JP5097936B2 - 高温耐腐食性向上のためのセラミックコーティング及びイオンビームミキシング装置及びそれを使用したコーティング層と母材の界面を改質する方法 - Google Patents
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Description
前記工程1で溶融及び気化されたコーティング材を母材にコーティングする工程(工程2);及び
前記工程2でコーティングされた母材とコーティング層間の界面を混合するためにイオンビームを照射する工程(工程3)を含んで成る前記コーティング及びイオンビームミキシング装置を使用して金属母材とコーティング層との界面の接着性及び緻密性を向上させる方法を提供する。
図1は、前記コーティング及びイオンビームミキシングの概念を説明した図である。
前記工程1で溶融及び気化されたコーティング材を母材にコーティングする工程(工程2);及び
前記工程2でコーティングされた母材とコーティング層との間の界面を混合するためにイオンビームを照射する工程(工程3)を含んで成る前記コーティング及びイオンビームミキシング装置を使用して、母材とコーティング層との界面の接着性及び緻密性を向上させる方法を提供する。
まず、工程1は、電子ビームをコーティング材容器に照射してコーティング材を溶融及び気化させる工程である。
図1の5’を参照)ことで、コーティング層表面がイオンビームの照射口6に正面で対面するようにする。対面した前記コーティング層表面に、イオンビーム7を照射することでミキシングを効率的に行なうことができる。
電子ビーム蒸着方法でインコネル690に10kWの電気力を使用してSiC薄膜を溶融及び気相で蒸発蒸着してオージェ垂直分布分析(depth profiling)を行なった。その結果を図4に示す。
インコネル680H試片を20mm×20mm×5mmの大きさに切断してすべての表面を平均表面粗さ(Ra)50nm以下に研磨してSiCを蒸着した後、実験群にはイオンビーム照射をして、残りはイオンビーム照射をしない状態で300℃、50%硫酸溶液に1時間入れて腐食させた。1時間後、前記試片の表面形状を観察した。その結果を図5に示す。
直径20mmの大きさの円形SiC薄膜を20mm×20mm×5mmの大きさの表面粗さ50nm以下に研磨したハステロイX表面に蒸着した後、実験群にはイオンビーム照射をして、残りはイオンビーム照射をしない状態で電極をコーティングしない材料の表面に接触させて、4V及び0.4Aの電気を加えて電解エッチングした。前記エッチング後、試片の表面形状を観察した。その結果を図6に示す。
Arイオンビームが薄膜に照射される時の前記薄膜と母材界面のミキシング現象を確認するために、オージェマッピングを使用して次のような実験を行なった。
直径20mmの大きさの円形SiC薄膜を20mm×20mm×5mmの大きさの表面粗さ50nm以下に研磨したハステロイX表面に蒸着した後、実験群にはイオンビーム照射をして、残りはイオンビーム照射をしない状態で900℃の空気中で1時間加熱した。1時間後、試片の表面形状を観察してその結果を図9及び図10に示す。
直径20mmの大きさの円形SiC薄膜を20mm×20mm×5mmの大きさの表面粗さ50nm以下に研磨したハステロイX表面に550nmの厚さに蒸着した後、900℃の空気中で1時間加熱した後の一部分を電解エッチングした。エッチング後、前記試片の表面形状を光学顕微鏡で観察した。その結果を図11に示す。
直径20mmの大きさの円形SiC薄膜を20mm×20mm×5mmの大きさの表面粗さ50nm以下に研磨したハステロイX表面に50nm蒸着した後、70keV窒素イオンビーム照射をしてさらに500nmを蒸着する以外は、実験例5と同様に900℃の空気中で1時間加熱した後の一部分を電解エッチングした。エッチング後、前記試片の表面形状を光学顕微鏡で観察した。その結果を図12に示す。
2:電子ビーム
3:セラミック容器
4:溶融及び気化されたセラミック
5:母材
5’:イオンビーム照射口と正面で対面するように回転された母材
6:イオンビーム照射口
8:ジグ
10:反応室
20:イオンビーム照射装置
21:イオン源
22:イオンビーム加速器
23:加速チューブ
24:ゲートバルブ
Claims (17)
- 真空状態の反応室10内に電子銃1と、該電子銃近傍に位置して電子銃1から発生される電子ビーム2照射を受けるコーティング材容器3と、前記反応室10上段に固定されて前記コーティング材容器3から溶融及び気化したコーティング材4が一方の面にコーティングされる母材5を前記コーティング材4の均一な蒸着のために回転可能に保持するため母材5の他方の面に装着されたジグ8と、前記コーティング材4及び前記母材5の界面を混合して接着性及びコーティング層の緻密性を向上させるために反応室10の一方の壁に装着されるイオンビーム照射装置20を具備したコーティング及びイオンビームミキシング装置を用いて、
金属母材5をセラッミック素材でコーティングするステップ、コーティングにより形成されたコーティング層にイオンビームを照射し母材とコーティング層とを界面で混合するイオンビームミキシングステップ、およびイオンビームミキシングされたコーティング層の上に前記セラミック素材をさらにコーティングするステップを含む、金属母材5をセラミック素材でコーティングする方法。 - コーティング材が、SiC、SiO2、Al2O3及びTiO2からなる群から選択されるいずれか1種であることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- コーティングが、スパッタリング法または蒸着法を含む物理気相蒸着法によって行なわれることを特徴とする、請求項2に記載の方法。
- 母材が、アロイ800H、アロイ690、ハステロイX、ハイネス230、ハイネス556、CX2002U複合材料、アロイX750、アロイ718、サニクロ28及びステンレス鋼からなる群から選択されるいずれか1種であることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- ジグが、母材表面のコーティングが完了した後、コーティングされた母材表面をイオンビーム照射装置から照射されるイオンビームに露出させるために、イオンビーム注入口と正面で対応するように回転することを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- イオンビーム照射装置20が、イオンを製造するイオン源21と、該イオン源から放出されるイオンを加速させる加速器22と、イオンビームの照射面積を大きくする加速管チューブ23及びコーティング時にコーティング材がイオン源にコーティングされることを防止するために反応室10とイオンビーム照射装置20との間に装着されるゲートバルブ24を具備することを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- イオンビーム照射装置に使用される元素が、母材の組成とコーティング材の組成の異同に依存することを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 母材の組成とコーティング材の組成が同一の場合、イオンビーム照射装置に使用される元素は自然界に存在するすべての元素を単独または混合して使用することを特徴とする、請求項7に記載の方法。
- 母材の組成とコーティング材の組成が異なる場合、イオンビーム照射装置に使用される元素が、コーティング材及び母材を構成する元素の中で組成比が相対的に小さな元素であることを特徴とする、請求項7に記載の方法。
- イオンビーム照射装置に使用される元素が、炭素、窒素、酸素、ケイ素、アルミニウム、ヘリウム、ネオン、アルゴン及びチタンからなる群から選択されるいずれか1種の元素を単独でまたはこれらを混合して使用することを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- イオンビームミキシングは、コーティング材及び母材の特性によって1回または数回に分けて行なうことを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- イオンビームミキシングは、コーティング材及び母材間の熱的性質が相異する程度が大きいほど、数回に分けてコーティングを行なうことを特徴とする、請求項11に記載の方法。
- イオンビームミキシングを数回に分けて行なう場合、イオンビームの照射は各コーティング工程の間に行なうことを特徴とする、請求項12に記載の方法。
- イオンビーム照射装置から照射されるイオンビームのエネルギーの大きさ及び注入量が、1回または数回に分けてコーティングされるそれぞれのコーティング層の厚さによって調節されることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- イオンビームのエネルギーの大きさが、50ないし500KeVで、前記イオンビームの注入量は、1×1017ないし1×1018イオン/cm2であることを特徴とする、請求項14に記載の方法。
- それぞれのコーティング層の厚さが、20ないし200nmであることを特徴とする、請求項14に記載の方法。
- 請求項1ないし請求項16のいずれか一項に記載された方法により、水素生産のための硫酸分解器の部品をコーティングし、耐久性を向上させる方法。
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