JP5802681B2 - ニッケルアルミナイドコーティングの形成方法 - Google Patents

Description

本発明は、概して金属基材用コーティングに関し、より詳細には金属基材上にニッケルアルミナイド系コーティングを設けるプロセスに関する。

ＮｉＡｌ系コーティングを設けるプロセスは、米国特許第６，６２０，５２４号及び第６，９３３，０５８号、並びに米国特許出願公開第２００７０２０７３３９号において論じられている。ＮｉＡｌ系の重層コーティングを設けるためのプロセスの一例に、概して均質な組成を有するソースを用いた陰極アーク（イオンプラズマ）蒸着法がある。このプロセスにより、コーティング厚さ全体に及んで化学的性質が均一となるが、マクロ粒子の転移とこれに伴う陰影現象に関連する欠陥がコーティングに生じる。陰極アーク処理に因るマクロ粒子に関する考察が、Ａ．Ａｎｄｅｒｓ著「Ｃａｔｈｏｄｉｃ Ａｒｃｓ： Ｆｒｏｍ Ｆｒａｃｔａｌ Ｓｐｏｔｓ ｔｏ Ｅｎｅｒｇｅｔｉｃ Ｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ（陰極アーク：フラクタルスポットからエネルギー凝縮まで）」Ｓｐｒｉｎｇｅｒ社（２００８年）に見られる。

陰極アーク蒸着ＮｉＡｌコーティングは、酸化特性を低下させると考えられているマクロ粒子によって損なわれる場合がある。その上、蒸着プロセスで使用する消耗型のソース（即ち、陰電極）は、ＮｉＡｌ材料の溶解温度の高さ、凝固温度域の広さ、延性の低さ（即ち、脆弱性）といった理由から、製造が難しい。

米国特許第６，９６４，７９１号は、金属基材にコーティングを供給する２段階の方法を開示している。この方法は、ニッケル、ジルコニウム、及びアルミニウムから成る基材上に第１の層を配置した後、その第１のコーティング層上に、原子百分率が少なくとも９０のアルミニウムから成る第２のコーティング層を配置するステップを含む。後処理により、Ｂ２構造のニッケルアルミナイドから成るコーティング層を実質的に単相反応により形成する。この反応コーティング層は、外表面のアルミニウム濃度が高く、コーティング／基質の界面付近のアルミニウム濃度が低い。

米国特許第６，９６４，７９１号の教示は、ＮｉＡｌ（ＣｒＺｒ）コーティング層上に蒸着されたほぼ純粋なアルミニウムを１０７９℃（１９７５°Ｆ）まで加熱すると、相互拡散が活発になることから、上述のマクロ粒子がコーティングされることを示唆している。しかし、このコーティングにより、コーティングの厚さ全体に亘りアルミニウムの表面高が高くなり、アルミニウムの組成勾配が大きくなる。

コーティング及びコーティングプロセスにおける更なる改善は、特に、コスト削減、製造の簡略化、コーティング時間の短縮において、依然として模索段階である。また、ＮｉＡｌ材料が脆弱な性質なので、合金性能の改善も模索中である。

欧州特許第１９４４３８７号

前述の必要性は、金属基材上にニッケルアルミナイド系コーティングを形成する方法をもたらす実施例によって満たすことができる。

例示的な方法は、ニッケルアルミナイド系コーティングにアルミニウム成分を供給可能な第１のソースを設けるステップと、ニッケルアルミナイド系コーティングにニッケル及び少なくとも１種類の合金元素成分を供給可能な第２のソースを設けるステップと、金属基材を設けるステップと、第１のソースから得られるアルミニウム成分と、第２のソースから得られるニッケル及び少なくとも１種類の合金元素成分とから成る金属基材の少なくとも一部分に、ニッケルアルミナイド系コーティングの前駆体を配置するステップと、コーティング前駆体からニッケルアルミナイド系コーティングを形成するステップを含む。

コーティング前駆体の層を十分な相対厚さで配置することにより、これに続く後処理において、金属基材上にニッケルアルミナイド系コーティングを設けることができる。

消耗陰電極のコーティング組成の残成分からアルミニウムの大部分を分離することで、脆弱なＮｉＡｌ陰極に関連する問題点が解消する。

例示的なコーティング前駆体を上面に配置した金属基材の概略断面図である。 例示的なコーティングを上面に配置した、図１の金属基材の概略断面図である。 本明細書に開示の実施形態に従ってコーティングを形成するための例示的なプロセスを図示したフローチャートである。

本明細書の結びの部分において、本発明とみなされる主題を特に指摘し、明確にクレームする。しかし、添付図面に関連する下記の記述を参照することにより、本発明を最もよく理解できよう。

本明細書では、図面を参照しながら実施例を説明する。一般的には、所望のコーティング組成物を少なくとも２箇所に供給してコーティング前駆体を施すことで、例示的なコーティングを金属基材上に配置する。その後、コーティング前駆体を処理して、所望のコーティングを設ける。

図１は、コーティング前駆体２２が上面に層状に配置された基材２０を含む、例示的な物質１０を示す。一実施例では、コーティング前駆体２２が、ニッケル合金（ＮｉＸ）から成る層２４ａ、実質的にアルミニウムから成る層２６、及びこれもまたニッケル合金（Ｎｉｘ）から成る層２４ｂを、少なくとも１つ含む。図示の実施形態では、層２６が、層２４ａと２４ｂの間に配置されている。また、追加の層（ＮｉＸ又はアルミニウム）を設けることによっても、適切なコーティング前駆体２２を設けることができる。他の実施例では、コーティング前駆体に、ＮｉＸ層２４ａ及びアルミニウム層２６を含めることにより、所望のコーティングの要件を満たすことができる。

一実施例では、コーティング組成物を、蒸着前に、少なくとも２つの部分に分離し、個別の「消耗材」、例えば陰極アーク（イオンプラズマ）蒸着用の陰電極によって提供する。一実施例では、消耗材から成るコーティング組成物は、部分ごとに組成が大きく異なる。一部分は、ほぼ純粋なアルミニウム（即ち、アルミニウムソース）であり、他の部分は、ニッケル＋他の合金元素（即ち、ＮｉＸソース）である。例えば、他の合金元素は、環境抵抗性、強化等の観点から望ましいものであり、理論上アルミニウムを殆ど含有しない元素であればよい。例えば、第２の部分は、ニッケルの他に、クロミウム、ジルコニウム、ハフニウム、シリコン、イットリウム、又はそれらの組合せ等の合金元素を含んでもよい。追加的な合金元素は、最終コーティングで所望の特性を得るために、チタン、タンタル、レニウム、ランタン、セリウム、カルシウム、鉄、ガリウム等であってよい。ここでは、第２の部分を「ＮｉＸ」とし、このＸは１種類以上の任意の合金元素を表す。

他の実施例では、他の部分（即ち、ＮｉＸ）は、これまでの消耗材よりも少ない含有量で、且つ、アルミニウムの第１のソースでは存在しないことが望ましいと思われるアルミニウム含有量未満であれば、アルミニウムをある程度含んでもよい。ＮｉＸソース中のアルミニウムが減少しても尚、製造の容易さは所望通りであり、アルミニウムが拡散してマクロ粒子等が加熱される。ＮｉＸ部分に、所要のある程度のアルミニウム成分を供給することで、目標組成物の完成に要する第１の部分のアルミニウムソースのアルミニウム量が減少するので、処理に柔軟性がでる。

一実施例では、コーティング組成物を、多層化陰極アーク（イオンプラズマ）蒸着処理により、基材上に配置する。後処理及び／又は熱処理を行うことで、アルミニウム含有量を表面に集中させず、少なくともアルミニウムがコーティング厚さ全体に分布した、高密度のコーティングを設ける。好ましくは、このコーティングでは、合金元素がほぼ一様に分散している。一実施例では、３層コーティング処理を用いる。第１の層にＮｉＸ消耗材を用い、アルミニウム蒸着を行った後に、もう１つのＮｉＸ層を設けてもよい。各蒸着層の厚さは、所望の最終コーティングの組成によって異なる。蒸着層に所定の温度で十分な時間をかけて均質化熱処理を行うことで、層状のコーティング前駆体を、高密度なコーティングの内部に拡散させることができる。一実施例では、熱処理を約１，０７９℃（１，９７５°Ｆ）で行う。

他の実施例では、追加のアルミニウム層及び／又はＮｉＸ層を用いて、層状にコーティング前駆体を形成し、後処理を行って所望のコーティングを設けてもよい。一実施例では、十分な厚さの層状のコーティング前駆体を設け、総コーティング厚さを公称値約１２．７〜２５４ミクロン（約０．５〜１０．０ミル）とする。他の実施例では、総コーティング厚さが、１２．７〜７６．２ミクロン（約０．５〜３．０ミル）である。所望のコーティングを得るにあたり、個別のソース各々から作製される層の厚さを一様にしてもよいが、異ならせてもよい。

層状のコーティング前駆体を設ける観点から説明したが、当業者には明らかなように、ＮｉＸ及びアルミニウムを共蒸着することで、ほぼ無限数の極微細層を有するコーティング前駆体がもたらされる。このように、目標組成物の要件が成立している限り、任意数の層が可能となる。最小の層数は、層２４ａと層２６の２つである。最大の層数は、例えば、ＮｉＸ及びアルミニウムを共蒸着して、同時にほぼ無数の極微細層を作製する場合は、無限であり得る。最終的な組成物の要件が成立している限り、中間に層を幾つでも配置できる。

図２は、層状のコーティング前駆体から形成された基材２０及びコーティング３０を含む被覆物１２を示す。被覆物１２上には、点線で示した任意選択のセラミック層４０を含めてもよい。

本明細書に開示する例示的なコーティング組成物は、基材上にＮｉＸ及びアルミニウムの層を配置することによって得られた目標組成物又は名目上の組成物である。表Ｉでは、蒸着直後のコーティングの例示的な組成物について列挙している。ここでは、アルミニウム部分の多くが、第１の消耗ソース（例えば、陰電極）から供給され、残りの部分が、１種類以上の追加的な消耗ソース（例えば、陰電極）から得られる。表Ｉに示す例示的なコーティング組成物は、概して、その内容全体が本明細書に援用されている米国特許第６，１５３，３１３号に記載のコーティング組成物に相当するものである。

一実施例では、少なくとも２つの異なる消耗材（例えば、アルミニウム及びＮｉＸ）を用いて塗布される蒸着直後のコーティングは、ニッケル及びアルミニウムの他に、原子百分率が少なくとも０．２のジルコニウム成分を含む。他の実施例では、その内容の全体が本明細書に援用されている米国特許第６，２５５，００１号に記載のように、ジルコニウム成分の原子百分率が０．２〜０．５％の範囲である。

一実施例において、少なくとも２つの異なる消耗材（例えば、アルミニウム及びＮｉＸ）を用いて塗布される蒸着直後のコーティングは、その内容全体が本明細書に援用される米国特許第６，２９１，０８４号に記載のように、原子百分率が約２〜１５の範囲のクロム成分と、原子百分率が約０．１〜１．２のジルコニウム成分と、残成分のニッケルから成る。この残成分は、蒸着直後のコーティングの原子百分率が３０〜６０、好ましくは原子百分率が３０〜５０、より好ましくはニッケル成分との原子比率が１：１のアルミニウム成分を含む。

一実施例では、少なくとも２つの異なる消耗材（例えば、アルミニウム及びＮｉＸ）を用いて塗布される蒸着直後のコーティングが、アルミニウムとニッケルに加え、ジルコニウム、ハフニウム、イットリウム、及びシリコンから選択される少なくとも２種類の修飾元素を含む。一実施例では、当該選択された修飾元素の少なくとも１種類が、ジルコニウムである。一実施例では、修飾元素が存在する場合、これが蒸着直後のコーティング組成物の約０．１〜約５重量パーセント、より好ましくは約０．１〜約３重量パーセント、最も好ましくは約０．１〜約１重量パーセントを成す。一実施例では、イットリウムが存在する場合、約０．１〜約１重量パーセントの量が、蒸着直後のコーティングに含まれ得る。例示的なコーティング組成物は、その内容全体が本明細書に援用されている米国特許第６，５７９，６２７号に記載されている。

図３は、被覆物を設けるための例示的な処理を図示している。ステップ１００では、アルミニウムソース（例えば、消耗陰電極）を設ける。ステップ１１０では、ニッケル合金（ＮｉＸ）ソース（例えば、消耗陰電極）を設ける。ステップ１２０では、アルミニウム及びＮｉＸを、層状のコーティング前駆体の形態で基材表面上に設ける。基材／コーティング前駆体に、例えば熱処理等の後処理を十分な時間をかけて十分な温度条件下で行うことで（ステップ１３０）、基材上にニッケルアルミナイドコーティングを形成する（ステップ１４０）。

本明細書に開示する例示的なコーティングは、任意選択のステップ１５０に示すように、基材と重層させた遮熱コーティングとの間に配置される接着コーティングとして特に適切なもの、例えば７ＹＳＺ等である。或いは、当業者には明らかなように、本明細書に開示の例示的なコーティングが、（遮熱コーティングを重層させない）耐環境コーティングとしての使用に適切なものであってもよい。例示的な金属基材には、ニッケル系超合金、コバルト系超合金、及び鉄系超合金がある。

このように、適切な厚さの蒸着層と後処理（例えば、拡散熱処理）により、金属基材上にニッケルアルミナイド系コーティングを設けることができる。本明細書に開示のように、コーティング組成物の残成分からアルミニウムの大部分を分離することで、脆弱なＮｉＡｌ陰電極に関連する問題点が解消し、製造上の問題が減り、コーティング時間が短縮される。

本明細書では、最適な態様を含め、例を用いて本発明を開示し、これによってまた、当業者は、本発明を構成及び使用できる。本発明の特許請求の範囲は、請求項に記載されているが、これには当業者に想到されるその他の例も含み得る。こうしたその他の例は、請求項の文言と相違ない構成要素を有する場合、又は請求項の文言と実質的に異ならない、等価の構成要素を有する場合、特許請求の範囲に含まれることを意図している。

Claims (4)

1. コーティング前駆体を含む、金属基材用コーティングシステムであって、
   前記コーティング前駆体が、
   第１のソースからの少なくとも１つの第１の層を含み、
   前記第１の層は、前記金属基材に接触し且つ重層し、
   前記第１の層は、ニッケル及び少なくとも１種類の合金元素から成り且つアルミニウムを含まず、
   前記コーティング前駆体は、さらに、
   第２のソースからの中間層であって、前記第１の層に接触され且つ重層されたアルミニウムの中間層と、
   第１のソースからの第２の層であって、前記アルミニウムの中間層に接触され且つ重層され配置された、ニッケル及び少なくとも１種類の合金元素から成り且つアルミニウムを含まない第２の層と
   を含み、
   前記コーティング前駆体が、熱処理後に該コーティング前駆体がニッケルアルミナイド系コーティングを形成し且つアルミニウムがコーティング厚さ全体に一様に分布させる十分な量のニッケル及びアルミニウムの量を含んでいる
   ことを特徴とする、コーティングシステム。
2. 前記第１のソースが、陰極アーク蒸着法に用いる消耗陰電極から成る、請求項１に記載のコーティングシステム。
3. 前記第２のソースが、陰極アーク蒸着法に用いる消耗陰電極から成る、請求項１又は２に記載のコーティングシステム。
4. 前記第１のソースが、クロミウム、ジルコニウム、ハフニウム、シリコン、イットリウム、チタン、タンタル、レニウム、ランタン、セリウム、カルシウム、鉄、ガリウム、及びそれらの組合せの群より選択された少なくとも１種類の合金元素を含む、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のコーティングシステム。
   

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