JP3742462B2 - コーティング方法およびコーティング装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、真空アーク放電により中空体の内面にコーティング膜を形成するコーティング方法およびコーティング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
化学プラント、石油プラント等において用いられるパイプは、耐薬品性および耐蝕性が要求される。そこで、パイプの内面に合金、セラミック等のコーティング膜（皮膜）を形成することにより耐薬品性および耐蝕性を高めることができる。
【０００３】
従来、パイプ等の中空体の内面をコーティングするためには、プラズマＣＶＤ（化学的気相成長）法が用いられている。プラズマＣＶＤ法を用いてパイプの内面にＴｉＮ膜を形成する場合には、パイプの内部を真空に排気して反応ガスとしてＴｉＣｌ4 およびＮＨ4 の混合ガスを導入し、パイプに高周波電力を印加してグロー放電を生じさせる。それにより、チタンと窒素が反応し、パイプの内面にＴｉＮ膜が堆積する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のプラズマＣＶＤ法によるコーティングにおいては、コーティング膜の密着性が良好でなく、またパイプの長手方向での一様な膜の形成が難しいという問題があった。
【０００５】
一方、基板上に金属、合金等のコーティング膜を形成するためにアークプラズマ放電を利用した真空アーク蒸着が用いられている。この真空アーク蒸着では、真空室内にコーティング材料からなる陰極および基板を配置し、陰極と陽極との間でアークプラズマ放電を発生させる。アークは、アーク電流により発生する自己磁場により陰極の表面上を移動する。アークプラズマ放電の結果、陰極の表面にアークスポットが形成され、そのアークスポットにおいて陰極物質が溶解して蒸発し、基板上にコーティング膜が形成される。
【０００６】
アークスポットの移動速度が遅く、アークスポットの電流維持時間が長い場合には、陰極物質の深部まで溶解が生じる。この場合、不均一溶解により突沸現象が起こり、数μｍ程度の蒸発粒子が発生し、それがドロップレット（飛沫）として基板に付着する。これにより、化合物の生成が妨げられるとともにコーティング膜の緻密性が低下するという問題が生じる。
【０００７】
また、真空アーク蒸着により大面積のコーティングを行うためにはアーク電流を大きくする必要がある。しかしながら、アーク電流を大電流化すると、アークスポットが大きくなり、ドロップレットが多数発生するという問題が生じる。そのため、大面積で良質のコーティング膜を形成することが困難である。
【０００８】
特開平５−１０６０２５号公報には、電磁コイルを用いてアークの移動速度を制御する真空アーク放電装置が提案されている。図８は、特開平５−１０６０２５号公報に開示された真空アーク放電装置の概略図である。
【０００９】
図８において、陽極となる真空室５１の内部にロッド形状の陰極５２が配置されている。陰極５２はアーク電源５３の負極に接続され、真空室５１はアーク電源５３の陽極に接続されている。陰極５２の端部に位置するストライカ５４によってアークが間欠的に発生される。螺旋状の電磁コイル５５が陰極５２と同軸に配置されている。この電磁コイル５５はコイル電源５６に接続されている。コーティングされる１または複数の基板５７は電磁コイル５５の周囲に配置されている。
【００１０】
この真空アーク放電装置においては、アーク電流による自己磁場および電磁コイル５５による磁場によってアークスポット５８が陰極５２の表面を螺旋状に移動する。その結果、アークスポットの電流密度が低減し、ドロップレットの発生が低減される。
【００１１】
しかしながら、電磁コイル５５の温度が上昇すると、電磁コイル５５に付着した酸化膜等の汚染物が剥離し、あるいは熱応力ではじけて基板５７上のコーティング膜に混入する。これを防止するためには、電磁コイル５５の断面積を大きくして電磁コイル５５に冷却パイプを設ける必要がある。ところが、電磁コイル５５の断面積が大きくなると、基板５７のコーティングが阻害されるという問題が生じる。そのため、コーティング膜への汚染物の混入を回避することが難しい
また、アークプラズマ放電においては、ドロップレットが飛散する際にアークが短絡することがある。アークの短絡が生じると、アークスポットに多大な電流が流れ、より多くのドロップレットが生じることになる。この場合、ドロップレットの大きさは数十μｍに及び、その数は非常に多い。このようなドロップレットの発生を回避するためには、アークの短絡が生じたときに極めて短時間（１μ秒以内）に短絡電流を遮断する必要がある。
【００１２】
しかしながら、図８の真空アーク放電装置においては、電磁コイル５５によるインダクタンスが存在するので、短絡電流を遮断しようとするとインダクタンスに蓄積された電荷により高電圧が発生し、短絡電流の遮断を阻止するように作用する。そのため、短絡電流を高速に遮断することが困難となる。
【００１３】
そこで、本発明の目的は、中空体の内面に密着性および緻密性の高い良質のコーティング膜を均一に形成することができ、大面積コーティングが可能でかつアーク短絡時に短絡電流の高速遮断が可能なコーティング方法およびコーティング装置を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
第１の発明に係るコーティング方法は、中空体の内面にコーティング膜を形成するコーティング方法において、中空体の内部にコーティング材料からなる棒状部材を配設するとともに中空体の内部に棒状部材を部分的に囲むように棒状部材と同軸構造の導電性部材を配設し、中空体の内部空間を囲む反応室を形成し、反応室内を排気し、中空体を導電性部材に対して電気的にバイアスするとともに棒状部材と導電性部材との間にアーク放電を発生させるものである。
【００１５】
このコーティング方法においては、棒状部材と導電性部材との間に発生するアークにより棒状部材がスポット溶解してコーティング材料が蒸発し、アークプラズマが生成される。このとき、中空体は導電性部材に対してバイアスされているので、アークプラズマ中のイオンが中空体に向かって加速される。
【００１６】
一方、アーク電流により自己磁場が発生するため、電流および磁界による力が棒状部材の長手方向に作用し、アークが棒状部材の長手方向に移動する。それにより、中空体の内面の全体にコーティング材料からなるコーティング膜が均一に形成される。アークプラズマのイオン化率は高く、また中空体のバイアスによりアークプラズマ中のイオンが中空体に向かって加速されるので、コーティング膜の密着性および緻密性が高くなる。
【００１７】
棒状部材の長手方向に沿ったアークの移動速度は自己磁場の強度に依存する。棒状部材および導電性部材からなる同軸構造では、棒状部材と導電性部材との間の距離およびアーク電流の大きさにより自己磁場の強度が決定される。このような同軸構造においては、アーク電流回路が低インダクタンスとなり、かつ棒状部材と導電性部材との間の距離を短くすることができる。そのため、アーク電流を大きくして強力な自己磁場を形成することにより、アークプラズマを棒状部材の長手方向に高速に移動させることができる。
【００１８】
その結果、棒状部材に生成されるアークスポットの電流維持時間が短くなり、棒状部材の表面のみが溶解して蒸発することとなるので、蒸発粒子は小さく、すなわち数μｍに及ぶドロップレットが発生しない。このように、棒状部材および導電性部材の低インダクタンスの同軸構造によって高速度アークが実現し、それによりドロップレットの発生を抑制して緻密な膜を形成することができる。
【００１９】
また、自己磁場を強くしてアークの移動速度を速くすることができるので、アーク電流を大電流化してもドロップレットの発生が抑制される。したがって、アーク電流の大電流化により大面積のコーティングが可能となる。
【００２０】
さらに、棒状部材および導電性部材が低インダクタンスの同軸構造となっているので、アークの短絡が生じたときに、短絡電流を極めて短時間に遮断することができる。その結果、アークの短絡による大きなドロップレットの発生およびコーティング膜への汚染物の混入が回避される。
【００２１】
特に、導電性部材が棒状部材の周囲を部分的に囲むように配置された部分円筒状部材からなり、棒状部材と部分円筒状部材との間にアーク放電を発生させつつ部分円筒状部材を棒状部材を中心として回転させることが好ましい。
【００２２】
この場合、部分円筒状部材が回転することによりアークプラズマが長手方向および円周方向に移動するので、アークスポットが棒状部材の特定の箇所に長く留まることなく棒状部材の表面上を一様にかつ高速に移動する。それにより、棒状部材の周囲にアークプラズマが一様に生成されるため、ドロップレットが少なくかつ小さくなり、より良質のコーティング膜がより均一かつ緻密に形成される。
【００２３】
また、部分円筒状部材は冷却が可能な体積および形状を有するので、容易にかつ十分に冷却可能となる。したがって、部分円筒状部材に付着した汚染物がコーティング膜に混入することが防止される。
【００２４】
特に、反応室内を排気した後に反応室に反応ガスを導入してもよい。この場合、コーティング材料と反応ガスに含まれる元素により化合物が生成され、化合物からなるコーティング膜が形成される。
【００２５】
また、中空体の内部にそれぞれ異なる種類のコーティング材料からなる複数の棒状部材を配設してもよい。この場合、複数のコーティング材料に含まれる元素の化合物または合金からなるコーティング膜が形成される。また、異なるタイミングで各棒状部材と導電性部材との間にアーク放電を発生させることにより多層構造のコーティング膜を形成することができる。
【００２６】
さらに、中空体の内面に形成されたコーティング膜にエネルギービームを照射することが好ましい。それにより、気孔（ポア）が存在しない緻密なコーティング膜が形成される。
【００２７】
第２の発明に係るコーティング装置は、中空体の内面にコーティング膜を形成するコーティング装置であって、中空体を保持するとともに中空体の内部空間を囲む反応室を形成する保持部材と、中空体の内部にコーティング材料からなる棒状部材を支持する支持手段と、中空体の内部に棒状部材を部分的に囲むように棒状部材と同軸に配設された導電性部材と、反応室内を排気するための排気部と、中空体を導電性部材に対して電気的にバイアスするバイアス手段と、棒状部材と導電性部材との間にアーク放電を発生させるアーク放電発生手段とを備えたものである。
【００２８】
このコーティング装置においては、アーク放電発生手段により棒状部材と導電性部材との間にアーク放電が発生され、そのアークにより棒状部材がスポット溶解してコーティング材料が蒸発するとともに、コーティング材料の元素がアークプラズマ化される。このとき、中空体はバイアス手段により導電性部材に対して電気的にバイアスされているので、アークプラズマ中のイオンが中空体に向かって加速される。
【００２９】
一方、アーク電流により自己磁場が発生するため、電流および磁界による力が棒状部材の長手方向に作用し、アークが棒状部材の長手方向に移動する。それにより、中空体の内面の全体にコーティング材料からなるコーティング膜が均一に形成される。アークプラズマのイオン化率は高く、また中空体のバイアスによりアークプラズマ中のイオンが中空体に向かって加速されるので、コーティング膜の密着性および緻密性が高くなる。
【００３０】
棒状部材および導電性部材が低インダクタンスの同軸構造となっているので、アーク電流を大きくして強力な自己磁場を形成することにより、アークプラズマを棒状部材の長手方向に高速に移動させることができる。その結果、棒状部材に生成されるアークスポットの電流維持時間が短くなり、棒状部材の表面のみが溶解して蒸発することとなるので、大きなドロップレットが発生しない。このように、棒状部材および導電性部材の低インダクタンスの同軸構造によって高速度アークが実現し、それによりドロップレットの発生を抑制して緻密な膜を形成することができる。
【００３１】
また、自己磁場を強くしてアークの移動速度を速くすることができるので、アーク電流を大電流化してもドロップレットの発生が抑制される。したがって、アーク電流の大電流化により大面積のコーティングが可能となる。
【００３２】
さらに、棒状部材および導電性部材が低インダクタンスの同軸構造となっているので、アークの短絡が生じたときに、短絡電流を極めて短時間に遮断することができる。その結果、アークの短絡による大きなドロップレットの発生およびコーティング膜への汚染物の混入が回避される。
【００３３】
特に、導電性部材が棒状部材の周囲を部分的に囲むように配置された部分円筒状部材からなり、部分円筒状部材を棒状部材を中心として回転可能に支持する回転支持手段と、部分円筒状部材を回転支持手段を介して回転駆動手段とをさらに備えることが好ましい。
【００３４】
この場合、部分円筒状部材が回転することによりアークプラズマが長手方向および円周方向に移動するので、アークスポットが棒状部材の特定の箇所に長く留まることなく棒状部材の表面上を一様にかつ高速に移動する。それにより、棒状部材の周囲にアークが一様に生成されるため、ドロップレットが少なくかつ小さくなり、より良質のコーティング膜がより均一かつ緻密に形成される。
【００３５】
また、反応室にガスを導入するガス導入部をさらに備えてもよい。この場合、ガス導入部から反応室に反応ガスを導入することにより、コーティング材料と反応ガスにより化合物が生成され、化合物からなるコーティング膜が形成される。
【００３６】
また、導電性部材を冷却する冷却手段をさらに備えてもよい。これにより、導電性部材に付着した汚染物がコーティング膜に混入することが防止される。
さらに、中空体の内面に形成されたコーティング膜にエネルギービームを照射するエネルギービーム照射手段をさらに備えることが好ましい。それにより、気孔が存在しない緻密なコーティング膜が形成される。
【００３７】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施例におけるコーティング装置の模式的縦断面図であり、図２はそのコーティング装置の模式的横断面図である。
【００３８】
図１および図２のコーティング装置１は、導電性の中空体の内面を所望の材料でコーティングするために用いられる。本実施例では、被コーティング体として金属等の導電性材料からなる円筒状のパイプ１００を用いる場合を説明する。
【００３９】
コーティング装置１において、パイプ１００は金属等の導電性材料からなる円筒状保持部材２ａ，２ｂ間に保持される。パイプ１００内の中心部には、所望の材料からなる棒状のコーティング材３が配置され、そのコーティング材３の周囲に金属等の導電性材料からなる半円筒状の接地導体４が配置されている。
【００４０】
コーティング材３の材料としては、例えば、Ｔｉ（チタン）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｔａ（タンタル）、Ｃｒ（クロム）、 Ｗ（タングステン）、Ｍｏ（モリブデン）等の高融点金属、ＴｉＡｌ等の合金、Ａｌ（アルミニウム）、Ｃｕ（銅）、Ｎｉ（ニッケル）等の金属が用いられる。
【００４１】
円筒状保持部材２ａの開口端部および円筒状保持部材２ｂの開口端部には、それぞれ金属等の導電性材料からなる円形の蓋部材２ｃ，２ｄが取り付けられ、反応室２が形成される。
【００４２】
コーティング材３は、蓋部材２ｃの中心部にセラミック等の絶縁体５を介して固定されている。また、接地導体４は、セラミック等の絶縁体６を介してコーティング材３に対して回転自在に取り付けられている。この接地導体４は、回転駆動軸１９を介して回転駆動装置４０に連結される。回転駆動軸１９は蓋部材２ｄの中心部にセラミック等の絶縁体６を介して回転自在に支持されている。接地導体４の外周面には水冷パイプ８が配設されている。また、円筒状保持部材２ａには、コーティング材３と接地導体４との間にアーク放電を発生させるためのトリガーシリンダ９が設けられている。
【００４３】
接地導体４は導線１０を介して接地されている。この導線１０はセラミック等の絶縁体１１により蓋部材２ｃに対して電気的に絶縁されている。コーティング材３にはアーク電源１２が接続されている。また、パイプ１００には、円筒状保持部材２ａおよび蓋部材２ｃを介してバイアス電源１３により負のバイアス電圧が印加される。
【００４４】
一方、蓋部材２ｄには、排気口１４およびガス導入口１５が設けられ、排気口１４には排気系１６が接続され、ガス導入口１５にはガス導入系１７が接続されている。
【００４５】
次に、図１および図２のコーティング装置を用いたコーティング方法を説明する。ここでは、一例として、パイプ１００の内面にＴｉＮからなるコーティング膜を形成する場合を説明する。パイプ１００の長さは例えば５ｍであり、その内径は例えば３インチである。
【００４６】
まず、被コーティング体となるパイプ１００を円筒状保持部材２ａ，２ｂ間に保持するとともに、Ｔｉからなるコーティング材３および接地導体４をパイプ１００内の中心部に装着し、蓋部材２ｃ，２ｄを取り付けて反応室２を形成する。その後、排気系１６により反応室２内を高真空に排気し、ガス導入系１７から反応ガスとして圧力１０-2Ｔｏｒｒの窒素ガス（Ｎ2 ）を反応室２内に導入する。
【００４７】
次に、アーク電源１２によりコーティング材３に電圧を印加するとともに、バイアス電源１３によりパイプ１００に−２００Ｖ〜−４００Ｖ程度の負のバイアス電圧を印加する。このとき、接地導体４の溶解を防止するために、水冷パイプ８に冷却水を流して接地導体４を冷却する。
【００４８】
この状態で、トリガーシリンダ９によりトリガー電極９ａをコーティング材３に一瞬接触させて離すことによりコーティング材３と接地導体４との間にアーク放電を生じさせる。コーティング材３と接地導体４との間に発生するアークＡによりコーティング材３がスポット溶解してＴｉが蒸発し、チタンイオン（Ｔｉ+ ）および窒素イオン（Ｎ+ ）を含むアークプラズマが生成される。図２に点線で示すように、真空中ではアークプラズマは広がり、アークスポットは不連続的に回転する。このとき、パイプ１００は負の電圧にバイアスされているので、アークプラズマ中のＴｉ+ およびＮ+ が矢印で示すようにパイプ１００に向かって加速される。
【００４９】
一方、図１に示すアークＡによるアーク電流回路によって自己磁場が発生する。それにより、フレミングの左手の法則によりアークＡに矢印Ｆで示す方向に力が作用し、アークＡがパイプ１００の長手方向に移動する。アークＡの移動速度はアーク電流に依存する。このアーク電流は例えば数１０Ａ〜数１００Ａ程度である。このとき、接地導体４を回転駆動軸１９を介して回転駆動装置４０により回転させることにより、パイプ１００の内面の長手方向および円周方向にＴｉＮからなるコーティング膜１８が均一に形成される。このようにして、パイプ１００の内面の全面に密着性の高いコーティング膜１８が形成される。
【００５０】
なお、コーティング膜１８の密着性をより良好にするために、パイプ１００の外周面上にヒータ（図示せず）を取り付けてパイプ１００を０℃〜４００℃の適切な温度に保ってもよい。
【００５１】
また、バイアス電源１３の代わりに−１００ｋＶのパルス電圧を発生するパルス発生源を用いてもよい。この場合、パルス幅を適当に選択することによりプラズマシースの広がりを規制することができる。
【００５２】
パイプ１００の内面に金属からなるコーティング膜を形成する場合には、ガス導入系１７から反応室２内に圧力１０-4ＴｏｒｒのＡｒ（アルゴン）等の不活性ガスを導入する。また、パイプ１００の内面にセラミックからなるコーティング膜を形成する場合には、ガス導入系１７から反応室２内にＮ2 、ＣＨ4 、Ｃ2 Ｈ4 等の反応ガスを導入する。
【００５３】
上記の例で、ガス導入系１７からＮ2 の代わりにＡｒを導入した場合には、Ｔｉからなるコーティング膜１８が形成される。また、ガス導入系１７からＮ2 の代わりにＣＨ4 またはＣ2 Ｈ4 を導入した場合には、ＴｉＣからなるコーティング膜１８が形成される。
【００５４】
また、上記の例では、ＴｉＮからなるコーティング膜１８を形成する場合を説明したが、コーティング材３の材料および反応ガスを選択することにより種々のコーティング膜を形成することができる。
【００５５】
本実施例のコーティング方法およびコーティング装置においては、棒状のコーティング材３および半円筒状の接地導体４が低インダクタンスの同軸構造となっているので、アーク電流を大きくして強力な自己磁場を形成することにより、アークプラズマをコーティング材３の長手方向に高速に移動させることができる。また、接地導体４を回転させることによりアークプラズマがコーティング材３の長手方向および円周方向に移動するので、アークスポットがコーティング材３の特定の箇所に長く留まることなくコーティング材３の表面上を一様にかつ高速に移動する。それにより、ドロップレットが少なくかつ小さくなり、より良質のコーティング膜をより均一かつ緻密に形成することができる。
【００５６】
また、自己磁場を強くしてアークの移動速度を速くすることができるので、アーク電流を大電流化してもドロップレットの発生が抑制される。したがって、アーク電流の大電流化により大面積のコーティングを行うことができる。
【００５７】
さらに、コーティング材３および接地導体４が低インダクタンスの同軸構造となっているので、アークの短絡が生じたときに、短絡電流を極めて短時間に遮断することができる。その結果、アークの短絡による大きなドロップレットの発生およびコーティング膜への汚染物の混入を回避することができる。
【００５８】
また、接地導体４を冷却することができるので、接地導体４に付着した汚染物がコーティング膜に混入することを防止することができる。
パイプ１００の内面に形成されたコーティング膜１８を気孔（ポア）の存在しない緻密な膜にするためには、コーティング膜１８の形成後、電子ビーム溶解法またはレーザビーム溶解法によりコーティング膜１８を溶解することが好ましい。
【００５９】
図３は電子ビーム溶解法に用いる電子ビーム照射ユニットの模式的断面図である。
図３の電子ビーム照射ユニット２０は、電子ビームガン２１、磁石２２，２３、回転駆動軸２４およびシリンダ２５からなる。電子ビームガン２１の周囲に磁石２２，２３が取り付けられ、電子ビームガン２１は回転駆動軸２４により磁石２２，２３とともに回転駆動され、かつシリンダ２５によりパイプ１００の長手方向に移動可能となっている。
【００６０】
電子ビームガン２１から発生した電子ビーム２６は磁石２２，２３によって直角に曲げられてパイプ１００の内面のコーティング膜に照射される。電子ビーム２６の電流値は例えば１Ａ程度である。図３（ａ），（ｂ）に示すように電子ビームガン２１を回転させることにより電子ビーム２６がパイプ１００の内面の円周方向に走査される。また、シリンダ２５によって電子ビームガン２１をパイプ１０の長手方向に移動させることによりパイプ１００の内面の長手方向に電子ビーム２６が走査される。それにより、コーティング膜の全面が均一に溶解され、コーティング膜が気孔を有さない緻密な膜に改質される。
【００６１】
図４はレーザビーム溶解法に用いるレーザビーム照射ユニットの模式的断面図である。
図４のレーザビーム照射ユニット３０は、レーザ発生装置３１、レーザ整形装置３２、ミラー３３および回転駆動軸３４からなる。レーザ発生装置３１は、ＣＯ2 レーザまたはＹＡＧレーザからなり、数ｋＷ〜数１０ｋＷのレーザ光を発生する。レーザ整形装置３２は、レーザ発生装置３１により発生されたレーザ光を平行レーザビーム３５に整形する。ミラー３３は回転駆動軸３４により回転駆動され、レーザ整形装置３２から出射される平行レーザビーム３５を反射および集光してパイプ１００の内面にレーザスポット３６を形成する。レーザスポット３６のエネルギーは例えば数ｍＪ（ミリジュール）程度である。
【００６２】
回転駆動軸３４によりミラー３３を回転させながらパイプ１００の長手方向に移動させることにより、パイプ１００の内面の円周方向および長手方向にレーザスポット３６が移動してパイプ１００の内面のコーティング膜１８が溶解する。それにより、コーティング膜１８が気孔を有さない緻密な膜に改質される。
【００６３】
このようにして得られたコーティング膜１８は、１５μｍ程度の薄膜であっても気孔を有さない緻密な膜となるので、耐蝕性に優れている。
図５は本発明の他の実施例におけるコーティング装置の模式的横断面図である。
【００６４】
図５のコーティング装置１においては、パイプ１００の内部に異なる種類の材料からなる複数のコーティング材３ａ，３ｂが配設されている。これらのコーティング材３ａ，３ｂはそれぞれ独立したバイアス電源１２ａ，１２ｂに接続されている。
【００６５】
以下の説明では、コーティング材３ａがＴｉからなり、コーティング材３ｂがＡｌからなるものとし、反応室２内に反応ガスしてＮ2 を導入するものとする。アーク電源１２ａ，１２ｂによりコーティング材３ａ，３ｂに同時に電圧を印加してコーティング材３ａ，３ｂと接地導体４との間に同時にアーク放電を発生させた場合には、図６（ａ）に示すように、パイプ１００の内面にＴｉＡｌＮ膜５０が形成される。
【００６６】
一方、アーク電源１２ａ，１２ｂによりコーティング材３ａ，３ｂに交互に電圧を印加してコーティング材３ａと接地導体４との間およびコーティング材３ｂと接地導体４との間に交互にアーク放電を発生させた場合には、図６（ｂ）に示すように、パイプ１００の内面にＴｉＮ膜５１、ＡｌＮ膜５２、ＴｉＮ膜５３およびＡｌＮ膜５４からなる多層構造のコーティング膜１８が形成される。
【００６７】
このように、コーティング膜１８を多層構造にすることによりコーティング膜１８の硬度を向上させることができる。
なお、上記実施例では、導電性部材として半円筒状（１／２円筒状）の接地導体４を用いているが、導電性部材の形状は上記実施例に限定されない。例えば、図７（ａ）に示すように、導電性部材として１／２以上の円筒状の接地導体４ａを用いてもよく、図７（ｂ）に示すように、あまり長尺でない場合は、導電性部材として１／２以下の円筒状の接地導体４ｂを用いてもよい。
【００６８】
また、上記実施例では、円筒状のパイプ１００の内面にコーティング膜１８を形成する場合を説明したが、本発明のコーティング方法およびコーティング装置は多角形の断面形状を有するパイプ状体、その他の断面形状を有する種々の中空体の内面にコーティング膜を形成する場合にも適用することができる。
【００６９】
なお、本発明のコーティング方法およびコーティング装置は、化学プラント、石油プラント、ガスプラント、原子力プラント、発電プラント等の種々の分野で用いられる種々のパイプおよびその他の中空体の内面をコーティングするために用いることができる。
【００７０】
【発明の効果】
以上のように、第１および第２の発明によれば、棒状部材および導電性部材が低インダクタンスの同軸構造となっているので、アーク電流を大きくして強力な自己磁場を形成することにより、アークプラズマを棒状部材の長手方向に高速に移動させることができる。したがって、ドロップレットの発生を抑制して緻密な膜を形成することができる。
【００７１】
また、自己磁場を強くしてアークの移動速度を速くすることができるので、アーク電流を大電流化してもドロップレットの発生が抑制される。したがって、アーク電流の大電流化により大面積のコーティングを行うことができる。
【００７２】
さらに、棒状部材および導電性部材が低インダクタンスの同軸構造となっているので、アークの短絡が生じたときに、短絡電流を極めて短時間に遮断することができる。したがって、アークの短絡による大きなドロップレットの発生およびコーティング膜への汚染物の混入を回避することができる。
【００７３】
特に、部分円筒状部材からなる導電性部材を棒状部材を中心として回転させた場合には、、アークプラズマを長手方向および円周方向に移動させることができるので、アークスポットが棒状部材の特定の箇所に長く留まることなく棒状部材の表面上を一様にかつ高速に移動する。それにより、ドロップレットが少なくかつ小さくなり、より良質のコーティング膜をより均一かつ緻密に形成することができる。
【００７４】
また、ガス導入部から反応室に反応ガスを導入することにより、コーティング材料と反応ガスより化合物を生成させ、化合物からなるコーティング膜を形成することができる。
【００７５】
また、導電性部材を冷却することにより、導電性部材に付着した汚染物がコーティング膜に混入することを防止することができる。
さらに、中空体の内面に形成されたコーティング膜にエネルギービームを照射することにより、気孔が存在しない緻密なコーティング膜を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例におけるコーティング装置の模式的縦断面図である。
【図２】図１のコーティング装置の模式的横断面図である。
【図３】電子ビーム照射ユニットの模式的断面図である。
【図４】レーザビーム照射ユニットの模式的断面図である。
【図５】本発明の他の実施例におけるコーティング装置の模式的横断面図である。
【図６】図５のコーティング装置により形成されるコーティング膜の断面図である。
【図７】接地導体の他の例を示す模式的横断面図である。
【図８】従来の真空アーク放電蒸着装置の概略図である。
【符号の説明】
１ コーティング装置
２ 反応室
２ａ，２ｂ 円筒状部材
２ｃ，２ｄ 蓋部材
３，３ａ，３ｂ コーティング材
４，４ａ，４ｂ，４ｃ 接地導体
９ トリガーシリンダ
９ａ トリガー電極
１２ アーク電源
１３ バイアス電源
１４ 排気口
１５ ガス導入口
１６ 排気系
１７ ガス導入系
２０ 電子ビーム照射ユニット
２１ 電子ビームガン
３０ レーザビーム照射ユニット
３１ レーザ発生装置
３２ レーザ成形装置
３３ ミラー
【発明の属する技術分野】
本発明は、真空アーク放電により中空体の内面にコーティング膜を形成するコーティング方法およびコーティング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
化学プラント、石油プラント等において用いられるパイプは、耐薬品性および耐蝕性が要求される。そこで、パイプの内面に合金、セラミック等のコーティング膜（皮膜）を形成することにより耐薬品性および耐蝕性を高めることができる。
【０００３】
従来、パイプ等の中空体の内面をコーティングするためには、プラズマＣＶＤ（化学的気相成長）法が用いられている。プラズマＣＶＤ法を用いてパイプの内面にＴｉＮ膜を形成する場合には、パイプの内部を真空に排気して反応ガスとしてＴｉＣｌ4 およびＮＨ4 の混合ガスを導入し、パイプに高周波電力を印加してグロー放電を生じさせる。それにより、チタンと窒素が反応し、パイプの内面にＴｉＮ膜が堆積する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のプラズマＣＶＤ法によるコーティングにおいては、コーティング膜の密着性が良好でなく、またパイプの長手方向での一様な膜の形成が難しいという問題があった。
【０００５】
一方、基板上に金属、合金等のコーティング膜を形成するためにアークプラズマ放電を利用した真空アーク蒸着が用いられている。この真空アーク蒸着では、真空室内にコーティング材料からなる陰極および基板を配置し、陰極と陽極との間でアークプラズマ放電を発生させる。アークは、アーク電流により発生する自己磁場により陰極の表面上を移動する。アークプラズマ放電の結果、陰極の表面にアークスポットが形成され、そのアークスポットにおいて陰極物質が溶解して蒸発し、基板上にコーティング膜が形成される。
【０００６】
アークスポットの移動速度が遅く、アークスポットの電流維持時間が長い場合には、陰極物質の深部まで溶解が生じる。この場合、不均一溶解により突沸現象が起こり、数μｍ程度の蒸発粒子が発生し、それがドロップレット（飛沫）として基板に付着する。これにより、化合物の生成が妨げられるとともにコーティング膜の緻密性が低下するという問題が生じる。
【０００７】
また、真空アーク蒸着により大面積のコーティングを行うためにはアーク電流を大きくする必要がある。しかしながら、アーク電流を大電流化すると、アークスポットが大きくなり、ドロップレットが多数発生するという問題が生じる。そのため、大面積で良質のコーティング膜を形成することが困難である。
【０００８】
特開平５−１０６０２５号公報には、電磁コイルを用いてアークの移動速度を制御する真空アーク放電装置が提案されている。図８は、特開平５−１０６０２５号公報に開示された真空アーク放電装置の概略図である。
【０００９】
図８において、陽極となる真空室５１の内部にロッド形状の陰極５２が配置されている。陰極５２はアーク電源５３の負極に接続され、真空室５１はアーク電源５３の陽極に接続されている。陰極５２の端部に位置するストライカ５４によってアークが間欠的に発生される。螺旋状の電磁コイル５５が陰極５２と同軸に配置されている。この電磁コイル５５はコイル電源５６に接続されている。コーティングされる１または複数の基板５７は電磁コイル５５の周囲に配置されている。
【００１０】
この真空アーク放電装置においては、アーク電流による自己磁場および電磁コイル５５による磁場によってアークスポット５８が陰極５２の表面を螺旋状に移動する。その結果、アークスポットの電流密度が低減し、ドロップレットの発生が低減される。
【００１１】
しかしながら、電磁コイル５５の温度が上昇すると、電磁コイル５５に付着した酸化膜等の汚染物が剥離し、あるいは熱応力ではじけて基板５７上のコーティング膜に混入する。これを防止するためには、電磁コイル５５の断面積を大きくして電磁コイル５５に冷却パイプを設ける必要がある。ところが、電磁コイル５５の断面積が大きくなると、基板５７のコーティングが阻害されるという問題が生じる。そのため、コーティング膜への汚染物の混入を回避することが難しい
また、アークプラズマ放電においては、ドロップレットが飛散する際にアークが短絡することがある。アークの短絡が生じると、アークスポットに多大な電流が流れ、より多くのドロップレットが生じることになる。この場合、ドロップレットの大きさは数十μｍに及び、その数は非常に多い。このようなドロップレットの発生を回避するためには、アークの短絡が生じたときに極めて短時間（１μ秒以内）に短絡電流を遮断する必要がある。
【００１２】
しかしながら、図８の真空アーク放電装置においては、電磁コイル５５によるインダクタンスが存在するので、短絡電流を遮断しようとするとインダクタンスに蓄積された電荷により高電圧が発生し、短絡電流の遮断を阻止するように作用する。そのため、短絡電流を高速に遮断することが困難となる。
【００１３】
そこで、本発明の目的は、中空体の内面に密着性および緻密性の高い良質のコーティング膜を均一に形成することができ、大面積コーティングが可能でかつアーク短絡時に短絡電流の高速遮断が可能なコーティング方法およびコーティング装置を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
第１の発明に係るコーティング方法は、中空体の内面にコーティング膜を形成するコーティング方法において、中空体の内部にコーティング材料からなる棒状部材を配設するとともに中空体の内部に棒状部材を部分的に囲むように棒状部材と同軸構造の導電性部材を配設し、中空体の内部空間を囲む反応室を形成し、反応室内を排気し、中空体を導電性部材に対して電気的にバイアスするとともに棒状部材と導電性部材との間にアーク放電を発生させるものである。
【００１５】
このコーティング方法においては、棒状部材と導電性部材との間に発生するアークにより棒状部材がスポット溶解してコーティング材料が蒸発し、アークプラズマが生成される。このとき、中空体は導電性部材に対してバイアスされているので、アークプラズマ中のイオンが中空体に向かって加速される。
【００１６】
一方、アーク電流により自己磁場が発生するため、電流および磁界による力が棒状部材の長手方向に作用し、アークが棒状部材の長手方向に移動する。それにより、中空体の内面の全体にコーティング材料からなるコーティング膜が均一に形成される。アークプラズマのイオン化率は高く、また中空体のバイアスによりアークプラズマ中のイオンが中空体に向かって加速されるので、コーティング膜の密着性および緻密性が高くなる。
【００１７】
棒状部材の長手方向に沿ったアークの移動速度は自己磁場の強度に依存する。棒状部材および導電性部材からなる同軸構造では、棒状部材と導電性部材との間の距離およびアーク電流の大きさにより自己磁場の強度が決定される。このような同軸構造においては、アーク電流回路が低インダクタンスとなり、かつ棒状部材と導電性部材との間の距離を短くすることができる。そのため、アーク電流を大きくして強力な自己磁場を形成することにより、アークプラズマを棒状部材の長手方向に高速に移動させることができる。
【００１８】
その結果、棒状部材に生成されるアークスポットの電流維持時間が短くなり、棒状部材の表面のみが溶解して蒸発することとなるので、蒸発粒子は小さく、すなわち数μｍに及ぶドロップレットが発生しない。このように、棒状部材および導電性部材の低インダクタンスの同軸構造によって高速度アークが実現し、それによりドロップレットの発生を抑制して緻密な膜を形成することができる。
【００１９】
また、自己磁場を強くしてアークの移動速度を速くすることができるので、アーク電流を大電流化してもドロップレットの発生が抑制される。したがって、アーク電流の大電流化により大面積のコーティングが可能となる。
【００２０】
さらに、棒状部材および導電性部材が低インダクタンスの同軸構造となっているので、アークの短絡が生じたときに、短絡電流を極めて短時間に遮断することができる。その結果、アークの短絡による大きなドロップレットの発生およびコーティング膜への汚染物の混入が回避される。
【００２１】
特に、導電性部材が棒状部材の周囲を部分的に囲むように配置された部分円筒状部材からなり、棒状部材と部分円筒状部材との間にアーク放電を発生させつつ部分円筒状部材を棒状部材を中心として回転させることが好ましい。
【００２２】
この場合、部分円筒状部材が回転することによりアークプラズマが長手方向および円周方向に移動するので、アークスポットが棒状部材の特定の箇所に長く留まることなく棒状部材の表面上を一様にかつ高速に移動する。それにより、棒状部材の周囲にアークプラズマが一様に生成されるため、ドロップレットが少なくかつ小さくなり、より良質のコーティング膜がより均一かつ緻密に形成される。
【００２３】
また、部分円筒状部材は冷却が可能な体積および形状を有するので、容易にかつ十分に冷却可能となる。したがって、部分円筒状部材に付着した汚染物がコーティング膜に混入することが防止される。
【００２４】
特に、反応室内を排気した後に反応室に反応ガスを導入してもよい。この場合、コーティング材料と反応ガスに含まれる元素により化合物が生成され、化合物からなるコーティング膜が形成される。
【００２５】
また、中空体の内部にそれぞれ異なる種類のコーティング材料からなる複数の棒状部材を配設してもよい。この場合、複数のコーティング材料に含まれる元素の化合物または合金からなるコーティング膜が形成される。また、異なるタイミングで各棒状部材と導電性部材との間にアーク放電を発生させることにより多層構造のコーティング膜を形成することができる。
【００２６】
さらに、中空体の内面に形成されたコーティング膜にエネルギービームを照射することが好ましい。それにより、気孔（ポア）が存在しない緻密なコーティング膜が形成される。
【００２７】
第２の発明に係るコーティング装置は、中空体の内面にコーティング膜を形成するコーティング装置であって、中空体を保持するとともに中空体の内部空間を囲む反応室を形成する保持部材と、中空体の内部にコーティング材料からなる棒状部材を支持する支持手段と、中空体の内部に棒状部材を部分的に囲むように棒状部材と同軸に配設された導電性部材と、反応室内を排気するための排気部と、中空体を導電性部材に対して電気的にバイアスするバイアス手段と、棒状部材と導電性部材との間にアーク放電を発生させるアーク放電発生手段とを備えたものである。
【００２８】
このコーティング装置においては、アーク放電発生手段により棒状部材と導電性部材との間にアーク放電が発生され、そのアークにより棒状部材がスポット溶解してコーティング材料が蒸発するとともに、コーティング材料の元素がアークプラズマ化される。このとき、中空体はバイアス手段により導電性部材に対して電気的にバイアスされているので、アークプラズマ中のイオンが中空体に向かって加速される。
【００２９】
一方、アーク電流により自己磁場が発生するため、電流および磁界による力が棒状部材の長手方向に作用し、アークが棒状部材の長手方向に移動する。それにより、中空体の内面の全体にコーティング材料からなるコーティング膜が均一に形成される。アークプラズマのイオン化率は高く、また中空体のバイアスによりアークプラズマ中のイオンが中空体に向かって加速されるので、コーティング膜の密着性および緻密性が高くなる。
【００３０】
棒状部材および導電性部材が低インダクタンスの同軸構造となっているので、アーク電流を大きくして強力な自己磁場を形成することにより、アークプラズマを棒状部材の長手方向に高速に移動させることができる。その結果、棒状部材に生成されるアークスポットの電流維持時間が短くなり、棒状部材の表面のみが溶解して蒸発することとなるので、大きなドロップレットが発生しない。このように、棒状部材および導電性部材の低インダクタンスの同軸構造によって高速度アークが実現し、それによりドロップレットの発生を抑制して緻密な膜を形成することができる。
【００３１】
また、自己磁場を強くしてアークの移動速度を速くすることができるので、アーク電流を大電流化してもドロップレットの発生が抑制される。したがって、アーク電流の大電流化により大面積のコーティングが可能となる。
【００３２】
さらに、棒状部材および導電性部材が低インダクタンスの同軸構造となっているので、アークの短絡が生じたときに、短絡電流を極めて短時間に遮断することができる。その結果、アークの短絡による大きなドロップレットの発生およびコーティング膜への汚染物の混入が回避される。
【００３３】
特に、導電性部材が棒状部材の周囲を部分的に囲むように配置された部分円筒状部材からなり、部分円筒状部材を棒状部材を中心として回転可能に支持する回転支持手段と、部分円筒状部材を回転支持手段を介して回転駆動手段とをさらに備えることが好ましい。
【００３４】
この場合、部分円筒状部材が回転することによりアークプラズマが長手方向および円周方向に移動するので、アークスポットが棒状部材の特定の箇所に長く留まることなく棒状部材の表面上を一様にかつ高速に移動する。それにより、棒状部材の周囲にアークが一様に生成されるため、ドロップレットが少なくかつ小さくなり、より良質のコーティング膜がより均一かつ緻密に形成される。
【００３５】
また、反応室にガスを導入するガス導入部をさらに備えてもよい。この場合、ガス導入部から反応室に反応ガスを導入することにより、コーティング材料と反応ガスにより化合物が生成され、化合物からなるコーティング膜が形成される。
【００３６】
また、導電性部材を冷却する冷却手段をさらに備えてもよい。これにより、導電性部材に付着した汚染物がコーティング膜に混入することが防止される。
さらに、中空体の内面に形成されたコーティング膜にエネルギービームを照射するエネルギービーム照射手段をさらに備えることが好ましい。それにより、気孔が存在しない緻密なコーティング膜が形成される。
【００３７】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施例におけるコーティング装置の模式的縦断面図であり、図２はそのコーティング装置の模式的横断面図である。
【００３８】
図１および図２のコーティング装置１は、導電性の中空体の内面を所望の材料でコーティングするために用いられる。本実施例では、被コーティング体として金属等の導電性材料からなる円筒状のパイプ１００を用いる場合を説明する。
【００３９】
コーティング装置１において、パイプ１００は金属等の導電性材料からなる円筒状保持部材２ａ，２ｂ間に保持される。パイプ１００内の中心部には、所望の材料からなる棒状のコーティング材３が配置され、そのコーティング材３の周囲に金属等の導電性材料からなる半円筒状の接地導体４が配置されている。
【００４０】
コーティング材３の材料としては、例えば、Ｔｉ（チタン）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｔａ（タンタル）、Ｃｒ（クロム）、 Ｗ（タングステン）、Ｍｏ（モリブデン）等の高融点金属、ＴｉＡｌ等の合金、Ａｌ（アルミニウム）、Ｃｕ（銅）、Ｎｉ（ニッケル）等の金属が用いられる。
【００４１】
円筒状保持部材２ａの開口端部および円筒状保持部材２ｂの開口端部には、それぞれ金属等の導電性材料からなる円形の蓋部材２ｃ，２ｄが取り付けられ、反応室２が形成される。
【００４２】
コーティング材３は、蓋部材２ｃの中心部にセラミック等の絶縁体５を介して固定されている。また、接地導体４は、セラミック等の絶縁体６を介してコーティング材３に対して回転自在に取り付けられている。この接地導体４は、回転駆動軸１９を介して回転駆動装置４０に連結される。回転駆動軸１９は蓋部材２ｄの中心部にセラミック等の絶縁体６を介して回転自在に支持されている。接地導体４の外周面には水冷パイプ８が配設されている。また、円筒状保持部材２ａには、コーティング材３と接地導体４との間にアーク放電を発生させるためのトリガーシリンダ９が設けられている。
【００４３】
接地導体４は導線１０を介して接地されている。この導線１０はセラミック等の絶縁体１１により蓋部材２ｃに対して電気的に絶縁されている。コーティング材３にはアーク電源１２が接続されている。また、パイプ１００には、円筒状保持部材２ａおよび蓋部材２ｃを介してバイアス電源１３により負のバイアス電圧が印加される。
【００４４】
一方、蓋部材２ｄには、排気口１４およびガス導入口１５が設けられ、排気口１４には排気系１６が接続され、ガス導入口１５にはガス導入系１７が接続されている。
【００４５】
次に、図１および図２のコーティング装置を用いたコーティング方法を説明する。ここでは、一例として、パイプ１００の内面にＴｉＮからなるコーティング膜を形成する場合を説明する。パイプ１００の長さは例えば５ｍであり、その内径は例えば３インチである。
【００４６】
まず、被コーティング体となるパイプ１００を円筒状保持部材２ａ，２ｂ間に保持するとともに、Ｔｉからなるコーティング材３および接地導体４をパイプ１００内の中心部に装着し、蓋部材２ｃ，２ｄを取り付けて反応室２を形成する。その後、排気系１６により反応室２内を高真空に排気し、ガス導入系１７から反応ガスとして圧力１０-2Ｔｏｒｒの窒素ガス（Ｎ2 ）を反応室２内に導入する。
【００４７】
次に、アーク電源１２によりコーティング材３に電圧を印加するとともに、バイアス電源１３によりパイプ１００に−２００Ｖ〜−４００Ｖ程度の負のバイアス電圧を印加する。このとき、接地導体４の溶解を防止するために、水冷パイプ８に冷却水を流して接地導体４を冷却する。
【００４８】
この状態で、トリガーシリンダ９によりトリガー電極９ａをコーティング材３に一瞬接触させて離すことによりコーティング材３と接地導体４との間にアーク放電を生じさせる。コーティング材３と接地導体４との間に発生するアークＡによりコーティング材３がスポット溶解してＴｉが蒸発し、チタンイオン（Ｔｉ+ ）および窒素イオン（Ｎ+ ）を含むアークプラズマが生成される。図２に点線で示すように、真空中ではアークプラズマは広がり、アークスポットは不連続的に回転する。このとき、パイプ１００は負の電圧にバイアスされているので、アークプラズマ中のＴｉ+ およびＮ+ が矢印で示すようにパイプ１００に向かって加速される。
【００４９】
一方、図１に示すアークＡによるアーク電流回路によって自己磁場が発生する。それにより、フレミングの左手の法則によりアークＡに矢印Ｆで示す方向に力が作用し、アークＡがパイプ１００の長手方向に移動する。アークＡの移動速度はアーク電流に依存する。このアーク電流は例えば数１０Ａ〜数１００Ａ程度である。このとき、接地導体４を回転駆動軸１９を介して回転駆動装置４０により回転させることにより、パイプ１００の内面の長手方向および円周方向にＴｉＮからなるコーティング膜１８が均一に形成される。このようにして、パイプ１００の内面の全面に密着性の高いコーティング膜１８が形成される。
【００５０】
なお、コーティング膜１８の密着性をより良好にするために、パイプ１００の外周面上にヒータ（図示せず）を取り付けてパイプ１００を０℃〜４００℃の適切な温度に保ってもよい。
【００５１】
また、バイアス電源１３の代わりに−１００ｋＶのパルス電圧を発生するパルス発生源を用いてもよい。この場合、パルス幅を適当に選択することによりプラズマシースの広がりを規制することができる。
【００５２】
パイプ１００の内面に金属からなるコーティング膜を形成する場合には、ガス導入系１７から反応室２内に圧力１０-4ＴｏｒｒのＡｒ（アルゴン）等の不活性ガスを導入する。また、パイプ１００の内面にセラミックからなるコーティング膜を形成する場合には、ガス導入系１７から反応室２内にＮ2 、ＣＨ4 、Ｃ2 Ｈ4 等の反応ガスを導入する。
【００５３】
上記の例で、ガス導入系１７からＮ2 の代わりにＡｒを導入した場合には、Ｔｉからなるコーティング膜１８が形成される。また、ガス導入系１７からＮ2 の代わりにＣＨ4 またはＣ2 Ｈ4 を導入した場合には、ＴｉＣからなるコーティング膜１８が形成される。
【００５４】
また、上記の例では、ＴｉＮからなるコーティング膜１８を形成する場合を説明したが、コーティング材３の材料および反応ガスを選択することにより種々のコーティング膜を形成することができる。
【００５５】
本実施例のコーティング方法およびコーティング装置においては、棒状のコーティング材３および半円筒状の接地導体４が低インダクタンスの同軸構造となっているので、アーク電流を大きくして強力な自己磁場を形成することにより、アークプラズマをコーティング材３の長手方向に高速に移動させることができる。また、接地導体４を回転させることによりアークプラズマがコーティング材３の長手方向および円周方向に移動するので、アークスポットがコーティング材３の特定の箇所に長く留まることなくコーティング材３の表面上を一様にかつ高速に移動する。それにより、ドロップレットが少なくかつ小さくなり、より良質のコーティング膜をより均一かつ緻密に形成することができる。
【００５６】
また、自己磁場を強くしてアークの移動速度を速くすることができるので、アーク電流を大電流化してもドロップレットの発生が抑制される。したがって、アーク電流の大電流化により大面積のコーティングを行うことができる。
【００５７】
さらに、コーティング材３および接地導体４が低インダクタンスの同軸構造となっているので、アークの短絡が生じたときに、短絡電流を極めて短時間に遮断することができる。その結果、アークの短絡による大きなドロップレットの発生およびコーティング膜への汚染物の混入を回避することができる。
【００５８】
また、接地導体４を冷却することができるので、接地導体４に付着した汚染物がコーティング膜に混入することを防止することができる。
パイプ１００の内面に形成されたコーティング膜１８を気孔（ポア）の存在しない緻密な膜にするためには、コーティング膜１８の形成後、電子ビーム溶解法またはレーザビーム溶解法によりコーティング膜１８を溶解することが好ましい。
【００５９】
図３は電子ビーム溶解法に用いる電子ビーム照射ユニットの模式的断面図である。
図３の電子ビーム照射ユニット２０は、電子ビームガン２１、磁石２２，２３、回転駆動軸２４およびシリンダ２５からなる。電子ビームガン２１の周囲に磁石２２，２３が取り付けられ、電子ビームガン２１は回転駆動軸２４により磁石２２，２３とともに回転駆動され、かつシリンダ２５によりパイプ１００の長手方向に移動可能となっている。
【００６０】
電子ビームガン２１から発生した電子ビーム２６は磁石２２，２３によって直角に曲げられてパイプ１００の内面のコーティング膜に照射される。電子ビーム２６の電流値は例えば１Ａ程度である。図３（ａ），（ｂ）に示すように電子ビームガン２１を回転させることにより電子ビーム２６がパイプ１００の内面の円周方向に走査される。また、シリンダ２５によって電子ビームガン２１をパイプ１０の長手方向に移動させることによりパイプ１００の内面の長手方向に電子ビーム２６が走査される。それにより、コーティング膜の全面が均一に溶解され、コーティング膜が気孔を有さない緻密な膜に改質される。
【００６１】
図４はレーザビーム溶解法に用いるレーザビーム照射ユニットの模式的断面図である。
図４のレーザビーム照射ユニット３０は、レーザ発生装置３１、レーザ整形装置３２、ミラー３３および回転駆動軸３４からなる。レーザ発生装置３１は、ＣＯ2 レーザまたはＹＡＧレーザからなり、数ｋＷ〜数１０ｋＷのレーザ光を発生する。レーザ整形装置３２は、レーザ発生装置３１により発生されたレーザ光を平行レーザビーム３５に整形する。ミラー３３は回転駆動軸３４により回転駆動され、レーザ整形装置３２から出射される平行レーザビーム３５を反射および集光してパイプ１００の内面にレーザスポット３６を形成する。レーザスポット３６のエネルギーは例えば数ｍＪ（ミリジュール）程度である。
【００６２】
回転駆動軸３４によりミラー３３を回転させながらパイプ１００の長手方向に移動させることにより、パイプ１００の内面の円周方向および長手方向にレーザスポット３６が移動してパイプ１００の内面のコーティング膜１８が溶解する。それにより、コーティング膜１８が気孔を有さない緻密な膜に改質される。
【００６３】
このようにして得られたコーティング膜１８は、１５μｍ程度の薄膜であっても気孔を有さない緻密な膜となるので、耐蝕性に優れている。
図５は本発明の他の実施例におけるコーティング装置の模式的横断面図である。
【００６４】
図５のコーティング装置１においては、パイプ１００の内部に異なる種類の材料からなる複数のコーティング材３ａ，３ｂが配設されている。これらのコーティング材３ａ，３ｂはそれぞれ独立したバイアス電源１２ａ，１２ｂに接続されている。
【００６５】
以下の説明では、コーティング材３ａがＴｉからなり、コーティング材３ｂがＡｌからなるものとし、反応室２内に反応ガスしてＮ2 を導入するものとする。アーク電源１２ａ，１２ｂによりコーティング材３ａ，３ｂに同時に電圧を印加してコーティング材３ａ，３ｂと接地導体４との間に同時にアーク放電を発生させた場合には、図６（ａ）に示すように、パイプ１００の内面にＴｉＡｌＮ膜５０が形成される。
【００６６】
一方、アーク電源１２ａ，１２ｂによりコーティング材３ａ，３ｂに交互に電圧を印加してコーティング材３ａと接地導体４との間およびコーティング材３ｂと接地導体４との間に交互にアーク放電を発生させた場合には、図６（ｂ）に示すように、パイプ１００の内面にＴｉＮ膜５１、ＡｌＮ膜５２、ＴｉＮ膜５３およびＡｌＮ膜５４からなる多層構造のコーティング膜１８が形成される。
【００６７】
このように、コーティング膜１８を多層構造にすることによりコーティング膜１８の硬度を向上させることができる。
なお、上記実施例では、導電性部材として半円筒状（１／２円筒状）の接地導体４を用いているが、導電性部材の形状は上記実施例に限定されない。例えば、図７（ａ）に示すように、導電性部材として１／２以上の円筒状の接地導体４ａを用いてもよく、図７（ｂ）に示すように、あまり長尺でない場合は、導電性部材として１／２以下の円筒状の接地導体４ｂを用いてもよい。
【００６８】
また、上記実施例では、円筒状のパイプ１００の内面にコーティング膜１８を形成する場合を説明したが、本発明のコーティング方法およびコーティング装置は多角形の断面形状を有するパイプ状体、その他の断面形状を有する種々の中空体の内面にコーティング膜を形成する場合にも適用することができる。
【００６９】
なお、本発明のコーティング方法およびコーティング装置は、化学プラント、石油プラント、ガスプラント、原子力プラント、発電プラント等の種々の分野で用いられる種々のパイプおよびその他の中空体の内面をコーティングするために用いることができる。
【００７０】
【発明の効果】
以上のように、第１および第２の発明によれば、棒状部材および導電性部材が低インダクタンスの同軸構造となっているので、アーク電流を大きくして強力な自己磁場を形成することにより、アークプラズマを棒状部材の長手方向に高速に移動させることができる。したがって、ドロップレットの発生を抑制して緻密な膜を形成することができる。
【００７１】
また、自己磁場を強くしてアークの移動速度を速くすることができるので、アーク電流を大電流化してもドロップレットの発生が抑制される。したがって、アーク電流の大電流化により大面積のコーティングを行うことができる。
【００７２】
さらに、棒状部材および導電性部材が低インダクタンスの同軸構造となっているので、アークの短絡が生じたときに、短絡電流を極めて短時間に遮断することができる。したがって、アークの短絡による大きなドロップレットの発生およびコーティング膜への汚染物の混入を回避することができる。
【００７３】
特に、部分円筒状部材からなる導電性部材を棒状部材を中心として回転させた場合には、、アークプラズマを長手方向および円周方向に移動させることができるので、アークスポットが棒状部材の特定の箇所に長く留まることなく棒状部材の表面上を一様にかつ高速に移動する。それにより、ドロップレットが少なくかつ小さくなり、より良質のコーティング膜をより均一かつ緻密に形成することができる。
【００７４】
また、ガス導入部から反応室に反応ガスを導入することにより、コーティング材料と反応ガスより化合物を生成させ、化合物からなるコーティング膜を形成することができる。
【００７５】
また、導電性部材を冷却することにより、導電性部材に付着した汚染物がコーティング膜に混入することを防止することができる。
さらに、中空体の内面に形成されたコーティング膜にエネルギービームを照射することにより、気孔が存在しない緻密なコーティング膜を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例におけるコーティング装置の模式的縦断面図である。
【図２】図１のコーティング装置の模式的横断面図である。
【図３】電子ビーム照射ユニットの模式的断面図である。
【図４】レーザビーム照射ユニットの模式的断面図である。
【図５】本発明の他の実施例におけるコーティング装置の模式的横断面図である。
【図６】図５のコーティング装置により形成されるコーティング膜の断面図である。
【図７】接地導体の他の例を示す模式的横断面図である。
【図８】従来の真空アーク放電蒸着装置の概略図である。
【符号の説明】
１ コーティング装置
２ 反応室
２ａ，２ｂ 円筒状部材
２ｃ，２ｄ 蓋部材
３，３ａ，３ｂ コーティング材
４，４ａ，４ｂ，４ｃ 接地導体
９ トリガーシリンダ
９ａ トリガー電極
１２ アーク電源
１３ バイアス電源
１４ 排気口
１５ ガス導入口
１６ 排気系
１７ ガス導入系
２０ 電子ビーム照射ユニット
２１ 電子ビームガン
３０ レーザビーム照射ユニット
３１ レーザ発生装置
３２ レーザ成形装置
３３ ミラー
Claims (10)
- 中空体の内面にコーティング膜を形成するコーティング方法において、前記中空体の内部にコーティング材料からなる棒状部材を配設するとともに前記中空体の内部に前記棒状部材を部分的に囲むように前記棒状部材と同軸構造の導電性部材を配設し、前記中空体の内部空間を囲む反応室を形成し、前記反応室内を排気し、前記中空体を前記導電性部材に対して電気的にバイアスするとともに前記棒状部材と前記導電性部材との間にアーク放電を発生させることを特徴とするコーティング方法。
- 前記導電性部材は前記棒状部材の周囲を部分的に囲むように配置された部分円筒状部材からなり、
前記棒状部材と前記部分円筒状部材との間にアーク放電を発生させつつ前記部分円筒状部材を前記棒状部材を中心として回転させることを特徴とする請求項１記載のコーティング方法。 - 前記反応室内を排気した後に前記反応室に反応ガスを導入することを特徴とする請求項１または２記載のコーティング方法。
- 前記中空体の内部にそれぞれ異なる種類のコーティング材料からなる複数の棒状部材を配設することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のコーティング方法。
- 前記中空体の内面に形成されたコーティング膜にエネルギービームを照射することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のコーティング方法。
- 中空体の内面にコーティング膜を形成するコーティング装置であって、
前記中空体を保持するとともに前記中空体の内部空間を囲む反応室を形成する保持部材と、
前記中空体の内部にコーティング材料からなる棒状部材を支持する支持手段と、
前記中空体の内部に前記棒状部材を部分的に囲むように前記棒状部材と同軸に配設された導電性部材と、
前記反応室内を排気するための排気部と、
前記中空体を前記導電性部材に対して電気的にバイアスするためのバイアス手段と、
前記棒状部材と前記導電性部材との間にアーク放電を発生させるアーク放電発生手段とを備えたことを特徴とするコーティング装置。 - 前記導電性部材は前記棒状部材の周囲を部分的に囲むように配置された部分円筒状部材からなり、
前記部分円筒状部材を前記棒状部材を中心として回転可能に支持する回転支持手段と、
前記部分円筒状部材を前記回転支持手段を介して回転駆動する回転駆動手段をさらに備えたことを特徴とする請求項６記載のコーティング装置。 - 前記反応室にガスを導入するガス導入部をさらに備えたことを特徴とする請求項６または７記載のコーティング装置。
- 前記導電性部材を冷却する冷却手段をさらに備えたことを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載のコーティング装置。
- 前記中空体の内面に形成されたコーティング膜にエネルギービームを照射するエネルギービーム照射手段をさらに備えたことを特徴とする請求項６〜９のいずれかに記載のコーティング装置。
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