JP4971567B2 - 超合金基板上に結合下地層を有する熱障壁を形成する保護コーティングを作るための方法、及び該方法によって得られる部品 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱障壁を形成する保護コーティングを備えた金属基板から成る部品の製造に関する。
【０００２】
本発明の適用分野は、高温においてその機械的な特性を維持できる部品、特にターボジェットエンジンのためのタービンブレードなどのガスタービン部品の製造である。
【０００３】
【従来の技術】
ガスタービンの性能、特に効率を向上するためには、ガスタービンをできる限り高温で駆動させることが望ましい。熱い部分用の部品を製造するために、超合金を使用することは良く知られている。一般に、超合金は、主成分であるニッケルと、通常、クロム、コバルト、アルミニウム、モリブデン、チタン、タンタル等から選択される追加の元素とを含む。
【０００４】
そのような部品の金属基板に、熱障壁を構成する保護コーティングを設ければ、動作温度を更に高めることができる。
【０００５】
この目的のために、セラミック外層と、金属結合下地層（ｍｅｔａｌｌｉｃ ｂｏｎｄｉｎｇ ｕｎｄｅｒｌａｙｅｒ）、特にアルミニウムやプラチナ等の他の金属を含む下地層とを備えた、多層保護コーティングを形成することが知られている。
【０００６】
超合金基板とセラミック外層との間に挿入される結合下地層は、以下の機能、すなわち、
外側セラミック層の保持力を高める付着特性（ａｄｈｅｓｉｖｅ ｐｒｏｐｅｒｔｙ）を有するアルミナ膜を、その表面上に形成して維持することができる機能と、
外側のセラミック層を透過する周囲の任意の媒体中の酸素による酸化に起因して、基板が腐食してしまうことを防止する機能と、
アルミナ膜を汚染して、結合下地層と外側セラミック層との間の界面に悪影響を与える、すなわち界面での付着性に悪影響を与える虞がある、金属基板の元素に対して拡散障壁を構成する機能と、
を果たすのに役立つ。
【０００７】
イットリウム、セリウム、ハフニウム、ランタニド等の反応元素を、結合下地層中に含有すれば、拡散障壁機能が強化され、「付着」アルミナ膜の持続性が高まる。
【０００８】
物理的蒸着法を使用して、例えばプラズマスパッタリングを使用して、基板との反応を生じさせることなく、ＭＣｒＡｌＹタイプ（ここで、Ｍは、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏなどの金属）の結合下地層を形成することが知られている。この場合、結合下地層と基板との間の密着性は、機械的な性質を有する。一例として、文献ＵＳ４０５５７０５およびＵＳ５８２４４２３を参照することができる。それにもかかわらず、耐熱性の下地層を得るためには、比較的厚い、一般的には、重量が嵩む少なくとも５０マイクロメートル（μｍ）から１００μｍの厚さが必要である。
【０００９】
他の知られた方法では、その耐熱性に起因して厚さを薄くできる金属間化合物によって、結合下地層が形成される。アルミニウムとプラチナとを含む金属間化合物が、良好な特性を有することが分かっている。
【００１０】
したがって、米国特許第５７１６７２０号は、ニッケル系超合金基板上に電解によりプラチナ層を形成した後、摂氏１０００度を越える温度でアルミニウム蒸着を行なう方法を開示している。ニッケルが基板から結合下地層内に拡散する。例えば物理的蒸着法によって得られたイットリウムジルコニアから、セラミック外層を形成する前に、熱処理によって、アルミナ膜が結合下地層の表面上に形成される。アルミニウム蒸着中に、結合下地層内に反応元素を含有することができる。
【００１１】
米国特許第５２３８７５２号は、金属間化合物、特にアルミニウムおよびプラチナの金属間化合物を含む、結合下地層を超合金基板上に形成する他の方法を開示している。結合下地層は、９８５℃を超える温度でパックセメンテーション（ｐａｃｋ ｃｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ）を行なうことにより形成され、２５μｍを超える厚さを有する。セラミック外層、例えば物理的蒸着法（ＰＶＤ法）によってイットリウムジルコニアの層を形成する前に、結合下地層の表面上に酸化によってアルミナ膜が形成される。
【００１２】
欧州特許出願ＥＰ０９８５７４４は、電子蒸着もしくは化学的気相成長法（ＣＶＤ法）によって、ニッケル系超合金基板上にプラチナ層を形成するとともに、ガス状のハロゲン化物から成り且つプラチナ層中に拡散するアルミニウム層を堆積させる、更なる他の方法を開示している。各堆積工程の後、１０５０℃を超える温度で熱処理を行なうことによって、脱硫および表面デスケーリング（ｄｅｓｃａｌｉｎｇ）が成され、これによって、得られた結合下地層の表面に成長するアルミナ膜の付着性に悪影響を与える硫黄が除去される。１０５０℃を超える温度では、基板からの元素が、結合下地層中に拡散することは避けられない。
【００１３】
また、プラチナとアルミニウムとから成る結合下地層を形成する方法は、米国特許第５８５６０２７号に記載されている。任意の反応元素とともに、ＣＶＤ法によりアルミニウムを堆積させる前に、電子蒸着によってプラチナ層が超合金基板上に形成される。それによって得られた下地層は、基板から拡散されたニッケルが存在する内部拡散領域を有する。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
これらの知られた方法によって結合基板が形成される手法は、基板との相互作用を生じる。本出願人は、結合下地層中に拡散する超合金基板の様々な元素が、特に結合下地層の表面上に成長するアルミナ膜に悪影響を与える虞がある望ましくない析出物を形成する可能性があることを突き止めた。また、結合下地層の組成を正確に制御することは困難である。
【００１５】
本発明の目的は、アルミニウムと少なくとも１つのプラチナ系金属とを含む化学的に安定した金属間化合物によって形成される結合下地層を有する保護コーティングを、超合金基板上に形成して熱障壁を形成できる方法を提供することである。前記結合下地層は、制御可能な組成から成るとともに、比較的薄い厚さを有することができる。また、前記結合下地層は、基板の元素が結合下地層内に拡散するような基板との相互作用を実質的に起こすことなく形成されるとともに、外側セラミック層を結合するのに適した持続性のある薄いアルミナ付着膜を、その表面に形成することができる。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、この目的は、物理的蒸着法（ＰＶＤ）を使用して、複数のアルミニウム層とプラチナ系金属層とを交互に堆積させるとともに、それによって得られた層の金属同士の間で発熱反応を引き起こすことによって結合下地層を形成する、ことにより達成される。
【００１７】
用語「プラチナ系」は、ここでは、プラチナ、パラジウム、レニウム、ルテニウム、オスミウム、イリジウムによって構成されるグループを意味するために使用される。
【００１８】
物理的蒸着法において、基板は、堆積される元素を含む雲状の蒸気と単に接触されることによって加熱される。したがって、基板の温度は、比較的低く、実際には７００℃を超えない。すなわち、基板は、形成される堆積物中に基板の元素が拡散し易くなる温度を、十分に下回る温度に維持される。
【００１９】
物理的蒸着法によれば、堆積された各層の厚さを制御することができるため、基板から拡散する元素が全く無く或は殆ど無ければ、堆積されるプラチナ層の厚さとアルミニウム層の厚さとの間の比によって決定される、正確に制御された組成の結合下地層を形成することができる。
【００２０】
本発明の方法の特徴によれば、各層が堆積されると直ぐに、熱処理が行なわれ、堆積された層の金属間反応により金属間化合物が形成される。
【００２１】
基板から元素が拡散しないように、熱処理は９００℃以下の温度で行なわれることが望ましい。
【００２２】
また、熱処理は、非酸化雰囲気下、すなわち、真空もしくは不活性雰囲気下で行なわれることが望ましい。
【００２３】
本発明の他の特徴によれば、結合下地層の全厚さは、５０μｍよりも薄く、一般的には、３μｍから３０μｍの範囲である。この厚さは、従来の下地層の厚さよりも遥かに薄い。
【００２４】
各層、少なくともアルミニウム層は、２０００ナノメータ（ｎｍ）よりも薄い厚さを有しており、好ましくは１５００ｎｍ以下の厚さであり、２００ｎｍ以下の厚さも可能である。
【００２５】
したがって、各層の数を、数個から、一般的には３個から、数十個あるいは数百個まで変化させることができる。
【００２６】
所定の全厚において、層数が比較的少ない場合、その結果として得られるコーティング内で、結合下地層は、積層された形態を維持するが、その付着作用が十分ではない。
【００２７】
しかしながら、同じ全厚において、層数が比較的多い場合、その結果として得られる金属間化合物の結合層は、均一な構造を与える。
【００２８】
堆積時の各プラチナ層の厚さは、堆積工程の全体にわたって、一定に維持することができ、あるいは変化させることができる。同様のことが、堆積時の各アルミニウム層の厚さにも当てはまる。特に、各層の厚さが比較的薄い、いくつかの一連のアルミニウム層およびプラチナ層を堆積することができる。この場合、これらいくつかの一連の層は、各層の厚さが比較的厚い少なくとも１つのプラチナ層および１つのアルミニウム層によって、互いに離間される。これにより、熱処理後、結合下地層は、互いに離間する連続する均一な相形態を呈する。
【００２９】
また、以上のことを組み合わせ、堆積工程の全体にわたって、堆積時のプラチナ層の厚さとアルミニウム層の厚さとの間の比を一定にし、あるいは、変化させることができる。これにより、最終的に得られる金属間化合物は、結合下地層の厚さの全体にわたって一定もしくは変化する組成を有するようになる。
【００３０】
各層は、物理的蒸着法（ＰＶＤ）によって、例えば、電子照射下での蒸発、プラズマを伴う或は伴わないアーク放電下での蒸発によって、あるいは、少なくともプラチナ系金属源から成る第１のターゲットとアルミニウム源から成る第２のターゲットとを使用した陰極スパッタリングによって形成される。
【００３１】
本発明の方法の他の特徴によれば、アルミニウムおよびプラチナ系金属に加えて、例えばイットリウム、ジルコニウム、ハフニウム、ランタニドから選択される少なくとも１つの反応元素が、結合下地層中に含まれるように堆積される。反応元素は、例えば合金源を使用して、アルミニウムおよび／またはプラチナ系金属とともに堆積することができる。
【００３２】
本発明の方法の他の特徴によれば、耐熱性を更に向上するために、アルミニウムおよびプラチナ以外の他の少なくとも１つの金属、例えばＲｅ、Ｎｉ、Ｃｏから選択される金属を堆積させることができる。この別個の金属は、別の層内に堆積させることができ、あるいは、任意の反応元素とともに堆積することができる。
【００３３】
また、本発明は、前述した方法によって得られる種類のガスタービン部品を提供する。特に、本発明は、超合金基板と、基板上に形成され且つアルミニウムおよびプラチナ系金属を含む金属間化合物によって形成される結合下地層と、結合下地層の表面上に形成されるアルミナ付着膜と、アルミナ付着膜上に固定されるセラミック外側コーティングとを備えたガスタービン部品であって、結合下地層部分の厚さが、５０μｍよりも薄い、好ましくは３０μｍよりも薄いガスタービン部品を提供する。
【００３４】
際立った特徴によれば、結合下地層には、基板から拡散する元素が無い。すなわち、一般的に利用可能な分析技術を使用しても、基板からの元素の存在を検出することができない。
【００３５】
本発明は、添付図面を参照しつつ、非限定的に記載された以下の説明を読めば、良く理解することができる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下の説明は、超合金基板と保護コーティングとを含む部品の製造に関するものである。保護コーティングは、基本的にアルミニウムとプラチナとを含む金属間化合物によって形成される結合下地層と、結合下地層の表面で成長する付着アルミナ膜によって固定されるセラミック外層とを有している。
【００３７】
しかしながら、本発明は、基本的にアルミニウムとプラチナとによって形成される金属間化合物の製造に限定されず、プラチナが、他のプラチナ系金属あるいはプラチナ系金属合金に取って代えられる化合物も対象としている。前述したように、用語「プラチナ系」金属とは、ここでは、プラチナ、パラジウム、レニウム、ルテニウム、オスミウム、イリジウムから選択される金属を意味するために使用される。
【００３８】
図１は、保護コーティングが施された超合金基板１０から成る部品の極めて概略的な部分断面図である。
【００３９】
保護コーティングは、基板の表面から順に、結合下地層１２と、結合下地層を覆うアルミナ膜１４と、アルミナ膜に結合されたセラミック外層１６とを備えている。
【００４０】
結合下地層１２は、アルミナ膜１４と協働して、基板とセラミック外層との間に結合作用を与える。また、結合下地層１２は、基本的には、Ｐｔ_８Ａｌ_２１、ＰｔＡｌ_２、Ｐｔ_２Ａｌ_３、ＰｔＡｌ、Ｐｔ_５Ａｌ_３またはこれらの混合物など、アルミニウムとプラチナとの金属間化合物によって形成されている。
【００４１】
保護コーティングの作用に有害となる虞がある基板元素に対して拡散障壁を与える機能を補強するために、また、アルミナ膜１４の持続性を促進するために、他の元素、特に、イットリウム、ジルコニウム、ハフニウム、ランタニドから選択される反応元素を加えることもできる。コーティングの耐熱性を向上させる有益な効果を得るために、レニウム、ニッケルおよび／またはコバルト等の他の金属を加えることもできる。
【００４２】
アルミナ膜１４は、拡散障壁のアルミニウムを酸化することによって形成される。この酸化によって、アルミナ膜１４の腐食が防止される。また、アルミナ膜１４は、その「付着」性によって、セラミック外側コーティング１６を結合するようになっている。
【００４３】
セラミック外側コーティング１６は、基本的に、断熱作用を与えるようになっている。セラミック外側コーティング１６は、ジルコニア、イットリウム酸化物、イットリウムを含むジルコニア等の高融点酸化物である。セラミック外側コーティング１６は、それ自体良く知られた物理蒸着法（ＰＶＤ）、例えば電子ビーム蒸発、プラズマアシスト蒸発等によって形成することができる。
【００４４】
本発明の方法は、主に、結合下地層１２の形成に関する。
【００４５】
結合下地層は、基本的には、プラチナとアルミニウムとの交互により構成される複数の個々の層によって形成されている。
【００４６】
基板上に堆積される最初の層は、基本的にプラチナから構成される層であることが望ましい。これは、プラチナが、アルミニウムよりも金属基板中に拡散し難いからである。また、同様に、最後の層も、基本的にプラチナから構成される層であることが望ましい。これは、結合下地層の製造の最後においてプラチナが空気中で或いは酸素の分圧下で酸化し難いからである。
【００４７】
方法の一実施形態（図２）においては、Ｎ回の個々のシーケンスが、連続的に行なわれる。各シーケンスは、プラチナの層を堆積する段階２０と、この段階２０に続いて行なわれるアルミニウムの層を堆積する段階２２とから成る。Ｎ回のシーケンスが完了した後、直ちに、最後のプラチナ層を堆積する段階２４が行なわれる。したがって、堆積される層の総数は、２Ｎ＋１となる。ここで、Ｎは１以上の整数である。
【００４８】
その後、熱処理段階２６が行なわれ、積層された層のプラチナとアルミニウムとの間の発熱反応によって、金属間化合物が形成される。熱処理は、９００℃を超えない例えば約７００℃の適度な温度で行なわれる。これにより、金属間化合物に隣接する金属基板からの元素の拡散が抑制される。熱処理は、非酸化雰囲気、例えば真空下または不活性雰囲気下で、０．５時間から３時間、例えば約２時間行なわれる。熱処理中、任意の一層中のアルミニウムは、隣接するプラチナ層中に拡散する。その結果生じた結合下地層の表面には、次に行なわれる酸化媒体に晒す工程で、アルミナの薄膜が成長する。
【００４９】
その後、アルミナ膜の成長に伴い、結果として生じた結合下地層上に、外側セラミック層が形成される（段階２８）。
【００５０】
少なくともアルミナの各層は、２０００ｎｍよりも薄い厚さ、好ましくは１５００ｎｍよりも薄い厚さを有するように形成される。この厚さは、この閾値をかなり下回るように、例えば２００ｎｍを下回るように選択することができる。熱処理後に均一な構造、すなわち、重ね合された層に積層された結合下地層の形跡が全く残らない構造を得ることが望ましい場合に、そのような比較的薄い厚さが選択される。
【００５１】
シーケンスの回数Ｎは、結合下地層にとって望ましい、各層の厚さ及び全体の厚さに応じて決定される。この全体の厚さは、層の数２Ｎ＋１を、数個から数十個あるいは数百個にわたって変えることができるように、５０μｍよりも小さいことが望ましく、一般的には、３μｍから３０μｍの範囲に設定される。
【００５２】
堆積される各プラチナ層の厚さと各アルミニウム層の厚さとが、異なっていても良いことは言うまでもない。この場合、プラチナ層の全体の厚さとアルミニウム層の全体の厚さとの間の比は、金属間化合物にとって望ましい化学量論的な比の関数である。プラチナ層の厚さとアルミニウム層の厚さとの間の比は、一定に維持されても良く、あるいは、堆積プロセス中に制御された態様で変化されても良い。プラチナ層の厚さとアルミニウム層の厚さとの間の比を堆積プロセス中に変化させると、熱処理後、金属間化合物の組成が、その厚さ内で変化する結合下地層が得られる。プラチナ層の厚さとアルミニウム層の厚さとの間の比を、所定の値に維持しつつ、プラチナ層およびアルミニウム層の両方の厚さを、堆積プロセス中に変化させることができることは言うまでもない。
【００５３】
方法の一実施形態において、プラチナおよびアルミニウムの各層は、陰極スパッタリングによって堆積される。この方法により、堆積される多量の金属にわたって、すなわち、各層の厚さにわたって、非常に正確な制御を得ることができる。
【００５４】
図３は、方法を実施するのに適した陰極スパッタリング装置の実施形態の極めて概略的な図である。
【００５５】
固体試料の形態を成すプラチナ源およびアルミニウム源を構成するターゲット３０、３２は、密閉チャンバ３４の内壁の両側に固定されている。コーティングされる部品３６すなわち超合金基板は、チャンバ３４の内側に回転可能に装着された部品支持体３８上に固定されている。
【００５６】
支持体３８の動作は、プログラムされた制御ユニット４０によって制御される。制御ユニット４０は、支持体３８を駆動するモータ（図示せず）を作動させて、基板３６をターゲット３０、３２に交互に対向させる。
【００５７】
チャンバ３４が真空引きされると直ぐに、管路を介してアルゴンがチャンバ内に導入され、チャンバ内の圧力が、約１パスカル（Ｐａ）（すなわち、１０^−２ミリバール（ｍｂａｒ））の値に調整される。
【００５８】
金属基板と対向するターゲットとの間に電位差を与えることにより、チャンバ内に含まれるガスが電離され、これにより、プラズマ４２が形成される。アルゴンイオンは、ターゲットの方へと加速されて、その衝撃エネルギの作用下で金属原子を跳ね飛ばす。そして、跳ね飛ばされた金属原子が、基板上に堆積されるようになる。
【００５９】
前述したように、アルミニウムの陰極スパッタリングは、３５０ワット（Ｗ）から４５０Ｗの電力で、ターゲットに高周波（ＲＦ）電圧を印加することによって達成できる。プラチナの第１の層と基板との間の結合性を高めるために、最初において、基板を、例えば−５０ボルト（Ｖ）から−１５０Ｖのマイナス電位に設定することもできる。その後の各層の堆積中に、基板の電位がグランド電位に戻される。
【００６０】
アルミニウムの陰極スパッタリングにおいては、例えば−２５０Ｖから−３５０Ｖの範囲のＤＣ電圧をターゲットに印加することにより、ターゲットが励起される。
【００６１】
基板３６およびターゲット３０、３２へのバイアス、および、各堆積段階の持続期間は、所定のプログラムにしたがって制御ユニット４０により制御され、これにより、所望の組成および全厚さを有する結合下地層が得られる。
【００６２】
１または複数の別のターゲットを使用することによって、少なくとも１つの別の金属および／または少なくとも１つの反応元素を、結合下地層内に堆積させることができる。
【００６３】
結合下地層の厚さの全体にわたって均一な状態で、別の金属および／または反応元素を導入するため、基板の位置決めを適切に制御することにより、プラチナ層およびアルミニウム層のセット間に、個々の層を一定の間隔で形成することができる。
【００６４】
別個の金属源および／または反応元素源を、プラチナ源およびアルミニウム源の一方および／または他方に結合させることもできる。
【００６５】
堆積される別個の金属および／または反応元素が、プラチナ中またはアルミニウム中に混入されて成る、プラチナ合金源および／またはアルミニウム合金源を使用することもできる。この場合、合金の組成比は、結合下地層中に導入される別個の金属および／または反応元素の相対的な量に応じて選択される。
【００６６】
陰極スパッタリング以外の物理的蒸着法を使用することができ、それによって、厚さが非常に薄い個々の層を形成することができ、それらの層の組成にわたって正確な制御を得ることができる。一例として、そのような他の方法は、プラズマを伴うあるいは伴わない、電子衝撃（ＥＢＰＶＤ）あるいはアーク下の蒸発による物理ガス蒸着である。
【００６７】
（実施例１）
ターボジェットエンジンの高圧タービンブレードのためのニッケル系超合金基板に対し、以下のようにして、金属間化合物からなる結合下地層を設けた。
【００６８】
各層の厚さが約５００ｎｍである５つのプラチナ層と、各層の厚さが約１３３０ｎｍである４つのアルミニウム層とを交互に堆積させた。各層は、図３に関して述べた条件下で、陰極スパッタリングにより形成された。
【００６９】
図４は、堆積後に得られた、各プラチナ層（白色）と各アルミニム層（黒色）を示している。
【００７０】
その後、不活性雰囲気（アルゴン）下において、７００℃の温度で、熱処理が２時間行なわれた。全体の厚さが約７．８μｍである結合下地層が得られ、この結合下地層は、ＰｔＡｌ_２タイプの金属間化合物から成っていた。
【００７１】
図５は、結合下地層の構造の断面図である。アルミウムが、プラチナ層中に拡散しているのが分かる。また、積層性も依然として視認できる。
【００７２】
粘着テープを結合下地層の表面に固定した後に、テープを引き剥がすことによる従来のタイプの密着性試験を、結合下地層に対して行なった。結合下地層の積層構造にもかかわらず、基板に対する良好な密着性、および、中間の層同士の良好な密着性が観察された。
【００７３】
エネルギ分散分光学（ＥＤＳ）による定量分析は、基板に含まれる元素の結合下地層内への拡散を示さなかった。したがって、結合下地層は、それらの元素に対する拡散障壁として有効に作用した。
【００７４】
（実施例２（比較のため））
全体の厚さ及びその組成が実施例１と略同じ結合下地層が、実施例１で使用されたものと同じ種類の基板上に類似の条件下で形成された。ただし、この実施例２の結合下地層は、各層の厚さが８３３ｎｍである３つのプラチナ層と、各層の厚さが２６５０ｎｍである２つのアルミニウム層とを交互に堆積させることによって形成された。実施例１と同じ条件下で行なわれた密着性試験は、基板に対する密着性が弱い結果を示した。また、下地層の外面には、アルミニウムの局所的な溶融を示す欠陥（凹部）が存在した。
【００７５】
（実施例３）
ターボジェットエンジンの高圧タービンブレードのためのニッケル系超合金基板に対し、以下のようにして、合金熱障壁下地層を設けた。
【００７６】
中間層の厚さが約１４００ｎｍであるアルミニウム層とともに、各層の厚さが約１１５０ｎｍである２つのプラチナ層を基板上に堆積させた。層は、陰極スパッタリングにより形成された。
【００７７】
その後、不活性雰囲気（アルゴン）下において、７００℃の温度で、熱処理が２時間行なわれた。その後、プラチナ層とアルミニウム層の発熱反応により、金属間化合物Ｐｔ_５Ａｌ_３が形成された。全体の厚さが約３．７μｍである結合下地層は、積層構造を維持していた。
【００７８】
実施例１のように行なわれ分析によれば、下地層は、供給された元素（アルミニウムおよびプラチナ）のみによって形成されており、基板からの元素の形跡を全く含んでいなかった。
【００７９】
（実施例４（比較のため））
実施例３で使用されたものと同じ超合金基板上に２つのプラチナ層が堆積された。これらの層は、約４５０ｎｍの厚さを有している。また、約２０００ｎｍの厚さを有するアルミニウムの中間層も堆積された。熱処理後、積層構造が脆くなった。実施例２と同様に、積層構造の外面には、アルミニウム層の局所的な溶融が見られた。
【００８０】
実施例２および実施例４では、熱処理中にアルミニウムが融けてしまっている。これは、アルミニウム層が厚すぎるため、高い溶融温度を有するプラチナ中で金属間化合物を形成するために、アルミニウムの全体がプラチナ中に急速に拡散することができないためである。したがって、各層の厚さ、特にアルミニウム層の厚さを制限して、金属間化合物の急速な形成を促進することが望ましい。最大厚は、２０００ｎｍよりも薄く、好ましくは１５００ｎｍよりも薄くなければならない。
【００８１】
（実施例５）
ターボジェットエンジンの高圧タービンブレードのためのニッケル系超合金基板に対し、以下の条件下で、金属間化合物からなる結合下地層を設けた。
【００８２】
各層の厚さが約１６ｎｍである１５０個のプラチナ層と、各層の厚さが約３５ｎｍである１４９個のアルミニウム層とを交互に堆積させた。各層は、図３に関して述べた条件下で、陰極スパッタリングにより形成された。
【００８３】
その後、不活性雰囲気（アルゴン）下において、熱処理が２時間行なわれた。全体の厚さが約７．８μｍである結合下地層が得られ、この結合下地層は、ＰｔＡｌ_２タイプの金属間化合物から成っていた。
【００８４】
図６は、その結果得られた結合下地層の構造の断面図である。その構造が、均一で積層形態が全く維持されていないのが分かる。
【００８５】
実施例１と同様に行なわれた密着性試験では、非常に良好な結果が得られた。
【００８６】
実施例１および実施例３と同様に、結合下地層へと拡散した基板からの元素は、全く観察されなかった。
【００８７】
（実施例６）
ターボジェットエンジンの高圧タービンブレードのためのニッケル系超合金基板に対し、以下の条件下で、金属間化合物から成る結合下地層を設けた。
【００８８】
各層の厚さが約７０ｎｍである４０個のプラチナ層と、各層の厚さが約１３０ｎｍである４０個のアルミニウム層と、各層の厚さが約５０ｎｍである４０個のニッケル層とを交互に堆積させた。
【００８９】
不活性雰囲気下において９００℃の温度で熱処理を２時間行なった後、堆積された層間の発熱反応によって、全体の厚さが約１０μｍである結合下地層が得られた。結果として得られた下地層は、ＮｉＰｔＡｌ_２タイプの金属間化合物であり、その構造は均一であった。
【００９０】
（実施例７）
図３の装置を使用して、組成が異なる複数の段すなわち相を有する結合下地層が、ニッケル系超合金基板上に形成された。各相は、プラチナ層とアルミニウム層とを交互に全部で５０層堆積することによって形成された。各層の厚さは比較的薄く、隣り合う相同士は、プラチナ層とこれよりも厚いアルミニウム層とから成る一対の層によって分離された。
【００９１】
また、異なるレベルで異なる組成の金属間化合物を有する段階的な下地層すなわち多相の下地層を得るために、各種の相内のプラチナ層の厚さとアルミニウム層の厚さとの間の比は、異なる値が与えられた。
【００９２】
具体的には、厚さが２００ｎｍであるプラチナ層と厚さが３００ｎｍであるアルミニウム層とから成る一対の層が、超合金基板上に形成された。その後、その上に、プラチナ層とアルミニウム層とを交互に全部で５０層堆積させた。各プラチナ層は約１３ｎｍの厚さであり、各アルミニウム層は約２７ｎｍの厚さであり、これにより、熱処理後、ＰｔＡｌ_２の金属間化合物が得られた。その後の相においては、最初に形成された対と類似する更に厚い層の対によって分離された。各プラチナ層は２０ｎｍの厚さであり、各アルミニウム層は２０ｎｍの厚さであり、これにより、ＰｔＡｌ型の金属間化合物が得られた。最終的に、最後の３つの相に関しては、前述したものと類似する更に大きな厚さの層の対によって同様に分離され、化合物Ｐｔ_８Ａｌ_２１が形成された。この目的のため、各プラチナ層は約１０ｎｍの厚さであり、各アルミニウム層は約３０ｎｍの厚さである。
【００９３】
各層間で発熱反応を引き起こすために、熱処理が７００℃で２時間行なわれた。
【００９４】
図７の断面に示されるように、熱処理後に得られた下地層の構造は、厚い層では積層状態を成し、薄い層によって形成された相内では均一であった。
【００９５】
下地層は、図３の装置における自動プログラム制御下で連続的に堆積された。
【００９６】
下地層の連続する相同士の間に一対の層だけを形成することについて述べたが、無論、複数の相は、連続する相同士の間あるいは最初の相と基板との間に、複数対の層を形成することによって分離されても良い。
【００９７】
金属間化合物に関して多段組成を有する結合下地層を形成することによって、下地層の異なるレベルに特定の機能を与えることができる。下地層の１つまたは複数の相内に、反応元素および／または別個の金属を加えることも可能である。
【００９８】
図７に示された構造と同様に積層されたマクロ構造の下地層、すなわち、別個の重ね合わされた複数の段または相を有するマクロ構造の下地層によって、最終的に基板からの元素の移動を容易にする虞がある、任意の金属間化合物コラムの形成の可能性を阻止することができる。
【００９９】
また、そのような積層マクロ構造は、金属間化合物の組成が各相において同じである場合、すなわち、相内の層の厚さ間の比が一定のままである場合（プラチナ層の厚さとアルミニウム層の厚さとの間の比が一定のままであることを、必ずしも意味しない）に、採用することができる。
【０１００】
無論、厚さが更に大きい層の対を周期的に堆積しなくても、金属間化合物の組成を変化させることができる。この場合、下地層は、その全体が均一に見える。
【図面の簡単な説明】
【図１】保護コーティングを備えた超合金基板の拡大断面図である。
【図２】本発明の方法の一実施形態の連続工程を示す図である。
【図３】本発明に係る方法を実施する際の使用に適したＰＶＤ装置の極めて概略的な図である。
【図４】本発明に係る方法の実施において得られた保護コーティングの結合下地層の構造を示す、熱処理前の顕微鏡写真である。
【図５】本発明に係る方法の実施において得られた保護コーティングの結合下地層の構造を示す、熱処理後の顕微鏡写真である。
【図６】本発明に係る方法の他の実施を使用して得られる結合下地層の構造を示す顕微鏡写真である。
【図７】本発明に係る方法の他の実施を使用して得られる結合下地層の構造を示す顕微鏡写真である。
【符号の説明】
１０ 超合金基板
１２ 結合下地層
１４ アルミナ膜
１６ セラミック外層
２０ プラチナの層を堆積する段階
２２ アルミニウムの層を堆積する段階
２４ 最後のプラチナの層を堆積する段階
２６ 熱処理段階
２８ 外側セラミック層が形成される段階
３０、３２ ターゲット
３４ チャンバ
３６ 基板
３８ 支持体
４０ 制御ユニット

Claims (31)

1. 超合金基板上に熱障壁を形成する保護コーティングを作るための方法であって、
   基板上に金属間化合物の結合下地層を形成する工程を備え、結合下地層は、少なくともアルミニウムとプラチナ系金属とを含み、更に結合下地層の表面上に存在するアルミナ膜上に固定されるセラミック外層を形成する工程を備えており、
   結合下地層は、物理的蒸着法を使用して、複数のアルミニウム層およびプラチナ系金属層とを交互に堆積させるとともに、得られた層の金属間に発熱反応を引き起こすことによって形成されることを特徴とする方法。
2. 各層が堆積された後直ぐに、熱処理が行なわれ、これにより、堆積された層の金属同士が反応して、金属間化合物が形成されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 熱処理は、９００℃以下の温度で行なわれることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 結合下地層は、全厚さが、５０μｍよりも薄く形成されることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 結合下地層は、全厚さが、３μｍから３０μｍの範囲内となるように形成されることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
6. 各層は、少なくとも各アルミニウム層の厚さが２０００ｎｍよりも薄くなるように、好ましくは１５００ｎｍ以下となるように形成されることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 各層が、２００ｎｍ以下の厚さで形成されることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. 堆積される最初の層および最後の層は、プラチナ系金属を含む層であることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
9. アルミニウムおよびプラチナ系金属の他に、少なくとも１つの反応元素が堆積され、これによって、結合下地層中に前記反応元素が含有されることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
10. 反応元素は、イットリウム、ジルコニウム、ハフニウム、ランタニドから選択されることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
11. 反応元素は、アルミニウムおよび／またはプラチナ系金属とともに堆積されることを特徴とする、請求項９または１０に記載の方法。
12. アルミニウムおよびプラチナ以外の少なくとも１つの金属が、結合下地層中に含有されるように堆積されることを特徴とする、請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 各層は、少なくともプラチナ系金属源から成る第１のターゲットとアルミニウム源から成る第２のターゲットとにより、陰極スパッタリングを使用して形成されることを特徴とする、請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 超合金基板が支持体上に装着されるとともに、ターゲットおよび支持体の相対的な変位が自動的に行なわれ、これにより、基板が第１のターゲットおよび第２のターゲットに交互に所定時間晒されて、各層が形成されることを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
15. 反応元素源を構成する少なくとも１つのターゲットが使用されることを特徴とする、請求項１３または１４に記載の方法。
16. 少なくとも第１および第２のターゲットの一方は、合金形態で反応元素を含んでいることを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
17. ＰｔまたはＡｌ以外の別個の金属源を構成する、少なくとも１つのターゲットが使用されることを特徴とする、請求項１３から１６のいずれか一項に記載の方法。
18. 各プラチナ層は、異なる厚さで堆積されることを特徴とする、請求項１から１７のいずれか一項に記載の方法。
19. 各アルミニウム層は、異なる厚さで堆積されることを特徴とする、請求項１から１８のいずれか一項に記載の方法。
20. 堆積されるプラチナ層の厚さと、堆積されるアルミニウム層の厚さとの比は、制御された方法で変化されることを特徴とする、請求項１から１９のいずれか一項に記載の方法。
21. 結合下地層は多段形態で形成され、各段すなわち各相は、複数のプラチナ層とアルミニウム層とを交互に堆積させることによって形成されることを特徴とする、請求項１から２０のいずれか一項に記載の方法。
22. プラチナ層の厚さとアルミニウム層の厚さとの間の比は、異なる相で異なる値に設定されていることを特徴とする、請求項２１に記載の方法。
23. 超合金基板と、基板上に形成され且つアルミニウムおよびプラチナ系金属を含む金属間化合物によって形成される結合下地層と、結合下地層の表面上に形成されるアルミナ付着膜と、アルミナ付着膜上に固定されるセラミック外側コーティングとを備えており、結合下地層は、物理的蒸着法を使用して、複数のアルミニウム層およびプラチナ系金属層とを交互に堆積させるとともに、得られた層の金属間に発熱反応を引き起こすことによって形成されたものであり、結合下地層の厚さが５０μｍよりも薄く、結合下地層には、基板から拡散する元素が無いことを特徴とする、ガスタービン部品。
24. 結合下地層の厚さが、３μｍから３０μｍの範囲内にあることを特徴とする、請求項２３に記載のガスタービン部品。
25. 結合下地層は、イットリウム、ジルコニウム、ハフニウム、ランタニドによって構成されるグループから選択される少なくとも１つの反応元素を更に備えていることを特徴とする、請求項２３または２４に記載のガスタービン部品。
26. 結合下地層は、プラチナおよびアルミニウム以外の少なくとも１つの別個の金属を更に備えていることを特徴とする、請求項２３から２５のいずれか一項に記載のガスタービン部品。
27. 結合下地層が、略均一な構造を有することを特徴とする、請求項２３から２６のいずれか一項に記載のガスタービン部品。
28. 結合下地層が、積層構造を有することを特徴とする、請求項２３から２６のいずれか一項に記載のガスタービン部品。
29. 結合下地層は、厚さ内に、制御された方法で変化する組成を有していることを特徴とする、請求項２３から２６のいずれか一項に記載のガスタービン部品。
30. 結合下地層は、複数の異なる重ね合わされた段または相を有することを特徴とする、請求項２３から２６のいずれか一項に記載のガスタービン部品。
31. 結合下地層は、異なる組成の複数の相を有することを特徴とする、請求項３０に記載のガスタービン部品。

Images