JPWO2020067493A1 - セラミックの処理方法及びセラミック部材 - Google Patents

Abstract

セラミック基材を表面処理の前処理としてレーザー処理するにあたり、表面処理材がほぼ満遍なく充填され得る溝をセラミック基材の表面に形成することで、この溝に充填される表面処理材と高強度で密着可能なセラミック部材を製造する。セラミック基材Ｃ１の表面にレーザーを照射することで、前記表面において凹面が少なくとも一方向に延びて形成された溝を複数設ける。前記表面において隣接する前記溝同士の間を平面とする。前記隣接する溝同士のピッチを０．０５ｍｍ以上０．３０ｍｍ以下とする。一の前記溝は、深くなるにつれて幅が狭くなり、前記一方向に直交する断面において最大幅で前記一の溝における深さ方向一方側に開口する。前記一の溝において、アスペクト比が０．５以上１．３以下であり、開口率が７０％以上である。

Description

本発明は、セラミック基材をレーザーにより処理するセラミックのレーザー処理方法、この方法により得られた（レーザー処理）セラミック部材に溶射処理するセラミックの溶射処理方法、並びに、これらにより得られる（レーザー処理）セラミック部材及び溶射処理セラミック部材に関するものである。

セラミックとは、酸化物、炭化物、窒化物又はホウ化物などの無機化合物で構成された固体材料である。セラミックは、高硬度性を有すると共に耐熱性に優れており、半導体、医療機器、情報機器、電子工業用製品など様々なものに使用されている。一方で、セラミックは、耐酸化性や耐反応・腐食性の点で改善の余地がある。よって、セラミックは、その表面に耐酸化性や耐反応・腐食性を有する材料（表面処理材）を被覆させた後で利用されることがある。

ところで、セラミックに表面処理材を被覆するにあたっては、セラミックと表面処理材とを高強度で密着させるため、セラミック基材（表面処理材を被覆させるための前処理を行う基材としてのセラミック）を前処理してセラミック部材とし、このセラミック部材に表面処理を行う必要がある。この前処理にはブラスト処理が行われることが一般的であるが、セラミック基材の硬度が高くてブラスト処理を行うことができない場合にはレーザー処理が行われることがある。

例えば、特許文献１には、セラミック基材（炭化ケイ素など）にレーザーを大気中で照射することでセラミック基材の表面に溝を形成し、このようなレーザー処理が行われて得られた（レーザー処理）セラミック部材に溶射処理（表面処理）を行うことで、溶射皮膜（溶射材）をセラミック部材に高強度で密着させることが記載されている。また、同文献には、レーザー照射によってセラミック基材の表面に形成される溝を所望の形にパターニングすることが記載されている。

上記特許文献１に記載の発明では、レーザー処理によりセラミック部材に酸化膜を形成し、この酸化膜によりセラミック部材と溶射材との密着強さを高くしている。しかし、酸化膜が形成されるセラミック部材は、酸化膜が形成されていないセラミック部材に比較して、セラミック製品としての品質が低下して使用が限定されるおそれがある。

一方、上記特許文献１に記載の発明は、セラミック基材に形成される溝の形状をパターニングしているため、溝全体に溶射材（表面処理材）が満遍なく充填されやすくなると考えられるが、この形状以外の要因により溝全体に溶射材を満遍なく充填するのが阻害されるおそれがある。

国際公開第２０１６／１７０８９５号

そこで、本発明は、セラミック基材を表面処理の前処理としてレーザー処理するにあたり、表面処理材がほぼ満遍なく充填され得る溝をセラミック基材の表面に形成することで、この溝に充填される表面処理材と高強度で密着可能なセラミック部材を製造することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、セラミック基材の表面にレーザーを照射することで、前記表面において凹面が少なくとも一方向に延びて形成された溝を複数設け、前記表面において隣接する前記溝同士の間を平面とし、前記隣接する溝同士のピッチを０．０５ｍｍ以上０．３０ｍｍ以下とするセラミックのレーザー処理方法であって、一の前記溝は、深くなるにつれて幅が狭くなり、前記一方向に直交する断面において最大幅で前記一の溝における深さ方向一方側に開口し、前記最大幅に対する深さの割合（アスペクト比）が０．５以上１．３以下であり、前記凹面又は／及び前記平面から前記深さ方向に傾斜する方向に突出するバリが形成される場合であって、かつ、当該バリが前記深さ方向における前記凹面との間の空間を形成する溝閉塞部を有する場合において、前記断面における前記溝閉塞部の前記幅方向の長さを前記最大幅から引いた値の、前記最大幅に対する割合（開口率）を７０％以上とすることを特徴とする。

本発明によれば、アスペクト比を０．５以上１．３以下とすると共に開口率を７０％以上とすることで、表面処理材がほぼ満遍なく充填され得る溝をセラミック基材の表面に形成し、この溝に充填される表面処理材と高強度で密着可能なセラミック部材を製造することができる。

すなわち、アスペクト比が０．５未満である場合、溝の深さが浅すぎるために、セラミック部材（セラミック基材にレーザー処理したもの）の深くまで表面処理材が入り込まず、セラミック部材の溝に表面処理材が充填されてもセラミック部材と表面処理材との密着強さが高くならない（セラミック部材と表面処理材との間でアンカー効果が生じない）。その一方で、アスペクト比が１．３を超える場合、溝の深さが深すぎるために、セラミック部材における溝の深い部分に表面処理材が充填されず、セラミック部材と表面処理材との密着強さが高くならない。しかし、アスペクト比が０．５以上１．３以下であることで、表面処理材がほぼ満遍なく充填され得る形状の溝をセラミック基材の表面に形成することができる。

さらに、開口率が７０％未満である場合、セラミック部材の表面において溝深さ方向に傾斜する方向に突出するバリにおいて、溝深さ方向で溝の表面である凹面との間に空間を形成して当該空間に表面処理材が流入するのを妨げる溝閉塞部が広範囲で形成されることになる。これにより、セラミック部材の溝における内部全体に表面処理材が行き渡るのが困難になる。しかし、開口率が７０％以上であることで、表面処理材はバリに妨げられずに溝の内部ほぼ全体に行き渡るようになる。これにより、表面処理材がほぼ満遍なく充填され得る形状の溝（アスペクト比が０．５以上１．３以下である溝）に、バリに妨げられずに表面処理材をほぼ満遍なく充填することが可能となる。

従って、アスペクト比が０．５以上１．３以下の溝の開口率を７０％以上にすることで、表面処理材がほぼ満遍なく充填され得る溝（表面処理材が満遍なく充填され得る形状であり、この充填がバリにより妨げられない溝）をセラミック基材の表面に形成し、この溝に充填された表面処理材と高強度で密着可能なセラミック部材を製造することができる。

また、上記セラミックのレーザー処理方法において、前記溝の形成に伴って前記セラミック基材の一部が溶融又は／及び蒸発したものを、前記表面において前記隣接する溝同士の間に雲状で堆積させることで、前記表面における前記溝同士の間の一部又は全部を粗面化させ、前記割合（開口率）は、前記雲状に堆積した堆積物のうち前記空間を形成する部分を前記溝閉塞部とした上で７０％以上にすることができる。

これにより、セラミック基材の表面において隣接する溝同士の間（溝間）を、セラミック基材を溶融又は／及び蒸発させたものを雲状に堆積した堆積物により効果的に粗面化することができ、セラミック部材の表面における溝間を表面処理材と高強度で密着可能にすることができる。さらには、雲状に堆積した堆積物のうち溝の深さ方向で凹面との間に空間を形成する部分を溝閉塞部とした上で開口率を７０％以上にすることで、この堆積物が表面処理材の溝内部全体における充填を妨げるのを防止することができる。これらにより、雲状堆積物による溝間の粗面化及び溝の高開口率維持の両方を実現することができ、溝間及び溝内部の両方において表面処理材と高強度で密着可能なセラミック部材を製造することができる。

また、上記セラミックのレーザー処理方法において、前記複数設けられた溝は、直線状、曲線状又は円周状に処理パターン形成され、あるいは、互いに交差するように形成されてもよい。

さらに、本発明は、上述したレーザー処理方法によりセラミック基材に溶射前処理を行い、当該溶射前処理により得られたレーザー処理セラミック部材に溶射処理を行うセラミックの溶射処理方法であって、前記溶射処理は、前記レーザー処理セラミック部材に形成された前記溝に溶射材を充填させることで、当該溶射材と前記レーザー処理セラミック部材とを密着させるものであり、一の前記溝におけるボイド面積率は２０％以下であり、当該ボイド面積率は、前記溶射材が前記溝に充填された状態における、前記一の溝の容積に対する当該一の溝内の空洞体積の割合であることを特徴とする。

本発明によれば、レーザー処理セラミック部材の表面に形成された溝に溶射材をほぼ満遍なく充填させ、この溝に充填された溶射材とレーザー処理セラミック部材とを高強度で密着させることができる。すなわち、溶射処理は、溶射材（表面処理材）を溶融又は半溶融状態にしたものを、レーザー処理セラミック部材に形成された溝の深さ方向に向かって吹き付ける。このため、レーザー処理セラミック部材の溝が溝閉塞部により低い開口率となっている場合には、溝の深さ方向に吹き付けられた溶射材が溝閉塞部により溝の深さ方向端部（凹面）まで行き届かないため、この溝において溶射材を満遍なく充填するのが難しくなる。しかし、本発明によれば、アスペクト比及び開口率を上述した範囲内にしているため、レーザー処理セラミック部材の溝に吹き付けられた溶射材が溝の内部ほぼ全体に行き渡り、レーザー処理セラミック部材と溶射材とを高強度で密着させることができる。

また、本発明は、基部の表面において凹面が少なくとも一方向に延びて形成された溝が複数設けられ、前記表面において隣接する前記溝同士の間が平面であり、前記隣接する溝同士のピッチが０．０５ｍｍ以上０．３０ｍｍ以下であるセラミック部材であって、一の前記溝は、深くなるにつれて幅が狭くなり、前記一方向に直交する断面において最大幅で前記一の溝における深さ方向一方側に開口し、前記最大幅に対する深さの割合（アスペクト比）が０．５以上１．３以下であり、前記凹面又は／及び前記平面から前記深さ方向に傾斜する方向に突出するバリが形成される場合であって、かつ、当該バリが前記深さ方向における前記凹面との間の空間を形成する溝閉塞部を有する場合において、前記断面における前記溝閉塞部の前記幅方向の長さを前記最大幅から引いた値の、前記最大幅に対する割合（開口率）が７０％以上であることを特徴とする。

本発明によれば、上記発明と同様、アスペクト比が０．５以上１．３以下であると共に開口率が７０％以上であることで、表面処理材がほぼ満遍なく充填され得る溝が表面に形成され、この溝に充填される表面処理材と高強度で密着可能なセラミック部材とすることができる。

また、上記セラミック部材は、前記表面において、前記隣接する溝同士の間が雲状に構成されていることで、前記表面における前記溝同士の間の一部又は全部が粗面化され、前記割合（開口率）は、前記表面において前記雲状に構成された部分のうち前記空間を形成する部分を前記溝閉塞部とした上で７０％以上であってもよい。

これにより、基部の表面において隣接する溝同士の間（溝間）が効果的に粗面化され、基部の表面における溝間が表面処理材と高強度で密着可能なセラミック部材とすることができる。さらには、基部の表面において雲状に構成された部分のうち溝の深さ方向で凹面との間に空間を形成する部分を溝閉塞部とした上で開口率が７０％以上であることで、この雲状に構成された部分が表面処理材の溝内部全体における充填を妨げるのを防止したセラミック部材とすることができる。これらにより、雲状に構成された部分による溝間の粗面化及び溝の高開口率維持の両方を実現し、溝間及び溝内部の両方において表面処理材と高強度で密着可能なセラミック部材とすることができる。

また、上記セラミック部材において、前記複数設けられた溝は、直線状、曲線状又は円周状に処理パターン形成され、あるいは、互いに交差するように形成されてもよい。

さらに、本発明は、溶射処理セラミック部材であって、上述したセラミック部材（レーザー処理セラミック部材）と、当該セラミック部材に形成された前記溝に充填されて前記セラミック部材と密着した溶射材とを備え、一の前記溝におけるボイド面積率は２０％以下であり、当該ボイド面積率は、前記溶射材が前記溝に充填された状態における、前記一の溝の容積に対する当該一の溝内の空洞体積の割合であることを特徴とする。

これにより、レーザー処理セラミック部材の表面に形成された溝に溶射材をほぼ満遍なく充填させ、この溝に充填された溶射材とレーザー処理セラミック部材とを高強度で密着した溶射処理セラミック部材とすることができる。

以上のように、本発明によれば、セラミック基材を表面処理の前処理としてレーザー処理するにあたり、表面処理材がほぼ満遍なく充填され得る溝をセラミック基材の表面に形成することで、この溝に充填される表面処理材と高強度で密着可能なセラミック部材を製造することができる。また、本発明によれば、このセラミック部材と溶射材とが高強度で密着した溶射処理セラミック部材を製造することができる。

本発明に係るセラミックのレーザー処理方法及び溶射処理方法を適用したセラミック処理方法を説明するための図である。 図１に示すレーザー処理工程において使用するレーザー処理装置を示す概略図である。 本発明に係るセラミック部材を示す図であり、（ａ）は溶射処理セラミック部材の断面、（ｂ）はレーザー処理セラミック部材の平面を示す図である。 本発明に係るセラミック部材に形成される溝の構成を説明するための図であり、（ａ）はセラミック部材における溝及び溝付近の構成の一例を示す図であり、（ｂ）はセラミック部材における溝及び溝付近の構成の別例を示す図である。 本発明に係るセラミックのレーザー処理方法及び溶射処理方法の試験例を説明するための表である。 図５に示す試験例のレーザーによってセラミック基材表面に形成させた溝部の外観写真（全実施例）である。なお、実施例４の溝部外観写真は図３（ｂ）と同じものである。 図５に示す試験例のレーザーによってセラミック基材表面に形成させた溝部の外観写真（全比較例）である。 図５に示す試験例（代表例のみ）のレーザーによって溝形成したセラミック部材に溶射処理をした後の溝部断面写真である。なお、実施例４の溝部断面写真は図３（ａ）と同じものである。 図５に示す試験例における試験結果を示すグラフである。

次に、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

まず、本発明に係るセラミックのレーザー処理方法及び溶射処理方法、並びに、セラミック部材及び溶射処理セラミック部材について説明する。

図１は、本発明に係るセラミックのレーザー処理方法及び溶射処理方法を適用したセラミック処理方法を説明するための図である。同図に示すように、このセラミック処理方法は、セラミック基材Ｃ１の表面をレーザー処理してレーザー処理セラミック部材Ｃ２とするレーザー処理工程Ｓ１と、レーザー処理セラミック部材Ｃ２を溶射材Ｆにより溶射処理して溶射処理セラミック部材Ｃ３とする溶射処理工程Ｓ２とを有する。

ここで、セラミック基材Ｃ１とは、溶射材Ｆ（表面処理材）を被覆させるための前処理を行う基材としてのセラミックを意味する。また、セラミックとは、酸化物、炭化物、窒化物又はホウ化物などの無機化合物で構成された固体材料である。さらに、セラミック基材Ｃ１に使用するセラミックには、炭化ケイ素、炭化ホウ素、窒化ケイ素、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、アルミナ、イットリア、ジルコニアなどを使用することができる。

さらに、溶射材Ｆには、金属、金属を主成分とする合金、セラミック、セラミックを主成分とする複合セラミック、又はサーメットなどが使用される。ここで、金属には、タングステン、モリブデン、ニオブ、チタン又はタンタルなどを使用することができる。また、溶射材Ｆとしてのセラミックには、アルミナ、イットリア、ジルコニアなどを使用することができる。また、溶射法には、プラズマ溶射法を使用するのが好ましいが、これ以外の溶射法を使用することもできる。

図２は、図１に示すレーザー処理工程Ｓ１で使用されるレーザー処理装置１を示す概略図である。同図に示すように、レーザー処理装置１は、レーザーＬを発振するレーザー発振器２と、レーザー発振器２から発振されたレーザーＬの方向を変換する方向変換ミラー３と、方向変換ミラー３で反射したレーザーＬを集束する集束ミラー４と、集束ミラー４で集束したレーザーＬを反射させてセラミック基材Ｃ１におけるＸ方向（セラミック基材Ｃ１の長手方向）でのレーザー照射位置を調整するＸスキャナー５と、Ｘスキャナー５により反射したレーザーＬを反射してセラミック基材Ｃ１におけるＹ方向（セラミック基材Ｃ１の短手方向）でのレーザー照射位置を調整するＹスキャナー６と、セラミック基材Ｃ１の表面に非酸化性ガスＧを送給するガス供給装置７とを備える。

レーザー発振器２において発振するレーザーＬには、連続発振又はパルス発振のレーザーいずれも使用することができる。また、レーザーＬには、ファイバーレーザー、ＹＶＯ_４レーザー、エキシマレーザー、ＣＯ_２レーザー、紫外線レーザー、ＹＡＧレーザー、半導体レーザーなどを使用することができる。

ガス供給装置７は、セラミック基材Ｃ１にレーザーＬを照射する時にセラミック基材Ｃ１の表面に非酸化性ガスＧを供給する。ここで、非酸化性ガスＧとは、セラミック基材Ｃ１へのレーザー照射時にセラミック基材Ｃ１の表面が酸化するのを防止（シールド）するためのガスである。非酸化性ガスＧには、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス、及びこれらのガスの混合ガスなどを使用することができる。

図３は、本発明に係るセラミック部材を示す図であり、（ａ）は溶射処理セラミック部材１０１の断面、（ｂ）はレーザー処理セラミック部材１０２の平面を示す図である。なお、図３（ａ）（ｂ）に示す長手方向、幅方向及び深さ方向とは、同図に示される溝ｆの長手方向、幅方向及び深さ方向をそれぞれ意味している。また、図３（ａ）及び（ｂ）に示す溶射処理セラミック部材１０１、基材１０２（レーザー処理セラミック部材１０２）及び溶射材１０３は、それぞれ図１に示す溶射処理セラミック部材Ｃ３、レーザー処理セラミック部材Ｃ２及び溶射材Ｆに対応している。

図３に示すように、溶射処理セラミック部材１０１は、溶射処理セラミック部材１０１の基部である基材１０２と、基材１０２に密着して被覆された溶射材１０３とを備える。溶射処理セラミック部材１０１において、溝ｆは、図３（ｂ）に示す長手方向（一方向）に延びて直線状に形成され、図３（ａ）（ｂ）に示す幅方向において所定の間隔を設けて複数設けられる。そして、溶射処理セラミック部材１０１は、図１に示す溶射処理工程Ｓ２において、基材１０２に形成された溝ｆに溶射材１０３を充填させることで、溶射材１０３と基材１０２とが密着したものである。

図３（ｂ）に示すように、基材１０２には雲状堆積物が溝間部全体（全面）に亘って形成されている。これら雲状堆積物については、後述する図４（ｂ）の説明箇所において詳細に説明する。

図４は、本発明に係るセラミック部材に形成される溝の構成を説明するための図であり、（ａ）はセラミック部材における溝及び溝付近の構成の一例を示す図であり、（ｂ）はセラミック部材における溝及び溝付近の構成の別例を示す図である。

図４（ａ）に示すレーザー処理セラミック部材２０１（図１に示すレーザー処理セラミック部材Ｃ２に対応）の表面は、凹面（底面）ｃと、溝間面ｓと、堆積物（バリ）ｂの表面とにより構成されている。凹面ｃは、直線方向｛図４（ａ）における手前及び奥方向に相当｝に延びており、深くなるにつれて幅が狭くなるように構成されている。そして、凹面ｃにより形成された空間が溝ｆである。また、溝間面ｓは、レーザーセラミック部材２０１の表面における隣接する溝ｆ同士の間の平面である。そして、堆積物（バリ）ｂとは、凹面ｃ又は／及び溝間面ｓから溝ｆの深さ方向に傾斜する方向に突出する部分である。そして、溝ｆは、溝ｆが延びる方向である直線方向｛図４（ａ）における手前及び奥方向に相当｝に直交する断面ＣＳにおいて、最大幅Ｗ１で深さ方向一方側に開口する（開口ａが形成されている）。さらに、堆積物（バリ）ｂは、溝ｆの深さ方向における凹面ｃとの間の空間を形成する溝閉塞部ｏを有している。

ここで、ピッチＰとは、レーザー処理セラミック部材２０１の表面において隣接する溝ｆ同士の中心点間距離を意味している。そして、ピッチＰは、０．０５ｍｍ以上０．３０ｍｍ以下である。また、アスペクト比は、深さＤ／最大幅Ｗ１、で表される比である。そして、アスペクト比は、０．５以上１．３以下である。さらに、開口率は、（最大幅Ｗ１−溝閉塞幅Ｗ２）×１００／最大幅Ｗ１、で表される割合である。そして、開口率は７０％以上であり、好ましくは８０％以上である。なお、深さＤとは、断面ＣＳにおいて溝ｆの最大深さを意味している。また、最大幅Ｗ１とは、断面ＣＳにおいて溝ｆの最大の幅を意味している。さらに、溝閉塞幅Ｗ２とは、断面ＣＳにおける溝閉塞部ｏの長さ（溝ｆの幅方向における長さ）である。

このように、アスペクト比及び開口率を上記範囲内に調整することにより、レーザー処理セラミック部材２０１の溝ｆに溶射材（不図示）を充填させて製造される溶射処理セラミック部材（不図示）において、ボイド面積率を２０％以下（好ましくは１５％以下）、引っ張り密着強さを３ＭＰａ以上（好ましくは５ＭＰａ以上）にすることができ、実用可能な基準を満たした溶射処理セラミック部材（不図示）を製造することができる。ここで、ボイド面積率とは、溝ｆの内部容積（凹面ｃと開口ａとで画定された空間の容積）に対する、溶射処理セラミック部材の溝ｆの内部における空洞（溝ｆの内部において溶射材が充填されていない空間）の体積の割合（百分率）を意味する。さらに、引っ張り密着強さとは、溶射処理セラミック部材において、レーザー処理セラミック部材２０１から、溝ｆに充填された溶射材を引っ張った場合において、レーザー処理セラミック部材２０１の界面（溝間面ｓの延長面）から溶射材が剥離した時の、単位面積当たりの引っ張り力を意味する。

図４（ｂ）に示されるレーザー処理セラミック部材３０１は、溝間面ｓから突出する堆積物（バリ）ｂが雲状堆積物ｄ１、ｄ２（図３ｂに示す溝間部表面に観られる雲状堆積物に対応）を構成するものである。雲状堆積物ｄ１、ｄ２は、図１に示すレーザー処理工程Ｓ１において、溝の形成に伴ってセラミック基材Ｃ１の一部が溶融又は／及び蒸発したものを、セラミック基材Ｃ１の表面において隣接する溝ｆ同士の間に雲状で堆積させることで、セラミック基材Ｃ１の表面における溝ｆ同士の間の一部又は全部を粗面化して形成されたものである。ここで、レーザー処理セラミック部材３０１の開口率は、雲状堆積物ｄ１、ｄ２を堆積物（バリ）ｂとした上で７０％以上、好ましくは８０％以上となる。具体的には、レーザー処理セラミック部材３０１の開口率は、雲状堆積物ｄ１の溝閉塞部ｏ１における溝閉塞幅Ｗ２ａ、雲状堆積物ｄ２の溝閉塞部ｏ２における溝閉塞幅Ｗ２ｂを使用して、（Ｗ１−Ｗ２ａ−Ｗ２ｂ）×１００／Ｗ１で表される。

次に、本発明に係るセラミック処理方法及びセラミック部材の試験例について説明する。

まず、図１及び図２を参照しながら試験条件について説明する。この試験は、セラミック基材Ｃ１をセラミック処理装置１によりレーザー処理した後、レーザー処理セラミック部材Ｃ２を溶射処理したものである。ここで、レーザー処理装置１において、レーザー発振器２には連続波のファイバーレーザーを使用し、ガス供給装置７が供給する非酸化性ガスＧには窒素ガスを使用した。また、溶射処理においては、溶射材ＦとしてＹ_２Ｏ_３を使用してプラズマ溶射を行った。

ここで、図５の左欄において、出力とはレーザー出力を意味し、波長とはレーザー波長を意味し、スポット径とはレーザー発振器２においてレーザーＬを照射するスポットの直径を意味し、エネルギー密度とはレーザー出力密度を意味し、レーザー照射速度とはセラミック基材Ｃ１においてレーザー照射スポットを移動させる速度を意味し、繰り返し数とはセラミック基材Ｃ１において同一の箇所にレーザーＬを照射する回数を意味し、処理面積とはセラミック基材Ｃ１にレーザーＬを照射した面積を意味し、処理時間とはセラミック基材Ｃ１にレーザーＬを照射した時間を意味している。

さらに、図５の左欄において、溝幅とは図４に示す最大幅Ｗ１を意味し、溝深さとは図４に示す深さＤを意味し、溝間ピッチとは図４に示すピッチＰを意味し、アスペクト比とは溝深さ／溝幅を意味し、開口率、ボイド面積率及び引っ張り密着強さとは図４の説明において上述した通りの意味である。また、雲状堆積物の面積率とは、溝間面積のうち雲状堆積物（バリ）が形成されている面積の百分率である。

ここで、引っ張り密着強さは、Ｅｌｃｏｍｅｔｅｒ株式会社製の「Ｅｌｃｏｍｅｔｅｒ（登録商標） ５１０、Ｍｏｄｅｌ Ｓ」を測定装置として使用した。

そして、本発明が解決すべき課題は、（１）表面処理材がほぼ満遍なく充填され得る溝をセラミック基材の表面に形成することで、（２）この溝に充填される表面処理材と高強度で密着可能なセラミック部材を製造することである。ここで、上記（１）の要件はボイド面積率が２０％以下（実用可能な基準値）であれば満たすものとし、上記（２）の要件は引っ張り密着強さが３ＭＰａ以上（実用可能な基準値）であれば満たすものとした。

図５において、比較例２では、アスペクト比が０．５以上１．３以下でない場合（１．３を超える場合）においては、開口率が高くて（７０％以上）引っ張り密着強さも高い（３ＭＰａ以上）が、ボイド面積率が高く（２０％を超えている）なることが示されている。つまり、比較例２は、単に溝の深さを大きくして引っ張り密着強さを高くしたものであり、溶射材をほぼ満遍なく溝に充填させることで引っ張り密着強さを高くしたものではない。よって、比較例２は、上述した本発明の課題（１）を解決することができない。

一方、実施例１〜７及び比較例１は、アスペクト比が０．５以上１．３以下であり、開口率がそれぞれ異なるものである。比較例１では、ボイド面積率が３５％（２０％を超える）、引っ張り密着強さが２．１ＭＰａ（３ＭＰａ未満）であり、上述した本発明の課題（１）（２）のいずれも解決することができない。しかし、実施例１〜７においては、ボイド面積率が２０％以下、引っ張り密着強さが３ＭＰａ以上であり、上述した本発明の課題（１）（２）を解決することができる。実施例１〜７及び比較例１の開口率、ボイド面積率及び引っ張り密着強さの関係を容易に把握できるように、これらの関係性を図７においてグラフにした。また、雲状堆積物の面積率が４５％以上、好ましくは６５％以上であると、引っ張り密着強さを効果的に高めることができる。

図６−１は、図５に示す試験例のレーザーによってセラミック基材表面に形成させた溝部の外観写真（全実施例）である。なお、実施例４の溝部外観写真は図３（ｂ）と同じものである。図６−２は、図５に示す試験例のレーザーによってセラミック基材表面に形成させた溝部の外観写真（全比較例）である。図６−３は、図５に示す試験例（代表例のみ）のレーザーによって溝形成したセラミック部材に溶射処理をした後の溝部断面写真である。なお、実施例４の溝部断面写真は図３（ａ）と同じものである。図５に記載の溝幅、溝深さ、溝間ピッチ、アスペクト比、雲状堆積物の有無、雲状堆積物の面積率、開口率及びボイド面積率は前記の外観写真及び断面写真を基にして求めたものである。

図６−１において、ｅ１は、実施例１において雲状堆積物で覆われていない溝間部を示している。ｅ２は、実施例３において雲状堆積物で覆われていない溝間部を示している。ｅ３は、実施例７において雲状堆積物で覆われていない溝間部を示している。図６−２において、ｅ４は、比較例１において溝を示している。ｅ５は、比較例１において雲状堆積物により溝が埋められて開口率が減少している状態を示している。ｅ６は、比較例３において溝間部を示している。ｅ７は、比較例３において堆積物を示している。ｅ８は、比較例３において雲状堆積物を示している。ｅ９は、比較例３において溝を示している。図６−３において、ｅ１０は、実施例３において雲状堆積物を示している。ｅ１１は、実施例３において雲状堆積物が形成されていない溝間部を示している。ｅ１２は、実施例３において溶射材を示している。ｅ１３は、実施例４において溶射材を示している。ｅ１４は、実施例４において溝間全体が雲状堆積物で覆われている状態を示している。ｅ１５は、比較例２においてボイド（アスペクト比が大きいために生じたもの）を示している。ｅ１６は、比較例２において溶射材を示している。

図７は、図５に示す試験における結果（図５に示す実施例１〜７及び比較例１）を示すグラフである。具体的には、図７において、横軸は図５に示す開口率を示しており、右縦軸は図５に示す引っ張り密着強さ（密着強さ）を示しており、左縦軸は図５に示すボイド面積率を示している。そして、図７に示すように、開口率が７０％以上、特に８０％以上である場合、開口率がこれら未満である場合に比較して、密着強さが著しく高くなり（開口率７０％以上で３ＭＰａ以上、開口率８０％以上で５ＭＰａ以上）、ボイド面積率が著しく低くなる（開口率７０％以上で２０％以下、開口率８０％以上で１５％以下）ことが示されている。よって、図７は、アスペクト比を０．５以上１．３以下とした上で、開口率を７０％以上、好ましくは８０％以上とすることで、上記課題（１）（２）を解決できることを示している。

以上のように、上記実施の形態によれば、アスペクト比を０．５以上１．３以下とすると共に開口率を７０％以上とすることで、図１及び図３に示すように、溶射材Ｆがほぼ満遍なく充填され得る溝ｆをセラミック基材Ｃ１の表面に形成し、この溝ｆに充填される溶射材Ｆと高強度で密着可能なレーザー処理セラミック部材Ｃ２を製造することができる。

すなわち、アスペクト比が０．５未満である場合、図４（ａ）に示すレーザー処理セラミック部材２０１を参照して説明すると（ただし、レーザー処理セラミック部材２０１はアスペクト比が０．５未満の状態を示すものではない。）、溝ｆの深さが浅すぎるために、レーザー処理セラミック部材２０１の深くまで溶射材が入り込まず、レーザー処理セラミック部材２０１の溝ｆに溶射材が充填されてもレーザー処理セラミック部材２０１と溶射材との密着強さが高くならない（レーザー処理セラミック部材２０１と溶射材との間でアンカー効果が生じない）。その一方で、アスペクト比が１．３を超える場合、溝ｆの深さが深すぎるために、レーザー処理セラミック部材２０１における溝ｆの深い部分に溶射材が充填されず、レーザー処理セラミック部材２０１と溶射材との密着強さが高くならない。しかし、アスペクト比が０．５以上１．３以下であることで、図３に示すように、溶射材１０３がほぼ満遍なく充填され得る形状の溝ｆを基材１０２の表面に形成することができる。

さらに、開口率が７０％未満である場合、図４（ａ）に示すレーザー処理セラミック部材２０１を参照して説明すると（ただし、レーザー処理セラミック部材２０１は開口率が７０％未満の状態を示すものではない。）、レーザー処理セラミック部材２０１の表面において溝深さ方向に傾斜する方向に突出する堆積物（バリ）ｂにおいて、溝深さ方向で溝ｆの表面である凹面ｃとの間に空間を形成して当該空間に溶射材が流入するのを妨げる溝閉塞部ｏが広範囲で形成されることになる。これにより、レーザー処理セラミック部材２０１の溝ｆにおける内部全体に溶射材が行き渡るのが困難になる。しかし、開口率が７０％以上であることで、溶射材は堆積物（バリ）ｂに妨げられずに溝ｆの内部ほぼ全体に行き渡るようになる。これにより、溶射材がほぼ満遍なく充填され得る形状の溝ｆ（アスペクト比が０．５以上１．３以下である溝）に、堆積物（バリ）ｂに妨げられずに溶射材をほぼ満遍なく充填することが可能となる。

従って、アスペクト比が０．５以上１．３以下の溝の開口率を７０％以上にすることで、図１に示すように、溶射材Ｆがほぼ満遍なく充填され得る溝をセラミック基材Ｃ１の表面に形成し、この溝に充填された溶射材Ｆと高強度で密着可能なレーザー処理セラミック部材Ｃ２を製造することができる。

また、上記実施の形態において、図１及び図４（ｂ）に示すように、セラミック基材Ｃ１の表面において隣接する溝同士の間（溝間）を、レーザー処理工程Ｓ１においてセラミック基材Ｃ１を溶融又は／及び蒸発させたものを雲状に堆積した雲状堆積物ｄ１、ｄ２により効果的に粗面化することができ、レーザー処理セラミック部材Ｃ２の表面における溝間を溶射材Ｆと高強度で密着可能にすることができる。さらには、雲状に堆積した雲状堆積物ｄ１、ｄ２のうち溝ｆの深さ方向で凹面ｃとの間に空間を形成する部分を溝閉塞部ｏ１、ｏ２とした上で開口率を７０％以上にすることで、この雲状堆積物ｄ１、ｄ２が溶射材Ｆの溝ｆ内部全体における充填を妨げるのを防止することができる。これらにより、雲状堆積物ｄ１、ｄ２による溝間の粗面化及び溝ｆの高開口率維持の両方を実現することができ、溝間及び溝ｆ内部の両方において溶射材Ｆと高強度で密着可能なレーザー処理セラミック部材Ｃ２を製造することができる。

さらに、上記実施形態によれば、図１及び図２に示すように、レーザー照射時にセラミック基材Ｃ１の表面が酸化するのを防止する非酸化性ガスＧをセラミック基材Ｃ１の表面に供給するガス供給装置７を備えることで、レーザー照射時にセラミック基材Ｃ１に酸化膜が形成されるのを防止することができ、使用時に酸化膜により悪影響を及ぼすことのないレーザー処理セラミック部材Ｃ２を製造することができる。

さらに、図１及び図４（ａ）に示すように、上記実施の形態によれば、レーザー処理セラミック部材Ｃ２の表面に形成された溝ｆに溶射材Ｆをほぼ満遍なく充填させ、この溝ｆに充填された溶射材Ｆとレーザー処理セラミック部材Ｃ２とを高強度で密着させることができる。すなわち、溶射処理は、溶射材Ｆを溶融又は半溶融状態にしたものを、レーザー処理セラミック部材Ｃ２に形成された溝ｆの深さ方向に向かって吹き付ける。このため、レーザー処理セラミック部材Ｃ２の溝ｆが溝閉塞部ｏにより低い開口率となっている場合には、溝ｆの深さ方向に吹き付けられた溶射材Ｆが溝閉塞部ｏにより溝ｆの深さ方向端部（凹面ｃ）まで行き届かないため、この溝ｆにおいて溶射材Ｆを満遍なく充填するのが難しくなる。しかし、本発明によれば、アスペクト比及び開口率を上述した範囲内にしているため、レーザー処理セラミック部材Ｃ２の溝ｆに吹き付けられた溶射材Ｆが溝ｆの内部ほぼ全体に行き渡り、レーザー処理セラミック部材Ｃ２と溶射材Ｆとを高強度で密着させることができる。

また、上記実施形態において、セラミック基材Ｃ１の表面に複数形成された溝ｆは、直線状に処理パターン形成されているが、曲線状又は円周状に処理パターン形成されてもよい。また、これら複数の溝ｆは互いに交差するように形成されてもよい。

なお、上記実施の形態において、図１に示すセラミック処理方法は、溶射処理工程Ｓ２を備えているが、これを備えずにレーザー処理工程Ｓ１のみを備えることもできる。

１ レーザー処理装置
２ レーザー発振器
３ 方向転換ミラー
４ 集束ミラー
５ Ｘスキャナー
６ Ｙスキャナー
７ ガス供給装置
１０１ 溶射処理セラミック部材
１０２ 基材（レーザー処理セラミック部材）
１０３ 溶射材
２０１ レーザー処理セラミック部材
３０１ レーザー処理セラミック部材
ａ 開口
ｂ 堆積物（バリ）
ｃ 凹面（底面）
ＣＳ 断面
Ｃ１ セラミック基材
Ｃ２ レーザー処理セラミック部材
Ｃ３ 溶射処理セラミック部材
Ｄ 深さ
ｄ１、ｄ２ 雲状堆積物
Ｆ 溶射材
ｆ 溝
Ｇ 非酸化性ガス
Ｌ レーザー
ｏ、ｏ１、ｏ２ 溝閉塞部
Ｐ ピッチ
ｓ 溝間面
Ｗ１ 最大幅
Ｗ２、Ｗ２ａ、Ｗ２ｂ 溝閉塞幅

Claims (8)

1. セラミック基材の表面にレーザーを照射することで、前記表面において凹面が少なくとも一方向に延びて形成された溝を複数設け、前記表面において隣接する前記溝同士の間を平面とし、前記隣接する溝同士のピッチを０．０５ｍｍ以上０．３０ｍｍ以下とするセラミックのレーザー処理方法であって、
   一の前記溝は、深くなるにつれて幅が狭くなり、前記一方向に直交する断面において最大幅で前記一の溝における深さ方向一方側に開口し、前記最大幅に対する深さの割合（アスペクト比）が０．５以上１．３以下であり、
   前記凹面又は／及び前記平面から前記深さ方向に傾斜する方向に突出するバリが形成される場合であって、かつ、当該バリが前記深さ方向における前記凹面との間の空間を形成する溝閉塞部を有する場合において、前記断面における前記溝閉塞部の前記幅方向の長さを前記最大幅から引いた値の、前記最大幅に対する割合（開口率）を７０％以上とすることを特徴とするセラミックのレーザー処理方法。
2. 前記溝の形成に伴って前記セラミック基材の一部が溶融又は／及び蒸発したものを、前記表面において前記隣接する溝同士の間に雲状で堆積させることで、前記表面における前記溝同士の間の一部又は全部を粗面化させ、
   前記割合（開口率）は、前記雲状に堆積した堆積物のうち前記空間を形成する部分を前記溝閉塞部とした上で７０％以上にすることを特徴とする請求項１に記載のセラミックのレーザー処理方法。
3. 前記複数設けられた溝は、直線状、曲線状又は円周状に処理パターン形成され、あるいは、互いに交差するように形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載のセラミックのレーザー処理方法。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザー処理方法によりセラミック基材に溶射前処理を行い、当該溶射前処理により得られたレーザー処理セラミック部材に溶射処理を行うセラミックの溶射処理方法であって、
   前記溶射処理は、前記レーザー処理セラミック部材に形成された前記溝に溶射材を充填させることで、当該溶射材と前記レーザー処理セラミック部材とを密着させるものであり、
   一の前記溝におけるボイド面積率は２０％以下であり、
   当該ボイド面積率は、前記溶射材が前記溝に充填された状態における、前記一の溝の容積に対する当該一の溝内の空洞体積の割合であることを特徴とするセラミックの溶射処理方法。
5. 基部の表面において凹面が少なくとも一方向に延びて形成された溝が複数設けられ、前記表面において隣接する前記溝同士の間が平面であり、前記隣接する溝同士のピッチが０．０５ｍｍ以上０．３０ｍｍ以下であるセラミック部材であって、
   一の前記溝は、深くなるにつれて幅が狭くなり、前記一方向に直交する断面において最大幅で前記一の溝における深さ方向一方側に開口し、前記最大幅に対する深さの割合（アスペクト比）が０．５以上１．３以下であり、
   前記凹面又は／及び前記平面から前記深さ方向に傾斜する方向に突出するバリが形成される場合であって、かつ、当該バリが前記深さ方向における前記凹面との間の空間を形成する溝閉塞部を有する場合において、前記断面における前記溝閉塞部の前記幅方向の長さを前記最大幅から引いた値の、前記最大幅に対する割合（開口率）が７０％以上であることを特徴とするセラミック部材。
6. 前記表面において、
   前記隣接する溝同士の間が雲状に構成されていることで、前記表面における前記溝同士の間の一部又は全部が粗面化され、
   前記割合（開口率）は、前記表面において前記雲状に構成された部分のうち前記空間を形成する部分を前記溝閉塞部とした上で７０％以上であることを特徴とする請求項５に記載のセラミック部材。
7. 前記複数設けられた溝は、直線状、曲線状又は円周状に処理パターン形成され、あるいは、互いに交差するように形成されていることを特徴とする請求項５又は６に記載のセラミック部材。
8. 請求項５乃至７のいずれか１項に記載のセラミック部材と、
   当該セラミック部材に形成された前記溝に充填されて前記セラミック部材と密着した溶射材とを備え、
   一の前記溝におけるボイド面積率は２０％以下であり、
   当該ボイド面積率は、前記溶射材が前記溝に充填された状態における、前記一の溝の容積に対する当該一の溝内の空洞体積の割合であることを特徴とする溶射処理セラミック部材。