信頼性の高いTBCコーティング前の主要表面処理工程
表面工学および品質保証の観点から見ると、サーマルバリアコーティング（Thermal Barrier Coating, TBC）を施す前の超合金基材の表面処理は、コーティングそのものよりも重要であるといっても過言ではありません。汚染、不適切な表面形態、あるいは前処理による表面下損傷が存在すると、コーティング品質がどれほど高くても早期のTBC破損を引き起こすことは避けられません。この工程は、完璧な密着性と長期安定性を保証するために設計された、厳密に管理された多段階のプロセスです。
重要な表面処理ステップ
1. 脱脂および化学的洗浄
最初のステップでは、CNC加工や取扱い工程から生じる有機汚染物、油分、残留物をすべて除去します。
プロセス： 蒸気脱脂、アルカリ洗浄、または特殊溶剤を使用した超音波洗浄を行います。
理由： 炭化水素残渣は弱い境界層を形成し、ボンドコートとの金属的接触を阻害します。また、ボイドや剥離の起点となるため完全除去が不可欠です。
2. 機械的表面活性化（グリットブラスト）
コーティングの機械的な食い込み（キーイング）を最適化するための基本的な工程です。
プロセス： 鋭利なエッジを持つメディア（一般的にアルミナグリット）を、制御された圧力と角度で噴射します。この工程は規格で定義されており、通常表面粗さ（Ra）3〜5μm（120〜200マイクロインチ）の範囲に調整されます。
理由： 粗化された表面は、ボンドコートの接着面積を大幅に増加させ、機械的なアンカー効果をもたらします。また、表面近傍の加工硬化を促し、強度面で有利に働く場合もあります。ただし、メディアの埋没や過度な加工硬化を防ぐため、プロセス管理が極めて重要です。
3. 最終化学洗浄および酸化膜除去
グリットブラスト後には、より精密な化学洗浄を実施します。
プロセス： 酸エッチングや化学的脱スミ処理を行い、残留する微細な汚染物、埋没メディア、ブラスト後に形成された酸化膜を除去します。
理由： グリットブラストにより露出した新鮮な金属表面は、直ちに酸化を開始します。この新生酸化膜は密着性が低く、ボンドコートの付着を妨げるため、塗布直前に除去する必要があります。ニッケル基超合金であるインコネル718などでは、低酸性の脱酸化処理がよく用いられます。
4. ボンドコートの適用
ボンドコートはTBCシステムの一部であり、セラミックトップコートを施すための最終かつ最も重要な表面処理工程です。
プロセス： ボンドコート（通常はMCrAlY合金または拡散型アルミナイド）は、真空プラズマ溶射（VPS）または電子ビーム物理蒸着（EB-PVD）などの制御された方法で施工されます。
理由： この層には2つの主要な機能があります。1）安定したAl₂O₃スケール（TGO）を形成して酸化抵抗を提供すること、2）金属基材とセラミックトップコートの熱膨張差を緩和することです。施工は酸素のない真空または不活性ガス雰囲気下で行い、不安定酸化物の生成を防ぐ必要があります。
5. ボンドコートの表面活性化（任意だが極めて重要）
YSZトップコートを施す前に、ボンドコート表面に最終的な調整を行う場合があります。
プロセス： 軽度のグリットブラストまたは制御された熱処理を施し、表面をわずかに粗化または活性化させ、TBC密着に最適な化学状態に整えます。
理由： この工程により、ボンドコート表面に微細で均一な粗さを形成し、トップコートの機械的食い込みを向上させるとともに、TGOの均一な核生成を促進します。
エンジニアリングおよび品質管理上の考慮事項
材料固有性： 使用する洗浄薬品やエッチング条件は、対象となる超合金基材に合わせて最適化され、選択的エッチングや析出相のピッティングを防ぎます。
プロセス検証とトレーサビリティ： 各工程は文書化および検証される必要があります。航空宇宙部品の場合、NADCAPなどの厳格な規格に準拠し、使用メディアのロット番号、清浄度、プロセスパラメータなどがすべて記録されます。
時間的制約の厳守： 最終洗浄からボンドコート施工（特にVPSやEB-PVD）までの時間を最小限にする必要があります。通常、再酸化を防ぐため、この間隔は数時間以内に制限されます。
コーティング前検査： 前処理後の基材は、外観・寸法・浸透探傷検査などにより厳密に確認され、欠陥の有無、適切な粗さ、清浄度が保証されてからコーティングチャンバーへ投入されます。
