JPH08506383A - 拡散バリヤー層 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 耐熱性金属製品に安定な連続金属間化合物拡散バリヤー層を付与する方法を記載する。多くの場合、保護コーティングはそれらが適用される基板の材料と相容性でない。本発明においてはかかる非相容性が、適当な金属を順次堆積及び反応させて連続金属間化合物層を形成することにより、安定な中間拡散バリヤー層をその場で形成することで解消される。下層をなす基板を危険にさらすことなく慣用オーバーレイコーティングを中間層に適用することができる。本発明は更に、多層堆積物から複数の単一拡散バリヤーを形成、すなわち複数拡散バリヤーを堆積したり、基板、拡散バリヤー及びオーバーレイコーティングからなる完全保護系を形成してからその場で熱処理することを包含する。

Description

【発明の詳細な説明】 拡散バリヤー層 本発明は、金属製品のための保護コーティング、特に外部刺激と相互作用した 結果生じる基板（substrate）材料の劣化を防止する為に適用し得る安定な拡散 バリヤーコーティングに係わる。 ガスタービンエンジンに見られるような高温及び周期温度変化に長時間暴露さ れるような不良環境においては環境による劣化が極めて激しいことから、多くの 材料はそれらの使用条件に対する耐性によって使用が制限される。 長年にわたり、多くの材料の使用寿命及び／または最高使用可能温度を拡張す るために種々の保護コーティングが開発されている。しかしながら、特定の用途 に対して選択されたコーティング、例えば優れた耐酸化性または耐食性を有する コーティングは、それらが適用される基板材料と必ずしも相容性ではない。多く の場合に基板材料とコーティング組成物との間に望ましからぬ相互作用があり、 基板の物理的及び機械的特性が弱体化される結果となる。金属製材料の劣化は高 使用温度で加速される。 耐熱性成分（high temperature component）の金属間化 合物保護層の形成は特開昭第５７０１５５３６４号公報において公知であるが、 ここでは、温度１１５０℃で拡散充填アルミ化法（diffusion pack aluminising process）によって約３５〜５０μｍのＰｔＡｌ₂の不連続金属間化合物層が形 成される。耐熱性材料とは、５００℃以上の温度で使用し得る材料と定義される 。この保護層は基板材料に対して均一な保護を与えない。 従って、基板とコーティングとの間に生じるであろう相互作用に関係なく、所 与の目的で特定の基板に適用され得る最高のコーティングを与え得る耐熱性成分 のための均一コーティング法が必要とされている。 本発明によれば、これは、保護コーティングと耐熱性基板材料の表面との間に 中間コーティングとして、安定な連続均一拡散バリヤーを付与することにより達 成される。拡散バリヤーは、コーティング／基板の相互作用を最少限に抑えるこ とにより保護コーティング系の破壊を防止するよう作用し、表面の酸化／腐食に よる減損のためにコーティングの組成が変化することがあっても保護コーティン グの効力は維持される。拡散バリヤーは、望ましからぬ相互作用を制限すること により基板の物理的及び機械的特性を保 護する助けともなる。 特に本発明は、適当な金属種を順次重層及び反応処理して金属間化合物形態の 拡散バリヤーを生成することにより、安定な連続拡散バリヤーをその場で形成す るものである。本発明の概念は、各々が特定の単一の又は複数の元素の拡散を制 限する複数の金属間化合物層からなる拡散バリヤーにも及び、均一構造の単一金 属間化合物拡散バリヤー層を形成することに制限されない。適当な金属間化合物 種を選択することにより、バリヤーを介した保護コーティングの相互拡散が最少 限に抑えられ得る。 本発明は、耐熱性金属製品上に安定な連続金属間化合物拡散バリヤーを製造す る方法であって、 少なくとも第１金属からなる第１層を製品の表面上に堆積するステップ； 少なくとも第２金属からなる第２層を製品の表面上に、所定のモル比の第１金 属及び第２金属を与えるのに十分な深さに堆積するステップ；及び 第１金属と第２金属とを化合させて金属間化合物種を形成する反応処理を実施 するステップ からなる方法を提供する。 金属製なる用語は、金属、金属間化合物または合金材料でできた基板を定義す るために使用される。 所定の用途に対しては、反応ステップの前に、多数回の堆積ステップを順次行 い、必要な厚さの第１及び第２金属を積層することが有利となり得る。 上述したように、各々が特定の種の拡散に対してバリヤーとして作用する複数 の金属間化合物拡散バリヤーを堆積することが有利となる場合もある。 金属製品基板、一種又は複数の拡散バリヤー及びオーバーレイコーティングか らなる完全保護系を構築してから、その完全保護系をその場で熱処理してもよい 。この場合、拡散バリヤー前駆体の最上段の金属がオーバーレイコーティングと それほど相互作用しないことが保証されることが重要である。 反応処理ステップは、金属製品に行われる通常の合金熱処理サイクルの前また は間に実施し得る。反応処理は、堆積金属を、金属間化合物種を形成するのに必 要な発熱反応を開始するのに十分に高い温度に昇温することを含む単純加熱ステ ップであるのが好ましい。これは、大気酸化に起因する第２金属層の減損を最少 限に抑えるために中度真空 下で実施してもよい。 或いは反応処理は、例えば熱間静水圧焼結法を使用して高圧で実施することも できる。単純加熱のほかに、レーザービーム、プラズマ処理、または任意の他の 高エネルギー表面処理を使用して第１及び第２金属層を熱励起することにより反 応処理ステップを実施してもよい。 本発明方法によって形成される拡散バリヤー層は厚さ０．１μｍ〜１０μｍで あるのが好ましいが、より好ましくはバリヤー層の厚さは０．８μｍ〜３．０μ ｍである。 以下、本発明を実施するのに必要な一連のステップを概略的に示す図１を参照 し、本発明を実施例によって説明する。 図を参照すると、ステップ１は基板上に金属“Ａ”の第１層を堆積することを 示す。第１層の厚さｔ_Aは、反応後の熱拡散バリヤーコーティングに要求される 全厚とコーティング中に存在する金属“Ａ”の化学量論的比とによって決定され る。 ステップ２は、ステップ１において堆積した第１層の上に第２金属“Ｂ”を堆 積することを示す。ここでも、第２層の厚さｔ_Bは、最終的な熱拡散バリヤーに 要求される厚 さと存在する金属“Ｂ”の化学量論的比との関数である。 ステップ３は、金属“Ａ”及び“Ｂ”からなる２つの個々の層を金属間化合物 “ＡＢ”からなる単一の拡散バリヤー層に結合させる反応処理ステップを示す。 反応後の拡散バリヤー層Ａ_xＢ_yが化学量論的金属間化合物生成物であると仮定 するならば、所望の化学組成を得るためには約ｘモルの金属“Ａ”とｙモルの金 属“Ｂ”とを含む必要がある。２つの金属の個々の原子量（Ｍ）をＭ_A及びＭ_Bと し、それらの密度（ρ）をρ_A及びρ_Bとすると、厚さｔ_A及びｔ_Bの比は、 ｘ・Ｍ_A ｙ・Ｍ_B ρ_A ρ_B と同じ比であるべきである。上記関係は、厚さが容積に正比例することを前提と している。更に、固体／気体または固体／固体の相互作用による減損がいずれの 層においても僅かしかまたは全く生じないことも前提としている。このような減 損がかなりの程度で生じる場合、個々の層の相対的厚さに関して適当な調整を行 う必要がある。実施例１ 上記方法は、市販のＩＭＩ８３４チタン合金の基板にう まく実施することができた。この場合拡散バリヤーは、基板と耐酸化性コーティ ングとの間の中間層として作用する必要があった。耐酸化性コーティングの目的 は、酸素の進入を防止し、それによって脆弱なα表面層の形成を制限することで ある。α表面層が形成されるとチタン基板の機械的特性が大幅に低下し得る。 上述の一連のステップを使用し、Ｒ．Ｆ．バイアスＤ．Ｃ．スパッタリングル ート（R.F.biased D.C.sputtering route）を使用して順次付与したＰｔ層及び Ａｌ層を反応させて金属間化合物ＰｔＡｌ₂層を形成した。 特にチタン中でのアルミニウムの拡散性が高いことを鑑み、基板材料と第１金 属“Ａ”の間に起こり得る固体／固体相互作用を最少限に抑えるため、比較的ゆ っくり拡散するＰｔ層をまず堆積し、次いで、比： （ＰｔＡｌ₂においてはｘ＝１及びｙ＝２であることを想起されたい） に従って必要な厚さのＡ１を堆積した。 大気酸化に起因する外側アルミニウム層の減損は、約２． ０×１０^-5バールの中度真空下で反応処理を実施することにより防止された。こ の場合の反応処理は温度７５０℃で２時間加熱することからなった。拡散バリヤ ーコーティング表面のＸ線回折分析から、所望のＰｔＡｌ₂結晶構造が得られた ことが確認された。 このように形成された連続ＰｔＡｌ₂金属間化合物層の上に８０／２０ Ｎｉ ／Ｃｒ耐酸化性層を被覆した。７００℃の空気中で１００時間の酸化熱処理によ って、ＰｔＡｌ₂層がニッケルに対する拡散バリヤーとして完全に有効であるこ とが示された。更に、基板表面をエッチングしてもα表面層形成の形跡はなく、 酸化に対するバリヤーとしてＮｉ／Ｃｒ層が有効であることが確認された。 ＩＭＩ８３４基板上に拡散バリヤーとして形成した他の金属間化合物はＴｉＡ ｌ及び（ＰｔＴｉ₃＋ＴｉＡｌ）である。ニッケルベースの基板にも本発明方法 を実施し、ＮｉＣｒ、ＮｉＣｒＡｌ、ＮｉＡｌ及びＮｉの各々に対してＰｔＡｌ₂ からなる拡散バリヤー層を付与した。 ＮｉＣｒ及びＮｉＡｌ基板上に拡散バリヤーを形成し、オーバーレイコーティ ング系を付与した後、各試験片に１０５０℃で８０分間、更に１１５０℃で４０ 分間の酸化熱 処理を実施した。ＩＭＩ８３４基板上の（ＰｔＴｉ₃＋ＴｉＡｌ）拡散バリヤー には７００℃で１００時間の酸化熱処理を実施した。各処理から、それぞれの拡 散バリヤー層の有効性が示された。 チタンアルミナイト合金を、ＰｔＡｌ₂及びＴｉＡｌの金属間化合物拡散バリ ヤー層に対する基板として使用した。 下記の表に、特定の基板材料に対する典型的な拡散バリヤー形成を、拡散バリ ヤー層の典型的な厚さ及び有効性試験条件と共に示す。 実施例から、多数の拡散バリヤー金属間化合物が種々の基板に使用し得ること が判る。また、別の耐酸化性オーバーレイコーティングを使用し得るとも理解さ れる。適当なオーバーレイコーティングが耐酸化性を与えるものに制限される必 要のないことも理解されよう。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．耐熱性金属製品上に安定な連続金属間化合物拡散バリヤーを製造する方法で あって、 少なくとも第１金属からなる第１層を製品の表面上に堆積するステップ； 少なくとも第２金属からなる第２層を製品の表面上に、所定のモル比の前記第 １金属及び第２金属を与えるのに十分な深さに堆積するステップ：及び 前記第１金属と第２金属とを化合させて金属間化合物種を形成する反応処理を 実施するステップ からなる方法。 ２．前記反応ステップの前に、多数回の堆積ステップを順次行い、必要な厚さの 第１及び第２金属を積層する請求項１に記載の方法。 ３．種々の組成を有する複数の拡散バリヤーを順次堆積し、多種の拡散に対する バリヤーとして作用させる請求項１または２に記載の方法。 ４．前記反応処理が、堆積層を、拡散バリヤー前駆体の構成金属間で発熱反応を 起こすのに十分な温度に加熱することからなる請求項１から３のいずれか一項に 記載の方法。 ５．前記反応処理が、レーザービームまたはプラズマ処理のごとき高エネルギー 表面処理によって堆積層を熱励起することからなる請求項１から４のいずれか一 項に記載の方法。 ６．前記反応処理ステップの前に、最も外側の拡散バリヤー層にオーバーレイコ ーティングを付与することによって、金属製品基板、拡散バリヤー層及びオーバ ーレイコーティングからなる完全保護系の部分を形成し、その完全保護系をその 場で反応処理する請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。 ７．前記反応処理ステップを非周囲圧力で実施する請求項１から６のいずれか一 項に記載の方法。 ８．０．１μｍ〜１０μｍの全厚を有する請求項１から７のいずれか一項に記載 の方法によって製造された拡散バリヤー。 ９．０．８μｍ〜３．０μｍの全厚を有する請求項８に記載の拡散バリヤー。