(57)【要約】【課題】ファンブレード、および他のブレードおよびベーンなどの摩耗または損傷したガスタービンエンジン部品の修復方法および装置が提供される。【解決手段】イオン強化物理蒸着が、複数成分材料を堆積させるのにスパッタリングにより増大される。方法は、Ｔｉ合金タービンエンジン部品上に被覆および修理材料を堆積させるのに使用できる。物理蒸着は、イオン強化電子ビーム物理蒸着とすることができる。  ワークピース上に材料を堆積させるための装置１００は、堆積室１０２と、一つまたは複数の第一の堆積材料成分１１２からプラズマを形成する手段１２４と、プラズマからワークピース１０６にイオンを引き付けるようにワークピースに変調されたバイアス電位を印加する手段１２８と、一つまたは複数の第二の堆積材料成分２２０をスパッタする手段２３２と、を備える。【選択図】図１０
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
部品上に堆積材料を堆積させる方法であって、
部品を堆積室内に配置し、
第一の電位を部品に印加し、
堆積材料を形成するための一つまたは複数の第一の成分を蒸発させ、
第一の電位がイオン化された第一の成分を部品の方へ引き付けるように、蒸発された第一の成分をイオン化し、
スパッタされた第二の成分がイオン化された第一の成分と同時堆積されるように、堆積材料を形成するための一つまたは複数の第二の成分をスパッタする、
ことを含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
スパッタリングは、スパッタリング電圧をスパッタリングターゲットに印加することを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
スパッタリングターゲットは、第一の成分の供給源から部品へのイオン流れ経路を取り囲むことを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項４】
一つまたは複数の第二の成分は、一つまたは複数の耐熱性元素を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項５】
一つまたは複数の第二の成分は、実質的にＭｏから成ることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項６】
堆積材料は、Ｔｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−２Ｍｏ、Ｔｉ−８Ａｌ−１Ｖ−１Ｍｏ、またはＴｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−６Ｍｏのうちの少なくとも一つから実質的に成ることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項７】
部品は、部位から第一の材料を失っており、
堆積材料は、部品を修復するようにこの部位に堆積される、
ことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項８】
堆積材料は、部品の基体との第一の界面を有し、堆積材料と基体の間の結合強度は、５０ｋｓｉを超過することを特徴とする請求項７記載の方法。
【請求項９】
部品および堆積材料は、同様の公称組成のＴｉ合金あるいはニッケル基またはコバルト基超合金から成り、
結合強度は、１００ｋｓｉから２００ｋｓｉであり、
堆積材料は、少なくとも２．０ｍｍの深さを有し、
基体は、堆積材料の深さを超過する厚みを有し、
基体は、元の未修理材料から成る、
ことを特徴とする請求項８記載の方法。
【請求項１０】
部品は、Ｔｉ合金タービンエンジン部品であり、堆積材料は、Ｔｉ基であることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１１】
ワークピース上に材料を堆積させるための装置であって、
堆積室と、
一つまたは複数の第一の堆積材料成分からプラズマを形成する手段と、
プラズマからワークピースにイオンを引き付けるようにワークピースに変調されたバイアス電位を印加する手段と、
一つまたは複数の第二の堆積材料成分をスパッタする手段と、
プラズマ形成手段、バイアス電位印加手段、およびスパッタ手段に接続されており、ワークピースへの第一の堆積材料成分および第二の堆積材料成分の同時堆積のフィードバックループ制御を提供するようにプログラムされた制御システムと、
を備えることを特徴とする装置。
【請求項１２】
プラズマの密度およびワークピースへのイオン電流をモニタする手段をさらに備えることを特徴とする請求項１１記載の装置。
【請求項１３】
スパッタ手段は、
一つまたは複数の第二の堆積材料成分のうちの第一番めを提供する第一のスパッタリングターゲットと、
一つまたは複数の第二の堆積材料成分のうちの第二番めを提供する第二のスパッタリングターゲットと、
を含み、
制御システムは、第一のスパッタリングターゲットと第二のスパッタリングターゲットとに印加される第一のスパッタリングバイアス電圧と第二のスパッタリングバイアス電圧とを別々に制御するようにプログラムされる、
ことを特徴とする請求項１１記載の装置。
【請求項１４】
ワークピース上に堆積材料を堆積させるための装置であって、
堆積室と、
堆積室内に配置され、第一のゼロ以外のバイアス電圧を掛けられるワークピースと、
第一の成分を蒸発させるように加熱される、堆積材料の一つまたは複数の第一の成分の第一の供給源と、
堆積室内に配置され、堆積材料の一つまたは複数の第二の成分を含み、第二のバイアス電圧を掛けられる、第一のスパッタリングターゲットと、
を備えることを特徴とする装置。
【請求項１５】
一つまたは複数の第一の成分は、Ｔｉ、Ａｌ、およびＶを含み、
一つまたは複数の第二の成分は、実質的にＭｏから成る、
ことを特徴とする請求項１４記載の装置。
【請求項１６】
第一のバイアス電圧は、第二のバイアス電圧とは異なることを特徴とする請求項１４記載の装置。
【請求項１７】
第一のバイアス電圧および第二のバイアス電圧は、大きさとデューティーサイクルの一方または両方において異なる、パルス変調された電圧であることを特徴とする請求項１４記載の装置。
【請求項１８】
第一のスパッタリングターゲットとは組成が異なり、第二のバイアス電圧とは異なる第三のゼロ以外のバイアス電圧を掛けられる、第二のスパッタリングターゲットをさらに備えることを特徴とする請求項１４記載の装置。
【請求項１９】
一つまたは複数の第一の成分と、堆積する一つまたは複数の第二の成分との堆積材料を同時堆積させる方法であって、
一つまたは複数の第一の成分のイオン強化電子ビーム物理蒸着と、
一つまたは複数の第二の成分のスパッタリングと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２０】
一つまたは複数の第一の成分は、単一のインゴットからのものであり、
一つまたは複数の第二の成分は、異なる組成の少なくとも二つの異なるスパッタリングターゲットからの少なくとも二つの成分である、
ことを特徴とする請求項１９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属の堆積に関する。より詳細には、本発明は、ファンブレード、および他のブレードおよびベーンなどの摩耗または損傷したガスタービンエンジン部品の修復に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンの構成部材は、摩耗および損傷を受ける。特定の構成部材の穏やかな摩耗および損傷でさえ、エンジンの最適な運転を妨げ得る。問題となる特定の領域は、さまざまなブレードおよびベーンのエーロフォイルを含む。摩耗および損傷は、これらの空力学的効率を妨げ、動的な力の不均衡を生じ、より極端な場合には摩耗／損傷部品を構造的に危険に曝しさえし得る。限定的な再調整が、わずかに摩耗または損傷したエーロフォイルのために一般に行われており、そこでは、付加的な材料が、摩耗／損傷部のさらに下まで除去されて、エーロフォイルに、元のまたは以前の輪郭よりは小さいけれども、相対的に効率的で清浄な部分的輪郭を与える。このような再調整を行うことができる限界を確立する例示的な検査基準は、プラット  アンド  ホイットニー  ＪＴ８Ｄエンジンマニュアル（Ｐ／Ｎ７７３１２８）、ＡＴＡ７２−３３−２１、検査−０１、ユナイテッド  テクノロジーズ  コーポレーション、イースト  ハートフォード  コネチカット、に示されている。このような限界は、位置および特定の用途に応じてエーロフォイル間で相違し得る。限界は、通常は、除去できる材料の量を制限する構造および特性の配慮に基づく。
【０００３】
さまざまな技術が、ガスタービンエンジンの摩耗または損傷した部品のより広範囲に亘る修復のために提案されて来た。米国特許第４，８２２，２３８号は、ニッケル基またはコバルト基超合金材料を堆積させるためのプラズマトーチの使用を開示する。米国特許第５，７３２，４６７号は、そのようなタービン部材内の亀裂を修理するための高速オキシ燃料（ＨＶＯＦ）および低圧プラズマ溶射（ＬＰＰＳ）技術の使用を特定している。さらに、米国特許第５，７８３，３１８号は、レーザ溶接およびプラズマ移動アーク溶接に加えてＬＰＰＳ技術を特定している。米国特許第６，０４９，９７８号は、ＨＶＯＦ技術の使用をさらに特定している。このような技術は、元のまたは元に近い断面を修復するのに置き換え材料を堆積させる限定的能力を提供して来た。しかしながら、置き換え材料の構造的特性は、基体材料の構造的特性に比較して実質的に制限され得る。
【特許文献１】米国特許第４，８２２，２４８号明細書
【特許文献２】米国特許第５，７３２，４６７号明細書
【特許文献３】米国特許第５，７８３，３１８号明細書
【特許文献４】米国特許第６，０４９，９７８号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特に、より大きな損傷では、損傷を修理するのに所定の位置に溶接できる予め形成された差し込み材を使用することが知られている。このような差し込み材では、損傷した領域は、予め決められた差し込み材の形状に切り取られ、次に、差し込み材が、所定の位置に溶接される。溶接に関連する構造的な限界は、そのような修理技術の能力を、他の技術のようにエーロフォイルの相対的に応力の低い領域に制限する。エンジン修理マニュアルは、溶接修理が許容される低応力領域を指定するのが一般的である。従って、摩耗／損傷の程度と、摩耗／損傷した領域が受ける応力との実質的な組み合わせが、そのような技術の使用を制限し得る。高応力領域は、通常、ファンブレードの中間スパンシュラウドの近く（例えば、わずかに胴体中心寄り）の領域を含む。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一態様は、部品上に堆積材料を堆積させる方法を含む。部品は、堆積室内に配置される。第一の電位が、部品に印加される。堆積材料を形成するための一つまたは複数の第一の成分が蒸発される。蒸発された第一の成分は、イオン化される。第一の電位が、イオン化された第一の成分を部品の方へ引き付ける。堆積材料を形成するための一つまたは複数の第二の成分がスパッタされる。スパッタされた第二の成分は、イオン化された第一の成分と同時堆積（ｃｏｄｅｐｏｓｉｔ）される。
【０００６】
さまざまな実施において、スパッタリングは、スパッタリング電圧をスパッタリングターゲットに印加することを含むことができる。スパッタリングターゲットは、第一の成分の供給源から部品へのイオン流れ経路を取り囲むことができる。一つまたは複数の第二の成分は、一つまたは複数の耐熱性元素を含むことができる。一つまたは複数の第二の成分は、実質的にＭｏから成ることができる。堆積材料は、Ｔｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−２Ｍｏ、Ｔｉ−８Ａｌ−１Ｖ−１Ｍｏ、またはＴｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−６Ｍｏのうちの少なくとも一つから実質的に成ることができる。部品は、部位から第一の材料を失うことがあり、堆積材料は、部品を修復するようにこの部位に堆積され得る。堆積材料は、部品の基体との第一の界面を有することができ、堆積材料と基体の間の結合強度は、５０ｋｓｉを超過する。部品および堆積材料は、同様の公称組成のＴｉ合金あるいはニッケル基またはコバルト基超合金から成り得る。結合強度は、１００ｋｓｉから２００ｋｓｉとなり得る。堆積材料は、少なくとも２．０ｍｍの深さを有し得る。基体は、堆積材料を超過する厚みを有し得る。基体は、元の未修理材料から成り得る。部品は、Ｔｉ合金タービンエンジン部品とすることができ、堆積材料は、Ｔｉ基とすることができる。
【０００７】
本発明の別の態様は、ワークピース上に材料を堆積させるための装置を含む。堆積室が、ワークピースを収容する。一つまたは複数の第一の堆積材料成分からプラズマを形成する手段が存在する。プラズマからワークピースにイオンを引き付けるようにワークピースに変調されたバイアス電位を印加する手段が存在する。一つまたは複数の第二の堆積材料成分をスパッタする手段が存在する。制御システムが、プラズマ形成手段、バイアス電位印加手段、およびスパッタ手段に接続されており、ワークピースへの第一の堆積材料成分および第二の堆積材料成分の同時堆積のフィードバックループ制御を提供するようにプログラムされる。
【０００８】
さまざまな実施において、装置は、プラズマの密度およびワークピースへのイオン電流をモニタする手段をさらに含み得る。スパッタ手段は、一つまたは複数の第二の堆積材料成分のうちの第一番めと第二番めとをそれぞれ提供する第一のスパッタリングターゲットと第二のスパッタリングターゲットとを含み得る。制御システムは、第一のスパッタリングターゲットと第二のスパッタリングターゲットとに印加される第一のスパッタリングバイアス電圧と第二のスパッタリングバイアス電圧とを別々に制御するようにプログラムされ得る。
【０００９】
本発明の別の態様は、ワークピース上に堆積材料を堆積させるための装置を含む。ワークピースは、堆積室内に収容され、第一のゼロ以外（ｎｏｎ−ｚｅｒｏ）のバイアス電圧を掛けられる。堆積材料の一つまたは複数の第一の成分の第一の供給源が、第一の成分を蒸発させるように加熱される。堆積室内の第一のスパッタリングターゲットが、堆積材料の一つまたは複数の第二の成分を含み、第二のバイアス電圧を掛けられる。
【００１０】
さまざまな実施において、一つまたは複数の第一の成分は、Ｔｉ、Ａｌ、およびＶを含み得る。一つまたは複数の第二の成分は、実質的にＭｏから成り得る。第一のバイアス電圧は、第二のバイアス電圧とは異なり得る。第一のバイアス電圧および第二のバイアス電圧は、大きさとデューティーサイクルの一方または両方において異なる、パルス変調された電圧とすることができる。第一のスパッタリングターゲットとは組成が異なる第二のスパッタリングターゲットが存在することができ、第二のバイアス電圧とは異なる第三のゼロ以外のバイアス電圧を掛けられる。
【００１１】
本発明の別の態様は、一つまたは複数の第一の成分と、一つまたは複数の第二の成分とを同時堆積させる方法を含む。一つまたは複数の第一の成分は、イオン強化電子ビーム物理蒸着により堆積される。一つまたは複数の第二の成分は、スパッタされる。
【００１２】
さまざまな実施において、一つまたは複数の第一の成分は、単一のインゴットからのものとすることができる。一つまたは複数の第二の成分は、異なる組成の少なくとも二つの異なるスパッタリングターゲットからの少なくとも二つの成分とすることができる。
【００１３】
本発明の１つまたは複数の実施態様の詳細は、添付の図面および以下の説明内に述べられる。本発明の他の特徴、目的、および利点は、説明および図面から、および請求項から明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
さまざまな図面内の同様の参照番号および符号は、同様の部材を示している。
【００１５】
図１は、ガスタービンエンジンのファンブレード２０を示す。ブレードは、ブレードをディスク（図示せず）に取り付けるように構成された、胴体中心寄りのブレード基部２２を有する。プラットホーム２４が、プラットホームから先端２８に延びるエーロフォイル２６からブレード基部を隔てている。エーロフォイルは、前縁３０および後縁３２を有し、吸気面３４および圧力面３６が、前縁３０および後縁３２の間に延びている。例示的なブレードでは、プラットホームと先端の間のスパンに沿う中間位置に、中間スパンダンパーシュラウド凸部４０が、圧力面および吸気面のそれぞれの表面から延びている。
【００１６】
圧力面および吸気面の凸部４０それぞれは、ブレード振動を減衰させるように隣接するブレードの吸気面および圧力面の凸部と相互作用し得る。隣接する凸部との中間スパンシュラウド凸部の相互作用からの力に沿う中間スパンシュラウド凸部の回転質量は、これらの凸部の最も近くおよびその胴体中心寄りの領域において、ブレードに高い応力をかける。これらの応力は、より低い応力を受ける他の領域に比較してこれらの領域の修理の可能性を制限し得る。電子ビーム物理蒸着（ＥＢＰＶＤ）は、低い残留応力を有し、かつ、下に位置する基体材料と実質的に同じ構造特性を有する、修理材料を堆積させるのに使用できることが発見された。堆積された材料は、溶接修理技術に比較して、向上した強度と、基体材料への向上した付着性とを有し得る。堆積は、過渡的な液相が存在せずに蒸気雲からの直接の凝固により生じるのが有利である。
【００１７】
図３は、前縁に最も近いエーロフォイルを欠けさせあるいはそれに切り欠きを生じさせて損傷した前縁部分３０’を生成する異物損傷（ＦＯＤ）などに関連する局所的な損傷を示す。図４は、位置３０’’まで腐食した前縁などのより一般的な損傷を示す。損傷部位は、汚染物質が浄化されているのが有利である。基体材料のさらなる除去は、堆積を受けるのに有利な基体表面を提供し得る。例示的な修復処置では、損傷／摩耗の後に、ブレードの残りの基体材料は、傾斜した前縁の小面または基体表面５０（図５）を与えるなどといった予め設定された形状構成に研削される。小面は、凹状圧力面３６に対する内角θ1で示される。例示的なθ1は、１２０°を超え、より狭くは、１２０°〜１３０°である。小面５０の位置／配置は、多数の要因に依存し得るものであり、与えられた修理設備において、エーロフォイル上の与えられた位置におけるどのような損傷も同様の機械加工になるように、損傷の位置に基づいて固定され得る。
【００１８】
随意に例示された変形物においては、裏当て足場／覆い部材５２（図６）が、失われた／除去された材料の位置に隣接して小面５０を越えて突出するように、エーロフォイルに取り付けられる。例示的な実施態様では、裏当て部材５２は、第一の表面５３と第二の表面５４とを有する金属製（例えば、アルミニウム）テープとすることができ、第一の表面５３の後縁部分は、吸気面３４の残りの損傷を受けていない前縁部分に取り付けられる。表面５３の前方部分は、失われた前縁３０を越えて突出しており、中間部分は、エーロフォイルの元の輪郭に沿う表面３４の失われた部分に位置合わせされて延びる。随意の変形物では、表面５３は、失われた元の表面輪郭との位置合わせのいずれの側へも、完全にあるいは部分的に延びることができる。
【００１９】
次に、ブレードは、照準経路５０２の線に沿って蒸気を放出する蒸気供給源５８（図７）に対して配置され得る。供給源／経路は、経路が、表面５０および３６に対する垂直から外れたわずかな角度θ2およびθ3内にあるのが有利である。例示的なθ2およびθ3は、３０°より小さい。供給源５８からの堆積は、第一の修理材料６０を徐々に堆積させる。これは、エーロフォイルの失われた元の輪郭の圧力面部分を越える表面輪郭６２まで堆積させるのが有利である。表面３６の曲率は、基体表面５０に隣接するそのような表面の堆積を受ける部分に沿うθ3に、関連する変化を与える。
【００２０】
この堆積段階の後に、ブレードは、裏当て部材５２を除去し、かつ、堆積された材料６０および元の基体材料に沿って延びる第二の小面または基体表面６４（図８）を生成するように、さらに機械加工され得る。例示的な実施態様では、この機械加工処理は、吸気面３４の以前に損傷を受けていない前縁部分をさらに除去する。表面６４および３４が、経路５０２に対する垂直からほんのわずか外れるとともに、第二の付加的な材料６６が、失われた元の輪郭の吸気面部分を越える輪郭６８に到達するよう表面６４および３４の頂上に堆積するように、ブレードは、供給源５８に対して再配置され得る。堆積された材料６０および６６は、次に、失われた元の輪郭に有利なことには同一の特定の最終輪郭まで機械加工され得る（図９）。その後、付加的な表面処理と保護被覆の少なくとも一方を施すことができる。
【００２１】
修復材料は、ＥＢＰＶＤまたはイオン強化ＥＢＰＶＤ法により堆積される。ＥＢＰＶＤ法は、過渡的な液相が存在しない堆積を介して有利な物理的特性を与えると考えられる。ＥＢＰＶＤは、プラズマ溶射堆積などの他の方法に比較して、より低い残留応力およびより良好な付着性を有すると考えられる。イオン強化ＥＢＰＶＤ法は、従来のＥＢＰＶＤより相対的に低い温度において、より良好な付着性およびより高品質の堆積（すなわち、より均質かつより高密度の堆積材料）を確保すると考えられる。例示的な堆積は、１０-1から１０-4Ｐａの間の圧力、より狭くは約（５〜１０）×１０-3Ｐａの圧力における真空室内で実施される。例示的な堆積速度は、１０から１００マイクロメートル毎分の間、より狭くは１０から５０マイクロメートル毎分の間、例示的には約２０マイクロメートル毎分である。局所的な堆積は、１つまたは複数の段階で実質的に任意の深さまで堆積させることができ、別々の段階は、機械加工または蒸気供給源に対する構成部材の再配置を介在させるいくつかの組み合わせにより特徴づけられる。個別の段階は、２ｍｍを超えるか、５ｍｍを超えるか、あるいはそれをもっと超える深さまで材料を適切に堆積できる。特に高価な構成部材では、方法は、失われた特徴部を完全に置き換えるのに使用できる。例えば、ブレードが、一体のディスクおよびブレードリングから破断した場合、置き換えブレードが、ディスクから堆積できる。一例として、付着強度は、５０ｋｓｉを超過し、より有利には、１００ｋｓｉを超過することができる。例示的なイオン強化ＥＢＰＶＤ法の実施は、１４９ｋｓｉにおける測定された付着強度を生成した。これとは対照的に、非イオン強化法および空気プラズマ法はそれぞれ、２２ｋｓｉおよび７ｋｓｉを生じた。
【００２２】
同じ処理は、失われた材料が従来の修理の限界を超えている場合でさえ、エーロフォイルの後縁に、中間スパンシュラウドの前縁または後縁に、あるいは先端領域に材料を修復するのに使用できる。同様の堆積によって、縁部からより離れた吸気面または圧力面上に修理を作用させることができる。そのような修理では、単一の堆積段階が、通常は十分となるであろう。凸面上（例えば吸気面の）では、相対的に平坦な小面の機械加工が、特に都合がよいものとなり得る。凹面上（例えば、圧力面の）では、凹面機械加工（例えば、二重凸面研削クイル（ｑｕｉｌｌ）を用いる）が、適切なものとなり得る。そのような凹面機械加工では、機械加工面は、その領域全体に沿って蒸気経路に垂直な所望の角度内に留まるのが有利である。
【００２３】
平坦な小面の研削以外の機械加工も利用できる。効果的な機械加工における最も重要な要素は、後続の堆積のために清浄な基体表面を提供することである。滑らかなのが有利であるとはいえ、所望または許容可能なレベルの粗さが提供できる。ブレードは、堆積される材料内で柱状の不連続性が存在するのを制限するように、各堆積段階において静止した状態にあるのが有利である。
【００２４】
図１０は、上述した堆積を実施するためのイオン強化ＥＢＰＶＤ装置１００を示す。装置は、内部１０４を有する真空室１０２を含む。堆積を受ける表面部分１０８を有するワークピース１０６（例えば、タービンエンジン部品）が、室内部に配置され、固定具１１０によって保持される。室は、室を減圧するための一体の真空ポンプ、ワークピース１０６を導入しかつ取り出すための真空保持室、およびさまざまな検出器などといったさまざまな付加的な特徴（図示せず）を有することができる。
【００２５】
堆積材料は、少なくとも一部は、室ポート１１４を通して差し込み方向５２０に沿って室内へ漸進的かつ連続的に差し込まれる得るインゴット１１２から来ることができる。例示的なインゴット材料は、結果として生じる堆積された材料に対して所望の組成を達成するように慎重に選択する。例えば、堆積された材料は、修理されるワークピースの基礎の基体材料と同じ組成を有するのが望ましい。後者が、純粋な元素材料の場合は、前者も同様とすることができる。しかしながら、合金では、いくつかの理由によって、組成の変動が生じる必要があり得る。理由は、合金の組成、堆積装置の構造、および堆積装置の操作パラメータに依存して変わり得る。例えば、最も軽い蒸発される合金元素（例えば、チタン−アルミニウム−バナジウム合金および蒸気混合物内のアルミニウム）は、より重い元素（例えば、チタン）によって蒸気の流れの周縁部に押しやられ得る。ワークピースが、この流れの中心に位置合わせされている程度で、堆積される材料は、より軽い元素の濃度を、インゴット内のそれらの元の濃度に対して暫定的に低減することになる。従って、所望の堆積材料組成を達成するには、インゴットは、より軽い元素が、より大きな濃度を有し得る。このように、例示的なＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ材料を堆積するには、Ｔｉ−８Ａｌ−４Ｖインゴットが使用され得る。
【００２６】
耐熱性元素を含む材料の堆積（例えば、Ｔｉ−８Ａｌ−１Ｖ−１Ｍｏの堆積）では、操作温度が、より軽い成分の一様な蒸発のために選択され、かつ、耐熱性成分の実質的な蒸発のためには低すぎる場合、耐熱性元素は、蒸気の流れの中で欠乏したものとなり得る。この状態は、従来のＥＢＰＶＤ技術による、耐熱性成分を有する合金の堆積を妨げ得る。
【００２７】
イオン強化ＥＢＰＶＤでは、ワークピースの堆積表面は、堆積材料のイオンで衝撃を受ける。この衝撃は、付加的なエネルギーを表面に加える。この付加的なエネルギーは、表面を加熱し、表面の活性を向上させるとともに、先に堆積された材料内への表面原子の変位および拡散、原子混合、半注入（ｓｕｂｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ）および注入を生じる。さまざまな原子過程の役割は、衝撃イオンのイオンエネルギーおよび性質、および堆積表面に依存する。イオン強化は、強化された原子結合、堆積された材料のより強い付着、および堆積された材料のより高い密度を生じ得る。イオン強化ＰＶＤ法内の堆積表面のイオン衝撃は、表面原子の運動スパッタリングを生成し、堆積材料からこれらの原子を除去する。堆積過程の初期に、このスパッタリングは、不純物の堆積表面を清浄化する特定の効果を有する。堆積過程の後の方では、スパッタリングは、弱く付着した原子を除去し、それによって、より高い品質（例えば、付着性および密度）の堆積が生じる。多くの場合、各合金成分のスパッタリングは、（成分のスパッタリング係数および原子量の類似性に起因して、また、成分の原子間の結合に起因して）同様のものとなる。そうでない場合、堆積された合金は、スパッタリングが選択的に生じるような成分が欠乏し得る。しかしながら、蒸気の適度のイオン化、および堆積表面の適度のイオン衝撃は、堆積された材料の組成成分に不都合には作用しない。適度のイオン化だけで、堆積表面上のイオンフラックス（従って、スパッタされる原子のフラックス）は、堆積表面上の堆積原子のフラックスに比較して小さいものとなる。例えば、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖの堆積では、１０〜５０μｍ毎分の堆積速度における１〜５０ｍＡ／ｃｍ2のイオン電流密度、および１０ｋｅＶまでのイオンエネルギーが、許容可能であり得る。軽い成分（例えば、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ中のＡｌ）を有する合金の堆積では、最も軽い原子が、選択的にスパッタされ得る。しかしながら、これらの原子は、濃厚蒸気の流れ内のより重い原子（例えば、Ｔｉ）との衝突によって生じる後方散乱に起因して多少は再堆積されることになる。
【００２８】
適切なシールが、インゴットの周りの漏れを防止するために設けられ得る。代替として、インゴットおよびその漸進的移動用アクチュエータ（図示せず）は、室１０４内に配置され得る。インゴットの内側端部は、室を画成する壁のうちの底部の壁に沿ったるつぼ１１６内に配置されることになる。インゴットからの金属の溶融たまり１１８が、室内に形成され、表面またはメニスカス１２０を有する。インゴットは、電子銃１２４から放出された電子ビーム１２２を介して溶融されてたまりを与え、電子銃１２４は、内側のインゴット端部／たまりにビームを導くように室内または室外に配置され得る。るつぼは、たまりを溜めるように機能する。るつぼは、るつぼが溶融するのを抑えるように（例えば、水などの冷却流体を外部冷却ジャケット（図示せず）に通して流すことによって）冷却するのが有利である。例示的な実施態様においては、るつぼは、電源１２６により電力が供給されるインゴット周りの円筒形巻き線を有する電磁るつぼ装置である。通電された巻き線は、溶融たまり１１８内およびその上に磁場を生成する。例示的な磁場誘導は、０．００３〜０．０６Ｔである。磁場は、蒸発速度を向上させるように、放電電流の磁場およびイオン化放電プラズマにより焦点外れされていた電子ビーム１２２を集束させるのを助けるように機能する。また磁場は、るつぼ周縁部への放電陰極位置の移動を防止しそれによってるつぼ本体上での真空アーク燃焼を回避することによって、表面１２０上でのイオン放電を安定させるのを助ける。磁場は、イオン化の度合いおよび空間分布に作用することによって放電プラズマパラメータを制御するのを助ける。また磁場は、たまり１１８内の金属の回転流れに影響を及ぼす。この流れは、溶融金属の成分の混合を向上させるのを助け、金属が跳ねるのを抑制する。液体金属の回転は、巻き線の磁場との電子ビームおよびイオン化放電によって生じる金属内の電流の相互作用の結果である。この回転は、さらに、冷却されたつぼ壁への熱移動の低減に起因して蒸発効率を向上させる。
【００２９】
電子ビームによる加熱は、たまり内の金属を蒸発させるのに効果的である。正に帯電した金属イオンを表面１０８に引き付けるために、ワークピース１０６は、負のバイアスが印加される。パルス変調器１２８が、ライン／導体１３０を介してワークピース１０６に結合される。バイアス電圧は、パルス繰り返し周波数Ｆb（パルスレート）、パルス幅τb、デューティーサイクルＤb、およびピーク電圧Ｕbを特徴とする方形パルス波形状を有し得る。Ｄb＝τb×Ｆbである。代替のバイアス電圧波形状が使用され得る（例えば、正弦波）。しかしながら、方形パルス波形状は、堆積される材料へ特に効率的なエネルギー入力を提供すると考えられる。非変調の直流バイアスのアーク放電（アーキング）が、特に堆積の最初の数秒間内に、上面１０８上で生じるかもしれない。そのような放電は、表面に損傷を及ぼし得る。バイアス電圧のパルス変調は、そのようなアーキングを効果的に抑制し得る。アーク生成には十分な時間（例えば、百から数千マイクロ秒間）が必要なので、パルス幅の低減によって、アーキングの可能性が低減する。たとえアーク放電が生じても、バイアスパルス間の中断（休止）が、放電を迅速に中断させる。
【００３０】
有利なバイアス電圧パラメータは、装置の性質、堆積材料の性質、ワークピースの大きさ（質量および直線的寸法）、およびその他に基づいて大幅に変わり得る。例示的なピーク電圧は、５０〜１０，０００Ｖの範囲の負電圧である。例示的なパルス繰り返し周波数は、０．０５〜１５０ｋＨｚの範囲である。例示的なパルス幅は、約５μｓｅｃ以上である。そのような幅は、同様の電圧のより短いパルスがある場合に、ほんの少しのイオンが、全エネルギーでワークピースに到達するので、有利である。金属原子の蒸気化学種から生成されるイオンは、ワークピースの周りの空間電荷殻を横断して蒸気プラズマからワークピースに到達するのに相対的に長い時間（おおよそそれらの質量に比例する）を必要とする。殻は、負電位でワークピースから蒸気プラズマを隔離する。金属イオンは、バイアス電位によって加速される。イオンが殻を横切るのに必要な時間（例えば、約１μｓ）は、実際には、パルス幅τbより短いものである必要がある。バイアス電圧パラメータは、堆積のパラメータ、特にワークピースの温度を制御するために堆積過程中で動的に変化し得る。この過程は、相対的に高いＵbおよびＤbで開始し、その後、値は、目標範囲内にワークピースの温度を保つように低減されるのが有利である。値は、温度がそのような範囲の下端より下に到達または下がった場合、上昇され得る。例示的な実施においては、デューティーサイクルだけが、作動中に変化する。例えば、例示的な０．５〜２．０分間の初期の間隔中に、デューティーサイクルは、約０．９となり得る。デューティーサイクルは、次に、過熱を防止するように数分間、約０．１〜０．４の値に低減される。デューティーサイクルは、目標範囲内に操作温度を維持するのに適切なように０．９の値に向かって少しずつ増加して戻され得る。
【００３１】
上述したように、対処され得る潜在的な問題の１つは、堆積表面（表面部分１０８またはその頂部に堆積される堆積材料の表面）上でのアーキングである。これは、表面を絶縁破壊電位に持って行く堆積された材料のイオンから生じ得る。アーキングは、堆積表面上に蓄積されるイオンの電荷に起因する短い単極放電（火花放電）となり得る。第二の電極は、この形態のアーキングには必要とされない。しかしながら、いくつかの場合には、火花放電は、ワークピース（陰極として作用する）とプラズマまたは設置された部材（陽極として作用する）との間の強い（ｈａｒｄ）二極アークを開始させる。強いアークは、堆積表面およびバイアス電圧源（アークによる短絡回路となる）の双方に損傷を及ぼし得る。火花放電およびアーク形成は、堆積表面上で絶縁破壊電荷を蓄積するのに十分な時間（例えば、いくつかの要因に依存して、１００μｓから数ｍｓ）を必要とするので、バイアス電圧パルス幅の低減は、強いアーキングの可能性を低下させる。パルス化にもかかわらず、絶縁破壊表面電位は、いくつかのパルスおよび関連する電荷蓄積に亘って達成され得る。この問題は、小さな大きさ（例えば、５０〜２００Ｖ）の短い正のパルス（例えば、１〜１０μｓ）をワークピースに印加することなどによって、バイアス電圧を一時的に反転させることにより低減または解消され得る。正のパルスは、イオン表面電荷を少なくとも部分的に相殺するように、放電プラズマから表面へ電子を引き寄せる。そのような極性反転は、材料が、イオン電荷を蓄積できる薄膜コンデンサとして作用する相対的に非導電性（例えば、非導電性または半導電性）の堆積材料（例えば、セラミックのような材料）では、特に有用となり得る。より導電性の材料（例えば、金属および合金、さらには他の金属製材料）では、負のパルス間の短時間の休止だけで、アーキングを抑制するのに十分となり得る。
【００３２】
電流検出器１３２が、導体１３０を通る電流（例えば、表面部分１０８またはその頂部のイオン衝撃に関連する電流）のパラメータを測定するために導体１３０に結合され得る。例示的な実施態様においては、電圧分割器１３４が、バイアス電圧を測定しかつその波形を観察するために導体１３０（例えば、検出器１３２の上流）に結合される。オシロスコープ１４０が、バイアス電流および電圧をモニタするために、検出器１３２および分割器１３４それぞれの出力１４２および１４４に亘って接続され得る。デジタイザ１４６が、これらの出力に同様に接続され、ついで、デジタルモニタ装置およびデジタル制御装置１４８の少なくとも一方に接続され得る。
【００３３】
たまり１１８から表面１０８への蒸気／イオン流れ経路５２２に沿うイオン化放電を維持するために、イオン化陽極電極１５０（例えば、経路５２２を少なくとも部分的に取り囲むリング）が、ライン／導体１５４を介して電源１５２に接続される。この放電は、蒸発された化学種の必要な度合いのイオン化を与える。イオン化の度合いは、堆積表面上のイオン電流密度ｊiによって特徴付けられ得る。例示的なｊiは、１〜５０ｍＡ／ｃｍ2、より狭くは、約２〜１０ｍＡ／ｃｍ2である。これは、例示的な５０〜２００Ａの放電電流に関連し得る。チタン合金の堆積では、例示的な関連する放電電圧は、８〜２０Ｖである。パルス変調器１５６が、イオン化放電を変調するために電源１５２とリング１５０の間に設けられ得る。イオン化放電は、周波数Ｆa、パルス幅τa、デューティーサイクルＤa＝τa×Ｆa、およびピーク電流Ｉaを有し得る。
【００３４】
イオン化放電の変調は、いくつかの効果を有し得る。デューティーサイクルを低減することは、放電が電子ビーム１２２に作用する（例えば、焦点外れさせる）継続時間に関連する放電の継続時間を短くする。そのような焦点外れは、蒸発速度を低下させ得る。変調は、るつぼ本体上の真空アーク燃焼を防止するように、たまり表面からるつぼ本体周縁部へ放電が跳躍するのを防止することによって、イオン化放電を安定させ得る。このような燃焼は、るつぼ材料が、堆積された材料中に望ましくない不純物を提供し得るので、全く不利である。るつぼ本体の導電性表面上での真空アーク励起の主要な機構は、電界放出電流（例えば、このためにイオン化放電のプラズマが陰極として作用する）による顕微鏡的な鋭い凹凸の加熱に起因するこれら顕微鏡的な鋭い凹凸の電気的爆発である。十分な加熱は、十分な間隔を必要とする。イオン化放電のパルス化は、安定した放電を保証するのに十分な冷却を提供するように、るつぼの顕微鏡的な凹凸の加熱およびそれからの電界放出の周期的な中断を提供する。変調パラメータは、電子ビームおよび蒸発速度への許容可能な影響を考慮して、ワークピースの堆積表面上の所望の電流密度に所望のイオン化放電安定性を与えるように選択される。例示的な変調パラメータは、１〜１０，０００Ｈｚ、より狭くは１００〜１，０００Ｈｚの範囲の周波数Ｆa、０．１〜０．９５、より狭くは０．５〜０．９の付近のデューティーサイクルＤaを含む。１つまたは複数の放電パルスパラメータが、堆積過程中に変化し得る。例えば、デューティーサイクルは、堆積過程の開始後のいくらかの継続時間中に徐々に低減し得る。ゼロへの低下は、イオン強化ＥＢＰＶＤから従来のＥＢＰＶＤへのゆるやかな移行を提供する。さまざまな波形が、方形パルスの代替として使用され得る。電流検出器１５８が、ライン１５４に接続されるとともに、電圧分割器１６０がその下流のラインに接続されて、出力１６２および１６４を提供でき、出力１６２および１６４は、１４０’で示されるようにオシロスコープが接続されるとき、オシロスコープに接続され得る。デジタイザ（図示せず）を、デジタルモニタ装置およびデジタル制御装置（図示せず）の少なくとも一方に接続でき、オシロスコープ１４０’の代わりにまたはそれに加えて使用できる。また、電磁リング１７０が、流れ経路５２２を少なくとも部分的に取り囲み、ライン／導体１７２を介して電源１７４に接続される。例示的な実施態様においては、電磁リング１７０は、流れ経路５２２に沿って陽極リング１５０の上流に配置される。しかしながら、それは、代替として、１７０’で示されるように下流に、あるいはワークピース１０６の後ろ（下流）にでさえ配置され得る。例示的なリング１７０は、コイルを形成するように流れ経路５２２周りにいくつかに巻いた導体から形成される。陰極から放出される電子による蒸気イオン化を向上させるとともに、プラズマ電子の軌道上への磁場の影響に起因する放電プラズマの空間分布を制御するために、リング／コイル１７０は、０．００３〜０．０３Ｔの付近の磁場を提供するように通電され得る。プラズマ電子は、主に磁場線に沿って流れる（例えば、磁場線の周りにらせん状に進む）。���のように増加された場の力は、増加されたプラズマ密度を生成する。磁場の適切な構成が、適切なプラズマ分布を生成する。これは、ワークピース表面近くに分布したプラズマ密度と、この表面に亘って分布した関連するイオン電流とを提供すること（例えば、イオン衝撃によるより均一な加熱を提供するように、ワークピースのより大きくかつより重い部分に沿って増加したイオン電流を提供すること）を含み得る。電磁リング内の電流または堆積中のその位置を変えることは、堆積表面に亘るイオン分布の動的制御を可能にしており、所望の加熱を達成するのに利用され得る。
【００３５】
シャッタ１７８が、流れ経路５２２がない第一の位置（実線）と、流れ経路５２２を遮る第二の位置（破線）１７８’とを有し得る。シャッタは、流れ経路５２２に沿って陽極リング１５０の下流に位置し得る。装置が初期の目標操作状態にされる準備中は、シャッタは、第二の位置１７８’に位置し得る。この段階において、インゴット材料が、たまりを形成するように溶融され、イオン化放電が、確立され、負のバイアス電圧が、ワークピースに印加され、ワークピースは、予熱され得る。ワークピース１０６は、ワークピースの非堆積表面位置１９４を衝撃するように第二の電子銃１９２により供給される電子ビーム１９０を介して予熱され得る。予熱は、表面不純物の熱分解および脱着によって堆積表面を清浄化すように作用し得る。これは、堆積される材料の結合および付着を向上させるとともに、堆積の初期の段階における熱衝撃を回避することができる。例示的な実施態様においては、所望の蒸気量を達成するのに効果的なワークピース温度の徐々の増加を提供するように、ワークピースの許容できない酸化を回避しながら、そのような蒸気の排気を制限する装置パラメータを考慮して、予熱は、変化され得る。予熱パラメータは、ワークピースの形状寸法および質量に大きく依存し得る。予熱は、有利には、ワークピースを、最大操作目標温度より高くはない温度に、有利には一般に操作目標温度範囲内にする必要がある。パラメータが初期の目標範囲内に入ると、シャッタは、ワークピースを堆積に曝すように開けられる。堆積中は、ワークピースは、第二の電子銃１９２によって、イオン衝撃によって、熱放射（例えば、たまり内の溶融金属からの）によって、および、堆積内に凝集する原子の潜熱によって、加熱され得る。第二の電子銃は、温度が操作目標範囲の最大値を超える場合は、止められ、温度が目標範囲内にある限り、止められ得る。しかしながら、それは、温度が目標範囲の最小値を下回る場合は、スイッチが戻されて作動される。例えば、堆積速度が、堆積過程の終了に向かって低減される場合は、電子銃は、低減された速度の段階において、元のように作動される必要があり得る。
【００３６】
操作中は、プラズマの密度は、室内に配置され指示装置２０２に接続されたプラズマ用のプローブまたはプローブアレイ２００によってモニタでき、指示装置は２０２は、モニタを（例えば、１４０’’で示されるように接続されたオシロスコープを介して）可能とするように出力ポート２０４および２０６を有し得る。例示的なプローブは、飽和イオン電流を測定するためにプラズマに対して負の電位にある電極とすることができる。経路５２２をプローブアレイで取り囲むことによって、イオン化放電の方位非均一性がモニタされ得る。方位非均一性は、電子ビームによるたまりの非対称的な加熱と、たまりに亘りかつ蒸気の流れ内にあるイオン化放電の非対照的な分布とによって生じ得る。プローブは、同様に蒸気の流れの空間分布をモニタするのに使用され得る。蒸発用電子ビームが、プローブ回路内に電流を生成するのに効果的な蒸気のいくらかのイオン化を提供することになる程度で、プローブは、イオン強化ＥＢＰＶＤおよび従来のＥＢＰＶＤの双方内で使用され得る。電流は、蒸気密度および蒸発速度に比例し得る。イオン化放電のパルス変調で、パルスの間中のプローブ電流が、放電モニタに使用される。放電パルス間のプローブ電流は、蒸発モニタに使用され得る。モニタは、過程内で欠点を迅速に検出でき、フィードバックループを介して過程の安定化のために提供され得る。例えば、パルス間で一定のプローブ電流を維持するように電子ビーム１２２を制御することによって、蒸発速度を安定化することができる。
【００３７】
例示的な実施態様においては、パルス変調器１２８は、電子管２０８を含む。電子管２０８（例えば、三極管、四極管、その他など）は、負極性の一次ＤＣ電源をワークピース１０６に周期的に接続し、それによって、負のバイアスの電圧パルスを生成する高速スイッチ装置として機能する。一次ＤＣ電源電圧は、バイアス電圧のピーク値を決定するように調整され得る。また、パルス変調器は、電子管の制御格子２０９に施される制御パルスの発生器（図示せず）を含む。制御パルスパラメータは、バイアス電圧パルスのパラメータ（Ｆb、τb、Ｕb、および対応するデューティーサイクル）を決定する。電流プローブ２１０および電圧分割器２１２が、管２０８に接続され、出力２１４および２１６を提供でき、出力２１４および２１６は、１４０’’’で示されるように接続されたオシロスコープを介してモニタされ得る。そのようなモニタは、パルス変調器の通常の作動を確認するように機能し得る。代替の電圧変調器が、バイアス電圧を（例えば、サイラトロン、サイリスタ、トランジスタ、およびセットアップ変圧器に基づいて）生成するのに使用され得る。しかしながら、電子管変調器は、火花放電およびアーキングを制限するようにワークピースに供給される電流の頑丈さおよび制御の有利な組み合わせを提供し得る。一般の電子管変調器の態様は、管陽極電流が、主に制御格子の電圧によって（および四極管および五極管内の遮蔽格子によって）、および、少しは陽極電圧によって決定される、ということである。従って、ワークピース上でのアーキングの場合は、管陽極電圧が、鋭く立ち上がり、一次陽極ＤＣ電源電圧に等しくなり、一方、制御格子電圧は、同じままである。従って、陽極電流（すなわち、ワークピース電流）は、実際には、アーキングなしと同じになる。そういう訳で、陽極電流は、わずかに増加することができ、このわずかに増加した電流が、アーキング中のワークピースへの最大電流である。従って、電子管は、自動的に負荷電流を制限するように機能する。代替の変調装置は、負荷回路内の電流を制限するのが困難になり得るので、ワークピース表面上でアーキングが発生する場合に電流を遮断するための非常に高速に機能する保護装置を必要とし得る。付加的な電圧検出器（図示せず）が、室内のるつぼまたは他の部材の電位を検出するために設けられ得る。
【００３８】
インゴット１１２からの成分の堆積を増大させるために、一つまたは複数の付加的な成分が、スパッタリングにより同時堆積され得る。スパッタリングは、インゴット内に存在しない成分のもの、あるいは、インゴット内での含有量が堆積材料内に所望の含有量を生成するには不十分である成分のものとすることができる。スパッタリングのための例示的な成分は、Ｍｏ、Ｚｒ、およびＨｆのうちの少なくとも一つなどといった耐熱性元素を含む。図１０は、スパッタリングターゲット２２０を示す。例示的なターゲット２２０は、流れ経路５２２を取り囲む。ターゲット２２０は、流れ経路５２２に沿って陽極リング１５０の下流でシャッタ１７８の上流に配置され得る。ターゲットの例示的な形状は、流れ経路に沿って下流に面する内側の面２２２と、流れ経路から離れるように流れ経路の上流に面する外側の面または裏面２２４とを有する円錐台形または角錐台形のスリーブである。代替のターゲットは、流れ経路に沿ってワークピースの方へと下流に面する傾斜した平面、ロッドまたはピン、環状線材、またはグリッドを含み得る。ターゲットの大きさ、形状、位置、および配置は、プラズマイオンの効果的な遮断と、ワークピース表面上へのスパッタされた化学種の均一な堆積とを提供するように選択し得る。残りの部分の装置およびワークピースの構成は、ターゲットのこれらのパラメータに影響を及ぼし得る。また、ワークピースとターゲットの一方または両方は、均一な堆積または別の所望の堆積分布を提供するように、堆積の間に位置または配置の変更を受け得る。シールド２２６が、プラズマから放出されるイオンから裏面を保護するように裏面に隣接して配置される。遮蔽することによって、イオン衝撃、るつぼ内の溶融金属からの放射、および蒸発された化学種の凝縮により生じるターゲットの不必要な加熱が制御される。例示的なシールドは、開口部を有する円錐台形または角錐台形のスリーブまたは平面状のリングとして形成される。シールドは、そのイオン衝撃またはスパッタリングを制限するように電極１５０に接地または接続され得る。電極１５０に接続される場合、シールドは、放電プラズマから電子を引き寄せることができ、ターゲット付近のイオン濃度の増加を与えることができる。シールドは、汚染を最小限に抑えるようにターゲットと同じ材料から作成できるか、あるいは、別の材料から形成できる。ターゲット２２０は、ターゲットにバイアス電圧を印加するようにライン／導体２３０を介して電源２３２に接続される。スパッタリングバイアス電圧は、プラズマからターゲットに（有利には、下流／内側の面２２２に）所望のイオンを引き付けるのに効果的な特性符号を有する。プラズマイオンの衝撃は、ターゲット材料化学種、主に個々のターゲット原子を放出させる（スパッタする）。放出された（スパッタされた）材料の一部は、放出された化学種の弾道軌道に起因してワークピースを衝撃する。ＭｏターゲットおよびＴｉ基インゴットの例では、負のスパッタリングバイアス電圧が、ターゲットを衝撃して主に中性のＭｏ原子を放出させるようにＴｉ+イオンを引き付ける。バイアス電圧は、連続ＤＣまたはパルス変調波形を有し得る。パルス変調は有利なことには、ター��ット表面上のアーキング、およびターゲット材料小滴の生成を実質的に抑制するように使用され得る。これは、ターゲット表面上の残留不純物によってアーキングが助長され得るときの堆積開始において特に重要となり得る。変調スパッタリングバイアス電圧は、パルス繰り返し周波数Ｆs（パルスレート）、パルス幅τs、デューティーサイクルＤs、およびピーク電圧Ｕsを特徴とする方形パルス波形状を有し得る。約１のデューティーサイクルを有する方形パルス波は、ターゲット材料のスパッタリングのために特に効率的なイオンエネルギーの使用を与えると考えられる。代替のバイアス電圧波形状が使用され得る（例えば、正弦波）。
【００３９】
多数の代替のスパッタリングターゲットが可能である。二成分のスパッタリングのための構成の一つは、角錐台形スリーブであり、二つの対向する側面の各対が、二つの材料の一方から成り、他方の対から電気的に絶縁され、独立したバイアス電圧源に接続される。その他には、流れ経路に沿ってワークピースの方へと下流に面する板状ターゲット、ロッドアレイ、環状線材、またはグリッドが含まれ得る。図１１は、異なる材料で形成され得るとともにそれぞれ異なる負のバイアス電圧ＵS1およびＵS2を掛けられる二つのターゲット２２０’および２２０”を有する代替のシステムの一部を示す。ターゲット２２０’および２２０”は、ワークピース１０６に面するように傾斜した平板として、あるいは、円錐台形または角錐台形のスリーブの所定角度の扇形部分として形成され得る。シールド２２６’は、流れ経路５２２に沿ってワークピース１０６へと蒸気／プラズマを通過させるように中央開口部を有する平板で形成される。他の成分は、システム１００またはその他に類似し得る。作動においては、インゴット１１２からのイオン化された化学種２５０が、ワークピースと、ターゲット２２０’および２２０”とを衝撃する。ターゲットの衝撃によって、各ターゲットからのスパッタされたターゲット化学種２５２’および２５２”は、次に、ワークピース上に堆積する。
【００４０】
全体の堆積と、システム１００の同時堆積のイオン強化電子ビーム物理蒸着による堆積部分との例示的なパラメータは、同時係属米国特許出願第１０／７３４、６９６号内に開示されているようなものとすることができる。例示的な同時堆積においては、堆積される材料は、耐熱成分を有するＴｉ基とすることができる。例示的な材料は、Ｔｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−２Ｍｏ、Ｔｉ−８Ａｌ−１Ｖ−１Ｍｏ、およびＴｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−６Ｍｏのうちの少なくとも一つであり、実質的に全てのＭｏは、ターゲットに由来し、実質的に全ての他の成分は、インゴットに由来する。堆積された材料中の例示的な耐熱濃度は、重量で０〜１０％、より狭くは０．５〜８．０％である。同時堆積される成分の濃度は、ワークピース表面へのスパッタ化学種流れ（例えば、ターゲットから）に対する蒸気化学種流れ（例えば、るつぼから）の割合によって決定される。スパッタ化学種流れは、ターゲット材料のスパッタ係数（またはターゲットを衝撃するイオンのエネルギー）と、ターゲットイオン電流（またはターゲット近くのイオン濃度）とに依存する。従って、ターゲットのスパッタバイアス電圧の調整によって、堆積厚み／深さに亘って同時堆積されるスパッタ成分の濃度を変えることが可能であり得る。Ｔｉ基合金の代替の同時堆積は、Ｚｒターゲットのスパッタリングを含み得る。また、同じ取り組み方が、非Ｔｉ基材料の堆積に使用され得る。特に、これは、例えばＨｆ、Ｔａ、Ｗ、およびＲｅ（これらは、他の合金成分よりかなり高い蒸発温度を有する）のうちの少なくとも一つのスパッタリングを有するＮｉ基またはＣｏ基超合金または同様のものなどの堆積を含み得る。
【００４１】
例示的な過程パラメータは、基体材料、堆積材料、基体形状寸法、および装置能力に基づいて変わり得る。Ｔｉ−８Ａｌ−１Ｖの例示的な堆積では、操作温度は、６００〜７００℃、より狭くは６２０〜６５０℃とすることができる。バイアス電圧Ｕbは、１〜３ｋＶとすることができ、パルスレートＦbは、０．０５〜１５０ｋＨｚ、より狭くは０．５〜５ｋＨｚ（例えば、約１ｋＨｚ）とすることができる。デューティーサイクルＤbは、堆積の開始において０．５〜０．９９、より狭くは０．８〜０．９５（例えば、約０．９）とすることができ、相対的に低い値（例えば、約０．１または初期の値の半分より低い）に徐々に低減され、ついで、初期の値へと戻るように増加する。堆積表面部分１０８に沿う電流密度ｊbは、２〜１０ｍＡ／ｃｍ2とすることができる。そこを通る電力フラックスは、２〜３０Ｗ／ｃｍ2とすることができる。スパッタリングバイアスターゲット電圧は、２〜５ｋＶとすることができる。パルスレートＦSは、０．０５〜１５０ｋＨｚ、より狭くは０．５〜５ｋＨｚ（例えば、約１ｋＨｚ）とすることができる。デューティーサイクルＤSは、０．５〜０．９９、より狭くは０．８〜０．９５とすることができる。室圧力は、０．０１Ｐａより低いものとすることができる。堆積速度は、５〜３０μｍ／ｍｉｎ、より狭くは１５〜２０μｍ／ｍｉｎとすることができる。イオン化放電電流は、５０〜３００Ａとすることができる。
【００４２】
本発明の１つまたは複数の実施態様を説明した。それにもかかわらず、本発明の精神および範囲から逸脱せずにさまざまな変形を行い得ることが理解されるであろう。例えば、ファンブレードで特に有用となるとはいえ、方法は、他のブレード、他のタービンエンジン部品およびタービンのものでない部品に適用できる。特定のタービンエンジンの部品または他の部品あるいは被った特定の摩耗または損傷の詳細は、任意の与えられた修復の詳細に影響を及ぼし得る。方法および装置は、さまざまな非修理用途に使用することができる。従って、他の実施態様は、添付の請求項の範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】ガスタービンエンジンのファンのエーロフォイルの図である。
【図２】図１のエーロフォイルの先端内側図である。
【図３】損傷を受けた図１のエーロフォイルの部分断面図である。
【図４】摩耗を受けた図１のエーロフォイルの部分断面図である。
【図５】損傷／摩耗した表面を除去するように機械加工した後の図１のエーロフォイルの部分断面図である。
【図６】裏当て部材を施した後の図５のエーロフォイルの部分断面図である。
【図７】エーロフォイルを再生するように初期の材料を堆積させた後の図６のエーロフォイルの部分断面図である。
【図８】エーロフォイルを再生するようにさらに機械加工しかつ付加的な材料を堆積させた後の図７のエーロフォイルの部分断面図である。
【図９】さらに機械加工した後の図８のエーロフォイルの図である。
【図１０】図７および図８の初期の材料および付加的な材料を堆積するためのイオン強化物理蒸着装置の概略図である。
【図１１】代替のイオン強化物理蒸着装置の部分概略図である。
【符号の説明】
【００４４】
２０…ファンブレード
３０…前縁
３２…後縁
５０…基体表面
５２…裏当て部材
５８…蒸気供給源
６０…第一の修理材料
６６…第二の付加的な材料
１００…イオン強化ＥＢＰＶＤ装置
１０２…真空室
１０６…ワークピース
１１２…インゴット
１１８…溶融たまり
１２２…電子ビーム
１２４…電子銃
１２６…電源
１２８…パルス変調器
１３２…電流検出器
１５０…イオン化陽極電極
１５６…パルス変調器
１７０…電磁リング
２００…プローブ
２２０、２２０’、２２０”…スパッタリングターゲット
２２２…内側の面
２２４…外側の面
２２６、２２６’…シールド
２３０…ライン／導体
２３２…電源
２５０…イオン化された化学種
２５２’、２５２”…ターゲット化学種
５０２…照準経路
５２２…蒸気／イオン流れ経路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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