研究開発された技術紹介

従来、1回の溶射行程では同一材料での成膜しかできませんでした。しかし2種以上の材料を、混合比率を連続的に変えながら溶射できる装置を開発することにより、厚み方向に物性が連続的に変化する膜の成膜が可能となります。この効果を活かし、皮膜の厚み方向に特性を変化させる（例えば、基材と密着性の良い皮膜から成膜を開始し、断熱性能を持った皮膜へ徐々に変化させる等、図参照）事で、従来の溶射膜の欠点であった基材からの溶射膜の剥離や割れを大幅に抑制する事を目指しました。
この成果を活かし、溶射膜の使用温度域の拡大や、厚肉成膜を実現し、火力発電所の発電効率向上や半導体工場の設備稼働率向上等に資する事を目標としています。

この開発では、成膜の材料がシームレスに組成を変化させながら供給される事が必要です。また、成膜される皮膜について緻密度も求められるため、ナノ微粒子等、非常に小さな微粒子粉末を材料として利用する必要が有ります。しかし、広く一般的に市販されている溶射装置では、粉末を材料にしている為、30μｍ程度以下の微粒子粉末では安定的に供給する事が困難で、粉末を輸送する配管内で閉塞する問題が有ります。そこで、開発する装置では、粉末材料を液体樹脂に高濃度に分散したチクソ性スラリー（トロトロのヨーグルトの様な状態）を用い、ナノサイズの粉末であっても閉塞させずに安定的な供給が出来るシステムとしました。本システム構築の後、このスラリー搬送機を3台併設して、それぞれ独立に自由な量で搬送出来る機構を持たせ、搬送されたスラリーを材料噴射の直前で混合する事により、リアルタイムにそしてシームレスに組成を変化させながら成膜材料の供給を可能としました。

当初、スラリーと言う粘度の高い流体を搬送する為には、適切なモーターの選定が重要である事が分かり、簡易装置の製作から、トルクレンチを使用したスラリーの搬送試験の実施などを行い、設計、製作の基礎データを取得しました。
そして、得られたデータからモーターの選定とそれを設置する装置全体の構想をまとめ、最初の設計を行いました。その後、設計内容について議論し問題が無いと思われるまで検討した後、製作を行い装置を完成しました。（図参照）そして装置を利用し、稼働試験を行い、比重の異なるスラリーであっても任意に搬送速度を変化させ搬送出来る事を確認出来ました。その後、成膜の条件検討へと進め、複数の材料を準備し、どのように搬送速度を変化させ導入すれば、目的とする厚み方向の組成の変化が起こるか等を検証し、色々な傾斜皮膜が成膜出来ました。（図参照）そして適切な条件にて成膜し、環境耐性試験として、プラズマ照射の環境に耐性の高い皮膜のYF３（フッ化イットリウム）皮膜と、高温に耐性の高い皮膜のZrO2（酸化ジルコニウム）皮膜の2種を用意し行いました。それぞれ川下ユーザーの指定する条件にて十分な耐性示し皮膜の性能が確認されました。

事業終了後、近畿経済産業局主催の合同出展により、第25回関西 機械要素技術展に出展。装置と技術の周知を行いました。
すると非常に反響が大きく、出展後に多数の問い合わせが入り、来場者の興味が大きかった事が確認されました。
今後も継続的な展示会出展や学会誌、業界紙等への投稿を進め装置と技術の周知を進める予定です。

研究開発成果の利用シーンとしては、最優先の適用先として、時代の流れの中、非常に高い優先度にて求められている半導体製造の分野に適用し、その製造の歩留まり向上並びにコスト低減を考えています。
具体的な適用としては、プラズマエッチングと言うプラズマ照射による半導体上の不要部を削り取る装置の、加工室の内壁へ、保護膜を成膜する装置としての利用を考えています。
その他の適用フィールドとしては、耐熱、断熱を必要とするジェットエンジンや発電に利用されるタービンブレードの保護膜、内燃機関の内壁保護膜を考えています。
その他にも、家屋の外壁など一般の方の目に触れる物や、ロケットのエンジン噴射口の保護膜など今後の宇宙産業への適用も視野に入れ様々な適用先を検討しています。

第一ターゲットは半導体製造装置市場です。溶射市場は世界で5,000億円、国内向けで1,000億円あるため、ニーズの高い半導体製造装置市場を狙っています。現状、半導体製造装置メーカーから引き合いを受け、皮膜評価を進めています。今後は要望される皮膜の成膜方法を確立し、販売へ進める計画です。また、並行して他市場への展開も検討しており、展示会出展や各分野の機関誌等へ広告を出す等で知名度の向上を図ります。

・成膜中に皮膜材料を任意に変化できるナノ微粒子溶射装置です
・皮膜の厚み方向における成分の組成を任意に変更しできる傾斜材料皮膜の成膜が可能です
・傾斜材料を活かし、様々な環境耐性の付与など機能性付与に対応出来ます。
・実施例としては、以下が有ります。
１）プラズマ暴露試験では200時間換算の暴露による皮膜の減肉量は36μm
２）熱サイクル試験では、1,000℃と200℃を100回往復する昇温・冷却試験において100回のサイクル後、皮膜に割れの発生無し
・開発要素の多い成膜検討でも試作を繰り返し目標達成を行う事が出来ます。

第一ターゲットは半導体製造装置市場です。現状、半導体製造装置メーカーから引き合いを受け、皮膜評価を進めており、要望される皮膜の成膜方法を確立し、販売を目指しています。また、並行して他市場への展開も検討中。展示会出展や各分野の機関誌等へ広告を出す等で知名度の向上を図ります。

要求される皮膜は川下企業ごとに材質や膜質などが異なるため、具体的な要望に沿って成膜条件を検討し確立する必要が有る点です。