JP4896287B2

JP4896287B2 - コーティング装置のチャンバ部品の作動温度を低下させるためのコーティング

Info

Publication number: JP4896287B2
Application number: JP2000115974A
Authority: JP
Inventors: ウィリアム・ランドルフ・ストウェル; ジョン・フレデリック・アッカーマン; ジェフリー・アレン・コナー; ジョン・ダグラス・エバンス，セニア; アントニオ・フランク・マリコッチ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1999-04-19
Filing date: 2000-04-18
Publication date: 2012-03-14
Anticipated expiration: 2020-04-18
Also published as: BR0001637A; EP1091017A2; SG84588A1; EP1091017A3; DE60041527D1; EP1091017B1; JP2000355756A; US6181727B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コーティング装置のコーティングチャンバ部品のように高温に曝される部品用のコーティングに係る。特に、本発明は、コーティング装置のコーティングチャンバ部品がコーティングプロセス中に受ける最高温度を低下させるための前記部品用の反射コーティングに関する。
【０００２】
【従来の技術】
物理蒸着（ＰＶＤ）は、材料が気化した後比較的冷たい基材上に凝結するような温度にその材料を真空中で加熱することを伴う公知の薄膜形成技術である。さまざまな理由から、ガスタービンエンジン部品用の金属およびセラミックコーティングはＰＶＤによって析出させることが多い。たとえば、断熱皮膜（ＴＢＣ）系のセラミックトップコート層に望ましい柱状結晶粒構造を生成するのに電子ビーム物理蒸着（ＥＢＰＶＤ）が用いられている。セラミック材料として好ましいことが多いのはイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）であり、これは後に部品上に凝結することになるＹＳＺ蒸気を生成するために約４０００〜約４３００Ｋに加熱しなければならない。
【０００３】
ガスタービンエンジン部品は、通常、ＰＶＤによるコーティングの間に１７００°Ｆ（約９２７℃）を超える温度になる。コーティングサイクル中に温度の均一性を制御するという要件が厳格である結果として、通常、プロセス要件を満たすのに充分な温度とコーティング蒸気均一性を維持することができる「作業ゾーン」をＰＶＤコーティングチャンバ内に設けている。コートしようとする部品は、複雑な工具や取付具を用いてコーティングチャンバの作業ゾーン内に維持しその中で取り扱わなければならない。その結果、この工具・取付具はＰＶＤコーティングを受ける部品と同じ高温に曝され、したがってこの工具・取付具をＰＶＤコーティングチャンバの高温コーティング環境に耐え得る材料から製造する必要が生じる。顕著な例は、柱状結晶粒構造をもつセラミック層をＥＢＰＶＤにより析出させるために部品を回転させるのに必要なギヤである。
【０００４】
この工具・取付具を形成するには高温材料が使われているが、繰り返し高温に曝露され、それに伴う熱サイクルにかけられる結果として、これらの部品は物理的に劣化し、日常的に交換する必要が生じる。ＰＶＤ部品、工具および取付具の複雑さおよび高温性能に関連したコストのため、これらの交換頻度を減らすことができれば望ましいであろう。
【０００５】
【発明の要約】
本発明は、一般に、ＰＶＤ装置の高温コーティングチャンバのようなコーティングチャンバ内で使用する部品を提供する。特に、本発明は、ＰＶＤ装置の作業ゾーン内で繰り返し高温に耐えなければならないコーティングチャンバ部品用の熱反射コーティングに関する。この反射コーティングは、コーティングチャンバ内の熱放射、特に周囲のチャンバ環境から部品への放射熱伝達が最大となる波長の熱放射を反射することによって、その部品への放射熱伝達に対するバリヤー（障壁）として機能する。
【０００６】
本発明の熱反射コーティングは少なくとも一対の反射層をもっており、その各々の層は５００〜３０００ナノメートル（nm）の電磁波長に対して本質的に透明な材料で形成されている。また、前記対の最外層の材料はその対の第二の層の材料より屈折率が高い。本発明のコーティングは、鋼でできたＰＶＤコーティングチャンバ部品の平均反射率を約３８０〜約１５００nmの電磁波長範囲にわたって約７０％から９０％超まで増大させることが示されている。この波長範囲は、溶融セラミック材料が放出する熱放射（近赤外）のスペクトル内にあり、したがってセラミック材料の析出中の過熱の原因となるものである。したがって、本発明の熱反射コーティングによってコーティングチャンバ部品の作動温度を大きく低下させることができる。また、部品内の熱勾配も低下する。この熱勾配は、特に部品の一部のみがコーティングチャンバの作業ゾーン内にあると起こるものである。
【０００７】
上記のことから、本発明の利点には、ＰＶＤコーティング装置のコーティングチャンバ内で使用する重要な部品、工具および取付具の寿命を改善できる能力が含まれることが分かる。その結果、コーティング装置の作動コストが低下する。本発明の反射コーティングは５０００nm未満の厚みで存在すればこれらの利点を達成することができ、したがって、寸法や公差の大きな問題を引き起こすことなく標準的な工具や取付具にこのコーティングを設けることが可能になる。また、本発明の反射コーティングは非常に硬く耐久性であり、取扱いに起因する損傷の問題が低減することも見出されている。最後に、ＰＶＤ金属およびセラミックコーティングは本発明の反射コーティングにあまり強く接着しないので、不注意に部品上に析出されたＰＶＤコーティングは容易に除去することができる。
【０００８】
本発明のその他の目的および利点は以下の詳細な説明から理解されよう。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明は、一般に、高温コーティングチャンバ、特に超合金物品に金属やセラミックのコーティングを設けるためのＰＶＤコーティングチャンバで使用する部品、工具および取付具などに関する。ＰＶＤコーティング装置に関して本発明の利点を説明するが、本発明は部品が繰り返し高温に曝されることになる装置に広く適用可能である。
【００１０】
ＰＶＤコーティングおよびそれに必要な工具・取付具は業界で公知である。ＰＶＤコーティング装置の部品１０、たとえばギヤ、工具または取付具の表面部分を図１に断面で示す。典型的なＰＶＤコーティングチャンバの作業ゾーン内で使用するために部品１０は約１０００°Ｆを超える温度に耐えることができる材料で形成するのが好ましい。この目的に適した材料としては、ハステロイ(HASTELLOY)Ｘ（登録商標）のようなＮｉ基超合金を始めとするニッケル基合金がある。作業ゾーン外のコーティングチャンバ部品は、ステンレス鋼や銅およびその合金を始めとする低温材料で形成してもよい。図１の部品１０は、スパッタリングやイオンプラズマ析出のような方法で基材１２の表面上に付着させた多層コーティング系１４を有するものとして示してある。本発明によると、このコーティング系１４は、コーティングチャンバの熱源ならびにコーティングプロセス中に高温になる結果として赤外線を放出するチャンバ内のその他の表面により放出された赤外線の反射を促進する。顕著な例は、ＥＢＰＶＤによりＹＳＺの断熱皮膜を形成する際に存在するジルコニアの溶融プールである。
【００１１】
図１に示したコーティング系１４（特別な縮尺ではない）はセラミック材料の４つの層１６、１８、２０、２２をもっているが、これらは以後対の層１６／１８および２０／２２として論ずる。本発明の範囲内で任意の数の対の層を用いることができる。対となった層を用いることの意味は、目的とする波長に対して透明であるが部品１０により反射される波長の相増強を達成するのに異なる屈折率を有する２種の材料の光学的構成干渉効果に基づいている。当業者には分かるように、相増強には各対の層１６／１８と２０／２２が異なる屈折率をもっている必要があり、放射源に最も近い層（たとえば、対の層１６／１８の層１８、および対の層２０／２２の層２２）がより高い屈折率をもつ必要がある。また、所与の対の層は反射される波長およびそれぞれの屈折率に基づいて次の１／４波長式に従う異なる厚みをもつのが好ましい。
ｔ＝λ／４ｎ
ここで、ｔはコーティング層に必要とされる厚み（ナノメートル）であり、λは目的とする波長（ナノメートル）であり、ｎはコーティング層材料の屈折率である。
【００１２】
図１に示した４つの層からなるコーティング系１４は性能（反射率）とプロセスおよびコスト要件とのバランスをとるという利点があるが、所望の光学的効果は追加の対の層によって増大することができる。たとえば、コーティング系１４に適した層の数は約１６〜５０の範囲であると考えられ、性能の点から３２個の層（１６個の対）が好ましい。層１６、１８、２０、２２に適したセラミック材料としては、耐火性フッ化物、およびシリカ（ＳｉＯ₂）、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、チタニア（ＴｉＯ₂）、タンタラ（Ｔａ₂Ｏ₅）、ジルコニア（ＺｒＯ₂）、トリア（ＴｈＯ₂）および酸化ニオブ（Ｎｂ₂Ｏ₅）のような金属酸化物があるが、他の酸化物も使用できる。これらの材料は本発明の目的にとって高屈折率材料または低屈折率材料に分類することができる。たとえば、スパッタリングした耐火性フッ化物、シリカおよびアルミナは屈折率が比較的に低く、通常約１．２５〜約１．７の範囲であるが、チタニア、タンタラ、ジルコニアおよび酸化ニオブは屈折率がそれより高く、通常約２〜約２．３の範囲である。コーティング系１４の層１６、１８、２０、２２として好ましい材料は高温性能の点から酸化物であるが、他の材料も部品１０の最高使用温度での熱安定性、目的とする波長に対する透明性の要件を満たし、コーティング系１４に望まれる反射率と適合する屈折率を与えるものであれば使用することができる。
【００１３】
上記１／４波長式に基づき、コーティング系１４に適した厚みは使用する材料とコーティング系１４を形成する層の数に依存する。また、上記式から、屈折率の低いコーティング層（たとえば１６と２０）は、屈折率の高いコーティング層（たとえば１８と２２）より厚くなければならない。特に、目的とする所定の波長を反射しようとする対の層の場合、低屈折率層（たとえば１６と２０）は、その対の高屈折率層より、それらの屈折率に反比例する係数だけ厚いのが好ましい。ひとつの例では、層１６と２０がシリカであり、層１８と２２がチタニアである。シリカとチタニアの屈折率がそれぞれ約１．５と２．２であることより、約７００〜１３００nmの波長の放射線を反射しようとする場合には、シリカ層１６と２０に適した厚みは約１１７〜２１７nmであり、チタニア層１８と２２に適した厚みは約８０〜１４８nmである。したがって、このコーティング系１４の全体の厚みは約３９４〜７３４nmの範囲となる。より一般的にいうと、本発明の多層反射コーティング系はコーティングの全体の厚みが５０００nm未満で本発明の利点を達成することができ、適切な厚み範囲は約１００〜約４０００nmである。
【００１４】
本発明の特に適切な具体例として、シリカ層とチタニア層が交互に対になった３２個の層のコーティング系を開発した。このコーティング系を、ＰＶＤコーティング作業の代表的な条件下でＨＳ１８８コバルト基合金試片の熱放射特性を測定する試験中に評価した。図４に、ＥＢＰＶＤによるＹＳＺの析出中の典型的な電磁放射線スペクトルを示す。この析出中ジルコニアインゴットは約４０００〜約４３００Ｋの温度に加熱した。図４から明らかなように、放射は主として０．２〜２マイクロメートル（２００〜２０００nm）の範囲である。
【００１５】
３２層のコーティング系と比較するため、コートしてない研磨したＨＳ１８８試片も評価した。図３のデータによると、コートしてない試片の反射率は最小が５００nm未満の波長であり、次第に増大し、２０００nmで約７７％、３０００nmで約８０％であり、これを３８０〜１５００nmの範囲で計算して平均すると約７０％の反射率であった。この３８０〜１５００nmの範囲は、図４から明らかなように、ＥＢＰＶＤによるＹＳＺの析出中にかなりの量の黒体電磁放射エネルギーが放出される一般的な範囲である。熱放射は一般に約７８０〜約１×１０⁶nm（１mm）の赤外範囲であるので、コートしてない試片の反射率はＥＢＰＶＤによるＹＳＺの析出中に優勢な熱放射（７８０〜約２０００nm）に対して比較的低かった。コートしてない部品のこの範囲での低い反射率は、ＰＶＤコーティング作業中に起こる部品の放射加熱の量を促進するであろう。実際、ＨＳ１８８部品の表面は酸化され、その結果反射率が４０％に近くなり、したがって部品の作動温度はさらに高くなるであろう。
【００１６】
本発明の教示に従ってコートした３２層の試片では、奇数番号の層（たとえば図１の層１６と１８）がシリカであり、偶数番号の層（たとえば図１の層２０と２２）がチタニアであった。この試片の個々の層の厚みを次に示す。

上記のことから、シリカ層の厚みは約２２．３７〜約３４４．１０nmの範囲であり、合計の厚みは約２２６６nmであったことが分かる。チタニア層の厚みは約３９．２２〜約１８４．６５nmの範囲であり、合計の厚みは約１５２２nmであった。コーティングの全体の厚みは約３７８８ｎｍであり、シリカとチタニアに起因し得るコーティングの全体の厚みはそれらのそれぞれの屈折率に反比例していた。１／４波長式に基づいて、個々の層の異なる厚みは反射させたい波長の範囲を網羅しようとしたものであり、各対のシリカ層は通常それと対のチタニア層より厚いことが理解できる。個々の対の層に対するシリカ／チタニアの厚み比はシリカとチタニアの屈折率（１．５／２．２）の逆数に限定されなかった。代わりに、厚みの比は約０．１９〜約５．２５までの範囲であることが分かる。この違いの原因は、複雑な反射コーティングの場合、高調波を抑制するために極めて薄い層（たとえば層１７と１９）を含ませ、その結果広い周波数範囲にわたって全体性能を高めたためである。ここで使用した「複雑な」という用語は、コーティング層に対する異なる屈折率、層の異なる材料特性、およびコーティングに対して意図された要求用途に関連していうものとする。
【００１７】
図２から分かるように、本発明に従ってコートされたＨＳ１８８試片の反射率は、熱放射スペクトルの下端で、図３のコートされてない部品と比較してかなり高く、計算した３８０〜１５００nmの平均反射率は約９０％であった。この範囲におけるコートされた試片の反射率は高いので、ＰＶＤコーティング作業中のＨＳ１８８部品で起こる放射加熱の量が大きく低減するであろう。上記の結果に基づいて、本発明のコーティング系はまた約１５００nm未満の波長で鋼の比較的低い反射率を補償することが理解される。
【００１８】
好ましい態様に関して本発明を説明して来たが、他の適切なコーティングおよび基材材料を代わりに使用したり、またはコーティング層を析出するのに各種方法を利用したりすることによって、他の形態も当業者ならば適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定められる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の反射コーティングを有するコーティングチャンバ部品の一部の断面図。
【図２】図１の反射コーティングを有する鋼試片の反射率を波長に対してプロットしたグラフ。
【図３】従来のコートしてない鋼試片の反射率を波長に対してプロットしたグラフ。
【図４】ＰＶＤによるイットリア安定化ジルコニアの析出中の典型的な黒体放射を示すグラフ。
【符号の説明】
１０部品
１２基材
１４コーティング系
１６低屈折率セラミック層
１８高屈折率セラミック層
２０低屈折率セラミック層
２２高屈折率セラミック層

Claims

コーティング装置のコーティングチャンバ部品（１０）であって、該部品（１０）はその表面上に熱反射コーティング（１４）をもっており、該コーティング（１４）は、所定波長の赤外線に対して実質的に透明な材料で形成された少なくとも一対の隣接する層（１６、１８）を含んでおり、この対の層（１６、１８）の最外層（１８）は同じ対の層（１６、１８）の最内層（１６）より屈折率が高い材料で形成されており、該対の層（１６、１８）の最内層（１６）は同じ対の層（１６、１８）の最外層（１８）より厚い、前記コーティングチャンバ部品（１０）。
コーティング（１４）を有する部品（１０）が３８０〜１５００ナノメートルの電磁波長に対して少なくとも９０％の平均反射率をもっている、請求項１記載のコーティングチャンバ部品（１０）。
前記対の層（１６、１８）の最外層（１８）がチタニア、タンタラ、ジルコニアおよび酸化ニオブより成る群の中から選択される材料で形成されており、前記対の層（１６、１８）の最内層（１６）が耐火性フッ化物、シリカおよびアルミナより成る群の中から選択される材料で形成されている、請求項１又は２に記載のコーティングチャンバ部品（１０）。
前記対の層（１６、１８）の最内層（１６）と前記対の層（１６、１８）の最外層（１８）の厚さの比が、それらの屈折率の比に反比例する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のコーティングチャンバ部品（１０）。
コーティング（１４）が１００〜４０００ナノメートルの厚みをもっている、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のコーティングチャンバ部品（１０）。
コーティング装置のコーティングチャンバ部品（１０）であって、該部品（１０）はその表面上に熱反射コーティング（１４）をもっており、該コーティング（１４）は複数の層（１６、１８、２０、２２）を含んでおり、第一の材料の層（１６、２０）が第二の材料の層（１８、２２）と交互になっていて第一と第二の材料の層の隣接する対（１６と１８、２０と２２）を規定しており、第一と第二の材料は所定波長の赤外線に対して実質的に透明であり、第二の材料は第一の材料より屈折率が高く、前記対の層（１６、１８、２０、２２）の各対の最内層（１６、２０）は第一の材料で形成され、前記対の層（１６、１８、２０、２２）の各対の最外層（１８、２２）は第二の材料で形成され、前記対の層（１６、１８、２０、２２）のほとんどの対の最内層（１６、２０）と前記対の層（１６、１８、２０、２２）の最外層（１８、２２）の厚さの比が、それらの屈折率の比に反比例し、前記対の層（１６、１８、２０、２２）の少なくとも１つの対の最内層（１６、２０）は前記対の層（１６、１８、２０、２２）の前記少なくとも１つの対の最外層（１８、２２）より薄くなっていてコーティング（１４）内の光学的高調波を抑制している、前記コーティングチャンバ部品（１０）。
物理蒸着装置であって、該装置でコートされる物品を取り扱うよう構成されている部品（１０）と、該部品（１０）の表面上の熱反射コーティング（１４）であり、該コーティング（１４）は５００〜３０００ナノメートルの電磁波長に対して実質的に透明な金属酸化物で形成された少なくとも一対の隣接する層（１６、１８）を含んでおり、この対の層（１６、１８）の最外層（１８）は同じ対の層（１６、１８）の最内層（１６）より屈折率が高く、前記対の層（１６、１８）の最内層（１６）と同じ対の層（１６、１８）の最外層（１８）の厚さの比が、それらの屈折率の比に反比例する、前記熱反射コーティング（１４）とを含んでなる前記物理蒸着装置。
コーティング（１４）を有する部品（１０）が３８０〜１５００ナノメートルの電磁波長に対して少なくとも９０％の反射率をもっている、請求項７記載の物理蒸着装置。
コーティング（１４）が１００〜４０００ｎｍの厚みをもっている、請求項７又は８に記載の物理蒸着装置。
コーティング（１４）が部品（１０）の表面に隣接して第一の層（１６）を、この第一の層（１６）の上に第二の層（１８）を、この第二の層（１８）の上に第三の層（２０）を、そして第三の層（２０）の上に第四の層（２２）をもっており、第一と第三の層（１６、２０）がシリカで形成され、第二と第四の層（１８、２２）がチタニアで形成されている、請求項７乃至９のいずれか１項に記載の物理蒸着装置。