JP2017061738A - 溶射材料 - Google Patents
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Abstract
Description
なお、本明細書において「マトリックス」とは、母相、基質とも呼べるものであって、均質なマトリックスとは、異質な相、組織等が本質的に含まれていない相、組織等であることを意味している。
イットリウムオキシフッ化物が2種類以上存在したり、又は酸化イットリウム等の酸素を含む化合物が混在したりする場合は、例えば各化合物の割合を検量線法により定量することができる。具体的には、それぞれの化合物の含有割合を変化させたサンプルを数種類準備し、それぞれのサンプルについてX線回折分析を行い、メインピーク強度と各化合物の含有量との関係を示す検量線を作成する。そしてこの検量線を元に、測定したい溶射材料のXRDのイットリウムオキシフッ化物のメインピーク強度から含有量を定量する。
溶射材料の比表面積は、BET法に基づき算出された値を採用することができる。具体的には、溶射材料について、ガス吸着法により得られる吸着等温線からBET法に基づいて単分子層のガス吸着量を求め、当該吸着ガスの分子大きさを基に比表面を算出するものである。かかる溶射材料の比表面積は、JIS Z 8830:2013(ISO9277:2010)「ガス吸着による粉体(固体)の比表面積測定方法」の規定に準じて測定することができる。例えば、溶射粒子の比表面積の測定は、マイクロメリティックス社製の表面積測定装置、商品名「FlowSorb II 2300」を用いて行うことができる。
溶射材料の累積細孔容積は、水銀圧入法に基づき算出することができる。水銀圧入法は、水銀の表面張力が大きいことを利用し、粉末の細孔に水銀を浸入させるために加えた圧力と圧入された水銀量との関係から、メソ領域からマクロ領域にかけての細孔分布を求める方法である。かかる水銀圧入法に基づく細孔分布測定は、例えば、JIS R1655:2003(ファインセラミックスの水銀圧入法による成形体気孔径分布試験方法)に基づいて実施することができる。例えば、溶射材料の累積細孔容積は、水銀圧入式ポロシメータ((株)島津製作所製、ポアサイザー9320)を用いて測定することができる。
本明細書において、破壊強度Ndは、微少圧縮試験機(島津製作所製、MCTE−500)にて測定した圧縮荷重Pと、溶射粒子の粒径dとから、次式:Nd=2.8×P/(πd2);に基づき算出される値である。溶射粒子の粒径dとしては、平均粒子径を用いることができる。
かかる形態の溶射粒子は、当該粒子を構成するイットリウムのフッ化物および/またはイットリウムオキシフッ化物の出発原料を、十分に溶融して、当該溶融物を独立した状態で冷却して固化させることにより製造することができる。このとき、溶射粒子が均質なマトリックスから構成されるように、出発原料を十分に溶融して組織を均質化することが重要である。
プラズマ溶射法とは、溶射材料を軟化または溶融するための溶射熱源としてプラズマ炎を利用する溶射方法である。電極間にアークを発生させ、かかるアークにより作動ガスをプラズマ化すると、かかるプラズマ流はノズルから高温高速のプラズマジェットとなって噴出する。プラズマ溶射法は、このプラズマジェットに溶射材料を投入し、加熱、加速して基材に堆積させることで溶射皮膜を得るコーティング手法一般を包含する。なお、プラズマ溶射法は、大気中で行う大気プラズマ溶射(APS:atmospheric plasma spraying)や、大気圧よりも低い気圧で溶射を行う減圧プラズマ溶射(LPS:low pressure plasma spraying)、大気圧より高い加圧容器内でプラズマ溶射を行う加圧プラズマ溶射(high pressure plasma spraying)等の態様であり得る。かかるプラズマ溶射によると、例えば、一例として、溶射材料を5000℃〜10000℃程度のプラズマジェットにより溶融および加速させることで、溶射材料を300m/s〜600m/s程度の速度にて基材へ衝突させて堆積させることができる。
HVOF溶射法とは、燃料と酸素とを混合して高圧で燃焼させた燃焼炎を溶射のための熱源として利用するフレーム溶射法の一種である。燃焼室の圧力を高めることにより、連続した燃焼炎でありながらノズルから高速(超音速であり得る。)の高温ガス流を噴出させる。HVOF溶射法は、このガス流中に溶射材料を投入し、加熱、加速して基材に堆積させることで溶射皮膜を得るコーティング手法一般を包含する。HVOF溶射法によると、例えば、一例として、溶射材料を2000℃〜3000℃の超音速燃焼炎のジェットに供給することで、溶射材料を軟化または溶融させて、500m/s〜1000m/sという高速度にて基材へ衝突させて堆積させることができる。高速フレーム溶射で使用する燃料は、アセチレン、エチレン、プロパン、プロピレンなどの炭化水素のガス燃料であってもよいし、灯油やエタノールなどの液体燃料であってもよい。また、溶射材料の融点が高いほど超音速燃焼炎の温度が高い方が好ましく、この観点では、ガス燃料を用いることが好ましい。
下記の表1の例1〜11に示す組成の粉末状の溶射材料を調製した。具体的には、酸化イットリウム(Y2O3)とフッ化イットリウム(YF3)とを、そのままで、あるいは、目的の化合物の化学量論組成となるように混合することで、出発原料とした。そしてこの出発原料を、適切な分散媒に分散させて噴霧液を用意した後、超音波噴霧機等により噴霧することで、出発原料を含む液滴を形成した。かかる液滴を、例えば、気流に載せて連続炉を通過させながら、乾燥させた後、Ar雰囲気の所定の温度で2時間程度加熱した。これにより、例1〜11の溶射材料を作製した。
表1中の「組成」欄には、各溶射材料を構成する溶射粒子(目的の化合物)の組成を示した。
表1中の「XRDメインピーク比」欄には、各溶射材料についてX線回折分析をした結果、検出された結晶相のメインピークの高さの比を100分率で示している。同欄中、「Y2O3」は酸化イットリウムの、「YF3」はフッ化イットリウムの、「YOF」は化学組成がYOF(Y1O1F1)で表されるイットリウムオキシフッ化物の、「Y5O4F7」は化学組成がY5O4F7で表されるイットリウムオキシフッ化物の各相が同定されたことを示す。
なお、参考までに、各結晶相のメインピークは、Y2O3については29.157°付近に,YF3については27.881°付近に,YOFについては28.064°付近に,Y5O4F7については28.114°付近に検出される。
表1中の「平均粒子径」欄には、各溶射材料の平均粒子径を測定した結果を示した。また、「粒度分布幅」欄には、各溶射材料のD3粒子径とD97粒子径とを測定した結果を、D3粒子径値〜D97粒子径値で表される粒度分布幅として示した。
表1中の「比表面積」欄には、BET法に基づき各溶射材料の比表面積を測定した結果を示した。
表1中の「円形度」欄には、各溶射材料の平均円形度を測定した結果を示した。
表1中の「破壊強度」欄には、各溶射材料の破壊強度を測定した結果を示した。
表1中の「累積細孔容積」欄には、各溶射材料の細孔径が3μm以下の累積細孔容積を測定した結果を示した。
表1中の「粒子形態」欄には、各溶射材料をSEM観察したときの溶射粒子の形態を示した。参考のために、例2の溶射粒子のSEM像を図1および2に、例3の溶射粒子のSEM像を図3および4に、例10の溶射粒子のSEM像を図5に示した。
すなわち、まず、被溶射材である基材としては、アルミニウム合金(Al6061)からなる板材(70mm×50mm×2.3mm)を用意し、褐色アルミナ研削材(A#40)によるブラスト処理を施して用いた。プラズマ溶射には、市販のプラズマ溶射装置(Praxair Surface Technologies社製,SG−100)を用いて行った。プラズマ発生条件は、プラズマ作動ガスとしてアルゴンガス50psi(0.34MPa)とヘリウムガス50psi(0.34MPa)とを用い、電圧37.0V,電流900Aの条件でプラズマを発生させた。なお、溶射装置への溶射材料の供給には、粉末供給機(Praxair Surface Technologies社製,Model1264型)を用い、溶射用材料を溶射装置に20g/minの速度で供給し、厚さ200μmの溶射皮膜を形成した。なお、溶射ガンの移動速度は24m/min、溶射距離は90mmとした。
表2中の「気孔率」欄には、得られた溶射皮膜の気孔率を測定した結果を示す。
表2中の「耐プラズマエロージョン性」欄には、耐プラズマエロージョンレートが40nm/min未満の場合を「◎(優良)」、40nm/min以上50nm/min未満の場合を「○(良)」、50nm/min以上の場合を「×(不良)」として示した。
溶射皮膜のプラズマ暴露は、次のようにして行った。すなわち、まず、上記で基材上に、20mm×20mmの溶射皮膜を形成し、表面を厚さが2mmとなるまで鏡面研磨したのち、溶射皮膜の四隅をマスキングテープでマスキングすることで試験片を用意した。そしてこの試験片を、平行平板型の半導体デバイス製造装置(ULVAC製、NLD−800)のチャンバー内のステージに設置された直径300mmのシリコンウエハ上に載置した。続いて、下記の表3に示す条件で、フッ素系プラズマと塩素系プラズマと、所定のサイクルで交互に繰り返し発生させることで、シリコンウエハおよび溶射皮膜の中央部分をプラズマエッチングした。上記プラズマによる暴露時間は、インターバル(クーリング時間)を含めて0.9時間とした。その後、溶射皮膜の厚みの減少量から、溶射皮膜がエッチングされた速度を算出した。まお、溶射皮膜の厚みの減少量は、表面粗さ測定機(ミツトヨ製、SV−3000CNC)にて、マスキングした部分と、プラズマ暴露面との、段差を計測することで求めた。
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
Claims (6)
- イットリウムのフッ化物およびオキシフッ化物の少なくとも一方を含む粉末であって、
前記粉末は、均質なマトリックスからなる独立した粒子により構成されている、溶射材料。 - BET法に基づき測定される比表面積は、0.1m2/g未満である、請求項1に記載の溶射材料。
- 細孔径が3μm以下の累積細孔容積は、0.02cm3/g以下である、請求項1または2に記載の溶射材料。
- 平均粒子径は、60μm以下である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の溶射材料。
- 前記粉末全体に占めるイットリウムのフッ化物およびオキシフッ化物の合計の割合が、77質量%以上である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の溶射材料。
- 平均円形度は、0.5以上1未満である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の溶射材料。
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