JP5498649B2 - プラズマトーチによる熱障壁の堆積方法 - Google Patents

Description

本発明は熱障壁として働く材料を基板上に堆積する方法に関し、材料は堆積の前には粉体の状態である。

たとえば、基板は超合金、詳細にはターボ機械部品を構成するための超合金とすることができる。

熱障壁として働く材料、典型的にはセラミックを基板上に工業的に堆積するのに用いられる２つの技術は、プラズマ噴霧および気相堆積である。

プラズマ噴霧は、プラズマトーチのプラズマジェット中に粉体の状態で堆積用材料を噴射することである。プラズマジェットは一般にプラズマトーチのアノードとカソード間に電気的アークを生成することによって発生し、それによってプラズマトーチによって上記アークを通過するガス状混合物をイオン化する。ジェット中に噴射される粉体粒子のサイズは典型的に１マイクロメートル（μｍ）〜５０μｍの範囲である。プラズマジェットは温度２０，０００Ｋおよび速度毎秒４００メートル（ｍ／ｓ）〜１０００ｍ／ｓ程度に達して粉体粒子を捕捉し溶融する。次いで、それらは液滴の状態で基板に衝突し、衝突の際に平坦な形状に固化する。

気相堆積は一般に堆積すべき材料を気化するために電子ビームを用いる。最も広まった技術は電子ビーム物理蒸着法（ＥＢＰＶＤ）である。材料が電子ビームによって気化されると、それは基板上に凝結する。電子のビームが用いられるので、電子ビーム、堆積すべき材料、および基板を収容する容器の内部に、二次真空（ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｖａｃｕｕｍ）を保つ必要がある。

他の技術が存在するが、それらはまだ工業段階ではない。電子ビームを装備した蒸着（ＥＢＤＶＤ）はＥＢＰＶＤと同じ原理に基づく。熱プラズマ物理蒸着（ＴＰＰＶＤ）は堆積すべき材料を気化する熱源としてプラズマトーチを用いる。トーチは効率を高めるために高周波源と結合される。この方法による技術的な障害は、プラズマ中に気化するために十分に長い時間の間、堆積用の材料粉体を保持することである。

基板上に熱障壁として働く材料を工業的に堆積する２つの技術は、各々利点と欠点を有する。

プラズマ噴霧から得られる堆積物は層状組織を示し、重なり合う薄層は基板表面に平行である。堆積物は液滴が基板に衝突するときの急冷によって微小亀裂を有するので、堆積物は多孔質である。その構造およびその多孔質の理由で、堆積物は熱伝導率が低いという利点を有する。したがって、基板は熱的により良好に保護される。しかし、この種類の堆積物は、基板の熱膨張が堆積物を破砕し剥落させるので、寿命が制限される。また、この方法は指向性が強いので、複雑な形状の部品上に均一な厚さの堆積物を得ることは困難である。

電子ビーム気相技術から得られる堆積物は、柱状組織を示し、柱は基板の表面に垂直に互いに側部に配置される。したがって、第１にその構造が基板の熱膨張に良好に適応すること、第２にその耐腐食性がプラズマ堆積物よりもはるかに良好であることから、堆積物は良好な寿命を有する。しかし、堆積物はプラズマ噴霧によって得られる堆積物よりも熱伝導性が高く、これは堆積物が効率性の低い熱障壁を構成するので望ましくない。さらに、堆積速度と収率が低い。低い収率は、この方法が蒸気の「雲」を生成し、したがって、壁上を含んで無差別に凝結することに起因する。特に、電子ビーム堆積は、それが電子銃のために、および大容積の容器中に高い真空を得るために高レベルの電力を必要とするので、高価で困難な技術である。

本発明は、これらの欠点の解決、または少なくともそれらの低減を探求する。

本発明は、第１に、層状堆積物と柱状堆積物の技術的利点、すなわち、低熱伝導性、良好な寿命、良好な耐腐食性、および高い収率と堆積速度という利点を併せ持つ堆積物を得ることを可能にし、第２に真空堆積法よりも低い実施コストを示す方法を提供する。

この目的は、粉体を第１プラズマトーチのプラズマジェット中および少なくとも１個の第２プラズマトーチのプラズマジェット中に導入することによって達成され、第１プラズマトーチおよび少なくとも１個の第２プラズマトーチが容器中に配設され、そのプラズマジェットが交差して上記粉体を気化する合成（ｒｅｓｕｌｔａｎｔ）プラズマジェットを生成するように配列され、上記基板は上記合成プラズマジェットの軸上に配置される。

２個のプラズマトーチを用いることによって、粉体粒子が受け取るエネルギー量が増加し、それによって粒子の気化が促進される。さらに、プラズマジェットが合流するとき、気化しなかった最も大きな粉体粒子は、それぞれのジェットの軸上軌道を継続し、気化した粉体は、各トーチからのプラズマジェットの結合によって合成プラズマジェット中のガス流に捕捉される。これは、気化されなかった粉体粒子を材料の蒸気から分離する。したがって、合成プラズマジェットの軸上に基板が配置されるとき、気相中の材料がそれに衝突し、したがって材料の、基板上における柱状形状の堆積が促進される。

また、合成ジェットは指向性があるので、堆積速度および収率は電子ビーム気相堆積技術を用いるときよりも高い。

さらに、トーチと基板を収容している容器に真空を確立する必要がなく、プラズマトーチを運転するために必要な電力は電子ビームに要求されるものよりも少ない。したがって、本方法を実施するコストは現在の気相堆積技術よりも低い。

加えて、プラズマトーチのパラメータを修正することによって、気化される粉体粒子の比率を小さくし、それによって基板上に層状の状態の堆積を促進することが可能である。したがって、全般的に、本方法によって、柱状と層状の状態の堆積を同時に組み合わせて、混成構造の堆積物を得ることが可能である。この混成堆積物は、低い熱伝導性、良好な寿命、および良好な耐腐食性を有し、したがって、柱状構造と層状構造の利点が組み合わされる。

例えば、プラズマトーチは２個だけ使用される必要がある。

容器の内部の圧力は減圧するのが有利である。

容器中を非常に低いレベルに減圧する（１次真空）ことによって、プラズマは密度が小さく、したがって、材料粉体の微細粒子はプラズマジェット中により容易に浸透し、したがってより良好に加熱される。また、減圧は材料の飽和蒸気圧を低下させ、したがってその気化を促進することが可能である。

トーチの軸は中心軸ｚの円錐の母線を構成することが有利であり、各トーチの軸は、円錐の中心軸ｚに対して、２０°〜６０°の範囲の角度αを形成し、円錐の中心軸ｚは堆積する材料を収容する基板の表面に向けられる。

この構成によって、すべてのプラズマジェットは同じ点で交差し、トーチの互いに対する配列は、粉体粒子を気化するプラズマジェットが得られるように最適化される。トーチの軸と円錐の中心軸ｚ間の角度が小さすぎると、気化されないより大きな粒子がジェットに捕捉されるであろう。トーチの軸と円錐の中心軸ｚ間の角度が大きすぎると、生成する合成プラズマジェットは不十分である。

各トーチと基板間の距離Ｄは５０ミリメートル（ｍｍ）〜５００ｍｍの範囲であることが有利である。

この構成によって、気化した粉体の基板上への堆積が最適化される。

材料はセラミックであることが有利である。

例えば、セラミックは、イットリウムジルコニアを含む群から選択され、ジルコニアは、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＣｅＯ_２、および希土類酸化物から選択される酸化物の少なくとも１つによって安定化することが可能である。

基板は表面に接合下地層を含むことが有利であり、その上に本発明による方法によって熱障壁として働く材料を堆積することができる。

この下地層の存在によって、堆積した材料はより良好に基板に接着する。また、下地層は、堆積した材料と一緒に熱障壁の役割を果たすのに貢献することができる。

粉体の状態で各トーチ中に導入される材料は、トーチごとに異なることが有利である。

また、本発明は基板上に熱障壁として働く材料を堆積させるための設備に関し、堆積前の材料は粉体の状態である。

本発明によれば、設備は、中に配設された上記基板を有する容器と、第１プラズマトーチと、上記粉体が上記第１プラズマトーチのプラズマジェット中および少なくとも１個の上記第２プラズマトーチのプラズマジェット中に導入されるとき、上記第１プラズマトーチのプラズマジェットと上記第２プラズマトーチのプラズマジェットが交差し、それによって上記粉体を気化する合成プラズマジェットを生成するように上記容器中に配設された、少なくとも１個の第２プラズマトーチとを備え、上記基板は上記合成プラズマジェットの軸上に配置される。

また、設備は、基板を収容するのに適した支持体、および各プラズマトーチを収容するための支持体を備え、支持体はトーチを任意の方向に向けることができるように調節可能である。

各トーチの内径は６ｍｍよりも大きいことが有利である。

この構成によって、ノズルからの出口でプラズマの密度はより低く、したがって、粒子がプラズマ内に留まる時間はより長い。したがって、粉体粒子はより良好に気化される。

また、本発明は、上述の本発明による方法を用いて、熱障壁として働く材料を基板上に堆積することによって得られる熱機械的部品を提供する。

本発明は、非制限的な実施例による実施形態の以下の詳細な説明を読み取ることによって、より良好に理解し、その利点をより明瞭にすることができる。説明は添付の図面を参照する。

図１に示すように、容器２は、第１プラズマトーチ１０と、第２プラズマトーチ２０と、基板４０とを有する。第１プラズマトーチおよび第２プラズマトーチの各々は、堆積物を収容する基板の表面に向かう軸ｚ（示した例において、軸ｚは基板４０の表面に垂直である）に対して角度αを呈する。対称性のため、角度αは第１プラズマトーチ１０と第２プラズマトーチ２０で同一である。しかしながら、角度αはトーチの各々で異なることができる。理想的には、角度αは２０°〜６０°である。プラズマジェットが出る各トーチの端部は、堆積物を収容する基板４０の表面４２から距離Ｄに位置し、距離Ｄは軸ｚに平行に測定される。対称性のため、距離Ｄは第１プラズマトーチ１０と第２プラズマトーチ２０で同一である。しかしながら、この距離はトーチの各々で異なることができる。理想的には各トーチ１０、２０と基板４０の間の距離Ｄは５０ｍｍ〜５００ｍｍの範囲である。

図２は本発明の堆積方法をさらに正確に示す。第１プラズマトーチ１０および第２プラズマトーチ２０は誘導のない従来の方法で動作する。したがって、この動作は詳細には説明せず、一般的な概念だけを以下に確認する。ガス状混合物は、各プラズマトーチ１０、２０からプラズマトーチのアノードとカソードの間の電気的アークを通って噴出する。ガス状混合物はこのようにしてイオン化され、高速（典型的に５００ｍ／ｓ〜２０００ｍ／ｓの範囲である）および高温（典型的に１０，０００Ｋよりも高い）で噴出して、プラズマジェット１２、２２を形成する。

基板上に堆積すべき材料は、プラズマジェットが噴出するプラズマトーチの端部に粉体の状態で各プラズマジェット中に導入される。粉体を構成する粒子のサイズは典型的に１μｍ〜１００μｍの範囲である。

第１プラズマトーチ１０のプラズマジェット１２中に導入された粉体粒子および第２プラズマトーチ２０のプラズマジェット２２に導入された粉体粒子は、ジェットに導入されるとジェットの各々によって加熱される。それらは第１プラズマジェット１２と第２プラズマジェット２２が交差する交差ゾーン３２に捕捉される。この交差ゾーン３２において、粉体粒子が受け取るエネルギーの量は増加し、上記粒子の気化が促進される。気化されない第１プラズマジェットの最も大きい粉体粒子１５、および第２プラズマジェットの最も大きい粉体粒子２５は、それぞれのジェットの軸上（トーチの軸）の軌道に従い続け、気化した粉体は第１と第２のプラズマジェット１２、２２の結合によって生成される合成プラズマジェット３０中のガスの流れに捕捉される。したがって、これは気化しなかった粉体粒子を蒸気材料から分離する。基板４０上に堆積する際に、合成プラズマジェット３０によって運ばれる蒸気材料は本質的に柱状組織の堆積物５０を形成する。

プラズマトーチは典型的に大気圧力で動作するので、プラズマトーチ１０、２０および基板４０を収容する容器２を排気する必要はない。気相中の材料を基板上に堆積させることのできる本方法を実施するコストは、したがって、現在の蒸着技術のコストよりもはるかに低い。しかしながら、堆積を改善するために、容器２中に１次真空を確立することが可能である。しかし、現在の蒸着技術とは異なり、容器中に２次真空を確立する必要がなく、本方法を実施するコストは低い。

典型的にプラズマトーチの直径は６ｍｍである。気化工程を改善するために、より大きな直径のトーチを用いることが可能である。

基板４０上に堆積するための材料は、最善の特性を有する熱障壁がセラミックで得られるので、典型的にセラミックである。典型的に、用いられるセラミックはイットリウムジルコニアであり、特に４重量％〜２０重量％の酸化イットリウムを含むイットリウムジルコニアである。例えば、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＣｅＯ_２、および希土類酸化物、特にスカンジウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、ユーロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、およびルテチウムの酸化物から選択される酸化物の少なくとも１つによって、任意選択的に安定化されたジルコニアなどの他のセラミックを用いることができる。

基板４０は、その表面に、堆積物５０を形成するために、熱障壁として働く材料が堆積される接合下地層を有することができる。下地層は基板４０と堆積物５０を形成する堆積された材料との間により良好な接着を達成することができ、それも追加の熱障壁として働く。例えば、下地層は酸化による保護アルミナ層の形成に適したＭＣｒＡｌＹ系合金など、酸化−腐食に耐えるアルミナ形成合金とすることができ、ここで、Ｍはニッケル、クロム、鉄、およびコバルトから選択される金属である。

また、プラズマトーチ１０、２０中に導入される材料の各々とは異なる組成物を有する堆積物５０を基板４０上に得るために、プラズマトーチ１０、２０中に異なる材料を導入することも可能である。粉体がトーチ１０、２０の各々に導入される速度は、トーチごとに同じであることも異なることもできる。さらに、粉体がトーチ１０、２０の各々に導入される速度は、経時的に一定であることも、経時的に変化することもできる。

基板上に熱障壁として働く材料を堆積する方法を、２個のプラズマトーチを用いる状況で上に説明した。しかしながら、堆積の目的のためにより多数のトーチを用いることができるであろう。

本発明の方法の実施を可能にする設備の全体図である。 合成プラズマと一緒に、交差するプラズマジェットを示す図である。

符号の説明

２ 容器
１０ 第１プラズマトーチ
１２、２２ プラズマジェット
１５、２５ 最も大きい粉体粒子
２０ 第２プラズマトーチ
３０ 合成プラズマジェット
３２ 交差ゾーン
４０ 基板
４２ 表面
５０ 堆積物

Claims (11)

1. 熱障壁として働き、堆積前に粉体の状態である材料を基板（４０）上に堆積する方法であって、前記粉体が第１プラズマトーチ（１０）のプラズマジェット（１２）および少なくとも１個の第２プラズマトーチ（２０）のプラズマジェット（２２）中に導入され、第１プラズマトーチ（１０）および少なくとも１個の第２プラズマトーチ（２０）は、容器（２）中に配設されて、それらのプラズマジェット（１２、２２）が交差して前記粉体を気化する合成プラズマジェット（３０）を生成するように配向され、前記基板（４０）が前記合成プラズマジェット（３０）の軸上に配置され、前記紛体は、前記第１プラズマトーチおよび第２プラズマトーチのプラズマジェットが交差する前に、これらのプラズマジェットが噴出される各プラズマトーチの端部で、該プラズマトーチのプラズマジェットの中に導入されることを特徴とする、方法。
2. 前記プラズマトーチ（１０、２０）が２個だけ用いられることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記容器（２）中の圧力が減圧されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記トーチ（１０、２０）の軸が中心軸（ｚ）の円錐の母線を構成し、前記トーチ（１０、２０）の各々の軸が円錐の中心軸（ｚ）に対して２０°〜６０°の範囲の角度（α）を形成し、円錐の中心軸（ｚ）が、堆積すべき材料を受ける基板（４０）の表面（４２）に向かって導か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。
5. 前記トーチ（１０、２０）の各々と前記基板（４０）の間の距離Ｄが５０ｍｍ〜５００ｍｍの範囲であることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記材料がセラミックであ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。
7. セラミックが、イットリウムジルコニア、およびジルコニアを含む群から選択され、該ジルコニアが、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＣｅＯ_２、および希土類酸化物から選択される酸化物の少なくとも１つによって任意選択で安定化されることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. 前記基板（４０）がその表面（４２）に接合下地層を含むことができ、その上に熱障壁として働く前記材料が堆積され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。
9. 前記トーチ（１０、２０）の各々の中に粉体の状態で導入される前記材料がトーチごとに異な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。
10. 熱障壁として働き、堆積前に粉体の状態である材料を、基板（４０）上に堆積する設備であって、前記基板が中に配設された容器（２）と、第１プラズマトーチ（１０）と、少なくとも１個の第２プラズマトーチ（２０）とを備え、該第２プラズマトーチは、前記粉体が前記第１プラズマトーチ（１０）のプラズマジェット（１２）中および少なくとも１個の第２プラズマトーチ（２０）のプラズマジェット（２２）中に導入されるとき、前記第１プラズマトーチ（１０）のプラズマジェット（１２）と前記第２プラズマトーチ（２０）のプラズマジェット（２２）が交差し、それによって前記粉体を気化する合成プラズマジェット（３０）を生成するように、前記容器（２）中に配設され、前記基板（４０）が前記合成プラズマジェット（３０）の軸上に配置され、前記紛体は、前記第１プラズマトーチおよび第２プラズマトーチのプラズマジェットが交差する前に、これらのプラズマジェットが噴出される各プラズマトーチの端部で、該プラズマトーチのプラズマジェットの中に導入されるようになっていることを特徴とする、設備。
11. 前記トーチ（１０、２０）の各々の内径が６ｍｍよりも大きいことを特徴とする、請求項１０に記載の設備。

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