JP2015042786A - Method for forming thermal spray film of fluoride, and member coated with thermal spray film of fluoride - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a member coated with a thermal spray film of a fluoride formed by adhering a thermal spray film of a fluoride having excellent characteristics (corrosion resistance, plasma etching resistance) in quality by suppressing thermal decomposition reaction and oxydation reaction, and to provide a method for forming a film by firmly adhering the film.SOLUTION: There are provided a method for forming a thermal spray film of a fluoride, and a thus formed member coated with the thermal spray film of a fluoride. In the method for forming a thermal spray film of a fluoride, particles of a thermal spray fluoride material are sprayed to a substrate surface at a flying particle speed of 500 m/sec or higher by using an inert gas of a temperature of 600-1300°C as a functional gas for coating. The particles are thus adhered to the substrate so as to form an implantation structure where at least part of the particles of a thermal spray fluoride material cuts into concaves of the preheated, rough surface of the substrate.

Description

本発明は、フッ化物溶射皮膜の形成方法およびフッ化物溶射皮膜被覆部材に関し、特に、各種のハロゲンガスやハロゲンが存在する環境下においてプラズマエッチング加工が施される半導体加工装置用部材などの表面に、耐食性や耐プラズマエッチング特性に優れたフッ化物溶射皮膜を形成する方法と、この方法の実施によって得られるフッ化物溶射皮膜被覆部材について提案する。   The present invention relates to a method for forming a fluoride sprayed coating and a member coated with a fluoride sprayed coating, and in particular, on the surface of a member for a semiconductor processing apparatus that is subjected to plasma etching in an environment where various halogen gases and halogens are present. A method of forming a fluoride spray coating excellent in corrosion resistance and plasma etching resistance and a fluoride spray coating coated member obtained by carrying out this method are proposed.

半導体加工プロセスや液晶製造プロセスに使用されるドライエッチヤー、CVD、PVDなどの装置類は、シリコンやガラスなどの基板に形成する回路の高集積化に伴う微細加工の精度を向上させる必要性から、加工環境については一段と高い清浄性が求められている。その一方で、微細加工用の各種プロセスにおいては、フッ化物、塩化物をはじめとする腐食性の強いガスあるいは水溶液を用いるため、これらのプロセス装置に配設されている部材類の腐食損耗が速く、その結果として、腐食生成物による二次的な環境汚染も無視できない状況になっている。   Equipments such as dry etchers, CVD, and PVD used in semiconductor processing and liquid crystal manufacturing processes need to improve the precision of microfabrication associated with the high integration of circuits formed on substrates such as silicon and glass. As for the processing environment, higher cleanliness is required. On the other hand, in various processes for microfabrication, highly corrosive gas or aqueous solution such as fluoride and chloride is used. As a result, secondary environmental pollution caused by corrosion products cannot be ignored.

半導体ディバイスの製造・加工工程は、SiやGa、As、Pなどからなる化合物半導体を主体としたものを用いて、真空中もしくは減圧環境の中で処理されるいわゆるドライプロセスに属している。このドライプロセスでは、前記環境中において、各種の成膜や不純物の注入、エッチング、アッシング、洗浄などの処理が繰り返し行なわれる。このようなドライプロセスで用いられる装置・部材としては、酸化炉、CVD装置、PVD装置、エピタキシャル成長装置、イオン注入装置、拡散炉、反応性イオンエッチング装置およびこれらの装置に付属している配管、給排気ファン、真空ポンプ、バルブ類などの部材、部品がある。しかも、これらの装置類は、BF、PF、PF、NF、WF、HFなどのフッ化物、BCl、PCl、PCl、POCl、AsCl、SnCl、TiCl、SiHCl、SiCl、HCl、Clなどの塩化物、HBrなどの臭化物、NH、CHFなど腐食性の強い薬剤およびガスを用いることが知られている。 Semiconductor device manufacturing / processing steps belong to a so-called dry process in which a compound semiconductor composed mainly of Si, Ga, As, P, or the like is used and processed in a vacuum or a reduced pressure environment. In this dry process, various types of film formation, impurity implantation, etching, ashing, cleaning, and the like are repeatedly performed in the environment. Equipment and members used in such dry processes include oxidation furnaces, CVD equipment, PVD equipment, epitaxial growth equipment, ion implantation equipment, diffusion furnaces, reactive ion etching equipment, and piping attached to these equipment, There are components and parts such as exhaust fans, vacuum pumps, and valves. Moreover, these devices include fluorides such as BF 3 , PF 3 , PF 6 , NF 3 , WF 3 , HF, BCl 3 , PCl 3 , PCl 5 , POCl 3 , AsCl 3 , SnCl 4 , TiCl 4 , It is known to use highly corrosive agents and gases such as chlorides such as SiH 2 Cl 2 , SiCl 4 , HCl and Cl 2 , bromides such as HBr, NH 3 and CH 3 F.

また、ハロゲン化物を用いる前記ドライプロセスでは、反応の活性化と加工精度向上のため、しばしばプラズマ(低温プラズマ)が用いられる。プラズマ使用環境中では、各種のハロゲン化物は、腐食性の強い原子状またはイオン化したF、Cl、Br、Iとなって半導体素材の微細加工に大きな効果を発揮するが、その一方で、プラズマ処理(特に、プラズマエッチング処理)された半導体素材の表面からは、エッチング処理によって削り取られた微細なSiO、Si、Si、Wなどのパーティクルが処理環境中に浮遊し、これらが加工中あるいは加工後のディバイスの表面に付着してその品質を著しく低下させるという問題があった。 In the dry process using a halide, plasma (low temperature plasma) is often used to activate the reaction and improve processing accuracy. In the plasma usage environment, various halides form highly corrosive atomic or ionized F, Cl, Br, and I, and exert a great effect on fine processing of semiconductor materials. Particles such as fine SiO 2 , Si 3 N 4 , Si, and W that have been scraped off by the etching process float in the processing environment from the surface of the semiconductor material (particularly plasma etching process), and these are being processed Alternatively, there is a problem that the quality of the device is significantly reduced by adhering to the surface of the processed device.

これらの問題に対する対策の一つとして、従来、半導体製造・加工装置用部材の表面をアルミニウム陽極酸化物(アルマイト)によって表面処理する方法がある。その他、Al、Al・Ti、Yなどの酸化物をはじめ、周期律表IIIa族金属の酸化物を溶射法や蒸着法(CVD法、PVD法)などによって、該部材の表面を被覆したり、また、これらを焼結体として利用する技術がある(特許文献1〜5)。 As one of countermeasures against these problems, there is conventionally a method of treating the surface of a semiconductor manufacturing / processing apparatus member with aluminum anodic oxide (alumite). In addition, oxides such as Al 2 O 3 , Al 2 O 3 .Ti 2 O 3 , Y 2 O 3 , oxides of Group IIIa metal of the periodic table are sprayed or vapor-deposited (CVD method, PVD method) For example, there is a technique of coating the surface of the member by using the above, or using these as a sintered body (Patent Documents 1 to 5).

さらに最近では、Y、Y−A1溶射皮膜の表面をレーザービームや電子ビームを照射して該溶射皮膜の表面を再溶融することによって、耐プラズマエロージョン性を向上させる技術も出現している(特許文献6〜9)。 More recently, plasma erosion resistance has been improved by irradiating the surface of Y 2 O 3 , Y 2 O 3 -A1 2 O 3 sprayed coating with a laser beam or electron beam to remelt the surface of the sprayed coating. The technique to make it appear also (patent documents 6-9).

また、ハロゲン化合物に属する金属元素のフッ化物被膜を半導体加工装置用部材の耐食性被覆として使用する提案もある。例えば、特許文献10には、窒化珪素、炭化珪素などのセラミックス焼結体の表面に希土類元素及びアルカリ土類元素のフッ化物をマグネトロンスパッタ法、CVD法、溶射法などによって被覆する方法が開示されている。また、特許文献11には、A1基材上にYF皮膜を形成した部材についての提案がある。 There is also a proposal of using a fluoride coating of a metal element belonging to a halogen compound as a corrosion-resistant coating for a member for a semiconductor processing apparatus. For example, Patent Document 10 discloses a method in which a surface of a ceramic sintered body such as silicon nitride or silicon carbide is coated with a rare earth element or alkaline earth element fluoride by a magnetron sputtering method, a CVD method, a thermal spraying method, or the like. ing. Further, Patent Document 11 has a proposal for a member in which a YF 3 film is formed on an A1 2 O 3 base material.

また、特許文献12には、Yとランタノイド元素のフッ化物を主成分とする粉末を用いるサセプタの製造方法が開示され、特許文献13、14には、周期律表IIIa族元素のフッ化物粒子を不活性ガスプラズマや燃焼ガスフレームなどの溶射熱源によって成膜した後、200℃〜250℃の熱処理を施して、安定した斜方晶の結晶に変化させる技術について開示されている。   Patent Document 12 discloses a method for producing a susceptor using a powder mainly composed of a fluoride of Y and a lanthanoid element, and Patent Documents 13 and 14 include fluoride particles of Group IIIa elements in the periodic table. A technique is disclosed in which a film is formed by a thermal spray heat source such as an inert gas plasma or a combustion gas flame, and then heat treatment at 200 ° C. to 250 ° C. is performed to change the crystal into stable orthorhombic crystals.

さらに、特許文献15には、平均粒径が0.05μm〜10μmの一次粒子から造粒された粒子のYを含む希土類含有混合物(酸化物、フッ化物、塩化物)溶射用粒子などの提案があり、特許文献16には、フッ化物溶射皮膜の形成方法として、高熱源温度のプラズマ溶射法に加え、コールドスプレー法やエアロゾルデポジション法を利用する技術についての開示がある。   Further, Patent Document 15 proposes a spraying particle for rare earth-containing mixture (oxide, fluoride, chloride) containing Y of particles granulated from primary particles having an average particle diameter of 0.05 μm to 10 μm. Patent Document 16 discloses a technique that uses a cold spray method or an aerosol deposition method in addition to a plasma spray method at a high heat source temperature as a method for forming a fluoride spray coating.

特開平6−36583号公報JP-A-6-36583 特開平9−69554号公報Japanese Patent Laid-Open No. 9-69554 特開2001−164354号公報JP 2001-164354 A 特開平11−80925号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-80925 特開2007−107100号公報JP 2007-107100 A 特開2005−256093号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2005-256093 特開2005−256098号公報JP 2005-256098 A 特開2006−118053号公報JP 2006-118053 A 特開2007−217779号公報JP 2007-217779 A 特開平11−80925号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-80925 特開2002−001865号公報JP 2002-001865 A 特開2001−351966号公報JP 2001-351966 A 特開2004−197181号公報JP 2004-197181 A 特開2005−243988号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2005-243988 特開2002−302754号公報JP 2002-302754 A 特開2007−115973号公報JP 2007-115973 A 特開2007−308794号公報JP 2007-308794 A

本発明では、上掲の従来技術のうち特に、溶射法によって形成されたフッ化物溶射皮膜およびその皮膜形成方法に関しての次のような問題点を改善し、耐ハロゲン腐食性や耐プラズマエロージョン性に優れるフッ化物溶射皮膜被覆部材とそれの形成方法を提案することを目指している。   In the present invention, among the above-described conventional techniques, the following problems relating to the fluoride spray coating formed by the spraying method and the coating forming method thereof are improved, and the halogen corrosion resistance and plasma erosion resistance are improved. The aim is to propose an excellent fluoride spray-coated member and a method for forming the same.

(1)特許文献12に開示されている不活性ガス(Ar、He)のプラズマや炭化水素ガス、灯油などの燃焼フレームを熱源とする溶射法で成膜すると、次のような現象が起こる。即ち、プラズマを熱源とする溶射法では、高温のジェットフレーム中を飛行するフッ化物粒子が、5000℃〜7000℃の高温環境に曝され、また、燃焼フレームであっても2000℃〜2800℃の高温雰囲気が構成されているため、いずれの熱源中においても、フッ化物粒子の一部は熱分解反応と酸化反応を誘発して、Fガスが放出される。 (1) The following phenomenon occurs when a film is formed by a thermal spraying method using a combustion flame such as inert gas (Ar, He) plasma, hydrocarbon gas, or kerosene as disclosed in Patent Document 12. That is, in the thermal spraying method using plasma as a heat source, fluoride particles flying in a high temperature jet flame are exposed to a high temperature environment of 5000 ° C. to 7000 ° C., and even a combustion flame is 2000 ° C. to 2800 ° C. Since a high temperature atmosphere is configured, in any heat source, some of the fluoride particles induce a thermal decomposition reaction and an oxidation reaction, and F 2 gas is released.

そして、そのFガスの放出に伴って、フッ化物粒子の成分が変化し、成膜されたフッ化物の皮膜は、化学量論的に変化したものになっている。例えば、YF粒子を用いてプラズマ溶射すると、熱源中においてFガスが放出されYF3−Xで表示されるフッ化物に変化するものと推定される。 Then, with the release of the F 2 gas, the components of the fluoride particles are changed, and the formed fluoride film is stoichiometrically changed. For example, when plasma spraying is performed using YF 3 particles, it is presumed that F 2 gas is released in the heat source and changes to a fluoride represented by YF 3-X .

しかし、このYF3−Xで表示されるフッ化イットリウム溶射皮膜の耐ハロゲン性は、成膜用フッ化物粒子(YF)に比較して、化学的に不安定になることが推定される。このことは、特許文献13の(0010)段落におけるフッ化イットリム膜について、「フッ化イットリウムを用いるだけでは、腐食性ハロゲンガスにより、フッ化イットリウム膜の色が変化することを見出した。また、フッ化イットリウムを用いるだけでは耐食性は十分でなく、フッ化イットリウム膜が減耗して行くことを見出した。」の記載からも伺い知ることができる。 However, it is presumed that the halogen resistance of the yttrium fluoride sprayed coating represented by YF 3-X is chemically unstable as compared with the film forming fluoride particles (YF 3 ). This is about the yttrium fluoride film in paragraph (0010) of Patent Document 13. “It was found that the color of the yttrium fluoride film is changed by corrosive halogen gas only by using yttrium fluoride. It can be seen from the description that “it was found that corrosion resistance is not sufficient by using yttrium fluoride alone and the yttrium fluoride film is depleted.”

(2)また、特許文献13に開示の技術では、皮膜の色の変化と耐食性低下対策として、成膜直後の非晶質フッ化物溶射皮膜を200℃〜500℃の熱処理を施こすことにより、斜方晶へ変化させる技術を提案している。しかし、この方法を適用してもこの文献13の(0014)段落に記載されているように、皮膜の色の変化が少なくなるという程度に止まり、抜本的な対策になっていない。 (2) Further, in the technique disclosed in Patent Document 13, as a measure for changing the color of the coating and reducing corrosion resistance, the amorphous fluoride sprayed coating immediately after film formation is subjected to heat treatment at 200 ° C. to 500 ° C. A technology to change to orthorhombic is proposed. However, even if this method is applied, as described in paragraph (0014) of this document 13, the change in the color of the film is reduced, and this is not a drastic measure.

(3)さらに、特許文献16に記載のフッ化物皮膜の形成法は、(0021)段落にて、コールドスプレー法やエアロゾロデポジション法等が望ましいと記載している。その一方で、溶射法として適用する場合、「アルゴンやヘリウムのプラズマガスに、さらに、水素ガスを混合すると、プラズマ温度が高くなり、より緻密な成膜が可能となる。」としている。しかし、コールドスプレー法というのは、日本溶射協会監修誌「溶射技術Vol.26 No.2/3 2007年1月31日発行18頁〜25頁 コールドスプレーの概要と研究・開発の動向」によると、Ar、N、Heなどの不活性ガスを500℃に加熱し、成膜粒子を300〜1200m/Sの高速で吹き付ける方法である。 (3) Furthermore, as for the method of forming a fluoride film described in Patent Document 16, the paragraph (0021) describes that a cold spray method, an aerosol deposition method, or the like is desirable. On the other hand, when it is applied as a thermal spraying method, it is stated that “if a hydrogen gas is further mixed with a plasma gas such as argon or helium, the plasma temperature becomes high and a denser film can be formed”. However, the cold spray method is according to the Journal of the Japan Thermal Spray Association, “Spraying Technology Vol. 26 No. 2/3, published on January 31, 2007, pages 18 to 25, overview of cold spray and trends in research and development” , Ar, N 2 , He, or other inert gas is heated to 500 ° C., and film-forming particles are sprayed at a high speed of 300 to 1200 m / S.

この方法では、500℃のガスがノズルの吹き付け部では、断熱膨張現象によって、室温まで低下するとの説明があり、この条件ではフッ化物の成膜用として適した方法と言えない。   In this method, there is an explanation that the gas at 500 ° C. is lowered to room temperature due to the adiabatic expansion phenomenon in the sprayed portion of the nozzle. Under these conditions, it cannot be said that the method is suitable for forming a fluoride film.

また、この特許文献16には、フッ化物皮膜の形成に必要なコールドスプレー法についての詳しい内容が説明されていない。即ち、コールドスプレー法に比較すると格段に温度が高いプラズマ溶射法のプラズマ熱源温度をさらに高めるため、Ar、Heなどの不活性ガス中にHガスを混入してプラズマ温度を上昇させて成膜するフッ化物皮膜の形成方法を推奨しているが、一方で、コールドスプレー法による低いガス温度での成膜が可能であるなど技術的な矛盾があるにも拘わらず、その理由については全く言及していない。 Further, Patent Document 16 does not explain the detailed contents of the cold spray method necessary for forming the fluoride film. That is, in order to further increase the plasma heat source temperature of the plasma spraying method, which is significantly higher than that of the cold spray method, the film is formed by increasing the plasma temperature by mixing H 2 gas into an inert gas such as Ar or He. Although the method of forming a fluoride film is recommended, on the other hand, although there is a technical contradiction such as the ability to form a film at a low gas temperature by the cold spray method, the reason is completely mentioned. Not done.

(4)また、特許文献13、16のようにフッ化物溶射皮膜を熱処理する方法では、製造工程が増加することに加え、生産効率の低下とコストアップを招く問題点がある他、熱処理を施しても皮膜の耐食性を十分に回復させられないという問題点があった。 (4) Moreover, in the method of heat-treating the fluoride sprayed coating as in Patent Documents 13 and 16, in addition to the increase in the manufacturing process, there is a problem that the production efficiency is reduced and the cost is increased. However, there was a problem that the corrosion resistance of the film could not be sufficiently recovered.

(5)また、フッ化物溶射皮膜を大気プラズマ溶射法や高速フレーム溶射法によって形成するプロセスでは、高温の熱源中で成膜用フッ化物粒子が熱分解して、異臭を伴う有害なFガスを放出するため、作業環境が悪化し、作業の安全衛生上にも問題がある。 (5) Further, in the process of forming a fluoride sprayed coating by the atmospheric plasma spraying method or the high-speed flame spraying method, the fluoride particles for film formation are thermally decomposed in a high-temperature heat source, and harmful F 2 gas with a strange odor is generated. , The work environment is deteriorated and there is a problem in work safety and health.

(6)さらに、フッ化物溶射皮膜は、優れた耐ハロゲン性を有しているものの、基材に対する密着性に乏しい欠点がある。しかし、この原因と対策について記載した先行技術文献は殆どない。また、開示されていたとしても、一般的なブラスト処理の適用のみであり、フッ化物溶射皮膜の密着性を向上させようとする意図は認められない。 (6) Furthermore, although the fluoride sprayed coating has excellent halogen resistance, it has a drawback of poor adhesion to the substrate. However, there are few prior art documents describing this cause and countermeasures. Moreover, even if it is disclosed, it is only an application of a general blast treatment, and the intention to improve the adhesion of the fluoride spray coating is not recognized.

例えば、特許文献13、特許文献16では、基材の表面を鋼玉やコランダム(Al)による粗面化、特許文献17ではAlによる粗面化が開示されているのみであり、皮膜の密着性向上対策としてのブラスト粗面化処理およびアンダーコート材料についての記載はなく、表面粗さについても開示されていない。 For example, Patent Document 13 and Patent Document 16 only disclose that the surface of the substrate is roughened with steel balls or corundum (Al 2 O 3 ), and Patent Document 17 discloses roughening with Al 2 O 3 . In addition, there is no description about the blast roughening treatment and the undercoat material as measures for improving the adhesion of the film, and the surface roughness is not disclosed.

(7)しかも、前記各特許文献は、基材の表面にフッ化物溶射皮膜を直接被覆形成する方法を採用しており、フッ化物溶射皮膜を形成するための前処理としてのブラスト処理の条件やアンダーコート施工の必要性などについての記載が認められないことから、フッ化物溶射皮膜の密着性を重要視していないことが明らかであり、そのために皮膜がしばしば剥離するという問題があるにも拘わらず、その解決手段についての検討が行なわれることはなかった。 (7) Moreover, each of the above-mentioned patent documents employs a method in which a fluoride sprayed coating is directly formed on the surface of a substrate, and conditions for blasting as a pretreatment for forming a fluoride sprayed coating Since there is no description about the necessity of undercoat construction, it is clear that the adhesion of the fluoride sprayed coating is not considered important, and despite this, the coating often peels off. However, no investigation was made on the solution.

そこで、本発明の目的は、熱分解反応と酸化反応を抑制することで品質面で良好な特性(耐食性、耐プラズマエッチング性)を有するフッ化物溶射皮膜を密着させてなるフッ化物溶射皮膜被覆部材の提供と、その皮膜を基材表面に形成する方法とを提案することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a fluoride sprayed coating coated member in which a fluoride sprayed coating having good quality characteristics (corrosion resistance, plasma etching resistance) is adhered by suppressing thermal decomposition reaction and oxidation reaction. And providing a method for forming the coating on the surface of the substrate.

本発明は、従来技術が抱えている上述した問題点を克服して前記目的を確実に実現するために鋭意研究した結果、熱源温度の高い溶射法で形成される従来のフッ化物溶射皮膜形成方法では、皮膜の化学的・物理的特性が低下するだけでなく、密着性も悪いという問題点があったところ、これを解決するには、次のような視点に立った新しい溶射皮膜の形成方法の採用が有利であるとの知見を得て、本発明に想到した。   The present invention is a conventional fluoride spray coating forming method formed by a thermal spraying method with a high heat source temperature as a result of earnest research to overcome the above-mentioned problems of the prior art and reliably realize the above object. Then, there was a problem that not only the chemical and physical properties of the film deteriorated, but also the adhesion was bad. To solve this problem, a new method of forming a thermal sprayed film from the following viewpoint The present invention was conceived based on the knowledge that the adoption of this is advantageous.

(1)フッ化物の溶射については、溶射熱源の温度が600℃〜1300℃程度の温度で、ArやN、Heなどの単独または混合状態の不活性ガスを、成膜用フッ化物粒子の流体駆動源として用いることが有利である。
(2)フッ化物溶射材料の溶射は、毎秒500m以上の高速度で飛行させることが好ましい。このような高速溶射により、溶射粒子表面に大きな運動エネルギーで衝突するため、少なくとも一部の溶射粒子が被着面の凹部などに食い込んだ状態、即ち植毛構造となって付着する。その結果、被覆形成されたフッ化物溶射皮膜は、基材の粗面化凹部を介して植毛状態を形造って強く固着させることができる。即ち、このことによって、フッ化物溶射皮膜の密着性の向上を図ることができる。
(3)フッ化物溶射皮膜を被覆するための基材は、その表面を予めJIS H9302規定のセラミック溶射皮膜作業標準に準拠して、脱脂や脱スケールと共に、A1やSiCなどの研削材粒子を用いたブラスト粗面化処理して凹凸を形成したり、さらには予熱することが好ましい。
(4)不活性ガスを駆動源とする溶射ガンのノズルと基材表面との距離は5〜50mmに保持して成膜し、密着性に優れたフッ化物溶射皮膜を被覆形成することが好ましい。
(1) About the spraying of fluoride, the temperature of the spraying heat source is about 600 ° C. to 1300 ° C., and an inert gas such as Ar, N 2 , or He is used alone or in a mixed state. It is advantageous to use it as a fluid drive source.
(2) It is preferable to spray the fluoride spray material at a high speed of 500 m / second or more. Since such high-speed spraying collides with the surface of the sprayed particles with a large kinetic energy, at least a part of the sprayed particles adheres to the concave portion of the adherend surface, that is, a flocked structure. As a result, the coating-formed fluoride sprayed coating can be firmly fixed by forming a flocked state through the roughened concave portion of the substrate. That is, this can improve the adhesion of the fluoride spray coating.
(3) substrate for coating a fluoride spray coating, in compliance with the ceramic sprayed coating work standard pre JIS H9302 defining its surface, with degreasing or descaling, abrasives such as A1 2 O 3 and SiC It is preferable to form irregularities by blast roughening using particles, or to preheat.
(4) It is preferable to form a film by keeping the distance between the nozzle of the spray gun using an inert gas as a driving source and the surface of the substrate at 5 to 50 mm and coating with a fluoride sprayed film having excellent adhesion. .

上述した視点に立って開発した本発明は、粗面化と予熱の処理をした基材表面に、フッ化物溶射材料を、ArやN、Heまたはそれらの混合ガスからなる不活性ガスを成膜用作動ガスとする溶射ガンを用いて、600℃〜1300℃の溶射雰囲気中において、飛行速度:500m/sec.以上の速度で吹き付けることにより、該フッ化物溶射粒子の少なくとも一部が該基材の粗面化・予熱表面の凹部に食い込んだ状態である植毛構造となるように付着させてなるフッ化物溶射皮膜を被覆形成すること、を特徴とするフッ化物溶射皮膜の形成方法である。 The present invention, developed from the viewpoint described above, forms a fluoride sprayed material on the surface of the substrate that has been roughened and preheated, and an inert gas composed of Ar, N 2 , He, or a mixed gas thereof. Using a spray gun as a working gas for the film, in a spraying atmosphere of 600 ° C. to 1300 ° C., the flight speed: 500 m / sec. By spraying at the above speed, a fluoride sprayed coating is formed such that at least a part of the fluoride sprayed particles has a flocking structure in which the roughened / preheated surface of the base material is bitten into the recesses. Is a method for forming a fluoride sprayed coating characterized by forming a coating.

また、本発明は、基材と、粗面化処理と予熱処理された、その基材の粗面化・予熱表面に対して直に被覆形成されたフッ化物溶射皮膜とからなり、かつ、該フッ化物溶射皮膜が基材の粗面化・予熱表面と接している部分は、粒径が5〜80μmの大きさのフッ化物溶射粒子を600〜1300℃の溶射雰囲気中で飛行速度500m/sec以上の高速で溶射して、該フッ化物溶射粒子の少なくとも一部の先端部が、該基材の粗面化・予熱表面の凹部内に食い込むように付着した状態である植毛構造を有することを特徴とするフッ化物溶射皮膜被覆部材を提案する。   Further, the present invention comprises a base material, and a fluoride sprayed coating that is coated directly on the roughened / preheated surface of the base material that has been subjected to a roughening treatment and a preheat treatment, and The portion where the fluoride sprayed coating is in contact with the roughened / preheated surface of the substrate is a spray speed of 500 m / sec. It is sprayed at the above high speed, and has a flocking structure in which at least a part of the tip of the fluoride spray particles is attached so as to bite into the concave portion of the roughened / preheated surface of the substrate. We propose a featured fluoride spray coating coated member.

なお、本発明においては、
(1)粗面化と予熱の処理の他は、前処理として脱脂や脱スケールの処理を行なうこと、
(2)前記基材は、Alおよびその合金、Tiおよびその合金、炭素を含む鋼鉄、各種ステンレス鋼、Ni及びその合金、酸化物、窒化物、炭化物、珪化物、炭素焼結体のいずれかを用いること、
(3)前記フッ化物溶射皮膜は、周期律表IIa族のMg、周期律表IIIb族のAl、周期律表IIIa族Y、原子番号57〜71のランタノイド系金属であるランタン(La)、セリウム(Ce)、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)、プロメチウム(Pm)、サマリウム(Sm)、ユウロビウム(Eu)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ジズプロシウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)、ルテチウム(Lu)のフッ化物から選ばれる1種以上の、粒径が5μm〜80μmのフッ化物粒子を吹き付けて、20μm〜500μmの膜厚に形成された皮膜であること、
(4)前記基材の粗面化処理は、Al、SiCなどの研削材を吹き付けることによって、表面粗さをRa:0.05〜0.74μm、Rz:0.09〜2.0μmにすること、
(5)前記不活性ガスを成膜用作動ガスとして用いる溶射法では、フッ化物粒子を噴射するときの噴射ノズル先端と基材表面との距離は、5〜50mmの間隔に保持されること、
(6)フッ化物溶射粒子の飛行速度は、500m/sec.以上1000m/sec.以下の速さにすること、
(7)フッ化物溶射粒子の飛行速度は、650m/sec.以上1800m/sec.以下の速さにすること、
(8)作動ガスおよび溶射雰囲気の温度は、600℃以上1300以下にすること、
が、より好ましい解決手段となる。
In the present invention,
(1) In addition to roughening and preheating treatment, pre-treatment of degreasing and descaling,
(2) The base material is any of Al and alloys thereof, Ti and alloys thereof, steel containing carbon, various stainless steels, Ni and alloys thereof, oxides, nitrides, carbides, silicides, and carbon sintered bodies. Using
(3) The fluoride spray coating is composed of Mg in the periodic table group IIa, Al in the periodic table group IIIb, Group IIIa in the periodic table Y, lanthanum (La), a lanthanoid metal having atomic numbers 57 to 71, and cerium. (Ce), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), promethium (Pm), samarium (Sm), eurobium (Eu), gadolinium (Gd), terbium (Tb), dysprosium (Dy), holmium (Ho), erbium (Er), thulium (Tm), ytterbium (Yb), one or more kinds of fluoride particles selected from fluorides of lutetium (Lu) are sprayed to form a film thickness of 20 μm to 500 μm. The film is formed,
(4) The surface roughening treatment of the base material is performed by spraying a grinding material such as Al 2 O 3 or SiC, whereby the surface roughness is Ra: 0.05 to 0.74 μm, Rz: 0.09 to 2. To 0 μm,
(5) In the spraying method using the inert gas as a working gas for film formation, the distance between the tip of the injection nozzle and the substrate surface when the fluoride particles are injected is maintained at an interval of 5 to 50 mm.
(6) The flying speed of the fluoride spray particles is 500 m / sec. 1000 m / sec. To the following speed,
(7) The flying speed of the fluoride spray particles is 650 m / sec. 1800 m / sec. To the following speed,
(8) The temperature of the working gas and the spraying atmosphere should be 600 ° C. or more and 1300 or less,
However, this is a more preferable solution.

前記のような構成を有する本発明によれば、つぎのような効果が期待できる。
(1)成膜用のフッ化物溶射用粒子を加熱するための溶射熱源が、ArやN、Heなどの不活性ガスを用いているため、溶射熱源中を飛行するフッ化物粒子が酸化、変質することなく被着面に達して溶射皮膜となる。従って、無酸化雰囲気下での溶射になるため酸化反応が抑制され、フッ化物本来の性能を損ねるようなことがなく、安定した品質のものが得られる。
(2)フッ化物粒子を加熱するための前記不活性ガスの溶射熱源温度が、一般的なプラズマ溶射法の熱源温度:5000℃〜7000℃、高速フレーム溶射法の熱源温度:1800℃〜2800℃に比べて、はるかに低温の600℃〜1300℃であるため、フッ化物粒子の熱分解反応を抑えて化学的質量変化とそれに伴う物理化学的性質の劣化を起こさないような溶射皮膜が成膜できる。
(3)さらに、不活性ガス中を飛行するフッ化物溶射粒子の速度を毎秒500m以上に設定しているため、粒子の温度被曝時間が短く(1/1000秒)、前記(1)、(2)の効果を一段と高めると共に、フッ化物粒子に大きな運動エネルギーを付与することで得られる基材表面への衝突エネルギーの増大によって、炭化物サーメットのアンダーコート層の存在と相俟って、溶射皮膜の密着力の向上を果すことができる。
(4)低温度、不活性ガス熱源、高速度飛行粒子など前述した条件を揃えることにより、現在のプラズマ溶射法などでは成膜できなかった高温下で高蒸気圧性のフッ化物粒子(例えば、AlF)などの成膜が容易となる。
(5)前記溶射法の条件に加え、溶射皮膜を被成するための基材表面をブラストによる粗面化処理と炭化物サーメットのアンダーコートの施工、ならびに基材を80℃〜700℃に予熱するので、基材表面に衝突するフッ化物粒子の付着力(密着力)を向上させることができる。
(6)とくに、粗面化(Ra:0.05〜0.74μm、Rx:0.09〜2.0μm)しかつ予熱した前記基材表面に対し、その上に吹き付けられたフッ化物粒子の一部が凹凸部に食い込んで投錨効果(粒子が基材の粗面(凹部)に機械的に噛み合うことによって、皮膜とアンダーコート層の密着度を向上させる働き)が一段と向上してフッ化物溶射材料粒子の付着堆積率の向上と密着力の向上とが図れる。
(7)フッ化物は、表面エネルギーが小さいため、皮膜を構成するフッ化物粒子の相互結合力や基材との密着性が低く、しばしば剥離する欠点がある。この点、本発明によれば、基材表面が粗面化されることで、フッ化物粒子の物理的付着作用や、化学的親和力とが相乗的に作用して、皮膜の密着力が向上する。
According to the present invention having the above-described configuration, the following effects can be expected.
(1) Since the spray heat source for heating the fluoride spray particles for film formation uses an inert gas such as Ar, N 2 , and He, the fluoride particles flying in the spray heat source are oxidized, It reaches the adherend surface without alteration and becomes a sprayed coating. Therefore, since the thermal spraying is performed in a non-oxidizing atmosphere, the oxidation reaction is suppressed, and the original performance of the fluoride is not impaired, and a stable quality is obtained.
(2) The thermal spray heat source temperature of the inert gas for heating the fluoride particles is as follows: heat source temperature of general plasma spraying method: 5000 ° C. to 7000 ° C., heat source temperature of high-speed flame spraying method: 1800 ° C. to 2800 ° C. Compared to the above, since the temperature is much lower, 600 ° C to 1300 ° C, a thermal spray coating that suppresses the thermal decomposition reaction of fluoride particles and does not cause chemical mass change and accompanying deterioration of physicochemical properties is formed. it can.
(3) Furthermore, since the velocity of the fluoride spray particles flying in the inert gas is set to 500 m or more per second, the temperature exposure time of the particles is short (1/1000 seconds), and the above (1), (2 ) And the impact energy to the substrate surface obtained by applying large kinetic energy to the fluoride particles, combined with the presence of the carbide cermet undercoat layer, The adhesion can be improved.
(4) By aligning the above-mentioned conditions such as low temperature, inert gas heat source, high speed flying particles, etc., high vapor pressure fluoride particles (for example, AlF) at high temperatures that could not be formed by the current plasma spraying method etc. 3 ) and the like can be easily formed.
(5) In addition to the conditions of the thermal spraying method, the surface of the base material for depositing the thermal spray coating is roughened by blasting and the undercoat of carbide cermet is applied, and the base material is preheated to 80 ° C. to 700 ° C. Therefore, the adhesion force (adhesion force) of fluoride particles that collide with the substrate surface can be improved.
(6) In particular, the fluoride particles sprayed on the surface of the substrate that has been roughened (Ra: 0.05 to 0.74 μm, Rx: 0.09 to 2.0 μm) and preheated. Fluoride spraying with some improvements in the throwing effect by part of the projections and depressions (the work that improves the adhesion between the coating and the undercoat layer by mechanically engaging the particles with the rough surface (recesses) of the substrate) It is possible to improve the adhesion / deposition rate of the material particles and the adhesion.
(7) Since fluoride has a small surface energy, the mutual bonding force of fluoride particles constituting the film and the adhesiveness to the substrate are low, and there is a defect that the fluoride often peels off. In this regard, according to the present invention, since the surface of the base material is roughened, the physical adhesion of fluoride particles and the chemical affinity act synergistically to improve the adhesion of the film. .

本発明方法を実施するための工程の流れを示した図である。It is the figure which showed the flow of the process for implementing this invention method. 高速フレーム溶射法によって、溶射粒子を基材表面に吹き付けた初期段階の粒子挙動状態を示す図である。(a)は前記溶射粒子を吹き付けた表面、(b)は溶射粒子を吹き付けた断面、It is a figure which shows the particle | grain behavior state of the initial stage which sprayed the sprayed particle on the base-material surface by the high-speed flame spraying method. (A) is a surface sprayed with the sprayed particles, (b) is a cross section sprayed with sprayed particles, 本発明方法で利用する低温溶射皮膜形成用装置の略線図である。It is a basic diagram of the apparatus for low-temperature sprayed coating formation utilized with the method of this invention. 本発明方法で利用する他の低温溶射皮膜形成用装置の略線図である。It is a basic diagram of the other apparatus for low-temperature sprayed coating formation utilized by the method of this invention.

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図1は、本発明方法を実施するための工程の流れを示したものである。以下、この工程順に従って本発明を説明する。
(1)基材
本発明で使用することができる基材は、Alおよびその合金、Tiおよびその合金、ステンレス鋼を含む各種の合金鋼、炭素鋼、Niおよびその合金などである。その他、酸化物や窒化物、炭化物、珪化物などのセラミック焼結体、焼結炭素材料であってもよい。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows the flow of steps for carrying out the method of the present invention. Hereinafter, the present invention will be described in the order of the steps.
(1) Base Material The base material that can be used in the present invention includes Al and its alloys, Ti and its alloys, various alloy steels including stainless steel, carbon steel, Ni and their alloys, and the like. In addition, ceramic sintered bodies such as oxides, nitrides, carbides, silicides, and sintered carbon materials may be used.

(2)前処理
この処理は、JIS H9302に規定されているセラミック溶射作業標準に準拠して実施することが好ましい。例えば、基材表面の錆や油脂類などを除去する脱脂、脱スケールの処理あるいはその後に、Al、SiCなどの研削粒子を吹き付けて粗面化して、フッ化物粒子が付着しやすい状態にする。粗面化後の基材表面粗さは、Ra:0.05〜0.74μm、Rz:0.09〜2.0μm程度にすることが好ましい。
(2) Pretreatment This treatment is preferably carried out in accordance with the ceramic spraying work standard defined in JIS H9302. For example, degreasing and descaling treatment to remove rust, oils and fats on the surface of the substrate, or after that, grinding particles such as Al 2 O 3 and SiC are sprayed to roughen the surface, and fluoride particles are likely to adhere. To. The surface roughness of the substrate after roughening is preferably about Ra: 0.05 to 0.74 μm and Rz: about 0.09 to 2.0 μm.

図2は、基材表面に溶射粒子を高速フレーム溶射法によって粒子の飛行速度が550m/secの速さで吹き付けた直後の基材表面とその部分の断面の形態を示した参考写真である。
図2(a)は、吹き付けられたWC−Coサーメット溶射粒子の一部が基材表面に、それぞれ減り込むように付着している一方、他のWC−Coサーメット粒子は基材への衝突エネルギーによって、一部が破砕された状態で分散して付着被覆されている。また、図2(b)は、基材表層部に吹き付けられたWC−Coサーメット粒子の分布状況を断面状態で観察したものである。この写真から明らかなように、WC−Coサーメット粒子は、基材表面に突き刺さって小さな杭が疎らに林立したような状態であると共に、他の一部は、単に付着するか埋没した状態となって、溶射回数を重ねる程均一になる。
FIG. 2 is a reference photograph showing a cross-sectional form of the substrate surface and its portion immediately after spraying the sprayed particles onto the substrate surface by a high-speed flame spraying method at a flying speed of 550 m / sec.
FIG. 2 (a) shows that a part of sprayed WC-Co cermet sprayed particles adhere to the surface of the substrate so as to decrease, while the other WC-Co cermet particles impinge on the substrate. Thus, a part of the crushed material is dispersed and adhered and coated. Moreover, FIG.2 (b) observes the distribution condition of the WC-Co cermet particle sprayed on the base-material surface layer part in the cross-sectional state. As is apparent from this photograph, the WC-Co cermet particles are in a state in which small piles are sparsely stabbed on the surface of the base material, and other parts are simply attached or buried. The more the number of sprays, the more uniform it becomes.

(4)基材等の予熱
前記粗面化処理後の基材は、フッ化物粒子の溶射に先駆けて予熱を行う。この予熱の温度は、基材質によって管理することが好ましく、下記の温度が推奨される。
(i)Al、Ti及びそれらの合金:80℃〜250℃
(ii)鋼鉄(低合金鋼):80℃〜250℃
(iii)ステンレス鋼:80℃〜250℃
(iv)酸化物・炭化物などのセラミック焼結体:120℃〜500℃
(v)焼結炭素:200℃〜700℃
(4) Preheating of base material etc. The base material after the roughening treatment is preheated prior to thermal spraying of fluoride particles. The preheating temperature is preferably controlled by the base material, and the following temperatures are recommended.
(I) Al, Ti and alloys thereof: 80 ° C to 250 ° C
(Ii) Steel (low alloy steel): 80 ° C to 250 ° C
(Iii) Stainless steel: 80 ° C to 250 ° C
(Iv) Ceramic sintered bodies such as oxides and carbides: 120 ° C to 500 ° C
(V) Sintered carbon: 200 ° C to 700 ° C

また、この予熱は、大気中、真空中、不活性ガス中のいずれであってもよいが、基材質が予熱によって酸化され、表面に酸化膜が生成するような雰囲気は避ける必要がある。   The preheating may be performed in the air, in a vacuum, or in an inert gas, but it is necessary to avoid an atmosphere in which the base material is oxidized by preheating and an oxide film is formed on the surface.

本発明方法において、基材を予熱する最も大きな理由の一つは、不活性ガスをノズルから高速で噴射するとき、ガスの断熱膨張現象によって、例えば600℃程度のガス温度が50℃前後にまで低下し、これによって基材が冷却されるおそれがあるからである。もし、基材の表面温度がこのような低い温度になると、ノズルから噴射されたフッ化物粒子(フッ化物の融点は、YFの場合(1152℃)、ErFの場合(1350℃)は、ガス中で溶融することなく、そのまま基材表面に衝突した場合、その大部分が飛散して成膜する確率が非常に低くなるうえ、もし成膜できたとしてもフッ化物粒子の相互結合力が弱く、かつ気孔率の大きい皮膜となるなどの品質の低下を招くからである。 In the method of the present invention, one of the biggest reasons for preheating the substrate is that when an inert gas is injected from the nozzle at a high speed, the gas temperature of, for example, about 600 ° C. reaches about 50 ° C. due to the adiabatic expansion phenomenon of the gas. This is because there is a risk that the temperature of the base material is lowered and the substrate is thereby cooled. If the surface temperature of the substrate becomes such a low temperature, fluoride particles injected from the nozzle (the melting point of fluoride is YF 3 (1152 ° C.), ErF 3 (1350 ° C.)) If it collides with the substrate surface as it is without melting in the gas, most of the material will scatter and the probability of film formation will be very low. This is because the quality is deteriorated such that the film is weak and has a high porosity.

本発明は、基材表面の粗面化、該基材の予熱および後述の不活性ガスによるフッ化物粒子の熱間高速度吹き付けによる大きな運動エネルギーの付与によって、フッ化物粒子の付着力の向上を図るものである。   The present invention improves the adhesion of fluoride particles by roughening the surface of the substrate, preheating the substrate, and applying large kinetic energy by hot high-speed spraying of the fluoride particles with an inert gas described later. It is intended.

(5)フッ化物溶射皮膜(トップコート)の形成
a.フッ化物溶射材料
本発明において用いられるフッ化物溶射材料としては、元素の周期律表IIa族のMg、周期律表IIIb族のAl、周期律表IIIa族のY、原子番号57〜71に属するランタノイド系金属のフッ化物である。原子番号57〜71の金属元素名は、ランタン(La)、セリウム(Ce)、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)、プロメチウム(Pm)、サマリウム(Sm)、ユウロピウム(Eu)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ジズプロシウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)、ルテチウム(Lu)の17種である。
(5) Formation of fluoride spray coating (top coat) a. Fluoride spray material The fluoride spray material used in the present invention includes elemental periodic group IIa group Mg, periodic table group IIIb group Al, periodic table group IIIa group Y, and lanthanoids belonging to atomic numbers 57-71. It is a fluoride of a metallic metal. The metal element names of atomic numbers 57 to 71 are lanthanum (La), cerium (Ce), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), promethium (Pm), samarium (Sm), europium (Eu), gadolinium (Gd). , Terbium (Tb), dysprosium (Dy), holmium (Ho), erbium (Er), thulium (Tm), ytterbium (Yb), and lutetium (Lu).

そして、溶射材料としては、前記金属のフッ化物粒子を5〜80μmの粒径に調整したものを使用する。それは、溶射材料が5μm以下の細粒では、基材表面に衝突した際、成膜するより飛散するものが多くなる欠点があり、また80μmより大きい粒子では、溶射ガンへの送給速度を均一化しにくくなる一方、成膜された皮膜の気孔が大きくなる傾向が顕著となるからである。   And as a thermal spray material, what adjusted the particle size of the said metal fluoride particle to 5-80 micrometers is used. That is, if the sprayed material is fine particles of 5 μm or less, there is a disadvantage that more particles are scattered when colliding with the surface of the substrate, and if the particles are larger than 80 μm, the feed rate to the spray gun is uniform. This is because, on the other hand, the tendency of the pores of the formed film to become large becomes remarkable.

前記粗面化処理予熱後の基材表面に形成されるフッ化物粒子による溶射皮膜は、20〜500μmの厚さにするのがよく、特に、50〜200μmの範囲が好適である。それは、20μmより薄い膜では、均等な膜厚が得られず、また、500μmより厚くすると、フッ化物皮膜の形成時における残留応力が大きくなって、基材との密着力の低下を招いて剥離しやすくなるからである。   The sprayed coating with fluoride particles formed on the surface of the base material after pre-heating of the roughening treatment should have a thickness of 20 to 500 μm, and particularly preferably in the range of 50 to 200 μm. That is, when the film is thinner than 20 μm, a uniform film thickness cannot be obtained. When the film is thicker than 500 μm, the residual stress at the time of forming the fluoride film increases, resulting in a decrease in adhesion to the base material and peeling. It is easy to do.

(b)溶射装置及び成膜方法
本発明の実施に当たって用いる装置としては、発明者らが先に提案した特許番号第4628578号に記載の低温溶射皮膜被覆部材及びその製造方法において使用した装置などを用いることができる。図3および図4は、そうした装置の中の本発明に係るフッ化物溶射皮膜を基材表面に形成するのに有効な装置の好適例を示すものである。図示のlは圧縮ガスボンベから供給される作動ガス源、2は溶射材料の供給器、3はガス加圧用熱交換器、4は溶射容器、5は噴射ガン、6はノズル、7は被処理体、8は消音器、9は作動ガス用主ガス管、10は溶射材料粉末搬送用の副ガス管、11は作動ガスの整流板、12、13はそれぞれのガス管に設けられた流量調整バルブである。
(B) Thermal spraying apparatus and film-forming method As an apparatus used in carrying out the present invention, the low-temperature thermal spray coating member described in Patent No. 4628578 previously proposed by the inventors and the apparatus used in the manufacturing method thereof are used. Can be used. FIG. 3 and FIG. 4 show a preferred example of an apparatus effective in forming the fluoride sprayed coating according to the present invention on the surface of the substrate in such an apparatus. In the figure, l is a working gas source supplied from a compressed gas cylinder, 2 is a spraying material supplier, 3 is a gas pressure heat exchanger, 4 is a spraying container, 5 is a spray gun, 6 is a nozzle, and 7 is a workpiece. , 8 is a silencer, 9 is a main gas pipe for working gas, 10 is a sub-gas pipe for conveying the sprayed material powder, 11 is a rectifying plate for working gas, and 12 and 13 are flow control valves provided in the respective gas pipes. It is.

例示したこれらの装置は、作動ガス源1から供給された高圧の不活性ガスを2つに分け、その一方のガスを作動ガスとして熱交換器3に送って600〜1300℃に加熱し、超音速流の噴射ガスとしてノズル6から被処理体7に向けて噴射させる。下限の好ましい温度は700℃以上、より好ましくは800℃とし、上限の好ましい温度は1000℃である。このとき、断熱膨張に伴う極端な低温化を防ぐように温度制御する。   These illustrated apparatuses divide the high-pressure inert gas supplied from the working gas source 1 into two, send one of the gases as the working gas to the heat exchanger 3 and heat it to 600 to 1300 ° C. The jet gas is jetted from the nozzle 6 toward the workpiece 7 as a sonic flow jet gas. The lower limit is preferably 700 ° C. or higher, more preferably 800 ° C., and the upper limit is preferably 1000 ° C. At this time, temperature control is performed so as to prevent an extremely low temperature accompanying adiabatic expansion.

この作動ガスの温度が下限(600℃)未満では、噴射ガン出口における断熱膨張現象によって50℃前後の低温となって、フッ化物粒子の昇温効果が得られない。一方、この温度が上限(1300℃)を超えると、不活性ガスの加熱に要するエネルギーが大きくなるうえ、付属機器の耐熱対策費用が大きくなる。   If the temperature of the working gas is less than the lower limit (600 ° C.), the temperature is lowered to about 50 ° C. due to the adiabatic expansion phenomenon at the outlet of the injection gun, and the temperature increase effect of the fluoride particles cannot be obtained. On the other hand, when the temperature exceeds the upper limit (1300 ° C.), the energy required for heating the inert gas increases and the heat treatment cost for the accessory device increases.

なお、分岐させた他方のガスは、溶射粉末材料の搬送用ガスとして使用するが、噴射ガン5において前記の作動ガスと合流させ、(図3の場合)ノズル6中で超音速ガス流にして溶射材料粒子を高速度で被処理体に向けて飛行衝突させ、少なくとも一部が被着面に喰い込むように吹き付けて次第に肥厚化させて、所定の厚みの溶射皮膜を形成する。また、図4のように、溶射材料粒子を噴射ガン5の出口(ノズル6の取付部近傍)の減圧部から投入してもよい。いずれの場合もノズル6と被処理体との距離は、5〜50mm、好ましくは10〜30mmがよく、5mmより小さい間隔では、ガス流の障害となり、50mmより大きい間隔ではフッ化物粒子の付着率が著しく低下する。   The other branched gas is used as a gas for conveying the spray powder material, but is merged with the working gas in the spray gun 5 to form a supersonic gas flow in the nozzle 6 (in the case of FIG. 3). The sprayed material particles are caused to fly and collide toward the object to be processed at a high speed, and sprayed so that at least a part of the sprayed material bites into the adherend surface and gradually thickened to form a sprayed coating having a predetermined thickness. Further, as shown in FIG. 4, the sprayed material particles may be introduced from the pressure reducing portion at the outlet of the spray gun 5 (near the attachment portion of the nozzle 6). In any case, the distance between the nozzle 6 and the object to be processed is 5 to 50 mm, preferably 10 to 30 mm. If the distance is smaller than 5 mm, the gas flow is obstructed, and if the distance is larger than 50 mm, the adhesion rate of fluoride particles. Is significantly reduced.

前記溶射ガン5のノズル6から不活性ガスを成膜用の作動用ガスとして、フッ化物溶射材料粒子を、500m/sec.以上の飛行速度で被処理体7に吹き付ける。このときの飛行速度は500m/sec.以上とする理由は、500m/sec.未満では基材表面に対するフッ化物粒子の付着率が極端に低下するからである。好ましい下限の飛行速度は500m/sec.、より好ましくは650m/sec.である。一方、この飛行速度の上限は、溶射装置の性能にも関係するが、800m/sec.程度以下、より好ましくは750m/sec.程度にすることが好ましい。   Using an inert gas from the nozzle 6 of the thermal spray gun 5 as a working gas for film formation, fluoride spray material particles are added at 500 m / sec. The object 7 is sprayed at the above flight speed. The flight speed at this time is 500 m / sec. The reason for the above is 500 m / sec. It is because the adhesion rate of the fluoride particle with respect to the base material surface will fall extremely if less than. The preferred lower limit flight speed is 500 m / sec. , More preferably 650 m / sec. It is. On the other hand, the upper limit of the flight speed is related to the performance of the thermal spraying apparatus, but is 800 m / sec. Or less, more preferably 750 m / sec. It is preferable to make it about.

なお、超音速のガス発生部(ノズル6)や被処理体7は、鋼製の溶射容器4によって保護され、また、超音速ガスによって発生する衝撃波音は、消音器8の作用と相俟って外部には洩れないような構造にしてある。   The supersonic gas generating part (nozzle 6) and the object 7 are protected by the steel spraying container 4, and the shock wave sound generated by the supersonic gas is combined with the action of the silencer 8. The structure is such that it does not leak to the outside.

本発明において特徴的なことは、使用する高圧の作動ガスとして、不活性ガス、例えば、ArやNあるいはHe単体のガスまたはこれらの混合ガスを使用することにある。また、これらのガスの圧力は0.5〜1.0MPa未満の範囲内に制御することが好適である。本発明において、該作動ガスとして、例示のような不活性ガスに着目した理由は、たとえ1300℃の高温に加熱しても、溶射装置を構成する各種の金属製部材を酸化消耗させない他、フッ化物粒子を加熱する際にも粒子の酸化反応による物理化学的変化を最小限にとどめ得るからである。そして、その圧力を0.5〜1.0MPa未満にする理由は、熱源用不活性ガスの運動エネルギーを利用するのに適しているからである。1MPa以上の圧力ガスの使用は、成膜上の問題はないが、高圧ガス取扱上の法的な対策を必要とし、作業の安全上からも好ましいものでないからである、 The characteristic feature of the present invention is that an inert gas such as Ar, N 2 or He alone or a mixed gas thereof is used as the high-pressure working gas to be used. Moreover, it is suitable to control the pressure of these gases within the range of 0.5 to less than 1.0 MPa. In the present invention, the reason why attention is given to the inert gas as an example as the working gas is that, even if heated to a high temperature of 1300 ° C., various metal members constituting the thermal spraying apparatus are not oxidized and consumed. This is because the physicochemical change due to the oxidation reaction of the particles can be minimized even when the chemical particles are heated. And the reason which makes the pressure less than 0.5-1.0 MPa is because it is suitable for utilizing the kinetic energy of the inert gas for heat sources. The use of a pressure gas of 1 MPa or more is not problematic in film formation, but requires legal measures in handling high-pressure gas and is not preferable from the viewpoint of work safety.

(c)フッ化物溶射皮膜の特徴
フッ化物自体の物理化学的性質としては、次の点を指摘することができる。即ち、フッ化物の膜は、金属皮膜やセラミック皮膜と比較して、ハロゲン系ガスに対する化学的安定性を有するものの、表面エネルギーが小さいため、皮膜を構成するフッ化物粒子の相互結合力及び基材の密着強さが弱い点が挙げられる。また、成膜時に大きな残留応力を発生しやすいため、基材が成膜後の僅かな変形によって、容易に皮膜の剥離が起こることが多い。加えて、フッ化物は延性に乏しい性質を示すために皮膜が容易に“ひび割れ”し、前記成膜時に発生する気孔部とともに、酸やアルカリ洗浄液などの内部浸入によって、基材の腐食原因となるなど、フッ化物そのものの耐食性は良好であっても、その性質を防食膜としては利用できないという問題点もある。
(C) Features of Fluoride Sprayed Coating As the physicochemical properties of fluoride itself, the following points can be pointed out. That is, although the fluoride film has chemical stability against halogen-based gas as compared with a metal film or ceramic film, the surface energy is small, so the mutual bonding force of the fluoride particles constituting the film and the substrate The adhesion strength is weak. Further, since a large residual stress is likely to be generated during film formation, peeling of the film often occurs easily due to slight deformation of the base material after film formation. In addition, since fluoride exhibits poor ductility, the film easily “cracks” and causes corrosion of the base material due to internal penetration of acid or alkaline cleaning liquid together with pores generated during film formation. Even if the corrosion resistance of the fluoride itself is good, there is also a problem that the property cannot be used as a corrosion protection film.

この点、本発明によれば、溶射皮膜自体の強度が粒子どうしの相互結合力が向上し、皮膜の密着性も向上して、フッ化物が抱えている上述した問題点を解消することができる。即ち、皮膜の剥離やひび割れの防止、それに伴う洗浄液の侵入を阻止して基材の腐食を防ぐという効果が発生するのである。   In this regard, according to the present invention, the strength of the thermal spray coating itself improves the mutual bonding force between the particles, improves the adhesion of the coating, and can solve the above-mentioned problems of the fluoride. . That is, the effect of preventing the peeling of the film and cracking and preventing the corrosion of the base material by preventing the intrusion of the cleaning liquid associated therewith occurs.

なお、本発明に適合して形成されたフッ化物溶射皮膜は、成膜状態のままでも使用できるが、必要に応じて成膜後250℃〜500℃の熱処理を行って、残留応力を開放したり、アモルファス状のものを結晶化(斜方晶系)することも容易である。従って、本発明では、これらの処理の実施について、特に制限するものではない。この熱処理の温度を上記の範囲に限定する理由は、250℃以下では皮膜の残留応力の解放に長時間を要するだけでなく結晶化も不十分で、500℃以上の高温ではフッ化物溶射皮膜の物理化学的性質の変化を助長させる可能性があるからである。   The fluoride spray coating formed in conformity with the present invention can be used as it is, but if necessary, heat treatment at 250 ° C. to 500 ° C. is performed after film formation to release the residual stress. It is also easy to crystallize an amorphous material (orthorhombic system). Therefore, in the present invention, the implementation of these processes is not particularly limited. The reason for limiting the temperature of this heat treatment to the above-mentioned range is that if it is 250 ° C. or lower, it takes a long time to release the residual stress of the coating, and crystallization is insufficient, and if it is 500 ° C. or higher, the fluoride sprayed coating This is because it may promote changes in physicochemical properties.

(実施例1)
この実施例では、フッ化物としてYFとAlFを用い、成膜用作動ガスの温度とフッ化物溶射皮膜の形成の可否について調査した。
(1)基材:基材として、SUS304鋼(寸法:30mm×30mm×厚さ5mm)を用い、その表面をブラスト粗面化処理後、高速フレーム溶射によりWC−12Co(数字はmass%を示す。以下の実施例も同じ)を溶射飛行速度630m/sec.溶射回数8回の条件にて溶射することにより、アンダーコート層を100μmの厚さに施工し、その後、180℃に予熱したものを供試した。
(2)溶射雰囲気:成膜用作動ガスとして、Ar、NおよびHeからなる不活性カスを用い、それぞれのガス温度を500℃未満から最高1300℃に加熱し、そうした溶鋼雰囲気中を飛行するフッ化物粒子の飛行速度を600〜660m/Sに維持しながら基材表面に形成されるフッ化物皮膜の有無と良否について調べた。
(3)成膜用フッ化物材料:フッ化物として粒径10〜35μmのYFとAlFを用いた。また比較例の溶射法として、Arと水素ガスをプラズマ作動ガスとする現行の大気プラズマ溶射法と減圧プラズマ溶射法(粒子飛行速度:350から500m/S)を用い、それぞれのプラズマジェットを熱源として、YFとAlFを成膜した。
Example 1
In this example, YF 3 and AlF 3 were used as fluorides, and the temperature of the working gas for film formation and the feasibility of forming a fluoride spray coating were investigated.
(1) Base material: SUS304 steel (dimensions: 30 mm × 30 mm × thickness 5 mm) is used as a base material, and after blast roughening the surface, WC-12Co (numbers indicate mass%) by high-speed flame spraying. The same applies to the following examples), and the spraying flight speed is 630 m / sec. The undercoat layer was applied to a thickness of 100 μm by spraying under the condition of 8 spraying times, and then preheated to 180 ° C. was used.
(2) Spraying atmosphere: An inert residue consisting of Ar, N 2 and He is used as a film forming working gas, and each gas temperature is heated from less than 500 ° C. to a maximum of 1300 ° C., and flies in the molten steel atmosphere. While maintaining the flight speed of the fluoride particles at 600 to 660 m / S, the presence or absence of a fluoride film formed on the surface of the substrate was examined.
(3) Fluoride material for film formation: YF 3 and AlF 3 having a particle size of 10 to 35 μm were used as fluorides. In addition, as the thermal spraying method of the comparative example, the current atmospheric plasma spraying method using Ar and hydrogen gas as plasma working gas and the low pressure plasma spraying method (particle flight speed: 350 to 500 m / S) are used, and each plasma jet is used as a heat source. YF 3 and AlF 3 were deposited.

(4)試験結果
試験結果を表1に示した。この表に示す結果から明らかなように、本発明に係る溶射法では、成膜用作動ガス(Ar、N、He)が500℃未満ではフッ化物皮膜の形成が見られず(フッ化物粒子の付着が認められる場合でも、多孔質で実用できない状態)、また、600℃以上のガス温度によって、外観上、良好な皮膜の形成が確認できた。
これに対して、現行の大気プラズマ溶射法、減圧プラズマ溶射法による方法では、YFの成膜は見られるが、AlFの皮膜は欠陥(多孔質、均一性に劣る)が多く、実用的な皮膜性状は得られなかった。この原因は、AlFは蒸気圧が非常に高いため、高温のプラズマジェット中を飛行する際、AlF粒子の表面から蒸気化したり、分解したためと思われる。
(4) Test results Table 1 shows the test results. As is apparent from the results shown in this table, in the thermal spraying method according to the present invention, when the film forming working gas (Ar, N 2 , He) is less than 500 ° C., no fluoride film is formed (fluoride particles). Even in the case where adhesion was observed, it was confirmed that the formation of a favorable film was observed in appearance with a porous and impractical state) and a gas temperature of 600 ° C. or higher.
On the other hand, in the current atmospheric plasma spraying method and low pressure plasma spraying method, YF 3 film formation is observed, but the AlF 3 film has many defects (poor and inferior in uniformity) and is practical. No film properties were obtained. This is presumably because AlF 3 has a very high vapor pressure, and thus vaporized or decomposed from the surface of AlF 3 particles when flying in a high-temperature plasma jet.

(実施例2)
この実施例では、SS400鋼の表面に形成したフッ化物溶射皮膜の気孔率に及ぼす成膜方法と基材への前処理の影響について調査した。
(1)基材:基材として、SS400鋼(寸法:幅50mm×縦50mm×厚さ3.2mm)を用い、現行のアルミナ粒子によるブラスト粗面化処理のみを施したものを用意した。
(2)溶射雰囲気:成膜用作動ガスとして750℃に加熱したArガスを用い、この溶射雰囲気中を飛行するYF粒子の飛行速度を650〜700m/sec.範囲に制御した。
(3)成膜用フッ化物:YF(粒径10〜40μm)を用い、本発明の方法及び比較例の成膜として実施例1と同じ現行の大気プラズマ溶射法、高速フレーム溶射法により、120μmの厚さに形成させた。
(4)フェロキシル試験(気孔率)
フェロキシル試験方法として、具体的には、次に示すような方法を用いた。すなわち、ヘキサシアノ鉄(III)酸カリウム10g及び塩化ナトリウム15gを1リットルの蒸留水に溶解し、これを分析用の濾紙に十分含浸させる。その後、この濾紙を試験片表面に貼り付けし、30分間静置した後、濾紙を剥がして、濾紙面での青色斑点の有無を目視判定した。これはアモルファス状膜に貫通気孔が存在するとフェロキシル試験液が浸透し、鉄基材界面に達して鉄イオンを生成させ、これにヘキサシアノ(III)酸カリウム塩が反応して、濾紙の表面に青色斑点を生成させることによって判定することができる。
(Example 2)
In this example, the influence of the film formation method and the pretreatment on the base material on the porosity of the fluoride spray coating formed on the surface of SS400 steel was investigated.
(1) Base material: As a base material, SS400 steel (dimensions: width 50 mm × length 50 mm × thickness 3.2 mm) was used, and a material subjected only to a blast roughening treatment with current alumina particles was prepared.
(2) Spraying atmosphere: Ar gas heated to 750 ° C. was used as the working gas for film formation, and the flight speed of YF 3 particles flying in this spraying atmosphere was 650 to 700 m / sec. Controlled to range.
(3) Fluoride for film formation: YF 3 (particle size: 10 to 40 μm) is used, and as the film of the method of the present invention and the comparative example, the same current atmospheric plasma spraying method and high-speed flame spraying method as in Example 1 are used. A thickness of 120 μm was formed.
(4) Feroxyl test (porosity)
Specifically, the following method was used as a ferroxyl test method. That is, 10 g of potassium hexacyanoferrate (III) and 15 g of sodium chloride are dissolved in 1 liter of distilled water, and the filter paper for analysis is sufficiently impregnated. Thereafter, the filter paper was affixed to the surface of the test piece and allowed to stand for 30 minutes, and then the filter paper was peeled off to visually determine the presence or absence of blue spots on the filter paper surface. This is because the ferroxyl test solution penetrates into the amorphous membrane when penetrating pores are present, reaches the iron substrate interface and generates iron ions, and this reacts with potassium hexacyano (III) and reacts with blue on the surface of the filter paper. It can be determined by generating spots.

(5)試験結果
試験結果を表2に示した。この表に示す結果から明らかなように、供試したすべてのフッ化物溶射皮膜から青色斑点が発生し、皮膜に貫通気孔が存在していることが判明した。ただ青色斑点数を見ると、比較例の大気プラズマ溶射法や高速フレーム溶射法で形成された皮膜(No.2、3)には、3〜7個の大きな青色斑点が見られるのに対し、本発明に適合する方法で溶射して形成した皮膜(No.1)では斑点数が少なく、前者に比較して緻密化の傾向を示している。また、WC−Co粒子を吹き付けた基材表面に形成した皮膜にも貫通気孔が少なく、フッ化物皮膜形成用の前処理として実用化できることが判明した。
(5) Test results The test results are shown in Table 2. As is apparent from the results shown in this table, it was found that blue spots were generated from all the fluoride spray coatings tested, and through pores were present in the coating. However, when looking at the number of blue spots, 3-7 large blue spots are seen in the coatings (No. 2, 3) formed by the atmospheric plasma spraying method and the high-speed flame spraying method of the comparative example. The film (No. 1) formed by thermal spraying according to the method of the present invention has a small number of spots and shows a tendency toward densification as compared with the former. It was also found that the coating formed on the surface of the base material sprayed with WC-Co particles has few through pores and can be put to practical use as a pretreatment for forming a fluoride coating.

(参考例1)
この実施例では、フッ化物粒子の飛行速度と基材の予熱温度をそれぞれ変化させ、フッ化物皮膜の形成に必要な飛行速度と予熱温度を求めたものである。
(1)基材:実施例1と同じステンレス鋼を用い、ブラスト粗面化処理の後、WC−8Co−5Crのアンダーコート層を120μm厚に施工し、その後、20℃〜520℃の範囲で予熱した試験片を準備した。
(2)溶射雰囲気:成膜用作動ガスとして750℃に加熱したArガスを用い、この溶射雰囲気中を飛行するフッ化物粒子の速度を500m/S未満、600〜700m/S、750m/Sの3条件で成膜した。
(3)成膜用フッ化物:YF(粒径:10〜35μm)
(Reference Example 1)
In this example, the flying speed of the fluoride particles and the preheating temperature of the base material are respectively changed to obtain the flying speed and the preheating temperature necessary for forming the fluoride film.
(1) Substrate: The same stainless steel as in Example 1 was used, and after blast roughening, an undercoat layer of WC-8Co-5Cr was applied to a thickness of 120 μm, and then in the range of 20 ° C. to 520 ° C. A preheated specimen was prepared.
(2) Spraying atmosphere: Ar gas heated to 750 ° C. is used as a working gas for film formation, and the speed of fluoride particles flying in this spraying atmosphere is less than 500 m / S, 600 to 700 m / S, and 750 m / S. Film formation was performed under three conditions.
(3) Fluoride for film formation: YF 3 (particle diameter: 10 to 35 μm)

(4)試験結果
試験結果を表3に示した。この表に示す結果から明らかなように、YF粒子の飛行速度が500m/S未満では基材の予熱温度を20℃〜520℃に変化しても十分な成膜が得られなかった(No.1)。しかし、フッ物溶射粒子の飛行速度を600℃以上にすると、基材の予熱温度を80℃以上に維持すると成膜し、この傾向は飛行速度を750m/sec.以上にしてもほぼ変化はなく、良好な状態の溶射皮膜の形成が認められた。このことから、フッ化物皮膜の形成に必要なフッ化溶射粒子の飛行速度は600m/sec.以上、基材(SUS304鋼)の予熱温度を80℃〜500℃であれば所定の効果が得られることが判明した。
(4) Test results Table 3 shows the test results. As is clear from the results shown in this table, when the flight speed of YF 3 particles was less than 500 m / S, sufficient film formation could not be obtained even when the preheating temperature of the substrate was changed from 20 ° C. to 520 ° C. (No .1). However, when the flying speed of the fluorine spray particles is set to 600 ° C. or higher, a film is formed when the preheating temperature of the substrate is maintained at 80 ° C. or higher. Even with the above, there was almost no change, and the formation of a good thermal spray coating was observed. Therefore, the flying speed of the fluorinated spray particles necessary for forming the fluoride film is 600 m / sec. As described above, it has been found that if the preheating temperature of the base material (SUS304 steel) is 80 ° C. to 500 ° C., a predetermined effect can be obtained.

なお、基材の予熱温度の最高は、基材質によって異なり、Al、Tiなどの非鉄金属は温度の上昇に伴って変形や冶金的変化を受け、鉄鋼材料は表面に酸化スケールを生成するなどの変化が発生するため、低い温度に抑制することが好ましい。この点、炭化物、酸化物などの焼結体は加熱温度の影響を受けることが少ないので、生産上可能な限り高くする方が良好な溶射皮膜が形成されるため、最高温度を700℃とした。   The maximum preheating temperature of the base material varies depending on the base material quality, and non-ferrous metals such as Al and Ti undergo deformation and metallurgical changes as the temperature rises, and steel materials generate oxide scale on the surface. Since a change occurs, it is preferable to suppress to a low temperature. In this respect, sintered bodies such as carbides and oxides are less affected by the heating temperature, so that a better thermal sprayed film is formed when the production temperature is as high as possible. .

(実施例3)
この実施例では、フッ化物粒子の飛行速度と基材表面の粗面化状態に対する皮膜の形成状態を調査した。
(1)基材:実施例1と同じSUS304鋼試験片を用い、その表面をブラスト粗面化処理したものとしないものを準備した。また基材は、いずれも200℃に予熱した。
(2)溶射雰囲気:成膜用作動ガスとして700℃に加熱したArガスを用い、この中を飛行するフッ化物粒子の飛行速度を500未満〜750m/sec.になるように調整した。
(3)成膜用フッ化物:YF(粒径:5〜30μm)
Example 3
In this example, the formation speed of the fluoride particles and the formation state of the film with respect to the roughened state of the substrate surface were investigated.
(1) Substrate: The same SUS304 steel test piece as in Example 1 was used, and the surface was subjected to a blast roughening treatment or not. All the substrates were preheated to 200 ° C.
(2) Thermal spraying atmosphere: Ar gas heated to 700 ° C. is used as the working gas for film formation, and the flying speed of fluoride particles flying in this is less than 500 to 750 m / sec. It was adjusted to become.
(3) Fluoride for film formation: YF 3 (particle size: 5 to 30 μm)

(4)試験結果
試験結果を表4に示した。この表に示す結果から明らかなように、フッ化物粒子の飛行速度が500m/sec.未満では、フッ化物皮膜の形成は十分でなく、たとえ形成されたとしても多孔質、不均一なものであった。粒子速度を600m/sec.以上にすると、ブラスト粗面化したもの(No.2)では良好な皮膜を形成した。
(4) Test results Table 4 shows the test results. As is apparent from the results shown in this table, the flying speed of the fluoride particles is 500 m / sec. Below, the formation of the fluoride film was not sufficient, and even if formed, it was porous and non-uniform. The particle velocity is 600 m / sec. As a result, a good film was formed on the blast roughened surface (No. 2).

(参考例2)
この参考例は、Al合金基材(寸法:幅30mm×縦50mm×厚さ3mm)の表面に、本発明に適合するの方法によって、フッ化物溶射皮膜を形成し、その皮膜の耐プラズマエッチング特性を評価したものである。
(1)基材:Al合金(JIS H4000規定のA3003)の表面をブラスト粗面化処理した後、Cr−18Ni−8Crを150μmの厚さに施工し、その後200℃に予熱した。
(2)溶射雰囲気:成膜用作動ガスとして800℃に加熱したHeガスを用い、この溶射雰囲気中を飛行するフッ化物粒子の飛行速度を650〜700m/Sの範囲に制御した。
(3)成膜用フッ化物:YF、DyF、CeF(粒径5〜45μm)を用い、膜厚180μmに成膜した。なお、比較例の皮膜として、大気プラズマ溶射法によってY、Dy、CeOをそれぞれ180μmに成膜した皮膜を同一条件で評価した。
(4)プラズマエッチング雰囲気ガス組成とプラズマ出力
(i)雰囲気ガスと流量条件
(a)含Fガス:CHF/O/Ar=80/100/160(1分間当たりの流量cm
(b)含CHガス:C/Ar=80/100(1分間当たりの流量cm
(ii)プラズマ照射出力
高周波電力:1300W
圧力:4Pa
温度:60℃
(iii)プラズマエッチング試験の雰囲気
(a)含Fガス雰囲気中で実施
(b)含CHガス雰囲気中で実施
(C)含Fガス雰囲気1h⇔含CHガス雰囲気1hを交互に繰り返す雰囲気中で実施
(Reference Example 2)
In this reference example, a fluoride sprayed coating is formed on the surface of an Al alloy substrate (size: width 30 mm × length 50 mm × thickness 3 mm) by a method suitable for the present invention, and the plasma etching resistance of the coating is formed. Is evaluated.
(1) Substrate: After blasting roughening the surface of the (A3003 of JIS H4000 defined) Al alloy, and applying a Cr 3 C 2 -18Ni-8Cr to a thickness of 150 [mu] m, preheated to then 200 ° C..
(2) Spraying atmosphere: He gas heated to 800 ° C. was used as the film forming working gas, and the flying speed of the fluoride particles flying in this spraying atmosphere was controlled in the range of 650 to 700 m / S.
(3) Fluoride for film formation: YF 3 , DyF 3 , CeF 3 (particle diameter 5 to 45 μm) was used to form a film with a film thickness of 180 μm. In addition, as a film of the comparative example, a film in which Y 2 O 3 , Dy 2 O 3 , and CeO 2 were formed to 180 μm by the atmospheric plasma spraying method was evaluated under the same conditions.
(4) Plasma etching atmosphere gas composition and plasma output (i) Atmosphere gas and flow rate conditions (a) F-containing gas: CHF 3 / O 2 / Ar = 80/100/160 (flow rate cm 3 per minute)
(B) CH-containing gas: C 2 H 2 / Ar = 80/100 (flow rate cm 3 per minute)
(Ii) Plasma irradiation output High frequency power: 1300W
Pressure: 4Pa
Temperature: 60 ° C
(Iii) Plasma etching test atmosphere (a) Conducted in an F-containing gas atmosphere (b) Implemented in a CH-containing gas atmosphere (C) Implemented in an atmosphere in which an F-containing gas atmosphere 1h and a CH-containing gas atmosphere 1h are alternately repeated

(5)評価方法
耐プラズマエロージョン試験の評価は、エッチング処理によって供試皮膜から飛散する皮膜成分のパーティクル数を計測することによって、耐プラズマエロージョン性と耐環境汚染性を調査した。パーティクル類は、試験容器内の配設した直径8インチのシリコンウェハーの表面に付着する粒径0.2μm以上の粒子数が30個に達するまでの時間を測定することにより実施した。
(5) Evaluation method In the evaluation of the plasma erosion resistance test, the plasma erosion resistance and the environmental pollution resistance were investigated by measuring the number of particles of the film component scattered from the test film by the etching treatment. The particles were measured by measuring the time required for the number of particles having a particle size of 0.2 μm or more attached to the surface of an 8-inch diameter silicon wafer disposed in the test container to reach 30 particles.

(6)試験結果
試験結果を表5に示した。この結果から明らかなように比較例の酸化物系皮膜(No.1、3、5)は、含CHガス中では最もパーティクルの発生が少なく、含Fガス中ではやや多くなり許容値に達する時間が短くなる状況が見られる。しかし、含Fガスと含CHガスを交互に繰り返す雰囲気下におけるパーティクルの発生数は一段と多くなっていることが判明した。この原因は、含Fガス中におけるフッ化ガスの酸化作用とCHガスの還元作用の繰り返しによって、酸化物セラミック皮膜の表面の酸化膜が常に不安定な状態となって飛散するためと考えられる。これに対して、フッ化物皮膜(No.2、4、6)は、含Fガス中、含CHガス中及びこれらのガス交互繰り返し雰囲気中でも化学的に安定な状態を維持し、パーティクルの発生を抑制したものと考えられる。なお、フッ化物皮膜からのものに比較して1/5〜1/10程度小さいものが多い点も耐環境汚染性をよくしているものと思われる。
(6) Test results Table 5 shows the test results. As is clear from this result, the oxide film (No. 1, 3, 5) of the comparative example has the least amount of generation of particles in the CH-containing gas, and is slightly increased in the F-containing gas to reach the allowable value. There is a situation where becomes shorter. However, it has been found that the number of particles generated in an atmosphere in which F-containing gas and CH-containing gas are alternately repeated is further increased. This is considered to be because the oxide film on the surface of the oxide ceramic film is always in an unstable state and scattered due to the repetition of the oxidizing action of the fluorinated gas and the reducing action of the CH gas in the F-containing gas. In contrast, the fluoride film (No. 2, 4, 6) maintains a chemically stable state in the F-containing gas, the CH-containing gas, and the atmosphere in which these gases are alternately repeated, and generates particles. It is thought to have been suppressed. In addition, it is thought that the environmental pollution resistance is also improved in that many are smaller by about 1/5 to 1/10 than those of the fluoride film.

(実施例4)
この実施例では、フッ化物溶射皮膜の密着性に及ぼす基材表面の前処理の影響を調査した。
(1)前処理の種類
基材としてAl3003合金(寸法:直径25mm×厚さ5mm)の片面に、次に示すような前処理を行なった。
(i)脱脂した後、ワイヤブラシで軽く研磨する。
(ii)脱脂後、Ni−20Crを大気プラズマ溶射法によって、50μm厚さの皮膜を形成する(金属アンダーコート:参考例)
(iii)脱脂後、WC−12Coを高速フレーム溶射法(速度680m/sec.溶射回数7回によって、厚さ80μmのアンダーコート層を施工(参考例)
(iv)脱脂後、Al研削材を用いて、ブラスト粗面化処理を行なう。
Example 4
In this example, the influence of the pretreatment of the substrate surface on the adhesion of the fluoride spray coating was investigated.
(1) Kind of pretreatment The following pretreatment was performed on one side of an Al3003 alloy (dimension: diameter 25 mm x thickness 5 mm) as a base material.
(i) After degreasing, lightly polish with a wire brush.
(ii) After degreasing, Ni-20Cr is formed into a 50 μm-thick film by atmospheric plasma spraying (metal undercoat: reference example)
(iii) After degreasing, WC-12Co is applied with a high-speed flame spraying method (speed: 680 m / sec., with an undercoat layer having a thickness of 80 μm by seven sprays (reference example).
(iv) After degreasing, a blast roughening treatment is performed using an Al 2 O 3 abrasive.

(2)フッ化物溶射皮膜の形成
前記基材表面に、800℃に加熱したHeガスを用い、この中を飛行するフッ化物粒子の飛行速度を680〜750m/sec.の範囲に制御したYF粒子によって、膜厚160μmのフッ化物溶射皮膜を形成した。
(2) Formation of fluoride sprayed coating He gas heated to 800 ° C. is used on the surface of the base material, and the flying speed of fluoride particles flying through the substrate is set to 680 to 750 m / sec. A fluoride sprayed coating having a film thickness of 160 μm was formed by YF 3 particles controlled in the above range.

(3)密着性試験方法
溶射皮膜の密着性は、JIS H8666セラミック溶射皮膜試験方法に規定されている密着強さ試験方法によって測定した。
(3) Adhesion test method The adhesion of the thermal spray coating was measured by the adhesion strength test method defined in the JIS H8666 ceramic thermal spray coating test method.

(4)試験結果
試験結果を表6に示した。この表に示す結果から明らかなように、基材表面を脱脂した後、軽くワイヤブラシングした面に形成したフッ化物溶射皮膜(No.1)は、密着力に乏しく0.5〜1.2MPaで皮膜が剥離し、また、金属アンダーコートを施したフッ化物溶射皮膜(No.2)は、若干の密着力の向上が見られるが、その効果は小さい。これに対して、参考例として示したWC−12Coのアンダーコート層を形成したフッ化物溶射皮膜(No.3)は、12〜17MPaの高い密着力を発揮した。一方、本発明に適合する例であるブラスト粗面化面に形成されたフッ化物溶射皮膜(No.4)の密着力は、ワヤーブラッシング面より高い密着力を示し、この傾向は金属アンダーコート施工後のフッ化物溶射皮膜(No.5)にも認められる。これは、それぞれNo.1、No.2の場合に比較すると高くなる傾向があり、基材の粗面化処理の施工は、皮膜の密着性の向上効果が見られる。
(4) Test results The test results are shown in Table 6. As is clear from the results shown in this table, the fluoride sprayed coating (No. 1) formed on the lightly brushed surface after degreasing the substrate surface has a poor adhesion and is 0.5 to 1.2 MPa. The fluoride sprayed coating (No. 2) with the coating peeled off and the metal undercoat provided a slight improvement in adhesion, but the effect was small. On the other hand, the fluoride sprayed coating (No. 3) on which the WC-12Co undercoat layer shown as a reference example formed a high adhesion of 12 to 17 MPa. On the other hand, the adhesion of the fluoride sprayed coating (No. 4) formed on the roughened blasted surface, which is an example suitable for the present invention, is higher than that of the wire brushing surface. It is recognized also in the fluoride sprayed coating (No. 5) after construction. These are respectively No. 1, no. Compared with the case of 2, it tends to be higher, and the roughening treatment of the base material shows an effect of improving the adhesion of the film.

以上説明したように、比較的低温〜超高速、不活性ガスを作動流体として、溶射加工して得た本発明のフッ化物皮膜は、成膜用のフッ化物粒子が熱分解したり、脱F成分の現象を発生しないため、形成されるフッ化物皮膜は、フッ化物本来の物理化学的性質を発揮する。このようにして形成されたフッ化物溶射皮膜は、従来のプラズマ溶射法や高速フレーム溶射法によって形成された皮膜に比較して、密着性、耐酸性、耐ハロゲンガス性、耐プラズマエロージョン性などの物理化学的性質に優れ、現行の半導体加工装置部材用の被覆はもとより、一般の石油化学・化学プラント用被覆として、より厳しく、より優れた性能が求められる分野への新しい用途が期待できる。 As described above, the fluoride coating of the present invention obtained by thermal spraying using an inert gas as a working fluid at a relatively low temperature to an ultra-high speed can be obtained by thermally decomposing fluoride particles for film formation or removing F Since the two- component phenomenon does not occur, the formed fluoride film exhibits the original physicochemical properties of fluoride. The fluoride spray coating formed in this way has better adhesion, acid resistance, halogen gas resistance, plasma erosion resistance, etc., compared to coatings formed by conventional plasma spraying and high-speed flame spraying methods. It has excellent physicochemical properties, and it can be expected to be used in fields where more stringent and superior performance is required as a coating for general petrochemical / chemical plants as well as coatings for current semiconductor processing equipment members.

1 作動ガス源
2 溶射材料の供給器
3 ガス加熱用熱交換器
4 溶射容器
5 噴射ガン
6 ノズル
7 被処理体
8 消音器
9 主ガス管
10 副ガス管
11 作動ガス整流板
12、13 流量調整バルブ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Working gas source 2 Spraying material supply device 3 Gas heating heat exchanger 4 Spraying vessel 5 Spray gun 6 Nozzle 7 Processed object 8 Silencer 9 Main gas pipe 10 Sub gas pipe 11 Working gas rectifying plates 12, 13 valve

Claims (10)

粗面化と予熱の処理をした基材表面に、
フッ化物溶射材料を、ArやN、Heまたはそれらの混合ガスからなる不活性ガスを成膜用作動ガスとする溶射ガンを用いて、600℃〜1300℃の溶射雰囲気中において、飛行速度:500m/sec.以上の速度で吹き付けることにより、該フッ化物溶射粒子の少なくとも一部が該基材の粗面化・予熱表面の凹部に食い込んだ状態である植毛構造となるように付着させてなるフッ化物溶射皮膜を被覆形成すること、を特徴とするフッ化物溶射皮膜の形成方法。
On the surface of the base material that has been roughened and preheated,
In a spraying atmosphere of 600 ° C. to 1300 ° C. using a spray gun in which an inert gas composed of Ar, N 2 , He, or a mixed gas thereof is used as a film forming working gas as a fluoride spraying material, flight speed: 500 m / sec. By spraying at the above speed, a fluoride sprayed coating is formed such that at least a part of the fluoride sprayed particles has a flocking structure in which the roughened / preheated surface of the base material is bitten into the recesses. A method for forming a fluoride sprayed coating, characterized in that the coating is formed.
前記基材は、Alおよびその合金、Tiおよびその合金、炭素を含む鋼鉄、各種ステンレス鋼、Ni及びその合金、酸化物、窒化物、炭化物、珪化物、炭素焼結体のいずれかを用いることを特徴とする請求項1に記載のフッ化物溶射皮膜の形成方法。   As the base material, any one of Al and its alloys, Ti and its alloys, carbon-containing steel, various stainless steels, Ni and its alloys, oxides, nitrides, carbides, silicides, and carbon sintered bodies should be used. The method for forming a fluoride sprayed coating according to claim 1. 前記フッ化物溶射皮膜は、周期律表IIa族のMg、周期律表IIIb族のAl、周期律表IIIa族Y、原子番号57〜71のランタノイド系金属であるランタン(La)、セリウム(Ce)、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)、プロメチウム(Pm)、サマリウム(Sm)、ユウロビウム(Eu)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ジズプロシウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)、ルテチウム(Lu)のフッ化物から選ばれる1種以上の、粒径が5μm〜80μmのフッ化物粒子を吹き付けて、20μm〜500μmの膜厚に形成された皮膜であることを特徴とする請求項1または2に記載のフッ化物溶射皮膜の形成方法。   The fluoride spray coating is composed of Mg of periodic table group IIa, Al of group IIIb of periodic table, Group IIIa group Y of periodic table, lanthanum (La), cerium (Ce) which is a lanthanoid metal of atomic number 57-71. , Praseodymium (Pr), neodymium (Nd), promethium (Pm), samarium (Sm), eurobium (Eu), gadolinium (Gd), terbium (Tb), dysprosium (Dy), holmium (Ho), erbium (Er) One or more fluoride particles having a particle size of 5 μm to 80 μm selected from fluorides of thulium (Tm), ytterbium (Yb), and lutetium (Lu) were sprayed to form a film thickness of 20 μm to 500 μm. The method for forming a fluoride sprayed coating according to claim 1, wherein the method is a coating. 前記基材は、Al、SiCなどの研削材を吹き付ける前処理によって、表面粗さをRa:0.05〜0.74μm、Rz:0.09〜2.0μmに粗面化することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1に記載のフッ化物溶射皮膜の形成方法。 The base material is roughened to a surface roughness of Ra: 0.05 to 0.74 μm and Rz: 0.09 to 2.0 μm by pretreatment by spraying an abrasive such as Al 2 O 3 or SiC. The method for forming a fluoride sprayed coating according to any one of claims 1 to 3. 前記不活性ガスを成膜用作動ガスとする溶射法により、フッ化物粒子を噴射するときの溶射ノズル先端と基材表面との距離は、5〜50mmの間隔にすることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1に記載のフッ化物溶射皮膜の形成方法。   The distance between the tip of the thermal spray nozzle and the substrate surface when spraying fluoride particles by a thermal spraying method using the inert gas as a working gas for film formation is set to an interval of 5 to 50 mm. The formation method of the fluoride sprayed coating of any one of 1-4. 基材と、粗面化処理と予熱処理された、その基材の粗面化・予熱表面に対して直に被覆形成されたフッ化物溶射皮膜とからなり、かつ、該フッ化物溶射皮膜が基材の粗面化・予熱表面と接している部分は、粒径が5〜80μmの大きさのフッ化物溶射粒子を600〜1300℃の溶射雰囲気中で飛行速度500m/sec以上の高速で溶射して、該フッ化物溶射粒子の少なくとも一部の先端部が、該基材の粗面化・予熱表面の凹部内に食い込むように付着した状態である植毛構造を有することを特徴とするフッ化物溶射皮膜被覆部材。   A fluoride sprayed coating that is coated directly on the roughened / preheated surface of the substrate that has been roughened and preheated, and is based on the fluoride sprayed coating. The part in contact with the roughened / preheated surface of the material is sprayed with fluoride spray particles having a particle size of 5 to 80 μm in a spraying atmosphere of 600 to 1300 ° C. at a high flight speed of 500 m / sec or more. Fluoride spraying characterized by having a flocking structure in which at least a part of the tip of the fluoride spray particles is attached so as to bite into the concave portion of the roughened / preheated surface of the substrate Film covering member. 前記フッ化物溶射皮膜は、20〜500μmの膜厚であることを特徴とする請求項6に記載のフッ化物溶射皮膜被覆部材。   The fluoride sprayed coating-coated member according to claim 6, wherein the fluoride sprayed coating has a thickness of 20 to 500 μm. 前記基材は、Alおよびその合金、Tiおよびその合金、炭素を含む鋼鉄、各種ステンレス鋼、Ni及びその合金、酸化物、窒化物、炭化物、珪化物、炭素焼結体のいずれかであることを特徴とする請求項6に記載のフッ化物溶射皮膜被覆部材。   The base material is any one of Al and its alloys, Ti and its alloys, carbon-containing steel, various stainless steels, Ni and its alloys, oxides, nitrides, carbides, silicides, and carbon sintered bodies. The fluoride sprayed coating-coated member according to claim 6. 前記フッ化物溶射皮膜は、周期律表IIa族のMg、周期律表IIIb族のAl、周期律表IIIa族Y、原子番号57〜71のランタノイド系金属であるランタン(La)、セリウム(Ce)、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)、プロメチウム(Pm)、サマリウム(Sm)、ユウロビウム(Eu)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ジズプロシウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)、ルテチウム(Lu)のフッ化物から選ばれる1種以上の、粒径が5μm〜80μmのフッ化物粒子を吹き付けて、20μm〜500μmの膜厚に形成された皮膜であることを特徴とする請求項6または7に記載のフッ化物溶射皮膜被覆部材。   The fluoride spray coating is composed of Mg of periodic table group IIa, Al of group IIIb of periodic table, Group IIIa group Y of periodic table, lanthanum (La), cerium (Ce) which is a lanthanoid metal of atomic number 57-71. , Praseodymium (Pr), neodymium (Nd), promethium (Pm), samarium (Sm), eurobium (Eu), gadolinium (Gd), terbium (Tb), dysprosium (Dy), holmium (Ho), erbium (Er) One or more fluoride particles having a particle size of 5 μm to 80 μm selected from fluorides of thulium (Tm), ytterbium (Yb), and lutetium (Lu) were sprayed to form a film thickness of 20 μm to 500 μm. The fluoride sprayed coating-coated member according to claim 6 or 7, which is a coating. 前記前処理した基材の表面は、粗さがRa:0.05〜0.74μm、Rz:0.09〜2.0μmの粗面であることを特徴とする請求項6または8に記載のフッ化物溶射皮膜被覆部材。   9. The surface of the pretreated substrate is a rough surface having a roughness Ra: 0.05 to 0.74 [mu] m and Rz: 0.09 to 2.0 [mu] m. Fluoride spray coating coated member.
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