JP4780884B2 - 電子ビーム物理蒸着装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、概して電子ビーム物理蒸着コーティング装置に関する。具体的には、本発明は、かかるコーティング装置の作動に対する影響を最小限にしつつ装置のチャンバの再位置決めを可能にする可動プラットフォームシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
高温ガスタービン部品の実用温度を最低限に抑えるため、かかる部品の外面を熱的に遮断する遮熱皮膜（ＴＢＣ）が広く用いられている。ＴＢＣとして、各種のセラミック材料、特にイットリア（Ｙ₂Ｏ₃）、マグネシア（ＭｇＯ）その他の酸化物で安定化されたジルコニア（ＺｒＯ₂）が使用されている。これらの材料は、プラズマ溶射技術や蒸着技術で容易に堆積させることができるので、当技術分野で広く用いられている。後者の一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もつ応力を生じさせずに、その下の基板と共に膨張し得る柱状結晶粒組織を有する遮熱皮膜を作り、そのため応力許容度が高まる。
【０００３】
生産規模のコーティング装置を用いたＥＢＰＶＤ法でのセラミックコーティング（例えばＴＢＣ）の堆積プロセスでは、一般に、まず被覆すべき部品を装填チャンバ内に装填する。部品を予熱チャンバに送る前に、装填チャンバ内の圧力を通例１０^-2ミリバール（ｍｂａｒ）以下に下げる。予熱チャンバでは、部品のコーティングの密着力を高めるため部品を通例８００℃以上に加熱する。部品を予熱チャンバから、低圧（通例約０．００５ｍｂａｒ）に維持した加熱コーティングチャンバに送る。堆積させるセラミックコーティング材料のインゴットの近くに部品を支持し、電子ビームをインゴットに投射してインゴット表面を融解して蒸気を発生させて部品に堆積させ、密着セラミック層を形成させる。
【０００４】
生産用の最新型ＥＢＰＶＤ装置は、連続運転ができるように、装置の運転を停止することなく被覆部品をコーティングチャンバから取り出し未被覆予熱部品と交換できるようになっていることが多い。この時間中の装置の連続運転は「キャンペーン」と呼ぶことができ、キャンペーン中に首尾よく被覆された部品の数が多いほど加工・経済効率が高いことになる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
以上に鑑み、一キャンペーン内に被覆できる部品の数を増やし、部品をコーティングチャンバに出し入れするのに必要な時間を短縮し、キャンペーン間に装置の保守を行うのに要する時間を短縮することが大いに期待されている。しかし、極めて高温の部品を装填チャンバ、予熱チャンバ及びコーティングチャンバを通して移動させるのに複雑な設備が必要である点で問題があり、最新型ＥＢＰＶＤ装置のそうした設備の保守も難しい。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、物品に皮膜（例えば、セラミック遮熱皮膜）を作るための電子ビーム物理蒸着（ＥＢＰＶＤ）装置、具体的には、生産用のＥＢＰＶＤ装置の装填チャンバと予熱チャンバの相対的位置決めを容易にする可動プラットフォームシステムである。本発明のプラットフォームシステムは少なくとも１つの装填チャンバを取り囲んでおり、予熱チャンバに対して可動であって装填チャンバを予熱チャンバと整列させ、また整列位置から外す。重要なことに、このプラットフォームシステムは高さが極めて低く、好ましくは２．５ｃｍ以下であって、装填チャンバの再位置決め時のＥＢＰＶＤ装置のオペレータに対する危険を実質的に排除する。
【０００７】
本発明の他の目的と利点は以下の詳細な説明から明らかとなろう。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明のＥＢＰＶＤ装置１０の概略を図１及び図２に示す。この装置１０により、熱的に苛酷な環境内で作動させようとする金属部品にセラミック遮熱皮膜を堆積させることができる。かかる部品の主な例には、ガスタービンエンジンの高圧及び低圧タービンノズル及びブレード、シュラウド、燃焼器ライナ及びオーグメンタハードウェアがある。
【０００９】
本発明の例示のため、コーティングチャンバ１２、一対の予熱チャンバ１４及び２対の装填チャンバ１６，１８を含むＥＢＰＶＤ装置１０を図１及び図２に示す。この装置１０は対称形になっている。予熱チャンバ１４と整列した前側装填チャンバ１６が示してあり、まず左側装填チャンバ１６内のレーキ２２上に装填された部品２０は左側予熱チャンバ１４に、次いで図１に示す通りコーティングチャンバ１２中に移される。装置１０の対称形により、前側の左側装填チャンバ１６を介して装填された部品２０がコーティングチャンバ１２内で被覆される間に、前側の右側装填チャンバ１６内の第二のバッチの部品を右側予熱チャンバ１４内で予熱することができ、第三のバッチの部品を後側左側装填チャンバ１８中に装填することができ、第四のバッチの部品を後側右側装填チャンバ１８から取り出すことができる。したがって、本発明の好ましいＥＢＰＶＤ装置１０では４つのプロセス段階が同時に起こり得る。
【００１０】
コーティングチャンバ１２内で、電子ビーム（ＥＢ）ガン３０によって生成した電子ビームで所望のセラミック材料のインゴット２６を融解・蒸発させることによって部品２０にセラミック皮膜を堆積させる。電子ビームによるインゴット２６の強力な加熱により、各インゴット２６の表面が融解し、溶融セラミックプールを形成し、そこからセラミック材料の分子が蒸発し、上方に移動し、次いで部品２０の表面に堆積し、所望のセラミック皮膜が生成する。この皮膜の厚さはコーティングプロセスの長さに依存する。
【００１１】
コーティングチャンバ１２内に必要とされる大気圧未満の圧力は、ポンプでのチャンバ１２からの脱気速度と酸素やアルゴンのような所望のガスのチャンバ１２への流入速度とで制御する。図２に、コーティングチャンバ１２近くに位置する弁５８を介してガスがコーティングチャンバ１２内に導入される様子を示す。ガスの流量は、目的とするプロセス圧力と酸素分圧に基づいて個別に制御する。メカニカルポンプ３１により簡単に排気した後、当技術分野で公知のタイプの低温ポンプ３２と拡散ポンプ３４を用いて蒸着プロセスの前とプロセス中のコーティングチャンバ１２を排気することができる。予熱チャンバ１４を排気するのに用いる別の一対の拡散ポンプ３８が示してある。図１に示す通り、コーティングチャンバ１２の拡散ポンプ３４は、このポンプ３４の作用を比較的高い圧力、例えば０．０１０ｍｂａｒより高い圧力に調節するために絞り弁３６を備えている。予熱チャンバ１４のための拡散ポンプ３８も同じ目的で絞り弁を備えているのが好ましい。
【００１２】
本発明によると、予熱チャンバ１４と装填チャンバ１６，１８とは、装填チャンバ１６及び１８がそれぞれの予熱チャンバ１４と選択的に整列することができるように、相対的に移動できなくてはならない。例えば、部品２０をコーティングチャンバ１２内に挿入できるように前側左側装填チャンバ１６が左側予熱チャンバ１４と整列しているとき、後側左側装填チャンバ１８は左側予熱チャンバ１４から戻り、この後側左側装填チャンバ１８のレーキ２２に部品を同時に装填又はそこから取り出すことができるようになっている。コーティングチャンバ１２、予熱チャンバ１４及び装填チャンバ１６，１８は、これらのチャンバ間の真空封止を達成する弁（図示してない）によって接続されている。したがって、これらの弁は、比較的高温で多数のサイクルが可能でなければならず、チャンバ間の信頼できる真空シールを繰返し提供しなければならない。この目的に適した封止設計は当技術分野で公知であり、これ以上は説明しない。
【００１３】
本発明によると、装填チャンバ１６及び１８の所要の移動性は、対をなす装填チャンバ１６及び１８を支持する高さの低い２つの可動プラットフォーム２４によって達成される。装填チャンバ１６及び１８を予熱チャンバ１４と選択的に整列させることに加えて、各プラットフォーム２４は保守位置にも可動であるのが好ましい。この保守位置では、装填チャンバ１６及び１８のいずれもが予熱チャンバ１４と整列してなくて清掃のために予熱チャンバ１４及び装填チャンバ１６，１８の内部にアクセスすることができる。プラットフォーム２４は床に備え付けられたローラ軸受４４に少なくとも一部が支持されているのが好ましいが、別の軸受設計も使用することができることが分かる。また、軸受４４は床の代わりにプラットフォーム２４内に備え付けることができよう。好ましい実施形態の場合、プラットフォーム２４はほぼ２部構成をとっており、プラットフォームは装填チャンバ１６，１８の側面又はベースに備え付けられ、さらに軸受４４によって支持されている。
【００１４】
重要なことに、各プラットフォーム２４は高さ（床から上方への突出）が１インチ（約２．５ｃｍ）以下と低い。好ましくはプラットフォームの外側の縁に沿って設けられた面取り部に沿ったプラットフォーム２４の低い高さは、オペレータがプラットフォーム２４の縁で躓くおそれを実質的になくす。プラットフォーム２４は、装填チャンバ１６，１８に沿って通路を、またベンチや他の支持設備の貯蔵区域を提供するように充分大きい表面をもつものが示してある。装置１０を取り巻く他の定置物は、オペレータが再位置決めの際にプラットフォーム２４に躓くのを防ぐためプラットフォーム２４の縁から離れて位置しているのが好ましい。
【００１５】
好ましい実施形態に関連して本発明を説明して来たが、他の形態も当業者によって採用できることは明らかである。したがって、本発明の範囲は特許請求の範囲によってのみ限定されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の可動プラットフォームシステムを備えた電子ビーム物理蒸着装置の概略平面図である。
【図２】 本発明の可動プラットフォームシステムを備えた電子ビーム物理蒸着装置の概略正面図である。
【符号の説明】
１０ 電子ビーム物理蒸着装置
１２ コーティングチャンバ
１４ 予熱チャンバ
１６，１８ 装填チャンバ
２０ 物品
２２ 支持手段
２４ 可動プラットフォーム（システム）
２８ 電子ビーム
３０ 電子ビームガン
４０ 入口
４４ 軸受

Claims (10)

1. 高温及び大気圧未満の圧力で作動可能なコーティングチャンバ（１２）と、
   コーティングチャンバ（１２）内で物品（２０）を支持する支持手段（２２）と、
   コーティングチャンバ（１２）に隣接して整列した予熱チャンバ（１４）であって、支持手段（２２）が物品（２０）をコーティングチャンバ（１２）内に導入する前に予熱チャンバ（１４）内で支持手段（２２）に支持された物品（２０）を予熱するように作動可能な予熱チャンバ（１４）と、
   予熱チャンバ（１４）に隣接して整列した装填チャンバ（１６，１８）であって、支持手段（２２）が物品（２０）を予熱チャンバ（１４）及びコーティングチャンバ（１２）中に順次導入する前に支持手段（２２）上に物品（２０）を装填するための入口（４０）を有する装填チャンバ（１６，１８）と、
   装填チャンバ（１６，１８）を支持し、装填チャンバ（１６，１８）を予熱チャンバ（１４）に整列させまた整列位置から外すことができるように予熱チャンバ（１４）に対して可動である高さ２．５ｃｍ以下の可動プラットフォーム（２４）と
   を含んでなる電子ビーム物理蒸着コーティング装置（１０）。
2. 予熱チャンバ（１４）がある面に備え付けられており、可動プラットフォーム（２４）がその面上に可動支持されている、請求項１記載の電子ビーム物理蒸着コーティング装置（１０）。
3. 前記面に備え付けられた軸受（４４）であって可動プラットフォーム（２４）を支持する軸受（４４）をさらに含む、請求項２記載の電子ビーム物理蒸着コーティング装置（１０）。
4. 可動プラットフォーム（２４）が装填チャンバ（１６，１８）に隣接した通路を可動プラットフォーム（２４）の表面部に含む、請求項１記載の電子ビーム物理蒸着コーティング装置（１０）。
5. 予熱及びコーティングチャンバ（１２）内で第二の物品（２０）を支持する第二の支持手段（２２）と、
   装填チャンバ（１６，１８）に隣接する第二の装填チャンバ（１６，１８）であって、第二の物品（２０）を第二の支持手段（２２）上に装填するための入口（４０）を有しており、この第二の装填チャンバ（１６，１８）も予熱チャンバ（１４）に整列させまた整列位置から外すことができるように可動プラットフォーム（２４）上に支持されている、第二の装填チャンバ（１６，１８）と
   をさらに含む、請求項１記載の電子ビーム物理蒸着コーティング装置（１０）。
6. 可動プラットフォーム（２４）が、装填チャンバ（１６，１８）が予熱チャンバ（１４）と整列していて第二の装填チャンバ（１６，１８）が予熱チャンバ（１４）と整列していない第一の位置と、装填チャンバ（１６，１８）が予熱チャンバ（１４）と整列しておらず第二の装填チャンバ（１６，１８）が予熱チャンバ（１４）と整列している第二の位置と、装填チャンバ（１６，１８）と第二の装填チャンバ（１６，１８）がいずれも予熱チャンバ（１４）と整列していない第三の位置との間で可動である、請求項５記載の電子ビーム物理蒸着コーティング装置（１０）。
7. 高温及び大気圧未満の圧力で作動可能なコーティングチャンバ（１２）と、
   コーティングチャンバ（１２）中に電子ビーム（２８）を投射する電子ビームガン（３０）と、
   コーティングチャンバ（１２）内で第一の物品（２０）を支持する第一の支持手段（２２）と、
   コーティングチャンバ（１２）に隣接して整列するようにある面に備え付けられた予熱チャンバ（１４）であって、第一の支持手段（２２）が第一の物品（２０）をコーティングチャンバ（１２）内に導入する前に予熱チャンバ（１４）内で第一の支持手段（２２）に支持された第一の物品（２０）を予熱するように作動可能な予熱チャンバ（１４）と、
   コーティングチャンバ（１２）と向かい合って予熱チャンバ（１４）に隣接して整列した第一の装填チャンバであって、第一の支持手段（２２）が第一の物品（２０）を予熱チャンバ（１４）及びコーティングチャンバ（１２）中に順次導入する前に第一の支持手段（２２）上に第一の物品（２０）を装填するための入口（４０）を有する第一の装填チャンバ（１６，１８）と、
   予熱及びコーティングチャンバ（１２）内で第二の物品（２０）を支持する第二の支持手段（２２）と、
   第一の装填チャンバ（１６，１８）に隣接しており、第二の支持手段（２２）上に第二の物品（２０）を装填するための入口（４０）を有する第二の装填チャンバ（１６，１８）と、
   上記面から２．５ｃｍ以下の高さに上面を有する可動プラットフォーム（２４）であって、第一装填チャンバ及び第二装填チャンバ（１６，１８）を支持し、その移動によって第一装填チャンバ及び第二装填チャンバ（１６，１８）が予熱チャンバ（１４）に整列しまた整列位置から外れるようになっている可動プラットフォーム（２４）と、
   可動プラットフォーム（２４）を上記面上に支持する軸受（４４）と
   を含んでなる電子ビーム物理蒸着コーティング装置（１０）。
8. 可動プラットフォーム（２４）が、第一の装填チャンバ（１６，１８）が予熱チャンバ（１４）と整列しており第二の装填チャンバ（１６，１８）が予熱チャンバ（１４）と整列していない第一の位置と、第一の装填チャンバ（１６，１８）が予熱チャンバ（１４）と整列しておらず第二の装填チャンバ（１６，１８）が予熱チャンバ（１４）と整列している第二の位置と、第一の装填チャンバ（１６，１８）も第二の装填チャンバ（１６，１８）も予熱チャンバ（１４）と整列していない第三の位置との間で可動である、請求項７記載の電子ビーム物理蒸着コーティング装置（１０）。
9. 可動プラットフォーム（２４）が、第一の装填チャンバ（１６，１８）に隣接した第一の通路を可動プラットフォーム（２４）の第一の表面部に含んでおり、また第二の装填チャンバ（１６，１８）に隣接した第二の通路を可動プラットフォーム（２４）の第二の表面部に含んでいる、請求項７記載の電子ビーム物理蒸着コーティング装置（１０）。
10. 軸受（４４）が前記面に備え付けられている、請求項７記載の電子ビーム物理蒸着コーティング装置（１０）。

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