モリブデン基
  • Mo:ステンレス鋼に高モリブデンの肉盛層をレーザーで形成すると、400μMの深さで15.5%Moの層が得られ、硬さも約800Hvとなった22)
5.5 銅合金
  • Cu-Zn/Cu-Sn-P/Cu-Sn-Pb:建設機械摺動部品の耐磨耗合金として鋳鉄部品の肉盛に用いられる。ポロシティはSiやE添加により防止できる23)。図13に鋳造のままの合金とレーザークラッディング材の比磨耗量を示す。
5.6 チタン系
  • TiC-Ni:Ti-6A1-4Vにこの合金を肉盛し、耐磨耗性の向上を計っている。肉盛部は金属間化合物が生成し、母材に比べ、10数倍の耐磨耗性を示した24)。また、Ti-15A1-3.7V/Ti-17A1-3.7V/Ti-3OA1-2.8Vの3層を肉盛し、耐酸化性を向上させている例もある。
5.7 タングステン系
  • WC-Ni/WC-Ni-Co:ステンレス鋼にコバルト被覆WCあるいはWCとW2Cの共晶粉末とニッケル粉末の混合粉を肉盛割れのない耐磨耗性の肉盛層が得られた25)。棒材の表面硬化設備の入口ローラの耐磨耗肉盛に利用されている。

6. 肉盛部の欠陥と性能

レーザークラッディングにおいてもポロシティ(気孔)、割れ、ビード外観不良、融合不良などの欠陥が生じる。とくに冷却速度が速いために、急冷による割れやポロシティが生じる。

6.1 ポロシティ(気孔)

ポロシティはガスの放出、凝固時の収縮孔(キャビティ)、パス間キャビティなどにより発生する。ガスの放出は用いる母材、粉末、シールドガスの種類とシールド方法などにより異なる。収縮孔は低融点金属に高融点金属を肉盛すると生じやすい11)

6.2 割れ

急冷されることにより、収縮応力が発生、材料の硬化・ぜい化、大きい拘束などが生じ、割れが発生することがある。とくに硬化肉盛の多層肉盛溶接では拘束や変形が大きくなり、割れが発生しやすい。ただし、従来のガス肉盛に比べ、その傾向が低く、エンジンバルブの肉盛では従来法では予熱が必要であったが、レーザークラッディングでは不要になっている。

6.3 密着性

レーザークラッディングの密着性は溶融接合であるので非常によく、溶射やろう付などに比べ、信頼性の高い接合部が得られる。

6.4 組織の均一性

とくに、ビームオシレーション技術を用いることにより非常に均一でかつ微細な組織が得られる。トヨタ自動車および豊田中央研究所で開発されたエンジンバルブシートへの銅基粉末のレーザークラッディングではある大きさの第2相晶出粒子を均一に分布させるというプロセス制御がなされている。当然、合金元素の分布も均一で、急冷のため、室温では過飽和状態になりやすい。固相での析出が抑制された形になる。TIG肉盛に比べて、結晶粒の大きさも細かくなる。

6.5 硬さ分布

組織が均一になることから、硬さ分布もほぼ均一になる。過飽和固溶体の固溶強化、微細化、急冷による変態、金属間化合物など第2相の晶出・析出、点欠陥の増大などにより硬さもそれぞれの合金で非常に高くなる。

6.6 変形と残留応力

12.5mm厚の軟鋼に1.4mmのステンレス鋼を肉盛した時に、285N/mm2残留応力がX線法で計測されたデータがある11)。この残留応力は母材を予熱しておくと低減できる。従来法に比べ、絶対値は通常低い。

6.7 その他

レーザークラッディングは耐磨耗性、耐酸化性、耐食性、耐絶縁性などの改善に非常に有効であり、すでに多くの研究結果がそれを証明している。よって、従来法に変わって製品の寿命向上の手段として今後適用が拡大されると思われる。とくに、肉盛層の厚みを数10μmのオーダーで制御できるので、大きな部品のみならず、小型部品への適用も拡大されると思われる。

7. レーザークラッディングの実用例

すでにガスタービンエンジンブレードの部分レーザークラッディング、発電用タービンエンジンブレードのレーザー補修肉盛、自動車エンジンバルブのコバルト基合金の肉盛およびバルブシートへの銅合金の肉盛、製鉄設備用ローラの肉盛など実用化されている。

7.1 エンジンバルブシートのクラッディング

図14は国内の自動車メーカで10年前実用化された工ンジンバルブシートのレーザー肉盛の例を示す26)。従来耐熱性を考慮した鉄基焼結合金がシート部に圧入されていたが、熱伝達効率が低く、バルブ材への熱負荷が大きかった。そこでシート部の材質を熱伝導性のよい銅合金にして、CO2レーザーで直接銅基合金粉末を肉盛することにより、吸気口断面積の増大、吸気排気量の増大をもたらし、吸気温度の低下などによる自動車エンジンの性能向上につながった。この開発で興味深いのが粉末の成分開発である。図15に示すように液相状態で2相に分離する合金系を選び、2相が分離した状態で大型の粒子が晶出し、さらにその粒子の中に第2析出相が生じるように設計されている26)


7.2 自動車エンジンバルブのクラッディング

自動車エンジンのバルブはすでに18年間レーザークラッディングで肉盛されている。トヨタ自動車の子会社愛三工業では従来のガス肉盛に変わり、図16に示すように11台のCO2レーザー加工機でニッケル基合金を肉盛している27)。また1990年1年間でバルブシートの肉盛に約18トンのステライト#6粉末が米国のStardyneジョブショップ1社で用られた報告もある28)

7.3 エネルギープラントのクラッディング

ボイラ管や蒸気発生器の水壁パネルにレーザークラッディングがおこなわれている。ステンレス鋼管およびCr-Mo耐熱鋼管外面にNi-Cr-Co-Mo合金を肉盛している29)。さらに、原子力プラントのステンレス鋼管の応力腐食割れ防止のために管内面にも適用されようとされている。

7.4 戦闘機のチタン合金部材のレーザー肉盛直接造形

近年、レーザー肉盛直接造形によりCADデータを用いて3次元形状の物体や形を造形する技術が発達してきた。これはレーザー肉盛技術の発達したもので、粉体を同軸ノズルで供給して微細な肉盛ビードを積層することにより、造形できる。米国の航空機産業ではすでに図17に示すような戦闘機チタン合金部材のレーザー肉盛による直接造形を実用化している30)。同じような直接造形法で射出成形用金型(水冷チャンネル付き)の製造にも利用されている。

7.5 大型機械部品の肉盛

図18に大型のロールの表面にレーザークラッディングを適用した例を示す。このように摩耗の激しい機械部品の表面肉盛にレーザークラッディングが利用されている31)。また、鉱山機械も局部的に摩耗が激しく、硬化肉盛が要求される。図19はギアジャーナルのレーザークラッディング状況を示す。表面のみ硬化させ、耐摩耗性を向上している32)


8. あとがき

多くの研究成果があるにも関わらず、レーザークラッディングの適用が限られた範囲にあるのは全面肉盛ではコスト高になることや、補修用の肉盛には数の面からコスト高になるなどの問題が指摘されている。しかし、すでに、各種自動車部品のレーザークラッディングや、航空機部品や機械部品のレーザークラッディングが実用化され、実績も上がっている。

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