(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コーティングチャンバ（１２）と、
コーティング材料（２６）を含有しており、高温及び大気圧未満の圧力で作動可能なコーティング領域を前記コーティングチャンバ（１２）内で画成するフード（５２）と、
前記コーティング領域中そして前記コーティング材料（２６）に電子ビーム（２８）を投射する電子ビームガン（３０）であって、前記コーティング材料（２６）を融解し溶融したコーティング材料（２６）を蒸発させるように作動可能である前記電子ビームガン（３０）と、
前記コーティング材料（２６）の蒸気が物品（２０）に堆積するように該物品（２０）をコーティング前記領域内で支持する手段（２２）と、
前記コーティングチャンバ（１２）の一つの壁内にあり、前記電子ビーム（２８）が前記コーティングチャンバ（１２）に入る際に通る開口（６８）と、
前記コーティングチャンバ（１２）内にあり、開口（６８）をコーティング領域から分離するように該開口（６８）を囲む第二のチャンバ（６４）と、
前記電子ビーム（２８）が前記第二のチャンバ（６４）を出て前記コーティング領域に入る際に通る第二の開口（６２）と
を含み、
前記第二のチャンバ（６４）は、コーティング領域より低い圧力に維持され、
前記第二のチャンバ（６４）は、前記コーティングチャンバ（１２）の壁に結合した第一の壁部分と、前記フード（５２）に結合していない第二の壁部分とを有し、該第二の壁部分が、前記電子ビーム（２８）が出て行く際に通る前記第二の開口（６２）を有している
ことを特徴とする、電子ビーム物理蒸着コーティング装置（１０）。
【請求項２】
前記コーティングチャンバ（１２）の外に取り出しが可能なように前記フード（５２）内にスプリングピンで保持されたスクリーン（７６）をさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載の電子ビーム物理蒸着コーティング装置（１０）。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、概して電子ビーム物理蒸着コーティング装置に関する。具体的には、本発明は、ガスタービンエンジンの超合金部品に遮熱皮膜を設ける場合のように、部品にセラミック皮膜を堆積させるのに適した前記のようなコーティング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンエンジンでは効率を高めるために作動温度を高めることが常に求められている。しかし、作動温度の上昇と共に、エンジンの部品の高温耐久性も高める必要がある。鉄基、ニッケル基及びコバルト基超合金によりかなりの進歩が達成されているが、これらの合金単独の高温性能はタービン、燃焼器及びオーグメンタのようなガスタービンエンジンのある種のセクションに位置する部品に対して不適切であることが多い。一般的な解決策はその実用温度を最低限に抑えるためにかかる部品を熱的に遮断することである。この目的で、高温部品の露出される表面に形成される遮熱皮膜（ＴＢＣ）が広く用いられている。
【０００３】
遮熱皮膜が有効であるためには、熱伝導率が低くなければならず、また部品表面に充分に密着しなければならない。ＴＢＣとして、各種のセラミック材料、特にイットリア（Ｙ2Ｏ3）、マグネシア（ＭｇＯ）その他の酸化物で安定化されたジルコニア（ＺｒＯ2）が使用されている。これらの特定の材料は、プラズマ溶射技術や蒸着技術で容易に堆積させることができるので、当技術分野で広く用いられている。後者の一例は電子ビーム物理蒸着（ＥＢＰＶＤ）であり、これは剥落を招くような損傷作用をもつ応力を生じさせずに、その下の基板と共に膨張し得る柱状結晶粒組織を有する遮熱皮膜を作り、そのため応力許容度が高まる。ＴＢＣと部品の密着度は、金属ボンディングコート、例えば拡散アルミ化物やＭＣｒＡｌＹ（Ｍは鉄、コバルト及び／又はニッケルである）のような耐酸化性合金の存在によってさらに高められることが多い。
【０００４】
一般に、ＥＢＰＶＤによってＴＢＣを製造する方法では、部品を許容できるコーティング温度に予熱した後その部品を加熱されたコーティングチャンバに挿入する。コーティング中、部品をセラミックコーティング材料（例えば、ＹＳＺ）のインゴットの近くに支持し、電子ビーム（ＥＢ）ガンによって生成した電子ビームをインゴットに投射してそのインゴットの表面を融解させ、部品に堆積するコーティング材料の蒸気を生成させる。過去において、コーティングチャンバは約０．００５ミリバール（ｍｂａｒ）の圧力に維持していた。約０．００５ｍｂａｒを超える圧力では電子ビームの制御が困難になるのでこれより高い圧力は避けられていた。０．０１０ｍｂａｒより高いコーティングチャンバ圧力では誤作動が報告されている。また、０．００５ｍｂａｒを超えるコーティングチャンバ圧力で作動させるとＥＢガンの内部が汚染され、ガンのフィラメントの寿命が短くなると信じられていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本願出願人に譲渡された係属中のＲｉｇｎｅｙらの米国特許出願第０９／１０８２０１号によると、０．０１０ｍｂａｒより高いＥＢＰＶＤコーティング圧力を用いて剥離抵抗が大幅に改善され熱伝導率が低下したＴＢＣを製造することができる。したがって、Ｒｉｇｎｅｙらに従って０．０１０ｍｂａｒより高いコーティング圧力で装置を作動させたときＥＢガンの汚染や短いガンフィラメント寿命の危険性を低減する改良されたＥＢＰＶＤ装置が得られれば望ましいであろう。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、物品に皮膜（例えば、セラミック遮熱皮膜）を設けるための電子ビーム物理蒸着（ＥＢＰＶＤ）装置である。本発明のＥＢＰＶＤ装置は、一般に、高温（例えば少なくとも８００℃）及び大気圧未満の圧力、通常は０．０１０ｍｂａｒを超える圧力で作動可能なコーティングチャンバを含んでいる。電子ビームガンを用いて、コーティングチャンバの壁内の開口を介してそのチャンバ内で画定されたコーティング領域内のコーティング材料に電子ビームを投射する。電子ビームガンはコーティング材料を融解し蒸発させるように作動する。また、コーティング材料の蒸気が物品に堆積することができるようにコーティングチャンバ内で物品を支持するためのデバイスも含まれる。
【０００７】
本発明によると、０．０１０ｍｂａｒを超えるコーティング圧力におけるＥＢＰＶＤ装置の作動が、開口をコーティング領域から分離するように開口を囲む第二のチャンバをコーティングチャンバ内に含ませることによって高められる。また、第二のチャンバをコーティング領域より低い圧力に維持するための手段も備わっている。その結果、電子ビームガンの作動と信頼性に及ぼす悪影響を最小にするか又はなくして、係属中のＲｉｇｎｅｙらの米国特許出願第０９／１０８２０１号に従って、０．０１０ｍｂａｒより高いコーティング圧力を実現することができる。
【０００８】
本発明の他の目的と利点は以下の詳細な説明から明らかとなろう。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明のＥＢＰＶＤ装置１０の概略を図１及び図２に示す。この装置１０は、熱的に苛酷な環境内で作動させようとする金属部品にセラミック遮熱皮膜を堆積させるのに特に適している。かかる部品の主な例には、ガスタービンエンジンの高圧及び低圧タービンノズル及びブレード、シュラウド、燃焼器ライナ及びオーグメンタハードウェアがある。かかる部品にセラミック皮膜を設けることに関して本発明の利点を説明するが、本発明の教示はさまざまな皮膜材料と部品に広く応用することができる。
【００１０】
本発明の例示のため、コーティングチャンバ１２、一対の予熱チャンバ１４及び２対の装填チャンバ１６，１８を含むＥＢＰＶＤ装置１０を図１及び図２に示す。この装置１０は対称形になっている。コーティングチャンバ１２の下に位置するマガジン１０２のチャンネル１０４からエレベータ６１によりコーティングチャンバ１２に供給される所望のコーティング材料のインゴット２６が示してある。クランプアーム６０を用いて蒸発するインゴット２６を正しい位置に固定する。予熱チャンバ１４と整列した前側装填チャンバ１６が示してある。最初左側装填チャンバ１６内のレーキ２２上に装填された部品２０は左側予熱チャンバ１４に、そして図１に示す通りコーティングチャンバ１２中に移されている。装置１０の対称形により、前側左側装填チャンバ１６を介して装填された部品２０がコーティングチャンバ１２内で被覆される間に、前側右側装填チャンバ１６内の第二のバッチの部品を右側予熱チャンバ１４内で予熱することができ、第三のバッチの部品を後側左側装填チャンバ１８中に装填することができ、第四のバッチの部品を後側右側装填チャンバ１８から取り出すことができる。したがって、本発明の好ましいＥＢＰＶＤ装置１０では４つのプロセス段階が同時に起こり得る。
【００１１】
本発明の好ましい態様によると、装填チャンバ１６及び１８は高さの低い可動プラットフォーム２４に備え付けられていて、装填チャンバ１６及び１８がその予熱チャンバ１４と選択的に整列することができるようになっている。また、各プラットフォーム２４は保守位置にも可動であるのが好ましい。この保守位置では、装填チャンバ１６及び１８のいずれもその予熱チャンバ１４と整列してなくて清掃のために予熱チャンバ１４及び装填チャンバ１６，１８の内部にアクセスすることができるようになっている。プラットフォーム２４は床に備え付けられたローラ軸受４４に少なくとも一部が支持されているのが好ましいが、各種軸受も使用することができることが分かる。プラットフォーム２４は高さ（床から上方への突出）が約１インチ（約２．５ｃｍ）以下と低く、面取りされた縁をもっているのが好ましい。これによって、オペレータがプラットフォーム２４の縁に躓くおそれが実質的になくなる。装置１０を取り巻く他の定置物は、オペレータが再位置決めの際にプラットフォーム２４に躓くのを防ぐためにプラットフォーム２４の縁から離れて位置しているのが好ましい。
【００１２】
装填チャンバ１６及び１８は通常細長い形状をしており、部品をレーキ２２上に装填するための装填ドア４０を備えている。また、装填チャンバ１６及び１８は、レーキ２２の作動を制御する駆動部（図１に概略を４６で示す）へのアクセスドア４２も備えている。より具体的にいうと、レーキ２２上に支持された部品２０は、部品２０の周囲の所望のコーティング分布を促進するためにコーティングチャンバ１２内で回転及び／又は振動するのが好ましい。アクセスドア４２により、装置１０のオペレータは、装填チャンバ１６及び１８への部品の装填と取り出しを妨害することなく駆動部４６の設定を迅速に調節又は変更することが可能である。
【００１３】
図３に関連して、コーティングは、電子ビーム（ＥＢ）ガン３０によって生成しインゴット２６に焦点を結ぶ電子ビーム２８でインゴット２６を融解・蒸発させることによってコーティングチャンバ１２内で行われる。電子ビーム２８によるセラミック材料の強力な加熱により、各インゴット２６の表面が融解し、溶融セラミックプールを形成し、そこからセラミック材料の分子が蒸発し、上方に移動し、次いで部品２０の表面に堆積し、所望のセラミック皮膜が生成する。この皮膜の厚さはコーティングプロセスの長さに依存する。図３には２つのインゴット２６が示してあるが、本発明に範囲内で１つ以上のインゴット２６が存在することができ、同時に蒸発させられることができる。
【００１４】
また同様に図３から分かるように、インゴット２６をコーティングチャンバ１２内で支持し電子ビーム２８によって生成したセラミック材料の溶融プールを保持するるつぼ５６の近くに位置する導入口５４を介して酸素ガスとアルゴンガスをコーティングチャンバ１２内に導入する。酸素とアルゴンの流量は、目的とするプロセス圧力と酸素分圧に基づいて個別に制御する。コーティングチャンバ１２内の圧力振動の発生を低減するために、ガスの制御弁５８を導入口５４に隣接してコーティングチャンバ１２の外に物理的に配置することによってこれらガスの制御ループ応答時間を短くするのが好ましい。このように制御弁５８をコーティングチャンバ１２に近接して配置することにより、圧力制御が驚くほど大幅に改善され、コーティングチャンバ１２内の圧力変動が低下し、インゴット２６上への電子ビーム２８の焦点合わせと位置決めにおける障害が減少する。
【００１５】
メカニカルポンプ３１により簡単に排気した後、当技術分野で公知のタイプの低温ポンプ３２と拡散ポンプ３４を用いて蒸着プロセスの前にコーティングチャンバ１２を排気することができる。予熱チャンバ１４を排気するのに用いる別の一対の拡散ポンプ３８が示してある。図１に示す通り、コーティングチャンバ１２の拡散ポンプ３４は、このポンプ３４の運転を、以下に述べるように本発明で好ましい比較的高い圧力、例えば０．０１０ｍｂａｒより高い圧力に調節するために絞り弁３６を備えていてもよい。予熱チャンバ１４のための拡散ポンプ３８も同じ目的で絞り弁を備えているのが好ましい。
【００１６】
ＥＢＰＶＤコーティングチャンバは通常、約０．００１ｍｂａｒ（約１×１０-3トル）の真空レベルに維持することができる。従来、コーティングプロセス中のコーティングチャンバ１２内は最高でも０．０１０ｍｂａｒ、より一般的には約０．００５ｍｂａｒの真空に引いていた。その理由は、それより高い圧力はＥＢガン３０の誤作動を引き起こし、電子ビーム２８の制御が困難になることが知られており、その結果質の悪い皮膜が得られると推定されていたからである。また、０．００５ｍｂａｒより高いコーティングチャンバ圧力で運転するとガンのフィラメントの寿命が短くなるか又はガンが汚染されると考えられていた。しかし、本願出願人に譲渡された係属中のＲｉｇｎｅｙらの米国特許出願第０９／１０８２０１号によると、コーティングチャンバ１２は高めの圧力で作動させるのが好ましく、驚くべきことに改善された剥離抵抗と耐衝撃性を有するセラミック皮膜が得られ、かつ従来達成されていたインゴットの蒸発速度より蒸発速度が速くなり、それに伴ってコーティングの蒸着速度が速められる。
【００１７】
本発明で用いる高めのコーティング圧力における電子ビーム２８の制御とＥＢガン３０の保護に関する上記問題に対処するために、ＥＢガン３０をコーティングチャンバ１２内で高めのコーティング圧力から比較的に隔離する。図３に、部品２０に堆積しない余分なセラミック蒸気のほとんどを捕獲する凝縮フード５２が示してある。本発明によると、このフード５２は、部品２０の周囲に、コーティングプロセスに望ましい高い圧力を特に維持するコーティング領域を画定するようになっている。コーティングキャンペーン間の清掃を容易にするために、このフード５２は、コーティングチャンバ１２の外に取り出して清掃することができるスクリーン７６を備えているのが好ましい。スクリーン７６は、キャンペーンの終了までにコーティング材料の層で被覆された状態になったときにスクリーン７６の取り外しが簡単になるように、ネジ部品ではなくスプリングピンで保持するのが好ましい。
【００１８】
図３に示す通りフード５２は部品２０を取り囲んでいるので、各ビーム２８がこのフード５２を通り抜けるのに開口６２が必要である。ＥＢガン３０の近傍を含めたコーティングチャンバ１２の残りの部分と比べて高めの圧力を凝縮フード５２内で維持する能力を高めるために、開口６２はビーム２８がこのフード５２を通過できるのに必要な寸法より大きくない寸法をもつように形成するのが好ましい。このために、開口６２はＥＢＰＶＤ装置１０の最初のセットアップ時にビーム２８で開けるのが好ましい。
【００１９】
本発明によると、凝縮フード５２によって画定されるコーティング領域内の高い圧力からＥＢガン３０をより確実に隔離するために、ビーム２８は、それぞれのガン３０から、コーティングチャンバ１２の内壁と凝縮フード５２との間に形成されたチャンバ６４を通って進む。図３に示す通り、チャンバ６４は各々、コーティングチャンバ１２の上部壁とこのコーティングチャンバ１２の上部壁につながる側壁によって形成されているのが好ましい。図３では各チャンバ６４の下端は開口６２が形成されている凝縮フード５２の壁と平行な壁によって閉じられているが、フード５２のこの壁はまたチャンバ６４の下端を囲むようにもできよう。フード５２はチャンバ６４の壁に結合してないのが好ましい。このようにして、凝縮フード５２はチャンバ６４をコーティングチャンバ１２から物理的に分離する必要なくコーティングチャンバ１２内を移動することができる。
【００２０】
拡散ポンプ３４は、各チャンバ６４の近くにこれと気流連通した導入口をもっているのが好ましい。開口６２は最小の大きさであるので、（導入口５４で酸素とアルゴンを導入することによって達成される）凝縮フード５２内の高い圧力は、拡散ポンプ３４がチャンバ６４を凝縮フード５２内の圧力より低い圧力に維持することができるように充分に遅い速度でチャンバ６４内に流出する。
【００２１】
コーティング作業の間電子ビーム２８はインゴット２６上に焦点を結び、セラミックの溶融プールと、部品２０に堆積する蒸気を形成する。各種のコーティング材料を用いることができるが、ＴＢＣに好ましいセラミック材料（したがってインゴット２６）はイットリア（例えば３〜２０％、好ましくは４〜８％のＹ2Ｏ3）で部分的又は全体的に安定化されたジルコニア（ＺｒＯ2）である。もっとも、マグネシア、セリア、カルシア、スカンジアその他の酸化物で安定化されたイットリアを使用することもできよう。コーティング作業は部品２０に所望の厚さの皮膜が得られるまで続け、その後部品２０を予熱チャンバ１４を通して装填チャンバ１６に移す。この時点で装填チャンバ１６を大気圧に開放する。
【００２２】
好ましい実施形態に関連して本発明を説明して来たが、他の形態も当業者によって採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限定されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に従って皮膜材料を堆積させるのに用いる電子ビーム物理蒸着装置の概略平面図である。
【図２】  本発明に従って皮膜材料を堆積させるのに用いる電子ビーム物理蒸着装置の概略正面図である。
【図３】  本発明の好ましい実施形態に従ってコーティングチャンバの上部壁に備え付けられた第二のチャンバを含む、図１及び図２の装置のコーティングチャンバの内部部品のより詳細な正面断面図である。
【符号の説明】
１０  電子ビーム物理蒸着装置
１２  コーティングチャンバ
２０  物品
２２  支持手段
２６  コーティング材料
２８  電子ビーム
３０  電子ビームガン
５２  フード
６２  第二の開口
６４  第二のチャンバ
６６  第二のチャンバをコーティング領域より低い圧力に維持するための手段
６８  開口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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