TC4表面にレーザー溶射したCoCrFeNiAlxの空洞化腐食防止

目に見えない水撃から船舶を守る

現代の船舶や洋上装置は常に目に見えない脅威にさらされています。高速で流れる水中の微小な気泡が金属に微小なハンマーのように衝突する現象です。キャビテーションと呼ばれるこの過程は、プロペラやポンプ、船体部品を徐々に侵食します。特に塩分を含む海水では化学的な腐食も加わり被害が拡大します。本研究は「高エントロピー」合金を用いた新しい保護コーティングを検討し、アルミニウムの含有量を慎重に調整することで船舶部品の寿命が劇的に改善されることを示します。

なぜ気泡が金属を破壊するのか

船底やプロペラの周りで水が高速に流れると、局所的な圧力が極端に低下し、蒸気の気泡が突然発生して金属表面のごく近傍で崩壊します。各崩壊は衝撃波と高速の水ジェットを生み、金属表面を毎秒数百メートルにも達する衝撃で打ちつけます。海水中では溶存塩類がこの物理的な衝撃に化学的攻撃を加え、表面に応力が生じ小さな亀裂やピット（窪み）ができると、塩分による腐食がそこを起点に広がり、損傷がより速く深く進行します。TC4のような強靭なチタン合金であっても、この複合的な攻撃により表面が粗く蜂の巣状になり、材料の損失が急速に進むことがあります。

より耐久性の高い多元素コーティング

この問題に対処するため、研究者らはCoCrFeNiAlx高エントロピー合金を基にしたコーティングを開発しました。これらは鋼のように一つの主要元素に依存するのではなく、ほぼ同等量の五つの金属を混合する設計です。レーザー溶射という手法でTC4チタン上にコーティングを施し、薄い表層を溶融して金属粉末を結合させ、厚さおよそ700マイクロメートルの密着した層を形成しました。アルミニウム含有量を段階的に増やすことで、内部構造は柔軟性の高い単一相から相の混合、最終的には硬く剛性の高い相へと変化します。この内部の“構造”—結晶粒や相の配列—が衝撃と腐食の両方に対する耐性を決める重要な要素であることがわかりました。

アルミ含有量の最適点を探る

研究チームは、コーティングあり・なしの試料を用いて、まず純水中で次に人工海水中で強烈なキャビテーションにさらしたときの質量減少速度を測定しました。さらに、電気化学的手法で腐食の発生や拡大のしやすさも評価しました。明確な傾向が見られ、アルミ含有量を増やすとキャビテーションと腐食に対する抵抗性はまず改善し、その後悪化しました。CoCrFeNiAl0.2と表示された組成が総合的に最良の性能を示しました。蒸留水中での無コーティングのTC4と比べると、このコーティングは24時間のキャビテーション後に失った材料量が約5％にとどまりました。損傷が全体で約100倍激しい海水中でも、最適化されたコーティングはチタンを大きく上回り、最も浅いピットと最も平滑な表面を示しました。

コーティングがどう抵抗するか

顕微鏡観察と硬さ測定により、この特定の組成が優れている理由が明らかになりました。内部の混合構造が強さと可塑性のバランスをとっており、気泡衝撃による圧痕に耐える十分な強度を持ちながら、わずかに塑性変形してエネルギーを吸収し、亀裂発生を抑えます。繰り返しの気泡崩壊下では表層の結晶粒が細かく高密度になり、表面がさらに硬化します。同時に、コーティング中のアルミニウムとクロムが酸素と反応してAl2O3およびCr2O3の薄く緻密な酸化膜を形成します。この膜は自己形成する鎧のように振る舞い、腐食を遅らせピットや亀裂の成長を抑える役割を果たします。しかしアルミニウムが過剰になると、より剛性の高い相が支配的となり可塑性を失って衝撃を緩和できなくなり、より深く脆い損傷を受け始めます。

船舶や洋上機器への示唆

多元素コーティングの一つの元素だけを慎重に調整することで、過酷な海水環境で稼働するチタン部品の寿命を大幅に延ばせる可能性が示されました。CoCrFeNiAl0.2コーティングは有利な内部構造と保護的な酸化皮膜を組み合わせ、キャビテーションによる機械的摩耗と塩分による化学的攻撃の両方を抑えます。造船業者、タービン設計者、洋上エンジニアにとって、本研究は海洋の絶え間ない打撃に耐えうるだけでなく、その後に続く隠れた腐食を遅らせるコーティングの可能性を示します。実務的には、より安全な機器、修理の回数削減、船舶の寿命を通じた材料とエネルギーの効率的な利用につながります。

引用: Gao, PH., Liu, J., Chen, BY. et al. Anti-cavitation corrosion of laser-cladded CoCrFeNiAl_x on TC4 surface. npj Mater Degrad 10, 46 (2026). https://doi.org/10.1038/s41529-026-00758-z

キーワード: キャビテーション侵食, 海洋腐食, 高エントロピー合金, 保護コーティング, チタン合金