JP3079116B2 - コーティング膜およびその成膜方法 - Google Patents
コーティング膜およびその成膜方法Info
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- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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- C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
- C23C14/14—Metallic material, boron or silicon
- C23C14/16—Metallic material, boron or silicon on metallic substrates or on substrates of boron or silicon
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- C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
- C23C28/02—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings only including layers of metallic material
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- Metallurgy (AREA)
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、高温で使用する（ｏ
ｐｅｒａｔｉｎｇ）、特にチタン合金およびチタン・ア
ルミナイド（ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｕｍｉｎｉｄｅ
ｓ）のような金属の酸化保護の技術に関する。
ｐｅｒａｔｉｎｇ）、特にチタン合金およびチタン・ア
ルミナイド（ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｕｍｉｎｉｄｅ
ｓ）のような金属の酸化保護の技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】強度対重量（ｓｔｒｅｎｇｔｈ−ｔｏ−
ｗｅｉｇｈｔ）比および剛性対重量（ｓｔｉｆｆｎｅｓ
ｓ−ｔｏ−ｗｅｉｇｈｔ）比が要求される次世代システ
ムおよびマッハ数の高いエアフレーム（機体）には、高
温で、軽量な航空宇宙複合構造材料（ａｅｒｏｓｐａｃ
ｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ）が
求められている。チタン合金およびチタン・アルミナイ
ドは、この分野に適用するのに魅力的な材料である。従
来より、合金および金属母材複合材料の開発に相当な努
力がなされてきているが、これら最先端の構造材料が、
高温で適用出来るかどうかは、最終的には、これら材料
を使用する環境（ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｅｎｖｉｒｏｎ
ｍｅｎｔ）に不可欠の部分である酸化ガスに対して耐性
を有しているかによる。このことは、酸素脆化に対する
チタン合金の機械的性質の感受性に基づいている。高温
では、チタンに対する酸素の拡散および溶解度は、高い
（すなわち、３０原子％）ので、チタンを酸化雰囲気に
曝すと、非保護（ｎｏｎ−ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ）酸化
膜が成長する。この酸化膜は、合金基板に酸素を溶解さ
せる源となる。
ｗｅｉｇｈｔ）比および剛性対重量（ｓｔｉｆｆｎｅｓ
ｓ−ｔｏ−ｗｅｉｇｈｔ）比が要求される次世代システ
ムおよびマッハ数の高いエアフレーム（機体）には、高
温で、軽量な航空宇宙複合構造材料（ａｅｒｏｓｐａｃ
ｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ）が
求められている。チタン合金およびチタン・アルミナイ
ドは、この分野に適用するのに魅力的な材料である。従
来より、合金および金属母材複合材料の開発に相当な努
力がなされてきているが、これら最先端の構造材料が、
高温で適用出来るかどうかは、最終的には、これら材料
を使用する環境（ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｅｎｖｉｒｏｎ
ｍｅｎｔ）に不可欠の部分である酸化ガスに対して耐性
を有しているかによる。このことは、酸素脆化に対する
チタン合金の機械的性質の感受性に基づいている。高温
では、チタンに対する酸素の拡散および溶解度は、高い
（すなわち、３０原子％）ので、チタンを酸化雰囲気に
曝すと、非保護（ｎｏｎ−ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ）酸化
膜が成長する。この酸化膜は、合金基板に酸素を溶解さ
せる源となる。
【０００３】合金母材（ａｌｌｏｙ ｍａｔｒｉｘ）中
の酸素濃度が１原子％を越えると、チタン合金およびチ
タン・アルミナイドの延性および破壊じん性（ｆｒａｃ
ｔｕｒｅ ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ）が低下してしまうの
で、これらチタン合金およびチタン・アルミナイドの延
性、疲労特性、クリープ特性等の特性が問題となる程度
にまで低下（ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）する恐れがある。従
って、使用条件下に置かれた時、クラックが核となっ
て、そのように脆化した表面層からクラックが広がって
しまうと予想される。酸化に対して保護を行なうための
上層側にコーティング膜（ｏｖｅｒｌａｙ ｃｏａｔｉ
ｎｇｓ）を設けることも出来るが、その場合でも、この
コーティング膜−基板界面において互いに混じりあって
しまうか、およびまたは、この界面に脆性を有する金属
間結合が形成されるため、基板が局部的に脆化し、その
後、機械的特性が低下してしまう。また、これに加え
て、使用中に、熱的歪みおよびまたは機械的歪み（例え
ば、疲労）が発生すると、コーティング膜にクラックが
生じたり、或いは、コーティング膜が剥離したりするの
で、その結果、保護特性が失われてしまう。チタン合金
およびチタン・アルミナイドの、高温での構造的ポテン
シャル（ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）
を満たすように、広範囲の使用条件（ｏｐｅｒａｔｉｎ
ｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）にわたり酸化防止作用を与
え、しかも、基板の機械的特性の劣化を来さない表面改
質が要望されている。
の酸素濃度が１原子％を越えると、チタン合金およびチ
タン・アルミナイドの延性および破壊じん性（ｆｒａｃ
ｔｕｒｅ ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ）が低下してしまうの
で、これらチタン合金およびチタン・アルミナイドの延
性、疲労特性、クリープ特性等の特性が問題となる程度
にまで低下（ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）する恐れがある。従
って、使用条件下に置かれた時、クラックが核となっ
て、そのように脆化した表面層からクラックが広がって
しまうと予想される。酸化に対して保護を行なうための
上層側にコーティング膜（ｏｖｅｒｌａｙ ｃｏａｔｉ
ｎｇｓ）を設けることも出来るが、その場合でも、この
コーティング膜−基板界面において互いに混じりあって
しまうか、およびまたは、この界面に脆性を有する金属
間結合が形成されるため、基板が局部的に脆化し、その
後、機械的特性が低下してしまう。また、これに加え
て、使用中に、熱的歪みおよびまたは機械的歪み（例え
ば、疲労）が発生すると、コーティング膜にクラックが
生じたり、或いは、コーティング膜が剥離したりするの
で、その結果、保護特性が失われてしまう。チタン合金
およびチタン・アルミナイドの、高温での構造的ポテン
シャル（ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）
を満たすように、広範囲の使用条件（ｏｐｅｒａｔｉｎ
ｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）にわたり酸化防止作用を与
え、しかも、基板の機械的特性の劣化を来さない表面改
質が要望されている。
【０００４】従来、成功した表面改質技術は、核融合反
応炉のブランケットを応用する際に、酸化性ガス中で使
用するためのバナジウムベース（ｖａｎａｄｉｕｍ−ｂ
ａｓｅ）合金に対して開発された技術である。バナジウ
ムベース合金の表面をクロムで合金化すると、湿潤ヘリ
ウム（Ｈｅ）の環境下において、合金基板中への酸素拡
散および酸素吸収（ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ）の双方を防
止する効果があることが判った。この原理を、数個の商
業的に入手出来るチタン合金およびα2 チタン・アルミ
ナイドの表面保護に応用した。この場合、アルミニウム
は蒸気輸送プロセス（ｖａｐｏｒ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ
ｐｒｏｃｅｓｓ）で合金に拡散され、そして、サイク
リックな空気酸化耐性が８１５℃にまで改善出来た。
応炉のブランケットを応用する際に、酸化性ガス中で使
用するためのバナジウムベース（ｖａｎａｄｉｕｍ−ｂ
ａｓｅ）合金に対して開発された技術である。バナジウ
ムベース合金の表面をクロムで合金化すると、湿潤ヘリ
ウム（Ｈｅ）の環境下において、合金基板中への酸素拡
散および酸素吸収（ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ）の双方を防
止する効果があることが判った。この原理を、数個の商
業的に入手出来るチタン合金およびα2 チタン・アルミ
ナイドの表面保護に応用した。この場合、アルミニウム
は蒸気輸送プロセス（ｖａｐｏｒ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ
ｐｒｏｃｅｓｓ）で合金に拡散され、そして、サイク
リックな空気酸化耐性が８１５℃にまで改善出来た。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この従
来技術のプロセスでは、基板の引張特性（ｔｅｎｓｉｌ
ｅ）がある程度劣化（ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）する恐れが
あった。
来技術のプロセスでは、基板の引張特性（ｔｅｎｓｉｌ
ｅ）がある程度劣化（ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）する恐れが
あった。
【０００６】このように、従来技術においては、金属が
高温で酸化性ガス雰囲気中に曝された時生ずる酸化を防
止し、しかも、何らかの機械的劣化をきたさないように
することは困難であった。
高温で酸化性ガス雰囲気中に曝された時生ずる酸化を防
止し、しかも、何らかの機械的劣化をきたさないように
することは困難であった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】この発明の目的は、高温
で酸化を起こす環境下において、本来の（ベースライ
ン：ｂａｓｅｌｉｎｅ）疲労特性および破断特性を維持
させることはもとより、高温での耐酸化特性をも改善す
る表面改質の技術を提供することにある。
で酸化を起こす環境下において、本来の（ベースライ
ン：ｂａｓｅｌｉｎｅ）疲労特性および破断特性を維持
させることはもとより、高温での耐酸化特性をも改善す
る表面改質の技術を提供することにある。
【０００８】チタン合金の本来の材料の機械的特性を劣
化しないようなチタン合金に耐酸化性表面を付与するた
めに、この表面上に、一連の、延性を有する層を導入す
ることにより、コーティング膜と基板との間の相互作用
の、潜在的に損傷を与える効果（ｐｏｔｅｎｔｉａｌｌ
ｙ ｄａｍａｇｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔｓ）を除去するこ
とが必要である。本願のユニークな特徴は、基板とバリ
ヤー層との界面に脆性を有する金属間化合物が形成され
るのを防止することを含んでいる。この特徴は、チタン
合金基板が酸化耐性コーティング膜によって脆化されな
いように保証し、しかも、酸化を生ずる環境に曝した
時、非保護性のチタン酸化物が形成されてしまうのを防
止するために必要である。脆性バリヤー層を適用して酸
化耐性の表面合金層を作成するために材料を選択したこ
と、および、プロセスの工程を選択したことが本願発明
の主な特徴である。
化しないようなチタン合金に耐酸化性表面を付与するた
めに、この表面上に、一連の、延性を有する層を導入す
ることにより、コーティング膜と基板との間の相互作用
の、潜在的に損傷を与える効果（ｐｏｔｅｎｔｉａｌｌ
ｙ ｄａｍａｇｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔｓ）を除去するこ
とが必要である。本願のユニークな特徴は、基板とバリ
ヤー層との界面に脆性を有する金属間化合物が形成され
るのを防止することを含んでいる。この特徴は、チタン
合金基板が酸化耐性コーティング膜によって脆化されな
いように保証し、しかも、酸化を生ずる環境に曝した
時、非保護性のチタン酸化物が形成されてしまうのを防
止するために必要である。脆性バリヤー層を適用して酸
化耐性の表面合金層を作成するために材料を選択したこ
と、および、プロセスの工程を選択したことが本願発明
の主な特徴である。
【０００９】従って、この発明のコーティング膜によれ
ば、チタン材料の基板用の、多層の被酸化性（ｏｘｉｄ
ｉｚａｂｌｅ）の保護コーティング膜において、基板と
バリヤー層の外側のコーティング膜部分との間にあっ
て、このバリヤー層を横切る拡散を最小限にする耐熱性
の金属の当該バリヤー層と、相溶性層の外側のコーティ
ング膜部分をこの基板に結合させる当該相溶性層と、こ
の相溶性層に結合させた、中間の耐酸化性層と、この中
間の耐酸化性層に結合させた、外側の耐酸化性層とを具
えることを特徴とする。
ば、チタン材料の基板用の、多層の被酸化性（ｏｘｉｄ
ｉｚａｂｌｅ）の保護コーティング膜において、基板と
バリヤー層の外側のコーティング膜部分との間にあっ
て、このバリヤー層を横切る拡散を最小限にする耐熱性
の金属の当該バリヤー層と、相溶性層の外側のコーティ
ング膜部分をこの基板に結合させる当該相溶性層と、こ
の相溶性層に結合させた、中間の耐酸化性層と、この中
間の耐酸化性層に結合させた、外側の耐酸化性層とを具
えることを特徴とする。
【００１０】また、この発明の成膜方法によれば、チタ
ン材料の基板を保護するためのコーティング膜を成膜す
るに当たり、基板上に耐熱性の金属の、拡散バリヤー層
を堆積する工程と、このバリヤー層上に予め選択された
金属の相溶性層を堆積する工程と、この相溶性層上にニ
ッケル材料の、中間の耐酸化性層を堆積する工程と、こ
の相溶性層はバリヤー層と中間の耐酸化性層との両者間
の結合を維持させるものであり、およびこの中間の耐酸
化性層上に外側の被酸化性層を堆積する工程とを具える
ことを特徴とする。
ン材料の基板を保護するためのコーティング膜を成膜す
るに当たり、基板上に耐熱性の金属の、拡散バリヤー層
を堆積する工程と、このバリヤー層上に予め選択された
金属の相溶性層を堆積する工程と、この相溶性層上にニ
ッケル材料の、中間の耐酸化性層を堆積する工程と、こ
の相溶性層はバリヤー層と中間の耐酸化性層との両者間
の結合を維持させるものであり、およびこの中間の耐酸
化性層上に外側の被酸化性層を堆積する工程とを具える
ことを特徴とする。
【００１１】この発明の実施に当たり、好ましくは、バ
リヤー層をニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、バナジ
ウム（Ｖ）、タングステン（Ｗ）およびハフニウム（Ｈ
ｆ）の材料の群から選ばれた材料の層とするのが良い。
また、好ましくは、相溶性層を、銅で構成するのが良
い。また、好ましくは、中間の耐酸化性層を、ニッケル
または、ニッケル合金で構成するのが良い。また、外側
の被酸化性層を、鉄の超合金（ｉｒｏｎ ｓｕｐｅｒａ
ｌｌｏｙ）、または、ニッケル・アルミナイド（ｎｉｃ
ｋｅｌ ａｌｕｍｉｎｉｄｅ）で構成するのが良い。
リヤー層をニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、バナジ
ウム（Ｖ）、タングステン（Ｗ）およびハフニウム（Ｈ
ｆ）の材料の群から選ばれた材料の層とするのが良い。
また、好ましくは、相溶性層を、銅で構成するのが良
い。また、好ましくは、中間の耐酸化性層を、ニッケル
または、ニッケル合金で構成するのが良い。また、外側
の被酸化性層を、鉄の超合金（ｉｒｏｎ ｓｕｐｅｒａ
ｌｌｏｙ）、または、ニッケル・アルミナイド（ｎｉｃ
ｋｅｌ ａｌｕｍｉｎｉｄｅ）で構成するのが良い。
【００１２】
【作用】この発明によれば、チタン・アルミナイドおよ
びチタン合金に延性を有する耐酸化性の面を生成し、か
つ、合金基板と冶金学的に適合可能な耐熱性金属拡散バ
リヤー層を導入する。この拡散層に、中間の銅結合層を
コーティングする。この銅層には、ニッケルか、また
は、ニッケルベース（ｎｉｃｋｅｌ−ｂａｓｅｄ）のス
ーパーアロイをコーティングする。所要に応じ、鉄ベー
スのスーパーアロイによる第４の保護層を用いて、酸化
を生じさせてしまう高温の環境に曝した際にも、保護可
能な酸化物を生成することが出来る。また、この第４の
層を、耐酸化性の外側の層であるニッケル・アルミナイ
ドとすることも出来る。
びチタン合金に延性を有する耐酸化性の面を生成し、か
つ、合金基板と冶金学的に適合可能な耐熱性金属拡散バ
リヤー層を導入する。この拡散層に、中間の銅結合層を
コーティングする。この銅層には、ニッケルか、また
は、ニッケルベース（ｎｉｃｋｅｌ−ｂａｓｅｄ）のス
ーパーアロイをコーティングする。所要に応じ、鉄ベー
スのスーパーアロイによる第４の保護層を用いて、酸化
を生じさせてしまう高温の環境に曝した際にも、保護可
能な酸化物を生成することが出来る。また、この第４の
層を、耐酸化性の外側の層であるニッケル・アルミナイ
ドとすることも出来る。
【００１３】このようにして、高温下で使用される金属
に耐酸化性面をつくることが出来ると共に、高温による
酸化曝露の際でも、コーティング膜−基板間の相互作用
の劣化により生ずるような合金の脆性化を防止すること
が出来る。
に耐酸化性面をつくることが出来ると共に、高温による
酸化曝露の際でも、コーティング膜−基板間の相互作用
の劣化により生ずるような合金の脆性化を防止すること
が出来る。
【００１４】
【実施例】以下、図面を参照して、この発明の好適実施
例につき説明する。それにより、この発明の目的および
利点を、一層良く理解出来ることとなる。
例につき説明する。それにより、この発明の目的および
利点を、一層良く理解出来ることとなる。
【００１５】図１は、この発明によるチタン材料の基
板、および複数の、酸化を防止する層、すなわち酸化保
護層を示す実施例の説明図である。
板、および複数の、酸化を防止する層、すなわち酸化保
護層を示す実施例の説明図である。
【００１６】先ず、好適な拡散バリヤー層１４として、
純粋な耐熱性金属であるニオブ（Ｎｂ）またはタンタル
（Ｔａ）のうち、いずれか一方を選び、チタン合金基板
１２と接触または密着形成する。これら金属の選択は、
脆性を有せずチタンと金属間化合物をつくること、高い
延性があること、およびチタンの拡散率が低いものであ
ることに基づいている。バナジウム（Ｖ）、タングステ
ン（Ｗ）およびハフニウム（Ｈｆ）を含め、他の耐熱性
金属も使用することが出来る。
純粋な耐熱性金属であるニオブ（Ｎｂ）またはタンタル
（Ｔａ）のうち、いずれか一方を選び、チタン合金基板
１２と接触または密着形成する。これら金属の選択は、
脆性を有せずチタンと金属間化合物をつくること、高い
延性があること、およびチタンの拡散率が低いものであ
ることに基づいている。バナジウム（Ｖ）、タングステ
ン（Ｗ）およびハフニウム（Ｈｆ）を含め、他の耐熱性
金属も使用することが出来る。
【００１７】バリヤー材料の選択の際、バリヤー材料の
中へ溶解（ｄｉｓｓｏｌｕｔｉｏｎ）することは、好ま
しくないことに留意する必要がある。仮にそのようなこ
とがあると、脆性を有する金属化合物が生成してしまう
結果となる。耐熱性金属を実際に選ぶには、通常、設計
者に相談し、各種チタンに対する状態図（ｐｈａｓｅｄ
ｉａｇｒａｍｓ）や、耐熱金属の組み合わせを調べる必
要がある。このような状態図は、金属が互いに溶け合っ
て（ｄｉｓｓｏｌｖｅ）化合物を形成するのかどうかを
決める際に有用である。
中へ溶解（ｄｉｓｓｏｌｕｔｉｏｎ）することは、好ま
しくないことに留意する必要がある。仮にそのようなこ
とがあると、脆性を有する金属化合物が生成してしまう
結果となる。耐熱性金属を実際に選ぶには、通常、設計
者に相談し、各種チタンに対する状態図（ｐｈａｓｅｄ
ｉａｇｒａｍｓ）や、耐熱金属の組み合わせを調べる必
要がある。このような状態図は、金属が互いに溶け合っ
て（ｄｉｓｓｏｌｖｅ）化合物を形成するのかどうかを
決める際に有用である。
【００１８】延性を有する銅の中間層１６をＮｂまたは
Ｔａの拡散バリヤー層に施す。銅を選んだ理由は、銅
は、ＮｂとＴａのいずれの金属とは脆性を有する金属間
化合物を形成しないという点において、これら金属に冶
金学的に（ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌｌｙ）適合して
いる（ｃｏｍｐａｔｉｂｌｅ）からである。さらに、銅
は、インコネル（Ｉｎｃｏｎｅｌ：商品名）、ユディメ
ット（Ｕｄｉｍｅｔ：商品名）またはハスタロイックス
（Ｈａｓｔａｌｌｏｙｘ：商品名）のようなニッケルベ
ースのスーパーアロイ（超合金）またはニッケル（Ｎ
ｉ）のいずれか一方で構成した中間の耐酸化性層１８に
適合している。酸化耐性を有する外側の金属層として供
する第４層２０を設けてもよい。この第４層２０は、ニ
ッケル層と適合し、しかも、例えばＦｅＣｒＡｌＹのよ
うな、鉄ベースのスーパーアロイ組成物からなってい
る。外側の、耐酸化性金属の第４層２０を具える上述し
たスーパーアロイを用いる代わりに、３つのコーティン
グ層が設けられた基板に純粋なアルミニウムのコーティ
ング層を施してもよい。そのアルミ化処理により、耐酸
化性を有するニッケル・アルミナイドが生成され、これ
がチタニウム基板に対し、追加の酸化保護（防止）機能
を与える。
Ｔａの拡散バリヤー層に施す。銅を選んだ理由は、銅
は、ＮｂとＴａのいずれの金属とは脆性を有する金属間
化合物を形成しないという点において、これら金属に冶
金学的に（ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌｌｙ）適合して
いる（ｃｏｍｐａｔｉｂｌｅ）からである。さらに、銅
は、インコネル（Ｉｎｃｏｎｅｌ：商品名）、ユディメ
ット（Ｕｄｉｍｅｔ：商品名）またはハスタロイックス
（Ｈａｓｔａｌｌｏｙｘ：商品名）のようなニッケルベ
ースのスーパーアロイ（超合金）またはニッケル（Ｎ
ｉ）のいずれか一方で構成した中間の耐酸化性層１８に
適合している。酸化耐性を有する外側の金属層として供
する第４層２０を設けてもよい。この第４層２０は、ニ
ッケル層と適合し、しかも、例えばＦｅＣｒＡｌＹのよ
うな、鉄ベースのスーパーアロイ組成物からなってい
る。外側の、耐酸化性金属の第４層２０を具える上述し
たスーパーアロイを用いる代わりに、３つのコーティン
グ層が設けられた基板に純粋なアルミニウムのコーティ
ング層を施してもよい。そのアルミ化処理により、耐酸
化性を有するニッケル・アルミナイドが生成され、これ
がチタニウム基板に対し、追加の酸化保護（防止）機能
を与える。
【００１９】各コーティング層はもとより、拡散層およ
びＣｕ層も、種々の、通常のコーティングプロセスによ
って、成膜しうる。例えば、スパッタリング、電気めっ
き、ＣＶＤ（化学蒸着法）、ＰＶＤ（物理蒸着法）、イ
オンビーム技術およびまたはこれら技術の適当な組み合
わせによって行なうことができるが、これらにのみ限定
されるものではない。
びＣｕ層も、種々の、通常のコーティングプロセスによ
って、成膜しうる。例えば、スパッタリング、電気めっ
き、ＣＶＤ（化学蒸着法）、ＰＶＤ（物理蒸着法）、イ
オンビーム技術およびまたはこれら技術の適当な組み合
わせによって行なうことができるが、これらにのみ限定
されるものではない。
【００２０】表面の各層を所望の結合状態（ｂｏｎｄｉ
ｎｇ）にするためには、コーティングされた表面合金部
分を、７００〜１１００℃の範囲内の適当な温度で、２
４時間程度までの時間にわたり、適当な真空状態で、加
熱処理する必要がある。この加熱処理時間および加熱温
度は、使用する、特定の表面合金の組成により決まる。
また、各層の膜厚は、時間および温度とかの、これら膜
を取り巻いている、酸化曝露条件および酸化ガスによっ
て決まる。
ｎｇ）にするためには、コーティングされた表面合金部
分を、７００〜１１００℃の範囲内の適当な温度で、２
４時間程度までの時間にわたり、適当な真空状態で、加
熱処理する必要がある。この加熱処理時間および加熱温
度は、使用する、特定の表面合金の組成により決まる。
また、各層の膜厚は、時間および温度とかの、これら膜
を取り巻いている、酸化曝露条件および酸化ガスによっ
て決まる。
【００２１】実施例 １ チタン合金（例えば、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ）またはチタ
ン・アルミナイド（例えば、Ｔｉ−２４Ａｌ−１１Ｎ
ｂ）の基板表面を、機械的研磨か、或いは、硝酸−フッ
化水素酸エッチング液における化学的洗浄により、前処
理を行なう。次に、この基板１２上に、ＮｂまたはＴａ
の、膜厚約５〜１０μｍの拡散バリヤー層１４を蒸着す
る。このＮｂまたはＴａのバリヤー層１４上に、蒸着ま
たは電着によって、次の中間の相溶性マッチング（ｃｏ
ｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ ｍａｔｃｈｉｎｇ）層（相溶
性層とも言う。）１６を形成する。この相溶性層１６を
膜厚約５〜１０μｍの銅（Ｃｕ）の層として形成する。
次に、ニッケル（Ｎｉ）ベースのスーパーアロイの耐酸
化性層（例えば、レネ（Ｒｅｎｅ）４１：商品名）１８
を、銅の層１６の上側に蒸着する。これらの３層を真空
状態で、７００〜１０００℃程度の温度範囲内の適当な
温度で、約１〜４時間アニールし、強い冶金学的結合を
形成する。このようにして、コーティング膜（１４，１
６，１８）を成膜することが出来る。
ン・アルミナイド（例えば、Ｔｉ−２４Ａｌ−１１Ｎ
ｂ）の基板表面を、機械的研磨か、或いは、硝酸−フッ
化水素酸エッチング液における化学的洗浄により、前処
理を行なう。次に、この基板１２上に、ＮｂまたはＴａ
の、膜厚約５〜１０μｍの拡散バリヤー層１４を蒸着す
る。このＮｂまたはＴａのバリヤー層１４上に、蒸着ま
たは電着によって、次の中間の相溶性マッチング（ｃｏ
ｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ ｍａｔｃｈｉｎｇ）層（相溶
性層とも言う。）１６を形成する。この相溶性層１６を
膜厚約５〜１０μｍの銅（Ｃｕ）の層として形成する。
次に、ニッケル（Ｎｉ）ベースのスーパーアロイの耐酸
化性層（例えば、レネ（Ｒｅｎｅ）４１：商品名）１８
を、銅の層１６の上側に蒸着する。これらの３層を真空
状態で、７００〜１０００℃程度の温度範囲内の適当な
温度で、約１〜４時間アニールし、強い冶金学的結合を
形成する。このようにして、コーティング膜（１４，１
６，１８）を成膜することが出来る。
【００２２】外側の耐酸化性層を、鉄（Ｆｅ）ベースの
スーパーアロイで構成する場合には、形成の順序を （１）ＮｂまたはＴａ拡散層１４ （２）中間のＣｕの相溶性マッチング層１６ （３）ＮｉまたはＮｉベースのスーパーアロイの耐酸化
性層１８ （４）鉄（Ｆｅ）ベースのスーパーアロイの耐酸化性層
２０としてコーティング膜（１４，１６，１８，２０）
を成膜する。
スーパーアロイで構成する場合には、形成の順序を （１）ＮｂまたはＴａ拡散層１４ （２）中間のＣｕの相溶性マッチング層１６ （３）ＮｉまたはＮｉベースのスーパーアロイの耐酸化
性層１８ （４）鉄（Ｆｅ）ベースのスーパーアロイの耐酸化性層
２０としてコーティング膜（１４，１６，１８，２０）
を成膜する。
【００２３】実施例２ チタン合金に対して、実施例１で説明したように、Ｎ
ｂ、Ｃｕ、およびＮｉを順次にコーティングする。次
に、試料を、純粋なアルミニウムを有するるつぼが入っ
ている真空チャンバの中につるす（ｓｕｓｐｅｎｄ）。
るつぼを、９００〜１１５０℃の範囲内の適当な温度
で、１〜４時間加熱する。このアルミ化処理により、耐
酸化性のニッケル・アルミナイド（例えば、ＮｉＡｌま
たはＮｉ3 Ａｌ）が生成し、それが、チタン基板に対し
て付加的な酸化防止（酸化保護）の作用を与える。
ｂ、Ｃｕ、およびＮｉを順次にコーティングする。次
に、試料を、純粋なアルミニウムを有するるつぼが入っ
ている真空チャンバの中につるす（ｓｕｓｐｅｎｄ）。
るつぼを、９００〜１１５０℃の範囲内の適当な温度
で、１〜４時間加熱する。このアルミ化処理により、耐
酸化性のニッケル・アルミナイド（例えば、ＮｉＡｌま
たはＮｉ3 Ａｌ）が生成し、それが、チタン基板に対し
て付加的な酸化防止（酸化保護）の作用を与える。
【００２４】上述の各実施例において、層厚を、２〜１
０μｍ程度の範囲内の値とすることが出来る。このよう
にして、あらゆる層の各界面に脆性のない金属間化合物
が生成されるため、層とチタン合金基板との間に完全な
冶金学的相溶性が確保される。また、層は、延性のある
金属または合金からなっているため、酸化を生じさせて
しまう高温の環境に曝されても、合金基板の機械的特性
が劣化することはない。
０μｍ程度の範囲内の値とすることが出来る。このよう
にして、あらゆる層の各界面に脆性のない金属間化合物
が生成されるため、層とチタン合金基板との間に完全な
冶金学的相溶性が確保される。また、層は、延性のある
金属または合金からなっているため、酸化を生じさせて
しまう高温の環境に曝されても、合金基板の機械的特性
が劣化することはない。
【００２５】要約すると、この発明による方法により、
チタン・アルミナイドおよびチタン合金用の、延性を有
する耐酸化面が生成され、かつ、合金基板１２と冶金学
的に適合しうる耐熱性金属拡散バリヤー層１４を導入す
ることが出来る。次に、この拡散バリヤー層１４に中間
の銅結合層１６をコーティングする。その後で、銅層１
６にニッケルまたはニッケルベースのスーパーアロイ層
１８をコーティングする。
チタン・アルミナイドおよびチタン合金用の、延性を有
する耐酸化面が生成され、かつ、合金基板１２と冶金学
的に適合しうる耐熱性金属拡散バリヤー層１４を導入す
ることが出来る。次に、この拡散バリヤー層１４に中間
の銅結合層１６をコーティングする。その後で、銅層１
６にニッケルまたはニッケルベースのスーパーアロイ層
１８をコーティングする。
【００２６】必要に応じ、鉄ベースのスーパーアロイの
第４の保護層２０を用いて、酸化を生じさせてしまう高
温の環境（媒質）に曝した際にも、保護可能な酸化物ス
ケール（ｏｘｉｄｅ ｓｃａｌｅ）を生成することが出
来る。また、この第４の層をアルミ化し、耐酸化性のニ
ッケル・アルミナイドとすることも出来る。この方法の
利点は、耐酸化性の面をつくることが出来ること、ま
た、高温による酸化曝露の際、コーティング膜−基板間
の相互作用の劣化により生じる合金基板の脆性化を防止
することが出来ることである。
第４の保護層２０を用いて、酸化を生じさせてしまう高
温の環境（媒質）に曝した際にも、保護可能な酸化物ス
ケール（ｏｘｉｄｅ ｓｃａｌｅ）を生成することが出
来る。また、この第４の層をアルミ化し、耐酸化性のニ
ッケル・アルミナイドとすることも出来る。この方法の
利点は、耐酸化性の面をつくることが出来ること、ま
た、高温による酸化曝露の際、コーティング膜−基板間
の相互作用の劣化により生じる合金基板の脆性化を防止
することが出来ることである。
【００２７】この発明は、図に示した構成、および上述
の実施例に制約されるものではない。当業者であれば、
上述した以外の変更および変形をなしえること明らかで
ある。
の実施例に制約されるものではない。当業者であれば、
上述した以外の変更および変形をなしえること明らかで
ある。
【００２８】
【発明の効果】この発明のコーティング層およびその成
膜方法によれば、高温下で使用される金属に耐酸化性面
をつくることが出来ると共に、高温による酸化曝露の際
でも、コーティング膜−基板間の相互作用の劣化により
生ずるような合金の脆性化を防止することが出来る。
膜方法によれば、高温下で使用される金属に耐酸化性面
をつくることが出来ると共に、高温による酸化曝露の際
でも、コーティング膜−基板間の相互作用の劣化により
生ずるような合金の脆性化を防止することが出来る。
【図１】 この発明によるチタン材料の基板、および複
数の酸化保護層を示す実施例の説明図である。
数の酸化保護層を示す実施例の説明図である。
１２：Ｔｉ基板、 １４：バリヤー層 １６：相溶性層、 １８：中間の耐酸
化性層 ２０：外側の耐酸化性層。
化性層 ２０：外側の耐酸化性層。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C23C 28/02 C23C 14/14 - 14/16
Claims (14)
- 【請求項１】 チタン材料の基板用の、多層の被酸化性
保護コーティング膜において、基板とバリヤー層の外側
のコーティング膜部分との間にあって、このバリヤー層
を横切る拡散を最小限にする耐熱性の金属の当該バリヤ
ー層と、相溶性層の外側のコーティング膜部分を前記基
板に結合させる当該相溶性層と、該相溶性層に結合させ
た、中間の耐酸化性層と、該中間の耐酸化性層に結合さ
せた、外側の耐酸化性層とを具えることを特徴とするコ
ーティング膜。 - 【請求項２】 請求項１のコーティング膜において、前
記バリヤー層をニオブ、タンタル、バナジウム、タング
ステンおよびハフニウムの材料の群から選ばれた材料の
層としたことを特徴とするコーティング膜。 - 【請求項３】 請求項１の相溶性層を、銅で構成したこ
とを特徴とするコーティング膜。 - 【請求項４】 請求項１の中間の耐酸化性層を、ニッケ
ルで構成したことを特徴とするコーティング膜。 - 【請求項５】 請求項１の中間の耐酸化性層を、ニッケ
ル合金で構成したことを特徴とするコーティング膜。 - 【請求項６】 請求項１の外側の耐酸化性層を、鉄の超
合金（ｉｒｏｎ ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙ）で構成したこ
とを特徴とするコーティング膜。 - 【請求項７】 請求項１の外側の耐酸化性層を、ニッケ
ル・アルミナイド（ｎｉｃｋｅｌ ａｌｕｍｉｎｉｄ
ｅ）で構成したことを特徴とするコーティング膜。 - 【請求項８】 チタン材料の基板を保護するためのコー
ティング膜を成膜するに当たり，基板上に耐熱性の金属
の、拡散バリヤー層を堆積する工程と、このバリヤー層
上に予め選択された金属の相溶性層を堆積する工程と、
該相溶性層上にニッケル材料の、中間の耐酸化性層を堆
積する工程と、この相溶性層は前記バリヤー層と中間の
耐酸化性層との両者間の結合を維持させるものであり、
および該中間の耐酸化性層上に外側の被酸化性層を堆積
する工程とを具えることを特徴とするコーティング膜の
成膜方法。 - 【請求項９】 請求項８のコーティング膜において、前
記バリヤー層をニオブ、タンタル、バナジウム、タング
ステンおよびハフニウムの材料の群から選ばれた材料の
層としたことを特徴とするコーティング膜の成膜方法。 - 【請求項１０】 請求項８の相溶性層を、銅で構成した
ことを特徴とするコーティング膜の成膜方法。 - 【請求項１１】 請求項８の中間の耐酸化性層を、ニッ
ケルで構成したことを特徴とするコーティング膜の成膜
方法。 - 【請求項１２】 請求項８の中間の耐酸化性層を、ニッ
ケル合金で構成したことを特徴とするコーティング膜の
成膜方法。 - 【請求項１３】 請求項８の外側の被酸化性層を、鉄の
超合金（ｉｒｏｎｓｕｐｅｒａｌｌｏｙ）で構成したこ
とを特徴とするコーティング膜の成膜方法。 - 【請求項１４】 請求項８の外側の被酸化性層を、ニッ
ケル・アルミナイド（ｎｉｃｋｅｌ ａｌｕｍｉｎｉｄ
ｅ）で構成したことを特徴とするコーティング膜の成膜
方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US07/656,433 | 1991-02-19 | ||
| US07/656,433 US5049418A (en) | 1991-02-19 | 1991-02-19 | Barrier coatings for oxidation protection incorporating compatibility layer |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04268082A JPH04268082A (ja) | 1992-09-24 |
| JP3079116B2 true JP3079116B2 (ja) | 2000-08-21 |
Family
ID=24633013
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP03310283A Expired - Fee Related JP3079116B2 (ja) | 1991-02-19 | 1991-09-16 | コーティング膜およびその成膜方法 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5049418A (ja) |
| JP (1) | JP3079116B2 (ja) |
| DE (1) | DE4130785A1 (ja) |
| FR (1) | FR2672905B1 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5129574A (en) * | 1991-02-19 | 1992-07-14 | Grumman Aerospace Corporation | Braze bonding of oxidation-resistant foils |
| US5695827A (en) * | 1991-07-01 | 1997-12-09 | Boeing North American, Inc. | Surface protection of gamma and alpha-2 titanium aluminides by ion implantation |
| DE4203869C2 (de) * | 1992-02-11 | 1994-06-16 | Daimler Benz Ag | Hochbelastbare, beschichtete Bauteile aus einem Werkstoff, der aus der intermetallischen Phase Titan-Aluminid besteht |
| US5879760A (en) * | 1992-11-05 | 1999-03-09 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force | Titanium aluminide articles having improved high temperature resistance |
| US5660886A (en) * | 1995-04-24 | 1997-08-26 | Mc Donnell Douglas Corp | Method for forming in situ diffusion barrier while diffusing aluminum through nickel-boron |
| US6613452B2 (en) | 2001-01-16 | 2003-09-02 | Northrop Grumman Corporation | Corrosion resistant coating system and method |
| US8771439B2 (en) * | 2009-04-01 | 2014-07-08 | Ut-Battelle, Llc | Titanium aluminide intermetallic alloys with improved wear resistance |
| CN110487736A (zh) * | 2019-09-17 | 2019-11-22 | 中航金属材料理化检测科技有限公司 | 一种测定gh4169中痕量元素含量的石墨炉原子吸收光谱法 |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4142023A (en) * | 1975-12-16 | 1979-02-27 | United Technologies Corporation | Method for forming a single-phase nickel aluminide coating on a nickel-base superalloy substrate |
| US4305998A (en) * | 1980-02-04 | 1981-12-15 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Protective coating |
| US4514470A (en) * | 1982-11-22 | 1985-04-30 | Avco Corporation | Diffusion bonding between titanium base alloys and steels |
| US4555275A (en) * | 1984-10-19 | 1985-11-26 | Grumman Aerospace Corporation | Hydrogen permeation protection for metals |
| US4933239A (en) * | 1989-03-06 | 1990-06-12 | United Technologies Corporation | Aluminide coating for superalloys |
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1991
- 1991-02-19 US US07/656,433 patent/US5049418A/en not_active Expired - Fee Related
- 1991-09-16 FR FR9111370A patent/FR2672905B1/fr not_active Expired - Fee Related
- 1991-09-16 JP JP03310283A patent/JP3079116B2/ja not_active Expired - Fee Related
- 1991-09-16 DE DE4130785A patent/DE4130785A1/de not_active Withdrawn
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE4130785A1 (de) | 1992-08-20 |
| JPH04268082A (ja) | 1992-09-24 |
| FR2672905A1 (fr) | 1992-08-21 |
| FR2672905B1 (fr) | 1993-05-28 |
| US5049418A (en) | 1991-09-17 |
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