JP6441318B2 - ターボチャージャー用バリア層 - Google Patents

Description

本発明は、高温を受けるシステム（装置）またはターボチャージャーの部品および／または構成要素を高温腐食から保護するためのバリア層を有するシステム、特にターボチャージャーに関する。

特許文献１には、ターボチャージャーなどの部品からの放熱を低下させるための断熱層としての、二酸化チタン、または少なくとも１種の他のセラミック材料との二酸化チタンの混合物から製造されたバリア層の使用が開示されている。このバリア層は、好ましくは、溶射によって堆積・析出される。

結果的に、従来技術によるターボチャージャーのいくつかの部品は、必然的に高温を受ける。したがって、そのような部品は、一般に、非常に高価であり、かつ製造が困難であるＮｉおよび／またはＴｉ合金などの非常に温度安定性のある材料から構成される。

ターボチャージャーの部品の既知のコーティングは、他の目的のためでもある。例えば、特許文献２および特許文献３は、ターボチャージャー部品の表面上に堆積することができる触媒コーティングを開示している。特許文献３によると、ターボチャージャーの圧縮器のフローガイド部品における汚れ堆積を減少させるための手段として、そのような触媒コーティングを使用することができる。

欧州特許第２１１２２５２号明細書 欧州特許第２４０６４７６号明細書 欧州特許第２０４１４００号明細書

本発明の目的は、高温を受けるターボチャージャー部品の実用寿命を延ばすための解決策を提供することである。

この目的は、高温を受けるターボチャージャー部品が、少なくとも１つの酸化アルミニウムクロム層（Ａｌ−Ｃｒ−Ｏ）を含む酸化および化学的バリア層によってコーティングされる本発明によって達成される。

例示的な実施形態１から得られる層１の層厚さを評価するためのキャロット（calotte）研磨測定を示す。 例示的な実施形態１から得られる層２の層厚さを評価するためのキャロット（calotte）研磨測定を示す。 Ａｌ_０．７Ｃｒ_０．３ターゲットによって製造され、かつコランダム構造の（Ａｌ，Ｃｒ）_２Ｏ_３層に関する反射を明らかに示す（Ａｌ，Ｃｒ）_２Ｏ_３層のＸ線回折図を示す。 Ａｌ_０．７Ｃｒ_０．３ターゲットによって製造され、かつ金属間相Ａｌ_８Ｃｒ_５の結晶構造の反射を明らかに示す（Ａｌ，Ｃｒ）_２Ｏ_３層のＸ線回折図を示す。

本発明に関して、「高温」という表現は、４００℃より高い、特に５００℃より高い温度を意味するものとして理解される。

本発明によるバリア層は、特に、６００℃まで、さらには８００℃まで、およびそれ以上の温度を受けるターボチャージャーの部品のための、酸化および化学的攻撃に対する非常に優れたバリアであることが判明した。

好ましくは、層は、ＰＶＤプロセスによって、好ましくはドロップレットフィルターを用いない反応性アーク蒸発によって、本発明に従って堆積される。

好ましくは、層は、ＣｒＮの界面層およびＡｌ−Ｃｒ−Ｏの機能層を含有する。

本発明の他の詳細を、例示的な実施形態によって記載する。

２つの例示的な実施形態１および２による層を製造するために、以下のプロセスパラメーターを使用した（表１および２を参照のこと）。
表１は、界面の堆積におけるプロセスパラメーターを示す。
表２は、機能層の堆積におけるプロセスパラメーターを示す。

例示的な実施形態１および２に従って本発明によって製造される層の層厚さは、キャロット研磨プロセス（表３ならびに図１および２を参照のこと）を使用して、層厚さ試験デバイスを用いて測定した。
表３は、例示的な実施形態１および２から得られる層１および２の層厚さを示す。

本発明によるＡｌ−Ｃｒ−Ｏ層を製造するため、好ましくは、原子濃度で０．２≦ｘ≦０．９であるＡｌ_１−ｘＣｒ_ｘ組成を有するターゲットを使用する。一般に、示された領域においていずれの化学組成も使用することができるように、これらのターゲットは粉末冶金によって製造される。

好ましくは、上記の例示的な実施形態１および２においてすでに示されたように、ターゲットを酸素雰囲気で蒸発させる。本発明によると、蒸発速度を制御するために、ターゲットを異なる放電電流で操作することができる。

本発明によると、層の化学組成は、好ましくは、この方法で製造された層の分析において（Ａｌ，Ｃｒ）_２Ｏ_３−ｙ（式中、ｙ≦０．３である）の組成が得られるように制御される。

事例によっては、コーティング温度は、コーティングすべき基板材料に、およびその後の使用に適応することができる。典型例として、コーティング温度は、１００℃〜６００℃である。

コーティングされる基板は異なる形状および径を有してもよいため、それによって、システムにおけるコーティングの間に基板が固定される基板ホルダーの実施形態は、基板の形状に適応する。

この全てが、全ての事例において、上記の化学組成が実際に維持されるが、酸化物層の他の相組成が、異なるプロセスパラメーターのために製造されるという事実をもたらす。

層の相は、通常、Ｘ線回折（ＸＲＤ）法を使用して測定される。結果的に、測定されたＸＲＤスペクトルは、場合によっては、例えば図３に示されるようなコランダム構造の（Ａｌ，Ｃｒ）_２Ｏ_３層の反射を明白に示すことができる。この場合、図３は、Ａｌ_０．７Ｃｒ_０．３ターゲットによって製造された（Ａｌ，Ｃｒ）_２Ｏ_３層のＸ線回折図を示す。

この図中、炭化タングステン基板（太い破線）の位置、ならびにエスコライト構造（実線）のＣｒ_２Ｏ_３およびコランダム構造（破線）のＡｌ_２Ｏ_３の回折反射に対する位置のＸＲＤ反射がプロットされている。これらの２本の線の間にあるのは、ベガードの法則に従って予想されるように、コランダム構造の合成（Ａｌ，Ｃｒ）_２Ｏ_３混晶に関するそれぞれの測定された回折反射である。

しかしながら、プロセス条件が上記の通りに変化された場合、酸化物の結晶径が小さく、ＸＲＤで微結晶をもはや検出することができなくなるか、またはプロセス条件の変化により、得られた酸化物の構造が非晶質となる可能性がある。

そのような場合、酸化物はＸ線スペクトルではもはや検出することができないが、ほとんどすべての事例において、物質的に関連のある化合物、主として金属間相およびＡｌ−Ｃｒ−Ｏ層の金属混晶が見られる。そのような物質的に関連のある化合物は、例えば、金属間相Ａｌ_８Ｃｒ_５である。

相当するＸ線回折図を図４に示すが、これは、１つの層で測定されたＸ線スペクトルを示し、ここでは酸化物相は検出されないが、物質的に関連のある金属間相Ａｌ_８Ｃｒ_５は明白である。このＸ線回折図は、再び、炭化タングステン基板（太い破線）の回折反射と、加えて、Ａｌ_８Ｃｒ_５結晶構造（実線）の回折反射を示しており、これは明らかに、酸化物層におけるこの金属間化合物の存在を実証している。

完全に同様の方法において、特定のプロセス条件下で、化学組成が上記されている酸化物層においてＸＲＤを使用して、例えば、Ａｌ_４Ｃｒ_１またはＡｌ_９Ｃｒ_４、あるいは他のＡｌ−Ｃｒ金属間化合物または混晶も、個々に、または一緒に検出することができる。

Claims (5)

1. ターボチャージャーのＰＶＤコーティングされた部品またはＰＶＤコーティングされた構成要素において、
   ＰＶＤコーティングされた基板を有しており、当該ＰＶＤコーティングされた基板が酸化および化学的バリア層を有し、前記バリア層が少なくとも１つのＡｌ−Ｃｒ−Ｏ層を含み、前記Ａｌ−Ｃｒ−Ｏ層は少なくとも部分的にコランダム構造を有し、Ｘ線回折図においてＡｌＣｒ金属間相の結晶構造の反射を少なくとも示すこと、
   前記基板はターボチャージャーの部品または構成要素であり、当該基板は前記ターボチャージャーの操作の間に４００℃より高いが８００℃以下である温度を受けること、
   前記Ａｌ−Ｃｒ−Ｏ層における酸化物の結晶径が、Ｘ線回折で酸化結晶がもはや検出され得ずその結果酸化物相がＸ線回折図において検出され得ない程に、小さいこと、
   を特徴とするターボチャージャーのＰＶＤコーティングされた部品またはＰＶＤコーティングされた構成要素。
2. 前記バリア層が、前記基板と前記Ａｌ−Ｃｒ−Ｏ層との間に位置する窒化クロム層を含むことを特徴とする請求項１に記載のターボチャージャーのＰＶＤコーティングされた部品またはＰＶＤコーティングされた構成要素。
3. 前記Ａｌ−Ｃｒ−Ｏ層の化学組成が、（Ａｌ，Ｃｒ）_２Ｏ_３−ｙ の組成を生じ、その際ｙ≦０．３であることを特徴とする請求項１または２に記載のターボチャージャーのＰＶＤコーティングされた部品またはＰＶＤコーティングされた構成要素。
4. Ｘ線回折図が、コランダム構造の（Ａｌ，Ｃｒ）_２Ｏ_３層の反射を示すことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のターボチャージャーのＰＶＤコーティングされた部品またはＰＶＤコーティングされた構成要素。
5. Ｘ線回折図が、ＡｌＣｒ金属間相の結晶構造の反射を示すことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のターボチャージャーのＰＶＤコーティングされた部品またはＰＶＤコーティングされた構成要素。