JPS6283464A

JPS6283464A - 筒状部材内面被覆方法および装置

Info

Publication number: JPS6283464A
Application number: JP22215885A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Yashiki; 矢敷　哲男; Naoharu Fujimori; 直治藤森; Akira Doi; 陽土居
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1985-10-04
Filing date: 1985-10-04
Publication date: 1987-04-16
Also published as: JPH0210860B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は金属、ファインセラミックス等による筒状部材
の被覆に関し、更に詳しく言えば、筒状部材の内面の少
なくとも一部を均一に金属、ファインセラミックス等で
被覆する方法並びにそのための装置に関する。

従来の技術筒状部材の産業上の利用分野は極めて広く、気体、液体
等の流体の輸送用配管、化学反応を伴うプロセス用反応
管、熱交換器等、多岐に亘っている。これらの部材は、
高温、高圧、腐食環境、応力、振動等といった苛酷な条
件下で使用されることが多く、従って、材料としてより
信頼性の高いものを使用することが必要となる。

さらに、これらの管状部材は長尺管として使用されるこ
とが多く、その長さは数ｍから１０ｍ程度である。特殊
な環境に於いては雰囲気中の水素やヘリウムが材料内部
に浸透して材料を脆化さ・ける場合もある。

ところで、これら筒状部材の耐摩耗性、耐食性等を改善
し、該筒状部材の信頼性を高め、これを利用した各種装
置、部材の耐久性等を確保するためには何等かの工夫を
施す必要がある。上記のような目的で使用する筒状部材
を、耐摩耗性、耐食性等に優れたセラミックスで形成す
ることにより目的を達成することができるものと考えら
れるが、セラミックスは加工が困難であり、また機械的
強度、特に靭性等に劣り、更に経済的にも不利である。

従って、一般的には加工の容易性から金属製あるいは有
機高分子材料製のものが主体となっている。

そこで、加工の容易な金属製等の筒状部材を表面処理す
ることが最も有利な解決策であると考えられる。

基板」二への薄膜形成法としては、従来から各種の方法
が提案されており、夫々に固有の利点を生かして、広範
囲の技術分野で応用されている。

しかしながら、従来の技術を用いて被覆を行うに際して
は、被処理部材の形状に大きな制約があり、特に上記の
ような筒状部材の内面」−に被覆処理を施す場合には、
管径が太く、長さの短い、いわゆるアスペクト比の小さ
いものに限られていた。

この様な状況の下で、本発明等は既に、同心円筒状の電
極を用いた、新しいプラズマＣＶＤ法並びに装置を開発
し、既に特許出願しており（特開昭５９−３５６７４号
参照）、該方法並びに装置によって、複雑な三次元形状
を有する被処理部材の表面を均一に薄膜被覆することを
可能とした。この方法は、直径を異にする２つの円筒状
電極を同心状に配置し、これらの円筒電極間の空間内で
プラズマを発生させ、該空間内に被処理部材を挿入支持
しておくことを特徴とするものである。

さらに、本発明者等は、該プラズマＣＶＤ装置に技術的
、設備的改良を加え、筒状部材の内外面の少なくとも一
部に均一なファインセラミ・ノクス被覆を施す技術を確
存し、現在特許出願中である（特願昭６Ｏ−３９８４４
ｉ号）。この方法は、−上記特開昭５９−３５６７４号
公報に開示されたような同心固状に配置された円筒状電
極の一方の極として筒状被処理部材を利用することを特
徴とするものであり、該方法により、直径３０ｍｍ以−
１−１長さ２ｍ以下の筒状′部材の内外面に均一なファ
インセラミックスの被覆を形成することが可能となった
。

発明が解決しようとする問題点以上述べたように筒状部材の応用範囲は極めて広く、ま
た苛酷な条件下で使用されるものが多い。

そこで、このような部材の該特性を改善し、より信頼性
の高い、また苛酷な条件下でも安定な製品の開発が必要
となる。そのための１つの策としてはセラミックスなど
を表面に被覆することが有利であるが、いわゆるアスペ
クト比の大きな筒状部材の内面を被覆するための有利な
方法は今のところ知られていない。また、核燃料被覆管
などのように極めて特殊な環境において使用される場合
にも水素やヘリウムによる管の損傷を防止し、原子炉等
の安全性、信頼性を高めるためにもこのような技術が必
要となる。

尚、上記の本発明者等の筒状部材の被覆方法でも適用可
能なアスペクト比の範囲は限られており、これを更に改
善し、よりアスペクト比の大きな部材にまで適用できる
方法の開発が望まれる。

こうした用途に使用される筒状部材、特に長尺細管の内
面被覆に有利に利用でき、その信頼性、耐久性等を向上
させることができ、しかも上記のような特殊な環境にお
いても使用でき、水素脆化、ヘリウム損傷等を解決し得
る被覆方法を開発することは、各種筒状部材の適用範囲
を拡大するためばかりでなく、このような筒状部材を必
要とする装置等を小型化するためにも大きな意義がある
。

そこで、本発明の目的はアスペクト比の大きな長尺細管
にも適用できる筒状部材の被覆方法を提供することにあ
る。

また、本発明の他の目的は水素脆化の原因となる水素ガ
スを被覆雰囲気成分として必ずしも必要としない筒状部
材の内面被覆法を提供することにある。

本発明の更に別の目的は、上記筒状部（イの内面被覆方
法を実施するのに有利な装置を提供することにある。

問題点を解決するための手段本発明者等は上記目的を達成すべく種々検討した結果、
被処理基材である筒状部材の内部に原料の供給装置を挿
入し、原料を供給しながら、該供給装置の先端部付近に
原料の分解または蒸発手段を設け、供給された原ネ°ｌ
を活性化しながら被覆を行うことが、細径長尺管の内面
を均一に被覆する上で極めて有利である事を見出した。

本発明はこのような知見に基づき完成されたものである
。

即ち、本発明の筒状部材内面の被覆方法は、真空条件下
に置かれた筒状被処理部材の内部に蒸着源を挿入し、そ
こから原料を導入すると共に分解または蒸発させ、該被
処理物表面を蒸着膜で被覆する方法であり、蒸着領域を
蒸着源の移動によって移動させ、該被覆処理物の内面の
少なくとも１部を被覆することを特徴とする。

本発明の特に好ましい方法は、上記原料の分解・蒸発操
作中に、グロー放電発生電源を動作させてグロー放電を
励起し、導入原料を活性化することを含む。

本発明の方法において、グロー放電励起源としては、直
流電源、商用周波数電源、高周波電源、マイクロ被電源
またはこれらのうちの２種以上を１重畳させた電力を用
いる事が出来る。

また、被覆層は各種の金属、セラミックス等からなる群
から選ばれる少なくとも１種又はそれらの混合物であり
得る。この様な被覆層形成原料としては、Ｔｉ、　Ｍ、
　Ｗ、　　Ｖ、　Ｔａ、　Ｉｆｆ　Ｚｒ等の金属等並び
にＴｉＣ，ＴｉＮ、ＷＣ，ＶＣ，ＴａＣ，ＴａＮ、Ｈｆ
Ｃ。

１１ｆＮ、Ｚｒｃ等の導電性化合物のパイプ、窒素源と
してのＮＨ３，Ｎ２等、炭素源としてのＣＨ，、ＣＺ　
Ｈ２など、酸素源としてのＣｏ２及びＡｒ等が使用でき
る。

上記の金属管もしくは導電性化合物のパイプについては
、原料の選択が許される場合にはパイプの作成の容易さ
並びに取扱いの容易さ等の観点から、金属パイプを用い
ることが好ましい。

これら被覆層形成用ガス原１’ｌの供給方法としては、
パイプの内部を通してその先端部から放出されるように
実施できる。

これらの原料の分解・蒸発は、導電性パイプ（これが原
料自体の１つとなる。以下同様。）と、該パイプ先端部
近傍に設けられた電極との間に電圧を印加することによ
り発生ずるアーク放電により、あるいはフィラメントか
ら放出され、これと金属線との間に印加された電位によ
り原料に流入する熱電子により行うことができる。

本発明は、また上記のような筒状被処理部）Ａ、特に長
尺細管にも適用可能な、内面被覆方法を実施するための
装置にも係り、該装置はυト気系を備えた真空槽と、該
真空槽内に配置される被処理部材の支持手段と、該部材
内に挿入されその内面に蒸着層を形成するための、蒸着
源とを備えたものである。

上記蒸着源は、被覆層形成用原料供給用導電性パイプと
、該パイプ先端近傍に設けられたフィシメントまたは電
極と、該フィラメントに、あるいはフィラメントまたは
電極と金属線との間に電圧を印加するための電源とから
主になっている。

また、上記金属線、フィラメントまたは電極と、被処理
部材との間にグロー放電を励起するための電源を設ける
こともできる。

作　　　用筒状部材細径長尺管の内面被覆に適した方法は従来知ら
れていなかったが、本発明によって内径５０ＩＩＩＩ１
１、長さ２０ｍ程度のアスペクトの大きなものまで均一
な被覆層を形成することが可能となった。

また、従来のプラズマＣＶＤ法などにおいて問題となっ
ていた水素化物形成による皮膜あるいは被処理部材の脆
化の問題も回避することが可能となる。

本発明の方法は、例えば第１図に示すような構成の蒸着
源を用いて有利に実施できる。第１図から明らかなごと
く、この蒸着源は被覆層形成用原料供給用パイプｌと、
該パイプの上端近傍に配置されたフィラメント３と、そ
の駆動電源４と、フ】　２イラメント３と金属管１との間に電圧を印加するための
直流電源８およびグロー放電励起電源９から構成されて
いる。電源９は被処理部材２との間にグロー放電を励起
し得るようになっている。

この態様では上記のように、被覆層形成用原料ガスの加
熱分解は上記フィラメント３から放出される熱電子５に
より得ることができ、また、被覆層形成用原料パイプ１
は、フィラメント３と該パイプとの間に印加する直流電
圧で該熱電子５を該パイプに集め、これによる発熱によ
って該パイプ１を蒸発させる事により所定の蒸着膜を被
処理部材２の内面に堆積することができる。

原料の供給量は、ガス体７の場合にはその流量を調節す
ることにより、また金属又は導電性化合物１の蒸発量は
フィラメント３への印加電力、電子の加速電圧８および
パイプ１の直径及び肉厚によりコントロール出来る。

更に、グロー放電励起電源９により、パイプ１と被処理
部材２の間にグロー放電を励起し、反応ガス７及び蒸発
物質６を励起させ、被膜の性質を向上する事ができる。

また、本発明の蒸発源の別の態様を第２図に示した。こ
の蒸発源は第１図のフィラメント３の代わりにアーク放
電々極１０が使用される。その他の部分は第１図と同様
であり、同一番号を付して説明の代わりとする。このも
う一つの態様によれば、ガス体はパイプ１によって供給
され、その先端近傍に設置したアーク放電々極１０との
間に直流電圧８を印加する事によりアーク放電１１を生
ぜしめ、これによる発熱によって金属又は導電性化合物
を蒸発さセ、あるいはガス状原料を分解させることによ
り所定の蒸着膜を被処理部材内面に堆積することができ
る。

原料の供給量についてはガス体７についてはその流量を
、またパイプ１の蒸発量はアーク放電々極１０とパイプ
１に印加する電力およびパイプ１の直径及び肉厚を調節
することによりコントロールすることが出来る。また、
グロー放電励起電源９により、パイプ１と被処理部材２
の間にグロー放電を励起し、反応ガス７及び、蒸発金属
６を励起さ廿、被膜の性質、特に緻密性、密着性などを
向上することができる。

また、本発明によれば、上記２つの態様に於いて、被処
理部材の加熱を必要とする場合には、加熱装置を用いて
被覆領域を所期の温度に加熱する事が出来る。即ち、例
えば該加熱装置は筒状被処理部材の外側に設置される温
度センサーおよびヒーターとこれを筒状部材の軸方向に
移動させる事の出来る駆動機構と、さらに系外に設置す
る温度制御装置、ヒーター用電源、駆動部制御装置から
なる。

実施例以下、実施例によって本発明の方法並びに装置を更に具
体的に説明すると共に、その奏する効果を実証する。し
かしながら、本発明の範囲は以下の実施例によって何隻
制限されない。

実施例１材質５ＫＤ−１１で外径１２０ｍｍ、内径１１２ｎ＋Ｉ
＋＋、長さ２（１００ｍｍの管状被処理部材の内面を窒
化チタン（ＴＩＮ）で被覆する為に第１図で示した装置
を用いた。原料としては直径５ｍ／ｎ＋、肉厚０．５ｍ
１０＋の金属チタン、窒素、水素を用いた。処理中の真
空度Ｉ　Ｘ　１０−’Ｔｏｒｒ、フィラメント電力５（
１０ｗ、フィラメント−ＴＩ骨管間電圧１（１０ｖ、電
流３Ａ、ＴＩ骨管被処理材間に１３．５６ＭＨｚの高周
波（３（１０ｗ）を印加して、２時間の処理で管内面に
均一に約１０μｍのＴｉＮを被覆することができた。

実施例２材質ジルカロイ−４で外径５５ｍｍ、内径５０１１長さ
１（１００ｎｖの管状被処理部材７の内面をアルミニウ
ムで被覆する為に、第２図で示した装置を用いた。

原料としては直径３ｎ＋／ｍ肉厚０．３ｍ／ｍの金属Ｍ
管、アルゴンを用いた。処理中の真空度Ｉ　Ｘ　１０”
’Ｔｏｒｒ、アーク電極とＷ線間の電圧１０Ｖ、電流５
０Ａ、アーク電極と被処理部材間の電圧ＩＫＶ、電流５
ｍＡで１時間処理したところ、管内面を約２μｍの均一
なＭで被覆することができた。

発明の効果以上詳しく説明したように、本発明の方法並びに装置に
よれば、長尺細径の、いわゆるアスペクト比の大きな筒
状被処理部材の内面の少なくとも１部に均一な、金属、
ファインセラミックス等の被覆を有利に形成することが
可能となる。これは、本発明に従う蒸着源を用いて、こ
れを被処理部材内に挿入し、原料を局部的に供給すると
共に、被膜形成も局部的に行い、上記部材の中心軸に沿
って蒸着源の消耗に従って蒸着領域を移動させつつ行う
ことで可能となった。

また′、本発明においては、必ずしも水素脆化の原因と
なる水素ガスを被覆雰囲気成分をする必要がないので、
被処理部材、被膜の水素脆化を防止できる。

更に、本発明の好ましい態様によれば被処理部材は、原
料の分解・蒸発手段としてのフィラメント、金属管、あ
るいはアーク放電々極との間にグロー放電を励起させる
ので、得られる膜は緻密性、下地金属などとの密着性に
優れており、従って被処理部材の応用範囲は大巾に拡大
されることとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は夫々本発明に関わる被覆装置の、特に
蒸着源を説明する為の模式的な縦断面図である。（主な参照番号） ■・・金属又は導電性化合物のパイプ２・・被覆処理部材３・・フィラメント４・・フィラメント加熱電源５・・熱電子６・・蒸発金属７・・原料ガス８・・熱電子捕集用電源９・・グロー放電励起用電源１０・・アーク放電々極１１・・アーク放電第２図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）真空条件下に置かれた筒状被処理部材内部に挿入
した蒸着原料の一つとなる導電性パイプにより、局部的
に被覆層形成用原料を供給し、原料供給部分で局所的に
原料を分解または蒸発することにより、上記被覆処理部
材内面に部分的に蒸着膜を堆積する操作を、該被覆処理
部材の中心軸に沿ってその内面の長尺方向に該パイプの
消耗に従って移動しつつ行うことを特徴とする筒状部材
内面の少なくとも一部の被覆方法。
（２）上記被覆層形成用原料ガスがＮＨ＿３、Ｎ＿２、
ＣＨ＿４、Ｃ＿２Ｈ＿２、ＣＯ＿２およびＡｒの少なく
とも１種から選ばれることを特徴とする特許請求の範囲
第１項記載の筒状部材内面の被覆方法。
（３）上記被覆層形成用原料ガスの供給を、上記被覆処
理部材の内部に挿入した導電性パイプを通して行い、該
原料の分解・活性化を該パイプ先端近傍を加熱すること
により行うことを特徴とする特許請求の範囲第２項に記
載の筒状部材内面の被覆方法。
（４）上記加熱を上記導電性パイプ先端近傍のフィラメ
ントから放出され、該フィラメントと該パイプとの間に
印加された直流電圧によって加速される電子ビームによ
って行うことを特徴とする特許請求の範囲第３項に記載
の筒状部材内面の被覆方法。
（５）上記原料の供給を上記被覆処理部材の内部に挿入
した導電性パイプを通して行い、該原料の分解・活性化
を該パイプの先端付近に設置した電極と該パイプとの間
に電圧を印加し、発生するアーク放電によって行うこと
を特徴とする特許請求の範囲第３項に記載の筒状部材内
面の被覆方法。
（６）上記被覆層形成用原料がＴｉ、Ａｌ、Ｗ、Ｖ、Ｔ
ａ、Ｈｆ、Ｚｒ等の金属および導電性化合物のパイプか
らなる群から選ばれることを特徴とする特許請求の範囲
第１項記載の筒状部材内面の被覆方法。
（７）上記金属および導電性化合物原料の蒸発を該パイ
プの先端付近に設けられたフィラメントから放出され、
フィラメントと原料との間に印加された直流電圧によっ
て該原料パイプに流入する電子ビームによって行うこと
を特徴とする特許請求の範囲第６項記載の筒状部材内面
の被覆方法。
（８）上記導電性化合物原料の加熱を、上記導電性パイ
プの先端付近に設置された電極と該導電性パイプとの間
に電圧を印加し、発生するアーク放電によって行うこと
を特徴とする特許請求の範囲第６項記載の筒状部材内面
の被覆方法。
（９）前記分解または蒸発操作を、前記フィラメント、
アーク放電々極または導電性パイプと、上記被処理部材
との間に直流高電圧、交流高電圧、高周波電力、マイク
ロ波電力のいずれかを、もしくはこれを重畳したものを
印加した状態で実施することを特徴とする特許請求の範
囲第１〜８項のいずれか１項に記載の筒状部材内面の被
覆方法。
（１０）排気系を備えた真空槽と、該真空槽内に配置さ
れる筒状被処理部材の支持手段と、該部材内に挿入され
、その内面に蒸着層を形成するための、蒸着源とを含む
、上記筒状部材の被覆装置。
（１１）上記蒸着源が被覆層形成原料供給用金属パイプ
又は導電性化合物パイプと、該パイプ先端部近傍に設置
された加熱フィラメントおよびその駆動電源を含むもの
であることを特徴とする特許請求の範囲第１０項記載の
筒状部材の被覆装置。
（１２）上記金属又は導電性化合物とフィラメントとの
間に電圧を印加するための直流電源を有することを特徴
とする特許請求の範囲第１１項記載の筒状部材の被覆装
置。
（１３）上記蒸着源が、被覆層形成原料供給用金属又は
導電性化合物のパイプと、該パイプの先端近傍に設置さ
れた電極と、これと上記パイプとの間にアーク放電を生
ずるための電源とを含むことを特徴とする特許請求の範
囲第１０項記載の筒状部材の被覆装置。
（１４）上記フィラメント、アーク放電電極または導電
性パイプと、上記被覆処理部材との間にグロー放電を励
起する為の電源を含むことを特徴とする特許請求の範囲
第１０〜１３項のいずれか１項に記載の筒状部材の被覆
装置。
（１５）上記電源が直流高圧電源、交流高圧電源、高周
波電源またはマイクロ波電源であることを特徴とする特
許請求の範囲第１４項記載の筒状部材の被覆装置。