TWI647321B - 表面改質構件的製造方法 - Google Patents

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Abstract

一種表面改質構件的製造方法，包含：在基材上形成熔射塗膜之製程；將高能束照射到熔射塗膜的表面，將厚度方向中的熔射塗膜的全體及基材的一部分熔融，使其凝固形成被緻密化的改質層之製程；在即將形成的改質層上形成熔射塗膜之製程；以及將高能束照射到熔射塗膜的表面，將厚度方向中的熔射塗膜的全體及即將形成的改質層的一部分熔融，使其凝固形成被緻密化的改質層之製程。

Description

表面改質構件的製造方法
本發明是關於在基材上形成熔射塗膜後，藉由將高能束(high energy beam)照射到該熔射塗膜的表面而將塗膜熔融，使其凝固形成被緻密化的改質層之表面改質構件的製造方法。
為了提高構造物表面的功能性，在構造構件的表面形成各種熔射塗膜被廣泛進行。熔射法(thermal spraying method)是將金屬、陶瓷、金屬陶瓷(cermet)等的熔射材料供給至可燃性氣體的燃燒火焰或氬、氦、氫等的電漿火焰(plasma flame)中，使金屬、陶瓷、金屬陶瓷等的熔射材料成軟化或熔融的狀態，藉由以高速噴塗至被熔射體的表面，將熔射塗膜塗佈(coating)於其表面的表面處理技術。
在例如半導體製程中的處理容器內，因在包含氟化物或氯化物的氣體中使電漿(plasma)產生，故有在處理容器內各種構件腐蝕的問題。因此，如專利文獻1藉由以熔射法將屬於週期表的第13族的元素之氧化物的Y2O3被覆於部分表面，提高耐電漿腐蝕性(plasma erosion resistance)。
在專利文獻2中作為更進一步的改善案，藉由在基材表面對週期表的第13族元素的氧化物進行熔射形成多孔層，將雷射等的高能束照射到多孔層的表層使其緻密化形成二次再結晶層，即使是更加苛刻的腐蝕性氣體環境中也能耐得住而構成。
而且，作為藉由高能束的照射使表層改質的其他目的，如專利文獻3所示，已知有在鋁材的表面的所需部位形成附加物質塗膜之熔射塗膜後，將脈衝雷射(pulsed laser)照射到熔射塗膜使塗膜熔融，形成熔射塗膜與鋁的合金化層或複合化層。
[專利文獻1] 日本國特開2001-164354號公報
[專利文獻2] 日本國特開2007-247043號公報
[專利文獻3] 日本國特開平9-170037號公報
作為使用熔射法的塗佈技術的課題之一可舉出基材與熔射塗膜的密著性。在專利文獻2的方法中，即使以雷射僅使熔射塗膜的表層熔融，使其凝固並形成再結晶層，可提高耐電漿腐蝕性，也無法提高基材與熔射塗膜的密著性。
另一方面，如專利文獻3所示，依照得到基材與熔射塗膜的合金化層的方法，雖然密著性提高，但為了使合金化層厚厚地形成，需使雷射的能量過剩，於是在塗膜中過剩地包含有基材的成分，發生無法得到所希望的 表面性能的問題。
因此，本發明是鑑於習知技術的問題點，其目的為提供一種在基材成分的混入被降低的狀態下可得到對基材具有高的密著性，且被厚膜化的改質層之表面改質構件的製造方法。
本發明的表面改質構件的製造方法，其特徵在於：依照如下的製程(a)及製程(b)的順序進行後，依照製程(c)及製程(d)的順序進行1次或依照製程(c)及製程(d)的順序進行複數次：(a)：在由金屬、合金或金屬陶瓷構成的基材上形成由金屬、合金或金屬陶瓷，且與基材不同的材料構成的熔射塗膜之製程；(b)：將高能束照射到藉由前述製程(a)形成的熔射塗膜的表面，將厚度方向中的該熔射塗膜的全體及前述基材的一部分熔融，使其凝固形成被緻密化的改質層之製程；(c)：在即將形成的改質層上形成由金屬、合金或金屬陶瓷，且與前述基材不同的材料構成的熔射塗膜之製程；以及(d)：將高能束照射到藉由前述製程(c)形成的熔射塗膜的表面，將厚度方向中的該熔射塗膜的全體及前述即將形成的改質層的一部分熔融，使其凝固形成被緻密化的改質層之製程。
本發明的表面改質構件的製造方法的更詳細的特徵可舉出以下的(1)~(7)：
(1)、藉由前述製程(a)形成的熔射塗膜的熱傳導率(thermal conductivity)比前述基材的熱傳導率小。
(2)、藉由前述製程(c)形成的熔射塗膜的熱傳導率比前述即將形成的改質層的熱傳導率小。
(3)、藉由前述製造方法形成的熔射塗膜的至少一個其熱傳導率為20W/(m‧K)以下。
(4)、藉由前述製造方法形成的熔射塗膜的至少一個其膜厚為50~300μm。
(5)、藉由前述製造方法形成的熔射塗膜的至少一個由與其他的熔射塗膜的至少一個不同的材料構成。
(6)、藉由前述製造方法形成的熔射塗膜的至少一個由與其他的熔射塗膜的至少一個同一的材料構成。
(7)、前述高能束為雷射，其能量密度為1.0×102~1.0×104J/cm2。
依照本發明，在照射高能束時因使最外層的熔射塗膜與其正下方的層同時熔融，故可得到堅固地密著的改質層。而且，因在高能束的照射時，在第二次以後的製程中不使基材熔融，故越往上層去基材成分越被稀釋化。進而可使這種改質層厚厚地形成。
1、20‧‧‧表面改質構件
2‧‧‧基材
3‧‧‧被覆層
4‧‧‧第一改質層
5‧‧‧第二改質層
6‧‧‧第三改質層
7‧‧‧第四改質層
8‧‧‧第五改質層
10‧‧‧第一熔射塗膜
11‧‧‧第二熔射塗膜
12‧‧‧第三熔射塗膜
圖1是顯示製程(a)及製程(b)的各階段之製程圖。
圖2是顯示第一次的製程(c)及製程(d)的各階段之製程圖。
圖3是顯示第二次的製程(c)及製程(d)的各階段之製程圖。
圖4是顯示第二次的製程(d)完了後的表面改質構件之模式剖面圖。
圖5是顯示第四次的製程(d)完了後的表面改質構件之模式剖面圖。
以下就本發明的表面改質構件的製造方法的一實施形態進行說明。圖1~圖3是顯示以下的實施形態的各階段之製程圖。圖1~圖3中的各製程分別是由上朝下依序進行。
首先，如圖1所示藉由熔射法在基材2上形成第一熔射塗膜10(製程(a))。其次，將高能束照射到第一熔射塗膜10的表面。此時，使厚度方向中的第一熔射塗膜10的全體及基材2的一部分熔融，使其凝固。據此，在基材2上形成被緻密化的第一改質層4(製程(b))。
接著，如圖2所示藉由熔射法在第一改質層4(即將形成的改質層)上形成第二熔射塗膜11(製程(c))。其次，將高能束照射到第二熔射塗膜11的表面。此時，使厚度方向中的第二熔射塗膜11的全體及第一改質層4的一部分熔融，使其凝固。據此，在第一改質層4上形成新的第二改質層5(製程(d))。
接著，如圖3所示藉由熔射法在第二改質層5(即將形成的改質層)上形成第三熔射塗膜12(製程(c))。其 次，將高能束照射到第三熔射塗膜12的表面。此時，藉由高能束使厚度方向中的第三熔射塗膜12的全體及第二改質層5的一部分熔融，使其凝固。據此，在第二改質層5上形成新的第三改質層6(製程(d))。
藉由以上的製程製作的表面改質構件1如圖4所示藉由基材2，與由被覆基材2的表面的複數個改質層4、5、6構成的被覆層3構成。
基材2由金屬、合金或金屬陶瓷構成。金屬、合金及金屬陶瓷的種類未被特別限定，例如可舉出：選自於Ni、Cr、Co、Cu、Al、Ta、Y、W、Nb、V、Ti、B、Si、Mo、Zr、Fe、Hf、La的群的元素的單體金屬，及包含該等元素的一種以上的合金，較佳為不銹鋼(stainless steel)，或選自於Al、Cu、Ni、Cr、Mo的群的元素的單體金屬或包含該等元素的一種以上的合金。而且如後述，基材2的材質一邊考慮形成於基材2上的第一熔射塗膜10的熱傳導率，一邊適切地選擇較佳。此外，基材2不限於塊材(bulk material)本身，也可以為形成於塊材上的塗膜。
第一~第三熔射塗膜10、11、12由金屬、合金或金屬陶瓷構成。形成第一~第三熔射塗膜10、11、12的方法可舉出：大氣壓電漿熔射法(atmospheric pressure plasma spraying method)、低壓電漿熔射法(low pressure plasma spraying method)、高速火焰熔射法(high velocity flame spraying method)、氣體火焰熔射法(gas flame spraying method)、電弧熔射法(arc spraying method)、爆炸火焰熔射 法(detonation flame spraying method)等。其中高速火焰熔射法因可減少熔射時的氧化反應，成為比較緻密的熔射塗膜，故在後製程中熔融時，可得到特別良質的改質層。另一方面，對在高速火焰熔射法中難以形成塗膜的材料，或難以形成塗膜的基材，若使用大氣壓電漿熔射法則成膜容易，在熔融時也能得到十分良質的改質層。即使是其他的熔射方法也能藉由調節成膜條件或後製程中的熔融條件得到良質的改質層。
第一~第三改質層4、5、6都是藉由將高能束照射到熔射塗膜的表面而形成。藉由該處理，可得到具有比未處理的熔射塗膜還緻密的組織之改質層，可提高耐磨耗性或耐腐蝕性。
在製程(b)中的高能束的照射中，不僅第一熔射塗膜10，基材的一部分也同時熔融，使其凝固，故基材2與第一改質層4堅固地密著。
在第一次的製程(d)中的高能束的照射中，不僅第二熔射塗膜11，第一改質層4的一部分也同時熔融，使其凝固，故第一改質層4與第二改質層5堅固地密著。
在第二次的製程(d)中的高能束的照射中，不僅第三熔射塗膜12，第二改質層5的一部分也同時熔融，使其凝固，故第二改質層5與第三改質層6堅固地密著。
由以上依照本實施形態，可得到由基材2到最上層之第三改質層6的各層各自堅固地密著的表面改質構件1。
而且，在製程(b)及製程(d)中因高能束以不到達基材2的方式被照射，故由複數個改質層4、5、6構成的被覆層3隨著由基材2側朝表面側基材2的成分的含量減少。
在本實施形態中可藉由更進一步重複製程(c)及製程(d)，進行被緻密化的改質層的厚膜化。具體上製程(c)及製程(d)重複進行3次以上，例如7~10次左右也可以。此外，製程(c)及製程(d)只有1次也可以。
在本實施形態中構成基材2的材料及構成第一~第三熔射塗膜10、11、12的材料都是金屬、合金或金屬陶瓷，惟構成基材2的材料與構成第一~第三熔射塗膜10、11、12的材料的任一個不同。
構成第一~第三熔射塗膜10、11、12的材料均為同一也可以，且均不同也可以。而且，使第一~第三熔射塗膜之中僅一部分的材料不同，使其他的熔射塗膜的材料同一也可以。具體上使(i)、第一及第二熔射塗膜10、11的材料同一，僅第三熔射塗膜12的材料不同也可以，且(ii)、第一及第三熔射塗膜10、12的材料同一，僅第二熔射塗膜11的材料不同也可以，且(iii)、第二及第三熔射塗膜11、12的材料同一，僅第一熔射塗膜10的材料不同也可以。
在以各熔射塗膜使用不同的材料的情形下，在基材上就會形成有由堅固地密著的異種材料構成的改質層的積層。而且，在使用同一的材料的情形下，在基材上 就會形成有由某一種材料構成的被厚膜化的改質層。
不管各熔射塗膜的材料不同或同一，被厚膜化的改質層被覆基材，且當作源自基材的成分之混入最表面被減少的層構成實務上成為大的優點。據此，可形成對應適用對象的富變化的塗膜。
在本實施形態中雖然顯示作為照射到各熔射塗膜10、11、12的高能束使用雷射的例子，但也能替代使用電子束等。高能束的照射是考慮改質層4、5、6所要求的厚度、孔隙率(porosity)、基材成分的稀釋率等，適宜調節條件而進行，惟例如若將能量密度設定為1.0×102~1.0×104J/cm2，則基材2或即將形成的第一改質層4、第二改質層5的熔融適切地進行，容易得到層間密著性高的被覆層3，故較佳。
可在本實施形態使用的雷射的種類可舉出：光纖雷射(fiber laser)、半導體雷射(semiconductor laser)、YAG雷射(Yttrium Aluminum Garnet laser：釔鋁石榴石雷射)等。關於雷射的振盪方式可舉出連續振盪(continuous oscillation)、脈衝振盪(pulse oscillation)等，惟可更連續地給予熔射塗膜熱的連續振盪方式較佳。
在雷射的焦點的射束形狀為矩形、圓形等可適宜設定。雷射的掃描使焦點成固定的狀態而直線地進行掃描也可以，且使焦點成描繪圓或橢圓的狀態而直線地進行掃描也可以。而且，掃描雷射頭(laser head)側也可以，且掃描基材側也可以。除了該等條件之外，也考慮照射雷 射的熔射塗膜的熱傳導率，適宜設定照射條件。
構成第一~第三熔射塗膜10、11、12的金屬及合金的具體例可舉出：選自於Ni、Cr、Co、Cu、Al、Ta、Y、W、Nb、V、Ti、B、Si、Mo、Zr、Fe、Hf、La的群的元素的單體金屬，及包含該等元素的一種以上的合金。較佳為包含選自於Ni、Cr、Co、Al、Y、Mo的群的元素的一種以上的合金或Si。而且，金屬陶瓷可舉出：將選自於Cr3C2、TaC、WC、NbC、VC、TiC、B4C、SiC、CrB2、WB、MoB、ZrB2、TiB2、FeB2、CrN、Cr2N、TaN、NbN、VN、TiN、BN的群的一種以上的陶瓷與選自於Ni、Cr、Co、Cu、Al、Ta、Y、W、Nb、V、Ti、B、Si、Mo、Zr、Fe、Hf、La的群的一種以上的金屬複合化者。
將雷射照射到第一熔射塗膜10的表面時，若第一熔射塗膜10的熱傳導率比基材2的熱傳導率大，則因熱容易由第一熔射塗膜10擴散到基材2，故為了使熔射塗膜熔融需要更大的能量，會比設想基材2的熔融還常過剩地熔融。為了防止常過剩地熔融，第一熔射塗膜10的熱傳導率比基材2的熱傳導率小而構成較佳。若熔射塗膜的熱傳導率比基材的熱傳導率小，則熱擴散到基材被抑制，熔射塗膜容易熔融，並且基材不會過剩地熔融。
同樣地，將雷射照射到第二熔射塗膜11的表面時，若第二熔射塗膜11的熱傳導率比第一改質層4的熱傳導率大，則因熱容易由第二熔射塗膜11擴散到第一改質層4，故為了使熔射塗膜熔融需要更大的能量，第一改質 層4會比設想還常過剩地熔融。而且，將雷射照射到第三熔射塗膜12的表面時，若第三熔射塗膜12的熱傳導率比第二改質層5的熱傳導率大，則因熱容易由第三熔射塗膜12擴散到第二改質層5，故為了使熔射塗膜熔融需要更大的能量，第二改質層5會比設想還常過剩地熔融。為了防止常過剩地熔融，第二熔射塗膜11的熱傳導率比第一改質層4的熱傳導率小較佳，第三熔射塗膜12的熱傳導率比第二改質層5的熱傳導率小較佳。若熔射塗膜的熱傳導率比即將形成的改質層的熱傳導率小，則熱擴散到改質層被抑制，熔射塗膜容易熔融，並且改質層不會過剩地熔融。
第一~第三熔射塗膜10、11、12的熱傳導率分別為20W/(m‧K)以下較佳，更佳為15W/(m‧K)以下，最佳為10W/(m‧K)以下。
熱傳導率(W/(m‧K))若以依據JIS H7801：2005”利用金屬的雷射閃光法(laser flash method)的熱擴散率的測定方法”的方法測定熱擴散率(m2/s)，則可藉由下式算出。
熱傳導率k(W/(m‧K))=熱擴散率a(m2/s)×比熱c(J/(K‧kg))×密度ρ(kg/m3)
熔射塗膜的熱傳導率藉由熔射條件或熔射材料所固有具有的熱傳導率的組合等而適宜設定。金屬或合金所固有具有的熱傳導率只要參考金屬資料書(Metal Data Book)改訂3版(社團法人日本金屬學會編)等即可。
第一~第三熔射塗膜10、11、12的膜厚例如 能以10~500μm形成，為50~300μm較佳。藉由第一~第三熔射塗膜10、11、12的膜厚以50~300μm，使得基材2或即將形成的第一改質層4、第二改質層5的熔融適切地進行，容易得到層間密著性高的被覆層3。
第一~第三熔射塗膜10、11、12熔融在凝固時稍微收縮，惟因膜厚不大大地改變，故第一~第三改質層4、5、6的膜厚與第一~第三熔射塗膜10、11、12的膜厚約略同一。
依照本實施形態，第一~第三改質層4、5、6的孔隙率能以3%以下，較佳為以1%以下。據此，耐磨耗性或耐腐蝕性等的物理的、化學的特性提高。孔隙率以掃描電子顯微鏡(SEM：Scanning Electron Microscope)觀察熔射塗膜的剖面，對剖面照片進行二值化處理，將塗膜內部的黑色區域視為孔隙部分，藉由算出該黑色區域的全體所佔的面積的比例，可進行測定。
依照本實施形態，可藉由一次的雷射照射將基材成分稀釋為例如10~50%。若假定藉由一次的雷射照射將基材成分稀釋30%，則理論上第一改質層4的基材成分的含有率成為30%，第二改質層5的基材成分的含有率成為9%，第三改質層6的基材成分的含有率成為2.7%。然後藉由重複該作業而使基材成分更進一步被相乘地稀釋，故越增加層數，越能得到基材成分的含有率被減少的表面改質層。較佳為最上層的改質層的基材成分的含有率未滿10%，更佳為未滿5%，最佳為未滿1%。若基材成分的含有 率未滿1%，則可視為與將高能束照射到完全不包含基材成分的熔射塗膜而得到的改質層約略同一。
如此，在基材2上得到緻密化的第一~第三改質層4、5、6。若需更確保厚度，只要更進一步重複進行熔射塗膜的形成及高能束之照射到熔射塗膜的表面即可。若對在圖4所示的表面改質構件1更進一步重複進行兩次製程(c)及製程(d)，則可得到如圖5所示之具有由基材2與形成於基材2上的第一~第五改質層4、5、6、7、8構成的被覆層3的表面改質構件20。也就是說，在基材上形成n層的改質層的情形，只要在進行製程(a)及製程(b)後，更進一步依照製程(c)及製程(d)的順序重複進行(n-1)次(n>1，n為整數)即可。
依照本實施形態，形成於基材上的由複數個改質層構成的被覆層的厚度合計也能以3.0mm以上。
本實施形態的表面改質構件的製造方法包含上述(a)~(d)製程以外的其他製程也可以。例如上述(d)製程之後，對最表面進行研磨處理等的後處理也可以。而且，在形成熔射塗膜時或之前，依照需要包含將基材或改質層預熱的製程也可以。
[實施例]
以下就適用本發明的實施例及其比較例進行說明。
實施例1
準備100mm見方×10mm的不銹鋼(SUS304)的塊材當作基材，以Co合金(史泰勒合金(stellite)No.21)的粉末當作熔 射材料，藉由高速火焰熔射法在基材上以膜厚150μm形成第一層的熔射塗膜。其次，對第一層的熔射塗膜以能量密度3000J/cm2照射連續振盪雷射(CW)，使第一層的熔射塗膜的全體及基材的一部分熔融，使其冷卻凝固。據此，得到被緻密化的第一層的改質層。接著，對第一層的改質層，以與第一層相同的Co合金(史泰勒合金No.21)的粉末當作熔射材料，藉由高速火焰熔射法在基材的上方以膜厚150μm形成第二層的熔射塗膜。其次，對第二層的熔射塗膜以能量密度3000J/cm2照射連續振盪雷射(CW)，使第二層的熔射塗膜的全體及第一層的改質層的一部分熔融，使其冷卻凝固。據此，得到被緻密化的第二層的改質層。接著，對第二層的改質層，以與第一層相同的Co合金(史泰勒合金No.21)的粉末當作熔射材料，藉由高速火焰熔射法在第二層的改質層上以膜厚150μm形成第三層的熔射塗膜。其次，對第三層的熔射塗膜以能量密度3000J/cm2照射連續振盪雷射(CW)，使第三層的熔射塗膜的全體及第二層的改質層的一部分熔融，使其冷卻凝固。據此，得到被緻密化的第三層的改質層。重複以上的操作，製作了實施例1中的表面改質構件。
實施例2
除了連續振盪雷射(CW)的能量密度以1000J/cm2及各熔射塗膜的膜厚以50μm以外，其餘藉由與實施例1一樣的方法，製作了實施例2中的表面改質構件。
實施例3
除了連續振盪雷射(CW)的能量密度以6000J/cm2及各熔射塗膜的膜厚以300μm以外，其餘藉由與實施例1一樣的方法，製作了實施例3中的表面改質構件。
實施例4
除了連續振盪雷射(CW)的能量密度以200J/cm2及各熔射塗膜的膜厚以10μm以外，其餘藉由與實施例1一樣的方法，製作了實施例4中的表面改質構件。
比較例1
準備100mm見方×10mm的不銹鋼(SUS304)的塊材當作基材，以Co合金(史泰勒合金No.21)的粉末當作熔射材料，藉由高速火焰熔射法在基材上以膜厚5μm形成熔射塗膜。其次，對熔射塗膜以能量密度100J/cm2照射連續振盪雷射(CW)的結果，熔射塗膜熔融了，但無法使其熔融到基材，在熔融時熔射塗膜凝集，成為基材表面露出的結果。
實施例5
除了連續振盪雷射(CW)的能量密度以9000J/cm2及各熔射塗膜的膜厚以450μm以外，其餘藉由與實施例1一樣的方法，製作了實施例5中的表面改質構件。
比較例2
準備100mm見方×10mm的不銹鋼(SUS304)的塊材當作基材，以Co合金(史泰勒合金No.21)的粉末當作熔射材料，藉由高速火焰熔射法在基材上以膜厚600μm形成熔射塗膜。其次，對熔射塗膜以能量密度12000J/cm2照射連續振盪雷射(CW)的結果，雖然熔射塗膜熔融，但在熔射塗膜的 表面產生許多氣孔(blowhole)，成為基材露出的結果。
實施例6
除了連續振盪雷射(CW)的能量密度以12000J/cm2及各熔射塗膜的膜厚以450μm以外，其餘藉由與實施例1一樣的方法，製作了實施例6中的表面改質構件。
實施例7
除了控制形成熔射塗膜時的熔射條件(具體上為熔射距離與燃燒火焰的溫度)，形成熱傳導率不同的熔射塗膜以外，其餘藉由與實施例1一樣的方法，製作了實施例7中的表面改質構件。
實施例8
除了使用Ni合金(赫史特合金(hastelloy)C276)當作基材以外，其餘藉由與實施例1一樣的方法，製作了實施例8中的表面改質構件。
比較例3
準備100mm見方×10mm的Ni合金(赫史特合金C276)的塊材當作基材，以Co合金(史泰勒合金No.21)的粉末當作熔射材料，藉由高速火焰熔射法在基材上以膜厚150μm形成熔射塗膜。接著，對熔射塗膜以能量密度3000J/cm2照射連續振盪雷射(CW)的結果，雖然熔射塗膜可熔融，但對基材發生熱擴散，無法使基材熔融，熔融的熔射塗膜凝集，成為基材的一部分露出的結果。
實施例9
除了作為用以形成第三層的熔射塗膜的熔射材料使用 Ni合金(NiCrAlY)的粉末以外，其餘藉由與實施例1一樣的方法，製作了實施例9中的表面改質構件。
實施例10
除了作為用以形成第二層的熔射塗膜的熔射材料使用Ni合金(NiCrAlY)的粉末以外，其餘藉由與實施例1一樣的方法，製作了實施例10中的表面改質構件。
實施例11
除了作為用以形成第一層的熔射塗膜的熔射材料使用Ni合金(NiCrAlY)的粉末以外，其餘藉由與實施例1一樣的方法，製作了實施例11中的表面改質構件。
實施例12
準備100mm見方×10mm的Al的塊材當作基材，以Si的粉末當作熔射材料，藉由大氣壓電漿熔射法在基材上以膜厚100μm形成第一層的熔射塗膜。其次，對第一層的熔射塗膜以能量密度2000J/cm2照射連續振盪雷射(CW)，使第一層的熔射塗膜的全體及基材的一部分熔融，使其冷卻凝固。據此，得到被緻密化的第一層的改質層。接著，對第一層的改質層，以與第一層相同的Si的粉末當作熔射材料，藉由大氣壓電漿熔射法在基材的上方以膜厚100μm形成第二層的熔射塗膜。其次，對第二層的熔射塗膜以能量密度2000J/cm2照射連續振盪雷射(CW)，使第二層的熔射塗膜的全體及第一層的改質層的一部分熔融，使其冷卻凝固。據此，得到被緻密化的第二層的改質層。接著，對第二層的改質層，以與第一層相同的Si的粉末當作熔射材 料，藉由大氣壓電漿熔射法在第二層的改質層上以膜厚100μm形成第三層的熔射塗膜。其次，對第三層的熔射塗膜以能量密度2000J/cm2照射連續振盪雷射(CW)，使第三層的熔射塗膜的全體及第二層的改質層的一部分熔融，使其冷卻凝固。據此，得到被緻密化的第三層的改質層。重複以上的操作，製作了實施例12中的表面改質構件。
實施例13
除了使用Ni合金(赫史特合金C276)當作基材以外，其餘藉由與實施例12一樣的方法，製作了實施例13中的表面改質構件。
實施例14
準備100mm見方×10mm的Cu的塊材當作基材，以Ni合金(NiCrAlY)的粉末當作熔射材料，藉由大氣壓電漿熔射法在基材上以膜厚100μm形成第一層的熔射塗膜。其次，對第一層的熔射塗膜以能量密度2500J/cm2照射連續振盪雷射(CW)，使第一層的熔射塗膜的全體及基材的一部分熔融，使其冷卻凝固。據此，得到被緻密化的第一層的改質層。接著，對第一層的改質層，以Ni合金(NiCrAlY)的粉末當作熔射材料，藉由大氣壓電漿熔射法在基材的上方以膜厚100μm形成第二層的熔射塗膜。其次，對第二層的熔射塗膜以能量密度2500J/cm2照射連續振盪雷射(CW)，使第二層的熔射塗膜的全體及第一層的改質層的一部分熔融，使其冷卻凝固。據此，得到被緻密化的第二層的改質層。接著，對第二層的改質層，以Ni合金(NiCrAlY)的粉 末當作熔射材料，藉由大氣壓電漿熔射法在第二層的改質層上以膜厚100μm形成第三層的熔射塗膜。其次，對第三層的熔射塗膜以能量密度2500J/cm2照射連續振盪雷射(CW)，使第三層的熔射塗膜的全體及第二層的改質層的一部分熔融，使其冷卻凝固。據此，得到被緻密化的第三層的改質層。重複以上的操作，製作了實施例14中的表面改質構件。
實施例15
準備100mm見方×10mm的不銹鋼(SUS304)當作基材，以Cr3C2金屬陶瓷(Cr3C2-NiCr)的粉末當作熔射材料，藉由高速火焰熔射法在基材上以膜厚100μm形成第一層的熔射塗膜。其次，對第一層的熔射塗膜以能量密度1500J/cm2照射連續振盪雷射(CW)，使第一層的熔射塗膜的全體及基材的一部分熔融，使其冷卻凝固。據此，得到被緻密化的第一層的改質層。接著，對第一層的改質層，以Cr3C2金屬陶瓷(Cr3C2-NiCr)的粉末當作熔射材料，藉由高速火焰熔射法在基材的上方以膜厚100μm形成第二層的熔射塗膜。其次，對第二層的熔射塗膜以能量密度1500J/cm2照射連續振盪雷射(CW)，使第二層的熔射塗膜的全體及第一層的改質層的一部分熔融，使其冷卻凝固。據此，得到被緻密化的第二層的改質層。接著，對第二層的改質層，以Cr3C2金屬陶瓷(Cr3C2-NiCr)的粉末當作熔射材料，藉由高速火焰熔射法在第二層的改質層上以膜厚100μm形成第三層的熔射塗膜。其次，對第三層的熔射塗膜以能量密度 1500J/cm2照射連續振盪雷射(CW)，使第三層的熔射塗膜的全體及第二層的改質層的一部分熔融，使其冷卻凝固。據此，得到被緻密化的第三層的改質層。重複以上的操作，製作了實施例15中的表面改質構件。
如以上，完成實施例1~15及比較例1~3中的各構件。表1是彙整實施例1~15及比較例1~3中的各構件的評價結果之表。在將第一層的熔射塗膜成膜時，以目視觀察了該膜的表面狀態。而且，進行第二層以後的施工，以目視觀察了積層10層以上後的表面狀態。此外，表1中的熔射塗膜及改質層的熱傳導率是準備以相同材料及熔射條件製作的熔射塗膜，進而對該熔射塗膜進行雷射照射而製作的另一樣品，分別藉由雷射閃光法測定熱擴散率，揭示了算出的值。而且，關於基材成分的含有率，以同條件準備形成到第三層為止的改質層之另一樣品，使用SEM的EDS(Energy Dispersive X-ray Spectrometer：能量散佈X射線分析儀)進行其剖面的元素分析，顯示測定的結果。基材為合金或金屬陶瓷的情形，著眼某特定的元素，由該元素量的變化量算出基材成分的含有率。
[表1]
由以上的結果得知，在實施例1~3、7~15中可得到由複數個改質層的積層構成的良好的被覆層，積層3層後的基材成分的含有率為未滿5%。據此，積層10層以上後表面狀態也良好。
在實施例4中可得到由複數個改質層的積層構成的良好的被覆層，積層3層後的基材成分的含有率為5%以上未滿20%。此外，在實施例4中更藉由多層化到4層以上，可使基材成分的含有率降低到未滿5%。而且，依照實施例4，積層10層以上後表面狀態也良好。
在實施例5中可得到由複數個改質層的積層構成的被覆層，積層3層後的基材成分的含有率為未滿5%。但是在第一層的雷射加工後在幾處可看到氣孔的產生。而且，進行了10層以上的多層化的結果，由於形成於第一層的熔射塗膜的氣孔的影響而成為在表面出現大的氣孔的結果。
在實施例6中可得到由複數個改質層的積層構成的被覆層，積層3層後的基材成分的含有率為20%以上。而且，在第一層的改質層中在幾處可看到氣孔的產生。而且，進行了10層以上的多層化的結果，由於形成於第一層的熔射塗膜的氣孔的影響而成為在表面出現大的氣孔的結果。
如在比較例1~3中已經敘述的，因在形成了第一層的改質層時基材表面露出，故第二層以後不形成熔射塗膜。
本發明可在汽車產業、半導體產業、鐵鋼產業、航空太空產業、能源產業等許多的產業領域中有效活用。

Claims (7)

  1. 一種表面改質構件的製造方法，其特徵在於：依照如下的製程(a)及製程(b)的順序進行後，依照製程(c)及製程(d)的順序進行1次或依照製程(c)及製程(d)的順序進行複數次：(a)：在由金屬、合金或金屬陶瓷構成的基材上形成由金屬、合金或金屬陶瓷，且與該基材不同的材料構成的熔射塗膜之製程；(b)：將高能束照射到藉由該製程(a)形成的熔射塗膜的表面，將厚度方向中的該熔射塗膜的全體及該基材的一部分熔融，使其凝固形成被緻密化的改質層之製程；(c)：在即將形成的改質層上形成由金屬、合金或金屬陶瓷，且與該基材不同的材料構成的熔射塗膜之製程；以及(d)：將高能束照射到藉由該製程(c)形成的熔射塗膜的表面，將厚度方向中的該熔射塗膜的全體及該即將形成的改質層的一部分熔融，使其凝固形成被緻密化的改質層之製程，藉由該製程(a)形成的熔射塗膜的熱傳導率比該基材的熱傳導率小。
  2. 如申請專利範圍第1項之表面改質構件的製造方法，其中藉由該製程(c)形成的熔射塗膜的熱傳導率比該即將形成的改質層的熱傳導率小。
  3. 如申請專利範圍第1項之表面改質構件的製造方法，其中藉由該製造方法形成的熔射塗膜的至少一個其熱傳導率為20W/(m‧K)以下。
  4. 如申請專利範圍第1項之表面改質構件的製造方法，其中藉由該製造方法形成的熔射塗膜的至少一個其膜厚為50~300μm。
  5. 如申請專利範圍第1項之表面改質構件的製造方法，其中藉由該製造方法形成的熔射塗膜的至少一個由與其他的熔射塗膜的至少一個不同的材料構成。
  6. 如申請專利範圍第1項之表面改質構件的製造方法，其中藉由該製造方法形成的熔射塗膜的至少一個由與其他的熔射塗膜的至少一個同一的材料構成。
  7. 如申請專利範圍第1項之表面改質構件的製造方法，其中該高能束為雷射，其能量密度為1.0×102~1.0×104J/cm2。
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