特許 6716204 成膜方法及び成膜装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6716204

(24)【登録日】2020年6月12日

(45)【発行日】2020年7月1日

(54)【発明の名称】成膜方法及び成膜装置

(51)【国際特許分類】

   B05D 1/06 20060101AFI20200622BHJP

   C23C 24/04 20060101ALI20200622BHJP

   B05B 7/14 20060101ALI20200622BHJP

【ＦＩ】

   B05D1/06 Z

   C23C24/04

   B05B7/14

【請求項の数】3

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2015-126742(P2015-126742)

(22)【出願日】2015年6月24日

(65)【公開番号】特開2017-6873(P2017-6873A)

(43)【公開日】2017年1月12日

【審査請求日】2018年2月5日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004640

【氏名又は名称】日本発條株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100089118

【弁理士】

【氏名又は名称】酒井 宏明

(72)【発明者】

【氏名】平野 智資

(72)【発明者】

【氏名】川崎 公一

【審査官】 赤澤 高之

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００６−２４７６３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０６８９４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２０６４４３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ０５Ｄ １／００− ７／２６

Ｂ０５Ｂ １／００− １７／０６

Ｃ２１Ｄ ８／１２− ９／４６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

材料の粉末を基材の表面に固相状態のまま吹き付けて堆積させることにより皮膜を形成する成膜装置であって、
前記材料の粉末をガスと混合する混合室と、
基端部において前記混合室と連通し、該基端部から先端部に向かって縮径してから拡径する貫通路が内部に設けられ、前記混合室において混合された前記材料の粉末及び前記ガスを前記先端部から噴射するノズルと、
前記混合室に前記材料の粉末を供給する粉末供給管と、
前記混合室に前記ガスを供給するガス供給管と、
を備え、
前記混合室は、高さが異なる複数の筒状部材から構成され、
前記粉末供給管は、前記材料の粉末が噴出される先端を前記混合室の後端側から前記ノズル側に向けて突出させるように設けられ、
前記複数の筒状部材のうちのいずれか１つを前記ノズルの前記基端部と連結することにより、前記貫通路の内径が最小の位置と、前記材料の粉末及び前記ガスが互いに混合される混合位置との間の距離が調節可能である、
ことを特徴とする成膜装置。

【請求項2】

材料の粉末を基材の表面に固相状態のまま吹き付けて堆積させることにより皮膜を形成する成膜装置であって、
前記材料の粉末をガスと混合する混合室と、
基端部において前記混合室と連通し、該基端部から先端部に向かって縮径してから拡径する貫通路が内部に設けられ、前記混合室において混合された前記材料の粉末及び前記ガスを前記先端部から噴射するノズルと、
前記混合室に前記材料の粉末を供給する粉末供給管と、
前記混合室に前記ガスを供給するガス供給管と、
を備え、
前記混合室は、前記ノズルの前記基端部と連結された筒状部材であって、側面の長手方向に沿って複数の粉末供給口が設けられた筒状部材によって構成され、
前記複数の粉末供給口のいずれかに前記粉末供給管を接続することにより、前記貫通路の内径が最小の位置と、前記材料の粉末及び前記ガスが互いに混合される混合位置との間の距離が調節可能である、
ことを特徴とする成膜装置。

【請求項3】

請求項１または２の成膜装置を使用して、材料の粉末を基材の表面に固相状態のまま吹き付けて堆積させることにより皮膜を形成する成膜方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、コールドスプレー法による成膜方法及び成膜装置に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、金属皮膜の形成方法として、コールドスプレー法が知られている（例えば特許文献１参照）。コールドスプレー法とは、金属皮膜の材料の粉末を、該粉末の融点又は軟化点以下の加熱されたガス（空気又は不活性ガス）とともにノズルから噴射し、固相状態のまま基材に衝突させて基材の表面に堆積させる成膜方法である。コールドスプレー法においては、溶射法と比較して低い温度で加工が行われるので、相変態がなく酸化も抑制された金属皮膜を得ることができる。また、熱応力の影響を緩和することもできる。さらに、基材及び皮膜の材料がともに金属である場合、材料の粉末が基材（又は先に形成された皮膜）に衝突した際に粉末と基材との間で塑性変形が生じてアンカー効果が得られると共に、互いの酸化皮膜が破壊されて新生面同士による金属結合が生じるので、密着強度の高い皮膜を形成することができる。

【0003】

このようなコールドスプレー法による成膜装置においては、一般に、材料の粉末と高圧ガスとを混合するガス粉末混合室がノズルの上流側に設けられている。このガス粉末混合室において、それぞれ別系統から供給された粉末及び高圧ガスが混合され、高圧ガスのガス圧により粉末がノズルの先端から噴射される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００８−３０２３１１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

金属皮膜の密着強度を高めるには、粉末の噴射速度を高速化すれば良いことが知られている。一般に、粉末の噴射速度を高速化するためには、粉末と共に噴射するガスの温度及び圧力を高くすることが行われている。しかし、ガスの温度を高くし過ぎると、粉末が過度に加熱されて酸化し易くなるため、酸化した粉末が堆積することにより金属皮膜の品質が低下してしまうという問題が生じる。

【0006】

また、比較的低融点の金属を材料とする場合には、ガスの温度を高くし過ぎると粉末が過度に柔らかくなり、或いは粉末が溶融してしまい、粉末がノズル内を通過する間にノズルの内壁に付着してノズルが閉塞し易くなってしまう。そのため、この場合には、ガス温度を上げることにより粉末の噴射速度を高くすることができない。

【0007】

さらには、ガスの温度を高くし過ぎると、粉末を衝突させる基材の方も高温になって軟化し、粉末が衝突した部分が損耗してしまうおそれがある。例えば、粉末の融点が高いからといってガスの温度を高くして粉末の噴射速度を高速化しようとすると、高温に加熱された粉末が基材に衝突することになり、基材の損耗を招いてしまう。特に、粉末の融点に対して基材の融点が低い場合には、このような現象が生じる可能性がある。そのため、基材が軟化する温度以上にガス温度を上げて噴射速度を高めることもできない。

【0008】

これらの理由から、密着強度が高い、高品質な金属皮膜を形成するためには、粉末の噴射速度を高速化しつつも、粉末の過度な加熱を抑制することが望ましい。

【0009】

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、コールドスプレー法において、材料の粉末の噴射速度を高速化しつつも、粉末の過度な加熱を抑制することができる成膜方法及び成膜装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る成膜方法は、材料の粉末を基材の表面に固相状態のまま吹き付けて堆積させることにより皮膜を形成する成膜方法であって、ノズルの内部に形成され、基端部から先端部に向かって縮径してから拡径する貫通路の径が最小の位置と、前記ノズルに導入される前記材料の粉末がガスと混合される混合位置との間の距離を、前記材料の粉末の種類に応じて調節する混合距離調節工程と、前記材料の粉末及び前記ガスを前記混合位置において混合して前記ノズルに導入し、前記最小の位置に向けて加速させ、前記材料の粉末及び前記ガスを前記ノズルの前記先端部から噴射する噴射工程と、前記先端部から噴射された前記材料の粉末及び前記ガスを前記基材に吹き付ける吹き付け工程と、を含むことを特徴とする。

【0011】

上記成膜方法において、前記混合距離調節工程は、前記材料の粉末の融点が低いほど前記距離を短くする、ことを特徴とする。

【0012】

本発明に係る成膜装置は、材料の粉末を基材の表面に固相状態のまま吹き付けて堆積させることにより皮膜を形成する成膜装置であって、前記材料の粉末をガスと混合する混合室と、基端部において前記混合室と連通し、該基端部から先端部に向かって縮径してから拡径する貫通路が内部に設けられ、前記混合室において混合された前記材料の粉末及び前記ガスを前記先端部から噴射するノズルと、前記混合室に前記材料の粉末を供給する粉末供給管と、前記混合室に前記ガスを供給するガス供給管と、を備え、前記貫通路の径が最小の位置と、前記材料の粉末及び前記ガスが互いに混合される混合位置との間の距離が調節可能である、ことを特徴とする。

【0013】

上記成膜装置において、前記粉末供給管は、前記材料の粉末が噴出される先端を前記混合室の後端側から前記ノズル側に向けて突出させるように設けられ、前記粉末供給管の前記先端の突出量が変更可能である、ことを特徴とする。

【0014】

上記成膜装置において、前記粉末供給管は、前記材料の粉末が噴出される先端を前記混合室の後端側から前記ノズル側に向けて突出させるように設けられ、前記混合室を構成可能な、高さが異なる複数の筒状部材を備え、前記複数の筒状部材のうちのいずれか１つを前記ノズルの前記基端部と連結することにより、前記混合室が構成される、ことを特徴とする。

【0015】

上記成膜装置において、前記混合室は、前記ノズルの前記基端部と連結された筒状部材であって、側面の長手方向に沿って複数の粉末供給口が設けられた筒状部材によって構成され、前記複数の粉末供給口のいずれかに前記粉末供給管を接続することにより、前記距離が変更される、ことを特徴とする。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、材料の粉末をガスと混合する混合位置と、該粉末をガスと共に噴射するノズルの先端部との間の距離を、材料の粉末の種類に応じて調節するので、材料の粉末がガスと接して過度に加熱される前に、粉末をノズルから噴射することができる。従って、材料の粉末の噴射速度を高速化しつつも過度な加熱を抑制することができ、該粉末の酸化を抑制して、密着強度の高い、高品質な金属皮膜を形成することが可能となる。また、粉末に対する過度な加熱による粉末の軟化や溶融を抑えることができるので、粉末がノズルの内壁に付着してノズルが閉塞するのを抑制することも可能となる。さらに、粉末の過度な加熱に起因する基材の軟化を抑えることもできるので、粉末が吹き付けられた際の基材の損耗を抑制することも可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】図１は、本発明の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2】図２は、図１に示すスプレーガンの内部を拡大して示す断面図である。

【図3】図３は、図２に示すスプレーガンに対して混合距離を変更した場合を示す断面図である。

【図4】図４は、本発明の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5】図５は、材料の粉末の温度及び速度と混合距離との関係を示すグラフである。

【図6】図６は、混合距離の下限値について説明するための断面図である。

【図7】図７は、ノズルの中心軸上におけるガスの流速（理論値）を示すグラフである。

【図8】図８は、本発明の実施の形態の変形例１に係る成膜装置の一部を示す断面図である。

【図9】図９は、本発明の実施の形態の変形例２に係る成膜装置の一部を示す断面図である。

【図10】図１０は、剥離強度測定の際に使用した簡易引張試験法を説明するための模式図である。

【図11】図１１は、実施例における剥離強度の実測値を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、以下の説明において参照する各図は、本発明の内容を理解し得る程度に形状、大きさ、及び位置関係を概略的に示してあるに過ぎない。即ち、本発明は各図で例示された形状、大きさ、及び位置関係のみに限定されるものではない。

【0019】

（実施の形態）
図１は、本発明の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に示すように、本実施の形態に係る成膜装置１は、コールドスプレー法による成膜装置であり、高圧ガス（圧縮ガス）を加熱するガス加熱器２と、成膜材料の粉末を収容してスプレーガン４に供給する粉末供給装置３と、加熱された高圧ガスを粉末と混合してノズル５に導入するスプレーガン４と、ガス加熱器２及び粉末供給装置３に対する高圧ガスの供給量をそれぞれ調節するバルブ６及び７と、ガス加熱器２からスプレーガン４にガスを供給するガス供給管８とを備える。スプレーガン４は、高圧ガスと共に粉末を噴射するノズル５と、当該スプレーガン４に粉末を供給する粉末供給管１２を含んでいる。

【0020】

高圧ガスとしては、安価な空気や、ヘリウム、窒素等の不活性ガスが使用される。ガス加熱器２に供給された高圧ガスは、材料の粉末の融点よりも低い範囲の温度に加熱された後、ガス供給管８を介してスプレーガン４に導入される。高圧ガスの加熱温度は、好ましくは１５０〜９００℃である。

【0021】

一方、粉末供給装置３に供給された高圧ガスは、粉末供給装置３内の粉末を、粉末供給管１２を介してスプレーガン４に所定の吐出量となるように供給する。

【0022】

ガス加熱器２からスプレーガン４に供給された高圧ガスは、スプレーガン４において、粉末供給装置３から供給された粉末及び高圧ガスと混合され、ノズル５を通過することにより超音速流となって噴射される。具体的には、高圧ガスが１５０〜９００℃の空気又は窒素の場合、スロート部５ｂにおける流速は約３１０〜６００ｍ／ｓとなる。また、高圧ガスが１５０〜９００℃のヘリウムの場合、スロート部５ｂにおける流速は約８７０〜１６３０ｍ／ｓとなる。一方、ノズル５の出口付近におけるガスの流速は、末広部５ｃの形状に応じて変化する。詳細には、末広部５ｃの出口側の断面積と、スロート部５ｂの断面積との比率（出口側の断面積/スロート部の断面積）が大きいほど、出口付近における流速は速くなる。

【0023】

この際の高圧ガスの圧力は、０．３〜５ＭＰａ程度とすることが好ましい。高圧ガスの圧力をこの程度に調整することにより、基材１００に対する皮膜１０１の密着強度の向上を図ることができるからである。より好ましくは、３〜５ＭＰａ程度の圧力で処理すると良い。

【0024】

このような成膜装置１において、基材１００をスプレーガン４に向けて配置すると共に、材料（金属又は合金）の粉末を粉末供給装置３に投入し、ガス加熱器２及び粉末供給装置３への高圧ガスの供給を開始する。それにより、スプレーガン４に供給された粉末が、この高圧ガスの超音速流の中に投入されて加速され、ノズル５から噴射される。この粉末が、固相状態のまま基材１００に高速で衝突して堆積することにより、皮膜１０１が形成される。

【0025】

図２及び図３は、図１に示すスプレーガン４の内部を拡大して示す断面図である。図２に示すように、スプレーガン４は、ノズル５の基端部と連結されたガス粉末混合室１０と、ガス粉末混合室１０に導入する高圧ガスが充填されるガス室１１と、ガス粉末混合室１０に粉末を供給する粉末供給管１２と、ガス粉末混合室１０とガス室１１との境界に設けられた粉末供給管支持部１３と、ガス室１１内に設けられた温度センサ１４及び圧力センサ１５を備える。粉末供給管支持部１３には、ガス粉末混合室１０とガス室１１とを連通する少なくとも１つのガス通過口１３ａが設けられている。

【0026】

ノズル５は、基端部においてガス粉末混合室１０と連通する貫通路５ｄが内部に設けられ、基端部から先端部に向かって貫通路５ｄが縮径する先細部５ａと、貫通路５ｄの径が最小の部分であるスロート部５ｂと、スロート部５ｂから先端部に向かって貫通路５ｄが拡径する末広部５ｃとからなる、所謂ラバルノズルである。

【0027】

ガス粉末混合室１０は、両端が開口した筒状部材によって形成され、ガス室１１から供給される高圧ガスと粉末供給管１２から供給される粉末とが混合される混合室である。詳細には、粉末供給管１２の先端部において、この粉末供給管１２の先端から噴出した粉末が、ガス室１１からガス通過口１３ａを通って導入された高圧ガスと混合される。以下、粉末供給管１２からの粉末の出射口である先端面１２ａの位置を、混合位置という。高圧ガスと混合された粉末は、この高圧ガスの圧力によりノズル５に導入され、先細部５ａを通過することにより加速させられる。

【0028】

ガス室１１には、ガス加熱器２からガス供給管８を介して、加熱された高圧ガスが導入される。ガス室１１内の圧力は通常、０．３〜５ＭＰａ程度に維持されている。このガス室１１内とガス粉末混合室１０内との圧力差により、高圧ガスがガス粉末混合室１０に導入される。

【0029】

粉末供給管１２は、ガス室１１を貫通し、ガス粉末混合室１０及びノズル５の長手方向に沿って、先端をノズル５側に突出させるように配置されている。粉末供給管１２の突出長は変更可能である。例えば、図２は、粉末供給管１２の突出長を抑制し、粉末供給管１２の先端面１２ａがガス粉末混合室１０の基端部付近に留まるように配置した場合を示し、図３は、粉末供給管１２をノズル５の先細部５ａ内まで突出させた場合を示している。このように、粉末供給管１２の突出長を変更することにより、先端面１２ａの位置即ち混合位置と、スロート部５ｂの位置との間の距離を調節することができる。以下、混合位置とスロート位置との間の距離を、混合距離という。図２においては混合距離をＸ１とし、図３においては混合距離をＸ２（Ｘ２＜Ｘ１）としている。

【0030】

なお、粉末供給管１２の突出長を伸ばした場合（図３参照）、粉末供給管１２の先端部の位置を安定させるため、粉末供給管支持部１３をガス粉末混合室１０の内部に設けても良い。或いは、粉末供給管支持部１３とは別に、粉末供給管１２の先端部を支持する部材をガス粉末混合室１０内に設けても良い。

【0031】

次に、本発明の実施の形態に係る成膜方法について説明する。図４は、本発明の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。なお、成膜を開始する前に、皮膜１０１を形成する基材１００をノズル５の噴射方向の所定位置に配置しておくと共に、粉末供給装置３に皮膜１０１の材料の粉末を投入しておく。

【0032】

まず、工程Ｓ１において、材料の粉末の種類に応じて、混合距離を調節する。本実施の形態においては、ガス室１１からの粉末供給管１２の突出長を変更することにより混合距離を調節する。

【0033】

混合距離は、融点などの材料そのものの特性、材料の粉末の径、高圧ガスの温度及び圧力等に応じて決定する。具体例として、材料の融点が低いほど加熱により軟化し易いので、混合距離を短くすると良い。また、材料が酸化し易いほど、混合距離を短くすると良い。また、材料の粉末の径が小さいほど、体積に対する表面積の比率が大きくなり、加熱され易くなるので、混合距離を短くすると良い。さらに、高圧ガスの温度を高くするほど、混合距離を短くすると良い。

【0034】

続く工程Ｓ２において、バルブ６及び７を開き、ガス加熱器２を介してガス室１１への高圧ガスの供給を開始すると共に、粉末供給装置３への高圧ガスの供給を開始する。

【0035】

続く工程Ｓ３において、材料の粉末を高圧ガスと混合してノズル５に導入し、加速して噴射する。詳細には、粉末供給装置３からガス粉末混合室１０への材料の粉末の供給を開始する。それにより、ガス粉末混合室１０の混合位置において材料の粉末が高圧ガスと混合される。材料の粉末は、高圧ガスの流れと共にノズル５に導入され、先細部５ａからスロート部５ｂに向かって加速される。そして、高圧ガスは、スロート部５ｂにおいて音速に達し、末広部５ｃにおいてさらに超音速になり、材料の粉末を加速しながらノズル５の先端から噴射される。

【0036】

続く工程Ｓ４において、ノズル５の先端から噴射された材料の粉末を基材に吹き付けて堆積させる。この工程Ｓ４を、基材上の所望の領域に所望の時間継続することで、所望の厚さの皮膜を得ることができる。

【0037】

次に、図２及び図３に示すスプレーガン４における混合距離について詳しく説明する。本実施の形態においては、粉末供給管１２のガス室１１からの突出量を調節させることにより、材料の粉末が高圧ガスと混合されてからスロート部５ｂを通過するまでの混合距離Ｘを変化させている。その理由は次のとおりである。

【0038】

コールドスプレー法においては、材料の粉末を固相状態のまま基材に衝突させて堆積させることにより皮膜を形成する。この衝突の際に、粉末と基材との間で塑性変形が生じてアンカー効果が得られると共に、互いの酸化皮膜が破壊されて新生面同士による金属結合が生じる。そのため、材料の粉末は、高速に加速して基材に吹き付けることが好ましい。

【0039】

材料の粉末を高速に加速するためには、通常、材料の粉末と一緒に噴射される高圧ガスの圧力を高めると共に加熱する。一方で、密着強度が高く緻密な皮膜を形成するためには、材料の粉末の酸化を防ぐ必要がある。また、過度な加熱によって、粉末がノズル内壁に付着したり、粉末が溶融したりするのを防ぐ必要もある。そのためには、材料の粉末が過度に加熱されることは好ましくない。

【0040】

そこで、本実施の形態においては、スプレーガン４において混合距離を可変とすることにより、材料の粉末が加熱された高圧ガスと接触する時間を調整可能な構造としている。つまり、材料の粉末の種類や高圧ガスの温度等の条件に応じて混合距離を変化させることにより、材料の粉末が高圧ガスと接する時間を調整している。それにより、材料の粉末の過度な加熱を抑制することができるので、高圧ガスをより高温化して、材料の粉末を高速に加速することが可能となる。

【0041】

図５は、ノズル５の先端から噴射される粉末の温度（実線）及び速度（破線）と混合距離との関係を示すグラフである。このグラフは、材料の粉末をアルミニウム（融点約６６０℃、熱伝導率２３７Ｗ／ｍ・Ｋ）とし、混合距離を２４ｍｍ〜１５７ｍ範囲で変化させた場合の粉末の温度及び速度をシミュレーションにより取得したものである。なお、混合距離１５７ｍｍは、図２に示すスプレーガン４における最大値である。

【0042】

図５に示すように、混合距離２４ｍｍ〜１５７ｍｍの範囲では、混合距離を変化させても粉末の速度はほとんど変化しない。これに対し、アルミニウムの場合、混合距離が約１２０ｍｍ以下の範囲では、混合距離を短くするほど粉末の温度上昇が抑制されることがわかる。

【0043】

次に、混合距離の下限値について説明する。図６は、混合距離の下限値について説明するための断面図であり、図２及び図３に示すノズル５の先端部近傍を示す。図６に示すように、粉末供給管１２の外径をＤ₁、粉末供給管１２の先端面１２ａの位置におけるノズル５の内径（貫通孔５ｄの径）をＤ₂、スロート部５ｂにおけるノズル５の内径をＤ₃とする。また、ノズル５の長手方向において、粉末供給管１２の先端面１２ａを基準位置（ｘ＝０）とし、基準位置からノズル５の先端に向かう方向をｘ方向とする。

【0044】

この場合、基準位置（ｘ＝０）において高圧ガスが通過可能な断面の面積Ａ_x=0は、次式（１）によって与えられる。

【数1】

【0045】

また、スロート部５ｂの断面積Ａ_x=Xは、次式（２）によって与えられる。

【数2】

【0046】

図７は、ノズル５の中心軸上におけるガスの流速（理論値）を示すグラフである。図７において、横軸は、中心軸上における基準位置（ｘ＝０）からの距離を示し、縦軸は、高圧ガスの流速（マッハ数）を示す。

【0047】

図７の実線は、高圧ガスが通過可能な断面の面積Ａ_x=0が、スロート部５ｂの断面積Ａ_x=Xよりも大きい場合（Ａ_x=0＞Ａ_x=X）における高圧ガスの流速を示す。この場合、高圧ガスは、流速ゼロでノズル５の先細部５ａに進入した後、徐々に加速され、断面積が最も狭小となるスロート部５ｂにおいて音速（マッハ１）に至る。その後、高圧ガスは末広部５ｃにおいてさらに加速され、超音速となってノズル５の先端から噴射される。

【0048】

一方、図７の破線は、高圧ガスが通過可能な断面の面積Ａ_x=0が、スロート部５ｂの断面積Ａ_x=Xよりも小さい場合（Ａ_x=0＜Ａ_x=X）、即ち、粉末供給管１２の先端面１２ａがスロート部５ｂに接近した場合における高圧ガスの流速を示す。この場合、スロート部５ｂの手前の先細部５ａにおいてガスの流速が音速を超え、衝撃波が発生してしまう。

【0049】

しかしながら、先細部５ａは、亜音速の流れに適した設計がなされているため、超音速のガスが先細部５ａを通過することにより、先細部５ａの壁面において生じた斜め衝撃波の影響を受けてしまう。衝撃波は等エントロピー流れではないため、この壁面からの影響により、ガスの流れが持つエネルギーに損失が生じてしまう。その結果、図７の破線に示すように、ガスが減速されてしまう。

【0050】

従って、ガスの流れを減速させないためには、高圧ガスが通過可能な断面の面積Ａ_x=0が、スロート部５ｂの断面積Ａ_x=Xよりも大きいという条件（Ａ_x=0＞Ａ_x=X）が必要になる。この条件を満足するように、混合距離Ｘを定めれば良い。

【0051】

（変形例１）
図８は、本発明の実施の形態の変形例１に係る成膜装置の一部を示す断面図である。本変形例１に係る成膜装置は、図２に示すスプレーガン４の代わりに、図８に示すスプレーガン４Ａを備える。スプレーガン４Ａ以外の成膜装置の各部の構成は、上記実施の形態と同様である。

【0052】

図８に示すスプレーガン４Ａは、図２に示すスプレーガン４が備えるガス粉末混合室１０の代わりに、ガス粉末混合室２０を備える。ガス粉末混合室２０以外のスプレーガン４Ａの各部の構成は、上記実施の形態と同様である。

【0053】

本変形例１に係る成膜装置は、ガス粉末混合室２０を構成可能な、高さが異なる複数の筒状部材を備えている。これらの筒状部材のうちのいずれか１つをガス室１１及びノズル５の基端部に連結することにより、ガス粉末混合室２０が構成される。ガス粉末混合部２０として用いる筒状部材を、高さが異なる別の筒状部材に交換することで、粉末供給管１２の先端面１２ａの位置である混合位置とスロート部５ｂの位置との間の混合距離Ｘを変化させることができる。

【0054】

（変形例２）
図９は、本発明の実施の形態の変形例２に係る成膜装置の一部を示す断面図である。本変形例２に係る成膜装置は、図２に示すスプレーガン４の代わりに、図９に示すスプレーガン４Ｂを備える。スプレーガン４Ｂ以外の成膜装置の各部の構成は、上記実施の形態と同様である。

【0055】

図９に示すスプレーガン４Ｂは、図２に示すガス粉末混合室１０、ガス室１１、及び粉末供給管１２の代わりに、ガス粉末混合室３０、ガス室３１、及び粉末供給管３２を備える。ガス粉末混合室３０、ガス室３１、及び粉末供給管３２以外のスプレーガン４Ｂの各部の構成は、上記実施の形態と同様である。

【0056】

ガス粉末混合室３０は、筒状部材からなり、側面には長手方向に沿って複数の貫通孔３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃが形成されている。粉末供給管３２は、これらの貫通孔３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃのいずれかに、変更可能に接続される。図９は、粉末供給管３２が、最もノズル５に近い貫通孔３３Ａに接続された場合を示している。粉末供給管３２が接続されていない貫通孔３３Ｂ、３３Ｃには、高圧ガス及び粉末の漏出を防ぐため、密閉栓３４が嵌め込まれる。粉末供給管３２の先端部は、ガス粉末混合室３０の中心軸近傍において噴射方向がノズル５の長手方向と平行になるように湾曲している。

【0057】

ガス室３１には、ガス供給管８を介して高圧ガスのみが供給される。この高圧ガスは、ガス室３１とガス粉末混合室３０とを仕切る仕切り部材３５に設けられた少なくとも１つのガス通過口３５ａを介して、ガス粉末混合室３０に導入される。

【0058】

このようなスプレーガン４Ｂに対し、ガス室３１に高圧ガスを供給すると共に、粉末供給管３２に材料の粉末を供給すると、粉末供給管３２が接続された貫通孔３３Ａの近傍において、材料の粉末が高圧ガスと混合される。つまり、この貫通孔３３Ａの中心軸とスロート部５ｂを含む面との間の距離が、混合距離Ｘとなる。このようなスプレーガン４Ｂにおいては、粉末供給管３２を接続する貫通孔３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃを変更することで、混合距離を変化させることができる。

【実施例】

【0059】

上記実施の形態に係る成膜装置１において、銅の基材にアルミニウム皮膜を形成する実験を行った。

【0060】

（実験条件）
材料の粉末として、平均粒径が約３０μｍの略球形のアルミニウム粉末を用いた。また、高圧ガスとして、窒素ガスを４５０℃に加熱し、５ＭＰａに加圧してガス室１１に導入した。混合距離Ｘについては、粉末供給管１２の位置をｘ方向に沿って調節して、２４ｍｍ、５４ｍｍ、１５７ｍｍの３種類に設定した。

【0061】

（評価）
５０ｍｍ×５０ｍｍ×１．５ｍｍの銅基材に５００μｍのアルミニウム皮膜を形成したテストピースを作製し、このテストピースからアルミニウム皮膜を剥離する際の剥離強度を測定した。

【0062】

図１０は、剥離強度測定の際に行った簡易引張試験法を説明するための模式図である。図１０に示すように、銅基材４１上にアルミニウム皮膜４２を形成したテストピース４０のアルミニウム皮膜４２側に、接着剤４４を用いてアルミピン４３を固定する。そして、貫通孔４６が設けられた固定台４５上に、アルミピン４３を貫通孔４６に挿通させて載置し、アルミピン４３を下方に引っ張り、銅基材４１とアルミニウム皮膜４２が剥離したときの引張力を剥離強度として評価した。

【0063】

（結果）
図１１は、剥離強度の実測値を示すグラフである。なお、先に示した図５を対比すると、混合距離１５７ｍｍの場合、粉末の温度は４５０℃近傍まで上昇している。それに対し、混合距離５４ｍｍの場合、粉末の温度は１５０℃近傍に留まり、混合距離２４ｍｍの場合、粉末の温度は６０℃近傍に留まっている。図１１に示すように、混合距離を短くすることで、剥離強度が格段に増加したことがわかる。

【0064】

以上説明したように、本実施の形態によれば、混合距離を変化させることで、ノズルから噴射させる材料の粉末及びガスの速度は高速に維持しつつ、材料の粉末の過度が加熱を防ぐことができる。それにより、材料の粉末の軟化や酸化を抑制することができるので、基材に堆積した皮膜の剥離強度を増加させ、緻密で高品質な皮膜を作製することが可能となる。

【符号の説明】

【0065】

１ 成膜装置
２ ガス加熱器
３ 粉末供給装置
４、４Ａ、４Ｂ スプレーガン
５ ノズル
５ａ 先細部
５ｂ スロート部
５ｃ 末広部
５ｄ 貫通路
６、７ バルブ
８ ガス供給管
１０、２０、３０ ガス粉末混合室
１１、３１ ガス室
１２、３２ 粉末供給管
１２ａ 先端面
１３ 粉末供給管支持部
１３ａ ガス通過口
１４ 温度センサ
１５ 圧力センサ
３４ 密閉栓
３５ 仕切り部材
４０ テストピース
４１ 銅基材
４２ アルミニウム皮膜
４３ アルミピン
４４ 接着剤
４５ 固定台
４６ 貫通孔
１００ 基材
１０１ 皮膜

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】