(57)【要約】【課題】  電子ビーム物理蒸着装置における溶融池とコーティングされる部品との距離を自動制御により一定に保ち、コーティングのばらつきを減少させる装置を提供する。【解決手段】  電子ビーム物理蒸着装置１０のチャンバ１２内に配置された部品Ｐが回転シャフト１６によって固定され、セラミックインゴットＣからの気化物質Ｖが蒸着される。装置１０は、インゴットＣを受けるように構成されたるつぼ１８と、るつぼ内にインゴットＣを供給するドライブと、インゴットＣを融解し気化させる電子ビームガン３０を含む。温度センサ３２がるつぼ１８内の溶融池Ｍの位置を監視するとともに、制御装置３４が検知された溶融池Ｍの位置に対応してインゴットＣの供給速度を自動調節し、溶融池の高さを一定に保つことにより部品に適用されるコーティングのばらつきを減少させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
インゴットを受けるように構成されたるつぼと、
前記るつぼ内に前記インゴットを所定の供給速度で供給するドライブ機構と、
前記インゴットを加熱し、前記インゴットの一部を融解させ、溶融池を形成させた後に蒸発させる加熱手段と、
前記るつぼ内の前記溶融池の位置を監視する複数のセンサと、
前記溶融池の前記検知された位置に相関して前記供給速度を制御する制御装置と、
を備えてなる部品へのコーティング適用装置。
【請求項２】
前記るつぼ内の前記溶融池の位置が実質的に一定となるように前記制御装置が前記供給速度を変化させることを特徴とする請求項１に記載のコーティング適用装置。
【請求項３】
前記加熱手段が、前記インゴットを加熱する電子ビームを発生させる電子ガンであることを特徴とする請求項１に記載のコーティング適用装置。
【請求項４】
前記複数のセンサが、複数の熱電対であることを特徴とする請求項１に記載のコーティング適用装置。
【請求項５】
前記複数の熱電対が、前記るつぼ内にあるとともに前記るつぼの内壁に近接することを特徴とする請求項４に記載のコーティング適用装置。
【請求項６】
前記ドライブ機構が、前記インゴットを前記るつぼ内へと供給するように上昇させるスクリュードライブに連結されたモータであることを特徴とする請求項１に記載のコーティング適用装置。
【請求項７】
前記制御装置が、前記るつぼの内壁に沿った温度勾配に基づいて前記るつぼ内の前記溶融池の位置を測定するコンピュータプログラムを備えたコンピュータであることを特徴とする請求項１に記載のコーティング適用装置。
【請求項８】
前記るつぼが円形経路をもち、前記インゴットが前記円形経路を通して供給されることを特徴とする請求項１に記載のコーティング適用装置。
【請求項９】
前記るつぼが銅から作られることを特徴とする請求項１に記載のコーティング適用装置。
【請求項１０】
前記るつぼの外壁と内壁との間の内部空間を通して冷却水が循環されることを特徴とする請求項１に記載のコーティング適用装置。
【請求項１１】
インゴットを受けるように構成されたるつぼと、
前記るつぼ内に前記インゴットを所定の供給速度で供給するドライブ機構と、
前記インゴットに接触する電子ビームを発生させ、前記インゴットの一部を融解させ、溶融池を形成させた後に蒸発させる電子ビームガンと、
前記溶融池および前記インゴットに沿った様々な地点で温度を測定する温度センサと、
前記ドライブ機構および前記温度センサに接続されるとともに、前記温度に基づいて溶融池高さを決定し、前記溶融池高さに相関して前記ドライブを制御する制御装置と、
を備え、
前記溶融池高さによって、前記るつぼの内壁に沿った垂直方向の溶融池の位置が画定される部品へのコーティング適用装置。
【請求項１２】
前記溶融池高さが実質的に一定に保たれるように前記制御装置が前記インゴットの供給速度を調節するように設定されることを特徴とする請求項１１に記載のコーティング適用装置。
【請求項１３】
前記温度センサが、前記るつぼの内壁に接触するように前記るつぼの外壁を通して差し込まれた複数の熱電対であることを特徴とする請求項１１に記載のコーティング適用装置。
【請求項１４】
前記ドライブ機構がモータを含み、前記制御装置が前記溶融池高さに相関して前記モータの速度を制御することを特徴とする請求項１１に記載のコーティング適用装置。
【請求項１５】
インゴットをるつぼ内へと供給するステップと、
溶融池を形成した後に蒸発するように前記インゴットの一部を加熱するステップと、
前記溶融池から蒸発する気化物質で部品をコーティングするステップと、
前記るつぼ内の温度勾配を検知するステップと、
前記るつぼ内の前記温度勾配に基づき、前記るつぼ内への前記インゴットの供給速度を制御するステップと、
を備えてなる部品へのコーティング適用方法。
【請求項１６】
前記るつぼの内壁と外壁との間を通流する循環水を用いて前記るつぼを冷却するステップをさらに備えることを特徴とする請求項１５に記載のコーティング適用方法。
【請求項１７】
前記るつぼ内の温度勾配の検知が複数の熱電対によって行われることを特徴とする請求項１５に記載のコーティング適用方法。
【請求項１８】
前記るつぼ内の前記溶融池の位置を前記温度勾配に基づいて測定する制御装置に、前記温度勾配を伝達するステップをさらに備えることを特徴とする請求項１５に記載のコーティング適用方法。
【請求項１９】
前記インゴットの前記供給速度が変化するとともに前記溶融池の位置を実質的に一定に保つように制御されることを特徴とする請求項１８に記載のコーティング適用方法。
【請求項２０】
前記インゴットの一部の加熱が電子ビームにより実行されることを特徴とする請求項１５に記載のコーティング適用方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概ね、部品にセラミックコーティングを適用する装置に関する。さらに具体的には、本発明は航空機エンジンに使用されるタービン部品に、例えばサーマルバリアコーティングなどのコーティングを適用する電子ビーム物理蒸着（ＥＢ‐ＰＶＤ）装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子ビーム物理蒸着法は、一般的にエンジンの高圧タービンセクションに使用される航空機エンジン部品に金属やセラミックのコーティングを適用するように用いられる。コーティングは高温ガス流に対するサーマルバリアを提供し、タービンエンジンがより高いガス経路温度で運転することを可能にして運転効率を向上させる。コーティングの均一性や品質は、サーマルバリアコーティング性能、ひいては航空機エンジン部品の耐久性にとって重要である。
【０００３】
電子ビーム物理蒸着法は一般的に真空チャンバ内で行われる。コーティング材料、一般的にセラミックは、インゴットとして固体の形で提供され、円形経路をもつ冷却るつぼ内へと供給される。コーティングされる部品は、るつぼの上方で回転される。電子ビームがセラミックインゴットの露出端を加熱して、るつぼの円形経路内に溜まる溶融池を形成させる。その後材料が溶融池から気化し、気化物質がチャンバを満たし、部品表面上で凝縮してコーティングを形成する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
部品と溶融池との距離がコーティングの品質に直接影響を及ぼす。したがって、コーティングが部品に均一に適用されるように、るつぼ内の溶融池の位置に関して溶融池の高さが一定であることが重要である。セラミックインゴットは一定の割合では融解しない。したがって、セラミックインゴットの供給速度が変化しない限り、溶融池の高さを一定に保つのは難しい。現行の方法では、溶融池の高さはオペレータによって手動で調節される。オペレータが溶融池の高さを目視で監視し、それに応じて供給速度を調節する。結果的に、コーティング作業間のみならず、オペレータ間でもコーティングのばらつきが存在する。
【０００５】
溶融池の高さを一定の値に維持することが可能で、これにより部品‐溶融池間距離を一定に保ちコーティング工程のばらつきを減少させる自動システムが必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は部品にコーティングを適用する装置に関し、インゴットを受けるように構成されたるつぼと、るつぼ内にインゴットを供給するドライブ機構と、インゴットの一部を融解させ、溶融池を形成させた後に気化させるエネルギー源と、を含む。センサがるつぼ内の溶融池の位置を監視するとともに制御装置に接続されている。制御装置は溶融池の検知された位置に相関してインゴットの供給速度を変化させる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１は、部品Ｐにコーティングを適用する電子ビーム物理蒸着装置１０の略図である。装置１０は、密閉されたチャンバ１２と、減圧源１４と、回転シャフト１６と、るつぼ１８と、モータ２０と、チェーンドライブ２２と、ギア２４と、スクリュードライブ２６と、プラットフォーム２８と、電子ビームガン３０と、温度センサ３２と、制御装置３４と、を含んでなる。図示の実施例はセラミックコーティングの応用例を示すが、本発明はこれに限定されないことを理解されたい。
【０００８】
チャンバ１２内に部品Ｐが示されており、回転シャフト１６によって支持されている。モータ２０、チェーンドライブ２２、ギア２４、スクリュードライブ２６、およびプラットフォーム２８を含んでなるドライブシステムにより、セラミックインゴットＣがるつぼ１８内へと上方へ供給される。プラットフォーム２８が上方へと運ばれるに従い、セラミックインゴットＣをるつぼ１８内へと上昇させる。
【０００９】
電子ビームガン３０は、セラミックインゴットＣの上端部に向けられた電子ビームＥを発生させ、セラミックインゴットＣの一部を融解させてセラミック溶融池Ｍを形成させる。気化物質Ｖがセラミック溶融池Ｍから蒸発して蒸気雲ＶＣを形成し、その後部品Ｐ上で凝縮されてこの部品Ｐ上にコーティングを形成する。
【００１０】
本実施例では、セラミックインゴットＣの上端を融解するように電子ビームＥが用いられる。しかしながら、溶融池を形成すべくセラミックインゴットを加熱するようにその他の様々なエネルギー源が使用されうることを理解されたい。
【００１１】
以下に更に詳しく述べるように、温度センサ３２がセラミック溶融池Ｍを監視するとともに制御装置３４に接続されて、るつぼ１８内のセラミック溶融池Ｍの高さを示す信号を送る。また制御装置３４がモータ２０と接続されて、検知された溶融池高さの関数としてセラミックインゴットＣのるつぼ１８内への供給速度を制御する。
【００１２】
セラミックインゴットＣのセラミック溶融池Ｍからの気化物質Ｖにより形成されたコーティングはサーマルバリアコーティングである。この一般的な目的は、コーティングされる部品内部への熱流を減少させ（この部品はまた、部品内の内部流路を通流する冷却空気によっても冷却されうる）、これにより部品を高温環境から保護することである。航空機エンジンに使用されるタービンコンポーネントは２５００〜３０００°Ｆに達するガス温度にさらされる。エンジンの運転効率を向上させるためには高いガス温度が不可欠である。
【００１３】
高い運転温度のため、コーティング材料は低熱伝導率をもつ必要がある。公知の一般的に使用されるセラミック材料は、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）である。セラミックコーティングを適用する前に、金属ボンド層などの別の層が部品Ｐ上にコーティングされうる。
【００１４】
図１の電子ビーム物理蒸着装置には、単一のるつぼ内へと供給されている２段重ねのセラミックインゴットＣが示されている。しかしながら、複数のるつぼおよびインゴットを使用する装置が本発明の範囲に含まれることを理解されたい。
【００１５】
図２は、図１に示す電子ビーム物理蒸着装置１０に用いられる実施例のるつぼの斜視図である。るつぼ１８は望ましくは銅でつくられるとともに概ね円筒状であるが、るつぼ１８はその他の材料からつくられうるとともにその他の形状がとられうることを理解されたい。るつぼ１８は円形経路３６を有するとともに、口径３８を画定する。口径３８はセラミックインゴットＣの直径とほぼ等しいもしくは若干大きく、セラミックインゴットＣが円形経路３６内へと延びる。
【００１６】
るつぼ１８は、外壁４０と、内壁４２と、中空内部４４（外壁４０と内壁４２との間の空間を画定する）と、水インレット４６と、水アウトレット４８と、を有する。インレット４６は、冷却水がるつぼ１８の中空内部４４を通して循環しうるように配置される。アウトレット４８は冷却水を中空内部４４の外へと移動させるように用いられる。
【００１７】
図３は、図１に示す装置に使用されるるつぼの断面図であり、セラミックインゴットＣが円形経路３６を通してるつぼ１８内へと供給されている。図３は、外壁４０と、内壁４２と、中空内部４４を循環する冷却水５０と、温度センサ３２Ａ〜３２Ｅと、を示す。セラミックインゴットＣの上端に電子ビームＥが照射されると、インゴットＣの一部が融解し、セラミック溶融池Ｍが形成される。溶融池高さＨは、るつぼ１８の円形経路３６内部におけるセラミック溶融池Ｍの上面の垂直方向の位置を表す。
【００１８】
電子ビームＥはセラミックインゴットＣの上端の上を前後に移動してインゴットＣ上にラスタパターンを形成する。電子ビームガン３０は、インゴットＣ上の前後移動に加え、もしくはこれに代えて、インゴットＣ上に様々なパターンを形成するようにプログラムが可能である。電子ビームＥのセラミックインゴットＣとの接触によりインゴットＣが融解して、セラミック溶融池Ｍが形成される。図３に示すように、セラミック溶融池Ｍはるつぼ１８の冷却された内壁４２と接触するため幾分半月状である。
【００１９】
セラミックインゴットＣの燃焼速度すなわち融解速度は、ある程度、インゴットＣ上の電子ビームＥのラスタパターンに相関して、あるいは電子ビームガン３０が古くなるに従いその出力のばらつきに相関して変化しやすい。セラミックインゴットＣの融解速度のばらつきのため、セラミック溶融池Ｍからの気化物質Ｖの蒸発速度もまた変化しやすい。蒸発速度が増加すると、溶融池表面（すなわち、溶融池高さＨ）はるつぼ１８内で下に移動する。蒸発速度が減少すると、セラミックインゴットＣがるつぼ１８内に継続的に供給されるため、溶融池表面はるつぼ１８内で上に移動する。溶融池表面が上に移動するか下に移動するかはいずれにせよ、溶融池高さＨが変化するため、部品‐溶融池間距離は変化し、したがって部品Ｐに適用されるコーティングの一貫性が変化してしまう。
【００２０】
るつぼ１８内の溶融池高さを一定に保つため、インゴットＣの供給速度は、インゴットＣの融解速度の変動を補償するように継続的に調節されなければならない。溶融池高さＨはオペレータにより目視で監視されることが可能で、溶融高さの変化をなくす、もしくは最小限に抑えるべく供給速度を変化させるようにオペレータは必要に応じてモータを調節する。しかしながら、これによりオペレータの間で、あるいは同じオペレータでもコーティング作業間にさえばらつきが生じる。温度センサ３２Ａ〜３２Ｅからの信号を用いて、モータ２０、ひいては、るつぼ１８へのセラミックインゴットＣの供給速度を制御する処理を自動化することにより、一定した溶融池高さをより効果的に維持することが可能となる。
【００２１】
図３に示す実施例では、温度センサ３２Ａ〜３２Ｅは、外壁４０を通して内壁４２に接触するようにるつぼ１８内に差し込まれた複数の熱電対である。熱電対３２Ａ〜３２Ｅは内壁４２に沿って垂直方向に互いに間隔を介する。各々の熱電対３２Ａ〜３２Ｅは内壁４２に沿った特定領域の温度を検出する。熱電対３２Ａ〜３２Ｅによって検知された温度の差に基づき溶融池高さＨが制御装置３４によって決定され、モータ２０の速度を調節するように用いられることが可能である。
【００２２】
この具体的な実施例では、５つの熱電対３２Ａ〜３２Ｅが示されている。しかしながら、任意の数の熱電対が本発明の範囲に含まれることを理解されたい。熱電対は、セラミック溶融池Ｍの深さ分と固体インゴットＣとを垂直方向に包含するのに十分な数でなければならず、固体インゴットＣとセラミック溶融池Ｍとの境界領域を測定するために十分に近接した間隔とする必要がある。熱電対の数や用いられる熱電対の間隔は、るつぼ１８内に一定した溶融池高さを維持するための制御の限界に依存する。制御限界が厳しくなるに従い、追加の熱電対が必要となる。使用される熱電対の種類により計測される温度精度が決定される。
【００２３】
温度センサ３２Ａ〜３２Ｅは制御装置３４と接続され、この制御装置３４は、るつぼ１８の内壁４２に沿った温度勾配に基づいてセラミック溶融池Ｍの位置を決定するコンピュータプログラムを備えたコンピュータでもよい。各々のセンサ３２Ａ〜３２Ｅの計測温度に基づいて、制御装置３４が溶融池高さＨを決定する。溶融池高さＨをるつぼ１８内の垂直方向に一定の位置に保つために制御装置３４がモータ２０の速度を調節し、るつぼ１８内へのセラミックインゴットＣの供給速度を変化させる。セラミック溶融池Ｍから蒸発している気化物質が少ないために溶融池高さＨがるつぼ１８内で上昇し始めると、制御装置３４は供給速度を減少させる。一方、セラミック溶融池Ｍから蒸発している気化物質が多いために溶融池高さＨがるつぼ１８内で下降し始めていることを制御装置３４が特定すると、制御装置３４は供給速度を増加させる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の溶融池高さ制御を含む、電子ビーム物理蒸着法を用いたコーティング適用装置の図。
【図２】図１に示す装置に用いられる実施例のるつぼの斜視図。
【図３】図１の電子ビーム物理蒸着装置に用いられるるつぼおよびインゴットを示す断面図。
【符号の説明】
【００２５】
１０…電子ビーム物理蒸着装置
１２…チャンバ
１６…回転シャフト
１８…るつぼ
２０…モータ
３０…電子ビームガン
３２…温度センサ
３４…制御装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【外国語明細書】
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