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
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Description
【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、Pt8Al21、PtAl2、Pt2Al3、PtAl、Pt5Al3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、PtAl2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Pt5Al3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、PtAl2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、NiPtAl2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、PtAl2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Pt8Al21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)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
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