JPS63224279A - 金属蒸気レ−ザ−用アルミナ管及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の分野１ 本発明は、銅蒸気レーザー等の金属蒸気レーザーの芯管
として用いられるアルミナ管に関するものである。

［従来技術］ 従来、銅蒸気レーザーなどの金属蒸気レーザーの芯管と
しては、電気炉なとの炉芯管として用いられている一般
的なアルミナ管が使用されてきた。

このレベルのアルミナ管は、原料のローソーダアルミナ
粉に粒子成長抑制剤として微量のマグネシャまたはマグ
ネシウム化合物を添加し、ポールミルなどで解砕註合し
たものをスプレードライヤーなどで造粒し、アイソスタ
ティックプレスで管形状に加圧成形し外周を加工した優
、空気中で焼成して製造されたものである。成形方法と
しては、アイソスタティックプレスによる加圧成形にか
わり、スリップキャスティング法を用いて製作されたも
のもある。しかしこのような一般的なアルミナ管は、銅
蒸気レーザーなどの金属蒸気レーザーの芯管としては、
以下のような点で充分満足できるものでなかった。

第１に、芯管のアルミナセラミックスの化学的純度が充
分に高くなかった。

これは主として、原料として用いられているローソーダ
アルミナ粉に多くの不純物が含まれていることに起因し
、代表的な不純物としては酸化珪素４００　ｐｐｍ、　
Ｉｌｌ銑鉄１００ｐｐｍ、酸化ナトリウム３００　ｐｐ
ｍ等が含まれている。さらには、一般的なアルミナ管は
ガス炉を用いて空気中で焼成されているため、燃料と燃
焼空気中に含まれている不純物や、配管中より混入して
くる鉄鎖が焼成中のアルミナ管に接触し、アルミナ管が
これらの不純物によって汚染されてしまうことにも起因
する。また、空気中での焼成においては焼成体中に含ま
れているアルカリ全屈などの不純物の飛散除去はほとん
ど行なわれない。

上記のようなアルミナセラミックスレーザー管中の不純
物は次のような理由で好ましくない。

例えば銅蒸気レーザーは、運転稼働時には１５００−１
６００℃の温度に達するが、このような高温になるとア
ルミナセラミックス中の不純物は蒸発して芯管内に出て
くる。不純物ガスは、レーザー光線中にこれら不純物に
よる励起光を混在させ、本来のレーザー光の特性を低下
させることになる。

さらにアルミナセラミックス中の不純物は、アルミナセ
ラミックスの粒界に多く存在してアルミナセラミックス
芯管の軟化変形を促進する。また不純物が多くなるに従
って、レーザー光発生のために芯管内に入れである金属
がセラミックス中の不純物と反応しながらセラミックス
粒界中を拡散浸透する速度が大きくなる。このような軟
化変形あるいは不純物と封入金属との反応は、レーザー
の寿命を短くする原因となるものである。

第２に、従来のアルミナセラミックスレーザー管は、密
度が充分に高くないという問題があった。

アルミナセラミックス管の密度が充分高くならない原因
はアルミナ原料粉の粒度にあり、従来使用されてきたロ
ーソーダアルミナ粉の一次粒子径は１−２＊はどであっ
て、焼結活性に乏しくアルミナセラミックスの密度を充
分高める性質を具備していなかったものである。

アルミナセラミックスの密度が低く、気孔が多くなると
、高温における軟化変形速度が大きくなる。また気孔が
多くなると、結晶粒界を拡散浸透している金属イオンが
セラミックスの気孔に到達した時、気孔内では直ちに移
動するので気孔の分だけ移動速度が速くなる。このため
に芯管内の金属蒸気が芯管材料中を浸透する速度が大き
くなり、芯管の変質部分が多くなる。

第３に、従来のアルミナセラミックスレーザー管は、製
造時、主として焼成中に発生する曲り及びつぶれ等の変
形給が多かった。

空気中での焼成においては、焼成に使用できる治具材料
は酸化物に限られ、アルミナセラミックスの焼成には一
般的にアルミナ質の耐火物が使用されている。しかしな
がら、１７００’Ｃ以上の高温で被焼成物を支持するた
めには、アルミナ質の耐火物を大掛りなものとせざるを
えず、焼成体の変形を少なくするのは容易なことではな
かった。

また通常には、焼成はバッチ式で行なわれ、数本の管が
同時に焼成されるため、一本の管に関しては均一な加熱
が困難であり、このことも焼成における変形を助長して
いた。

レーザーアルミナ芯管に曲りやつぶれがあり真直度及び
真円度が悪いと、レーザー光として発振される光がこれ
等のアルミナ芯管の変形部分に当って遮られてしまい、
有効レーザー光が減少してしまうことになる。

［発明の目的］ 本発明は、銅蒸気レーザーなどの金属蒸気レーザーの芯
管として使用し得る長寿命及び高特性のアルミナセラミ
ックス多結晶体材質の芯管を提供することを目的として
いる。

また本発明は、上記の長寿命及び高特性のアルミナセラ
ミックス多結晶体材質の芯管の製造方法を提供すること
も目的とする。

［問題点を解決するための手段］ 金属蒸気レーザー用芯管としてのアルミナセラミックス
中に含まれる不純物に関して、元素の種類及び量により
どの程度レーザーの機能が低下するかは未だ明らかにな
っていない。但し、マグネシャはアルミナセラミックス
の結晶成長抑制剤として有効な添加物であり、アルミナ
セラミックスの製造においてはマグネシアの添加は不可
欠である。マグネシャの添加率は数１ｏｏ　ｐｐｍ程度
で有効である。

上記のマグネシャ以外のアルミナセラミックス中に含ま
れる不純物の総量と、金属蒸気レーザー管としての特性
との相関を検討した結果、不純物量は少ない程良いが、
１０００　ｐｐｍ以下なら充分実用に供しうろことが判
明した。

上記の不純物量を達成するために、本発明の金属蒸気レ
ーザー用アルミナセラミックス質芯管の製造においては
、従来の炉芯管用アルミナ原料粉であるローソーダアル
ミナ粉に替え、アルミナ原料粉として高純度アルミナ粉
を使用する。アルミナ粉の純度は高いほど好ましいが、
このレベルの高純度アルミナ粉の純度は９９．９％程度
以上、好ましくは９９９５％以Ｆのものである。また、
含まれる不純物は、酸化珪素１５　ｐｐｍ、　Ｒ銑鉄１
０　ｉｌｌ）１ｍ、酸化ナトリウム１５　ｐｐｍ等であ
る。

更にアルミナ芯管の純度を向上させるために、本発明の
アルミナ管焼成雰囲気として水素雰囲気または水素を含
む非酸化雰囲気を使用する。

水素ガスは、焼成中のアルミナ中に含まれている不純物
元素の酸化還元状態を還元方向に移動させ、不純物酸化
物をその低酸化物にすることにより蒸発速度を増大させ
る。水素雰囲気焼成は、特に少トリウムなどのアルカリ
金属元素の除去に効果がある。またこの焼成法は、空気
中での焼成のように多量に燃焼ガスや空気を吹込むこと
もないので、焼成雰囲気からの汚染も少ない。

次にアルミナセラミックスの密度に関しては、高い密度
のセラミックスを得るためには粉体の粒子径が充分小さ
く、高い焼結の駆動ノｊを持った原料粉体を使用する必
要がある。本発明者らは、高純度アルミナ粉の粒子径と
、これを水素または水素を含む非酸化雰囲気中で焼結し
て得られるアルミナ管の密度と、更に金属蒸気レーザー
としての特性との関係を検討し、実用的な範囲を見出し
た。

芯管を構成するアルミナセラミックスの密度が３、９５
　ｇ／　ｃｄ以上であると、金属蒸気レーザー管として
の使用温度である１５００℃以上の湿度における軟化変
形速度が小さく、また銅蒸気レーザーにおいては銅イオ
ンがアルミナセラミックス中を拡散浸透してゆく速度が
充分遅く実用に供し得るものであることが判明したもの
である。

この密度３．９５　ｇ／　ｃｉ以上のアルミナセラミッ
クスを得るための製造条件としては、−次粒径が１戸以
下の原料アルミナ粉を使用し、このアルミナ粉に粒子成
長抑制剤としてマグネシャまたはマグネシウム化合物を
添加し、これを成形した後に空気中で結合剤を焼散させ
、さらに水素または水素を含む非酸化雰囲気中で焼成す
れば良いことを見出した。

上記において使用する結合剤は、成形体強度を得るため
に成形前に添加されている有機結合剤である。

この結合剤は任意のものでよく、セラミックス成形用と
して一般的に用いられるポリビニルアルコール、セルロ
ース系及びアクリル系結合剤等を使用し得る。但し、焼
成後不純物として残留する金属イオン含有団がなるべく
少ないことが好ましい。

成形は、アイソスタティックプレス、スリップキャステ
ィング、押出成形等任意の方法で行ない得るが、成形時
の不純物の混入の可能性が小さいことと、比較的大型で
肉薄の管の成形が容易であるということから、アイソス
タティックプレスによる加圧成形が最も好ましい。アイ
ソスタティックプレスの場合、１トン／　ｃｉ以上の圧
力で成形する。

有機結合剤の焼散のための焼成は、該物質が分解して最
侵に残る炭素が完全に燃焼されるようにすることと、取
扱い易い強度を得るという目的のためには８００−１４
００℃の温度範囲で行なうことが適当であることが分っ
た。８００℃より低いと有機結合剤の焼散が充分でなく
、１４００℃より高いと空気中仮焼における焼結が進み
過ぎて後の水素または水素を含む非酸化雰囲気焼成によ
る不純物除去の効果が薄れるからである。

水素または水素を含む非酸化雰囲気焼成における焼成温
度は、次の理由から１５００−１９００℃と設定される
。即ち、１５００℃以下の焼成では、金属蒸気レーザー
芯管としての使用温度以下の焼成温度となり、レーザー
管として使用される時間とともにセラミックスの微細構
造が変質する。１５００℃以下で焼結されたアルミナセ
ラミックスは、その結晶粒子が未だ小さく、レーザー管
として使用する際に粒子成長が進行するものであり、こ
れとともに管全体が変形する現象が顕著になり好ましく
ない。

また１９００℃以上の焼成温度で得られるアルミナセラ
ミックスは、セラミックスを構成する結晶粒子が成長し
過ぎて粒界部に自発的クラックが発生する。このような
セラミックスは機械的強度が低く、レーザー管として使
用される際に管内に発生する熱応力によりリング状クラ
ックを発生し易いので好ましくない。前述の通り、金属
蒸気レーザー用芯管としてのアルミナ管はその形状精度
が重要である。

また、曲りやつぶれなどの変形は前述の通り管の焼成工
程で発生するが、これらの変形を少なくする目的にも水
素または水素を含む非酸化雰囲気焼成が有効である。即
ちこのような還元雰囲気においては、タングステンやモ
リブデンなどの高融点金属がアルミナセラミックス管の
焼成治具として使用でき、特にタングステンは１５００
−１９００℃程度の温度範囲では軟化変形が少なく、コ
ンパクトな焼成治具の設計が可能である。従って焼成治
具の単純化、簡便化が可能となり、レーザー管用の大型
アルミナ管焼成治具としての改良改善が容易であり、焼
成変形の少ないアルミナ管の製造を可能としたものであ
る。

更に、本発明者らによる特許出願（特開昭６１−２５６
９８２号）に開示されている、管長より短い最高温度保
持部内を鉛直方向に移動する形式の焼成方法を使用する
ことにより更に変形の少ないアルミナ管の製造が可能で
ある。

この焼成方法は、アルミナ管を一本づつタングステンな
どの焼成治具で吊るして直立した円筒形の炉内を鉛直方
向に移動させて焼成を行なうもので、多数のアルミナ管
を一度に焼成するバッチ式の焼成に比べて、焼成中にお
けるアルミナ管の径方向の温度差が少なくなり、焼成収
縮差によって発生する曲りが少なくなると同時に曲りに
よって付随的に発生するつぶれも少なくなるものである
。

またこのような移動焼成は、管の形状精度の面のみなら
ず、生産性の高いことにおいても有効である。

［実施例］ 以下実施例により本発明をさらに詳細に説明する。

１血１−」− 一次粒子径０．５μｓで、酸化珪素２０　ｐｐｍ、酸化
鉄１５　ｐｐｍ、　ｆｌ化ナトリウム１５　ｐｐｍを含
むアルミナ扮１００部に、ストイキオメトリツクスピネ
ル０．３部。

イオン交換水１００部、ＰＶＡを２部添加し、ボールミ
ル中でアルミナボールとともに混合してスリップを作製
した。このスリップをスプレードライヤーで造粒し、こ
の造粒粉をアイソスタティックプレスを用い１トン／ｄ
の圧力で加圧し、内径φ５２ｘ　１４００の管を成形し
た。この成形体の外周を加工し、肉厚を２．６履とした
後、空気中で１０００℃で２時間仮焼し結合剤としての
ＰＶＡを焼散させた。

次に比較のため、−次粒子径１．５７ｍで、酸化珪素４
００　ｐｐｍ、酸化鉄１００１）ｌ）ｍ、酸化ナト＋）
　＋シム３００１）ｐｍを含むローソーダアルミナ粉１
００部に、上と同じ配合で添加物を加え、スリップを作
製した。このスリップを造粒した後、アイソスタティッ
クプレスで内径φ４８ｘ　１３００の管を成形した。こ
の成形体の外周を加工し、２．４．とした後、空気中で
１２００℃で２時間仮焼した。

これら仮焼体をそれぞれ空気中と水素ガス中で２時間焼
成した。水素雰囲気焼成としては、バッチ式と、管長よ
り短いＲ高温度保持部内を鉛直方向に移動する方法との
２方法で行なった。移動すする方法においては、焼成体
のある部分が１ａ　ａｉ　’ｌｆＡ度保持部分を通過し
ている時間が２時間である。

これらの焼成体から焼成治具部分を切り落し、φ４ｏｘ
　１０００Ｘ　２　ｍ　ｔのアルミナ管試料を製造した
。

またアルミナ粉、仮焼体及び焼成体の化学分析を行ない
、焼成体の密度と形状精度の測定を行なった。この結果
を下記表−１及び２に示す。

表−１ 表−２ さらに上記の６種類のアルミナ管を芯管として銅蒸気レ
ーザーを構成し、レーザー出力と寿命を測定した。実験
条件としては、放′Ｆｉ電圧１５ｋＶ。

放電パルス幅３００　ｎ５ｅｃ、パルス周波＠６　ｋＨ
ｚで発振させた。結果を下記表−３に示す。

表−３ 以上の結果から、アルミナ原料粉に由来する不純物の量
と、水素中焼成における不純物の蒸発量との両方の要因
により、最終的にアルミナセラミックス中の含まれる不
純物量が決り、これがレーザーの出力に大きな影響を与
えていることが考察できる。

また、レーザーの寿命においても、これら不純物の総立
とアルミナセラミックスの密度とが影響を与えているこ
とが考察でき、ローソーダアルミナ粉を原料とし、空気
中で焼成したアルミナ管は、レーデ−出力、寿命の点ど
ちらとも低い特性値しか得られなかった。

実施例　２ 一次粒子径０．５Ｊｍの高純度アルミナ粉に、酸化珪素
、酸化鉄、酸化ナトリウムを添加し、不純物レベルの異
なるアルミナ粉を調製した。

添加不純物間の比率は、一般的なローソーダアルミナ粉
に含まれているものと同様のちととするために、ｓ　＋
ｏ　　：　Ｆｅ２Ｏ３：Ｎａｚ　Ｏ＝４　：１：３とし
た。

これらのアルミナ粉を原料とし、実施例１と同様の仮焼
体を製作した。これを、空気中での焼成及び水素雰囲気
中で鉛直方向に移動しての焼成によりφ４０ｘ　１００
０ｘ　２ｍｍｔのアルミナ管６種を得た。

これ等のサンプルで銅蒸気レーザーを構成し、発振実験
を行ない、出力と寿命を評価した。ぞの結果を、各焼成
体のアルミナとマグネシャを合せた分析値と不純物総量
の計算値と共に下記表−４に示す。

表−４ 上記の結果から、アルミナ芯管に含まれるマグネシャ以
外の不純物の総量が１ｏｏｏ　ｐｐｍを越えると銅蒸気
レーザー管としての特性が急激に低下することが分った
。

実施例　３ 一次粒子径０．３１ｊ！！Ｉの高純度アルミナ粉をばい
焼して粉体の一次粒子径を大きくし、１．５−の粉体を
調製した。これらの粉体を混合して、平均−次次粒子径
の異なる高純度アルミナ粉を調製し、実施例１と同様な
方法で、水素雰囲気中で鉛直方向に移動焼成してφ４０
Ｘ　１０００Ｘ　２ｍｍｔのアルミナ管を４種得た。た
だし、各サンプルの成形体は、それぞれの収縮率に対応
して寸法を変更した。これらの管の密度を測定し、銅蒸
気レーザーとしての出力と寿命を評価した。その結果を
下記表−５に示す。

表　　−５ この結果、アルミナ管の密度が３．９４９　／　Ｃｉ以
下であるとレーザーの寿命が著しく短くなることが判明
した。

［発明の効果］ 上記の通り本発明によれば、高特性及び長寿命を有する
レーザーアルミナ芯管が提供される。

実施例においては、水素雰囲気における焼成例を記述し
たが、本発明の理論的主旨からすると、アンモニア分解
ガスなどの水素と窒素との混合ガス雰囲気においてもそ
の有効性は充分発揮できるものと考えられる。

また本発明のアルミナセラミックスは、銅蒸気レーザー
のみならず、更に芯管温度が高くなる金蒸気レーザー用
芯管としてもイ１用であると考えられる。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）マグネシアまたはマグネシウム化合物以外の不純
   物総量が１０００ｐｐｍ以下であり、密度が３．９５ｇ
   ／ｃｍ＾３以上であることを特徴とするアルミナセラミ
   ックス多結晶体材料からなる金属蒸気レーザー用アルミ
   ナ管。
2. （２）一次粒径１μｍ以下の高純度アルミナ粉に、結晶
   成長抑制剤として有効な量のマグネシヤまたはマグネシ
   ウム化合物を添加し、これを成形した後、空気中または
   酸素を含む雰囲気中で８００−１４００℃で焼成し、さ
   らに水素または水素を含む非酸化雰囲気中で１５００−
   １９００℃で焼成することからなる金属蒸気レーザー用
   アルミナ管の製造方法。
3. （３）水素又は水素を含む非酸化雰囲気中での焼成を管
   長より短い最高温度保持部内を鉛直方向に移動させて行
   なうことを特徴とする特許請求の範囲第２項に記載の金
   属蒸気レーザー用アルミナ管の製造方法。