JP4662323B2 - 電子ビーム物理蒸着被覆装置と該装置用のるつぼ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の分野】
本発明は全体的に電子ビーム物理蒸着被覆装置に関する。更に具体的に言えば、本発明はガスタービン機関の超合金部品の上の熱障壁被覆のように、部品の上にセラミック被覆を堆積するのに適したこのような被覆装置を対象とする。
【０００２】
【発明の背景】
ガスタービン機関では、その効率を高める為に、一層高い動作温度が常に求められている。しかし、動作温度が高くなると、機関の部品の高温耐久力もそれに対応して強くならなければならない。鉄、ニッケル及びコバルトをベースとした超合金を用いて、可成りの進歩が達成されたが、こういう合金の高温能力だけでは、タービン、燃焼器及び推力増強装置のようなガスタービン機関のある部分に配置される部品にとって不適切である場合が多い。共通の解決策は、その使用温度を最小限に抑える為に、こういう部品を熱絶縁することである。この目的の為、高温部品の露出面の上に形成される熱障壁被覆（ＴＢＣ）が広く用いられている。
【０００３】
有効である為には、熱障壁被覆はその熱伝導度が低く、部品の表面に対する接着が良くなければならない。種々のセラミック材料、特にイットリア（Ｙ₂Ｏ₃）及びマグネシア（ＭｇＯ）又はその他の酸化物によって安定化したジルコニア（ＺｒＯ₂ ）がＴＢＣとして使われている。こういう特定の材料は溶射及び蒸着技術によって堆積が容易に出来る為に、この分野で広く用いられている。後者の例は、電子ビーム物理蒸着（ＥＢＰＶＤ）であり、これは剥落を招くような損傷作用を持つ応力を発生せずに、その下にある基板と共に膨脹することが出来る柱状結晶状構造を持つ熱障壁被覆を作り、この為、応力に対する寛容度が高くなっている。拡散アルミナイド又は（Ｍを鉄、コバルト及びニッケルの少なくとも１つとして）ＭＣｒＡｌＹのような耐酸化性合金のような金属結合被覆を存在させることにより、部品に対するＴＢＣの接着力を高める場合が多い。
【０００４】
ＥＢＰＶＤによってＴＢＣを製造する方法は、一般的に部品を受容れることの出来る被覆温度まで予熱し、その後、約０．００５ミリバールの圧力に保たれた加熱された被覆室内に部品を挿入することを含む。約０．００５ミリバールより高い圧力では、電子ビームの制御が一層困難になり、０．０１０ミリバールより高い被覆室の圧力では、動作が散漫になることが報告されているので、これより高い圧力は避けられている。０．００５ミリバールより高い圧力で運転すると、電子ビーム・ガンのフィラメントの寿命が短くなるか、或いはガンが汚染されると考えられてもいる。部品がセラミック被覆材料（例えばＹＳＺ）のインゴットに接近して支持され、電子ビームをこのインゴットに対して投射して、インゴットの表面を溶融させ、被覆材料の蒸気を発生し、この蒸気が部品の上に堆積される。
【０００５】
ＥＢＰＶＤ方法を実施することが出来る温度範囲は、１つには、部品及び被覆材料の組成に関係する。一般的に、被覆材料が適当に蒸発して部品の上に堆積されるように最低のプロセス温度が設定され、これに対して、一般的に、物品に対する微細構造の損傷を避けるように最高プロセス温度が設定される。堆積過程全体を通じて、電子ビームの結果並びに被覆材料の溶融したプールが存在する結果として、被覆室内の温度が上昇し続ける。その結果、ＥＢＰＶＤ被覆方法は、目標とする最低プロセス温度の近くで開始され、その後、被覆室が最高プロセス温度に近づいたときに終わらせ、そのとき、被覆室を冷却し、きれいにして、被覆室の内壁の上に堆積した被覆材料を取除くようにする場合が多い。高級ＥＢＰＶＤ装置は、装置の運転を停止せずに、被覆室から被覆された部品を取出し、予熱されているまだ被覆されていない部品と交換することが出来るので、連続運転が達成される。この時間中の装置の連続運転は「キャンペーン」と呼ぶことが出来、キャンペーンの間、より多くの数の部品が首尾良く被覆され、これはより大きな処理効率及び経済効率に対応する。
【０００６】
上に述べたことにかんがみ、１つのキャンペーンの内に被覆することが出来る部品の数を増やし、被覆室に部品を導入し、部品をそこから取出すのに必要な時間の長さを短縮し、キャンペーンの合間に装置の保守を行うのに必要な時間の長さを短縮しようとする機運が可成りある。しかし、従来の制約は、受容れることの出来る被覆温度の範囲が比較的狭く、極めて高温の部品を被覆室に出入れするのが複雑で、高級なＥＢＰＶＤ装置の保守をしようとするときに難点があった結果である場合が多い。その為、被覆、特にＴＢＣのようなセラミック被覆を堆積する改良されたＥＢＰＶＤ装置及び方法が常に求められてきた。
【０００７】
【発明の概要】
本発明は電子ビーム物理蒸着（ＥＢＰＶＤ）装置、及びこの装置を使って、物品の上に被覆（例えば、セラミックの熱障壁被覆）を作る方法である。本発明のＥＢＰＶＤ装置は一般的に、高温（例えば、少なくとも８００℃）及び大気圧未満の圧力（例えば１０^-3ミリバール乃至５×１０^-2ミリバール）で動作し得る被覆室を含む。電子ビーム・ガンを使って、被覆室の中並びに被覆室内にある被覆材料の上に電子ビームを投射する。電子ビーム・ガンを動作させることにより、被覆材料を溶融すると共に、それを蒸発させる。更に、被覆材料の蒸気を物品の上に堆積させることが出来るように、被覆室内に物品を支持する装置を設ける。
【０００８】
本発明では、１つ又は更に多くの特徴並びに／又はプロセスの変更を含めることにより又は適応させることにより、ＥＢＰＶＤ装置の動作を高めることが出来る。プロセス温度制御に関する本発明の一面では、被覆室が放射反射器を含んでおり、この放射反射器を被覆室内で移動して、被覆キャンペーンの間に、物品が溶融した被覆材料から受ける反射加熱の量を増減することが出来る。プロセス圧力制御も本発明の一面であり、この為、電子ビーム・ガンの動作及び信頼性に対する影響をごく小さくして又は全くなしに、且つプロセス圧力の変動をごく小さくして、発明者リグニ他による米国特許出願通し番号０９／１０８２０１に従って、０．０１０ミリバールより高い処理圧力を実現することが出来る。本発明のこの一面に関係する機械的な改良及びプロセスの改良は、電子ビーム・ガン、被覆室並びにガスを装置に導入したり、それから取出したりするやり方の変更を含む。更に本発明では、被覆材料の上の電子ビーム・パターンが改善される。
【０００９】
本発明の別の好ましい一面では、るつぼを使って被覆室内に被覆材料を支持する。るつぼは、少なくとも２つの部材で構成されることが好ましく、第１の部材は、溶融した被覆材料のプールを取囲むと共に保持し、第２の部材は第１の部材に固定されていて、溶融していない被覆材料の部分を取囲む。第１及び第２の部材の間に環状冷却通路が構成され、これが溶融したプールに密に隣接しており、この為、るつぼの効率の良い冷却を達成することが出来、プロセス温度が被覆室内で高くなる速度を抑える。
【００１０】
本発明の別の好ましい一面は、被覆室の下に被覆材料の幾つかのインゴットを支持する回転自在のマガジンを用いる。マガジンを割出して、１つ又は更に多くのインゴットの幾つかの積重ねを、被覆室に対する開口に個別に整合させ、被覆材料の堆積を中断することなく、逐次的にインゴットを被覆室の中に送込む。
【００１１】
本発明の別の好ましい一面では、被覆室内の溶融した被覆材料を観察する観察ポートを設ける。被覆室内で起こっている極めて高温のプロセスを見ることが出来るようにする為に、観察ポートは流体冷却にし、回転速度の高いストロボ・ドラムと、ストロボ・ドラムに対する高温真空封じとなる磁気粒子封じを持っている。別の好ましい一面は、観察ポートによって被覆室を立体的に観ることが出来ることであり、これによって立体的に観ることが出来るようにしながら、１人又は更に多くのオペレータが被覆室を同時に観察することが出来る。
【００１２】
本発明のその他の目的及び利点は、以下詳しく説明するところから、更に良く理解されよう。
【００１３】
【発明の詳しい説明】
本発明によるＥＢＰＶＤ装置１０が全体的に図１及び図２に示されており、種々の部品及び特徴が図３乃至図１４に示されている。装置１０は、熱的に悪い環境内で動作しなければならない金属部品の上にセラミックの熱障壁被覆を堆積するのに特に良く適している。こういう部品の主な例を挙げれば、ガスタービン機関の高圧及び低圧タービンのノズル及び羽根、シュラウド、燃焼器の部品及び推力増強装置の部品がある。本発明の利点を、このような部品の上にセラミック被覆を堆積する場合について説明するが、本発明の考えは種々の被覆材料及び部品に一般的に用いることが出来る。
【００１４】
本発明を例示する為、図１及び２に、ＥＢＰＶＤ装置１０が、被覆室１２、１対の予熱室１４及び２対の装填室１６及び１８を持っていて、対称的な構成を有するものとして示されている。前側の装填室１６が、その予熱室１４と夫々整合していることが示されており、左側の室１６内のレーキ(rake)２２の上に初めに部品２０が装填されていたものが、予熱室１４に移送され、図１に示すように、被覆室１２の中に移送される。対称的な装置１０を用いると、前側の左側の装填室１６から装填された部品２０が被覆室１２内で被覆される間、前側の右側の装填室１６内にある第２のバッチの部品を右側の予熱室１４で予熱し、第３のバッチの部品を後側の左側の装填室１８に装填し、第４のバッチの部品を後側の右側の装填室１８から引出すことが出来る。この為、本発明の好ましいＥＢＰＶＤ装置１０では、プロセスの４つの段階を同時に行うことが出来る。
【００１５】
本発明の好ましい実施例では、装填室１６及び１８が、高さの低い可動プラットフォーム２４に取付けられ、この為、装填室１６及び１８をその予熱室１４と選択的に整合させることが出来る。例えば、前側の左側の装填室１６を左側の予熱室１４と整合させて、部品２０を被覆室１２に挿入することが出来るようにするとき、後側の左側の装填室１８は左側の予熱室１４から引っ込め、こうして後側の左側の装填室１８のレーキ１２に、部品を同時に装填したり又は取出したりすることが出来る。各々のプラットフォーム２４は、どの装填室１６及び１８もその予熱室１４と整合しない保守位置へ可動であって、掃除の為に、予熱室１４並びに装填室１６及び１８の内部に対する出入りが出来るようにすることが好ましい。プラットフォーム２４は、少なくとも部分的に、床に取付けられたローラ軸受４４によって支持することが好ましいが、当然ながら、種々の軸受を使うことが出来る。各々のプラットフォーム２４は、１吋（約２．５ｃｍ）以下の低い高さ（床より上方の突出）を持っていて、縁を（好ましくは、水平から３０°）面取りし、その両方によって、オペレータがプラットフォーム２４の縁をひっかける惧れを実質的になくす。装置１０を取囲む不動の物体は、プラットフォームの位置を変えるときに、オペレータがプラットフォーム２４に挟まれないようにする為に、プラットフォーム２４の縁から離すことが好ましい。図示のプラットフォーム形の代わりとして、幾つかの重なり合う又は入れ子になる可動セグメントを持つプラットフォーム装置を使ってもよい。更に、可動セグメントが、プラットフォーム集成体を取囲む固定の高くしたプラットフォームの下に滑り込むようにしてもよい。最後に、装填室１６及び１８に対して別々に予熱室を設けて、装填室１６及び１８並びにその予熱室の両方が可動プラットフォーム装置によって取囲まれるようにしてもよい。
【００１６】
図３乃至５に示すように、被覆室１２の一部分は、被覆キャンペーンの合間に、室１２の内部の掃除がし易くなるように、予熱室１４に対して移動するように構成することが好ましい。図３に示す場合、被覆室１２はその動作位置にあり、後で詳しく説明する観察ポート４８が、室１２の前側部分に取付けられている。図４では、被覆室１２の前側部分（並びに後で説明するが、被覆室１２に付設されたインゴット・マガジン１０２）が、図５の作業位置まで回転した状態を示す可動の作業プラットフォーム５０に対する出入りが出来るようにする為に、被覆室１２の他の部分から離した状態が示されている。この位置にあるとき、被覆室１２の内部に作業プラットフォーム５０が容易に出入りすることが出来る。プラットフォーム５０が、蝶番５２を用いて、被覆室１２の底に結合されることが示されているが、勿論、この他の受容れられる構造を用いてもよい。プラットフォーム５０は、蝶番結合したセグメント形の構造、キック・プレートを持つもの又はその他の安全性に関係する付属品を含めて、図３乃至５に示すものとは異なる形にすることが出来る。
【００１７】
被覆室１２、予熱室１４並びに装填室１６及び１８が、これらの室の間の真空封じを作る弁（図に示していない）に接続される。これらの室１２、１４、１６、１８の間に装填することが出来る部品２０の寸法及び数を最大する為、弁は約２５０ｍｍの最小寸法を持つことが好ましいが、これは従来当業者が実用的と思っていた値より可成り大きい。被覆室、予熱室１４並びに装填室１６及び１８をポンプによって色々な真空レベルにしなければならないし、場合によってはそれらが前に説明したように互いに移動することが要求されるから、弁は比較的高い圧力で多数のサイクルに耐えることが出来なければならない。この目的に適した封じの設計が公知であり、従ってここでは詳しく説明しない。
【００１８】
図６及び７について説明すると、電子ビーム（ＥＢ）ガン３０によって発生されて、インゴット２６上に集束された電子ビーム２８を用いて、セラミック材料のインゴット２６を溶融すると共に蒸発させることにより、被覆室１２内で被覆が行われる。電子ビーム２８によるセラミック材料の強力な加熱により、各々のインゴット２６の表面が溶融し、溶融したセラミックのプールを形成し、そこからセラミック材料の分子が蒸発し、上向きに移動し、その後、部品２０の表面に堆積され、所望のセラミック被覆を作る。この被覆の厚さは、被覆過程の持続時間に関係する。これらの図には２つのインゴット２６を示してあるが、任意の時点で、１つのインゴット又は２つより多くのインゴット２６を用いて蒸発させてもよく、これは本発明の範囲内である。
【００１９】
ＥＢＰＶＤ被覆室は、典型的には約０．００１ミリバール（約１×１０^-3トル）又はそれ以下の真空レベルに保つことが出来る。従来、被覆過程の間、被覆室１２は精々０．０１０ミリバール、更に典型的には約０．００５ミリバールの真空に引いていたが、その理由は、これより圧力を高くすると、ＥＢガン３０の動作が散漫になって、電子ビーム２８を制御するのが困難になり、その為、劣った被覆になると考えられていたからである。更に、０．００５ミリバールより高い被覆室の圧力で運転すると、ガンのフィラメントの寿命が短くなるか或いはガンが汚染されると考えられていた。しかし、本出願人に譲渡された発明者リグニ他による米国特許出願通し番号０９／１０８２０１によると、被覆室１２はこれより高い圧力で運転することが好ましく、そうすると、驚くべきことに、剥落抵抗及び衝撃抵抗が改善されたセラミック被覆が得られると共に、従来達成されていたよりも一層高いインゴット蒸発速度と共に、被覆堆積速度が促進された。
【００２０】
機械的なポンプ３１を用いて、被覆室１２、予熱室１４並びに装填室１６及び１８の大まかな減圧を行うことが出来る。堆積過程の前に、被覆室１２を真空に引くことを助ける為に、従来公知の形式の極低温ポンプ３２が使われることが図１及び２に示されている。図１、３、４及び５には、拡散ポンプ３４も示されており、その動作は従来公知のものと同様であるが、本発明に従って、ポンプ３４の動作を調整する為の絞り弁３６を付けてある。更に具体的に言うと、絞り弁３６は、開位置（図３）、閉位置（図４及び５）及びその中間の位置の間で作動される。被覆室１２内の真空が本発明で用いられる比較的高い圧力に保たれるとき、絞り弁３６の利点が活かされる。被覆室１２を真空に引く為に、拡散ポンプ３４の最大の動作容量を必要とするとき、絞り弁３６は図３に示すように開く。ハードウエアを処理する為、被覆室１２は目標圧力（例えば０．０１５ミリバール）に保たなければならないが、絞り弁３６を、図４及び５の完全に閉じた位置からある距離の予め設定された絞り位置に移動することを必要とする。図１に見られるように、同じように絞り弁（図に示していない）を具えた別々の拡散ポンプ３８を用いて、予熱室１４を真空に引くことが好ましいが、これも本発明の被覆動作では比較的高い圧力が望ましいからである。機械的なポンプ３１は洩れ検出用接続部３３を持つことが好ましく、ここに洩れ検出器を接続して、室１２、１４、１６、１８又は関連した装置の洩れを介して導入しても安全なヘリウム又はその他のガスを使った装置の真空洩れの検出を行うことが出来る。
【００２１】
図１及び２に戻って説明すると、装填室１６及び１８は全体的に細長い形であり、装填ドア４０を具えていて、これを介して部品がレーキ２２の上に装填される。装填室１６及び１８は、レーキ２２の動作を制御する移動駆動部（図１の４６に略図で示す）に対する出入ドア４２をも具えている。更に具体的に言うと、レーキ２２の上に支持されている部品２０は、部品２０の周りの被覆の所望の分布を促進する為に、被覆室１２内で回転させ並びに／又は揺動させることが好ましい。出入ドア４２は、装置１０のオペレータが、装填室１６及び１８に対する部品の装填及び取出しを妨げずに、移動駆動部４６の設定を素早く調節したり変更することが出来るようにする。
【００２２】
図６及び７に戻って、被覆室１２の内部を更に詳しく説明する。本発明で用いる一層高い被覆圧力での電子ビーム２８の制御及びＥＢガン３０の保護に関する前に述べた問題に対処する為、ＥＢガン３０及び被覆室１２にはある改良が加えられている。図６に見られるように、インゴット２６を被覆室１２内に支持すると共に、電子ビーム２８によって発生された溶融したセラミック材料のプールを保持するるつぼ５６の近くに設けた入口５４を介して、酸素及びアルゴン・ガスが被覆室１２内に導入される。酸素及びアルゴンの流量は、目標プロセス圧力及び酸素の目標分圧に基づいて個別に制御される。被覆室１２内での圧力の振動が発生するのを少なくする為、これらのガスに関する制御ループの応答時間は、図１及び６に示すように、被覆室１２のすぐ外側で入口５４のすぐ側に、これらのガスに対する制御弁５８を物理的に配置することによって短くしている。制御弁５８を被覆室１２のこんなに近くに配置することは、圧力制御の上で、驚く程目覚ましい改良をもたらし、被覆室１２内での圧力変動を少なくし、インゴット２６に対する電子ビーム２８の焦点及び位置の擾乱を少なくする。
【００２３】
電子ビームの焦点及びパターンを更に改善する為に、ＥＢガン３０は、部品２０の上に堆積されない余分のセラミック蒸気の大部分を捕捉する凝縮物フード５２ににより、被覆室１２内の一層高い被覆圧力から比較的隔離されている。フード５２は、本発明に従って、被覆過程に希望する高い圧力が特に保たれるような、部品２０の周りの被覆領域を定めるように構成されている、被覆キャンペーンの合間に掃除し易くする為、フード５２がスクリーン７６を具えていて、これを取外して、被覆室１２の外部で掃除することが出来るようにすることが好ましい。スクリーン７６は、キャンペーンの終わりまでに、被覆材料の層で被覆された状態にあるとき、スクリーン７６を取外し易くする為に、ねじ結合部材ではなく、ばねピン７８で抑えることが好ましい。一般的には更に複雑であるが、凝縮物フード５２全体は、取外して、新品のフード５２に交換することが出来る。
【００２４】
フード５２が図６に見られるように部品２０を取囲んでいるから、フード５２には各々のビーム２８に対する開口６２が必要である。ＥＢガン３０の周りの近くを含めて、被覆室１２の他の部分に比べて、凝縮物フード５２内に一層高い圧力を保つことが出来るようにすることを促進する為に、開口６２は、電子ビーム２８がフード５２を通過することが出来るようにするのに必要以上の寸法を持たないように形成することが好ましい。この為、ＥＢＰＶＤ装置１０を設定する際、開口６２を電子ビーム２８で切取ってみて、各々の開口６２が、フード５２と交わるところでの電子ビームのパターンと大体等しい断面積を持つようにすることが好ましい。
【００２５】
ＥＢガン３０を凝縮物フード５２内の高い圧力から更に隔離する為、ビーム２８が夫々のガン３０から、被覆室１２の内壁と凝縮物フード５２の間に形成された室６４を通って移動する。拡散ポンプ３４が各々の室６４の近くにあって、それと空気力学的に結合された入口を持つことが好ましい。開口６２が最小限の寸法であるから、凝縮物フード５２内の高い圧力（これは入口５４から酸素及びアルゴンを導入することによって達成される）が、室６４に分流する速度は十分低く、拡散ポンプ３４が室６４を凝縮物フード５２の内部より一層低い圧力に保つことが出来るようにする。
【００２６】
図６、８及び９は、本発明によってＥＢガン３０に対して施される別の保護を示している。従来普通のように、ＥＢガン３０は、ガン３０の内部に約８×１０^-5乃至約８×１０^-4ミリバールのレベルの圧力を保つ真空ポンプ６６を具えており、この圧力はガン３０の外側に存在する圧力、即ち、本発明のＥＢＰＶＤ被覆室１２内の圧力並びに従来の典型的なＥＢＰＶＤ被覆室内の圧力よりも可成り低い。こういう低い圧力を保つ為に、電子ビーム２８は、図６に略図で示すように、ガン３０から出ていくのに、円筒形オリフィス６８を通過しなければならない。図８は、従来のオリフィス１６８の形を示す。図８に示す電子ビーム１２８に対し、焦点位置Ａ、Ｂ及びＣで表すある範囲のビーム集束状態がとれるようにする為に、オリフィス１６８は比較的大きい直径及び長さ、例えば、夫々約３０ｍｍ及び約１２０ｍｍを有する。従来の欠点は、本発明の装置１０の一層高い圧力環境で動作するＥＢガン３０に対してこのようなオリフィス１６８が施す保護が低いことである。本発明が生まれる前の研究の際、処理条件の改良された制御により、ビーム焦点（図９のＤ）の最適位置を確認することが出来ることが、試験によって判った。そこで更に有効なオリフィスの設計が研究され、その結果、図６及び９に示す本発明のオリフィス６８になったが、これが図９には、図８の従来のオリフィス１６８よりも直径及び長さが一層小さいものとして示されている。オリフィス６８に対する好ましい直径及び長さは、夫々約１５ｍｍ及び５０ｍｍであると考えられるが、こういう寸法の最適の値は、圧力、焦点、偏向コイル電流及び全体的な形状によって変わり得る。
【００２７】
上に述べたように、凝縮物フード５２が、被覆室１２の内壁の上に堆積するセラミック材料を最小限に抑えるように、部品２０の周りに位置ぎめされている。本発明では、凝縮物フード５２も、被覆キャンペーンの間、適当な部品温度を保つのに必要なように、部品２０の加熱作用を調整するように特に構成されている。更に具体的に言うと、フード５２は、インゴット２６の溶融した表面から部品２０に向かって放出される熱を放射する可動の反射板７２を具えている。キャンペーンの初期の始動のとき、このときは被覆室１２の温度が比較的低いが、反射板７２は、部品２０の加熱を最大にする為に、アクチュエータ７４を用いて、部品２２に接近したところに位置ぎめされる。キャンペーンが続けられて、被覆室１２内の温度が上昇するにつれて、反射板７２を（図６に破線で示すように）部品２０から遠ざけ、部品２０に反射される放射熱量を小さくする。こうすることにより、部品２０が、キャンペーンの始めに、適当な堆積温度（例えば約９２５℃）に更に容易に持ってくることが出来ると共に、最高許容被覆温度（例えば１１４０℃）に達するのが遅れて、被覆キャンペーンの長さを最大にすることが出来る。フード５２及び板７２は、羽根の被覆温度を一層一様で安定なものにすることを促進するが、これが部品上のセラミック被覆に対する所望の柱状結晶粒構造を促進する。反射板７２が上昇した位置にある間に凝縮物フード５２内を所望の比較的高い圧力に保つ為、板７２を取囲む水冷シュラウド７５が設けられ、この水冷シュラウド７５は凝縮物フード５２と板７２との間のガスの流れを抑制して、フード５２と板７２の間の圧力損失を少なくする。
【００２８】
図７には、室壁内の玉継手通抜け部７９を介して被覆室１２に入込むマニピュレータ７７が示されている。マニピュレータ７７を使って、被覆キャンペーンの間、セラミック又はセラミック被覆の反射器８０（図１０に粒状材料として示してある）をるつぼ５６に近づく方向又は遠ざかる方向に移動することにより、部品２０の加熱を調整する助けとする。更に具体的に言うと、るつぼ５６に接近している為、反射器８０は被覆過程の間、非常に高い温度にあり、その為、部品２０に向かって上向きに熱を放射する。反射器８０から放射される熱量は、一般的に、反射器８０がるつぼ５６に一番接近しているときに最大であり、反射器８０をるつぼ５６から遠ざけることによって減らすことが出来る。反射器８０は、部品２０に対してあまり熱を放射しない流体冷却の板８１の上に支持することが好ましい。その結果、反射器８０を反射板７２と共に使って、キャンペーンが続く間、被覆室１２内で被覆される部品２０の温度を調整することが出来る。キャンペーンの始めに、反射器８０はるつぼ５６の近くに配置され、部品２０の加熱を最大にし、その後マニピュレータ７７を用いてるつぼ５６から遠ざけられ、放射熱量を減らす。
【００２９】
被覆室の環境に耐えられるように、マニピュレータ７７の内、被覆室１２内にある部分は、Ｘ−１５のようなニッケルをベースとした合金のような高温合金で形成することが好ましい。粒状材料の代わりに、反射器８０は実質的にどんな形であってもよい。例えば、反射材料で被覆した１つ又は更に多くの板を使うことが出来る。便宜上の問題として、反射器８０は、堆積するのと同様な材料のインゴットから切出した比較的大きな切片にすることが出来るが、この他のセラミック材料を使うことが出来ることは言うまでもない。
【００３０】
上に述べたように、セラミック材料のインゴット２６が、るつぼ５６によって被覆室１２内に支持され、このるつぼが、電子ビーム２８によって発生された溶融したセラミック材料のプールを保持する。１つのるつぼが３つの部分から成るものとして、図１０に詳しく示されている。テーパつき上面８４を持つ上側部材８２が下側部材８６と共に組立てられ、その間に冷却材通路８８を形成し、水又は他の適当な冷却材がこの通路を流れて、るつぼ５６の温度をその材料の融点より低く保つ。制限板９０も図１０に示されており、その厚さは、冷却材入口９２と出口９４の間の通路８８の流れの断面積を変える、例えば減らすように選ぶことが出来る。熱伝導度の為、るつぼ５６の好ましい材料は、銅又は銅合金であり、通路８８を通る冷却材の流量が、インゴット２６の溶融部分に最も近いるつぼの壁９６を溶融したセラミックの温度より低く保つのに十分であることを必要とする。図１０から判るように、後で図１１及び１２について説明するが、電子ビーム２８をテーパつきの面８４並びにインゴット２６に投射することが好ましい。その為、上側部材８２の外面が適切に冷却されるようにする為、壁９６の厚さを最小限に抑えて、るつぼ５６の機械的な強度を脅かすことなく、熱伝達を促進しなければならない。幾つかの部材から成る本発明のるつぼの形は、冷却材通路８８の最適の形を作ることを容易にすると共に、きつい許容公差で壁９６の厚さを作ることが出来るようにする。最適の形は種々の因子に関係するが、好ましい冷却材流量は、約４００ｍｍ² の断面積を持つ通路８８に、約２乃至６気圧（約２乃至６バール）の圧力の水を使うとき、約５乃至５０ガロン／分（約２０乃至２００リットル／分）であり、壁の最大の厚さは、面８４に隣接しては約１０ｍｍであり、インゴット２６に隣接しては約７ｍｍである。
【００３１】
図１１及び１２は、セラミック材料のプールを形成する為の、インゴット２６上の電子ビーム２８の好ましいパターンを示す。図１０及び１１に見られるように、ビーム２８は、るつぼの面８４の内、インゴット２６のすぐ周りの部分にも投射され、ビーム２８の周辺がるつぼの面８４上にある。電子ビーム２８の好ましいエネルギ分布９８が、インゴットとるつぼとの界面の近くにピークを持つことが図１２に示されており、インゴット２６の中心に照準を合わせたエネルギは殆ど或いは全くない。本発明では、このような高強度のビームを溶融したプールの中心から遠ざける利点は、被覆の際、溶融したセラミックの滴がプールから放出されるときに一般的に起こるスピッティング（こぼれ）の傾向が小さくなることである。スピッティングは、部品２０の上に作られる被覆の欠陥と関係しており、従って、避けることが好ましい。ビーム２８をるつぼ５６の上に投射することは、他の場合にはスピッティングの為にるつぼ５６の上に積重なるかもしれないセラミックの量を減らすのに役立つと共に、赤外線作像で測定したとき、溶融したプールに互る一層均一な温度分布を作る。インゴット材料としてＹＳＺを使うとき、図１２のピークに於ける適当なビーム強度は、約０．１ｋＷ／ｍｍ² 程度であるが、これに比べてプールの中心に於ける最高レベルは約０．０１ｋＷ／ｍｍ² である。
【００３２】
電子ビーム２８が斜めの角度でインゴット２６の面に入射して、ビーム・パターンの周縁においてるつぼ５６と、夫々のＥＢガン３０に対して近い方の交点１００及び反対側にある遠い方の交点１０１を設定することも図１０に示されている。図１１に示すように、インゴット２６及びるつぼ５６上の好ましいビーム・パターン強度は、近い方及び遠い方の交点１００及び１０１に対応するるつぼ５６上の位置では、ビーム・パターンが残りの周縁に比べて、好ましくは約３０％乃至７０％だけ、幾分減少する。近い方の交点１００に於けるビーム・パターンの強度を減らす目的は、ビーム２６によるるつぼ５６の侵食を減らすことであり、これに対して遠い方の交点１０１に対するビーム強度を減らすことは、ビーム２８によって溶融したセラミック・プールに発生される波が、溶融したセラミックをるつぼ５６の縁を超えて押し出すことを減らすことが判った。
【００３３】
電子ビーム２８に対する本発明の別の好ましい制御の特徴は、スピッティングの結果として、るつぼ５６の上に堆積されるかもしれないセラミックを蒸発させる為に、るつぼ５６の表面上のビーム・パターンを一時的に中断させて、別の一層高い強度のビーム・パターン９７を小さな区域に互る一層速い蒸発速度を達成させることに専用にすることが出来ることである。本発明のこの特徴は、堆積過程に対する影響がごく小さいか又は全くないようにして、被覆動作の間に行うことが出来る。好ましい実施例では、オペレータがるつぼ５６上のセラミックの積重なりを蒸発させる為に、別のパターン９７の振れを開始するとき、パターン９７が最初は自動的に既知の位置に位置が決め直され、そこからパターン９７をオペレータの指示の下にセラミックの積重ねに向かって手作業で移動させることが出来る。パターン９７を既知の位置へ自動的に戻すことにより、るつぼ５６を損傷することに繋がるような誤りの惧れが小さくなる。この代わりに、パターン９７の位置は、オペレータが、パターン９７を投射すべきるつぼ５６上の位置を入力することが出来るように、予めプログラムすることが出来る。パターン９７を用いて容易に取除くことが出来ないような、るつぼ５６上のセラミックの積重ねは、図７に示したマニピュレータを用いて取除くことが出来る場合が多い。
【００３４】
インゴット２６を収容すると共にそれを被覆室１２の床を通してるつぼ５６の中に送り込むマガジン１０２が図１乃至７に示されている。図２、６及び７に容易に認められるように、各々のマガジン１０２が多数の円筒形通路１０４を持ち、その中にインゴット２６が保持されている。マガジン１０２が回転して、インゴット２６をるつぼ５６と整合するように割出す。マガジン１０２は、るつぼの隔たりを調節し、こうして、被覆の厚さの偏差が受け入れられるような被覆区域を最適にする為に、互いに近づくように又は離れるように（即ち被覆室１２に対して横方向に）移動することが出来る。インゴット２６を捕捉して、それをるつぼ５６の中に送り込む為に使われる送り機構は、一般的にクランク・アーム６０を含み、その各々が水平に対してある角度に配置されていて、マガジンを割出す間、蒸発するインゴット２６を所定位置に保持するようになっている。各々のアーム６０の上端が蒸発するインゴット２６と係合するが、これは、送り機構の引っかかりの原因になると判ったことであるが、クランク・アーム６０を水平位置に向かって下向きに摺動させることなく、エレベータ６１を用いてインゴット２６を上向きに送ることを容易にする。本発明では、各々のマガジン１０２が逐次的に次のインゴット２６をるつぼ５６内の蒸発するインゴット２６の下端と整合させ、エレベータ６１が次のインゴット２６を蒸発するインゴット２６の背後で、被覆室１２内に送り込み、部品２０に対するセラミック材料の堆積の途切れは殆ど或いは全くない。
【００３５】
図３乃至５に認められる観察ポート４８が図１３に更に詳しく示されている。観察ポート４８は、装置１０のオペレータが、被覆される部品２０、溶融したセラミックのプール、るつぼ５６の周りの反射器８０、及び反射器８０を移動させるのに使われるマニピュレータ７７を含めて、被覆動作を観察することが出来るように構成されている。図示のように、観察ポート４８は、流体冷却の開口板１０６を含む外被であり、被覆過程に接近したところでの高温（大まかに言うと８００℃又はそれ以上）に耐える為にサファイアで形成された随意選択の窓１０８を有する。遮蔽ガスがポート１１０を介して開口板１０６に送り込まれ、開口板１０６の背後の窓１０８又は装置に対する被覆の堆積を最小限にすることが示されている。観察ポート４８の中では、回転するストロボ・ドラム１１２が、被覆室１２からの放射熱、光及びその他の放射に対する観察窓１１４の露出を最小限に抑えるのに役立つ。公知のように、ドラム１１２がその壁にスロット１１６を持ち、高い速度で回転して、観察者の目のちらつきをなくす。窓１１４は石英硝子、鉛硝子及び／又は着色硝子の多重板であることが好ましい。石英硝子は物理的な強度を持ち、鉛硝子はＸ線からの保護になり、着色硝子は光強度を下げるのに役立つ。更に観察ポート４８が、ストロボ・ドラムに対する高温真空封じとなる磁気粒子封じを含む。別の好ましい特徴は、観察ポート４８が、被覆室１２の内部を立体的に観ることが出来るようにしていることであり、これによって１人又は更に多くのオペレータが、奥行きを感知することが出来るようにしながら、同時に被覆室を観察することが出来る。
【００３６】
図１４には、本発明のＥＢＰＶＤ装置１０を制御すると共に監視する為の好ましい制御パネル１１８が示されている。制御パネル１１８が、装置１０の略図と共に、個々の部品（例えば被覆室１２）に対する標識１２０を含む構成部品を持つことが示されている。更に、標識１２０の隣りに設けられていて、構成部品の動作状態を示す可視表示１２２と、対応する構成部品の動作を変える為のスイッチ１２４も示されている。パネル１１８は、圧力のようなプロセス・パラメータを定量化する為のゲージで囲まれていることが好ましい。パネル１１８により、ＥＢＰＶＤ装置１０の動作状態に関する情報を素早く且つ正確に読み取って、オペレータが装置１０及び被覆過程に対する適切な調節を加えることが出来るようにすることが出来る。
【００３７】
動作について説明すると、本発明の装置１０は、最初は図１及び２に示す状態である。前に述べたように、被覆しようとする部品２０が、装填室１６及び１８内のレーキ２２に装填される。部品２０は、部品２０がガスタービン機関の羽根である場合、ニッケルをベースとした又はコバルトをベースとした超合金のような任意の適当な材料で形成されていてよい。ガスタービン機関の羽根の場合、装置１０を用いて被覆する前に、部品の表面には、前に述べたような既知の組成の結合用被覆を設けるのが典型的である。更にセラミックＴＢＣを堆積する前に、結合用被覆の表面をグリッド・ブラスティングにかけて、結合用被覆の表面をきれいにして、ＥＢＰＶＤによる柱状のセラミック被覆を堆積するのに必要な最適の表面仕上げにすることが好ましい。更にセラミック被覆を堆積する前に、高温で結合用被覆の上にアルミナ・スケールを形成して、被覆の接着をよくすることが好ましい。アルミナ・スケールは熱成長酸化物又はＴＧＯと呼ばれる場合が多いが、セラミック被覆を堆積する前又は堆積の間、アルミナを含む結合用被覆を高い温度に対して露出することにより、又はこの目的の為に特に行われる高温処理によって出来る。本発明では、部品２０はアルゴン雰囲気内で約１１００℃に予熱することが好ましい。部品２０を予熱する為に使われないとき、予熱室１４は約６００℃に保って、キャンペーンの間に室１４がさらされる温度範囲を最低限に抑えることが好ましい。
【００３８】
予熱室１４内での予熱の後、レーキ２２を更に被覆室１２の中に伸ばす。前に述べたように、本発明の装置１０は、リグニ他の教えるような高い圧力条件の下で、セラミック被覆を堆積するように特に構成されている。被覆過程を開始する前に、手早い真空検査を実施して、定められた期間内に、減圧速度と、被覆室１２、予熱室１４並びに装填室１６及び１８の各々の中に達成された圧力とを追跡することが好ましい。こうすることは、装置１０の真空の完全さを判断することに役立つが、これは従来のＥＢＰＶＤ動作では、犠牲用標本に対して行われる酸化試験を通じて行われていた。室１２、１４、１６、１８は、大気圧から機械的なポンプ３１を用いて真空に引き、その後、圧力が約２０ミリバールに下がったとき、ブロワーを開始する。極低温ポンプ３２は、約５×１０^-1ミリバールの圧力に達したときに始動することが好ましい。その後、約５×１０^-2ミリバールの圧力に達したとき、被覆室１２及び予熱室１４に対する拡散ポンプ３２及び３４を始動する。装填室１６及び１８並びに予熱室１４内の適当なプロセス圧力は約１０^-3乃至１０^-1ミリバールであり、適当な被覆圧力は、フード５２によって定められた被覆領域内で、約１０^-2乃至５×１０^-2ミリバールである。手動締切り弁５１を具えた２重素子イオン・ゲージ５５を使って、被覆室１２内の真空圧力を測定することが好ましい。独立に作用し得る素子を持つゲージを使うことにより、被覆動作を中断せずに、どちらの素子も使う為に選ぶことが出来る。この代わりに、弁によって分離した２つのイオン・ゲージを設けて、被覆動作を中断せずに、何れかのゲージを使い又は切換えることが出来る。
【００３９】
本発明の好ましい一面では、極低温ポンプ３２は、極低温ポンプ３２の上に氷が積重なるのを最小限に抑える為に、両方のポンプ３２及び３４を同時に始動させるのが典型的であった従来のやり方とは反対に、拡散ポンプ３４より前に始動させることが好ましい。拡散ポンプ３４より先に極低温ポンプ３２を始動させることは、本発明に希望する被覆室の圧力に達するのに必要な時間の長さを可成り短くすることが判った。拡散ポンプ３４より先に極低温ポンプ３２を始動させると、極低温ポンプ３２に対する氷の積重ねが促進されるが、この氷は、被覆キャンペーンが終わったとき又はその他の任意のときに取除くことが出来る。
【００４０】
被覆動作の間、電子ビーム２８がインゴット２６に集束され、こうして溶融したセラミックのプール及び蒸気を形成し、この蒸気が部品２０に堆積される。種々の被覆材料を使うことが出来るが、ＴＢＣ（従ってインゴット２６）に対する好ましいセラミック材料は、部分的に又は完全にイットリア（例えば３％−２０％、好ましくは４％−８％のＹ₂Ｏ₃）によって安定化させたジルコニア（ＺｒＯ₂ ）であるが、イットリアで安定化したマグネシア、セリア、カルシア、スカンジア又はその他の酸化物を使うことも出来る。被覆動作は、部品２０上の被覆に対する所望の厚さが得られるまで続けられ、その後、部品２０を予熱室１４を介して装填室１６に移送し、その後、装填室１６を大気に対して通気する。通気口は、通気速度を高める為に、少なくとも直径３０ｍｍであることが好ましいが、一般的には、室１２、１４、１６、１８内のごみ及びその他の考えられる汚染物質をかき乱すことを避ける為に、直径は約６０ｍｍ未満にする。この理由で、最初は直径が一層小さい弁で通気し、その後直径が一層大きい弁で通気することが望ましいことがある。
【００４１】
本発明を好ましい実施例について説明したが、当業者であれば、この他の形を採用することが出来ることは明らかである。従って、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって制限される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に従って被覆材料を堆積する為に使われる電子ビーム物理蒸着装置の簡略平面図。
【図２】 本発明に従って被覆材料を堆積する為に使われる電子ビーム物理蒸着装置の簡略正面図。
【図３】 図１の切断線３−３で切った断面図であり、本発明の一面に従って用いられる可動プラットフォームを示す。
【図４】 図１の切断線３−３で切った断面図であり、本発明の一面に従って用いられる可動プラットフォームを示す。
【図５】 図１の切断線３−３で切った断面図であり、本発明の一面に従って用いられる可動プラットフォームを示す。
【図６】 図１及び２の装置の被覆室に対する好ましい内部部品を示す更に詳しい正面断面図。
【図７】 図１及び２の装置の被覆室に対する好ましい内部部品を示す更に詳しい平面断面図。
【図８】 本発明の好ましい実施例に従って構成されたオリフィスと比較するための従来のＥＢガン・オリフィスの略図。
【図９】 本発明の好ましい実施例に従って構成されたオリフィスの略図。
【図１０】 本発明の好ましい実施例に従って、被覆材料のインゴットを収容するるつぼ並びにるつぼ並びにインゴットの表面に投射される電子ビームを示す断面図。
【図１１】 図１０のるつぼの平面図であって、るつぼ及びインゴットに対する電子ビームの好ましいパターンを示す。
【図１２】 図１０及び１１のインゴット及びるつぼの面に互る電子ビーム・パターンの好ましいエネルギ強度分布図。
【図１３】 図１及び２に示した装置の被覆室内での過程を観察する為の好ましい観察ポートを示す略図。
【図１４】 図１及び２の装置の動作を監視並びに制御する制御パネルの略図。

Claims (10)

1. 高温及び大気圧未満の圧力で動作可能であって、被覆材料（２６）を収容している被覆室（１２）と、
   前記被覆室（１２）内の前記被覆材料（２６）の上に電子ビーム（２８）を投射して、前記被覆材料（２６）を溶融させると共に溶融した被覆材料（２６）を蒸発させるように動作し得る電子ビーム・ガン（３０）と、
   前記被覆室（１２）内に被覆材料（２６）を支持するるつぼ（５６）であって、溶融した被覆材料（２６）のプールを取囲むと共に保持する第１の部材（８２）と、該第１の部材（８２）に固定されていて、溶融していない被覆材料の部分を取囲む第２の部材（８６）とを含み、これらの第１及び第２の部材（８２，８６）の間には環状冷却通路（８８）が構成されている、るつぼ（５６）と、
   被覆材料（２６）の蒸気が物品（２０）の上に堆積されるように物品（２０）を前記被覆室（１２）内に支持する支持手段（２２）と、
   を有する電子ビーム物理蒸着被覆装置。
2. 前記るつぼ（５６）の第１の部材（８２）は、電子ビーム（２８）による加熱を受ける壁（９６）を持ち、該壁（９６）は前記冷却通路（８８）の一部を形成すると共に、１０ｍｍ以下の最小厚さを持っている、請求項１記載の電子ビーム物理蒸着被覆装置。
3. 電子ビーム（２８）が前記被覆材料（２６）の上に所定の電子ビーム・パターンを定めるように前記被覆材料（２６）の上に投射され、前記装置は更に、前記るつぼ（５６）の上の溶融した被覆材料の液滴を蒸発させる為に前記るつぼ（５６）の上に別の電子ビーム・パターン（９７）を投射する手段を有し、該別の電子ビーム・パターン（９７）は前記被覆材料（２６）の上の前記電子ビーム・パターンよりも一層高い強度を有している、請求項１記載の電子ビーム物理蒸着被覆装置。
4. 更に、前記被覆室（１２）内に設けられ、少なくとも部分的に前記支持手段（２２）を取囲む凝縮物フード（５２）を有し、該凝縮物フード（５２）は第１の反射部材（７２）を持ち、前記第１の反射部材（７２）は、前記支持手段（２２）の上に支持された物品（２０）が該第１の反射部材（７２）と溶融した被覆材料（２６）との間にあるように前記被覆室（１２）内に配置されており、前記第１の反射部材（７２）は溶融した被覆材料（２６）に対して第１及び第２の位置の間で可動であり、前記第１の位置は前記第２の位置よりも前記支持手段（２２）に一層接近していて、このため、前記第１の反射部材（７２）が前記第２の位置にあるときよりも前記第１の位置にあるときに、前記支持手段（２２）によって支持された物品（２０）が、溶融した被覆材料（２６）からの反射加熱をより強く受けるようになっている、請求項１記載の電子ビーム物理蒸着被覆装置。
5. 更に、前記被覆室（１２）内にガスを導入するために前記被覆室（１２）内の溶融した被覆材料（２６）の近くに設けた出口（５４）と、前記出口（５４）から前記被覆室（１２）内へのガスの流量を制御する制御手段（５８）とを有し、該制御手段（５８）は、前記被覆室（１２）の外に配置されるが、前記被覆室（１２）内の前記出口（５４）の直ぐ近くに配置されている、請求項１記載の電子ビーム物理蒸着被覆装置。
6. 更に、物品（２０）を前記被覆室（１２）内に導入する前に前記支持手段（２２）によって支持された物品（２０）を予熱するために前記被覆室（１２）に隣接して設けられた予熱室（１４）と、
   前記被覆室（１２）とは反対側で前記予熱室（１４）に隣接している装填室（１６，１８）と、
   前記装填室（１６，１８）内にあって、物品（２０）を前記支持手段（２２）によって支持された状態で移動させる手段（４６）と、
   前記支持手段（２２）に対して部品（２０）の装填及び取出しを行うための、前記装填室（１６，１８）に対する第１のドア（４０）と、
   前記移動させる手段（４６）に近づくための、前記装填室（１６，１８）に対する第２のドア（４２）と、
   を有する請求項１記載の電子ビーム物理蒸着被覆装置。
7. 前記被覆室（１２）の第１の部分が、前記被覆室（１２）の第２の部分と係合する動作位置と、該第２の部分からから離れた保守位置との間で移動可能である、請求項１記載の電子ビーム物理蒸着被覆装置。
8. 更に、前記被覆室（１２）内の大気圧未満の圧力を検知する少なくとも２つのイオン検知装置（５５）を有し、これらのイオン検知装置（５５）は、それらの内の１つのイオン検知装置が部品（２０）の被覆動作を中断することなく選択的に動作し得るように独立に動作可能である、請求項１記載の電子ビーム物理蒸着被覆装置。
9. 更に、前記被覆室（１２）の下で複数の被覆材料のインゴット（２６）を支持すると共に、インゴットを前記被覆室の中に送込むために前記るつぼ（５６）に少なくとも１つのインゴット（２６）を整合させる少なくとも１つの回転自在のマガジン（１０２）を有する請求項１記載の電子ビーム物理蒸着被覆装置。
10. 前記マガジン（１０２）は、前記被覆室（１２）内に被覆材料（２６）を横方向に位置決めするために前記被覆室（１２）の下で直線経路に沿って移動可能である、請求項９記載の電子ビーム物理蒸着被覆装置。

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