JP2000514497A - 構造部品を断熱層で被覆する方法と被覆装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、構造部品（１）を被覆室（２）の中に置いて構造部品温度に保つような構造部品（１）を断熱層（３）で被覆する方法に関する。被覆室（２）の中が真空にされ、少なくとも断熱層（３）を形成する材料を構造部品（１）上に蒸着する被覆プロセス中に、プロセス量の真空圧および構造部品温度が一緒に制御される。この制御は、プロセス量がそれぞれ設定値範囲内にあり断熱層（３）が構造部品（１）上に柱状組織で成長するように行われる。

Description

【発明の詳細な説明】 構造部品を断熱層で被覆する方法と被覆装置 本発明は、構造部品を被覆室の中に置いて構造部品を断熱層で被覆する方法に 関する。また本発明は、構造部品上に断熱層を作成するために造部品を加熱する ための加熱装置および真空発生装置を備えた被覆装置に関する。 米国特許第５２３８７５２号明細書に、小形の金属構造部品、特に長さ約５ｃ ｍの飛行機翼に対する金属間接看剤被膜を備えた断熱層系の製造方法が記載され ている。酸化ジルコニウムから成る本来の断熱層は電子ビームＰＶＤ（物理蒸着 法）によって構造部品上に蒸着され、その場合電子ビーム銃で金属酸化物体から 酸化ジルコニウムおよび酸化イットリウムが蒸発される。この方法は構造部品を 被覆過程の前に約９５０〜１０００゜Ｃの温度に予め加熱する装置の中で実施さ れる。この装置内に加熱装置が設けられ、この加熱装置によって構造部品が上方 から、場合によっては蒸着すべき酸化ジルコニウムによる加熱および蒸発するセ ラミック体の表面から出る放射による加熱に加えて加熱される。酸化ジルコニウ ムを蒸着するためにこの装置内に約７×１０^-3Ｐａ（７×１０^-5ｍｂａｒ）の真 空が作られ、電子ビーム銃で約１００〜２５０μｍ／ｈの蒸着速度が得られる。 このように稼動設定した状態において、小形金属構造部品上に酸化ジルコニウム から成る棒状マイクロ組織の断熱層が形成される。 米国特許第４６７６９９４号明細書に、セラミック表面を有する基板上にセラ ミック被覆を蒸着する方法が記載されている。この場合第１のセラミック材料が 真空内で電子ビーム銃によって化学当量以下のセラミック流体を形成するように 加熱される。その基板は真空内で９００°Ｃ以上の温度に加熱され、そして第１ のセラミック材料が密のセラミック層を形成するために化学当量以下で蒸発され る。この密のセラミック層上に柱状に整えられたセラミックスから成る層が設け られる。密のセラミック層を発生するために化学当量以下のセラミックスを蒸着 中、基板温度は９００〜１２００°Ｃの値に保たれ、真空圧は好適には１３×１ ０^-3Ｐａより低くされている。密のセラミックス層を柱状セラミック層で被覆中 、 酸素分圧は６０×１０^-3〜０．２７Ｐａにされ、別のガスのすべての分圧は全圧 の１０％より小さくされている。この方法は例えば最長１０ｃｍのガスタービン 翼において実施された。 ドイツ特許出願公開第１９５２２３３１号明細書に、特に金属酸化物層および 合金酸化物の層を作成するための陰極アーク蒸発法が記載されている。この場合 陰極アーク蒸発によってターゲットが酸素雰囲気内で蒸発させられるので、金属 合金の酸化物が主に唯一の結晶学相で存在する。被覆プロセス中の酸素分圧が観 察され、設定分圧からの偏差が、酸素質量流量、アーク燃焼電圧あるいはターゲ ット表面に対してほぼ垂直な磁界の強さのうちの少なくとも一つを制御すること によって最小にされる。あるいはまた燃焼電圧が観察され、設定燃焼電圧からの 偏差が、酸素質量流量あるいは上述の磁界強さのうちの少なくとも一つを制御す ることによって最小にされる。また３番目の方式として放電電流の周波数スペク トルが観察され、特性成分スペクトルのその設定スペクトルからの偏差が、燃焼 電圧、酸素質量流量あるいは上述の磁界強さのうちの少なくとも一つを調整する ことによって最小にされる。上述の制御量の調整は特にプロセス運転点制御回路 によって自動的に行われる。この方法は専ら酸化アルミニウムあるいは酸化クロ ムから成る層を設けることに向けられている。 旧東ドイツ特許第２９９９０２号明細書に、プラズマアークに運転に起因する 不規則が生じた際に緊急しゃ断が防止されるような中空陰極蒸発源のプラズマア ークの作動法が記載されている。この場合、中空陰極と蒸発るつぼとの間の電圧 降下あるいは真空室の電位から抵抗を介して陽極に向けて生ずる誘導電流に関係 して論理信号が形成される。この論理信号の値に応じて緊急しゃ断を防止するた めの処置が講じられる。 文献「マテリアル サイエンス アンド エンジニアリング（Ｍａｔｅｒｉａ ｌ Ｓｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）」、Ａ１４０、１９１、 第５２８〜５３３頁に掲載のＴ．ユング、Ａ．ウェストファル著の論文“反応ガ ス流スパッタリングによるシリコンへのジルコニア薄膜蒸着、低エネルギ粒子衝 撃の影響”において、半導体基板、特にシリコンベースに酸化シリコン層を作成 するために、いわゆる反応ガス流スパッタリング法が挙げられている。このスパ ッタリング法によれば、不活性ガス、特にアルゴンが内部に陽極を配置した中空 陰極を通って導かれるので、アルゴン原子がイオン化される。このアルゴン原子 はジルコニウムから成る金属陰極に衝突し、これによってここから金属原子及び ／又は金属クラスタが脱離され、不活性ガスによって運ばれる。陰極の外で金属 ジルコニウムを完全に酸化するために酸素が１０Ｐａ〜約１０^-4Ｐａの分圧で導 入される。半導体基板はステンレス鋼から成り８００℃まで加熱できるホルダに 固定され、約４００℃の温度に加熱される。この方法は約１０^-7Ｐａの高真空に 真空引きされる被覆室においで実施される。その蒸着速度は約０．９μｍ／ｈで ある。 反応ガス流スパッタリング法のための中空陰極の異なった形態は、文献「サー フェイス アンド コーティングス ナクノロジー（Ｓｕｒｆａｃｅ ａｎｄＣ ｏａｔｉｎｇｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）」、５９、１９９３年、第１７１〜１ ７６頁に掲載のＴ．ユング、Ａ．ウェストファル著の論文“反応ガス流スパッタ リング法によるアルミナ膜の高率蒸着”に記載されている。そこで挙げられてい る中空陰極は、ハウジングの中にジルコニウムから成る板が並べて配置されるよ うに直線形に構成されている。互いに隣接するそれぞれ二つの板の間を不活性ガ スが貫流されて、隣接する板の間に不活性ガス原子から成るプラズマが形成され る。この方法によってシリコン、ステンレス鋼およびガラスから成る試験体が酸 化アルミニウムで被覆される。その被覆中、試験体の温度は１００〜２００℃で あった。被覆室の内部の圧力は約１０^-8Ｐａ、導入された酸素量は４．５ｃｍ³ ／ｍｉｎであった。蒸着したアルミニウム層は０．５〜０．６μｍの厚さを有し 、主としてγマイクロ組織を持っていた。 本発明の課題は、交番熱応力に対して高い耐久性を得るために構造部品を断熱 層で被覆する方法を提供することにある。本発明の他のの課題は構造部品上に断 熱層を製造するための被覆装置を提供することにある。 構造部品を断熱層で被覆する方法に向けられた課題は、構造部品が被覆室の中 に置かれて構造部品温度に保たれ、被覆室の中が真空にされ、少なくとも構造部 品上への断熱層の蒸着中に複数のプロセス量、特に真空圧、構造部品温度および 雰囲気組成が、これらがそれぞれ設定値範囲内にあり断熱層が構造部品上に柱状 組織で成長するように一緒に制御されることによって解決される。本発明に基づ いて制御されるプロセス操作によって、プロセス量は維持すべきパラメータ窓内 に位置し、これによって確実に必要な層構造が維持される。好適には重要なプロ セス量が一緒に同時に制御される。 そのような設定値範囲は例えばＰＶＤ（物理蒸着法）によって作られる被覆に 対する公知の組織領域モデルであるかまたは実験により求められる。被覆プロセ ス中に真空圧、構造部品温度および雰囲気を一緒に制御することによって、プロ セス量が確実に予め定めた設定値範囲内にあり、これによって棒状マイクロ組織 の断熱層が生ずることが保証される。これは特に、プロセス量が無監視的に事前 設定されるかそれぞれの各プロセス量が互いに無関係に調整ないし制御される方 法に比べて、これらの方法の場合は一つのプロセス量が許容設定値範囲内にある にもかかわらず別のプロセス量が設定値範囲外に位置する恐れがあるので、有利 である。これは被覆プロセス中に常に十分な棒状マイクロ組織の断熱層が蒸着さ れないという危険から守る。この危険は特に大形構造部品および質量濃度が立体 的に著しく変動している工業ガスタービンのタービン翼のような構造部品に存在 する。そのような構造部品の場合例えば断熱層の厚さが増大するにつれて、放射 及び／又は構造部品の内部における熱伝導により局所的な熱損失が生ずる。この ために断熱層の棒状マイクロ組織を形成するために、構造部品の実際温度および 被覆室の内部における別のプロセス量を連続的に監視し制御する必要がある。 棒状セラミック柱が好適には構造部品の表面に対して垂直に向けられている棒 状マイクロ組織の断熱層は交番熱応力を受けるために特に良く適している。この ために特に平均柱直径が１０μｍより、特に５μｍより小さな細かい柱状組織が 特に有利である。というのは、これによって高いひずみ公差が得られるからであ る。特に金属構造部品とセラミック断熱層との熱膨張率差が良好に補償される。 これは特に燃焼室内張りおよびガスタービン翼のような工業ガスタービンの構造 部品にとっては、これらの構造部品は室温と１０００℃を超える温度との間で変 動する温度に曝されるので、特に有利である。この場合断熱層として例えば酸化 イットリウムで部分安定化された酸化ジルコニウムあるいは金属窒化物を基材と する金属酸化物セラミックスが適している。断熱層を形成する材料を発生する 方法として、例えば電子ビームＰＶＤ法、反応ガス流スパッタリング法あるいは 被覆材料を蒸発させる方法、例えば高真空内における溶射のようなあらゆるＰＶ Ｄ法が適している。 好適には棒状マイクロ組織の断熱層を得るためにプロセス量、即ち真空圧およ び構造部品温度のほかに、別の特にガス組成又は雰囲気組成を決定するプロセス 量及び／又は設備量が一緒に制御され、これによって人的操作なしに全被覆プロ セスが自動的に進行する。その被覆過程においてたとえ外乱が生じても、これに よって柔軟に被覆プロセスに自動的に影響が及ぼされる。重要なプロセス量、特 に真空圧、構造部品温度および被覆室内におけるガス組成を実時間で監視するこ とによって、外乱が作用した場合もプロセスは最適化される。被覆プロセス中に 被覆室の中に反応ガスが導入されるとき、好適にはプロセス量即ち反応ガスの導 入量及び／又は反応ガスの分圧が別のプロセス量と一緒に制御される。反応ガス の導入量を制御することによって断熱層の適切な化学組成が保証される。特に金 属酸化物セラミックすから成る断熱層の場合、反応ガスとして酸素を導入するこ とによって金属、例えばジルコニウム、マグネシウムあるいはアルミニウムが完 全に酸化される。反応ガスとして窒素を使用する場合、その金属の予め定めた窒 化が達成される。 プロセス量と一緒に好適には断熱層の蒸着に影響を及ぼす設備状態量および設 備量が一緒に制御される。これには例えば断熱層の材料を発生するための被覆源 に対して構造部品を動かす相対運動の制御が属している。この相対運動は好適に は構造部品のその長手軸線を中心どした回転であり、これによって構造部品の全 表面に材料、例えば酸化イットリウムで部分安定化された酸化ジルコニウムが一 様に蒸着される。その相対運動に別の運動が重ね合わされ、例えば長い構造部品 を被覆するために並進運動が重ね合わされる。特に断熱層の成長速度を条件づけ る別の設備量は被覆源の材料供給である。これは電子ビームＰＶＤ法の場合、セ ラミック体からセラミック粒子を蒸発させる電子ビーム銃の電力および被覆材料 の送りによって特性づけられる。反応ガス流スパッタリング法を利用する場合、 被覆源の材料供給のために陰極と陽極との間の電圧並びにアルゴンのような不活 性ガスの流量が重要な意味を有する。 構造部品温度の設定値範囲は特にガスタービン設備の金属構成要素を被覆する 場合、９００−１１５０℃、特に９５０〜１０５０℃にある。真空圧の設定値範 囲は反応ガス流スパッタリング法を利用する場合１０^-3〜１０^-7ｍｂａｒ、特に １０^-4〜１０^-6ｍｂａｒにある。構造部品温度および真空圧が上述の設定値範囲 内にあるとき、場合によって一つあるいは複数の接着層を介在させて構造部品へ の金属セラミック層の良好な接着、並びに断熱層の棒状マイクロ組織による異な った熱膨張率の良好なバランスが達成される。反応ガスの分圧は好適には１０^-3 〜１０^-1ｍｂａｒ特に１０^-2ｍｂａｒである。これによって反応ガス、即ち酸化 用酸素ないし窒化用窒素が十分に存在することが保証され、これによって断熱層 の必要な化学組成が保証される。 この方法は特に質重濃度が著しく、異なっている部位化備えた構造部品に対し て適している。この構造部品においで好適には十分に均一な加熱が行われる。こ れは特に薄肉の羽根部位および厚肉の翼脚部位ないし囲い板部位が存在している タービン翼において有利である。均熱並びに構造部品温度の設定値範囲の維持は 構造部品の被覆すべき全表面にわたって断熱層の一様で良好な接着並びに柱状マ イクロ組織の形成を保証する。好適には設定値からの偏差として最大温度スパン ±５０Ｋが超過されない。第１の部位即ち薄肉部位における厚さと、第２の部位 即ち厚肉部位あるいは中実部位の厚さとの比率は１：５〜１：２００、特に１： １０〜１：１００である。構造部品、特に工業ガスタービンのタービン翼は１〜 １５ｋｇの重量を有する。動翼の場合、長手軸線に沿って延びる薄肉の羽根部位 は２０ｃｍを超える長さを有する。 構造部品上に断熱層を作成するための被覆装置に向けられた課題は、構造部品 を加熱する加熱装置と、構造部品の温度を検出するための少なくとも一つの温度 検出器と、真空発生装置、特に真空ポンプと、真空圧測定装置とを有し、この装 置および温度検出器は、構造部品の温度、真空圧およびガス組成のような被覆プ ロセスの複数のプロセス量を一緒に制御するための制御装置に接続されているこ とによって解決される。被覆プロセス中に構造部品の温度、真空圧および被覆装 置内の雰囲気組成が連続的に監視され、これらのプロセス量、即ち温度、真空圧 および雰囲気組成が制御装置を介して一緒に制御されるような被覆装置によって 、 プロセス量が断熱層の棒状マイクろ組織を得るために必要な設定値範囲に維持さ れることが保証される。この装置によれば、工業ガスタービンのタービン翼のよ うな質量濃度が局所的に著しく変動している構造部品も、構造部品に良好に接着 し且つ交番熱応力に対して高い耐久性を有する断熱層で被覆することができる。 その制御装置によって別のプロセス量並びに設備量が被覆装置を運転するために 一緒に制御される。これによって断熱層の棒状マイクロ組織を得るための条件の ほかに、蒸着速度、断熱層を形成する材料、特に金属酸化物の酸化率並びに被覆 装置内における構造部品の運動制御が与えられる。 被覆装置は反応ガス流スパッタリング法を実施するために、アルゴンのような 不活性ガスで貫流される中空陰極ど、陰極材料と、陽極とを含む被覆源を有して いる。更にこれは構造部品を位置決めするための保持装置を備え、中空陰極は保 持装置側に向いた不活性ガス用のガス出口並びにガス入口を有している。陰極材 料は好適にはジルコニウムおよびイットリウムのような安定化剤金属を含む合金 から成っている。更に反応ガスの導入菅、特にジルコニウムの酸化用の酸化剤導 入管が中空陰極の外に設けられている。中空陰極から不活性ガスと一緒に出され るジルコニウムないしイットリウムは酸素の導入によって完全に酸化され、構造 部品上に酸化イットリウムで部分安定化された酸化ジルコニウムの断熱層として 蒸着する。この断熱層は平均直径が好適には０．３〜５．０μｍの柱状マイクロ 組織を有し、そのセラミック柱は構造部品の表面に対してほぼ垂直に向けられて いる。勿論、陰極をマグネシウムあるいはアルミニウムのような別の材料で作る こともできる。中空陰極から出る金属に酸素の代わりに窒素を導入することもで き、これによって相応した金属窒化物が生ずる。被覆装置は同様に電子ビームＰ ＶＤ法を実施するために相応した電子ビーム銃およびこのために必要であり制御 装置を介してプロセス量の必要な設定値範囲に応じて制御される構成要素で実施 できる。この場合のプロセス量は、電子ビーム銃の電気量（電圧／電流あるいは 電圧／電力）、焦点ぼかしおよび電子ビーム転向装置の制御量並びに陰極室内の 圧力及び／又は中間段の圧力のようなポンプ制御量である。 制御装置は好適には被覆プロセスの全経過を協調させるためのマスターシステ ムおよびそれぞれ一つあるいは複数のプロセス量及び／又は設備量を制御するた めの多数のサブシステムで階層的に実施される。そのマスターシステム並びにサ ブシステムは空間的に互いに分離して配置されている。特に外乱が作用した際に マスターシステムによって全プロセス制御のための重要なプロセス量および設備 量が実時間的に監視される。サブシステムはマスターシステムを介して管理され る。特にメモリにプログラム可能なプロセス制御として形成されているマスター システムのプログラムによって、全被覆プロセスが柔軟に規定される。これによ って構造部品、特にタービン翼に対する被覆雰囲気における規定された安定周辺 条件が得られる。従って、このようなタービン翼に対して、被覆すべき表面に沿 った規定の層厚さ分布が簡単に柔軟なプロセス操作によって得られる。構造部品 の温度、真空圧およびガス組成のような重要な被覆プロセスパラメータは制御装 置によって確実にその設定値範囲内に維持される。 以下図に示した実施例を参照しで構造部品の被覆方法並びに被覆装置を詳細に 説明する。この被覆装置は分かり易くするために一部が概略的に正確な縮尺に基 づかずに示されている。 図１および図２はそれぞれ制御装置を備えた被覆装置の概略構成図、 図３は制御装置のブロック図である。 図１には反応ガス流スパッタリング法を実施するための被覆装置１５が概略的 に正確な縮尺に基づかずに示されている。この被覆装置は被覆室２を有し、この 中に真空発生装置１８によってｌｍｂａｒより低い真空が発生される。被覆室２ の内部に長手軸線に沿って延びる円筒状中空陰極１０が配置されている。中空陰 極１０の内部に棒状陽極１１が配置され、この陽極１１は直流電圧源２４を介し て中空陰極１０に接続されている。直流電圧源２４は制御装置２２にも接続され ている。中空陰極１０は中空円筒として形成されているかあるいは例えば中空陰 極１０の内側壁を覆う個々の板から成る陰極材料１２を有している。陰極材料１ ２はイットリウムが予め定めた比率例えば３重量％〜１０重量％で混合されてい るジルコニウムである。中空陰極１０はガス入口１４を有し、このガス入口１４ は不活性ガス２３、特にアルゴンを導入するための図示されていないガス供給装 置に接続されている。このために必要な不活性ガス流は制御装置２２によって制 御される。中空陰極１０はガス入口１４と反対側の位置にガス出口１３を有して いる。不活性ガス２３は陰極材料１２と陽極１１との間の範囲を通った後でガス 出口１３から流出する。鉛直方向に見てガス出口１３の上に反応ガスの導入管１ ６、この場合には酸化剤導入管１６の開口部位が配置されている。この酸化剤導 入管１６を通って酸素が被覆室２の中に制御装置２２で制御されて導入される。 鉛直方向に見て酸化剤導入管１６の上にここでは概略的にガスタービン翼として 示されている構造部品１が保持装置８で支持されている。この保持装置８は制御 装置２２によって制御される補助電圧源２６を介して中空陰極１０に電気的に接 続されている。中空陰極１０と保持装置８との間でその都度構造部品１に印加さ れる直流電圧はイオン化された不活性ガス原子によって構造部品１の表面を浄化 するために使用される。保持装置８は好適には制御装置２２に接続されている図 示されていない駆動装置化有している。この駆動装置は構造部品１をその長手軸 線２７を中心として連続回転させる。鉛直方向に見て構造部品１の上にこの構造 部品１を熱放射及び／又は対流によって加熱するための加熱装置９が配置され、 これも同様に制御装置２２に接続されている。加熱装置９は勿論必要に応じて構 造部品１のそばに鉛直方向に見て同じレベルに配置することもできる。被覆室２ の中に更に真空圧測定装置１９が設けられ、これも同様に制御装置２２に接続さ れている。構造部品１にその温度ないし温度分布を検出するために少なくとも一 つの温度検出器１７、例えば熱電対が配置され、これも同様に制御装置２２に接 続されている。真空発生装置１８も制御装置２２に接続されている。 制御装置２２は図３に概略的に示されているように多数のサブシステム２１ａ 〜２１ｍが付属しているマスターシステム２０を有している。マスターシステム ２０は全被覆サイクル、特に被覆装置１５の設備量の制御、プロセス制御および 構造部品１の運動制御を協調して行う働きをする。マスターシステム２０によっ て被覆プロセスの全時間的経過並びに個々のサブシステム２１ａ〜２１ｍ並びに その制御回路の管理が行われれている。 完全な被覆プロセスはプロセス技術的に次のように部分仕事に整理される。 ａ）被覆前の構造部品状態を設定する（構造部品を核形成温度に予熱、周辺圧力 を被覆圧まで低下）。 ｂ）断熱層をその組織、接着、層厚さに関して必要な特性で蒸着する。 ｃ）構造部品状態を周辺条件（室温および大気圧）に戻す。 マスターシステム２０によるプロセス操作は、各プロセス段階の時間的経過に 対してその都度必要なサブシステム２１ａ〜２１ｍが作動され、重要なプロセス 量及び／又は設備量の制御を実施するように設計されている。 全被覆サイクル中に冷却回路制御２１ａによって、被覆装置１５の冷却すべき 全構成要素並びに図示されていない設備部品の冷却が行われ、これらの部品は支 障のない運転のために一定温度に保たれる。被覆装置１５が被覆室２の他に図示 されていないゲートに接続されている同様に図示されていない装填室を有してい る場合、構造部品１の予熱は好適にはこの装填室内で行われる。装填室から空間 的に例えばゲートを介して分離されている予熱本来に使用する固有の予熱室を設 けることも勿論できる。装填室は約１０ｍｂａｒに真空引きされ、その制御はサ ブシステムの室圧制御２１ｈによって行われる。室圧の設定値は予め自由に設定 できる。室圧制御２１ｈは接続されている真空圧測定装置１９によって真空ポン プ状態を制御し、予め自由に設定できる圧力変動内で圧力を制御する働きをする 別個にプログラミング可能な圧力制御回路を有している。装填室は続いてアルゴ ンが注入され２００ｍｂａｒにされ、あらためて１０ｍｂａΓに真空引きされ、 続いてもう一度アルゴンが注入され８００ｍｂａｒにされる。続いて構造部品１ が７００℃まで対流で予熱される。この場合、装填室内の圧力がサブシステムの 室圧制御２１ｈによって一定に保たれる。構造部品１の加熱はサブシステムの加 熱器電源制御２１ｅおよびサブシステムの構造部品温度制御２１ｋによって制御 される。このために温度検出器１７の測定値が評価され、そこから加熱勾配が求 められる。その加熱勾配に対して設定値が予め与えられ、これはサブシステムの 加熱器電源制御２１ｅに対する案内量として使用される。他のプロセス量および 設備量は構造部品１の予熱温度、並びに図示されていない送風機によって対流式 に予熱するための送風機回転数である。一様に予熱するために構造部品１はその 長手軸線２７を中心として回転され、これはサブシステムの運動系２１ｍによっ て制御される。予熱温度、特に７００℃に到達したことはサブシステムの構造部 品温度制御２１ｋによって検出される。その後で構造部品１は放射加熱が行われ る。このために図示されていない送風機が停止され、構造部品温度および室 圧に対して、必要な核形成温度並びに被覆室２における被覆圧に相当する新たな 設定値が与えられる。被覆室２においてサブシステムのガス流制御２１ｃ並びに サブシステムの電源制御２１ｄを介して、断熱層を蒸看する場合に必要なガス原 子化学量論を制御するために反応ガスの導入量が制御される。サブシステムの被 覆源制御２１ｇおよびサブシステムの被覆電源制御２１ｆによって被覆源６が作 動され、金属原子雲における被覆材料、特にジルコニウムの濃度が制御される。 サブシステムの構造部品温度制御２１ｋが核形成温度の到達を検出する。核形 成温度および被覆圧が同時に達成されると、サブシステムの加熱器電源制御２１ ｅがしゃ断される。装填室と被覆室２との間のゲートは開かれ、サブシステムの 運動系２１ｍによって構造部品１が被覆室２の中に移動される。被覆室２内にお ける室圧はサブシステムの室圧制御２１ｈによって予め自由に設定できる設定真 空圧範囲に制御される。構造部品１が被覆室２の中に挿入される前に、サブシス テムの被覆源制御２１ｇによって被覆源６が蒸着プロセスに対する定常条件に制 御される。蒸着プロセス中にサブシステムの室圧制御２１ｈによって真空圧は予 め設定された設定値範囲に制御され、同時に構造部品温度がサブシステムの構造 部品温度制御２１ｋによって棒状マイクロ組織のセラミック断熱層を達成するた めに予め設定された設定値範囲に制御される。同時にガス雰囲気制御がサブシス テムの室雰囲気制御２１ｂを介して行われる。被覆源６および反応ガス１６の導 入によって発生された被覆材料から成る雲を特に有効に利用するために、サブシ ステムの運動系２１ｍによって構造部品１が的確に動かされる。サブシステムの ガス流制御２１ｃによって室雰囲気（サブシステムの室雰囲気制御２１ｂ）に対 する予め定めた変動内で被覆室２の中に反応ガスが定常的に流入される。被覆源 ６内にアークを生じることがある高い大きな酸素分圧は被覆源６の電流及び／又 は電圧の監視によって早期に検出され、被覆源６の適時の電力減少によって防止 される。これは特にサブシステムの電源制御２１ｄによって実施される。 被覆過程の終了後に構造部品１は被覆室２から装填室に入れられ、予め定めた 冷却勾配で約５００℃に冷却される。装填室内においてアルゴンの流入と送風機 の作動によって圧力が高められ、その場合詳述しない冷却装置が冷熱源として作 用する。その冷却は温度検出器２７およびサブシステムの構造部品温度制御２ lkによって監視される。圧力制御、送風機の回転数制御並びにアルゴンの流入制 御によって冷却速度は最適に制御される。構造部品温度が５００℃に下がった後 で、装填室内の圧力がサブシステムの室雰囲気制御２１ｈによってアルゴンの流 入により１ｂａｒより高くされる。構造部品は高い冷却勾配で約１００℃に冷却 される。続いてサブシステムの室雰囲気制御２１ｈによって装填室と大気雰囲気 との間の圧力がバランスされる。マスターシステムの２０によって完全に協調さ れた被覆サイクルはこれによって終了する。被覆過程はそれぞれ適当な被覆法に 対して、特に反応ガス流スパッタリング法あるいは電子ビームＰＶＤ法のような ＰＶＤ法に対して実施できる。 電子ビームＰＶＤ法による被覆過程は上述の過程に類似して相応した被覆装置 １５によって実施される。 図２には電子ビームＰＶＤ法を実施するための被覆装置１５が概略的に正確に 縮尺に基づかずに示されている。この被覆装置は被覆室２を有し、この被覆室２ の中に真空発生装置１８によって１０^-2Ｐａより低い真空が発生される。被覆室 ２の外に電流源２９に接続されている電子ビーム銃２８が配置されている。更に 電流源２９と制御装置２２とが接続されている。鉛直方向に見て電子ビーム銃２ ８の下に棒形のセラミック被覆材料３１を被覆室の中に搬送する送り装置３０が 存在している。この送り装置３０も制御装置２２に接続されている。鉛直方向に 見て送り装置３０の上にここでは概略的にガスタービン翼として示されている構 造部品１が保持装置８に保持されでいる。この保持装置８は制御装置２２に接続 されている補助電圧源３２に接続されている。補助電圧源３２と保持装置８との 間でその都度構造部品１に印加される直流電圧は、イオン化された不活性ガス原 子により構造部品１の表面を浄化するために使用されるか、あるいは被覆材料の 原子を構造部品１の表面に向けて加速するために使用される。保持装置８は好適 には制御装置２２に接続されている図示されていない駆動装置を有している。こ の駆動装置は構造部品１をその長手軸線２７を中心として連続回転させる。鉛直 方向に見て送り装置３０の上および構造部品１の下に、反応ガスの導入管１６、 この場合には酸化剤導入管１６の開口部位が配置され、この導入管１６を通して 酸素が被覆室２の中に制御装置２２を介して的確に導入される。構造部品１を加 熱するために鉛直方向に見て構造部品１の上に加熱装置９が配置され、これも制 御装置２２に接続されている。被覆室２の中に真空圧測定装置１９が設けられ、 これも制御装置２２に接続されている。構造部品１にその温度ないし温度分布を 検出するために少なくとも一つの温度検出器１７、例えば熱電対が配置され、こ れも制御装置２２に接続されている。真空発生装置１８も制御装置２２に接続さ れている。 電子ビームＰＶＤ法によって被覆プロセスを実施するための制御装置２２は図 ３に示されている装置に類似して構成されている。ただサブシステムのガス流制 御２１ｃとサブシステムの被覆源制御２１ｇとの接続および相互作用は行われな い。装填室が１０^-2Ｐａの圧力に真空引きされ、その制御はサブシステムの室圧 制御２１ｈを介して行われる。この場合室圧の設定値は予め自由に与えられる。 予熱温度、特に７００℃に到達したことはサブシステムの構造部品温度制御２ １ｋによって検出される。その後で図示されていない反応ガス導入装置によって 予熱室に反応ガスを導入することによって、室圧が５Ｐａまでの設定被覆圧値に 高められる。その場合、サブシステムの構造部品温度制御２１ｋが同時に作用し 、構造部品温度を７００℃に保つ。サブシステムの室圧制御２１ｈおよびサブシ ステムの室雰囲気制御２１ｂもまた活動され、全圧としての設定室圧値の維持お よび個別のガスの分圧あるいは予め制御されたガス導入の全圧としての必要な室 雰囲気組成の形成を監視する。室雰囲気制御２１ｂ、構造部品温度制御２１ｋお よび室雰囲気制御２１ｂによって同時に設定値の維持が報知されたときにはじめ て、核形成温度に相当する新たな設定値が構造部品温度に対して与えられること によって、構造部品１は核形成温度まで一層加熱される。 被覆室２内においてサブシステムの構造部品温度制御２１ｋおよびサブシステ ムの室雰囲気制御２１ｂによって必要な被覆圧およびガス雰囲気組成が同時に制 御される。これらの両方の大きさ（室圧およびガス雰囲気組成）に対して設定値 が同時に報知されたときにはじめで、電子ビーム銃２８によって電子ビーム３３ が発生され、この電子ビーム３３は被覆材料３１に向けられ、セラミック被覆材 料が蒸発される。それはサブシステムの被覆源制御２１ｇを介して制御装置２２ によって作動され、定常的な蒸発条件に合わせて、セラミック被覆材料３１の送 りは送り装置３０によって、電子ビーム銃２８の電力は電源２９によって制御さ れる。 サブシステムの運動系２１ｍによって、被覆材料を被覆材料雲３４において特 に良好に利用し尽くすために、構造部品１が的確に動かされる。サブシステムの ガス流制御２１ｃと関連してサブシステムの室雰囲気制御２１ｂによって、室雰 囲気に対する予め定めた変動内で反応ガスが被覆室２の中に定常的に流入される 。 被覆の終了後に既に上述したように冷却が行われる。 本発明は、被覆過程中即ち構造部品上におけるセラミック断熱層の蒸着中、断 熱層の予め定めたマイクロ組織を得るために必要な複数、好適には３つ以上のプ ロセス量を同時に且つ一緒にそれぞれの設定値範囲内に制御することを特徴とす る。全プロセスと協調してプロセス量のほかに設備量も複合して制御される。更 に加熱過程、本来の被覆過程並びに冷却過程を含む完全な被覆サイクルはマスタ ーシステムのによって予め決められる順序で協調される。その制御は外乱の影響 が生じた際のプロセス量の適切な整合を含んでいる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．構造部品（１）が被覆室（２）の中に置かれて構造部品温度に保たれ、被覆 室（２）の中が真空にされ、少なくとも断熱層（３）を形成する材料を構造部品 （１）上に蒸着する被覆プロセス中に複数のプロセス量、特に真空圧、構造部品 温度および雰囲気組成が、これらがそれぞれ設定値範囲内にあり断熱層（３）が 構造部品（１）上に柱状組織で成長するように一緒に制御される構造部品（１） を断熱層（３）で被覆する方法。 ２．被覆プロセス中に被覆室（２）の中に酸素あるいは窒素のような反応ガスが 導入され、その反応ガスの流入量及び／又は反応ガスの分圧が別のプロセス量と して他のプロセス量と一緒に制御される請求項１記載の方法。 ３．構造部品（１）が断熱層（３）の材料を発生するための被覆源（６）に対し て相対的に移動され、被覆源（６）の材料供給及び／又は構造部品（１）の相対 運動が設備量としてプロセス量と一緒に制御される請求項１又は２記載の方法。 ４．構造部品温度の設定値範囲が９００〜１１５０℃、特に９５０〜１０５０℃ であり、真空圧の設定値範囲が１０^-3〜１０Ｐａ、特に１０〜５Ｐａである請求 項１ないし３の１つに記載の方法。 ５．反応ガスの分圧の設定値範囲が１０^-2〜５Ｐａ、特に５×１０^-1Ｐａである 請求項１ないし４の１つに記載の方法。 ６．工業ガスタービンのタービン翼、特に動翼あるいは静翼のような質量濃度が 著しく異なった部位（７ａ、７ｂ）を持つ構造部品（１）に適用され、構造部品 （１）がほぼ均一に加熱される請求項１ないし５の１つに記載の方法。 ７．構造部品（１）が第１の厚さの第１の部位（７ａ）と第２の厚さの第２の部 位（７ｂ）とを有し、その両者の厚さの比率が１：５〜１：２００、特に１：１ ０〜１：１００である請求項１ないし６の１つに記載の方法。 ８．ａ）構造部品（１）を加熱する加熱装置（９）と、 ｂ）真空発生装置（１８）と、 ｃ）真空圧測定装置（１９）と、 ｄ）構造部品（１）の温度を決定するための少なくとも一つの温度検出器（７） と、 ｅ）構造部品（１）の温度、真空圧およびガス組成のような被覆プロセスの複数 のプロセス量を一緒に制御するための制御装置（２２）と を備えている構造部品（１）上に断熱層（３）を製造するための被覆装置（１ ９）。 ９．ｆ）構造部品（１）を位置決めするための保持装置（８）と、 ｇ）被覆源（６）と を備え、この被覆源（６）が、 ｇ１）不活性ガスで貫流され陰極材料（１２）および陽極（１１）を含み、保持 装置（８）に面している不活性ガス用のガス出口（１３）並びにガス入口（ １４）を持つ中空陰極（１０）有し、陰極材料が特にイットリウムのような 安定剤金属が混入されているジルコニウムの合金から成り、特にジルコニウ ムを酸化するための反応ガスの導入口（１６）が中空陰極（１０）の外に設 けられているか、あるいは ｇ２）集束された電子ビームを被覆材料の組成を持つインゴット（３１）の表面 に照射してそれを蒸発させる電子ビーム銃（２８）を有し、そのインゴット （３１）が送り装置（３０）によって移動可能である、 請求項８記載の被覆装置（１５）。 １０．制御装置（２２）が、被覆プロセスの全経過を協調するためのマスターシ ステムの（２０）およびそれぞれ一つあるいは複数のプロセス量及び／又は設備 量を制御するための多数のサブシステムの（２１）で階層的に実施される請求項 ８又は９記載の被覆装置（１５）。