JPH04218666A - セラミックコーティングの形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は金属基板にセラミックコ
ーティングを形成する方法に関する。特に、セラミック
コーティングを金属部品の表面に形成するための電子ビ
ーム物質蒸気デポジション（ＥＢ−ＰＶＤ）技術の使用
に関する。

【０００２】

【従来の技術】セラミックコーティングについては、ゴ
ウワード等の米国特許第４，２４８，９４０号明細書、
ストラングマンの米国特許第４，３２１，３１１号明細
書、及びデマレイの米国特許第４，６７６，９９４号明
細書に記載されている。典型的なセラミックは、マグネ
シア、セリアあるいはイットリアで安定化されたジルコ
ニアを含んでいる。他のタイプのセラミックコーティン
グも知られており、それらは、例えばＡｌ２Ｏ３とＭｇ
Ｏを、ＴｉＮとＳｉ３Ｎ４を、そしてＳｉＣを含んでい
る。 セラミックコーティングは、上述の特許でも述べられて
いるように、金属のコーティング層との組み合わせで使
用され、あるいは、基板表面に直接形成される。

【０００３】ゴウワードの特許では、プラズマスプレイ
技術によってセラミックコーティングを形成し、一方、
ストラングマンやデマレイの特許ではセラミックコーテ
ィングをＥＢ−ＰＶＤ技術によって形成する。幾人かの
開発者らは、セラミックコーティングのＥＢ−ＰＶＤの
途中でコーティング室内に酸素を導入する方法を述べて
いる。例えば、１９８１年８月の代替燃料熱機関のため
の新規材料についての第２回会議の議事録におけるデマ
レイ等の論文を参照されたい。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】一方、上述の装置や技
術を利用して形成された熱バリアコーティングは、種々
の産業において有用性を示し、種々の適用に対する更な
る改良が行われている。本発明はこれらのニーズを満足
させるものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、ＥＢ−ＰＶＤ
技術を使用して部品にセラミックコーティングを施すた
めの改良された方法である。この方法は、セラミックの
アニオン（負に荷電しているイオン）成分をコーティン
グ室に導入し、そして、部品の周りのセラミックターゲ
ット上に電子ビームを衝突させることによってコーティ
ングプロセス中に生成されるかかるアニオン成分や蒸発
物を閉じこめることを含んでいる。

【０００６】アニオン成分なる用語は、コーティングタ
ーゲットが電子ビームで蒸発された時に形成されるアニ
オンに対応するガス状種を言う。例えば、コーティング
ターゲットが酸化ジルコニウムである場合、形成される
アニオンは酸素イオンであり、アニオン成分は酸素ガス
あるいは酸素原子を供給することの可能な複合物である
。同様に、コーティングターゲットが窒化チタニウムで
ある場合、アニオンは窒素イオンであり、アニオン成分
は窒素ガスあるいは窒素原子を供給することの可能な複
合物である。

【０００７】本発明は、アニオン成分の低い分圧によっ
て特徴付けられる環境においてセラミックターゲットが
蒸発された時、化学等量以下の状態まで反応を受けるタ
イプのセラミックコーティングの堆積に、特に使用され
る。かかるセラミックの一例はジルコニアであり、これ
は低圧室内でのＥＢ−ＰＶＤプロセス中に化学等量以下
の核種ＺｒＯ２−Ｘを形成すべく反応する。

【０００８】

【作用】本発明の実施例によれば、アニオン成分がコー
ティング室内に流れ込み、コーティング室の外部に置か
れたアニオン成分源と流体的に連通しているチューブを
通って、コーティングされるべき部品へ向かう。コーテ
ィング室内において、コーティングされるべき部品をき
っちりと囲い込む囲いがあり、この囲いとその中の部品
がコーティングターゲットの上に配置されている。チュ
ーブはアニオン成分を直接囲いの中に流し込み、この囲
いは、また、セラミックターゲット上への電子ビームの
衝突によって生成される蒸気を、これを通して放出する
少なくとも１の開口を含んでいる。蒸気は部品表面上で
凝縮し、囲いは、アニオン成分をコーティングされてい
る部品の近くに閉じこめ、高品質のコーティングを形成
することとなる。

【０００９】

【実施例】一般的に言って、本発明は、部品表面上に高
品質なセラミックコーティングを施す方法に関する。

【００１０】かかるセラミックコーティングは、それら
には限られないが、ジルコニウムをベースとしたもの（
例えば、ジルコニアや酸化安定ジルコニア）、マグネシ
ウムをベースにしたもの（例えば、マグネシア）、そし
て、セリウムをベースにしたもの（例えば、セリアや酸
化安定セリア）を含む。

【００１１】本発明の鍵となる見地は、ＥＢ−ＰＶＤプ
ロセス中に、コーティングすべき部品の表面上で生じる
反応に関連している。この反応は、従来技術の方法を使
用しては達成されない特性を有する、化学等量の（ある
いは、化学等量に近い）ＥＢ−ＰＶＤが適用された円柱
の粒状セラミックコーティングを形成することとなる。

【００１２】ＥＢ−ＰＶＤコーティングを施すための従
来の（従来技術）方法は、電子ビームを、低いガス圧に
保たれた密閉室内で、コーティングターゲット上に衝突
させるステップを含んでいる。ターゲットは所望のコー
ティング成分に対応した成分を有する。ビームがターゲ
ットを蒸発させると、ベーパ（これ以降、蒸気と称す）
が室を満たし、室内に吊るされた部品表面上に凝縮する
。

【００１３】従来技術を使用してコーティングターゲッ
トを蒸発させた場合、生成された蒸気は熱力学的に不安
定で、電離型の反応を経て、ターゲットのカチオン成分
（正に荷電した原子）及びアニオン成分を形成する。か
かるタイプのコーティングターゲットの一例はジルコニ
ア（ＺｒＯ２）であり、これは、低い気圧において蒸発
された時、正に荷電されたカチオン（ＺｒＯ２−Ｘと示
される）及び負に荷電されたアニオン（ＺｒＯ２＋Ｘと
示される）を形成する。分離して存在するカチオン成分
及びアニオン成分を含む蒸気が表面上に凝縮した時に形
成されるところのコーティングは、常に化学等量となる
ものではない。同数のカチオンとアニオンが部品の表面
上に凝縮しないことから、かかる化学等量以下のコーテ
ィングが形成される。この発明は、ＥＢ−ＰＶＤプロセ
ス中に化学等量のコーティングが生成されることを保証
する方法を記述している。

【００１４】本発明によれば、コーティングは、コーテ
ィングサイクル中、部品の表面をターゲットのアニオン
成分で連続的に洗うことによって生成される。これが達
成される好適な方法は、導入されたアニオン成分を即座
に、コーティングされるべき部品の周囲の空間に閉じこ
めることである。アニオン成分の閉じ込めは、コーティ
ングされるべき部品を取り囲むコーティング室の内部で
装置を使用することによって最良に行われる。この装置
（これ以降、反応室と称す）は、好ましくは、コーティ
ング行われている部品よりもほんの僅かに大きく、アニ
オン成分はコーティングサイクル中に反応室内に流れ込
み、そして連続的に部品の表面を洗う。結果として、反
応室は、コーティングされるべき部品が、アニオン成分
の高い分圧で特徴づけられる環境で取り囲まれるように
なる。反応室内に過剰のアニオンが流し込まれる結果、
室内のアニオン成分の量は、ターゲットの蒸発によって
生成される成分よりも多くなる。好ましくは、反応室内
のアニオン成分の量は、コーティングターゲットに近い
ところの量よりも、４から５倍多くなる。

【００１５】コーティングターゲット上に電子ビームを
衝突させて生成される蒸気も、また、反応室内に入り、
かかる蒸気が部品の表面上に凝縮した時、コーティング
が形成される。そして、アニオン成分がコーティングと
衝突した時、反応が起こり、コーティング内のアニオン
の不足を充足する。

【００１６】本発明を実施するための好適な装置を図に
示す。

【００１７】特に、図１はＥＢ−ＰＶＤコーティング装
置５を示し、この装置は、壁１１で形成された密閉コー
ティング室１０と、コーティング室１０を真空にする手
段１２とを含んでいる。この装置５は、さらに、電子ビ
ーム銃１４、セラミックターゲット１６、そして、コー
ティングされるべき１またはそれ以上の部品２０をコー
ティング室１０内に支持するための手段とを含んでいる
。かかる装置は、全て、業界においては従来のタイプの
ものである。図１では、明確化のために、電子ビーム銃
１４と、セラミックターゲット１６と、そして真空手段
１２だけを示す。かかる部品は、それぞれ複数使用され
得るであろうことが理解される。

【００１８】セラミックのアニオン成分が、好ましくは
コーティング室１０の外部に配置され、その成分源２６
から延びた、１またはそれ以上の管すなわちチューブ２
２を通してコーティング室１０内に入る。それぞれのチ
ューブ２２は１またはそれ以上のチューブ出口端２８で
終わっている。それぞれのチューブ２２は、アニオン成
分を、出口端２８を通して流すように構成配置され、コ
ーティングが行われるべき部品２０に向けられている。 図に示されるように、それぞれの出口端２８は、部品２
０とコーティングターゲット１６との間に配置されてい
る。アニオン成分はそれぞれの出口端を通して部品２０
に向かい、蒸気はコーティングターゲット１６から部品
２０へ移動する方向と共存する方向（すなわち、逆進方
向ではない）へ流れる。

【００１９】また、図２にも示されるように、チューブ
２２は、コーティング室１０内でコーティングターゲッ
ト１６上に吊るされている反応室３０内にアニオン成分
を直接的に流し込む。コーティングされるべきそれぞれ
の部品２０は反応室３０内に、以下にさらに詳細に述べ
られる方法によって吊り下げられている。反応室３０は
、部品２０の背面２１に密接して置かれ、それぞれのチ
ューブ出口端２８にほぼ対向する関係に置かれた頂上壁
４０を含んでいる。（部品２０の背面２１はコーティン
グターゲット１６から離れて面した表面である。）図に
も示されるように、頂上壁４０はコーティング室の壁１
１と部品２０の背面２１との間に配置されている。電子
ビームのセラミックターゲット上への衝突によって生成
される蒸気は、セラミックターゲット１６から離された
底壁４２内の開口４６を通して反応室３０内に入る。

【００２０】この反応室３０は、また、頂上及び底壁４
０と４２と共に、コーティングされるべきそれぞれの部
品２０を取り囲む囲いを形成する側壁３２を含んでいる
。反応室３０の寸法はコーティング室１０の寸法よりも
小さい。その結果、反応室３０は、コーティング室１０
の内部容積よりも小さな内部容積を形成する。頂上壁４
０はその内部に開口５２を有し、コーティング作業中に
、反応室３０内に流れ込むアニオン成分が反応室３０か
ら出ることが出来るようにしている。頂上及び底の開口
４６と５２は、それぞれ、コーティングターゲット１６
の上に実質的に垂直に配列されている。

【００２１】反応室３０の目的は、上記のように、アニ
オン成分をコーティングされるべき部品のすぐ周囲を取
り囲む空間に閉じ込めることである。反応室３０は、部
品２０の周囲に高アニオン成分の高い分圧を作り出す。 蒸気が反応室３０に入り、部品表面に衝突する時、蒸気
は表面上に凝縮し、コーティングを形成する。アニオン
成分が凝縮物と衝突すると、化学反応によって凝縮物と
結合してコーティング内のアニオンの欠乏が補われ、も
って、化学等量の（ほぼ化学等量の）コーティングが形
成される。

【００２２】反応室３０は、その室内においてアニオン
成分の分圧を上昇させ、アニオン成分が凝縮物と衝突す
るであろう確率を増加させる。アニオン成分は反応室３
０内において、アニオン成分が凝縮物と衝突して反応し
、すなわち、その開口を通って反応室３０から出るまで
、一方の壁から他方へと跳ね返る。それ故、反応室３０
は部品２０の周囲のアニオン成分の分圧を増加させ、部
品の周囲のアニオンの残留時間を増大させる。

【００２３】反応室３０内の開口５２の第一の機能は、
反応室３０からのアニオン成分を、コーティングターゲ
ット１６上に衝突する電子ビームと交差しない、あるい
は衝突しない方向へ放出すことである。開口５２の好適
な構造が図２に示されており、コーティングターゲット
１６から離れる方向に延びる壁５４は開口５２に隣接し
、煙突状の構造物５６を形成している。

【００２４】コーティングすべき部品を反応室３０に固
定するための手段４８は、好ましくは、部品が縦方向の
軸あるいはその他の軸の周りを回転し、そして／または
、並動することが出来るように構成されている。コーテ
ィング動作中の反応室３０内での部品２０の移動（例え
ば、回転、並動、あるいは傾斜）により、部品の表面全
体にわたって均一な厚さを有するコーティングの形成を
促進する。

【００２５】コーティングサイクル中にアニオン成分を
反応室３０内に入れるためのチューブ２２は、反応室の
壁３２を通過し、コーティングサイクル中のアニオン成
分の流れがそれぞれの部品２０へ向かうように配置され
ている。好ましくは、チューブ２２は、部品表面に対し
てアニオン成分を直接流すように配置される。最も好ま
しくは、それぞれのチューブ２２は、小径で密接して配
置された複数の孔５８を有し、これらの孔はアニオン成
分を、水平方向に対して約４５゜の角度で、部品表面に
向かって流す。チューブは、孔が少なくとも部分的に反
応室３０に入って来る蒸気から遮蔽されるように方向付
けられている。この構成により、蒸気が凝縮して孔５８
を実際に塞ぐことを排除する。

【００２６】もしも１以上の部品が反応室３０内でコー
ティングされるべき場合、その室は好ましくは個々の部
屋６０、６２とに分けられ、その内部にそれぞれのコー
ティングされるべき部品が固定される。部屋６０と６２
は、壁５４にほぼ平行な壁５８の間に、反応室３０の長
さ方向に沿って延びた分割壁６４によって形成されてい
る。この分割壁６４は、反応室３０内において、アニオ
ン成分が跳ね返ることが出来る表面の量を増大させる働
きをする。

【００２７】本発明は、特に、イットリア安定ジルコニ
アのコーティングを、ドゥール等の米国特許第４，２０
９，３４９号明細書に記載された様なニッケルを基礎と
した超合金から製造された部品上に堆積するのに有用で
あり、その内容は参照によってこの明細書に取り入れら
れる。コーティングを施す前に、部品が最小のクロミウ
ム、アルミニウム、そして、１あるいはそれ以上の希土
類成分（すなわち、周期律表の原子番号５７から７１ま
での成分を含み、イットリウムを加える）を含むコーテ
ィングによって覆われる。好ましくは、この金属コーテ
ィングはグプタ等の米国再発行特許３２，１２１号明細
書に記載された合金であり、この合金の内容は参照によ
ってこの明細書に取り入れられ、かかる合金はニッケル
、コバルト、クロミウム、アルミニウム、イットリウム
、シリコン及びハフニウムを含んでいる。金属コーティ
ングが、それから、約２５０ミクロンの平均直径を有す
るガラスの玉でたたかれる。このたたく強さは、金属コ
ーティングに約７５ＡＡ以下の表面組織を作り出す程度
である（「ＡＡ」の用語は、ＡＮＳＩのＢ４６−１に従
って、プロフィルメータによって測定した時の、１０−
６インチ以内の表面粗さの算術平均値を意味する）。た
たかれる前に、部品は水素雰囲気中で約１０８０゜Ｃ±
１５゜Ｃの温度で１時間から４時間熱処理され、そして
、空冷と同等あるいはそれより速い速度で冷却される。 たたいた後、コーティングされた部品の表面が、従来の
湿式研磨砂ブラスティングプロセスで洗浄される。 それから、部品が、図に示された型の反応室内に吊るさ
れ、これは、図にもまた示すように、従来のＥＢ−ＰＶ
Ｄコーティング室内で方向付けられている。コーティン
グ室は約５×１０−３ミリバールの圧力まで真空にされ
、一方、イットリア安定ジルコニアのターゲットが電子
ビームで蒸発される。真空プロセスの間、商業的に純粋
な酸素ガスが、アニオン成分として反応室内に、毎分約
８００基準立方センチメータの速度で流し込まれる。

【００２８】反応室とチューブはオーステナイトのステ
ンレス鋼の合金から構成されている。チューブは室内で
約１０センチメータ（ｃｍ）の長さに沿って約６．５ミ
リメートル（ｍｍ）離れて配置された直径０．７５ミリ
メートルの孔を有している。これらの孔は水平方向に対
して約４５゜の角度で方向付けられ、図にも示されるよ
うに、コーティングがされるべきもののそれぞれの中心
線に対向している。頂部と底の開口はコーティングター
ゲットの上に垂直に配列されている。部品は頂部と底の
壁との間の約中途に置かれており、チューブは底壁とほ
ぼ同じ高さで室に入る。

【００２９】本発明によってコーティングがされる部品
は、化学的当量であり、周期的な酸化分解に対しても優
れた抵抗力を有する。接合コーティングは約１２５から
２００ミクロンの厚さであり、セラミックコーティング
は約２５０から３７５ミクロンの厚さであり、このセラ
ミックコーティングはＥＢ−ＰＶＤプロセスにおいて形
成されるコーティングの特性である円柱形の粒状微細構
造を有している。

【００３０】

【発明の効果】上記の詳細な説明からも明かな様に、本
発明になるコーティングの形成方法によれば、種々の産
業において有用な、化学等量で安定な高品質のコーティ
ングを形成することを可能にするという優れた効果を発
揮する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る電子ビーム物質蒸気堆積装置の概
略図である。

【図２】本発明の好適な反応室の一部断面を含む透視図
である。

【符号の説明】

５　　コーティング装置 １０　　コーティング室 １１，５４　　壁 １２　　真空装置 １４　　電子ビーム銃 １６　　セラミック（コーティング）ターゲット２０　
　部品 ２１　　背面 ２２　　チューブ ２６　　アニオン源 ２８　　開口端 ３０　　反応室 ３２　　側壁 ４０　　頂上壁 ４２　　底壁 ４６，５２　　開口 ４８　　固定手段 ５６　　煙突状構造物 ５８　　孔 ６０，６２　　部屋 ６４　　分割壁

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　円柱形の粒状セラミックコーティング
   を部品に施すための方法であって、電子ビームをコーテ
   ィングターゲットに衝突させることによって、低いガス
   圧に保持されたコーティング室内で上記コーティングに
   対応する成分を有するコーティングターゲットを蒸発さ
   せ、上記蒸発ステップによって生成された蒸気はターゲ
   ットのカチオン成分とアニオン成分を形成し、その内部
   に部品が配置されている反応室内にアニオン成分を流し
   込み、上記流し込みのステップは、上記蒸発ステップ中
   に生成されるアニオン成分よりも過剰のアニオン成分が
   、反応室内に与えられるようにして行われ、そして反応
   室で上記アニオン成分を部品の周りに制限し、そして、
   部品の表面上に蒸気を凝縮させ、アニオン成分を凝縮し
   た蒸気に反応させてコーティングを形成する各ステップ
   から成ることを特徴とするセラミックコーティングの形
   成方法。
2. 【請求項２】　　請求項１において、さらに、アニオン
   成分を反応室から排気することを含むことを特徴とする
   セラミックコーティングの形成方法。
3. 【請求項３】　　請求項２において、さらに、部品を軸
   回りに回転することを含むことを特徴とするセラミック
   コーティングの形成方法。
4. 【請求項４】　　請求項３において、コーティングター
   ゲットが、ジルコニア、マグネシア及びセリアから成る
   群から選択され、そして、アニオン成分は酸素ガスであ
   ることを特徴とするセラミックコーティングの形成方法
   。
5. 【請求項５】　　２層のコーティングを金属表面に施す
   ための方法であって、クロム、アルミニウム、及び１ま
   たはそれ以上の希土類成分を含む金属コーティングの層
   を施し、その後セラミックコーティングの層を金属コー
   ティングの層に施し、セラミックコーティングの層は、
   低いガス圧に保持されたコーティング室内で上記コーテ
   ィングに対応した成分を有するコーティングターゲット
   を、電子ビームをコーティングターゲットに衝突させる
   ことによって蒸発させ、上記蒸発ステップによって生成
   された蒸気はターゲットのカチオン成分とアニオン成分
   を形成し、その内部に部品が配置されている反応室内に
   アニオン成分を流し込み、上記流し込みのステップは、
   上記蒸発ステップ中に生成されるアニオン成分よりも過
   剰のアニオン成分が、反応室内に与えられるようにして
   行われ、そして反応室で上記アニオン成分を部品の周り
   に制限し、そして、部品の表面上に蒸気を凝縮させ、ア
   ニオン成分を凝縮した蒸気に反応させてコーティングを
   形成する各ステップから成る２層コーティングの形成方
   法。
6. 【請求項６】　　請求項５において、上記金属コーティ
   ング層は、基本的にはニッケル、クロム、コバルト、ア
   ルミニウム、イットリウム、シリコン及びハフニウムか
   ら成ることを特徴とする２層コーティングの形成方法。
7. 【請求項７】　　請求項６において、コーティングター
   ゲットが、ジルコニア、マグネシア及びセリアから成る
   群から選択されることを特徴とする２層コーティングの
   形成方法。