JP5946179B2 - Ceramic film forming apparatus and method - Google Patents

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Description

本発明はセラミックス原料粉末を微細化し、解砕・分級などの処理を施して微細化粉末を供給することにより成膜を連続的に行うセラミックス皮膜の成膜装置、及び皮膜の成膜方法に関する。   The present invention relates to a ceramic film forming apparatus and a film forming method for continuously forming a film by refining ceramic raw material powder, performing processing such as crushing and classification, and supplying the fine powder.

セラミックスや金属等の粉末を用いて膜を形成する技術として、溶射、コールドスプレー(CS)法、エアロゾルデポジション(AD)法、プラズマ援用AD法がある。溶射法、CS法及びプラズマ援用AD法は、材料又は粉末を搬送するガスに温度をかけて成膜する方法であり、AD法は常温で成膜する方法である。   As a technique for forming a film using a powder of ceramics or metal, there are thermal spraying, a cold spray (CS) method, an aerosol deposition (AD) method, and a plasma-assisted AD method. The thermal spraying method, the CS method, and the plasma-assisted AD method are methods in which a film is formed by applying a temperature to a gas carrying a material or powder, and the AD method is a method in which a film is formed at room temperature.

特許文献1及び非特許文献1によると、高周波プラズマによる粉末の微細化は、熱プラズマ法と呼ばれ、粉末を熱プラズマ内に導入することで瞬時に気相状態とし、急冷凝固することによって生成する微粒子製造法である。AD法では、粉末に物理吸着した水や不純物は皮膜の膜質に悪影響を及ぼす。そのため特許文献2及び3で開示されているように粉末の処理が必要である。   According to Patent Document 1 and Non-Patent Document 1, the refinement of powder by high-frequency plasma is called a thermal plasma method, which is generated by instantaneously bringing the powder into a thermal plasma to form a gas phase and rapidly solidifying it. This is a method for producing fine particles. In the AD method, water and impurities physically adsorbed on the powder adversely affect the film quality. Therefore, it is necessary to process the powder as disclosed in Patent Documents 2 and 3.

プラズマ援用AD法では、非特許文献2によるとプラズマを援用させない場合と比較して成膜量が向上する。特許文献4には、脆性材料微粒子に内部歪を印加する工程が記載されている。この工程によって内部歪を与えられた脆性材料微粒子を基材に衝突させ、この衝撃により脆性材料微粒子を破砕又は変形させ、これにより活性面を生じさせ、活性面同士が再結合して複合構造物が形成される。   In the plasma-assisted AD method, according to Non-Patent Document 2, the amount of film formation is improved as compared with the case where plasma is not used. Patent Document 4 describes a process of applying internal strain to brittle material fine particles. The brittle material fine particles given internal strain by this process are collided with the base material, the brittle material fine particles are crushed or deformed by this impact, thereby generating active surfaces, and the active surfaces are recombined to form a composite structure. Is formed.

一方、原料粉末の搬送過程においては、搬送管に原料粉末が多量に付着するといった問題がある。その対策として、特許文献5には、チューブ状の搬送管に2重螺旋状に取り付けられた電極に交流電界を印加することで、搬送管の壁面に微粒子が堆積することによる閉塞を抑制する方法が記載されている。   On the other hand, in the process of conveying the raw material powder, there is a problem that a large amount of the raw material powder adheres to the conveying tube. As a countermeasure, Patent Document 5 discloses a method for suppressing clogging caused by accumulation of fine particles on the wall surface of a transport pipe by applying an alternating electric field to an electrode attached in a double spiral to a tube-shaped transport pipe. Is described.

特開2007−029859JP2007-029859 特開2008−088559JP2008-088559 特開2007−119913JP 2007-119913 A 特開2002−20878JP2002-20878 特開2010−241550JP2010-241550 香川昌宏、「熱プラズマプロセスによる微粒子材料の製造」、エアロゾル研究、第10巻、1号(1995)、P.20−27Masahiro Kagawa, “Manufacture of Fine Particle Materials by Thermal Plasma Process”, Aerosol Research, Vol. 10, No. 1 (1995), p. 20-27 明渡純、「エアロゾルデポジション法の基礎と応用」Jun Meido, “Fundamentals and Applications of Aerosol Deposition Method”

粒子表面の活性化処理や、粉末粒子に内部歪を与える工程はバッチ処理で行われる。そのため、例えばAD法を用いて大型の基材に成膜する場合や大量生産する場合など、多量の原料粉末を要する製造工程において多大なコストを要する。   The process of activating the particle surface and applying internal strain to the powder particles are performed by batch processing. Therefore, for example, when a film is formed on a large base material using the AD method or when mass production is performed, a large cost is required in a manufacturing process that requires a large amount of raw material powder.

一方、AD法及びプラズマ援用AD法では、成膜に最適な粉末の粒径は0.1〜1μmである。しかしながら一般的に、この粒径範囲の粉末は粒径が数10μmの同じ材料の粉末と比較して高価である。さらに、高純度の皮膜を得るためには、原料粉末自体が高純度である必要があり、最適な粒径の高純度粉末はさらに高価になりコストが嵩む。   On the other hand, in the AD method and the plasma-assisted AD method, the optimum particle size of the powder for film formation is 0.1 to 1 μm. In general, however, powders in this particle size range are more expensive than powders of the same material having a particle size of several tens of micrometers. Furthermore, in order to obtain a high-purity film, the raw material powder itself needs to have a high purity, and a high-purity powder having an optimum particle size becomes more expensive and costly.

例えば、AD法及びプラズマ援用AD法では、粒径が3μm以上の粉末を用いると、皮膜を削ってしまい膜質が低下するので、このサイズの粉末は同成膜法には適さない。粒径が0.1μm以下の粉末を用いると、衝突圧力で押し固められた圧粉体が形成されることから、成膜量の減少を生じるか、皮膜を形成しないので、このサイズの粉末も同成膜法に適さない。AD法及びプラズマ援用AD法で挙げたように、最適粒径範囲外の粒子が原料粉末に混入されている場合、皮膜の膜質の低下や成膜量の減少等を引き起こすため、粉末粒度の最適化が必要である。   For example, in the AD method and the plasma-assisted AD method, when a powder having a particle size of 3 μm or more is used, the film is scraped and the film quality is deteriorated. Therefore, this size of powder is not suitable for the film forming method. If a powder having a particle size of 0.1 μm or less is used, a green compact that is pressed and compacted by a collision pressure is formed, so that the amount of film formation is reduced or no film is formed. Not suitable for the film formation method. As mentioned in the AD method and the plasma-assisted AD method, when particles outside the optimum particle size range are mixed in the raw material powder, the film quality of the film is reduced and the amount of film formation is reduced. Is necessary.

さらには、粒径が0.1〜1μmの粉末は、ガス搬送中に搬送管の内壁に付着することによって粉末供給量を低下させ、搬送管内を閉塞させる。搬送管における粉末の閉塞は、安定な原料粉末の供給を妨げ、さらなる膜質の悪化や成膜量の低下を引き起こす。   Furthermore, the powder having a particle size of 0.1 to 1 μm adheres to the inner wall of the transfer tube during gas transfer, thereby reducing the amount of powder supplied and closing the transfer tube. The clogging of the powder in the transfer tube hinders stable supply of the raw material powder, and causes further deterioration of the film quality and a decrease in the film formation amount.

そこで本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、コストが抑えられ、それと共に最適な粒度の粉末を安定した状態で供給することで高品質な皮膜を得ることができるセラミックス皮膜の成膜装置、及び成膜方法を提供することを目的とする。   In view of the above-described problems of the prior art, the present invention provides a ceramic film-forming apparatus capable of obtaining a high-quality film by reducing the cost and supplying a powder having an optimum particle size in a stable state. And a film forming method.

上記目的を達成するため、次の技術的手段を講じた。
即ち本発明のセラミックス皮膜の成膜装置は、セラミックス原料粉末を所定の粒径に微細化する粉末微細化手段と、この粉末微細化手段から排出される微細化粉末を搬送管で気流搬送する搬送手段と、前記粉末微細化手段から前記搬送手段を介して搬送された前記微細化粉末を成膜対象物に噴射して成膜する成膜手段と、を備えており、前記粉末微細化手段は、高周波プラズマによりセラミックス原料粉末がその表面を揮発させることで微細化するように構成されるか、又は高周波プラズマによりセラミックス原料粉末が気相状態となり次いで冷却され析出することで微細化するように構成され、前記搬送手段は、前記搬送管に交流電界と静電場を与えることによって、当該搬送管の内壁への粉末付着及び閉塞を防ぐように構成され、前記成膜手段は、粉末を加熱するためのプラズマトーチと、このトーチに取り付けられ成膜対象物に加熱粉末を噴射するノズルとを有していることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the following technical measures were taken.
That is, the ceramic film forming apparatus of the present invention includes a powder refining means for refining ceramic raw material powder to a predetermined particle diameter, and a transport for transporting the refined powder discharged from the powder refining means by air flow through a transport pipe. And a film forming means for injecting the fine powder conveyed from the powder refining means via the conveying means onto a film forming object, and forming the film. The ceramic raw material powder is configured to be refined by volatilizing the surface thereof by high-frequency plasma, or the ceramic raw material powder is converted to a gas phase state by high-frequency plasma and then cooled and precipitated to be refined. The conveying means is configured to prevent the powder from adhering to and clogging the inner wall of the conveying pipe by applying an AC electric field and an electrostatic field to the conveying pipe. Means comprises a plasma torch for heating the powder, characterized in that it has a nozzle for injecting a heated powder into the film-forming target attached to the torch.

上記本発明のセラミックス皮膜の成膜装置の粉末微細化手段は、高周波プラズマによりセラミックス原料粉末がその表面を揮発させることで微細化するように構成されるか、又は高周波プラズマによりセラミックス原料粉末が気相状態となり次いで冷却され析出することで微細化するように構成され、当該装置の搬送手段は、搬送管の内壁への粉末付着及び閉塞を防ぐように構成され、当該装置の成膜手段は、粉末を加熱するためのプラズマトーチと、このトーチに取り付けられたノズルとを有している。   The powder refinement means of the ceramic film forming apparatus of the present invention is configured such that the ceramic raw material powder is refined by volatilizing the surface thereof by high frequency plasma, or the ceramic raw material powder is removed by high frequency plasma. It is configured to be fined by becoming a phase state and then cooled and precipitated, and the conveying means of the apparatus is configured to prevent powder adhesion and blockage to the inner wall of the conveying pipe, and the film forming means of the apparatus is It has a plasma torch for heating powder and a nozzle attached to the torch.

そのためバッチ処理ではなく連続処理が可能となっており、大型の基材に成膜する場合や大量生産する場合など、多量の原料粉末を要する製造工程においてもコストを大幅に低減することができる。さらに、粉末微細化手段により、皮膜形成に最適な粒度の粉末を得ることができ、最適粒径範囲外の粒子が原料粉末に混入されないので、皮膜の膜質の低下や成膜量の減少等を引き起こさないようにすることができる。また、搬送手段によって、高度に微小化された原料粉末であっても、ガス搬送中に搬送管の内壁に付着せず粉末供給量を低下させることがなく、搬送管内を閉塞させない。これにより、コストが抑えられ、それと共に最適な粒度の粉末を安定した状態で供給することができ、高品質な皮膜を成膜することができる。   Therefore, continuous processing is possible instead of batch processing, and costs can be significantly reduced even in manufacturing processes that require a large amount of raw material powder, such as when a film is formed on a large substrate or when mass production is performed. Furthermore, the powder refinement means can obtain a powder having the optimum particle size for film formation, and particles outside the optimum particle size range are not mixed into the raw material powder, so that the film quality of the film is reduced and the amount of film formation is reduced. It can be prevented from causing. Moreover, even if the raw material powder is highly miniaturized by the transport means, it does not adhere to the inner wall of the transport pipe during gas transport, and does not reduce the amount of powder supplied and does not block the transport pipe. Thereby, the cost can be suppressed, and the powder having the optimum particle size can be supplied in a stable state, and a high-quality film can be formed.

前記粉末微細化手段は、高周波プラズマによりセラミックス原料粉末の平均粒径を0.01〜10μmに微細化するように構成されていることが好ましい。この場合、高純度な微細化粉末となり品質を向上させることができる。   It is preferable that the said powder refinement | miniaturization means is comprised so that the average particle diameter of ceramic raw material powder may be refined | miniaturized to 0.01-10 micrometers by high frequency plasma. In this case, it becomes a highly purified fine powder and quality can be improved.

前記粉末微細化手段における高周波プラズマを形成するための周波数は10kHz〜13.56MHzとされ、プラズマ電源の出力が5〜100kWであることが好ましい。かかる条件を選択することにより、セラミックス原料粉末の粒度調整をより最適に行うことができる。   The frequency for forming the high-frequency plasma in the powder refinement means is preferably 10 kHz to 13.56 MHz, and the output of the plasma power source is preferably 5 to 100 kW. By selecting such conditions, the particle size of the ceramic raw material powder can be adjusted more optimally.

前記プラズマトーチは、直流プラズマトーチ、誘導結合プラズマトーチ、容量結合プラズマトーチの何れかであることが好ましい。このようなプラズマトーチを用いることによって、緻密で高品質の皮膜を得ることができる。   The plasma torch is preferably one of a direct current plasma torch, an inductively coupled plasma torch, and a capacitively coupled plasma torch. By using such a plasma torch, a dense and high quality film can be obtained.

前記成膜手段のノズルはセラミックス又はサーメットからなり、かつ成膜対象物に対して60°〜120°の角度で傾斜されていることが好ましい。この場合、緻密で高品質の皮膜を得ることができる。   The nozzle of the film forming means is preferably made of ceramics or cermet and is inclined at an angle of 60 ° to 120 ° with respect to the film forming target. In this case, a dense and high-quality film can be obtained.

前記搬送手段は、微細化粉体をガスにより気流搬送するための搬送路を有する搬送管と、前記搬送路に電界を生じさせ、この電界により前記微細化粉末をガスの流れ方向と異なる方向へ飛翔移動させることで、当該搬送路の壁面部分への当該微細化粉末の付着を抑制する電界発生手段とを備えることが好ましい。   The conveying means generates a magnetic field in the conveying pipe having a conveying path for conveying the fine powder by gas in an air flow, and the electric field is generated in the direction different from the gas flow direction by the electric field. It is preferable to include an electric field generation unit that suppresses adhesion of the fine powder to the wall surface portion of the conveyance path by flying and moving.

かかる搬送手段によって、微細化された高純度のセラミックス原料粉末を極めて安定した状態で成膜手段へ導入することができる。   By such conveying means, the refined high-purity ceramic raw material powder can be introduced into the film forming means in an extremely stable state.

前記粉末微細化手段で微細化されて、凝集してできた粒径3μm以上の凝集粒を3μm未満に解砕する気流式又は機械式の解砕機構をさらに備えていることが好ましい。解砕機構を備えることで、凝集した凝集粒を解砕して粒度調整をさらに精密なものとすることができる。 It is preferable to further include an airflow type or mechanical type crushing mechanism that crushes agglomerated particles having a particle size of 3 μm or more formed by agglomeration by the powder refining means to less than 3 μm. By providing the crushing mechanism, the agglomerated aggregated particles can be crushed to make the particle size adjustment more precise.

0.1μm未満の微細化粉末を除去する分級機構をさらに備えることが好ましい。分級機構を備えることで、微小な粒子が分級されて、より最適な粒径の粉末が得られ、効率よく高品質の皮膜を得ることができる。   It is preferable to further include a classification mechanism for removing fine powder having a size of less than 0.1 μm. By providing a classification mechanism, fine particles are classified to obtain a powder having a more optimal particle size, and a high-quality film can be obtained efficiently.

セラミックス原料粉末は限定されないが、例えば、平均粒径1〜50μmの酸化物系セラミックス、平均粒径1〜50μmの窒化物系セラミックス、平均粒径1〜50μmの炭化物系セラミックスのうちの何れかが挙げられる。   The ceramic raw material powder is not limited. For example, any of oxide ceramics having an average particle diameter of 1 to 50 μm, nitride ceramics having an average particle diameter of 1 to 50 μm, and carbide ceramics having an average particle diameter of 1 to 50 μm Can be mentioned.

上記の構成を用いることにより、前記成膜手段に導入される微細化成膜粉末の平均粒径を例えば0.1〜3μmとすることができる。   By using the above configuration, the average particle diameter of the fine film forming powder introduced into the film forming means can be set to 0.1 to 3 μm, for example.

本発明のセラミックス皮膜の成膜方法は、平均粒径1〜50μmのセラミックス原料粉末を、高周波プラズマにより平均粒径で0.1〜10μmに微細化し、凝集してできた粒径3μm以上の凝集粒を3μm未満に解砕し、その中から0.1μm未満の微細化粉末を除去し、この微細化粉末を、搬送管に交流電界と静電場を与えることによって、当該搬送管の内壁への粉末付着及び閉塞を防ぐようにして搬送し、搬送されてきた微細化粉末を、DCプラズマトーチ、誘導結合プラズマトーチ、容量結合プラズマトーチの何れかを介して成膜対象物に噴射して成膜することを特徴とする。   The method for forming a ceramic film of the present invention comprises agglomeration of a ceramic raw material powder having an average particle diameter of 1 to 50 μm and agglomerated by agglomeration by agglomeration to an average particle diameter of 0.1 to 10 μm by high-frequency plasma. The grains are pulverized to less than 3 μm, and the refined powder of less than 0.1 μm is removed therefrom, and this refined powder is applied to the inner wall of the transport tube by applying an alternating electric field and an electrostatic field to the transport tube. Film is transported to prevent powder adhesion and blockage, and the transported micronized powder is sprayed onto a film formation target through one of a DC plasma torch, an inductively coupled plasma torch, and a capacitively coupled plasma torch. It is characterized by doing.

上記本発明のセラミックス皮膜の成膜方法を使用すれば、連続処理が可能となっているため、大型の基材に成膜する場合や大量生産する場合など、多量の原料粉末を要する製造工程においてもコストを大幅に低減することができる。さらに、高周波プラズマにより平均粒径で0.1〜10μmに微細化し、凝集してできた粒径3μm以上の凝集粒を3μm未満に解砕し、その中から0.1μm未満の微細化粉末を除去するので、皮膜形成に最適な粒度の粉末を得ることができ、最適粒径範囲外の粒子が原料粉末に混入されず、皮膜の膜質の低下や成膜量の減少等を引き起こさないようにすることができる。   In the manufacturing process that requires a large amount of raw material powder, such as when forming a film on a large base material or mass production because continuous processing is possible by using the ceramic film forming method of the present invention. The cost can be significantly reduced. Furthermore, the average particle size is reduced to 0.1 to 10 μm by high-frequency plasma, and the aggregated particles having a particle size of 3 μm or more obtained by agglomeration are crushed to less than 3 μm, and from these, refined powder of less than 0.1 μm is obtained. As a result, it is possible to obtain a powder having the optimum particle size for film formation, so that particles outside the optimum particle size range are not mixed into the raw material powder, and the film quality of the film is not reduced, and the amount of film formation is not reduced. can do.

さらに、搬送管に交流電界と静電場を与えることによって、当該搬送管の内壁への粉末付着及び閉塞を防ぐようにして搬送し、搬送されてきた微細化粉末を、直流プラズマトーチ、誘導結合プラズマトーチ、容量結合プラズマトーチの何れかを介して成膜対象物に噴射して成膜するので、高度に微小化された原料粉末であっても、ガス搬送中に搬送管の内壁に付着せず、粉末供給量が低下せず、搬送管内を閉塞させない。これにより、コストが抑えられ、それと共に最適な粒度の粉末を安定した状態で噴射することができ、高品質な皮膜を成膜することができる。   Further, by applying an AC electric field and an electrostatic field to the transfer tube, the transfer tube is transferred so as to prevent the powder from adhering to and clogging the inner wall of the transfer tube, and the transferred fine powder is converted into a DC plasma torch or inductively coupled plasma. The film is sprayed onto the film formation target through either a torch or a capacitively coupled plasma torch, so even highly refined raw material powder does not adhere to the inner wall of the transfer tube during gas transfer The powder supply amount does not decrease and the inside of the transport pipe is not blocked. As a result, the cost can be reduced, and at the same time, powder having an optimum particle size can be sprayed in a stable state, and a high-quality film can be formed.

上記の通り本発明によれば、連続処理が可能となっているため、多量の原料粉末を要する製造工程においてもコストを大幅に低減することができる。皮膜形成に最適な粒度の粉末を得ることができ、最適粒径範囲外の粒子が原料粉末に混入されないので、皮膜の膜質の低下や成膜量の減少等を引き起こさないようにすることができる。高度に微小化された原料粉末であっても、粉末供給量を低下させることがなく、搬送管内を閉塞させない。これにより、コストが抑えられ、それと共に最適な粒度の粉末を安定した状態で供給することができ、高品質な皮膜を成膜することができる。   As described above, according to the present invention, since continuous processing is possible, costs can be greatly reduced even in a manufacturing process that requires a large amount of raw material powder. It is possible to obtain a powder having an optimum particle size for film formation, and particles outside the optimum particle size range are not mixed into the raw material powder, so that it is possible to prevent a decrease in film quality and a decrease in film formation amount. . Even a highly miniaturized raw material powder does not reduce the amount of powder supplied and does not block the inside of the transport tube. Thereby, the cost can be suppressed, and the powder having the optimum particle size can be supplied in a stable state, and a high-quality film can be formed.

本発明の第1実施形態に係るセラミックス皮膜の成膜装置の概略図である。1 is a schematic view of a ceramic film forming apparatus according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第2実施形態に係るセラミックス皮膜の成膜装置の概略図である。It is the schematic of the film-forming apparatus of the ceramic membrane | film | coat which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3実施形態に係るセラミックス皮膜の成膜装置の概略図である。It is the schematic of the film-forming apparatus of the ceramic membrane | film | coat concerning 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4実施形態に係るセラミックス皮膜の成膜装置の概略図である。It is the schematic of the film-forming apparatus of the ceramic membrane | film | coat concerning 4th Embodiment of this invention. 本発明の第5実施形態に係るセラミックス皮膜の成膜装置の概略図である。It is the schematic of the film-forming apparatus of the ceramic membrane | film | coat which concerns on 5th Embodiment of this invention. 本発明の第6実施形態に係るセラミックス皮膜の成膜装置の概略図である。It is the schematic of the film-forming apparatus of the ceramic membrane | film | coat which concerns on 6th Embodiment of this invention. 実施例1で成膜したAl皮膜の電子顕微鏡による断面写真である。 2 is a cross-sectional photograph of an Al 2 O 3 film formed in Example 1 using an electron microscope. 実施例2で成膜したAl皮膜の電子顕微鏡による断面写真である。4 is a cross-sectional photograph of an Al 2 O 3 film formed in Example 2 by an electron microscope. Al皮膜の成膜量のプラズマ電源の出力依存を測定したグラフである。It is a graph of output dependence of the plasma power source al 2 O 3 coating film forming amount. Al皮膜の表面のビッカース硬さのプラズマ電源の出力依存を測定したグラフである。Al is a 2 O 3 film graph of output dependence of the plasma power Vickers hardness of the surface of the.

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図1は本発明の第1実施形態に係るセラミックス皮膜の成膜装置の概略図である。本実施形態のセラミックス皮膜の成膜装置(以下成膜装置という)は、粗大な粉末から微細な粉末を製造し、微細化された原料粉末の表面を活性化し、成膜対象物である基材に噴射することによって堆積を行うものである。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic view of a ceramic film forming apparatus according to a first embodiment of the present invention. The film forming apparatus for ceramic film (hereinafter referred to as film forming apparatus) of the present embodiment manufactures a fine powder from a coarse powder, activates the surface of the refined raw material powder, and forms a base material that is a film forming target. The deposition is performed by spraying on the surface.

この成膜装置は、原料粉末を供給する粉末供給手段としての粉末供給部5と、セラミックス原料粉末1を所定の粒径に微細化する粉末微細化手段としての粉末微細化部4と、この粉末微細化部4から排出される微細化粉末2を気流搬送する搬送手段7と、粉末微細化部4から搬送手段7を介して搬送された微細化粉末2を成膜対象物である基材3に噴射して成膜する成膜手段としての成膜部6を備えている。   The film forming apparatus includes a powder supply unit 5 as a powder supply unit that supplies raw material powder, a powder refinement unit 4 as a powder refinement unit that refines the ceramic raw material powder 1 to a predetermined particle size, and this powder. Conveying means 7 for conveying the micronized powder 2 discharged from the micronizing unit 4 by airflow, and a base material 3 that is the film forming target of the micronized powder 2 conveyed from the powder micronizing unit 4 via the conveying unit 7. The film forming unit 6 is provided as a film forming means for forming a film by spraying on the film.

粉末供給部5には、セラミックス原料粉末1が充填されており、この粉末1を搬送するためのガスを供給するガスボンベ13が接続されている。この粉末供給部5の構成は限定されず、例えば、粉末貯蔵部と周方向溝付き回転ディスク部を有し、粉末貯蔵部に投入された原料粉末が重力によって回転ディスクの溝に落下して充填され、回転ディスクの回転速度を調整することにより原料粉末を所定量供給できるものが挙げられる。ガスボンベ13には、酸素、窒素、メタン、アルゴン、ヘリウムのうち1種類以上のガスが充填されており、このガスが搬送ガスとして供給される。 The powder supply unit 5 is filled with a ceramic raw material powder 1, and a gas cylinder 13 for supplying a gas for conveying the powder 1 is connected to the powder supply unit 5. The structure of the powder supply unit 5 is not limited. For example, the powder supply unit 5 includes a powder storage unit and a rotating groove part with a circumferential groove, and the raw material powder charged into the powder storage part falls into the groove of the rotating disk by gravity and is filled. In addition, one that can supply a predetermined amount of the raw material powder by adjusting the rotation speed of the rotating disk is mentioned. The gas cylinder 13 is filled with one or more kinds of gases among oxygen, nitrogen, methane, argon, and helium, and this gas is supplied as a carrier gas.

粉末微細化部4は、高周波プラズマによりセラミックス原料粉末がその表面を揮発させることで微細化するように構成されるか、又は高周波プラズマによりセラミックス原料粉末が気相状態となり次いで冷却され析出することで微細化又は球状化するように構成されている。具体的には、非特許文献1に記載されている方法を用いることができ、粉末微細化部4は、材料粉末を供給する供給口と、熱プラズマを発生させるプラズマトーチと、微粒子を生成するチャンバーとで構成されている。プラズマトーチは石英管とその外側を取り巻くコイルとで構成されており、このコイルに高周波電源により高周波電流が供給されることにより熱プラズマを発生するようになっている。   The powder refinement unit 4 is configured so that the ceramic raw material powder is refined by volatilizing the surface thereof by high frequency plasma, or the ceramic raw material powder is in a gas phase state by high frequency plasma and then cooled and precipitated. It is comprised so that it may refine or spheroidize. Specifically, the method described in Non-Patent Document 1 can be used, and the powder refinement unit 4 generates a supply port for supplying material powder, a plasma torch for generating thermal plasma, and fine particles. It consists of a chamber. The plasma torch is composed of a quartz tube and a coil that surrounds the quartz tube, and a thermal plasma is generated when a high frequency current is supplied to the coil by a high frequency power source.

粉末微細化部4によって、セラミックス原料粉末1が高周波プラズマにより、平均粒径で0.01μm〜10μmに微細化又は球状化される。微細化又は球状化するより好ましい範囲は、平均粒径で0.01μm〜3μmである。この場合の高周波プラズマを形成するための周波数は10kHz〜13.56MHzが好ましく、プラズマ電源の出力は5〜100kWが好ましい。   The ceramic raw material powder 1 is refined or spheroidized to an average particle size of 0.01 μm to 10 μm by the high frequency plasma by the powder refinement unit 4. A more preferable range of refining or spheroidizing is 0.01 μm to 3 μm in average particle diameter. In this case, the frequency for forming the high-frequency plasma is preferably 10 kHz to 13.56 MHz, and the output of the plasma power source is preferably 5 to 100 kW.

搬送手段7は、搬送管に交流電界と静電場を与えることによって、当該搬送管の内壁への微細化粉末2の付着及び閉塞を防ぐように構成されている。詳細は、特開2010−241550に記載した通りである。搬送手段7は、微細化粉末2をガスにより気流搬送するための搬送路を有する搬送管と、搬送路に電界を生じさせ、この電界により微細化粉末をガスの流れ方向と異なる方向へ飛翔移動させることで、当該搬送路の壁面部分への当該微細化粉体の付着を抑制する電界発生手段とを備える。   The conveying means 7 is configured to prevent adhesion and blockage of the fine powder 2 on the inner wall of the conveying pipe by applying an alternating electric field and an electrostatic field to the conveying pipe. The details are as described in JP2010-241550A. The conveying means 7 has a conveying pipe having a conveying path for conveying the finely divided powder 2 by gas and an electric field in the conveying path, and the electric field causes the fined powder to fly in a direction different from the gas flow direction. Electric field generating means for suppressing adhesion of the fine powder to the wall surface portion of the conveyance path.

搬送手段7では、成膜部6内のノズル10までの粉末経路において、2重螺旋電極又は4重螺旋電極によって、搬送管内に搬送管用交流電源14による交流電界又は交流電界と静電場を与える。これにより、搬送管内壁への微細化粉末2の付着及び閉塞を防ぐ。具体的には、電極に印加する電圧を0.5〜10kVとし、周波数を10Hz〜1kHzとし、搬送ガスのガス流量を3〜50L/minとするのが好適である。   In the transfer means 7, an AC electric field or an AC electric field and an electrostatic field by the AC power supply 14 for the transfer pipe are given to the transfer pipe by the double spiral electrode or the quadruple spiral electrode in the powder path to the nozzle 10 in the film forming unit 6. Thereby, adhesion and obstruction | occlusion of the micronized powder 2 to a conveyance pipe inner wall are prevented. Specifically, it is preferable that the voltage applied to the electrode is 0.5 to 10 kV, the frequency is 10 Hz to 1 kHz, and the carrier gas flow rate is 3 to 50 L / min.

これにより、長時間安定した状態で、成膜部6に微細化粉末2を供給することが可能となっている。例えば、粒径0.1〜5μmの微細化粉末2を搬送する場合、2重螺旋電極を具備した搬送管の当該螺旋電極に交流電界を付与することで、微細化粉末2で閉塞させることなく、当該微細化粉末2を安定的に成膜部6に搬送することが可能となる。   Thereby, the refined powder 2 can be supplied to the film forming unit 6 in a stable state for a long time. For example, when conveying the refined powder 2 having a particle size of 0.1 to 5 μm, an AC electric field is applied to the spiral electrode of the transport tube provided with the double spiral electrode, so that the refined powder 2 is not blocked. The fine powder 2 can be stably conveyed to the film forming unit 6.

成膜部6には、粉末を加熱するためのプラズマトーチ9と、このトーチ9に取り付けられ基材3に加熱粉末を噴射するノズル10が設けられている。本実施形態では、プラズマトーチ9として誘導結合プラズマトーチを使用している。成膜部6の真空チャンバー内では、誘導結合プラズマトーチ9が可動アーム8に取り付けられて可動状態となっており、この誘導結合プラズマトーチ9には、誘導結合プラズマ電源11に接続されたプラズマ発生用コイル12が巻き付けられている。   The film forming unit 6 is provided with a plasma torch 9 for heating the powder and a nozzle 10 attached to the torch 9 for injecting the heated powder onto the base material 3. In this embodiment, an inductively coupled plasma torch is used as the plasma torch 9. In the vacuum chamber of the film forming unit 6, an inductively coupled plasma torch 9 is attached to a movable arm 8 and is in a movable state. The inductively coupled plasma torch 9 generates plasma connected to an inductively coupled plasma power source 11. A coil 12 is wound around.

誘導結合プラズマトーチ9における、高周波プラズマを形成するための周波数は10kHz〜60MHzであることが好ましく、誘導結合プラズマ電源11の出力は100W〜3kWであることが好ましい。これにより、成膜中に数100℃の加熱状態が生じ、成膜速度が向上し、厚膜化が可能となる。ノズル10の形状としては、円筒形、円錐形、又はアスペクト比が5以下である矩形とするのが好適である。さらに、ノズル10はセラミックス又はサーメットからなり、かつ基材3に対して60°〜120°の角度で傾斜されていることがより好ましい。このように構成された成膜部6では、プラズマ発生用コイル12の高周波・高電圧によって微細化粉末2を搬送するガスがプラズマ化され、このエネルギービーム内を微細化粉末2が通過することによって、微細化粉末2の表面が活性化され基材3に堆積し成膜される。   The frequency for forming high-frequency plasma in the inductively coupled plasma torch 9 is preferably 10 kHz to 60 MHz, and the output of the inductively coupled plasma power source 11 is preferably 100 W to 3 kW. As a result, a heating state of several hundred degrees Celsius occurs during the film formation, the film formation speed is improved, and the film thickness can be increased. The shape of the nozzle 10 is preferably cylindrical, conical, or rectangular with an aspect ratio of 5 or less. Furthermore, it is more preferable that the nozzle 10 is made of ceramics or cermet and is inclined at an angle of 60 ° to 120 ° with respect to the substrate 3. In the film forming unit 6 configured as described above, the gas carrying the fine powder 2 is turned into plasma by the high frequency and high voltage of the plasma generating coil 12, and the fine powder 2 passes through the energy beam. The surface of the fine powder 2 is activated and deposited on the substrate 3 to form a film.

上記の成膜装置で用いられるセラミックス原料粉末1は、例えば平均粒径1〜50μmの酸化物系セラミックス、平均粒径1〜50μmの窒化物系セラミックス、平均粒径1〜50μmの炭化物系セラミックス、平均粒径1〜50μmの硼化物系セラミックス、平均粒径1〜50μmのフッ化物系セラミックス、平均粒径1〜50μmの珪化物系セラミックスのうちの何れかが挙げられる。成膜部6に導入される微細化粉末2の平均粒径は、例えば0.01μm〜3μmまで粒度調整される。そして、セラミックス原料粉末2の純度が99.9%以上の場合、基材3に成膜される皮膜の純度は99.5%以上とすることが可能である。例えば、面積が500×500mm以上の面積で基材3に成膜可能であり、20μm以上の膜厚を有する皮膜を成膜することができる。   The ceramic raw material powder 1 used in the film forming apparatus includes, for example, oxide ceramics having an average particle diameter of 1 to 50 μm, nitride ceramics having an average particle diameter of 1 to 50 μm, carbide ceramics having an average particle diameter of 1 to 50 μm, Examples thereof include boride-based ceramics having an average particle diameter of 1 to 50 μm, fluoride-based ceramics having an average particle diameter of 1 to 50 μm, and silicide-based ceramics having an average particle diameter of 1 to 50 μm. The average particle diameter of the refined powder 2 introduced into the film forming unit 6 is adjusted to, for example, 0.01 μm to 3 μm. And when the purity of the ceramic raw material powder 2 is 99.9% or more, the purity of the coating film formed on the substrate 3 can be 99.5% or more. For example, a film having an area of 500 × 500 mm or more can be formed on the substrate 3 and a film having a film thickness of 20 μm or more can be formed.

上記本実施形態の成膜装置によれば、粉末微細化部4が高周波プラズマによりセラミックス原料粉末の表面が揮発することで微細化するように構成されるか、又は高周波プラズマによりセラミックス原料粉末が気相状態となり次いで冷却され析出することで微細化又は球状化するように構成され、搬送手段7が、搬送管の内壁への粉末付着及び閉塞を防ぐように構成され、成膜部6が、粉末を加熱するための誘導結合プラズマトーチ9と、このトーチ9に取り付けられ基材3に加熱粉末を噴射するノズル10とを有している。   According to the film forming apparatus of the present embodiment, the powder refinement unit 4 is configured to be refined by volatilizing the surface of the ceramic raw material powder by the high frequency plasma, or the ceramic raw material powder is evacuated by the high frequency plasma. It is configured to be fined or spheroidized by being cooled and precipitated, and the conveying means 7 is configured to prevent the powder from adhering to and clogging the inner wall of the conveying tube. And an inductively coupled plasma torch 9 for heating the nozzle and a nozzle 10 attached to the torch 9 for injecting heated powder onto the substrate 3.

そのため連続処理が可能となっており、大型の基材に成膜する場合や大量生産する場合など、多量の原料粉末を要する製造工程においてもコストを大幅に低減することができる。さらに、粉末微細化部4により、皮膜形成に最適な粒度の粉末を得ることができ、最適粒径範囲外の粒子が原料粉末に混入されないので、皮膜の膜質の低下や成膜量の減少等を引き起こさないようにすることができる。また、搬送手段7によって、高度に微小化された原料粉末であっても、ガス搬送中に搬送管の内壁に付着せず粉末供給量を低下させることがなく、管内を閉塞させない。これにより、コストが抑えられ、それと共に最適な粒度の粉末を安定した状態で供給することができ、高品質な皮膜を成膜することができる。   Therefore, continuous processing is possible, and costs can be significantly reduced even in manufacturing processes that require a large amount of raw material powder, such as when a film is formed on a large substrate or when mass production is performed. Furthermore, the powder refinement unit 4 can obtain a powder having an optimum particle size for film formation, and particles outside the optimum particle size range are not mixed into the raw material powder, so that the film quality of the film is reduced, the amount of film formation is reduced, etc. Can be avoided. Further, even if the raw material powder is highly miniaturized by the transport means 7, it does not adhere to the inner wall of the transport pipe during gas transport, and does not reduce the amount of powder supplied, and does not block the inside of the pipe. Thereby, the cost can be suppressed, and the powder having the optimum particle size can be supplied in a stable state, and a high-quality film can be formed.

また、連続処理によって皮膜の施工時間が従来のバッチ処理と比較して大幅に短縮されるのに加え、安価な原料粉末から微粒子粉末が得られ、狭い粒度分布をもつ、高純度の粉末が得られ、高純度な皮膜が得られる。連続工程とされていることと、長時間安定的に微細化粉末の供給が可能であることから、広範囲に成膜することや厚膜化が容易である。   In addition to continuous processing, the coating time is significantly shortened compared to conventional batch processing. In addition, fine powder can be obtained from inexpensive raw powder, and high-purity powder with narrow particle size distribution can be obtained. And a high-purity film is obtained. Since it is a continuous process and it is possible to supply fine powder stably for a long time, it is easy to form a film over a wide range and to increase the thickness.

粉末微細化部4が、高周波プラズマによってセラミック原料粉末1の平均粒径を0.01〜10μmに微細化するように構成されているため、高純度な微細化粉末となり品質を向上させることができる。粉末微細化部4における高周波プラズマを形成するための周波数が10kHz〜13.56MHzとされ、プラズマ電源の出力が5〜100kWとされているため、セラミックス原料粉末の粒度調整をより適切に行うことができる。   Since the powder refinement | miniaturization part 4 is comprised so that the average particle diameter of the ceramic raw material powder 1 may be refined | miniaturized to 0.01-10 micrometers by high frequency plasma, it becomes a highly purified refined powder and can improve quality. . Since the frequency for forming the high-frequency plasma in the powder refinement unit 4 is 10 kHz to 13.56 MHz and the output of the plasma power source is 5 to 100 kW, it is possible to more appropriately adjust the particle size of the ceramic raw material powder. it can.

誘導結合プラズマトーチ9を用いることによって、緻密で高品質の皮膜を得ることができ、成膜部6のノズル10がセラミックス又はサーメットからなり、かつ成膜対象物に対して60°〜120°の角度で傾斜されているので、緻密で高品質の皮膜を得ることができる。   By using the inductively coupled plasma torch 9, a dense and high-quality film can be obtained, the nozzle 10 of the film forming unit 6 is made of ceramics or cermet, and is 60 ° to 120 ° with respect to the film forming object. Since it is inclined at an angle, a dense and high-quality film can be obtained.

図2は本発明の第2実施形態に係る成膜装置の概略図である。本実施形態が第1実施形態と異なる点は、凝集してできた粒径3μm以上の凝集粒を3μm未満に解砕する気流式又は機械式の解砕機構15と、0.1μm未満の微細化粉末を除去する分級機構16とをさらに備えている点である。   FIG. 2 is a schematic view of a film forming apparatus according to the second embodiment of the present invention. This embodiment is different from the first embodiment in that the agglomerate having a particle size of 3 μm or more formed by agglomeration is pulverized to less than 3 μm, and an airflow type or mechanical crushing mechanism 15 and a fineness less than 0.1 μm. And a classification mechanism 16 for removing the powdered powder.

粗大なセラミックス原料粉末1は、粉末供給部5から1〜500g/minで粉末微細化部4に供給される。凝集してできた粒径3μm以上の凝集粒が解砕機構15で3μm未満に解砕されると同時に、微細化粉末2の表面上に亀裂を生じさせる。解砕機構15で微細化粉末2の表面上に亀裂を与えることにより表面が活性化し、かつ膜堆積時にかかる圧縮応力を緩和できる。これにより、成膜速度の向上や、皮膜の厚膜化が可能となる。   The coarse ceramic raw material powder 1 is supplied from the powder supply unit 5 to the powder refinement unit 4 at 1 to 500 g / min. Aggregated particles having a particle diameter of 3 μm or more formed by agglomeration are crushed to less than 3 μm by the crushing mechanism 15, and at the same time, cracks are generated on the surface of the fine powder 2. By crushing the surface of the fine powder 2 by the crushing mechanism 15, the surface is activated and the compressive stress applied during film deposition can be relaxed. This makes it possible to improve the deposition rate and increase the thickness of the coating.

解砕機構15で解砕された微細化粉末2は、分級機構16で0.1mm未満の微粒子を分級し、同微粒子の皮膜への混入を防ぐ。この分級機構16は、微細化粉末2を静電気力又は遠心力、若しくは双方の作用により分級するものである。なお、セラミックス原料粉末1やプラズマ発生用コイル12に印加する電圧、施工する膜厚など各種の条件によっては分級機構を設けることを要しない。   The refined powder 2 crushed by the crushing mechanism 15 classifies fine particles of less than 0.1 mm by the classification mechanism 16 to prevent the fine particles from being mixed into the film. The classification mechanism 16 classifies the fine powder 2 by electrostatic force, centrifugal force, or both. Note that it is not necessary to provide a classification mechanism depending on various conditions such as the voltage applied to the ceramic raw material powder 1 and the plasma generating coil 12 and the film thickness to be applied.

本実施形態の成膜装置によって実現されるセラミック皮膜の成膜方法は、平均粒径1〜50μmのセラミックス原料粉末1を、高周波プラズマにより平均粒径で0.01〜10μmに微細化し、凝集してできた粒径3μm以上の凝集粒を3μm未満に解砕し、その中から0.1μm未満の微細化粉末2を除去し、この微細化粉末2を、搬送管に交流電界と静電場を与えることによって、当該搬送管の内壁への粉末付着及び閉塞を防ぐようにして搬送し、搬送されてきた微細化粉末2を、誘導結合プラズマトーチ9を介して成膜対象物である基材3に噴射して成膜する方法である。   The ceramic film forming method realized by the film forming apparatus of the present embodiment is a method in which ceramic raw material powder 1 having an average particle diameter of 1 to 50 μm is refined and aggregated by high-frequency plasma to an average particle diameter of 0.01 to 10 μm. The agglomerated particles having a particle size of 3 μm or more are pulverized to less than 3 μm, and the fine powder 2 having a particle size of less than 0.1 μm is removed from the agglomerated powder. By feeding the fine powder 2 that has been conveyed so as to prevent the powder from adhering to and clogging the inner wall of the conveying tube, and the conveyed fine powder 2 is passed through the inductively coupled plasma torch 9, the substrate 3 that is a film formation target. This is a method of forming a film by spraying on the film.

本実施形態のセラミックス皮膜の成膜方法を使用すれば、連続処理が可能となっているため、大型の基材に成膜する場合や大量生産する場合など、多量の原料粉末を要する製造工程においてもコストを大幅に低減することができる。さらに、高周波プラズマにより平均粒径で0.01μm〜10μmに微細化し、凝集してできた粒径3μm以上の凝集粒を3μm未満に解砕し、その中から0.1μm未満の微細化粉末2を除去するので、皮膜形成に最適な粒度の粉末を得ることができ、最適粒径範囲外の粒子が原料粉末に混入されず、皮膜の膜質の低下や成膜量の減少等を引き起こさないようにすることができる。   In the manufacturing process that requires a large amount of raw material powder, such as when forming a film on a large substrate or mass production because continuous processing is possible by using the method for forming a ceramic film of this embodiment. The cost can be significantly reduced. Furthermore, the average particle size is reduced to 0.01 μm to 10 μm by high-frequency plasma, and the aggregated particles having a particle size of 3 μm or more obtained by agglomeration are pulverized to less than 3 μm. Therefore, it is possible to obtain a powder with the optimum particle size for film formation, so that particles outside the optimum particle size range are not mixed into the raw material powder, so that the film quality of the film is not reduced and the amount of film formation is not reduced. Can be.

さらに、搬送管に交流電界と静電場を与えることによって、当該搬送管の内壁への粉末付着及び閉塞を防ぐようにして搬送し、搬送されてきた微細化粉末を、誘導結合プラズマトーチ9を介して基材3に噴射して成膜するので、高度に微小化された原料粉末であっても、ガス搬送中に搬送管の内壁に付着せず粉末供給量を低下させることがなく、搬送管内を閉塞させない。これにより、コストが抑えられ、それと共に最適な粒度の粉末を安定した状態で供給することができ、高品質な皮膜を成膜することができる。   Further, by applying an alternating electric field and an electrostatic field to the transport pipe, the transport pipe is transported so as to prevent the powder from adhering to and clogging the inner wall of the transport pipe, and the transported fine powder is passed through the inductively coupled plasma torch 9. Since the film is sprayed onto the substrate 3 to form a film, even if the raw material powder is highly miniaturized, it does not adhere to the inner wall of the transfer pipe during gas transfer and does not decrease the amount of powder supplied. Do not block. Thereby, the cost can be suppressed, and the powder having the optimum particle size can be supplied in a stable state, and a high-quality film can be formed.

また、連続処理によって皮膜の施工時間が従来のバッチ処理と比較して大幅に短縮されるのに加え、安価な原料粉末から微粒子粉末が得られ、解砕、分級の工程を経ることで水や有機物などの不純物が混入することなく、狭い粒度分布をもつ、高純度の粉末が得られ、高純度な皮膜が得られる。さらに、連続工程とされていることと、長時間安定的に微細化粉末の供給が可能であることから、広範囲に成膜することや厚膜化が容易である。   In addition to continuous processing, the coating time is significantly reduced compared to conventional batch processing. In addition, fine powder can be obtained from inexpensive raw material powder, and water and A high-purity powder having a narrow particle size distribution can be obtained without mixing impurities such as organic substances, and a high-purity film can be obtained. Furthermore, since it is a continuous process and it is possible to supply fine powder stably for a long time, it is easy to form a film over a wide range and to increase the thickness.

図3は本発明の第3実施形態に係る成膜装置の概略図である。本実施形態が第1実施形態と異なる点は、プラズマトーチに、容量結合プラズマトーチ17が用いられている点である。容量結合プラズマトーチ17には、容量結合プラズマ電源19に接続されたプラズマ発生用電極18が設けられており、この電極18の高周波・高電圧によって微細化粉末2を搬送するためのガスがプラズマ化され、このエネルギービーム内を微細化粉末2が通過することによって、微細化粉末2の表面が活性化され、基材3に堆積し、成膜される。本実施形態のように容量結合プラズマトーチ17を用いる場合、高周波プラズマを形成するための周波数としては10kHz〜60MHzが好ましく、容量結合プラズマ電源19の出力としては、100W〜3kWであることが好ましい。   FIG. 3 is a schematic view of a film forming apparatus according to the third embodiment of the present invention. This embodiment is different from the first embodiment in that a capacitively coupled plasma torch 17 is used for the plasma torch. The capacitively coupled plasma torch 17 is provided with a plasma generating electrode 18 connected to a capacitively coupled plasma power source 19, and the gas for transporting the fine powder 2 by the high frequency and high voltage of the electrode 18 is converted into plasma. Then, when the fine powder 2 passes through the energy beam, the surface of the fine powder 2 is activated and deposited on the base material 3 to form a film. When the capacitively coupled plasma torch 17 is used as in the present embodiment, the frequency for forming the high frequency plasma is preferably 10 kHz to 60 MHz, and the output of the capacitively coupled plasma power source 19 is preferably 100 W to 3 kW.

図4は本発明の第4実施形態に係る成膜装置の概略図である。本実施形態が第3実施形態と異なる点は、凝集してできた粒径3μm以上の凝集粒を3μm未満に解砕する気流式又は機械式の解砕機構15と、0.1μm未満の微細化粉末を除去する分級機構16とをさらに備えている点である。   FIG. 4 is a schematic view of a film forming apparatus according to the fourth embodiment of the present invention. This embodiment is different from the third embodiment in that the agglomerate having a particle size of 3 μm or more formed by agglomeration is crushed to less than 3 μm, and an airflow type or mechanical crushing mechanism 15 and a fineness less than 0.1 μm. And a classification mechanism 16 for removing the powdered powder.

図5は本発明の第5実施形態に係る成膜装置の概略図である。本実施形態が第1、第3実施形態と異なる点は、プラズマトーチに、直流プラズマトーチ20が用いられている点である。直流プラズマトーチ20には、直流プラズマ用電源23に接続された正極21及び負極22が設けられており、直流プラズマトーチ20の軸心部より微細化粉末2が供給され、プラズマガス内を微細化粉末2が通過することによって、微細化粉末2の表面が活性化され、基材3に堆積し、成膜される。本実施形態のように直流プラズマトーチ20を用いる場合、直流プラズマ用電源23の出力としては、5〜100kWであることが好ましい。   FIG. 5 is a schematic view of a film forming apparatus according to the fifth embodiment of the present invention. This embodiment is different from the first and third embodiments in that a DC plasma torch 20 is used for the plasma torch. The direct current plasma torch 20 is provided with a positive electrode 21 and a negative electrode 22 connected to a direct current plasma power source 23. Fine powder 2 is supplied from the axial center of the direct current plasma torch 20, and the inside of the plasma gas is refined. By passing the powder 2, the surface of the fine powder 2 is activated and deposited on the substrate 3 to form a film. When the DC plasma torch 20 is used as in the present embodiment, the output of the DC plasma power source 23 is preferably 5 to 100 kW.

図6は本発明の第6実施形態に係る成膜装置の概略図である。本実施形態が第5実施形態と異なる点は、粒径5μm以上の微細化粉末を3μm未満に解砕する気流式又は機械式の解砕機構15と、0.1μm未満の微細化粉末を除去する分級機構16とをさらに備えている点である。かかる成膜装置により、上述のセラミックス皮膜の成膜方法を実現することができ、コストが抑えられ、それと共に最適な粒度の粉末を安定した状態で供給することができ、高品質な皮膜を成膜することができる。   FIG. 6 is a schematic view of a film forming apparatus according to the sixth embodiment of the present invention. This embodiment differs from the fifth embodiment in that an airflow type or mechanical type crushing mechanism 15 that crushes a refined powder having a particle size of 5 μm or more to less than 3 μm and a refined powder less than 0.1 μm are removed. The classification mechanism 16 is further provided. With such a film forming apparatus, the above-described method for forming a ceramic film can be realized, the cost can be suppressed, and at the same time, a powder having an optimum particle size can be supplied in a stable state, thereby forming a high-quality film. Can be membrane.

以下、実施例を用いて本発明をより詳細に説明する。なお、本発明はこの実施例に限定されるものではない。第1実施形態〜第6実施形態の成膜装置を用いて、各装置固有の構成に基づく条件以外の条件を同じにして基材に成膜を行った。各実施形態の成膜速度と膜質を◎〜×の4段階で評価した。その結果を表1に示す。第2、第4、第6実施形態で作製した皮膜構造、成膜速度、膜質は、概ね同じであった。第1、第3、第5実施形態で作成した皮膜は、概ね第2、第4、第6実施形態よりも成膜速度が劣っていた。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. In addition, this invention is not limited to this Example. Using the film forming apparatuses of the first to sixth embodiments, films were formed on the base material under the same conditions other than the conditions based on the configuration unique to each apparatus. The film formation speed and film quality of each embodiment were evaluated in four stages of ◎ to ×. The results are shown in Table 1. The film structure, film formation speed, and film quality produced in the second, fourth, and sixth embodiments were substantially the same. The films created in the first, third, and fifth embodiments were generally inferior in film formation rate to the second, fourth, and sixth embodiments.

セラミックス原料粉末(材料)、粉末微細化部における微細化条件(プラズマを形成するための周波数・電源の出力)、プラズマトーチの種類、解砕部・分級部の有無、の違いによる成膜の可否を表2に示す。   Whether or not film formation is possible due to differences in ceramic raw material powder (material), refinement conditions in the powder refinement section (frequency for generating plasma, power supply output), type of plasma torch, presence / absence of crushing / classifying section Is shown in Table 2.

(実施例1)
図1に示す第1実施形態の誘導結合プラズマトーチを用いる方法で成膜を行った。粒径が20μmの酸化アルミニウム(Al)2kgを粉末供給室に入れ、20g/minでガスボンベから供給されるArガスを10L/minで流して、粉末微細化部に供給する。粉末微細化部でAl粉末を0.1〜2μmの粒径に微細化する。粉末微細化部で製造した微細化粉末の粒径を、粒度分布測定器(CILAS社製、GRANULOMERTRE1064)を用いて測定した。微細化されたAl粉末を、2重螺旋電極にAC4.5kVの交流電圧を印加した搬送管に通過させ、圧力20Paの成膜室内に搬送した。搬送してきたAl粉末を、Oをプラズマガスとして誘導結合プラズマトーチに導入し、800Wのパワーをプラズマ発生用コイルに印加し、500×500mmの面積でガラス基材上に1hの間、成膜した。
Example 1
Film formation was performed by the method using the inductively coupled plasma torch of the first embodiment shown in FIG. 2 kg of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) having a particle size of 20 μm is placed in the powder supply chamber, Ar gas supplied from a gas cylinder at 20 g / min is flowed at 10 L / min, and supplied to the powder refinement unit. The Al 2 O 3 powder is refined to a particle size of 0.1 to 2 μm in the powder refinement section. The particle size of the refined powder produced in the powder refinement unit was measured using a particle size distribution measuring device (GRANULOMERTRE 1064, manufactured by CILAS). The micronized Al 2 O 3 powder was passed through a transfer tube in which an AC voltage of AC 4.5 kV was applied to a double spiral electrode, and was transferred into a film forming chamber at a pressure of 20 Pa. The conveyed Al 2 O 3 powder is introduced into an inductively coupled plasma torch using O 2 as a plasma gas, a power of 800 W is applied to the plasma generating coil, and an area of 500 × 500 mm on a glass substrate for 1 h. The film was formed.

実施例1で成膜したAl皮膜の電子顕微鏡による断面写真を図7に示す。皮膜内部に空隙が見られるが、基材と強固に密着している。膜堆積中に粉末微粒子に熱を加えることで、基材にかかる圧縮応力が緩和されるため、10μm以上の皮膜も容易に成膜可能であることが解る。 FIG. 7 shows a cross-sectional photograph of the Al 2 O 3 film formed in Example 1 using an electron microscope. Although voids are observed inside the film, it is firmly adhered to the substrate. It can be understood that a film having a thickness of 10 μm or more can be easily formed because the compressive stress applied to the base material is reduced by applying heat to the fine powder particles during film deposition.

(実施例2)
図2に示す第2実施形態の誘導結合プラズマトーチを用いる方法で成膜を行った。粒径が16μmのAl粉末2kgを粉末供給室に入れ、20g/minでガスボンベから供給されるArガスを20L/minで流して、粉末微細化部に供給する。粉末微細化部では、Al粉末を、0.1〜4μmの粒子に微細化する。これを解砕室で粉砕したところ、微細化粒子はさらに0.1〜1.6μmに解砕された。粉末微細化部で製造した微細化粉末、及び解砕室で解砕した微細化粉末の粒径を、粒度分布測定器(CILAS社製、GRANULOMERTRE1064)を用いて測定した。微細化されたAl粉末を、2重螺旋電極に、AC6kVの交流電圧を印加した搬送管に通過させ、圧力20Paの成膜室内に導入した。導入してきたAl粉末を、Oをプラズマガスとして誘導結合プラズマトーチに導入し、900Wのパワーをプラズマ発生用コイルに印加し、500×500mmの面積でガラス基材上に1hの間、成膜した。
(Example 2)
Film formation was performed by the method using the inductively coupled plasma torch of the second embodiment shown in FIG. 2 kg of Al 2 O 3 powder having a particle size of 16 μm is placed in the powder supply chamber, Ar gas supplied from a gas cylinder at 20 g / min is flowed at 20 L / min, and supplied to the powder refinement unit. In powders finer unit, the Al 2 O 3 powder, refining the particles 0.1~4Myuemu. When this was pulverized in the crushing chamber, the fine particles were further crushed to 0.1 to 1.6 μm. The particle size of the refined powder produced in the powder refinement unit and the refined powder crushed in the crushing chamber were measured using a particle size distribution measuring device (CRANAS, GRANULOMERTRE 1064). The refined Al 2 O 3 powder was passed through a double spiral electrode through a transfer tube to which an AC voltage of 6 kV was applied, and was introduced into a film forming chamber at a pressure of 20 Pa. The introduced Al 2 O 3 powder is introduced into an inductively coupled plasma torch using O 2 as a plasma gas, a power of 900 W is applied to the plasma generating coil, and an area of 500 × 500 mm on the glass substrate for 1 h. The film was formed.

実施例2で成膜したAl皮膜の電子顕微鏡による断面写真を図8に示す。解砕機構で微細化粉末を解砕し、亀裂を与えたことでその粉末の表面が活性化し、基材と強固に密着していることが認められる。解砕機構と分級機構を設けることによって実施例1よりも成膜に寄与する微細化粉末の割合が増加し、成膜速度が向上した。これは、従来のAD法のおよそ10倍の成膜速度である。 FIG. 8 shows a cross-sectional photograph of the Al 2 O 3 film formed in Example 2 using an electron microscope. It is recognized that the surface of the powder is activated by crushing the fine powder with a crushing mechanism and giving cracks, and the powder is firmly adhered to the substrate. By providing the crushing mechanism and the classification mechanism, the ratio of the fine powder that contributes to the film formation increased more than in Example 1, and the film formation speed was improved. This is a film formation rate about 10 times that of the conventional AD method.

(実施例3)
図5に示す第5実施形態の直流プラズマトーチを用いる方法で成膜を行った。粒径が3μmのAl粉末2kgを粉末供給室に入れ、20g/minでガスボンベから供給されるArガスを10L/minで流して、粉末微細化部に供給する。粉末微細化部では、Al粉末を、0.1〜2μmの粒子に微細化する。粉末微細化部で製造した微細化粉末の粒径を、粒度分布測定器(CILAS社製、GRANULOMERTRE1064)を用いて測定した。微細化されたAl粉末を、2重螺旋電極に7kVの交流電圧を印加した搬送管に通過させ、圧力20Paの成膜室内の直流プラズマトーチに導入し、500×500mmの面積でガラス基材上に1hの間、成膜した。
(Example 3)
Film formation was performed by the method using the DC plasma torch of the fifth embodiment shown in FIG. 2 kg of Al 2 O 3 powder having a particle size of 3 μm is placed in the powder supply chamber, Ar gas supplied from a gas cylinder at 20 g / min is flowed at 10 L / min, and supplied to the powder refinement unit. In powders finer unit, the Al 2 O 3 powder, refining the particles of 0.1-2 .mu.m. The particle size of the refined powder produced in the powder refinement unit was measured using a particle size distribution measuring device (GRANULOMERTRE 1064, manufactured by CILAS). The micronized Al 2 O 3 powder is passed through a carrier tube in which an alternating voltage of 7 kV is applied to a double spiral electrode, introduced into a direct current plasma torch in a film forming chamber at a pressure of 20 Pa, and glass having an area of 500 × 500 mm. A film was formed on the substrate for 1 h.

実施例3で成膜したAl皮膜では、部分的に圧粉体が形成された。実施例2で解砕機構と分級機構を用いた場合には、圧粉体が形成されずに皮膜が形成された。これに対し、本実施例では、解砕機構と分級機構が設置されていない。そのため、微細化粉末が凝集し、直流プラズマトーチ付近で微細化粉末によって閉塞状態が生じ、安定的に微細化粉末を供給できなかったことが、圧粉体形成の原因であると考えられる。 In the Al 2 O 3 film formed in Example 3, a green compact was partially formed. When the crushing mechanism and the classification mechanism were used in Example 2, a film was formed without forming the green compact. On the other hand, the crushing mechanism and the classification mechanism are not installed in this embodiment. Therefore, it is considered that the formation of the green compact is due to the fact that the fine powder aggregates and a closed state is generated by the fine powder near the direct current plasma torch and the fine powder cannot be supplied stably.

図2に示す第2実施形態の誘導結合プラズマトーチを用いる方法を用いてAl皮膜の成膜量のプラズマ電源の出力依存を測定した結果を図9に示す。搬送ガスとしてArガスを20L/minで流し、2重螺旋電極にAC6kVで印加し、500×500mmの面積でガラス基材上に1hの間、成膜したときの成膜量である。図9のグラフの横軸はプラズマ電源の出力で、縦軸は1cmに1minの間、成膜したときの膜厚である。プラズマ電源の出力が大きいほど成膜速度が増加することが認められる。 FIG. 9 shows the results of measuring the output dependence of the plasma power supply of the amount of Al 2 O 3 coating formed using the method using the inductively coupled plasma torch of the second embodiment shown in FIG. This is the amount of film formation when Ar gas is flowed at 20 L / min as the carrier gas, AC 6 kV is applied to the double spiral electrode, and the film is formed on the glass substrate for 1 h with an area of 500 × 500 mm. The horizontal axis of the graph of FIG. 9 is the output of the plasma power source, and the vertical axis is the film thickness when the film is formed at 1 cm 2 for 1 min. It can be seen that the deposition rate increases as the output of the plasma power supply increases.

図1に示す第1実施形態の誘導結合プラズマトーチを用いる方法を用いてAl皮膜の表面のビッカース硬さのプラズマ電源の出力依存を測定した結果を図10に示す。搬送ガスとしてArガスを10L/minで流し、2重螺旋電極にAC4.5kVで印加し、500×500mmの面積でガラス基材上に1hの間、成膜したときの成膜量である。ビッカース硬さはマイクロビッカース硬度計(明石製作所製、HM−124)を用いて測定した。その測定条件は、荷重245.2mN、15s保持である。図10のグラフの横軸はプラズマ電源の出力で、縦軸はビッカース硬さである。プラズマ電源の出力が大きいほどAl皮膜の表面の硬さが減少していることが認められる。硬さが減少した理由は、図7に示した皮膜の断面写真のように、成膜量が向上したことによる皮膜密度の低下が考えられる。 FIG. 10 shows the results of measuring the dependence of the Vickers hardness on the surface of the Al 2 O 3 coating on the output of the plasma power source using the method using the inductively coupled plasma torch of the first embodiment shown in FIG. This is the amount of film formation when Ar gas is flowed at 10 L / min as the carrier gas, applied to the double spiral electrode at AC 4.5 kV, and deposited on the glass substrate for 1 h with an area of 500 × 500 mm. The Vickers hardness was measured using a micro Vickers hardness meter (manufactured by Akashi Seisakusho, HM-124). The measurement conditions are a load of 245.2 mN and holding for 15 s. The horizontal axis of the graph of FIG. 10 is the output of the plasma power source, and the vertical axis is the Vickers hardness. It is recognized that the hardness of the surface of the Al 2 O 3 film decreases as the output of the plasma power source increases. The reason for the decrease in hardness is considered to be a decrease in the film density due to the improvement in the amount of film formation, as shown in the sectional photograph of the film shown in FIG.

上記で開示した実施形態及び実施例は例示であり制限的なものではない。例えば、必要に応じて本発明のセラミックス皮膜の成膜装置に他の構成を設けてもよく、各部、各機構の構成、粉末搬送条件、微細化条件、成膜条件などの適宜変更される。   The embodiments and examples disclosed above are illustrative and not restrictive. For example, if necessary, the ceramic film deposition apparatus of the present invention may be provided with other configurations, and each part, the configuration of each mechanism, powder conveyance conditions, miniaturization conditions, film deposition conditions, and the like are appropriately changed.

1 セラミック原料粉末
2 微細化粉末
3 基材
4 粉末微細化部
5 粉末供給部
6 成膜部
7 搬送手段
8 可動アーム
9 誘導結合プラズマトーチ
10 ノズル
11 誘導結合プラズマ電源
12 プラズマ発生用コイル
13 ガスボンベ
14 搬送管用交流電源
15 解砕機構
16 分級機構
17 容量結合プラズマトーチ
18 プラズマ発生用電極
19 容量結合プラズマ電源
20 直流プラズマトーチ
21 正極
22 負極
23 直流プラズマ用電源
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ceramic raw material powder 2 Refined powder 3 Base material 4 Powder refined part 5 Powder supply part 6 Film-forming part 7 Conveying means 8 Movable arm 9 Inductively coupled plasma torch 10 Nozzle 11 Inductively coupled plasma power supply 12 Plasma generating coil 13 Gas cylinder 14 AC power source for carrier tube 15 Crushing mechanism 16 Classification mechanism 17 Capacitive coupling plasma torch 18 Plasma generating electrode 19 Capacitive coupling plasma power source 20 DC plasma torch 21 Positive electrode 22 Negative electrode 23 DC plasma power source

Claims (11)

セラミックス原料粉末を所定の粒径に微細化する粉末微細化手段と、
この粉末微細化手段から排出される微細化粉末を搬送管で気流搬送する搬送手段と、
前記粉末微細化手段から前記搬送手段を介して搬送された前記微細化粉末を成膜対象物に噴射して成膜する成膜手段と、を備えており、
前記粉末微細化手段は、高周波プラズマによりセラミックス原料粉末がその表面を揮発させることで微細化するように構成されるか、又は高周波プラズマによりセラミックス原料粉末が気相状態となり次いで冷却され析出することで微細化するように構成され、
前記搬送手段は、前記搬送管に交流電界と静電場を与えることによって、当該搬送管の内壁への粉末付着及び閉塞を防ぐように構成され、
前記成膜手段は、粉末を加熱するためのプラズマトーチと、このトーチに取り付けられ成膜対象物に加熱粉末を噴射するノズルとを有していることを特徴とするセラミックス皮膜の成膜装置。
A powder refining means for refining ceramic raw material powder to a predetermined particle size;
Conveying means for conveying the refined powder discharged from the powder refining means with an air current through a conveying tube;
A film forming means for injecting the fine powder conveyed from the powder refining means through the conveying means onto a film formation target, and forming a film;
The powder refinement means is configured such that the ceramic raw material powder is refined by volatilizing the surface thereof by high frequency plasma, or the ceramic raw material powder is in a gas phase state by high frequency plasma and then cooled and precipitated. Configured to refine,
The transport means is configured to prevent adhesion and blockage of powder on the inner wall of the transport pipe by applying an alternating electric field and an electrostatic field to the transport pipe.
The film forming means includes a plasma torch for heating powder, and a nozzle attached to the torch for injecting heated powder onto a film forming object.
前記粉末微細化手段は、高周波プラズマによりセラミックス原料粉末の平均粒径を0.01〜10μmに微細化するように構成されていることを特徴とする請求項1に記載のセラミックス皮膜の成膜装置。   2. The ceramic film forming apparatus according to claim 1, wherein the powder refinement means is configured to refine the average particle size of the ceramic raw material powder to 0.01 to 10 [mu] m by high frequency plasma. . 前記粉末微細化手段における高周波プラズマを形成するための周波数は10kHz〜13.56MHzとされ、プラズマ電源の出力が5〜100kWであることを特徴とする請求項2に記載のセラミックス皮膜の成膜装置。   3. The ceramic film-forming apparatus according to claim 2, wherein a frequency for forming the high-frequency plasma in the powder refinement means is 10 kHz to 13.56 MHz, and an output of the plasma power source is 5 to 100 kW. . 前記プラズマトーチは、直流プラズマトーチ、誘導結合プラズマトーチ、容量結合プラズマトーチの何れかであることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のセラミックス皮膜の成膜装置。   4. The ceramic film forming apparatus according to claim 1, wherein the plasma torch is any one of a direct current plasma torch, an inductively coupled plasma torch, and a capacitively coupled plasma torch. 前記成膜手段のノズルはセラミックス又はサーメットからなり、かつ成膜対象物に対して60°〜120°の角度で傾斜されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のセラミックス皮膜の成膜装置。   5. The ceramic according to claim 1, wherein the nozzle of the film forming means is made of ceramic or cermet and is inclined at an angle of 60 ° to 120 ° with respect to the film forming target. Film deposition equipment. 前記搬送手段は、
前記微細化粉体をガスにより気流搬送するための搬送路を有する搬送管と、
前記搬送路に電界を生じさせ、この電界により前記微細化粉末をガスの流れ方向と異なる方向へ飛翔移動させることで、当該搬送路の壁面部分への当該微細化粉末の付着を抑制する電界発生手段と、を備えることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載のセラミックス皮膜の成膜装置。
The conveying means is
A transport pipe having a transport path for air transporting the fine powder by gas;
Generation of an electric field that suppresses adhesion of the refined powder to the wall surface of the transport path by generating an electric field in the transport path and causing the electric field to fly and move the refined powder in a direction different from the gas flow direction. And a ceramic film forming apparatus according to any one of claims 1 to 5.
前記粉末微細化手段で微細化されて、凝集してできた粒径3μm以上の凝集粒を3μm未満に解砕する気流式又は機械式の解砕機構をさらに備えることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載のセラミックス皮膜の成膜装置。 2. An airflow type or mechanical type crushing mechanism for crushing agglomerated particles having a particle diameter of 3 μm or more formed by agglomeration by the powder refining means to less than 3 μm is further provided. The film-forming apparatus of the ceramics film in any one of -6. 0.1μm未満の前記微細化粉末を除去する分級機構をさらに備えることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載のセラミックス皮膜の成膜装置。   The film forming apparatus for a ceramic film according to claim 1, further comprising a classification mechanism for removing the fine powder having a size of less than 0.1 μm. セラミックス原料粉末が、平均粒径1〜50μmの酸化物系セラミックス、平均粒径1〜50μmの窒化物系セラミックス、平均粒径1〜50μmの炭化物系セラミックスのうちの何れかであることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載のセラミックス皮膜の成膜装置。   The ceramic raw material powder is any one of oxide ceramics having an average particle diameter of 1 to 50 μm, nitride ceramics having an average particle diameter of 1 to 50 μm, and carbide ceramics having an average particle diameter of 1 to 50 μm. The film forming apparatus for a ceramic film according to claim 1. 前記成膜手段に導入される微細化粉末の平均粒径が0.1〜3μmであることを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載のセラミックス皮膜の成膜装置。   10. The ceramic film-forming apparatus according to claim 1, wherein an average particle diameter of the refined powder introduced into the film-forming means is 0.1 to 3 μm. 平均粒径1〜50μmのセラミックス原料粉末を、高周波プラズマにより平均粒径で0.1〜10μmに微細化し、凝集してできた粒径3μm以上の凝集粒を3μm未満に解砕し、その中から0.1μm未満の微細化粉末を除去し、この微細化粉末を、搬送管に交流電界と静電場を与えることによって、当該搬送管の内壁への粉末付着及び閉塞を防ぐようにして搬送し、搬送されてきた微細化粉末を、直流プラズマトーチ、誘導結合プラズマトーチ、容量結合プラズマトーチの何れかを介して成膜対象物に噴射して成膜することを特徴とするセラミックス皮膜の成膜方法。   A ceramic raw material powder having an average particle size of 1 to 50 μm is refined to an average particle size of 0.1 to 10 μm by high-frequency plasma, and agglomerated particles having a particle size of 3 μm or more obtained by agglomeration are crushed to less than 3 μm. The fine powder of less than 0.1 μm is removed from this, and this fine powder is conveyed so as to prevent the powder from adhering to and clogging the inner wall of the conveyance pipe by applying an AC electric field and electrostatic field to the conveyance pipe. Film formation of a ceramic film, characterized in that the fine powder that has been conveyed is sprayed onto a film formation object through any one of a direct current plasma torch, an inductively coupled plasma torch, and a capacitively coupled plasma torch. Method.
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