特許 7002195 クロムをベースとする酸化保護層、コーティングされた基板、および方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-01-04

(45)【発行日】2022-01-20

(54)【発明の名称】クロムをベースとする酸化保護層、コーティングされた基板、および方法

(51)【国際特許分類】

   C23C 14/08 20060101AFI20220113BHJP

   C23C 14/06 20060101ALI20220113BHJP

   C23C 14/24 20060101ALI20220113BHJP

   C23C 14/34 20060101ALI20220113BHJP

   F01D 5/28 20060101ALI20220113BHJP

   F23R 3/42 20060101ALI20220113BHJP

【ＦＩ】

C23C14/08 J

C23C14/06 A

C23C14/24 F

C23C14/34 N

F01D5/28

F23R3/42 C

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2016508035

(86)(22)【出願日】2014-04-14

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2016-07-14

(86)【国際出願番号】 EP2014000991

(87)【国際公開番号】W WO2014170005

(87)【国際公開日】2014-10-23

【審査請求日】2017-02-08

【審判番号】

【審判請求日】2019-02-01

(31)【優先権主張番号】61/812,350

(32)【優先日】2013-04-16

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】516082866

【氏名又は名称】エリコン サーフェス ソリューションズ アーゲー、 プフェフィコン

【住所又は居所原語表記】Ｃｈｕｒｅｒｓｔｒａｓｓｅ １２０ ８８０８ Ｐｆｅｆｆｉｋｏｎ ＳＺ ＣＨ

(74)【代理人】

【識別番号】100154612

【弁理士】

【氏名又は名称】今井 秀樹

(74)【代理人】

【識別番号】100091867

【氏名又は名称】藤田 アキラ

(72)【発明者】

【氏名】ラム ユルゲン

【合議体】

【審判長】宮澤 尚之

【審判官】関根 崇

【審判官】金 公彦

(56)【参考文献】

【文献】特表２０１０－５０６０４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００８－５３３３１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－２２９４６３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

C23C14/00-14/58

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

高温にさらされる基板のためのクロムをベースとする酸化保護層であって、前記層が、ベース層と機能層とを有するクロム含有層系を備え、かつ前記ベース層が、前記基板と前記機能層との間に位置し、
前記ベース層は、本質的に窒化クロムからなり、かつ前記機能層は、交互に析出された個々の層ＡおよびＢを含む多層構造を有し、個々の層Ａは本質的に窒化クロムからなり、かつ個々の層Ｂは本質的に酸化クロムまたは酸窒化クロムからなる酸化保護層において、
互いの上に交互に析出された各個々の層Ａと個々の層Ｂとの間で、前記多層構造が、個々の層Ｃを有し、その窒素含有量が、直接隣接する個々の層Ｂの窒素含有量より多く、かつ直接隣接する個々の層Ａの窒素含有量より少ないこと、及び、
前記ベース層は最大１０μｍの厚さであり、前記機能層は最大２０μｍの厚さであることを特徴とする酸化保護層。

【請求項2】

前記ベース層の層厚が、１μｍより大きい請求項１に記載の酸化保護層。

【請求項3】

前記機能層の層厚と前記ベース層の層厚との比率が、０．５～２である請求項１または２に記載の酸化保護層。

【請求項4】

高温にさらされる基板のためのクロムをベースとする酸化保護層であって、前記層が、機能層を有するクロム含有層系を備え、
前記機能層が、交互に析出された個々の層ＡおよびＢを含む多層構造を有し、前記個々の層Ａの組成が、前記個々の層Ｂの組成とは異なり、前記個々の層Ａは、本質的に窒化クロムからなり、かつ前記個々の層Ｂは本質的に酸化クロムまたは酸窒化クロムからなる酸化保護層において、
互いの上に交互に析出された各個々の層Ａと個々の層Ｂとの間で、前記多層構造が、個々の層Ｃを有し、その窒素含有量が、直接隣接する個々の層Ｂの窒素含有量より多く、かつ直接隣接する個々の層Ａの窒素含有量より少ないこと、及び、
前記機能層は最大２０μｍの厚さであることを特徴とする酸化保護層。

【請求項5】

各個々の層Ａおよび／またはＢの層厚が５０ｎｍ～１００ｎｍである請求項１乃至４のいずれか一項に記載の酸化保護層。

【請求項6】

請求項１乃至５のいずれか一項に記載の酸化保護層を含むコーティングされた基板。

【請求項7】

請求項１乃至６のいずれか一項に記載の酸化保護層の製造方法であって、該方法は、ＰＶＤプロセス、スパッタリングプロセス、またはアーク蒸発プロセスの使用を含み、かつ４５０℃以下のプロセス温度を使用する方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、高温にさらされる基板のための、クロムをベースとする酸化保護層に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１によると、酸化保護層は、例えば、ガスタービン構成部分、ガスタービン翼、燃焼室のプレートなどで使用される。上記特許には、層がいわゆるプラズマ噴霧によって、懸濁液から基板上に析出される方法が記載される。しかしながら、そのような方法で析出された層は、それらが比較的厚い層でのみ適用可能であり、そのうえ、接着能力に及ぼす悪影響を有するおそれのある応力を有するという不都合を有する。しかしながら、例えば、特許文献２に開示されるように、耐酸化性であり、かつ熱伝導度の低い００２０材料も、ピストンと関連して使用される。

【0003】

したがって、使用の間に高温にさらされる基板に対して、良好な酸化保護を提供する層が要求されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】ＤＥ １０ ２００５ ０６１０６０

【文献】ＤＥ １０ ２００９ ０３５８４１

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

したがって、本発明の対象は、そのような層およびその製造方法を開示することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明によると、この対象は、クロム含有層系によって達成される。クロムは、金属クロムの形態であることも、または酸化クロムおよび／もしくは窒化クロムなどの化合物であることもできる。この層および／または層システムは、金属または化合物のいずれかの形態のアルミニウムなどの他の化学元素を含むことができる。好ましくは、中間層が最初に基板上に析出され、次いで、最上層が中間層上に析出される。

【0007】

この層系は、気相から沈殿させることによって析出される。例えば、ＰＶＤおよび／またはＣＶＤプロセスをこれに使用することができる。ＰＶＤによって層系の層の一部分を適用し、そして層系の層の他の部分をＣＶＤによって適用することも可能である。例えば、真空条件下でのスパッタリングおよび／または蒸発を、ＰＶＤプロセスの間に使用することができる。蒸発の特に好ましい形態は、材料が、アークによってターゲット表面から局所的に蒸発されるアーク蒸発である。

【0008】

ここで、本発明を、いくつかの実施例をベースとして、詳細に記載する。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】球面キャロット研磨を示す。

【図2】電子顕微鏡像を示す。

【発明を実施するための形態】

【0010】

第１の実施形態によって、厚さ３μｍのＣｒＮ中間層が基板に適用され、その上へ厚さ３μｍのＡｌＣｒＯ層が適用される。

【0011】

本発明によって、ＡｌＣｒＯ層は、多層コーティングとして析出されることも可能であり、例えば、個々の層に対して異なる組成で析出されることができる。

【0012】

本発明の第２の実施形態によって、厚さ３．５μｍのＣｒＮ中間層が基板に適用され、その上へ厚さ３．５μｍのＡｌＣｒＯ層が適用される。

【0013】

本発明の第３の実施形態によって、厚さ１．７μｍのＣｒＮ中間層が基板に適用され、その上へ厚さ１．７μｍのＡｌＣｒＯ層が適用される。

【0014】

本発明の第４の実施形態によって、厚さ５μｍのＣｒＮ中間層が基板に適用され、その上へ厚さ５μｍのＣｒＯ／Ｎ多層（ＣｒＯ／ＣｒＮ多層）が適用される。

【0015】

上記実施形態において、コーティング温度は、例えば、４５０℃であることができる。

【0016】

本発明の第５の好ましい実施形態によって、ＣｒＮ中間層が基板に適用され、その上へＣｒＮ／ＣｒＯＮ多層が適用される（これに関しては、図１に示される球面キャロット研磨を参照のこと）。図２の電子顕微鏡像から明白であるように、ＣｒＮ中間層の厚さは約２．４μｍであり、そして多層の厚さは約３μｍである。

【0017】

実施例の多層は、１８層の個々のＣｒＮ層および１８層の個々のＣｒＯＮ層である、３６層の個々の層から構成される（図１を参照のこと）。層の適用に関しては、各層を適用するために約２分間を要したため、多層コーティングを製造するには約７２分要した。コーティングプロセスの間、約２３０℃のコーティング温度が維持された。これに関連して、個々の層の数およびそれらの厚さは、適用に適合するように選択することができる。その結果、酸化を保護する、薄くて高度に耐性のある保護層が得られ、これは特に、使用間に高温にさらされる基板、および酸化からの保護を必要とする基板に適切である。

【0018】

実施例においては、ＣｒＮは中間層として使用された。しかしながら、本発明によると、中間層として、例えば、金属クロムなどの他の層を使用することも可能である。また、最初に金属クロムを基板表面に適用し、続いて、より厚いＣｒＮ層を適用し、次いで、より薄い個々の層から構成されるＣｒＮ／ＣｒＯＮ多層をその上に適用することも可能である。

【0019】

本発明は、高温にさらされる基板のためのクロムをベースとする酸化保護層であって、層が、ベース層と機能層とを有するクロム含有層系を含み、かつベース層が、基板と機能層との間に位置し、ベース層が、少なくとも大部分は窒化クロムを含有し、かつ機能層が酸化クロムを含有する酸化保護層を開示する。

【0020】

本発明の好ましい実施形態によると、ベース層は窒化クロムから構成されるが、いくつかの用途に関しては、窒化アルミニウムクロムから構成されることも可能である。

【0021】

本発明の別の実施形態によると、機能層は、少なくとも大部分は酸化アルミニウムクロムを含有するか、また好ましくは機能層は、酸化アルミニウムクロムから構成される。

【0022】

特に好ましい実施形態によると、機能層は、交互に析出された個々の層ＡおよびＢを含む多層構造を有し、かつ個々の層Ａの組成は、個々の層Ｂの組成とは異なる。

【0023】

ベース層の層厚は、好ましくは１μｍより大きく、いくつかの用途に関して、好ましくは１．５μｍ～１０μｍ、またはさらに好ましくは２μｍ～７μｍである。

【0024】

機能層の層厚とベース層の層厚との比率は、好ましくは０．５～２、またはいくつかの用途に関して、好ましくは０．２５～１．５である。

【0025】

本発明による別の酸化保護層は、高温にさらされる基板のためのクロムをベースとする酸化保護層であって、層が、機能層を有するクロム含有層系を含み、機能層が、交互に析出された個々の層ＡおよびＢを含む多層構造を有し、個々の層Ａの組成が、個々の層Ｂの組成とは異なり、個々の層Ａが、少なくとも大部分は窒化アルミニウムクロム、また好ましくは窒化クロムを含有し、かつ個々の層Ｂが、少なくとも大部分は酸化アルミニウムクロムもしくは酸化クロム、また好ましくは酸窒化アルミニウムクロム、またはより好ましくは酸窒化クロムを含有する。

【0026】

一般に、本発明によると、個々の層Ａは、少なくとも大部分は窒化アルミニウムクロム、また好ましくは窒化クロムを含有し、かつ個々の層Ｂは、少なくとも大部分は酸化アルミニウムクロムもしくは酸化クロム、また好ましくは酸窒化アルミニウムクロム、またはより好ましくは酸窒化クロムを含有する。

【0027】

本発明による酸化層の他の好ましい実施形態によると、
・個々の層Ａは、窒化アルミニウムクロムから構成され、かつ個々の層Ｂは、酸化アルミニウムクロム、もしくは好ましくは酸窒化アルミニウムクロムから構成されるか、または
・個々の層Ａは窒化クロムから構成され、かつ個々の層Ｂは、酸化アルミニウムクロム、もしくは好ましくは酸窒化アルミニウムクロムから構成され、また好ましくは
・個々の層Ａは、窒化クロムから構成され、かつ個々の層Ｂは、酸化クロム、また好ましくは酸窒化クロムから構成される。

【0028】

多層構造は、個々の層Ａと個々の層Ｂとの間に析出される、個々の層Ｃを含むことも可能であり、個々の層Ｃの組成は、個々の層Ａの組成および個々の層Ｂの組成のそれぞれとは異なり、かつ個々の層Ｃは、少なくとも大部分は酸窒化アルミニウムクロム、また好ましくは酸窒化クロムを含有する。

【0029】

好ましくは、そのような個々の層Ｃは、酸窒化アルミニウムクロム、またはより好ましくは酸窒化クロムから構成される。

【0030】

好ましい実施形態によると、互いの上に交互に析出された各個々の層Ａと個々の層Ｂとの間で、多層構造は、その窒素含有量が、直接隣接する個々の層Ｂの窒素含有量より多く、かつ直接に隣接する個々の層Ａの窒素含有量より少ない、個々の層Ｃを有する。

【0031】

各個々の層Ａおよび／またはＢの層厚は好ましくは５０ｎｍ～１００ｎｍである。

【0032】

本発明の上記実施形態の１つによる酸化層によってコーティングされた基板も本開示に含まれる。

【0033】

さらにまた、本開示は、本発明の上記実施形態による酸化層の製造方法を含み、好ましくは、この方法はＰＶＤプロセス、例えば、スパッタリングプロセス、または用途によっては、好ましくはアーク蒸発プロセスである。好ましくは、コーティングプロセス間のプロセス温度は４５０℃以下である。

【図1】

【図2】