WO2023054464A1

WO2023054464A1 - 成膜装置

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Publication number: WO2023054464A1
Application number: PCT/JP2022/036150
Authority: WO
Inventors: 正樹平野
Original assignee: タツタ電線株式会社
Priority date: 2021-10-01
Filing date: 2022-09-28
Publication date: 2023-04-06
Also published as: JP7330415B1; JPWO2023054464A1; CN117940609A

Abstract

溶射法において用いる成膜装置は、ノズル（２ｂ）を含むスプレーガンと、上記スプレーガンに成膜原料となる粉末を供給する粉末供給部と、スプレーガンに動作ガスを供給するガス供給部とを備える。ノズル（２ｂ）は、ノズルパイプとしてのステンレスパイプ（２３）と、ステンレスパイプ（２３）の動作ガスが流れる上流側に接続されるセラミックパイプ（２２）と、セラミックパイプ（２２）が嵌挿されるノズルホルダー（２１）とを有する。ノズルホルダー（２１）は、動作ガスがノズルホルダー（２１）内を流れる第１方向に延びる第１部分（２１Ａ）を含む。粉末供給部と第１部分（２１Ａ）とを結ぶ配管（５）をさらに備える。配管（５）が第１部分（２１Ａ）に接続される配管（５）の部分である配管（５Ａ）は、第１方向に交差する第２方向に延びる。

Description

成膜装置

　本開示は成膜装置に関する。

　従来、溶射法の１つであるコールドスプレー法が知られている。コールドスプレー法では、スプレーガンのノズル先端から、キャリアガスと共に成膜原料を基材に噴射することで、当該基材上に成膜する。コールドスプレー法を用いれば、大気中での成膜原料の酸化および熱変質を抑制でき、基材上に緻密で密着性の高い皮膜を形成できる。

　コールドスプレー法に用いられるノズルは、キャリアガスおよび成膜原料が流れる通路の内壁面の「閉塞」が生じることがある。閉塞は、成膜工程において、通路の内壁面に粉末が付着し通路が狭くなることにより生じる。

　通路の内壁面の閉塞が大きくなれば、通路を成膜原料および動作ガスが流れなくなり、基材への成膜ができなくなる。そこで、特許第６４０４５３２号（特許文献１）および特許５８７７５９０号（特許文献２）には、ノズルの内壁面への成膜原料の粉末の付着を防止可能なノズルを有するコールドスプレー装置が開示されている。

特許第６４０４５３２号特許第５８７７５９０号

　ノズルの通路の内壁面は、閉塞の他に、「削れ」が生じることがある。削れは、成膜工程において、通路の内壁面に成膜原料の粉末が衝突することにより生じる。通路の内壁面の削れが大きくなれば、通路を通過する動作ガスの流れが通常の流れに対して変化する。これにより基材への成膜状態にも意図せぬ変化が生じる。しかし特許第６４０４５３２号および特許第５８７７５９０号のいずれも、削れを抑制する観点からの対策については何ら開示されていない。

　削れを抑制し、耐久性を改善する観点から、ノズルに硬度の高い材質を用いることが考えられる。しかし特許第６４０４５３２号において閉塞を抑制するために採用される金属材料は、ノズルの全体に用いられている。ノズルの全体を硬度の高いたとえばセラミック材料で形成した場合、ノズルの製造コストが高騰する。硬度の高い材料を用いる場合には高精度な加工および研磨が必要となるためである。

　本開示の目的は、安価に、通路の内壁面の削れを抑制可能で耐久性が改善されたノズルを含む成膜装置を提供することである。

　本開示に係る成膜装置は、溶射法において用いる成膜装置である。成膜装置は、ノズルと、上記ノズルに成膜原料となる粉末を供給する粉末供給部と、ノズルに動作ガスを供給するガス供給部とを備える。ノズルは、ノズルパイプと、ノズルパイプの動作ガスが流れる上流側に接続されるセラミックパイプと、セラミックパイプが嵌挿されるノズルホルダーとを有する。ノズルホルダーは、動作ガスがノズルホルダー内を流れる第１方向に延びる第１部分を含む。粉末供給部と第１部分とを結ぶ配管をさらに備える。当該配管が第１部分に接続される配管の部分は、第１方向に交差する第２方向に延びる。

　上記によれば、安価に、通路の内壁面の削れを抑制可能で耐久性が改善されたノズルを含む成膜装置を提供できる。

本実施の形態に係る成膜装置の構成を示す模式図である。図１のノズルを構成する各部材が分解された状態を示す斜視図である。図１の成膜装置を構成するノズルの構成の第１例を示す概略図である。図１の成膜装置を構成するノズルの構成の第２例を示す概略図である。図１の成膜装置を構成するノズルの構成の第３例を示す概略図である。セラミックパイプおよびこれに隣接するステンレスパイプとの断面態様の第１例を示す概略図である。セラミックパイプおよびこれに隣接するステンレスパイプとの断面態様の第２例を示す概略図である。本実施の形態に係る成膜方法を示すフローチャートである。成膜装置から動作ガスおよび成膜原料を噴射し続けた経過時間と、各経過時間後に当該成膜装置により形成された膜の厚みとの関係を示すグラフである。図３のセラミックパイプにおける削れが起こりやすい箇所を示す概略図である。成膜装置から動作ガスおよび成膜原料を１２時間噴射し続けた後の、ステンレスパイプの入口端面からステンレスパイプ内を観察した結果を示す写真である。

　以下、本開示の実施の形態を説明する。なお、同一の構成には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。

　＜成膜装置の構成＞
　図１は、本実施の形態に係る成膜装置の構成を示す模式図である。図１に示す成膜装置１００は、ノズル２ｂを含むスプレーガン２と、粉末供給部３と、ガス供給部４と、マスク治具１とを主に備える。

　スプレーガン２は、スプレーガン本体部２ａと、ノズル２ｂと、ヒータ２ｃと、温度センサ９とを主に含む。スプレーガン本体部２ａの先端側である第１端にはノズル２ｂが接続されている。スプレーガン本体部２ａの後端側である第２端には配管６が接続されている。当該配管６はバルブ７を介してガス供給部４に接続されている。ガス供給部４は、配管６を介してスプレーガン２に動作ガスを供給する。バルブ７を開閉することで、ガス供給部４からスプレーガン２に対する動作ガスの供給状態を制御できる。配管６には圧力センサ８が設置されている。圧力センサ８はガス供給部４から配管６に供給される動作ガスの圧力を測定する。

　スプレーガン本体部２ａの第２端からスプレーガン本体部２ａの内部に供給される動作ガスは、ヒータ２ｃにより加熱される。ヒータ２ｃはスプレーガン本体部２ａの第２端側に配置されている。スプレーガン本体部２ａの内部を矢印３１に沿って動作ガスが流れる。ノズル２ｂとスプレーガン本体部２ａとの接続部に温度センサ９が接続されている。温度センサ９はスプレーガン本体部２ａの内部を流れる動作ガスの温度を測定する。

　ノズル２ｂには配管５が接続されている。配管５は粉末供給部３に接続されている。粉末供給部３は、配管５を介してスプレーガン２のノズル２ｂに成膜原料となる粉末を供給する。

　マスク治具１は、基材２０とスプレーガン２との間に配置される。マスク治具１には貫通穴１３が形成されている。当該貫通穴１３は基材２０の表面における成膜領域を規定する。

　＜成膜装置の動作＞
　図１に示した成膜装置１００では、矢印３０に示すようにガス供給部４から配管６を介して動作ガスがスプレーガン２に供給される。これにより動作ガスはノズル２ｂに供給される。動作ガスとしては、たとえば窒素、ヘリウム、ドライエアまたはそれらの混合物を用いることができる。動作ガスの圧力はたとえば１ＭＰａ程度である。動作ガスの流量はたとえば３００Ｌ／分以上５００Ｌ／分以下である。スプレーガン本体部２ａの第２端に供給された動作ガスは、ヒータ２ｃによって加熱される。動作ガスの加熱温度は、成膜原料の組成に応じて適宜設定されるが、たとえば１００℃以上５００℃以下とすることができる。スプレーガン本体部２ａからノズル２ｂに動作ガスは流れる。ノズル２ｂには、配管５を介して粉末供給部３から矢印３２に示すように成膜原料となる粉末１０が供給される。粉末１０としては、たとえばニッケル粉末、錫粉末、または錫粉末と亜鉛粉末との混合材料を用いることができる。粉末１０の粒径は、たとえば１μｍ以上５０μｍ以下である。

　ノズル２ｂに供給された粉末１０は、動作ガスとともにノズル２ｂの先端から基材２０に向けて噴射される。基材２０の表面にはマスク治具１が配置されている。噴射された粉末１０はマスク治具１の貫通穴１３を介して基材２０の表面に到達する。基材２０の表面では、噴射された粉末１０を原料とする膜が形成される。

　＜ノズル２ｂの構成＞
　図２は、図１のノズルを構成する各部材が分解された状態を示す斜視図である。図３は、図１の成膜装置を構成するノズルの構成の第１例を示す概略図である。図４は、図１の成膜装置を構成するノズルの構成の第２例を示す概略図である。なお図３および図４において、部材の内部に隠れて外側から見えない部分は点線で示される。図２、図３および図４を参照して、ノズル２ｂは、ノズルホルダー２１と、セラミックパイプ２２と、ステンレスパイプ２３とを有している。図３および図４のノズル２ｂの右側には、図１のスプレーガン本体部２ａが繋がっている。ノズル２ｂには図３および図４の矢印３１に示すように、右側から左側へ（図１と同様）動作ガスが流れる。

　ノズルホルダー２１は、スプレーガン２内にて動作ガスが流れる左右方向に沿って延びる第１部分２１Ａと、第１部分２１Ａに交差（たとえば直交）する上下方向に延びる第２部分２１Ｂとを有している。ここで第２部分２１Ｂは第１部分２１Ａに垂直に延びる場合に限らず、垂直方向に対して多少の誤差を有する方向に延びる場合を含む。ノズルホルダー２１は、第１部分２１Ａと第２部分２１Ｂとが一体となっている。第１部分２１Ａは、スプレーガン本体部２ａからの動作ガスが流入し、セラミックパイプ２２側へ流れる領域である。第２部分２１Ｂは、粉末供給部３および配管５からの粉末１０が流入し、第１部分２１Ａ側へ流れる領域である。

　配管５はノズルホルダー２１の第２部分２１Ｂに接続され、さらに第２部分２１Ｂ内を上下方向に延びている。配管５のうち第１部分２１Ａ内の空洞部（後述）との交差部２１Ｃに隣接し、特に図３および図４ではノズルホルダー２１内に存在する部分を以下では配管５Ａと呼称する。配管５Ａは、第２部分２１Ｂ内を上下方向に沿って延びる空洞部である。配管５Ａは、スプレーガン２内にて動作ガスが流れる左右方向（第１方向）に交差する上下方向に延びている。配管５Ａは、第１部分２１Ａ内の後述の空洞部に繋がる。

　第１部分２１Ａの内部には、図３の左右方向に沿って延びる空洞部が延びている。空洞部は動作ガスおよび粉末１０の通路として形成されている。空洞部は第１部分２１Ａの左右方向に延びる外縁に対して傾斜するように延びてもよい。つまり空洞部の内径は漸次増加および減少する態様であってもよい。具体的には、空洞部は、スロート部２１Ｄと、拡張部２１Ｅと、拡張部２１Ｆとを有している。第１部分２１Ａ内の空洞部のうち最も内径が小さくなる部分をスロート部２１Ｄと呼ぶ。スロート部２１Ｄは、第１部分２１Ａのうち、特に次に述べる第２部分２１Ｂとの交差部２１Ｃよりも動作ガスの上流側（図３および図４での右側）に形成されている。またスロート部２１Ｄ以外の部分すなわちスロート部２１Ｄから離れるにつれて空洞部の内径が漸次大きくなるよう傾斜して延びる部分を拡張部と呼ぶ。スロート部２１Ｄの下流側（図３および図４での左側）の通路が拡張部２１Ｅであり、スロート部２１Ｄの上流側の通路が拡張部２１Ｆである。

　第１部分２１Ａ内の空洞部（スロート部２１Ｄおよび拡張部２１Ｅ，２１Ｆ）と、第２部分２１Ｂ内の空洞部（配管５Ａ）とが、ノズルホルダー２１内の交差部２１Ｃで交差する。第１部分２１Ａの空洞部を流れる動作ガスと、第２部分２１Ｂの空洞部を流れる粉末１０とが、交差部２１Ｃで合流する。第１部分２１Ａ内における交差部２１Ｃの下流側では、成膜原料を含む動作ガスが流通する。

　ノズルホルダー２１のうち、第１部分２１Ａ内における交差部２１Ｃの下流側には、セラミックパイプ２２が嵌挿される。またセラミックパイプ２２の下流側には、ステンレスパイプ２３が接続される。セラミックパイプ２２とステンレスパイプ２３とは、図示されないジョイントにより接続されてもよい。図３の第１例においては、セラミックパイプ２２とステンレスパイプ２３との接続部２３ＣＴがノズルホルダー２１内に収納されている。つまり図３においてはセラミックパイプ２２の全体とステンレスパイプ２３の一部とがノズルホルダー２１内に収納されている。一方、図４の第２例においては、セラミックパイプ２２とステンレスパイプ２３との接続部２３ＣＴがノズルホルダー２１の外に設けられる。つまり図４においてはセラミックパイプ２２の一部のみがノズルホルダー２１内に収納されており、ステンレスパイプ２３は全体がノズルホルダー２１の外に設けられる。この点において図３と図４とは構成上異なっている。本実施の形態においては図３および図４のいずれの態様が採用されてもよい。

　図５は、図１の成膜装置を構成するノズルの構成の第３例を示す概略図である。図５を参照して、第３例においては、ノズルホルダー２１が第２部分２１Ｂを有さず、左右方向に延びる第１部分２１Ａのみからなっている。このため図５の配管５Ａは交差部２１Ｃに隣接するが、ノズルホルダー２１の外側に配置される。図５の配管５Ａは図３および図４と同様に、スプレーガン２内にて動作ガスが流れる左右方向（第１方向）に交差する上下方向に延びている。配管５Ａは第１部分２１Ａ内の後述の空洞部に繋がる。

　セラミックパイプ２２およびステンレスパイプ２３の径方向の外側には、ガイド部品２４が設けられてもよい。ガイド部品２４は、筒形状を有しており、セラミックパイプ２２とステンレスパイプ２３との接続部２３ＣＴを径方向の外側から囲むように配置される。ガイド部品２４は、セラミックパイプ２２とステンレスパイプ２３とを跨ぐように配置される。ガイド部品２４は、セラミックパイプ２２とステンレスパイプ２３との外縁を延在する曲面（側面）の周囲を径方向外側から囲み、セラミックパイプ２２およびステンレスパイプ２３の双方と接触する。ガイド部品２４は、特にセラミックパイプ２２とステンレスパイプ２３との接続部２３ＣＴ、および延在方向について接続部２３ＣＴに隣接するセラミックパイプ２２の領域、ステンレスパイプ２３の領域のすべてに接触する。ガイド部品２４は、セラミックパイプ２２の中心軸とステンレスパイプ２３の中心軸との位置が一致し、それら２つの中心軸が一直線上に延びるように調整可能である。

　交差部２１Ｃにて合流した動作ガスおよび成膜原料は、その後、セラミックパイプ２２およびステンレスパイプ２３内を図３および図４の右側から左側へ流通する。

　ガイド部品２４は、セラミックパイプ２２およびステンレスパイプ２３に固定可能である。この状態で、たとえばガイド部品２４の径方向の外側にネジ部２５が配置されることが好ましい。ネジ部２５は、雄ネジと雌ネジとを有し、これらが締結可能となっている。ネジ部２５の雄ネジは、たとえばガイド部品２４の外縁を延在する曲面上に円環状の部材として固定されてもよいし、ガイド部品２４の外縁に直接形成されてもよい。あるいはガイド部品２４が配置されない場合には、セラミックパイプ２２およびステンレスパイプ２３の外縁の曲面上に雄ネジが固定されてもよいし、曲面上に雄ネジが直接形成されてもよい。また雌ネジは、ノズルホルダー２１の第１部分２１Ａの、セラミックパイプ２２が嵌挿される孔部の内壁に形成されてもよいし、ノズルホルダー２１に固定されるナットであってもよい。ネジ部２５により、セラミックパイプ２２およびステンレスパイプ２３は、ノズル２ｂ（ノズルホルダー２１）に固定される。

　拡張部２１Ｅはセラミックパイプ２２に繋がっており、図３～図５では拡張部２１Ｅの下流側端部の内径（内壁面の直径）がセラミックパイプ２２の外径（外壁面の直径）より小さくなっている。より具体的には、拡張部２１Ｅの下流側端部の内径がセラミックパイプ２２の上流側の端部である入口端面２２ＥＧの内径とほぼ等しくなっている。図６は、セラミックパイプおよびこれに隣接するステンレスパイプとの断面態様の第１例を示す概略図である。図６を参照して、セラミックパイプ２２は、その延びる方向（図６の左右方向）にほぼ平行となるように内壁面が延びた円筒形であってもよい。セラミックパイプ２２は、その延びる方向についての長さがＬ１である。セラミックパイプ２２の延びる方向に交差する断面は、外壁面が直径φＡの円形であり、内壁面が直径φＢの円形である。一例として、Ｌ１は１５ｍｍ、φＡは６ｍｍ、φＢは４ｍｍである。ただし各部の寸法は上記に限られない。

　これに対し、セラミックパイプ２２に隣接するステンレスパイプ２３は、その延びる方向（図６の左右方向）に対してやや傾斜するように内壁面が延びていてもよい。具体的には、ステンレスパイプ２３は、その延びる方向についての長さがＬ２である。ステンレスパイプ２３の延びる方向に交差する断面は、外壁面がセラミックパイプ２２と同じく直径φＡの円形であり、内壁面がセラミックパイプ２２と同じ直径φＢからφＣまで漸次変化する円形である。ステンレスパイプ２３の上流側の端面である入口端面２３Ｅは内壁面の直径がφＢである。一例として、Ｌ２は１２０ｍｍ、φＣは５ｍｍである。

　図７は、セラミックパイプおよびこれに隣接するステンレスパイプとの断面態様の第２例を示す概略図である。図７を参照して、セラミックパイプ２２は、その延びる方向（図６の左右方向）に対してやや傾斜するように内壁面が延びていてもよい。具体的には、セラミックパイプ２２の延びる方向に交差する断面は、内壁面が直径φＤからφＥまで漸次変化する円形である。一例として、φＤは３ｍｍ、φＥは３．５ｍｍであるがこれに限られない。セラミックパイプ２２の内壁面が外縁の側面に対して傾斜する角度は、たとえば５°以下であり、３°以下であることがより好ましい。ステンレスパイプ２３は、外壁面が図１と同じく直径φＡの円形であり、内壁面が直径φＥからφＣまで漸次変化する円形である。図７に示すように、セラミックパイプ２２の下流側端部と、ステンレスパイプ２３の上流側端部（入口端面２３Ｅ）との内壁面は直径がφＥで等しく、セラミックパイプ２２とステンレスパイプ２３との内壁面の傾斜角度は等しくてもよい。この場合、セラミックパイプ２２とステンレスパイプ２３とが繋がることにより、内壁面は、セラミックパイプ２２の上流側の入口端面２２ＥＧからステンレスパイプ２３の下流側の出口端面２３ＥＧまで、同一の傾斜角度で延在してもよい。

　なお図６および図７のセラミックパイプ２２の外壁面および／または内壁面の断面形状は、上記のように円形であってもよいが、楕円形であってもよい。

　＜ノズル２ｂの各部材の材質＞
　ノズルホルダー２１は、真鍮により形成される。ノズルホルダー２１は、成膜原料となる粉末１０が粉末供給部３および配管５より供給される部材である。ただし上記（図３および図４）のように、ノズルホルダー２１内の交差部２１Ｃの下流側にはセラミックパイプ２２が嵌挿されている。動作ガスおよび粉末１０は、交差部２１Ｃにて流通方向が上下方向から左右方向に変更する。粉末１０の流通方向の変更部に隣接する領域においては、粉末１０はノズルホルダー２１の空洞部の内壁面よりもむしろ、セラミックパイプ２２の内壁面に衝突する。ノズルホルダー２１の空洞部の内壁面にダメージが生じることは少ないため、ノズルホルダー２１の材質は硬度を特に高くする必要はない。また交差部２１Ｃよりも粉末１０および動作ガスの上流側においては、そもそも粉末１０の衝突の可能性が少なく、ノズルホルダー２１の硬度を特に高くする必要はない。この観点から、ノズルホルダー２１には真鍮が用いられる。

　セラミックパイプ２２は、セラミックス材料により形成される。セラミックパイプ２２は特に、ジルコニア、窒化珪素およびアルミナからなる群から選択されるいずれかを主成分とする材料により形成される。セラミックパイプ２２の硬度は、たとえば成形前のセラミック粉体よりも高いことが好ましい。具体的には、セラミックパイプ２２の硬度は１０００ＨＶ以上であり、より好ましくは１２００ＨＶ以上である。ステンレスパイプ２３は、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ４１０、ＳＵＳ４３０などのステンレス材料により形成される。ガイド部品２４は銅により形成される。

　＜作用効果＞
　本開示に係る成膜装置１００は、溶射法において用いられる。成膜装置１００は、ノズル２ｂと、ノズル２ｂに成膜原料となる粉末１０を供給する粉末供給部３と、ノズル２ｂに動作ガスを供給するガス供給部４とを備える。ノズル２ｂは、ノズルパイプとしてのステンレスパイプ２３と、ステンレスパイプ２３の上記動作ガスが流れる上流側に接続されるセラミックパイプ２２と、セラミックパイプ２２が嵌挿されるノズルホルダー２１とを有する。ノズルホルダー２１は、動作ガスがノズルホルダー２１内を流れる第１方向に延びる第１部分２１Ａを含む。粉末供給部３と第１部分２１Ａとを結ぶ配管５をさらに備える。配管５が第１部分２１Ａに接続される配管５の部分である配管５Ａは、第１方向に交差する第２方向に延びる。

　上記の成膜装置１００は、粉末１０の供給される配管５がノズル２ｂ（空洞部である拡張部２１Ｅ）と接続される部分である配管５Ａが、動作ガスの流れる第１方向に交差する第２方向に延びる。このため当該装置は、低圧用（動作ガスの圧力が１ＭＰａ以下）のいわゆるラジアルインジェクション用の成膜装置１００である。つまり本件の成膜装置１００は、動作ガスと粉末とが同一方向から供給される、高圧用（動作ガスの圧力が１ＭＰａを超える）のいわゆるアキシャルインジェクション用の成膜装置とは異なる。

　上記の成膜装置１００は、ノズル２ｂの通路の内壁面のうち「削れ」が最も起こりやすい領域に限定して、ステンレスパイプ２３よりも硬度の高いセラミックパイプ２２が設けられる。これにより、たとえばノズル２ｂの全体がセラミックパイプにより形成される場合に比べて安価に、硬い材料を用いて、ノズル２ｂの通路の内壁面の削れを抑制できる。硬度の高い材料は、硬度の低い材料よりも削れが起こりにくいためである。また上記構成によれば、基材２０上に形成される膜の厚みのばらつき（偏差）を小さくできるため、耐久性を改善できる。言い換えれば、膜厚の偏差が許容範囲内となるように成膜することが可能な時間を延長できる。

　セラミック材料はステンレスに比べて硬度が高いが、高価でかつ放熱性が低い。このため上記構成では、ノズル２ｂにおいてセラミック材料の使用範囲が最小限に留められ、セラミックパイプ２２以外の部分はステンレスパイプ２３が用いられる。これにより、ステンレスパイプ２３が配置されている領域にセラミックパイプ２２が配置される場合よりも、製造コストを低減できるとともに、パイプでの蓄熱の影響を小さくできる。ここで削れの影響が大きい場所は、配管５がノズル２ｂに接続される部分のすぐ動作ガスの下流側の領域である。このため当該領域すなわちステンレスパイプ２３よりも動作ガスの上流側にセラミックパイプ２２が設けられることにより、当該領域での削れを抑制する効果が得られる。

　仮にノズル２ｂのパイプが蓄熱すれば、熱により成膜原料である粉末１０が反応し、粉末１０同士が密着し肥大化しやすくなる。このような状況になれば肥大化した粉末１０が通路を閉塞するため、基材２０へ安定に成膜することが困難となる。このためセラミックパイプ２２の配置領域を狭くすることにより、ステンレスパイプ２３によるセラミックパイプ２２よりも高い放熱性を利用して、蓄熱を抑制し、粉末１０の肥大化を抑制できる。これにより通路の閉塞を抑制できる。

　上記セラミックパイプ２２は、ノズルホルダー２１内における動作ガスの流路と粉末１０の流路との交差部２１Ｃに隣接する領域および上記隣接する領域の動作ガスが流れる下流側に配置されることが好ましい。上記領域がノズル２ｂの通路の内壁面のうち特に「削れ」の影響が大きい領域である。このため上記領域にセラミックパイプ２２を設けることにより、削れの抑制効果が高められる。

　上記成膜装置１００において、セラミックパイプ２２の第１方向に沿う長さＬ１は１０ｍｍ以上２０ｍｍ以下であってもよい。なお長さＬ１は１０ｍｍ以上１８ｍｍ以下であってもよく、１０ｍｍ以上１５ｍｍ以下であることがより好ましい。セラミックパイプ２２の長さＬ１が上記より短ければ、削れの影響が大きい領域を全てカバーできなくなり、セラミックパイプ２２が削れを抑制する効果が小さくなる。セラミックパイプ２２の長さＬ１が上記より長ければ熱および動作ガスの流れがセラミックパイプ２２の部分にて低下し、パイプに蓄熱が起こる可能性がある。セラミックはステンレスよりも放熱性が低く、パイプでの十分な放熱ができないためである。その結果、粉末１０が熱の影響を受けて肥大化する（パイプの通路が閉塞する）可能性がある。セラミックパイプ２２の長さＬ１を上記範囲とすれば、削れを抑制する効果と放熱効果との双方を高められる。

　上記成膜装置１００において、セラミックパイプ２２は、ジルコニア、窒化珪素およびアルミナからなる群から選択されるいずれかにより形成されてもよい。このようにすれば、セラミックパイプ２２の高い硬度によりセラミックパイプ２２の削れを抑制できる。

　上記成膜装置１００において、ステンレスパイプ２３とセラミックパイプ２２との（径方向の）周囲を囲みステンレスパイプ２３およびセラミックパイプ２２と接触するガイド部品２４をさらに備える。ガイド部品２４は銅により形成される。ガイド部品２４が熱伝導性の高い銅で形成され、パイプと接触されることにより、パイプの蓄熱を抑制できる。このためパイプの通路の閉塞を抑制できる。

　＜成膜方法＞
　図８は、本実施の形態に係る成膜方法を示すフローチャートである。図８を参照して、ここに示す成膜方法は、図１～図７に示した成膜装置１００を用いて実施される成膜方法であって、準備工程（Ｓ１０）と、成膜工程（Ｓ２０）と、後処理工程（Ｓ３０）とを主に備える。

　準備工程（Ｓ１０）では、図１に示すように基材２０の表面に対向するように、上記マスク治具１を配置する工程を含む。当該配置する工程では、マスク治具１の第１面が基材２０の表面に対向するように、マスク治具１が配置される。

　成膜工程（Ｓ２０）では、マスク治具１の貫通穴１３を介して、成膜装置１００を用いてコールドスプレー法により成膜原料となる粉末を基材２０の表面に吹き付ける。この結果、基材２０の表面に成膜原料からなる膜が形成される。

　後処理工程（Ｓ３０）では、基材２０の表面上からマスク治具１が除去される。その後、基材２０に対する加工など必要な処理を実施する。このようにして、基材２０の表面に膜を形成することができる。

　以下、本開示に係る成膜装置１００のノズル２ｂの効果を確認するための実施例を説明する。具体的には、本開示に係るノズル２ｂを有する成膜装置１００の成膜時間と成膜厚みとの関係を調査した。

　＜試料＞
　図３に示す本実施の形態の構成の、ジルコニア製のセラミックパイプ２２およびステンレスパイプ２３を有するノズル２ｂを準備した。以下ではこれを「改良品」と呼称する。また図３に示す本実施の形態とは異なる構成の、ステンレスパイプ２３のみを有しセラミックパイプを有さないノズル２ｂを準備した。以下ではこれを「従来品」と呼称する。改良品および従来品のそれぞれを用いて、図１と同様にマスク治具１の後方に設置された基材２０の表面に成膜された。マスク治具１は、平面形状が四角形状であり、材質がステンレス鋼ＳＵＳ３０４であった。そのサイズは、横４２ｍｍ×縦３０ｍｍ×厚さ３ｍｍとした。貫通穴１３の直径は３ｍｍとした。

　＜成膜プロセス＞
　上述したノズル２ｂの改良品および従来品を用いて、コールドスプレー法により基材表面に膜を形成した。成膜原料としては添加物を含むアルミニウムからなる粉末を用いた。当該アルミニウム粉末の形状は球状であり、直径は１０μｍとした。基材の材料はアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）とした。基材の形状は平面形状が四角形状の板状とした。基材のサイズは、横４２ｍｍ×縦３０ｍｍ×厚さ１ｍｍとした。

　成膜条件としては、動作ガスとして乾燥空気を用い、動作ガスの温度を２７０℃、動作ガスの流量を４００リットル／分、動作ガスの圧力を約０．８ＭＰａとした。成膜装置からマスク治具の表面に対して成膜原料が噴射される領域の幅は５ｍｍとした。また、マスク治具の表面において、貫通穴が形成された領域を含むように成膜原料が噴射される領域を移動させる速度（掃引速度）を１０ｍｍ／秒とした。マスク治具の表面における成膜範囲（成膜原料が噴射される領域）のサイズは幅５ｍｍ×長さ３０ｍｍとした。

　上述の条件により、成膜装置１００はノズル２ｂから動作ガスおよび成膜原料を１２時間に亘り噴射させ続けた。そのうち噴射の始まる時間（経過時間＝０ｍｉｎ）から、１時間ごとに、１２時間後（経過時間＝７２０ｍｉｎ）まで、合計１３回、設置された基材２０の表面上に成膜され、その膜厚が測定された。

　１時間ごとに成膜された合計１３枚の基材２０のそれぞれについて、３Ｄ形状測定機を用い、形成された膜上の１０００か所が抽出され、その膜厚が測定された。それら１０００か所の膜厚の最大値、最小値および平均値が求められ、それらから基材２０での膜厚の偏差が求められた。その結果を図９のグラフに示す。

　図９は、成膜装置から動作ガスおよび成膜原料を噴射し続けた経過時間と、各経過時間後に当該成膜装置により形成された膜の厚みとの関係を示すグラフである。図９を参照して、グラフの横軸は成膜装置１００から動作ガスおよび成膜原料を噴射し続けた経過時間を示し、縦軸は各経過時間後に形成された膜の厚みを示している。各経過時間におけるプロットは、当該時間噴射後に成膜された基材２０における上記１０００か所にて測定された膜厚の平均値を示している。各経過時間におけるバーは１０００か所で測定された厚みのうちの最大値および最小値を示している。

　図９により、従来品を用いた場合には、噴射の経過時間が８時間（４８０ｍｉｎ）以内において、そこまでの各時間に測定された１０００か所ずつの膜厚の偏差が１０％以下であった。しかし噴射の経過時間が８時間を超えると、そこまでの各時間に測定された１０００か所ずつの膜厚の偏差が１０％を超えた。そして１２時間（７２０ｍｉｎ）経過時にそれまでの各経過時間（０ｍｉｎから７２０ｍｉｎまで６０分毎）に１０００か所ずつ測定された膜厚の平均値が１１６．４μｍ、膜厚の偏差が１３．５％となった。ここでの１１６．４μｍは、図９での従来品の各経過時間におけるプロットされた値の平均値である。一方、改良品を用いた場合には、１２時間（７２０ｍｉｎ）を経過しても、それまでの各時間に１０００か所ずつ測定された膜厚の平均値が９２．７μｍ、膜厚の偏差が７．４％となった。ここでの９２．７μｍは、図９での改良品の各経過時間におけるプロットされた値の平均値である。膜厚の偏差の目標値すなわち許容範囲は１０％以下である。このため従来品での耐久時間は８時間、改良品での耐久時間は１２時間となり、改良品を用いたほうが耐久性を改善できることが確認できた。

　図１０は、図３のセラミックパイプにおける削れが起こりやすい箇所を示す概略図である。図１０を参照して、ここに示すのは改良品の構成である。図１０の改良品において、セラミックパイプ２２は、ノズルの削れが最も起こりやすい削れ部２６を含む位置に配置されていることが本実施の形態の特徴である。削れ部２６は、交差部２１Ｃまたはこれに隣接する領域にて矢印３３のように第２方向から第１方向へ転換した粉末の流れと、矢印３４で示す動作ガスの流れとが衝突する、セラミックパイプ２２の内壁面上の部分である。

　図１０では、セラミックパイプ２２とステンレスパイプ２３とは、接続部２３ＣＴにて接続される。接続部２３ＣＴにおけるステンレスパイプ２３の端面は、ステンレスパイプ２３の上流側の端面としての入口端面２３Ｅに相当する。

　図１１は、成膜装置から動作ガスおよび成膜原料を１２時間噴射し続けた後の、ステンレスパイプの入口端面からステンレスパイプ内を観察した結果を示す写真である。図１１を参照して、従来品は上記のようにセラミックパイプを有さずステンレスパイプ２３のみを有する。このため従来品は、図１０における入口端面２２ＥＧが配置される位置にステンレスパイプ２３の入口端面２３Ｅが配置される。

　従来品におけるステンレスパイプ２３の入口端面２３Ｅは、図１０の削れ部２６に近い領域である。より具体的には、入口端面２３Ｅは図６に示すステンレスパイプ２３の直径φＢで示す右側の端面であり、φＢは４ｍｍである。改良品における入口端面２２ＥＧは、図１０の削れ部２６に近く、図６に示すセラミックパイプ２２の直径φＢで示す右側の端面であり、φＢは４ｍｍである。なお従来品、改良品ともに、ステンレスパイプ２３の外径φＡは６ｍｍ、長さＬ２は１２０ｍｍ（図６参照）である。これらのステンレスパイプ２３の入口端面２３Ｅからその内部が、Ｘ線ＣＴにより観察された。

　図１１の写真は、従来品、改良品ともに、ステンレスパイプ２３の内部を入口端面２３Ｅから出口端面２３ＥＧまで観察したものである。なお改良品の入口端面２３Ｅは接続部２３ＣＴに等しい。図１１に示すように、従来品においてはステンレスパイプ２３の内壁面に削れが発生している。この削れは深さが０．５ｍｍであった。一方、改良品においてはステンレスパイプ２３の内壁面に削れが発生しなかった。従来品においては図１０の削れ部２６の位置に削れが生じ易いステンレスパイプ２３が配置されるのに対し、改良品では図１０の削れ部２６の位置にステンレスよりも削れが生じにくいセラミックパイプ２２が配置されるためである。

　なお写真が掲載されないが、改良品におけるセラミックパイプ２２の削れは発生しなかった。このことは、成膜原料の噴射工程の前後においてセラミックパイプ２２の重量が変化しなかったことにより確認できた。

　このことから、本開示に従ったセラミックパイプ２２を有するノズル２ｂを用いることにより、動作ガスの流れを不安定にし、削れを発生させ成膜を不安定にさせる不具合が抑制されることがわかった。

　今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。矛盾のない限り、今回開示された実施の形態の少なくとも２つを組み合わせてもよい。本開示の基本的な範囲は、上記した説明ではなく請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることを意図される。

　１　マスク治具、２　スプレーガン、２ａ　スプレーガン本体部、２ｂ　ノズル、２ｃ　ヒータ、　３　粉末供給部、４　ガス供給部、５，５Ａ，６　配管、７　バルブ、８　圧力センサ、９　温度センサ、１０　粉末、１３　貫通穴、２０　基材、２１　ノズルホルダー、２１Ａ　第１部分、２１Ｂ　第２部分、２１Ｃ　交差部、２１Ｄ　スロート部、２１Ｅ，２１Ｆ　拡張部、２２　セラミックパイプ、２２ＥＧ，２３Ｅ　入口端面、２３　ステンレスパイプ、２３ＣＴ　接続部、２３ＥＧ　出口端面、２４　ガイド部品、２５　ネジ部、２６　削れ部、３０，３１，３２，３３，３４　矢印。

Claims

　溶射法において用いる成膜装置であって、
　ノズルと、
　前記ノズルに成膜原料となる粉末を供給する粉末供給部と、
　前記ノズルに動作ガスを供給するガス供給部とを備え、
　前記ノズルは、ノズルパイプと、前記ノズルパイプの前記動作ガスが流れる上流側に接続されるセラミックパイプと、前記セラミックパイプが嵌挿されるノズルホルダーとを有し、
　前記ノズルホルダーは、前記動作ガスが前記ノズルホルダー内を流れる第１方向に延びる第１部分を含み、
　前記粉末供給部と前記第１部分とを結ぶ配管をさらに備え、
　前記配管が前記第１部分に接続される前記配管の部分は、前記第１方向に交差する第２方向に延びる、成膜装置。
　前記セラミックパイプは、前記ノズルホルダー内における前記動作ガスの流路と前記粉末の流路との交差部に隣接する領域および前記隣接する領域の前記動作ガスが流れる下流側に配置される、請求項１に記載の成膜装置。
　前記セラミックパイプの前記第１方向に沿う長さは１０ｍｍ以上２０ｍｍ以下である、請求項１または２に記載の成膜装置。
　前記セラミックパイプは、ジルコニア、窒化珪素およびアルミナからなる群から選択されるいずれかにより形成される、請求項１～３のいずれか１項に記載の成膜装置。
　前記ノズルパイプと前記セラミックパイプとの周囲を囲み前記ノズルパイプおよび前記セラミックパイプと接触するガイド部品をさらに備え、
　前記ガイド部品は銅により形成される、請求項１～４のいずれか１項に記載の成膜装置。