JP6892423B2 - マクロ粒子を含む皮膜及びその皮膜を形成する陰極アークプロセス - Google Patents
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Description
本発明は、マクロ粒子を含む皮膜を形成する陰極アーク法及びマクロ粒子を含む皮膜に関する。
本発明は、２０１４年８月２０日付けで仮出願された米国出願番号６１／８６７７５１号に基づいて優先権を要求したものであって、その全ての技術を参照して本出願に含めている。
ワーク片の表面に皮膜を形成する、陰極アーク物理的気相成膜法（Cathodic Arc Physical Vapor deposition processes (CAPVD)）は、良く知られた技術である。CAPVD プロセスは、また、イオンプラズマ成膜法としても知られており、米国特許6,797,335（特許文献１）に完全なかたちで詳述されている。その全ての技術を参照して本出願に含めている。
CAPVDプロセスでは一般に、金属製の陰極標的材料の表面に対してアークを照射して、その表面から金属材料を蒸発させる。蒸発した金属材料は高イオン化プラズマ（原子群）の状態で飛び出し、この原子群がガスと反応して、ワーク片上に皮膜を形成することができる。例えば、（金属陰極材料から蒸発した）チタンと窒素（ガス）とが反応して、ワーク片上に窒化チタン（ＴｉＮ）の皮膜を形成する。他の例には窒化チタンアルミニウム(AITiN または TiAIN)が挙げられる。これらの皮膜は非常に固く、非常に腐食に強い。
図１に示すCAPVDプロセスの例（先行技術）は、サブレブ（Sablev）式の陰極アーク源であって、これは、陰極材料に一端を開放した短い円筒状の導電性ターゲットを設けたものである。この装置のための正極は、真空容器の壁かあるいは独立した電極により構成することができる。アークスポットは、機械的な点火装置（あるいは電気的点火装置）により発生し、陰極材料の開放端に照射されて、一時的に陰極材料と正極との間に短い電気回路を形成する。アークスポットが発生した後、それらのアークスポットは、陰極材料の表面上の制限された領域や、陰極材料の表面状態に応じたランダムな領域や、陰極材料の周囲や近傍に磁石により形成される磁界により制御される領域に照射される。
上記のようなCAPVDプロセスでは、しばしば、陰極材料中の未反応の金属が、皮膜中に金属粒子を形成するが、これらの粒子をマクロ粒子と呼んでいる。これらのマクロ粒子の存在は、形成された皮膜中の構造欠陥とみなされ、皮膜に欠けや割れを引き起こし、皮膜の強度を弱める。従って、CAPVDプロセスは、これらのマクロ粒子の形成を防止したり、あるいは、フイルタを用いてマクロ粒子を除去したりして、最適化される。こうしたフィルターを使用したCAPVD プロセス（先行技術）の例には、図２に示すように、アクセノフ式（Aksenov）の４分の１円環ダクトマクロ粒子フィルターが挙げられる。この４分の１円環ダクトは、アーク源に対して９０度に折り曲げたダクトを有しており、プラズマは磁界によりダクト中を案内されて、ダクトから外に出る。マクロ粒子はダクトに形成された磁界の影響を受けずに直進し続ける。
我々は、 マクロ粒子の形、サイズ、組成及び又は量を調整して、皮膜に対して所望の特性を与えるように、CAPVDプロセスが応用できることを見いだした。皮膜の所望の特性の例としては、潤滑性、疎水性、親水性、耐食性、耐腐食性、表面性状、電気抵抗等である。そのマクロ粒子はCAPVDプロセスで形成される。
本発明の目的は、ワーク片を陰極アーク装置中に挿入して、陰極材料にアークを照射して、上記装置の内部空間に上記陰極材料の原子イオン群が生じるように、少なくとも一種類の上記陰極材料を蒸発させて、上記ワーク片上に上記原子による皮膜を形成し、 上記皮膜の内部または表面にマクロ粒子が供給されるように上記アークの照射パラメータを調整して、液体、半固体もしくは固体の状態の上記陰極材料のマクロ粒子を形成するものであって、上記マクロ粒子の構造及び又は組成を選択して、上記皮膜に対して所望の特性を与えることを特徴とする、ワーク片上に皮膜を形成する方法を提供することにある。
本発明の目的は、さらに、ワーク片を陰極アーク装置中に挿入して、陰極材料に第１のアークを照射して、上記装置の内部空間に上記第１の陰極材料の原子イオン群が生じるように、上記第１の陰極材料を蒸発させて、上記ワーク片上に上記第１の原子による皮膜を形成し、上記第１のアークの照射パラメータを調整して、第２のマクロ粒子を上記皮膜の内部または表面に固定するように、液体、半固体もしくは固体の状態の第２の陰極材料の上記第２のマクロ粒子を形成して、上記皮膜に対して所望の特性を与えるように、上記第２のマクロ粒子の構造及び又は組成を選択することを特徴とする、ワーク片上に皮膜を形成する方法を提供することにある。
本発明の目的はさらに、表面に皮膜を有する航空機の翼であって、上記皮膜はマクロ粒子を含み、上記皮膜は、上記マクロ粒子が形成される条件で陰極アークプロセスにより形成されており、上記マクロ粒子の構造と組成は、上記皮膜に対して所望の特性を付与するように選択されていることを特徴とする航空機の翼を提供することにある。
ここで、本発明を、限定的でない添付図面を参照しながら説明する。
図３に示された実施例のCAPVD装置２は、チャンバー６と、このチャンバー６に接続されたガス９の供給源を備える。陰極材料Ａ、Ｂ及びＣが示されているが、使用できる陰極材料の数は任意である。チャンバーはターンーテーブル４を備え、このターンテーブル上にはワーク片８が置かれている。装置の動作中は、各陰極材料Ａ、Ｂ、Ｃに対してアークが照射されて、陰極材料のコーン状のストリーム３，５，７が形成されている。ターンテーブル４は、オペレーションの間、ワーク片８を各ストリーム３、５、７にさらすように回転する。本発明は、この実施例のCAPVD装置２に限定されることはない。また、あらゆる任意のCAPVD装置が、本発明の実施のために使用できる。
少なくともひとつのストリーム３，５，７が少なくとも一種の陰極材料Ａ、ＢまたはＣの原子群を構成している。これらの原子群が、ワーク片８上に皮膜を形成する。 この原子群は、また、チャンバーに供給されるガス９及び又は他のストリームの原子群と反応して、合成皮膜を形成する。例えば、もし、チタンの原子群と窒素ガスとが合成されると、窒化チタンの皮膜が形成できる。
この皮膜が形成されたワーク片は例えば、航空機の翼のような航空機部品に適する。さらに望むなら、ワーク片を、ドリルビット、ルーター、のこぎりの刃あるいはその他のあらゆる構造のものにすることができる。ワーク片８は、鋼、ニッケル、チタニウム、あるいはこれらの合金等のあらゆる望みの材料で構成することができる。
陰極材料には、例えば、チタン、アルミニウム、クロムあるいはこれらの合金が含まれる。陰極材料には、チタンとアルミニウムが好適する。特に、金属及び又は反応ガスと反応して、窒化物、炭化物、酸化物あるいはそれらの混合物を形成して堆積させることができる好ましい陰極材料には、例えば、クロム、アルミニウム、チタンやそれ以外の、周期律表における第４属、５属そして６属の遷移金属、及び、ランタン系金属で、ランタン、セリウム、ネオジューム、ガドリニウムであり、また、これらに限定されるものではない。
反応性ガスとして適するのは、窒素とアルゴンとこれらの混合物である。窒素とアルゴンは好適するが、その他のガス、例えば、アセチレンのような炭化水素、あるいは酸素やその他のガスも、マクロ粒子及び又は皮膜に所望の特性を与えるために使用できる。
このプロセスでは、マクロ粒子を含む少なくともひとつのストリームを形成し、そのマクロ粒子は、固体半固体あるいは液体状態の陰極材料からなり、ワーク片の皮膜に埋め込まれ及び又は重ねられる。ワーク片８上に形成された皮膜３２の一例を図４に示す。 マクロ粒子３４と３６とは、皮膜３２に埋め込まれあるいは上に重ねられているように図示されている。
このマクロ粒子の特性及び組成は、陰極材料及び又はガスを選択することにより、望みどおりに調整することができる。マクロ粒子のサイズと形状及び又は量は、供給電流及び又はガスの組成といったプロセス条件を調節して可変できる。一般に、供給電流が大きいほどマクロ粒子の量は多い。マクロ粒子が形成されるときの流動性が大きいほど、皮膜表面に堆積した粒子はレンズの形状に近くなる。
いかなる理論にも束縛されることは無いが、高融点材料を使用し及び又はアークの状態を調整して、マクロ粒子が皮膜に接触したときに固体または半固体の状態であるようにして、マクロ粒子が球面を形成できるようにすれば、球状のマクロ粒子３４を形成することができるものと確信する。高融点材料には、例えば、チタン、ジルコン、クロムや、チタン、ジルコン、クロムと他の物質との混合物が含まれる。球状のマクロ粒子３４は、通常、皮膜の表面を粗面にする結果を及ぼす。
いかなる理論にも束縛されることはないが、低融点材料を使用し及び又はアークの状態を調整して、マクロ粒子３６が皮膜３２に接触したときに液体の状態であるようにし、マクロ粒子が扁平になりながら固化すれば、レンズ状のマクロ粒子３６を形成することができるものと確信する。低融点材料には、例えば、アルミニウムやアルミニウムと他の物質との混合物が含まれる。レンズ状マクロ粒子の長軸が実質的に皮膜表面３２に対して平行な向きであれば、皮膜表面は滑らかになる。扁平なレンズ状のアルミニウムマクロ粒子を使用すると、球状のマクロ粒子の上方に通常形成される円錐形の成長欠陥の形成を減少させることが見いだされた。
マクロ粒子３４，３６は、皮膜３２に所望の特性を与えるように選択された材料で形成することができる。
皮膜の耐腐食性を増強させるために、マクロ粒子３４、３６は、アルミニウムあるいはアルミニウムを多量に含む物質から形成することができる。アルミニウム以外の適切な犠牲層には、亜鉛やマグネシウムあるいはその合金が挙げられる。いかなる理論にも束縛されることはないが、耐腐食性は水酸化アルミニウムの皮膜を形成することでさらに増強でき、この皮膜は、腐食性の環境を作り、孔や割れ目をブロックして腐食性物質が対象物に達するのを阻止し、対象物に自己修復性を与える
二硫化モリブデンやバナジウムあるいは窒化バナジウムのような潤滑材料は、皮膜に対してより大きな潤滑性を付与するためのマクロ粒子３４や３６の材料として使用できる。二硫化モリブデンは、摩耗を減少させるために航空宇宙産業に広く使用される固体潤滑剤である。
バナジウムは、室温で酸化し、窒化バナジウムはより高い温度で酸化して、酸化バナジウムが得られる。酸化バナジウムは摩耗性の環境で高い潤滑性を発揮する。いかなる理論にも束縛されることはないが、皮膜中のバナジウムや二硫化モリブデンのマクロ粒子の存在が、皮膜の本来の潤滑性を増強し、摩耗率や摩耗係数を減少させるものと確信する。
また、マクロ粒子は、親水性、疎水性及び又は触媒特性を与えるように構成することができる。マクロ粒子には陰極材料及び又は供給ガスを選択することにより所望の特性を与えることができる。所望の特性を持つマクロ粒子には、金属、合金もしくは組成物を含有させることができる。そして、ワーク片の皮膜中にマクロ粒子を存在させることによって、皮膜に所望の特性を与えることができる。
マクロ粒子は、ワーク片の耐腐食性よりも低い耐腐食性の皮膜を形成することができる。これには例えば、アルミニウムを多量に含むマクロ粒子を使用するとよく、例えば、少なくとも７０原子パーセントのアルミニウムを含め、好ましくは少なくとも８０原子パーセントのアルミニウムを含め、より好ましくは少なくとも９０原子パーセントのアルミニウムを含める。いかなる理論にも束縛されることはないが、自由アルミニウムのマクロ粒子を取り囲んでいる窒化アルミニウム（ALN）の連続相をワーク片の最上層にすると、鋼鉄に対して、海水中の電気化学反応に耐える効果的な犠牲的耐腐食性を与えることができると確信する。
図３において、陰極材料Ａ、Ｂ、Ｃとワーク片８とが同一面上に配置するように図示されている。しかしながら、陰極材料Ａ、Ｂ、Ｃはそれぞれ任意の位置に配置されていて構わない。例えば、マクロ粒子の皮膜の形状にそってマクロ粒子がスパッタリングされあるいは被着されるように、陰極材料を皮膜３２に対向させて配置させることができる。
図５に示すように、ワーク片８に、１層以上の皮膜３２を形成することができる。異なる層には異なる機能を付与することができる。さらに、マクロ粒子は、プロセス中で皮膜３２上にいつでも供給することができ、例えば、皮膜３２を形成する前、皮膜３２や別の皮膜の形成中、及び又はワーク片８上に皮膜を形成後等のタイミングで供給できる。
以下、本発明を、限定的でない実験例を参照しながらさらに説明をする。
図６に示すように、ワーク片８上に２層の皮膜を、次のような条件で形成した。
・第１の皮膜
・陰極材料は３箇所
・アルミニウム（Al）を２箇所に
・チタンアルミ合金（TiAl）を一箇所に
・チャンバーには窒素ガス（Ｎ2）を供給
・第１の皮膜
・陰極材料は３箇所
・アルミニウム（Al）を２箇所に
・チタンアルミ合金（TiAl）を一箇所に
・チャンバーには窒素ガス（Ｎ2）を供給
・第２の皮膜
・陰極材料は２箇所
・アルミニウム（Al）を２箇所に
・チャンバーには窒素ガス（Ｎ2）とアルゴンガス（Ar）を供給
・陰極材料は２箇所
・アルミニウム（Al）を２箇所に
・チャンバーには窒素ガス（Ｎ2）とアルゴンガス（Ar）を供給
第２の皮膜を堆積させる間、窒素ガス（Ｎ2）の分圧を減じると、図６に示すように、アルミニウムのマクロ粒子４０のサイズが増大した。また、マクロ粒子４０のサイズは、チャンバー内全体のガス圧を減少させることにより増大する。自由なアルミニウムは、皮膜や基板に犠牲的耐腐食性を与える。
権利を要求するべき発明を詳細にかつ特徴的な実施例を参照しながら説明したが、この思想と範囲から逸脱することなく、当業者が、様々な変更や修正をこの発明に対して行うことができることは明らかである。
Ａ,Ｂ,Ｃ 陰極材料
２ 陰極線装置
３ 陰極材料のストリーム
４ ターンーテーブル
５ 陰極材料のストリーム
６ チャンバー
７ 陰極材料のストリーム
８ ワーク片
９ ガス
３２ 皮膜
３４ マクロ粒子
３６ マクロ粒子
４０ マクロ粒子
２ 陰極線装置
３ 陰極材料のストリーム
４ ターンーテーブル
５ 陰極材料のストリーム
６ チャンバー
７ 陰極材料のストリーム
８ ワーク片
９ ガス
３２ 皮膜
３４ マクロ粒子
３６ マクロ粒子
４０ マクロ粒子
Claims (24)
- ワーク片を陰極アーク装置中に挿入して、
陰極材料にアークを照射して、上記装置の内部空間に上記陰極材料の原子イオン群が生じるように、少なくとも一種類の上記陰極材料を蒸発させて、上記ワーク片上に上記原子による皮膜を形成し、
上記皮膜の内部または表面にマクロ粒子が供給されるように上記アークの照射パラメータを調整して、液体、半固体もしくは固体の状態の上記陰極材料のマクロ粒子を形成するものであって、
上記マクロ粒子の構造及び組成のうちの少なくとも一方を選択して、上記皮膜に対して、潤滑性、疎水性、親水性、犠牲層性、耐腐食性、自己修復性、電気抵抗性のうち、少なくとも一種類の特性を与えることを特徴とする、ワーク片上に皮膜を形成する方法。 - 請求項１に記載の方法において、上記マクロ粒子が球形の状態で供給されるように上記陰極材料が選択され、もしくはアークのパラメータが調整されることを特徴とするワーク片上に皮膜を形成する方法。
- 請求項２に記載の方法において、上記陰極材料及び上記マクロ粒子がチタンを含むことを特徴とするワーク片上に皮膜を形成する方法。
- 請求項１に記載の方法において、上記マクロ粒子がレンズ形の状態で供給されるように上記陰極材料が選択され、もしくは上記アークのパラメータが調整されることを特徴とするワーク片上に皮膜を形成する方法。
- 請求項４に記載の方法において、上記陰極材料及び上記マクロ粒子がアルミニウムを含むことを特徴とするワーク片上に皮膜を形成する方法。
- 請求項１に記載の方法において、上記ワーク片が航空機の翼であることを特徴とするワーク片上に皮膜を形成する方法。
- 請求項１に記載の方法において、上記皮膜が複数層設けられていることを特徴とするワーク片上に皮膜を形成する方法。
- 請求項１に記載の方法において、上記マクロ粒子が少なくとも二硫化モリブデン、バナジウム、もしくは窒化バナジウムのうちの一種を含むことを特徴とするワーク片上に皮膜を形成する方法。
- ワーク片を陰極アーク装置中に挿入して、
陰極材料にアークを照射して、上記装置の内部空間に上記陰極材料の原子イオン群が生じるように、少なくとも一種類の上記陰極材料を蒸発させて、上記ワーク片上に上記原子による皮膜を形成し、
上記皮膜の内部または表面にマクロ粒子が供給されるように上記アークの照射パラメータを調整して、液体、半固体もしくは固体の状態の上記陰極材料のマクロ粒子を形成するものであって、
上記マクロ粒子の構造及び組成のうちの少なくとも一方を選択して、上記皮膜に対して、潤滑性、疎水性、親水性、犠牲層性、耐食性、耐腐食性、自己修復性、電気抵抗性のうち、少なくとも一種類の特性を与え、
上記ワーク片よりも劣る犠牲材料を上記皮膜に供給するために、上記マクロ粒子は少なくとも７０原子パーセントのアルミニウムを含んでいることを特徴とするワーク片上に皮膜を形成する方法。 - ワーク片を陰極アーク装置中に挿入して、
陰極材料にアークを照射して、上記装置の内部空間に上記陰極材料の原子イオン群が生じるように、少なくとも一種類の上記陰極材料を蒸発させて、上記ワーク片上に上記原子による皮膜を形成し、
上記皮膜の内部または表面にマクロ粒子が供給されるように上記アークの照射パラメータを調整して、液体、半固体もしくは固体の状態の上記陰極材料のマクロ粒子を形成するものであって、
上記マクロ粒子の構造及び組成のうちの少なくとも一方を選択して、上記皮膜に対して、潤滑性、疎水性、親水性、犠牲層性、耐食性、耐腐食性、自己修復性、電気抵抗性のうち、少なくとも一種類の特性を与え、
上記ワーク片よりも劣る犠牲材料を上記皮膜に供給するために、上記マクロ粒子は少なくとも９０原子パーセントのアルミニウムを含んでいることを特徴とするワーク片上に皮膜を形成する方法。 - 請求項１に記載の方法において、上記陰極材料が金属及び反応ガスのうちの少なくとも一方と反応して、窒化物、炭化物、酸化物もしくはこれらの混合物を形成するものであることを特徴とするワーク片上に皮膜を形成する方法。
- 請求項１に記載の方法において、上記陰極材料は、クロム、アルミニウム、チタンとそれ以外の、周期律表における第４属、５属そして６属の遷移金属群中の、少なくとも一種の材料からなることを特徴とするワーク片上に皮膜を形成する方法。
- ワーク片を陰極アーク装置中に挿入して、
第１の陰極材料に第１のアークを照射して、上記装置の内部空間に上記第１の陰極材料の原子イオン群が生じるように、上記第１の陰極材料を蒸発させて、上記ワーク片上に上記原子による皮膜を形成し、
第２のアークの照射パラメータを、第２のマクロ粒子が上記皮膜の内部または表面に固定されるように調整して、液体、半固体もしくは固体の状態の第２の陰極材料の上記第２のマクロ粒子を形成して、上記皮膜に対して、潤滑性、疎水性、親水性、犠牲層性、耐腐食性、自己修復性、電気抵抗性のうち、少なくとも一種類の特性を与えるように、上記第２のマクロ粒子の構造及び組成のうちの少なくとも一方を選択することを特徴とする、ワーク片上に皮膜を形成する方法。 - 請求項１３に記載の方法において、上記第２のマクロ粒子が球形の状態で供給されるように第２の陰極材料が選択され、もしくは第２のアークのパラメータが調整されることを特徴とするワーク片上に皮膜を形成する方法。
- 請求項１４に記載の方法において、上記第２の陰極材料及び上記第２のマクロ粒子がチタンを含むことを特徴とするワーク片上に皮膜を形成する方法。
- 請求項１３に記載の方法において、上記第２のマクロ粒子がレンズ形の状態で供給されるように上記第２の陰極材料が選択され、もしくは上記第２のアークのパラメータが調整されることを特徴とするワーク片上に皮膜を形成する方法。
- 請求項１６に記載の方法において、上記第２の陰極材料及び上記第２のマクロ粒子がアルミニウムを含むことを特徴とするワーク片上に皮膜を形成する方法。
- 請求項１３に記載の方法において、上記第２の陰極材料は、潤滑材料もしくは、少なくとも一種類の他の要素と結合したときに潤滑性を有する材料からなり、上記皮膜に対して潤滑性を付与するような潤滑性を有する上記第２のマクロ粒子を形成するためのものであることを特徴とする、ワーク片上に皮膜を形成する方法。
- 請求項１８に記載の方法において、上記潤滑材料は、少なくとも二硫化モリブデン、バナジウム、もしくは窒化バナジウムのうちの一種を含むことを特徴とするワーク片上に皮膜を形成する方法。
- 請求項１８に記載の方法において、上記ワーク片が航空機の翼であることを特徴とするワーク片上に皮膜を形成する方法。
- ワーク片を陰極アーク装置中に挿入して、
第１の陰極材料に第１のアークを照射して、上記装置の内部空間に上記第１の陰極材料の原子イオン群が生じるように、上記第１の陰極材料を蒸発させて、上記ワーク片上に上記原子による皮膜を形成し、
第２のアークの照射パラメータを、第２のマクロ粒子が上記皮膜の内部または表面に固定されるように調整して、液体、半固体もしくは固体の状態の第２の陰極材料の上記第２のマクロ粒子を形成して、上記皮膜に対して、潤滑性、疎水性、親水性、犠牲層性、耐食性、耐腐食性、自己修復性、電気抵抗性のうち、少なくとも一種類の特性を与えるように、上記第２のマクロ粒子の構造及び組成のうちの少なくとも一方を選択し、
上記ワーク片よりも劣る犠牲材料を皮膜に供給するために、上記マクロ粒子は少なくとも７０原子パーセントのアルミニウムを含んでいることを特徴とするワーク片上に皮膜を形成する方法。 - ワーク片を陰極アーク装置中に挿入して、
第１の陰極材料に第１のアークを照射して、上記装置の内部空間に上記第１の陰極材料の原子イオン群が生じるように、上記第１の陰極材料を蒸発させて、上記ワーク片上に上記第１の原子による皮膜を形成し、
第２のアークの照射パラメータを、第２のマクロ粒子が上記皮膜の内部または表面に固定されるように調整して、液体、半固体もしくは固体の状態の第２の陰極材料の上記第２のマクロ粒子を形成して、上記皮膜に対して、潤滑性、疎水性、親水性、犠牲層性、耐食性、耐腐食性、自己修復性、電気抵抗性のうち、少なくとも一種類の特性を与えるように、上記第２のマクロ粒子の構造及び組成のうちの少なくとも一方を選択し、
上記ワーク片よりも劣る犠牲材料を皮膜に供給するために、上記マクロ粒子は少なくとも９０原子パーセントのアルミニウムを含んでいることを特徴とするワーク片上に皮膜を形成する方法。 - 請求項１３に記載の方法において、上記陰極材料が金属及び反応ガスのうちの少なくとも一方と反応して、窒化物、炭化物、酸化物もしくはこれらの混合物を形成することを特徴とするワーク片上に皮膜を形成する方法。
- 請求項１３に記載の方法において、上記陰極材料は、クロム、アルミニウム、チタンとそれ以外の、周期律表における第４属、５属そして６属の遷移金属群中の、少なくとも一種の材料からなることを特徴とするワーク片上に皮膜を形成する方法。
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