(57)【要約】【課題】異なる蒸気圧を有する材料の複数の源から被覆を蒸着するための物理蒸着（ＰＶＤ）法と装置を提供する【解決手段】装置（１２０）の被覆室（１２２）において、第１材料と第２材料の溶融プール（１１４、１１５）を形成すること、被覆室の中で物品（１３０）を支持すること、及びエネルギービーム（１２６）によって溶融プール（１１４、１１５）を蒸発させて物品の上に制御された合成物によって被覆（１３２）を蒸着することを必然的に伴い、この制御された合成物は、１つの第１金属と、第１金属よりも低い蒸気圧を有する比較的少量の反応性金属を含む。第１材料は少なくとも第１金属を含み、第２材料は反応性金属と少なくとも第２金属とを含む。第２金属と反応性金属は結合されて、第２材料は反応性金属の溶融温度よりも低い溶融温度を持ち、また反応性金属よりも広い溶融範囲を有するようになる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
物理蒸着装置（１２０）の被覆室（１２２）において異なる第１材料と第２材料の少なくとも第１溶融プールと第２溶融プール（１１４、１１５）を形成するステップであって、前記第１材料は少なくとも第１金属を含み、前記第２材料は少なくとも第２金属と前記第１材料の前記第１金属より低い蒸気圧を有する少なくとも１つの反応性金属とを含み、前記第２金属は前記反応性金属と結合されて前記第２材料が前記反応性金属の溶融温度よりも低い溶融温度を有し且つ前記反応性金属よりも広い溶融範囲を有するような第１溶融プールと第２溶融プール（１１４、１１５）を形成するステップと、
前記被覆室（１２２）の内部で物品（１３０）を支持するステップと、
エネルギービーム（１２６）によって前記第１および第２溶融プール（１１４、１１５）を蒸発させて、前記第１金属と比較的少量の反応性金属とを含む制御された合成物によって、物品（１３０）の上に被覆（１３２）を蒸着するステップと
を含む物理蒸着法。
【請求項２】
前記第２金属が前記第１金属および前記反応性金属と共に共蒸着され、前記物品（１３０）上の前記被覆（１３２）が前記第１および前記第２金属と前記反応性金属とを含むことを特徴とする請求項１記載の物理蒸着法。
【請求項３】
前記第２金属が前記第１金属および前記反応性金属と共に共蒸着されず、前記物品（１３０）上の前記被覆（１３２）が前記第１金属と前記反応性金属とを含むが、前記第２金属を実質的に含まないことを特徴とする請求項１記載の物理蒸着法。
【請求項４】
前記第２金属と前記反応性金属とを固体（１１１）の形で合金として結合させ、前記固体（１１１）は前記被覆室（１２２）に供給して前記エネルギービーム（１２６）によって溶融させ、前記第２溶融プール（１１５）を形成することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の物理蒸着法。
【請求項５】
前記第２金属と前記反応性金属を個別の固体（１１５、１３６）として前記被覆室（１２２）に供給し、前記固体（１１５、１３６）を前記エネルギービーム（１２６）によって溶融し、結合して前記第２溶融プール（１１５）を形成することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の物理蒸着法。
【請求項６】
前記第１材料がβ−ＮｉＡｌ金属間化合物であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の物理蒸着法。
【請求項７】
前記反応性元素が、ジルコニウム、ハフニウム、イットリウム、およびランタンからなる群から選ばれた少なくとも１つの元素であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の物理蒸着法。
【請求項８】
前記第２金属が前記反応性元素よりも低い蒸気圧を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項記載の物理蒸着法。
【請求項９】
前記第２金属が前記反応性元素よりも高い蒸気圧を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項記載の物理蒸着法。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか１項記載の方法を実施するための物理蒸着装置（１２０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して被覆の方法と装置に関する。具体的には、本発明は、ジルコニウム、ハフニウム、イットリウム、および／またはランタンと合金にしたニッケルアルミナイドなどの１つまたは複数の反応性金属を含む合成物による被覆を蒸着するための物理蒸着（ＰＶＤ）の装置と方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンのタービン、燃焼器、および推力増強部分の内部の構成部分は、これらの機械的特性を低下させることができる高温に加えて、酸化および熱腐食を受け易い。したがって、これらの構成部分はしばしば、耐環境被覆のみによって、またはセラミック熱遮蔽被覆（ＴＢＣ）と組み合わせて保護され、これは後者の場合には耐環境被覆はＴＢＣ用のボンドコートと呼ばれる。耐環境被覆またはＴＢＣシステムによって保護される構成部分は、高い耐久性を示すとともに、ガスタービンエンジンの運転温度を上げることによってエンジン効率を向上させる機会を与える。
【０００３】
耐環境被覆とＴＢＣボンドコートは、しばしば耐酸化アルミニウム含有合金または金属間化合物によって形成され、そのアルミニウム含有が、高温において、安定した接着性の緩慢成長する酸化アルミニウム（アルミナ）層（またはスケール）の緩やかな成長をもたらす。注目すべき例には、アルミニウム金属間化合物を、支配的にはベータ相ニッケルアルミナイドおよびプラチナ改質ニッケルアルミナイド（ＰｔＡｌ）を含む拡散被覆、ならびにＭＣｒＡｌＸ合金（ただし、Ｍは鉄、コバルトおよび／またはニッケル、Ｘはイットリウムまたは別の希土類もしくは反応性元素）またはアルミナイド金属間化合物（例えば、ベータ相およびガンマ相ニッケルアルミナイド）などのオーバーレイコーティングがある。後者の例として、本発明の譲受人に譲渡された米国特許第５９７５８５２号、同第６２９１０８４号、同第６１５３３１３号、および同第６２５５００１号は、β−ＮｉＡｌ材料を開示しており、これらは、クロム、ならびにイットリウム、ジルコニウム、ハフニウム、および／またはランタンなどの１つまたは複数の活性元素を含むように随意にまたは好んで合金になっている。これらの被覆によって成長されるアルミナスケールは、被覆とその下にある物質を酸化と熱腐食から保護し、（もしあれば）ＴＢＣの化学結合を促進する。
【０００４】
アルミナイド金属間化合物被覆およびＭＣｒＡｌＸオーバーレイ被覆のための適切な方法には、プラズマ溶射法や高速酸素燃料（ＨＶＯＦ）法などの溶射、ならびに電子ビーム物理蒸着（ＥＢＰＶＤ）、マグネトロンスパッタリング、陰極アーク、イオンプラズマ、およびパルスレーザ成膜などの物理蒸着（ＰＶＤ）法がある。ＰＶＤ法は、本質的に所望の被覆化合物から作られた被覆源材料の存在と、被覆を受け入れる物質の存在の下で被覆源材料の蒸気を発生させるための手段とを必要とする。図１は、構成部分３０が被覆のために中に吊るされている被覆室２２を含む、ＥＢＰＶＤ被覆装置２０の１部分を概略的に示す。オーバーレイ被覆３２は、電子ビーム（ＥＢ）ガン２８によって発生した電子ビーム２６によって所望の被覆材料のインゴット１０を溶融して蒸発することによって、構成部分３０の上に被覆されるものとして示されている。ビーム２６の強度は、オーバーレイ被覆３２を形成するために構成部分３０の上に凝縮する蒸気の流れ３４を発生させるために十分である。図示するように、蒸気流３４は、インゴット１０の上端部を取り囲むるつぼ１２によって形成されるリザーバの中に含まれる溶融被覆材料のプール１４から蒸発する。水またはその他の適当な冷却媒体が、るつぼ１２内に画定された冷却通路１６を通って流れ、るつぼ１２を許容温度に維持する。インゴット１０は蒸着過程によって次第に消費されるので、エアロック２４を通じて室２２の中に漸増的に給送される。
【０００５】
オーバーレイアルミナイドおよびＭＣｒＡｌＸ材料に限定量の反応性金属を加えることは、高温強度やＴＢＣ接着などの特性を著しく向上させることがわかっており、これによって、これらの保護被覆システムおよび保護対象の構成部分の全体的使用寿命が長くなる。例えば、本発明の譲受人に譲渡された米国特許第６８６９５０８号に報告されているように、β−ＮｉＡｌオーバーレイ被覆は、ジルコニウム、ハフニウム、イットリウム、および／またはセリウムの添加が極めて限られているという利益を有する。しかし、これらの反応性元素をアルミナイドおよびＭＣｒＡｌＸオーバーレイ被覆の他の元素と共蒸着しようとするとき、特にこれらの被覆をＥＢＰＶＤによって蒸着しようとするときに難点に遭遇した。これらの難点は、これらの金属が他の被覆元素と比較してかなり異なる蒸気圧を有することに帰すもので、結果的に、限られた蒸着速度および被覆の制御された化学的性質を達成する場合の困難性をもたらす。この難点に対処するための１つの手法は、被覆の主要元素（例えば、ニッケル、アルミニウム、クロムなど）と被覆のために意図される量を超える量の（１つまたは複数の）反応性元素を含むようにインゴット１０を適切に形成することによって、主蒸発プール１４に比較的大量の所望の１つまたは複数の元素を加えることである。しかし、反応性元素の蒸気圧が（ジルコニウムの場合のように）主元素と比較して十分に低い場合には、いくらよく見ても、蒸発速度は、経済的な蒸着法を達成するのは困難なほど非常に低い。第２の手法は、反応性元素で形成された第２インゴットを同時に溶融することによって形成された分離したプールからの反応性元素を蒸発させることである。この手法は、アルミナイド被覆およびＭＣｒＡｌＸオーバーレイ被覆のために望まれる低速度で蒸着しようとするとき、反応性元素の溶融プールの不安定性によって複雑になる。
【０００６】
上記を考慮して、オーバーレイ耐環境被覆およびボンドコートを形成するために適当で、制御された少量の反応性元素を共蒸着することができる改善された蒸発法が存在することが望ましい。
【特許文献１】米国特許第５９７５８５２号
【特許文献２】米国特許第６２９１０８４号
【特許文献３】米国特許第６１５３３１３号
【特許文献４】米国特許第６２５５００１号
【特許文献５】米国特許第６８６９５０８号
【特許文献６】米国特許第６６２０５２４号
【特許文献７】米国特許第６６８２８２７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、異なる材料の複数源から被覆を蒸着するためのＰＶＤ法と装置である。この方法と装置は、被覆の他の元素よりもかなり低い蒸気圧を有する１つまたは複数の反応性金属を含むように合金にされたアルミナイド被覆およびＭＣｒＡｌＸオーバーレイ被覆を蒸着するために特によく適している。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の方法は、ＰＶＤ装置の被覆室において、少なくとも、それぞれ異なる第１材料と第２材料の第１溶融プールと第２溶融プールとを形成すること、被覆室の中で物品を支持すること、およびエネルギービームによって第１および第２溶融プールを蒸発させて物品の上に制御された組成を有する被覆を蒸着することを必然的に伴い、この制御された組成は、少なくとも１つの第１金属と、この第１金属よりも低い蒸気圧を有する比較的少量の少なくとも１つの反応性金属を含む。第１材料は少なくとも第１金属を含み、第２材料は少なくとも第２金属と反応性金属とを含む。方法はさらに、第２金属を反応性金属と組み合わせて、これによって第２金属が反応性金属の溶融温度よりも低い溶融温度を持つようにし、また反応性金属よりも広い溶融範囲を有するようにすることを必然的に伴う。
【０００９】
本発明のＰＶＤ装置は、異なる第１および第２材料のそれぞれの第１および第２溶融プールを少なくとも含む被覆室と、被覆室の中に支持された物品と、第１および第２溶融プールを蒸発させて物品の上に被覆を蒸着させるための手段とを含む。第１材料は少なくとも第１金属を含み、第２材料は少なくとも第２金属と少なくとも１つの反応性金属とを含み、この反応性金属は、第１材料の第１金属よりも低い蒸気圧を有する。第２金属は反応性金属と組み合わられ、これによって第２材料は反応性金属の溶融温度よりも低い溶融温度を持つことになり、また反応性金属よりも広い溶融範囲を有するようになる。蒸発手段は、第１および第２溶融プールを蒸発させる働きをし、こうして物品の上に蒸着した被覆は制御された組成を有し、この組成は第１金属と比較的少量の反応性金属とを含む。
【００１０】
本発明によれば、上述のように低蒸気圧の反応性金属と第２金属とを結合することは、反応性元素を含む溶融プールの安定性を向上し、反応性元素のみを含む溶融プールを溶融し蒸発させようとする場合よりもさらに制御された少量で蒸着させることを可能にする。一部分は、第２金属が、反応性金属との共晶、同形などの反応によるなどで反応性金属と比較して第２金属の温度を下げる結果として、また一部分は、第２金属が、反応性金属が蒸発と蒸着のために溶融の形で利用可能になる温度範囲を広くする結果として、向上した安定性と蒸発速度が生ずると考えられる。第２金属を、被覆されている物品の上での第２金属の蒸着を最小限に抑えるか潜在的に避けるために、反応性元素よりも十分に低い蒸気圧を有するように選ぶことができる。代替案として、第２金属を、第２金属が第１金属および反応性金属と共蒸着されて、こうして得られる被覆の性質を向上させる結果になるような蒸気圧を有するように選ぶことができる。
【００１１】
本発明の別の目的および利点は、下記の詳細な説明からさらによく理解されよう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明は一般に、ガスタービンエンジンのタービン、燃焼器、および推力増強部分などの、高温を特徴とする環境の中で動作し、したがって酸化と熱腐食を受ける構成部分の上に保護被覆を蒸着するために適用可能である。しかし下記の論述から明らかになるように、本発明はさまざまなその他の被覆形式および組成に適用可能である。
【００１３】
図１の装置２０と類似のものとして被覆装置１２０が図２に示されており、これは、耐環境被覆およびＴＢＣ用のボンドコートとして使用されるＭＣｒＡｌＸ被覆およびアルミナイド被覆などの、しかしこれらに限定されない金属オーバーレイ被覆を蒸着するために適した形式を代表するものである。装置１２０はるつぼ１１２を含んで示されており、このるつぼ１１２を通じて１対のインゴット１１０および１１１が被覆室１２２の中に給送され、電子ビーム（ＥＢ）ガン１２８が電子ビーム１２６を発生させ、電子ビーム１２６は、適当な制御されたビームジャンプ技術の使用を通じて、両インゴット１１０および１１１の上部表面を溶融して、るつぼ１１２の内部にインゴット材料の個別溶融プール１１４および１１５を生成することができる。このような技術によって、ビーム１２６は各インゴット１１０および１１１の上に一時的に（ミリ秒の範囲で）投射され、各インゴット１１０および１１１上の時間量は、エネルギー出力が両プール１１４および１１５を溶融状態に維持するように調節される。図２に示す単一ＥＢガン１２８の使用に対する代替案として、２個またはそれ以上のＥＢガンを使用して、溶融プール１１４および１１５を形成して維持する個別の電子ビームを生成することは、本発明の範囲内にある。蒸着方法が３つ以上の溶融プールを利用できることも本発明の範囲内にある。
【００１４】
図１の装置２０によるように、構成部分１３０は、構成部分１３０の上で濃縮する蒸気の流れ１３４および１３５を生成する溶融プール１１４および１１５からの材料の蒸発の結果として、オーバーレイ被覆１３２が構成部分１３０の上に蒸着されるように、被覆室１２２内に支持されている。構成部分１３０は、オーバーレイ被覆１３２がインゴット材料の混合物であるように構成部分１３０を両プール１１４および１１５上に支える遊星ツーリング１１８の上に支持されて示されている。インゴット１１０および１１１は蒸着法によって次第に消費されるので、るつぼ１１２における個別の通路１２４および１２５を通じて室１２２の中に漸増的に給送される。当技術分野において周知のように、水またはその他の適当な冷却媒体がるつぼ１１２内に画定された冷却通路１１６を通って流れ、るつぼ１１２をある許容温度に維持することは好ましい。両インゴット１１０および１１１からの材料を同時に蒸着するという所望以外は、使用される支持ツーリングやるつぼの形式および蒸着される材料のサイズは本発明に特に重要ではないことは、当業者には理解されよう。しかし、溶融プール１１４および１１５のサイズと個数を増加すると室１２２内の被覆ゾーンのサイズが有利に増加することに留意すべきである。蒸気の流れ１３４および１３５から得られる蒸気雲の化学的性質は雲の中の位置によって変化しそうであるから、複数の構成部分または表面を単一作業で被覆しようとする場合には、遊星ツーリング１１８またはその均等物の使用が望ましい。結局、インゴット１１０および１１１を蒸発させるために電子ビーム１２６以外のエネルギービーム、例えばレーザビームを使用できることも留意する価値があり、このような１つまたは複数のビームのパワーレベルを制御して、被覆１３２のための蒸発速度と結果的に得られる化学的性質を変更および最適化することができる。
【００１５】
上記のことを考慮して、オーバーレイ被覆１３２はインゴット１１０および１１１の両方からの元素を含むことになることが理解できる。例えば、望まれるオーバーレイ被覆１３２がβ−ＮｉＡｌ金属間材料である場合には、インゴット１１０および１１１は、ニッケル、アルミニウム、およびクロムや１つまたは複数の反応性元素などの任意の追加の所望の合金成分を組み合わせて提供し、ガスタービンエンジンへの適用のための耐環境被覆またはボンドコートとして有用な被覆を作り出す。本発明の譲受人に譲渡されたＮａｇａｒａｊ他の米国特許第５９７５８５２号、Ｒｉｇｎｅｙ他の同第６１５３３１３号、Ｄａｒｏｌｉａの同第６２５５００１号、Ｄａｒｏｌｉａ他の同第６２９１０８４号、Ｐｆａｅｎｄｔｎｅｒ他の同第６６２０５２４号、およびＤａｒｏｌｉａ他の同第６６８２８２７号に教示されているように、特に適するＮｉＡｌ被覆は約２０〜３２重量パーセント（約３５〜５０原子百分率）のアルミニウムを含んで、ベータ金属間化合物相を達成し、クロム、チタン、タンタル、ケイ素、ガリウム、カルシウム、および鉄の１つまたは複数と、ジルコニウム、ハフニウム、セリウム、イットリウム、および／またはランタンなどの１つまたはそれ以上の反応性金属を含む。β−ＮｉＡｌオーバーレイ被覆における限られた量の反応性金属の存在は、一般的にはこのような被覆の約２重量パーセントを超えず、約１重量パーセントが好ましいが、耐環境性と強度を向上させることがわかっており、後者は主としてベータ相ＮｉＡｌ基質の固溶体強化による。
【００１６】
ジルコニウム、ハフニウム、イットリウム、およびランタンは、β−ＮｉＡｌよりも十分に低い蒸気圧を有し、限られた蒸着速度と、制御された被覆の化学的性質を達成する場合の困難性に至る。個別のプール（例えば１１５）からのこれらの反応性金属が蒸発する間に、反応性金属の融点より高い蒸気圧はＮｉＡｌと比較してなお非常に低い。さらに、単一の（純粋な）反応性元素を含む過熱溶融プール１１５の蒸発は、プールの不安定性に至る可能性がある。プールの安定性は、プール１１５を単一反応性金属で形成しようとする場合に被覆組成の制御のために一定蒸発を維持するのに重要であるから、反応性金属の高い溶融温度より高くプール１１５を維持することに注意しなければならない。
【００１７】
図２の実施形態では、残りの被覆成分（例えば、ニッケル、アルミニウム、クロムなど）と比較して低い蒸気圧を有する（ジルコニウム、ハフニウム、イットリウム、およびランタンなどの）反応性成分がインゴットの１つ（例えば１１１）に提供されるが、β−ＮｉＡｌおよび（もし存在する場合には）クロムなどの被覆１３２の主成分は別のインゴット（例えば１１０）の中に存在する。次に電子ビーム１２６を発生させてインゴット１１０および１１１を溶融蒸発させ、安定した溶融プール１１４および１１５を生成し、これらのプールから被覆成分は制御された速度で蒸発し、予測可能な化学的性質を有する被覆１３２を生成することができる。図２の実施形態によれば、１つまたは複数の低蒸気圧の反応性金属を含むインゴット１１１の組成は、少なくとも第２金属を含むために合金にされ、第２金属は、１つまたは複数の反応性金属との共晶反応や同形反応などの反応を通じて、１つまたは複数の反応性金属よりも低い溶融温度とより広い溶融温度範囲を有するインゴット１１１の材料をもたらす結果となり、溶融プール１１５の安定性はかなり向上し、被覆の化学的性質の均一性は改善される。
【００１８】
上記の例として、ジルコニウムをタングステンと合金にして共晶（約９１．０原子百分率のジルコニウム）を形成することができ、この溶融温度（約１７３５℃）はジルコニウムの溶融温度（約１８５５℃）よりもかなり低い。さらに、タングステンを、ジルコニウムが８８原子百分率を超えて１００原子百分率未満までの範囲で、ジルコニウムと合金にして、（約１２０℃の溶融範囲をカバーする）ジルコニウムより低い溶融温度を有する合金を形成することができる。したがって、１２原子百分率に近いタングステン含有率を有するＺｒ−Ｗ合金は、溶融プール１１５を維持するために必要な温度を低下させることによって、およびプール１１５は溶融して安定する温度範囲を増加することによって、ジルコニウムの蒸発のためになる。タングステンはジルコニウムより低い蒸気圧を有するので、ほとんどタングステンが構成部分１３０の上でジルコニウムと共蒸着しないように、蒸着法を実施することができる。例えば、ＥＢガン１２８を操作して溶融プール１１５の温度を制御することができ、低い温度は、低蒸気圧金属（例えばタングステン）との共蒸着をほとんど伴わず高蒸気圧金属（例えばジルコニウム）の蒸着を促進し、より高いプール温度は、より低い蒸気圧の金属とより高い蒸気圧の金属との共蒸着を促進する。
【００１９】
ジルコニウムより低い蒸気圧を有し、同様な利益をもたらすことができるその他の金属には、タンタルとレニウムがある。したがって、タングステン、タンタル、およびレニウムのいずれか１つまたは複数をジルコニウムと合金にして、インゴット１１１の溶融温度を下げ、ジルコニウムとの共蒸着を伴うかまたは伴わないプール１１５が溶融して安定する温度範囲を広げることができる。これに加えて、ジルコニウムと結合したタンタルおよび／またはレニウムは、被覆１３２の特性（強度、接着性など）を改善するという追加の利点を有する。
【００２０】
同様な利益を、例えば所望の反応性金属としてのハフニウムによって達成することができる。例えば、ハフニウムをジルコニウムおよび／またはタンタル（これらの蒸気圧はハフニウムより低い）と合金にして、ハフニウムより低い溶融温度を有し、ハフニウムとの共蒸着を伴うかまたは伴うことなく、プール１１５が溶融して安定する比較的広い温度範囲を有する材料を作り出すことができる。特に、ハフニウムのジルコニウムおよびタンタルのいずれかまたは両方との共蒸着は、被覆１３２の特性（強度、接着性など）を改善するという利点を有する。
【００２１】
代替案として、反応性元素を、より高い蒸気圧を有する金属と合金にすることができる。一例として、ジルコニウムへのイットリウムの添加はいずれも、ジルコニウムより低い溶融温度を有するＺｒ−Ｙ合金を作り出し、約１３５３℃の最低溶融温度を有し、これは約４０原子百分率のイットリウム含有率に対応する。したがって、Ｚｒ−Ｙ合金は、溶融プール１１５を維持するために必要な温度を下げることによって、およびプール１１５が溶融して安定する温度範囲を広げることによって、ジルコニウムの蒸発の利益になる。イットリウムはジルコニウムよりも高い蒸気圧を有するので、蒸着法は構成部分１３０の上でイットリウムとジルコニウムを本質的に共蒸着し、イットリウムとジルコニウムの相対量は、インゴット１１１におけるイットリウムとジルコニウムの相対量によって広い範囲にわたって制御可能である。
【００２２】
上記のことを考慮して、本発明は、より低い温度の使用が１つまたは複数の反応性元素を含む溶融プール１１５を維持することを可能にし、結果としてより安定した蒸発が得られる。こうして、プール１１５における少量の所望の反応性金属を、より制御可能な方法でオーバーレイ被覆１３２の中に蒸着することができる。
【００２３】
所望の反応性金属の蒸気圧と比較してより低い蒸気圧を有する１つまたは複数の追加（合金）金属を使用することによって、１つまたは複数の合金金属の共蒸着を最小限に（例えば、約５重量パーセントまたはそれ以下、より好ましくは０．０５重量パーセント未満のレベルに）するか、または回避さえすることができる。代替案として、被覆１３２の特性を、１つまたは複数の合金金属を反応性金属と計画的に共蒸着することによって、変更および潜在的に改良することができる。この場合、金属の組合せはなお、ある温度範囲にわたって存在する溶融プール１１５の生成を目的とするが、１つまたは複数の合金金属は、被覆１３２に望まれる科学的性質に応じて、所望の１つまたは複数の反応性金属より高いか、これと同じか、より低い蒸気圧を有することができる。
【００２４】
図３に示すように、１つまたは複数の反応性金属を個別に溶融プール１１５の中に給送することによって低溶融合金をそのまま形成することも、本発明の範囲内にある。この実施形態では、インゴット１１１を反応性金属とこの反応性金属と合金にするための第２金属との合金によって形成するのではなく、インゴット１１１を完全に第２金属で形成して、反応性金属を個別に給送して、第２金属が溶融するときにこれと合金にしてもよい。代替案として、インゴット１１１を完全に反応性金属で、または反応性金属と第２金属の混合物として形成し、追加量の第２金属を個別に給送して溶融プール１１５の中に適当な合金をそのまま形成してもよい。いずれかの手法によって、この実施形態は、より高い蒸気圧の金属（例えばジルコニウム）を優先的に蒸発する場合に、常時蓄積するより低い蒸気圧の金属（例えばタングステン）の潜在性を回避するという利点を有し、したがって蒸気流１３５の組成を選択的に制御することができ、蒸発の材料損失を補償することができる。図３では、るつぼ１１２は、インゴット１１１の代わりに例えばより低い蒸気圧の材料からなるワイヤ１３６を室１２２に給送するように変更されている。ワイヤ１３６は、スプール１４０を含む給送システム１３８によって供給されるものとして示され、このスプール１４０からワイヤ１３６がワイヤ給送デバイス１４２によって引っ張られ、ワイヤ給送デバイス１４２はガイド１４４を通じてワイヤ１３６を溶融プール１１５に給送する。代替案として、ワイヤ１３６をワイヤ給送デバイス１４２によって、るつぼ１１２の上部表面内に画定された通路を通じて供給することもできよう。所望の蒸発速度を達成するためにＥＢガン１２８の制御を適切に変更すること以外は、図３の実施形態は図２の実施形態と同様である。より小さな直径のワイヤを給送することの利点は、反応性金属の給送速度をさらに正確に測定できることである。
【００２５】
本発明に通じる調査において、反応性金属添加物としてジルコニウムを含むβ−ＮｉＡｌオーバーレイ被覆を蒸着する目的のために、複数プールＥＢＰＶＤ蒸発法を実施した。第１試験シリーズでは、ニッケルとアルミニウムを第１溶融プールから蒸発させ、非合金ジルコニウムを分離した溶融プールから蒸発させた。不安定になることが分かった溶融ジルコニウムプールと結果的に得られた被覆は、かなり変動するジルコニウム百分率を含んでいた。第２試験シリーズでは、ジルコニウムを約１０原子百分率のタングステンと共に合金にし、ＥＢ−ＰＶＤ蒸発法を繰り返した。Ｚｒ−Ｗプールを先の試験のジルコニウムプールより低いより安定した温度で溶融し、蒸着した被覆のジルコニウム含有率ははるかに一貫していた。下記の表Ｉに要約されたこれらの試験の試験結果からわかるように、第２試験からの被覆のジルコニウム含有率の標準偏差は、第１試験の被覆と比較して約４分の１に減少した。
【００２６】
Ｚｒプール          Ｚｒ−Ｗプール
被覆における平均Ｚｒ含有率  １．０１原子％      ０．６４原子％
Ｚｒ含有率の標準偏差        ０．５９原子％      ０．１４原子％
被覆試料の数                ８０２              ４８
上記の結果は、ＥＢＰＶＤによって蒸着したβ−ＮｉＡｌ被覆によって得られたが、同様な結果は他の被覆合成物を蒸着することによって、および別のＰＶＤ法を使用することによって達成可能であると考えられる。したがって、本発明を特定の実施形態に関して説明したが、当業者が変形形態を採用できることは明らかである。したがって、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるものとする。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】従来の技術によるＥＢＰＶＤ装置の１部分の概略図である。
【図２】本発明のさまざまな実施形態による蒸着方法を実施するために適したＥＢＰＶＤ装置の１部分を示す概略図である。
【図３】本発明の代替実施形態によるＥＢＰＶＤ装置の１部分の概略図である。
【符号の説明】
【００２８】
１０  インゴット
１２  るつぼ
１４  プール
１６  通路
１８  ツーリング
２０  装置
２２  室
２４  エアロック
２６  ビーム
２８  ガン
３０  構成部分
３２  被覆
３４  蒸気流
１１０  インゴット
１１１  インゴット
１１２  るつぼ
１１４  プール
１１５  プール
１１６  通路
１１８  ツーリング
１２０  装置
１２２  室
１２４  通路
１２５  通路
１２６  ビーム
１２８  ガン
１３０  構成部分
１３２  被覆
１３４  蒸気流
１３５  蒸気流
【図１】
2007186792.tif 000003
【図２】
2007186792.tif 000004
【図３】
2007186792.tif 000005