JP2007112707A - 高純度で易流動性を有する金属酸化物粉末の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】流動特性を改善するとともに現在使用されている方法よりコストがかからない粉末の精製方法を提供する。
【解決手段】本発明の側面によれば、イットリア及びアルミナ粉末のような金属酸化物粉末（供給材料）は、プラズマ装置を用いて処理される。その処理は、通常、プラズマ装置を用いた供給材料の空中での加熱と溶融とからなる。そのプラズマ装置は、所定の電極供給機と冷却システムとを有するプラズマトーチ、粉末供給機、粉末を収集するチャンバー、及び、除塵システムを備える。加熱された粉末は、自由落下状態で急速に冷却される、溶融された球形の小滴を形成する。プラズマ高密度化処理は、いくつかの不純物である酸化物を除去し、粒子の形態を変化させ、粉末の見掛け密度を向上させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、概して被覆用のセラミック粉末の製造に係り、特に、熱溶射用に使用される、イットリアやアルミナ粉末のような金属酸化物粉末の精製に関する。

高純度金属酸化物材料は、科学的な研究、多くのハイテク用途及び製造プロセスに不可欠である。これらの材料は、部材を形成するために使用されることもあり、また、同純度の表面被覆を形成するために使用されることもある。例えば、ある文献には、半導体集積回路用の処理真空チャンバー向けのイットリウム酸化物表面被覆と、プラズマ処理チャンバー内の部材に使用される、高純度イットリウム酸化物とアルミニウム酸化物の多層被覆システムとが報告されている。他の文献には、静電チャック用の高純度アルミニウム酸化物障壁層が開示されている。

熱溶射処理、特にプラズマ溶射処理は、種々の基板に金属酸化物被覆を形成するために広く使用されている。高純度金属酸化物被覆を堆積するために、原料が高純度を有しなければならず、火炎に対して安定的に継続して注入されることができなければならないということが要求される。

通常、高純度金属酸化物を製造するために、複雑で高価な化学処理が使用される。熱溶射処理に適切な材料を製造するために、現在、いくつかのプロセスが、その材料の形態（モルフォロジー）を改善するために使用される。それらのうち、プラズマ高密度化処理によって、球形形態を有し、高密度である粉末を製造することができる。これらの両方の特徴によって、粉末の流動性が改善される。原料の良好な流動性が、被覆堆積処理の安定性と再現精度を保証するのに貢献し、それによって、整合性のある被覆品質が得られる。

これまで従来技術で使用された、高純度化されたイットリア粉末を製造するための手段は、コストがかかる上、比較的乏しい流動特性を有する粉末しか製造できない。粉末精製処理において、従来技術には、流動特性を改善するとともに現在使用されている方法よりコストがかからない処理に対する要求がある。

流動特性を改善するとともに現在使用されている方法よりコストがかからない粉末の精製方法を提供する。

本発明の側面によれば、火炎熱分解、凝集、融合粉砕、凝集沈殿、または、他の化学処理を用いて製造された、イットリア、アルミナのような金属酸化物粉末（供給材料と呼ばれる）がプラズマ装置を用いて処理される。その処理は、通常、プラズマ装置によって供給材料の空中加熱（in flight heating）と溶融とからなる。プラズマ装置は、所定の電力供給部と冷却システムとを有するプラズマトーチ、粉末供給機、粉末を収集するチャンバー、及び、除塵システムを含む。加熱された粉末は、自由落下状態で急速に冷却される溶融された球形の小滴を形成する。処理された粉末の粒径と見掛け密度に依存して、溶融された小滴が収集チャンバーに到達する前に完全な凝固のために十分な時間を有するように、フライト（空中加熱）の時間は制御される。プラズマガスによって運ばれる微粒子は、主要収集チャンバーの下流にある除塵フィルタ内で回収される。

プラズマ高密度化処理は、多くの方法で粉末供給材料の物理的及び化学的特性を改善するために使用されることができ、それは、ある程度ベース粉末材料の組成や構造に依存する。例えば、粉末の流動特性の改善が達成される。滑らかな球状の粒子は、熱溶射ガンから供給される際に、球形であるが粗い（ギザギザのある）粒子に比べて均一な流動性を提供する。これにより、目詰まりの問題なしに所望の割合（速度）で流体が飛び出すことが可能になる。粉末の孔が減少するという改善点もある。ベース粉末材料が溶融された際に孔は除去される。減少された孔によって、多くの粉末冶金用に有益になり、密度の高い被覆を形成することができる。同様に、処理された粉末の総合密度は球形の粒子を有することによって増加し、それによって、密度の高い被覆または部材をもたらす。他の例示的な改善は、粉末の向上された精製である。空中溶融処理は、特定の不純物の蒸発によって粉末純度を高めることができる。シングルパスまたはマルチプルパスは、粉末の汚染物を、ベース粉末材料の初期組成のような要因に依存する所望のレベルまで減少させるために使用されることもある。

本発明の一側面において、金属酸化物粉末であるイットリアの処理方法が提供される。その方法は、粉末供給材料をプラズマ流に注入する段階と、前記プラズマ流によって前記粉末供給材料を溶融し、溶融された小滴を形成する段階と、前記溶融された小滴を自由落下状態で冷却し、凝固された球形の小滴を形成する段階と、を含み、前記凝固された球形の小滴は、前記粉末供給材料より高い密度レベルと純度レベルとを有する。本発明の他の側面において、高純度で易流動性を有する金属酸化物粉末が提供される。その粉末は上述の方法を用いて形成され、以下で詳細に検討する。

プラズマ高密度化及び球状化によって、改善された粒径表面仕上げが得られる。個々の粒子の鋭い端部は、プラズマ高密度化処理によって取り除かれる。その後、得られた被覆表面は、改善された個々の粉末粒子の平滑性によって、より滑らかになる。他の利点は、得られた被覆が、個々の粒子の高い密度のためにより高密度になるということである。

添付した図面は、本発明の原理を説明するために提供される詳細な説明と共に本発明の実施形態を説明するものであって、本発明のさらなる理解のために提供されるものであり、本明細書に含まれ、その一部を構成する。

以下の詳細な説明は、上記本発明のそれぞれの側面をさらに記述する。

図１は、本発明による、高純度で易流動性を有する金属酸化物粉末を製造するために使用されるプラズマ装置１００の概略図を示す。プラズマプルーム１１２生成するプラズマシステムが提供される。プラズマシステム１１０は、一般に、プラズマトーチ、電源供給部及び冷却システム（何れも不図示）を備える。プラズマトーチは、ＤＣプラズマトーチまたは誘導プラズマトーチでありえる。原料である粉末形態の金属酸化物材料１２２（すなわち、供給原料）は、粉末供給機１２０からプラズマプルーム１１２に注入される。原料は、火炎熱分解、凝集、融合粉砕（fusing and crushing）、凝集沈殿、または、他の化学処理を用いて製造されたセラミック酸化物粉末でありえる。原料粉末は、プラズマ流１１２によって加熱され、溶融された球形の小滴を形成し、それは空中で徐々に冷却される。得られた粉末粒子球体１３２は、粉末収集器１３０内に集められ、プラズマガスによって搬送された微粒子１３４は、主要収集器１３０の下流にある除塵システム１４０に回収される。

プラズマトーチは、直流プラズマトーチまたは誘導プラズマトーチでありえる。プラズマシステム１１０は、大気中、真空または制御された雰囲気中で動作することができる。一般に、ある実施形態で、プラズマシステムに送られた粉末１２２の約９０％超が溶融または部分的に溶融され、その後、凝固され、粉末収集器１３０内に集められる。この処理の間に、シリカのような不純物は減少される。一方、出発粉末１２２の孔のほとんどが溶融及び凝固処理中に除去される。凝固された粉末１３２は、平滑面と球形形態を有する。例として、本発明で精製され、プラズマ高密度化されたイットリア粉末は、高純度（約９９％を超える）、高密度（約１．５ｇ／ｃｃを超える）、及び、良好な流動性（約６０ｓ／５０ｇ未満）を有する。望ましい見掛け密度（apparent density）、流動性、及び、粒径分布は、それぞれ約１．８ｇ／ｃｃ、約５０ｓ／５０ｇ、及び、約５−１００μｍである。その粉末は、ハロゲンガスを含む雰囲気中で高い化学腐食とプラズマ侵食に晒される被覆を形成するための使用に非常に適している。

図２は、プラズマ高密度化前の粉末材料の画像を示す。図２に示されるように、出発原料である粉末材料１２２は不規則な形状を有し、それぞれの粒子の表面は粗い。さらに、その粒子は、凝集する傾向にある。図３は、本発明によるプラズマ高密度化後における粉末材料の画像を示す。プラズマ高密度化の後、それぞれの粒子１３２は球形になり、それぞれの粒子の表面は滑らかである。さらに、粒子の凝集は見られない。

原料の粉末及び処理後の粉末の化学組成をＩＣＰ−ＯＥまたはＩＣＰ−ＭＳ法を用いて解析した。表１に示されるように、イットリアの純度は、９９．９５から９９．９８％まで増加し、アルミナの純度は、９９．８５から９９．９０まで増加した。一方、いくつかの不純物である酸化物、特にナトリウムと二酸化珪素の含有量は、プラズマ高密度化の後に大幅に減少した。

ＡＳＴＭ−Ｂ２１２−９９標準を用いて測定した場合、プラズマ高密度化されたイットリア粉末の見掛け密度は、１．２から２．２ｇ／ｃｍ^３まで増加した。見掛け密度の増加と粒子形態の変化は、流動性を改善することに貢献し、その流動性は、被覆堆積処理の安定性及び再現精度を保証し、それによって、被覆品質の整合性を与える。

図４は、金属酸化物粉末の処理方法２００の実施形態のフローチャートを示す。ステップ２１０で、金属酸化物粉末供給材料は、図１に関連して上述された装置からのプラズマ流に注入される。ステップ２２０で、プラズマ流は、粉末供給材料を溶融し、溶融された小滴を形成する。プラズマ流は、供給材料中の不純物を焼失させることもある。次に、ステップ２３０で、溶融された小滴は自由落下状態で冷却され、凝固された球形の小滴を形成する。ステップ２４０で、凝固された小滴は、粉末収集チャンバー内に集められる。ステップ２５０で、好ましくは、所望のサイズ以下のあらゆる小滴（例えば、ダストパーティクル）は集められ、例えば、除塵システムを用いて分離される。ステップ２４０とステップ２５０は、同時に、または、連続的に行なわれることができる。

要約すれば、プラズマ高密度化処理を用いて、高純度で易流動性を有する金属酸化物粉末が製造される。プラズマ高密度化処理は、不純物酸化物を除去し、粒子の形態（モルフォロジー）を変化させ、粉末の見掛け密度を増加させる。結果として、プラズマ高密度化された粉末から形成される被覆は、より高純度で、より均一な品質を有する。本発明の特徴と他の利点は、特に、これに関して記載された説明で示された構造によって理解され、達成されるであろう。前述の概要と詳細な記述は、いずれも例示的なものであるとともに、説明を目的とするものであり、添付された特許請求の範囲の本発明のさらなる説明を提供するためのものである。

図１は、本発明による、高純度で易流動性を有する金属酸化物粉末を製造するために使用されるプラズマ装置の概略図である。 プラズマ高密度化処理前の粉末材料の画像である。 プラズマ高密度化処理後の粉末材料の画像である。 金属酸化物粉末の処理方法のフローチャートである。

符号の説明

１００ プラズマ装置
１１０ プラズマシステム
１１２ プラズマプルーム
１２０ 粉末供給機
１２２ 粉末材料
１３０ 粉末収集器
１３２ 生成物
１３４ 微粒子
１４０ 除塵システム

Claims (15)

1. 粉末供給材料をプラズマ流に注入する段階と、
   前記プラズマ流によって前記粉末供給材料を溶融し、溶融された小滴を形成する段階と、
   前記溶融された小滴を自由落下状態で冷却し、凝固された球形の小滴を形成する段階と、を含み、
   前記凝固された球形の小滴は、前記粉末供給材料より高い密度レベルと純度レベルとを有する、金属酸化物粉末の製造方法。
2. 所定の粒径を超える前記凝固された球形の小滴を収集する収集段階をさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記収集段階は、前記所定の粒径未満の前記凝固された球形の小滴を分離することをさらに含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記所定の粒径未満の前記凝固された球形の小滴は、除塵フィルタ内に回収される、請求項３に記載の方法。
5. 前記収集された凝固された球形の小滴の粒径は、約５μｍから１５０μｍである、請求項２に記載の方法。
6. 前記自由落下状態の継続時間は、前記溶融された小滴の空中での凝固を可能にするために、前記処理された粉末の粒径と見掛け密度に依存して変更される、請求項１に記載の方法。
7. 前記粉末供給材料は、その前の高密度化処理から得られた凝固された球形の小滴である、請求項１に記載の方法。
8. 前記凝固された小滴は、９９重量％より高い純度と、約１．５ｇ／ｃｃより高い見掛け密度と、約６０ｓ／５０ｇより低い流動性とを有する、請求項１に記載の方法。
9. 前記粉末供給材料は、火炎熱分解、凝集、融合粉砕、凝集沈殿、または、他の化学処理を用いて製造された金属酸化物粉末である、請求項１に記載の方法。
10. 粉末供給材料をプラズマ流に注入する段階と、
    前記プラズマ流によって前記粉末供給材料を溶融し、溶融された小滴を形成する段階と、
    前記溶融された小滴を自由落下状態で冷却し、凝固された球形の小滴を形成する段階と、によって形成された高純度易流動性粉末。
11. 前記凝固された球形の小滴は、前記粉末供給材料より高い純度レベルを有する、請求項１０に記載の粉末。
12. 前記凝固された球形の小滴は、前記粉末供給材料の粉末流動性より改善された粉末流動性を有する、請求項１０に記載の粉末。
13. 前記凝固された球形の小滴は、前記粉末供給材料の粉末孔より減少された粉末孔を有する、請求項１０に記載の粉末。
14. 前記凝固された球形の小滴の粉末の総合密度は、前記粉末供給材料の密度より大きい、請求項１０に記載の粉末。
15. 前記凝固された球形の小滴の純度は、９９％より高く、前記凝固された小滴の密度は、約１．０ｇ／ｃｃより高く、前記凝固された球形の小滴の流動性は、６０ｓ／５０ｇ未満である、請求項１０に記載の粉末。