硬度の低下は、主に加工硬化の熱的解放によって引き起こされます。熱間等方圧加圧（HIP）は密度を高めるために不可欠ですが、関与する高温は材料の回復、再結晶、結晶粒成長を誘発します。このプロセスは、コールドスプレーの高速度衝突中に生成された残留圧縮応力を効果的に緩和し、Ni–20Cr合金をバルク材料に典型的な、より柔らかく、より延性の高い状態に戻します。
コアの洞察： HIPプロセスは根本的なトレードオフをもたらします。運動学的衝撃によって得られた「人工的」な硬度を犠牲にして、構造的完全性を達成します。コーティングを高温（例：900℃）にさらすことで、気孔率を除去しますが、避けられないように微細構造をリセットし、初期の高い硬度値をもたらしたひずみ硬化を消去します。
微細構造の変態
運動エネルギーの解放
コールドスプレー堆積は、材料を接合するために高速粒子衝突に依存しています。この激しい衝突は、激しい残留圧縮応力を生み出し、粒子を激しく変形させます。「加工硬化」とは、スプレー直後のNi–20Cr層に例外的な硬度を与えるものです。
熱的回復と再結晶
HIP中、材料は同時に高圧と高温にさらされます。熱エネルギーにより、ひずんだ結晶格子が緩和されます。これにより、回復と再結晶が開始され、変形した結晶粒が新しい応力のない結晶粒に置き換わり、コールドスプレープロセスによる硬化効果が消去されます。
結晶粒成長
プロセスが続くと、新しく形成された結晶粒は大きくなる傾向があります。結晶粒成長は材料の軟化にさらに寄与し、機械的特性をコーティングの硬くて脆い性質から、バルク合金のより柔らかい平衡状態へと移行させます。
トレードオフの理解
密度対硬度
硬度は低下しますが、材料の構造品質は大幅に向上します。HIPは内部の気孔や微小空隙を閉じるように強制し、Ni–20Crの見える気孔率を約9.54%から2.43%に減少させます。
延性対脆性
硬度の低下は、延性の増加に直接関連しています。スプレー直後のコーティングは硬いですが、その多孔質で応力のかかった性質のため、しばしば脆いです。微細構造の均質化を経たHIP処理された層は、はるかに均一で破壊に耐性があり、鍛造合金の特性を反映しています。
目標に合わせた適切な選択
Ni–20CrコールドスプレーアプリケーションにHIPを適用するかどうかを決定する際には、機械的要件を優先する必要があります。
- 主な焦点が最大表面硬度である場合：高温HIPは避けてください。スプレー直後の状態は、加工硬化を利用して耐摩耗性を最大化します。
- 主な焦点が構造的完全性と疲労寿命である場合：HIPを適用して内部の空隙を閉じ、微細構造を均質化し、材料がバルク合金レベルまで軟化することを受け入れてください。
最終的に、硬度の低下はプロセスの欠陥ではなく、完全に密な、冶金的に安定したコンポーネントを達成するために必要な結果です。
概要表：
| 特徴 | スプレー直後のNi–20Cr | HIP後のNi–20Cr |
|---|---|---|
| 硬度 | 高い（加工硬化） | 低い（応力緩和） |
| 気孔率 | 高い（約9.54%） | 低い（約2.43%） |
| 微細構造 | ひずみ/変形 | 再結晶/均質化 |
| 延性 | 低い（脆い） | 高い（鍛造品様） |
| 主な利点 | 最大表面硬度 | 構造的完全性＆疲労寿命 |
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参考文献
- Parminder Singh, Anand Krishnamurthy. Characterization and High-Temperature Oxidation Behavior of Ni–20Cr Deposits Fabricated by Cold Spray-Based Additive Manufacturing. DOI: 10.3390/coatings13050904
この記事は、以下の技術情報にも基づいています Kintek Press ナレッジベース .
