反応性プラズマ溶射法による傾斜機能TiN厚膜の作製

緻密な皮膜作製が可能な反面、成膜速度が極めて遅いPVD法やCVD法に替わり、高周波(RF)熱プラズマを利用し、Ti合金基板の表面改質および反応性プラズマ溶射による厚膜作製の可能性とその制御方法を基礎的に調べた。供試材料にはTi-6Al-4V合金基板および純Ti粉末を使用した。実験にはRFプラズマ溶射装置を使用し、作動ガスとしてAr-N_2およびAr-N_2-H_2混合ガスを用いた。水素添加にかかわらず入力電力を12KW一定とした。初めに、反応性雰囲気中でのプラズマ溶射により得たTi粉末および形成皮膜の組成分析結果より、基本的に粉末のプラズマ内飛行中での反応は極めてわずかであり、反応は主に基板堆積後に起こっていることがわかった。そこで、RFプラズマによるTi合金基板窒化反応速度および窒化反応に及ぼす水素添加の効果について基礎的に調べた。その結果、プラズマ作動ガスへの水素添加により基板温度は上昇し、窒化反応層厚さが増大した。水素添加による窒化反応促進には、基板温度の上昇が一因と考えられるために、両条件での基板温度を同一とした窒化処理を行った。基板温度を定常温度に保持した条件下で得た窒化反応層と窒化時間の1/2乗との関係より、水素添加の有無にかかわらず両者とも窒化反応層厚さと窒化処理時間の1/2乗との関係が直線近似できることから、窒化反応は拡散律則に従うことがわかった。また両者の傾きが同一であることから、本研究における窒化反応に対し、水素添加の顕著な影響は認められなかった。これよりTi基板における窒化反応速度が明らかとなったことから、理論的には、皮膜堆積速度がこの窒化反応速度以下のプラズマ溶射においては、成膜と同時に窒化反応の完了する反応性プラズマ溶射実現が可能である。現在このことを実証すべく、実験を継続中である。

緻密な皮膜作製が可能な反面、成膜速度が極めて遅いPVD法やCVD法に替わり、高周波(RF)熱プラズマを利用し、Ti合金基板の表面改質および反応性プラズマ溶射による厚膜作製の可能性とその制御方法を基礎的に調べた。供試材料にはTi-6Al-4V合金基板および純Ti粉末を使用した。実験にはRFプラズマ溶射装置を使用し、作動ガスとしてAr-N_2およびAr-N_2-H_2混合ガスを用いた。水素添加にかかわらず入力電力を12KW一定とした。初めに、反応性雰囲気中でのプラズマ溶射により得たTi粉末および形成皮膜の組成分析結果より、基本的に粉末のプラズマ内飛行中での反応は極めてわずかであり、反応は主に基板堆積後に起こっていることがわかった。そこで、RFプラズマによるTi合金基板窒化反応速度および窒化反応に及ぼす水素添加の効果について基礎的に調べた。その結果、プラズマ作動ガスへの水素添加により基板温度は上昇し、窒化反応層厚さが増大した。水素添加による窒化反応促進には、基板温度の上昇が一因と考えられるために、両条件での基板温度を同一とした窒化処理を行った。基板温度を定常温度に保持した条件下で得た窒化反応層と窒化時間の1/2乗との関係より、水素添加の有無にかかわらず両者とも窒化反応層厚さと窒化処理時間の1/2乗との関係が直線近似できることから、窒化反応は拡散律則に従うことがわかった。また両者の傾きが同一であることから、本研究における窒化反応に対し、水素添加の顕著な影響は認められなかった。これよりTi基板における窒化反応速度が明らかとなったことから、理論的には、皮膜堆積速度がこの窒化反応速度以下のプラズマ溶射においては、成膜と同時に窒化反応の完了する反応性プラズマ溶射実現が可能である。現在このことを実証すべく、実験を継続中である。