2020 Fiscal Year Research-status Report
Cr/CrN多層コーティング膜を利用した耐エロージョン材料の開発
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20K04160
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| Research Institution | The University of Tokushima |
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Principal Investigator |
米倉 大介 徳島大学, 大学院社会産業理工学研究部(理工学域), 教授 (70314846)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
日下 一也 徳島大学, 大学院社会産業理工学研究部(理工学域), 講師 (70274256)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 多層膜 / エロージョン / アークイオンプレーティング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
令和2年度は，耐エロージョン性に優れた多層膜を実現するため，エロージョン特性に及ぼすCr/CrN多層膜の成膜条件及びCrとCrNの膜厚比（3:7，1:1，7:3）の影響について検討を行った．また，成膜時に生じるドロップレットによって膜中に生じる残留応力が変化するため，CrN単層膜を用いてドロップレットの存在量と残留応力の関係について，その基本関係の検討を行った．検討に際しては，基板材料にA5052アルミニウム合金を用い，アルミナ粒子及びガラスビーズを用いたエロージョン量の測定，損傷面の観察及び残留応力の測定を行った．以下に得られた主な結果を示す．
1. アルミニウム合金基板の場合，-150Vの高いバイアス電圧で成膜した高硬さの多層膜よりも，-20Vの低バイアス電圧で成膜した低硬さの割れにくい多層膜の方がエロージョン量が少なくなった．
2. 多層膜中の高硬さ層であるCrN層の割合が高い膜厚比Cr:CrNが3:7及び1:1の場合は，アルミナ粒子及びガラスビーズ投射が衝突した極初期段階で基板が露出し，エロージョン性に対する効果は小さいことがわかった．これはCr層のき裂進展抑制効果が得られなかったためであると考えられる．これに対し，低硬さの延性層であるCr層の割合が高い膜厚比Cr:CrN=7:3の場合は，明らかに耐エロージョン性が向上し，特にガラスビーズの浸食に対して損傷抑制効果高くなることがわかった．これらの結果から，硬さが高いほど耐エロージョン性が向上するバルク材とは異なり，多層材では軟質なCr層が膜全体に占める割合が耐エロージョン性に大きく影響する可能性があることがわかった．
3. CrN単層材を用いてドロップレットの存在量と残留応力の関係を検討したところ，膜の表面に観察されるドロップレットの面積率が大きくなるに従い，CrN薄膜の圧縮残留応力が減少することがわかった．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
令和2年度の結果より，硬さを増加させるよりも延性層であるCr層の割合を高くすることが多層膜の耐エロージョン性向上に有望であること，成膜時のバイアス電圧も-20Vと通常の成膜条件よりも低くすることで耐エロージョン性を向上できること，膜中のドロップレット量によって残留応力が変わることなどを明らかにできた．特に多層材では軟質なCr層が膜全体に占める割合が耐エロージョン性に大きく影響する可能性があることは重要な知見である．また，投射速度の測定方法も確立し，投射圧力と投射速度の関係についてもデータを揃えている．したがって研究の目的は，当初の計画通り順調に進展していると考えている．
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の方針としては，令和2年度の知見をもとに基板材料にTi6Al4Vを用いたCr/CrN多層膜による耐エロージョン性向上を目指す．特に延性層であるCr層の役割に注目し，Cr層の比率を高めた試験片も用意した上で，そのエロージョン特性の詳細を明らかにする．さらに，エロージョン損傷過程の詳細な観察に加え，多層膜の残留応力について詳細に測定・分析し，膜中のき裂発生・進展抑制挙動に及ぼす残留応力の影響について検討を行う．
以上の検討を通して，多層膜の潜在能力を効果的に引き出し，高い耐エロージョン性を有する多層膜の基本的な設計指針を構築する．
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| Causes of Carryover |
コロナウイルスの感染拡大に伴い，各種学会での講演会が中止もしくはオンラインになり，旅費の使用がなくなった．そのため，旅費の分を物品の購入や分析機器の使用料に充てたが，約4万円の残額が生じてしまった．
次年度使用額は令和3年度に物品費として消耗品の購入に使用する予定である．
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