JP2002523623A - プラズマ溶射による高温構造部材の被覆方法及び被覆設備 - Google Patents

プラズマ溶射による高温構造部材の被覆方法及び被覆設備

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Abstract

(57)【要約】 本発明はプラズマ溶射により高温構造部材（１０）を被覆する方法に関する。赤外線カメラ（２０）により構造部材の表面（４０）の熱放射分布（３０）を検出し、これから温度分布（７０）を求め、温度分布に応じて閾値温度（Ｔｓ）を得るため処理パラメータ（ｐ）を調整する。更に本発明は、赤外線カメラ （２０）により表面温度を調整しながら被覆（１５）を形成する被覆設備に関する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は、請求項１の前文に記載の概念に基づき、プラズマ溶射により高温構
造部材、特にガスタービン部材を被覆する方法に関する。更に本発明は請求項１
４の前文に記載の概念に基づき赤外線カメラを使用する被覆設備に関する。
【０００２】 プラズマ溶射は、他の熱被覆法に比べて、その柔軟な使用可能性と良好な経済
収支の故に、例えば熱ガスによる腐食に対し構造部材を保護するための被覆を形
成する際、極めて重要である。公知の種々の方法には、とりわけ真空プラズマ溶
射（ＶＰＳ）、低圧プラズマ溶射（ＬＰＰＳ）及び常圧プラズマ溶射法がある。
【０００３】 プラズマ溶射技術では、被覆は、塗布すべき材料を供給しながら、被覆すべき
基板に向けて極めて高温のプラズマビームを放射して形成される。その場合、被
覆材料は大体において粉末又はワイヤであり、それらは搬送中に基板に衝突する
前にプラズマビームにより溶融される。従って原理的に、極めて異なる被覆材料
及び基板材料で、多岐にわたる層厚を製造できる。金属粉末及びセラミックス粉
末を、出発物質が一定の融点を有する限り、極めて異なる混合と粒径で使用でき
る。高温ガス腐食層を有するガスタービンの羽根の被覆に、例えばＭＣｒＡｌＹ
層を使用する。ここにＭはニッケル、コバルトのような金属を表す。
【０００４】 層の種類及び品質は、とりわけ気孔含有量、酸化物及び窒化物含有量及びそれ
らの接着特性により影響される。重要な接着メカニズムは、表面の粗面性の他に
種々の材料又は化学反応による相互拡散である。本来の保護層を塗布する前に接
着仲介層を施すことが、特に異なる熱膨張係数を補正しなければならない場合し
ばしば必要となる。
【０００５】 被覆の品質検査のために、種々の方法が使用される。その際、例えば超音波又
は赤外線工学を用いた非破壊検査が有効である。第１の方法の場合、検査装置が
加工品の表面に接触し、例えば一定形状の構造部材に使用範囲が制限される欠点
がある。更に表面の汚れ、非平坦性又はその他の表面異常により、しばしば誤差
が生じる。構造部材のこの種の検査は大表面の平均値を求める検査と言える。
【０００６】 赤外線技術の場合、これら欠点の大半はなくなる。これは、構造部材の温度と
関連して全ての材料が赤外線探知器により記録される電磁放射線を吸収及び放射
することに起因する。赤外線による方法は、迅速かつ柔軟に使用でき、問題なく
制御又は調整に利用できる。
【０００７】 例えば応力により層中に生ずる亀裂を探知するには、米国特許５１１１０４８
号明細書に記載されている赤外線サーモグラフ法を使用できる。その際、欠陥箇
所と残りの表面との間にコントラストを付けるため、レーザ光線が使用される。
欠陥箇所は、スムーズな表面に対して電磁放射線の異なる吸収特性もしくは放射
特性を示す。この方法は、被覆処理中に被覆室内で使用できず、かつ放射線を外
部の放射手段により、加熱と関わりなく励起しなければならない欠点を持つ。
【０００８】 被覆の厚さ及び欠陥を赤外線技術により検査する装置及び方法は、英国特許第
２２２００６５号明細書に記載されている。その際、被覆された構造部材に短い
赤外線インパルスを当て、放射の応答を赤外線カメラにより記録する。その際検
査すべき範囲は、上記の方法におけるよりも均一に照射される。比較的高いプロ
セス温度の場合、加熱された構造部材の赤外線放射と、この測定法で用いる、探
知及び評価のためのフラッシュランプの赤外線放射とが分離不能に重なり合って
しまうという欠点がある。
【０００９】 上記の制御法も、他の制御法も、一般に被覆を完了した後に行われるものであ
る。しかしオンライン制御を既に被覆中に行うことが、この方法を必要に応じて
介入させて制御し、又は結果に応じて調整するために望ましい。更にこのプロセ
ス中のこれと関連する処理パラメータの制御及び調整が、品質を保証し、方法を
改善するために望ましい。
【００１０】 請求項１の前文に示した特徴概念を開示する米国特許５０４７６１２号明細書
には、被覆工程中における被覆のオンライン制御法が記載されている。赤外線検
知器により、被覆すべき構造部材上におけるプラズマビームの照射スポットの位
置を検出し、被覆工程中に被覆塗布を粉末流及び粉末のキャリアガスの調整によ
り制御する。その際プロセスパラメータの調整が、構造部材毎に個々に行われる
欠点がある。更に粉末配分の制御は、それ自体操作要件を満たす被覆の確実な接
着に、十分な条件を提供しない。
【００１１】 これに対して被覆されるべき構造部材の表面温度は、被覆に種々の保護機能を
形成するため本質的に重要である。上述のＭＣｒＡｌＹ層は、それらの保護機能
を例えば酸化アルミニウム又は酸化クロム層の形成により達成する。それにより
特に基本材料中の酸化腐食は阻止される。これらの酸化物層は構造部材の表面温
度に応じて様々に形成される。同様にプラズマ溶射プロセス中の異なる金属セラ
ミックス層の接着に、基板表面温度の最新の結果及び構造部材の表面上の温度勾
配は、極めて重要である（例えばＰｒｏｃ．Ｉｎｔ．Ｔｈｅｒｍ．Ｓｐｒ．Ｃｏ
ｎｆ．１９９８年、ニース、フランス１５５５頁以降参照）。
【００１２】 プラズマ溶射の場合、温度の測定にしばしばパイロメータが構造部材の表面の
任意の箇所に使用される。しかしこのパイロメータは単に点測定を提供するだけ
であり、プロセス実施中に羽根が動くとパイロメータによる温度測定は羽根の表
面が変化した位置で行われる危険性が生じる。従ってこのようにして測定された
温度は算定不可能な大きな偏差を生ずる。
【００１３】 従って本発明の課題は、冒頭に記載した方法及び冒頭に記載した装置を、生
成される層の品質を被覆処理中に確実かつ再現性よく監視し、調整することがで
きるように改善することにある。
【００１４】 この課題は、請求項１の方法及び請求項１４の装置により解決される。
【００１５】 構造部材の表面範囲の熱分布を本発明による赤外線カメラで測定することによ
り、構造部材表面の平面の概観はリアルタイムで可能である。赤外線カメラによ
る熱放射の測定は、確かに既に例として挙げた米国特許５０４７６１２号明細書
から公知の方法で、プラズマによる被覆中の粉末の塗布を制御するのに使用され
ている。それに対して本発明では、全ての構造部材表面の厳密な絶対温度分布又
は構造部材の表面の選択された所定部分の測定を厳密にかつ時間に従って行う。
本発明で用いる赤外線カメラは、構造部材を写すためのＣＣＤの視界上に構造部
材を結像させる光学装置及び強度と周波数とに依存する評価装置を有する赤外線
に敏感なＣＣＤカメラである。熱分布から温度分布を検出することは、赤外線カ
メラにより測定した構造部材の表面の熱放射を、放射基準器と対比することによ
り行われる。熱分布もしくは温度分布の測定に関連する、調整可能な処理パラメ
ータによる熱分布もしくはそれから検出された温度分布の調整は、本発明にとっ
て重要である。この処理パラメータの調整により、表面温度のその絶対値に関す
る補正が閾値温度を得るために行われる。
【００１６】 この放射基準器は、必要に応じて温度制御素子により厳密に定められる、調整
可能な温度に加熱される。このカメラで写された放射基準器の熱画像に、例えば
色の比較により、又は例えば予め接続されているビーム用フィルタの場合、強度
の比較のような容易な方法で絶対温度値を設定し、また構造部材の熱画像上に転
写できる。更に構造部材の表面温度を、処理パラメータの調整により適合させ、
その都度この表面範囲の特性を考慮しながら再現可能にかつ厳密に、層の形成及
び層の接着にとって好ましい温度範囲に加熱する。その際、閾値温度を越えるこ
とにより、良好な接着にとって重要な条件が達成される。
【００１７】 一般に「目による」色の対比は高い感度で行うことができる。例えば放射基準
器の所定の温度を、調整すべき閾値温度に近い温度に調整することにより、迅速
かつ確実に、閾値温度を上回っているか又は下回っているかどうかをチェックす
る基準は、構造部材と、放射基準器の熱放射撮影との視覚的な比較により与えら
れる。しかしまた電子情報処理による評価も、例えば電子的な色値又は強度の比
較に有効に使用できる。
【００１８】 本方法は再現可能な結果を提供し、既に被覆工程中に塗布すべき層の接着特性
に就いて厳密かつ調整可能に操作すべき制御を保証する。一目瞭然であることか
ら、これらの温度は精度及び再現性を保持しつつ、そればかりか手で調整するこ
とすら可能である。特に被覆すべき表面範囲が複雑な場合、大きな空間的精度も
しくは極めて良好な解像効果を生む。
【００１９】 構造部材に比較的多数の被覆範囲を形成する場合、処理パラメータの信頼のお
ける調整により被覆結果の再現性を高め、被覆の確実性を改善し、かつ変わるこ
とのない高い品質を簡単な工程で達成できる。これは、このような処理法の品質
管理の枠内で、品質を保証するためにも実施することができる。従って上記の方
法は、高温構造部材の被覆を工業的に生産するのに好適である。
【００２０】 更にこの方法は、この処理パラメータで構造部材の表面範囲内の温度分布を、
所定の温度差及び／又は温度勾配を超えることなく調整するのに適している。温
度分布の不均一性、特に局部的な著しい変動、即ち大きな温度勾配は、一般に極
めて高い平均温度であっても、被覆の接着性を低下させることになる。温度勾配
は、例えば不均一な加熱により、又は例えば材料の厚さが異なる等の一定しない
構造部材特性により生じる。閾値温度を得る目的でパラメータを調整する他に、
パラメータを調整して、表面の温度の変動を極度の温度差を阻止することにより
制約し、一様な温度分布に調整することが可能となる。
【００２１】 更に、熱放射を赤外線カメラにより把握することは、例えば加熱源の出力の変
動から生じる温度分布の時間的変動を目に見えるようにし、即ちその場でかつ最
高の時間的解像度、例えば毎秒１０〜５０回の撮像を可能にする。このパラメー
タの調整は、この場合経験値又は測定値により、かつ測定した時間に依存する温
度分布と一致させることにより行うと有利である。
【００２２】 閾値温度を、構造部材上へ被覆の最適な接着性の観点から調整し及び／又は温
度差及び／又は温度勾配を所定の枠内に限定して容認すると有利である。種々の
材料、特に層材料と基板材料から成る材料の組合わせは、構造部材の表面範囲の
温度分布を調整する場合、種々の閾値温度を得ることを必要とし、これは処理パ
ラメータの調整を変えることにより可能である。
【００２３】 本発明により柔軟で、迅速かつ正確な閾値温度の調整は、測定した温度分布に
基づき必要に応じてパラメータを調整することにより達成可能である。更にまた
それにより異なる構造部材特性に適応することが可能となる。この処理パラメー
タの制御により、個別に温度の変動に反応することができ、被覆の接着に必要な
温度差の限度を守ることができる。
【００２４】 更に、手動で又は電子情報処理の補助により、プロセスの調整及び制御の際、
構造部材及び材料に特有のパラメータを参照することを可能にする。こうして、
例えば構造部材の熱伝導率の変化による異なる材料強度の影響も配慮できる。塗
布の際、構造部材を幾層にも異種の材料で被覆するときも、閾値温度及び従って
被覆温度を記憶した材料固有の値により、処理パラメータに迅速かつ個別に適合
させることができる。
【００２５】 構造部材の表面の複数の範囲に、それぞれ所定の閾値温度を設定することを提
案する。後に使用する際に、例えば最高温、最強の流れと機械的負荷とに直接曝
されるガスタービンの部分のような、特に負荷される構造部材の部位に、機能性
を保証するために最適な接着性を保証することが必要である。本発明によりこれ
らの要件を必要に応じて満たすことは常に可能である。構造部材の加熱に使用さ
れたプラズマビームを、必要に応じて比較的迅速に冷える特定の部位に供給する
ことができる。赤外線カメラを使って監視及び制御することにより、同時調整は
実際に全ての時点に対して可能である。
【００２６】 処理パラメータを、構造部材の表面範囲の温度分布を目標温度分布と比較して
調節すると有利である。テスト測定及びテスト運転時の特定の温度分布が、しか
も本来の被覆中に特に有効であることが判っている場合、これを後の被覆に利用
できると有利である。従って、閾値温度よりも高い一定の温度を有する温度分布
も重要であることが分かる。従って温度分布は、この一定の温度に応じ、表面全
体にわたり調整される。これは手動で迅速に実施可能である。更に温度分布の調
整は、赤外線カメラにより提供された構造部材の表面の温度分布との対比により
、制御回路内に記憶された処理パラメータの検出値を使用して行われる。
【００２７】 この構造部材は好ましくは予熱され及び／又はプラズマ溶射中にプラズマビー
ムで加熱され、処理パラメータとしてプラズマビームのそれが調整される。基本
材料への層の接着は、高い予熱温度により明確に制御される。この予熱温度は、
第１の層の接着ばかりでなく、後から施される層も第１の層と同様、良好に接着
できることから、その後その上に施される全ての層にとって重要である。予熱温
度に匹敵する温度は、プラズマ溶射中にも保持する必要があり、好ましくはプラ
ズマビームで加熱することにより得られる。プラズマビームによる加熱は、例え
ば誘導抵抗加熱に比べて、主に被覆にとって重要な外側の層を加温することを保
証する。従って、比較的長期間にわたる高温に耐えられない部品材料が、場合に
よって最小限に損傷されるに過ぎない。同時に表面を、プラズマビームにより構
造部材に一定の極性を与えながら浄化することができ（これに就いては後に詳述
する）、これが接着性を改善する。しかしながらその際、もちろん温度分布内に
良好な接着を妨げる比較的高い温度勾配が形成され易い。従って構造部材の予熱
中に、赤外線カメラを使用することにより、構造部材全体を視野に収め、処理パ
ラメータを適切に調整できるようにすると有利である。
【００２８】 更にプラズマ被覆工程時に、しばしば制御不能に重複する加熱と被覆の両工程
を、上記の方法により互いに分離して監視し、制御することができる。プラズマ
ビームの出力は、必要に応じてその処理パラメータを調整することにより制御可
能である。これは赤外線カメラから得た温度分布に関する結果に対し、迅速に反
応することを可能にする。構造部材表面上でのビームの同じ走行距離もしくは同
じラスタ走査処理で、プラズマビームに関するデータを記憶及び評価することに
より、本方法の良好な再現性を保証できる。従って、層の品質並びに生産性の向
上が保証される。
【００２９】 特に、処理パラメータとして、プラズマビームのビーム源の流れを調整しても
よい。この流れは僅かな費用で制御することができ、構造部材の表面内に流入す
るプラズマビームのエネルギー量は、検出された温度分布を予めセットすること
により正確に調整可能である。
【００３０】 構造部材の配置は、本方法ではプラズマビームに対し相対的に変えることがで
き、構造部材の表面範囲の温度分布の点検をプラズマビームに対し種々の関連配
置内に行うことができる。こうして構造部材の異なる表面範囲を、構造部材を解
体する必要なしに、個別に調整することができる。これらの構造部材の異なる配
置は記憶可能である。これは、この構造部材の配置を、処理パラメータの値に対
し再現性よく配置することを可能にする。その際、同じ型及び種類の他の構造部
材に使用できるように、記憶されたデータ、例えば構造部材の配置の起点又は設
定を大量生産の全ての構造部材の処理パラメータの制御に使用できることは極め
て有意義である。
【００３１】 この構造部材は、プラズマ溶射の際に構造部材の回転軸を赤外線カメラに対し
て最適な配向状態で回転させることを可能にする。従ってプラズマビームのセッ
ティングを変えることなく、構造部材の表面全体を完全にかつ一様に被覆でき、
同時に表面温度分布の制御を赤外線カメラにより行うことができる。このコント
ロール機能は短期測定の型で、即ち各表面範囲に対し別々に回転速度を配慮しな
がら行うことができる。その際位置の解像は極めて正確である。表面状態に適合
させた処理パラメータの調整を、閾値温度を獲得するために行ってもよい。
【００３２】 他の可能性は、長期測定、即ち比較的長い回転持続時間の範囲内で動く時間に
基づく測定である。この測定結果は、時間及び回転する構造部材の周囲に関して
回転方向に測定された平均温度の値である。この種の測定は、迅速かつ僅かな出
費で可能である。従ってこの結果はまた、閾値温度と比較可能のものである。
【００３３】 好ましくはこのプラズマ溶射設備は構造部材を縦軸の周りで連続的に回転させ
るための保持装置を含んでいる。この種の回転は一定して行うことができ、被覆
速度及び一様な層の塗布に関して最大限の効果を保証する。良好な層の塗布と同
時に、構造部材の表面の温度分布の極めて適正な測定を保証するため、プラズマ
ビーム及びカメラの配向に対して回転軸の角度割合に特別な条件を採用すると有
利である。この場合、特にプラズマ放射を反射する空間角度が赤外線カメラの視
角と交差することは回避しなければならない。この調整は、全ての撮影画像を、
主として直接もしくは反射されたプラズマビームの照射により、自ずと露出過度
にすることになる。従って赤外線カメラはプラズマビームの反射の空間角度の外
側に配置される。
【００３４】 構造部材の表面範囲の温度分布を時間の関数として検出し、処理パラメータを
温度分布の時間的な関係に応じて調整すると有利である。赤外線カメラは、全て
の温度分布を１工程で記録することを可能にする。これは、層の品質を開発する
一定した観察に関して、材料挙動及び放射挙動を判定し、処理パラメータの時間
に依存して適合する機能を調整することができるように、温度分布を時間に依存
して把握することは有利である。
【００３５】 一方ではプラズマビームに対応して構造部材の位置を変え、他方ではプラズマ
溶射の処理パラメータを温度分布に従って、構造部材の表面範囲の温度勾配を少
なくするように互いに調節してもよい。処理パラメータを、例えば表面原子毎に
僅かなエネルギーが移行するように調整してもよい。これは例えば、構造部材の
表面に関し、プラズマビームの比較的迅速な処理により行うことができる。単位
時間当たりのエネルギーの移行は同じであるが、しかし均等に配分される。これ
は温度勾配を低下させる。他方エネルギーの移行が少な過ぎても、表面温度を下
げ過ぎることになる。その場合、プラズマビームの出力を高めても良い。品質的
に価値の高い表面層を得るには、検出された温度分布に応じて構造部材の異なる
配置及びパラメータの変化を厳密に一致させることが必要である。
【００３６】 構造部材の回転時に短期間撮影を行う場合、連続して行われる赤外線カメラで
の撮影を構造部材の回転時間に応じて始動させると有利である。この同じ構造部
材の範囲を異なる状態で撮影することにより、表面温度の時間的温度挙動を精確
に測定することができ、この結果に基づき処理パラメータにより調整することが
できる。さもなければ、温度測定及び調整時の誤差の原因を、表面範囲をずらす
ことにより排除することは不可能であろう。
【００３７】 トリガは、回転時間の１／４又はその整数倍で行われる。このようにして、構
造部材の前面、背面或いは側面を点検することができる。その両側面は、例えば
タービン羽根の場合、構造部材の材料が異なる型及び材料強度を有していてもよ
く、従ってプラズマビームの記録されたエネルギーを別個に十分に記憶できる。
即ち温度勾配に、場合によってはプラズマビームの処理パラメータの適合が必要
となる、種々の型が生じる。
【００３８】 プラズマ溶射により高温構造部材を被覆する設備に関する課題は、請求項１４
に記載の設備により解決される。
【００３９】 プラズマ溶射のための加熱装置に関係なく、放射基準器を加熱できるようにす
るとよい。これは、放射基準器の材料を、例えば誘導加熱又は例えば抵抗加熱の
ような直接加熱により、完全にかつ特に一様に加熱することを可能にする。これ
は基準器及び被覆すべき構造部材の温度を、表面に関係なく正確に比べるための
重要な前提条件を提供する。
【００４０】 更に放射基準器の温度は、好ましくは熱電対で測定することができる。温度を
熱電対で検出することにより、表面特性に依存しない測定値が得られる。熱電対
又は他の独自の温度測定素子による測定でも、校正により赤外線カメラで構造部
材の熱放射測定の結果と比較するために使用できる、絶対温度の信頼のおける値
が提供される。
【００４１】 カメラの測定領域内の放射基準器を被覆すべき構造部材の側の室内に配置する
ことを提案する。これは、放射基準器及び被覆すべき構造部材を赤外線カメラに
より同時に把握することを可能にする。これは特に、素早く変化する放射状態及
び測定結果に影響を及ぼす可能性のある反射の際に極めて有利である。同じ測定
領域内で把握することは、同じ環境条件下での測定を可能にし、これは特に回転
又は他に転移させた構造部材では、急激に変化する可視的表面の故に有利である
。環境条件は、主に被覆材料による観察窓の汚れにより、又はプラズマビームの
放射線中の赤外線分量により左右される。従って放射基準器を被覆室内に装着す
ることは、間違いのない測定結果を保証するために特に有利である。
【００４２】 少なくともカメラに面するタービン羽根の全表面を把握できるように、カメラ
を配置し、かつ観察する。特に、構造部材の特徴、例えば部材材料の厚さの著し
い違いにより高い温度勾配が予想されるとき、全表面を把握できることは有利で
ある。本発明のカメラの特別な配置は、問題なくこれを可能にする。その際、縁
部分や、タービン羽根の場合に羽根の末端部に生じるような小さい湾曲範囲を持
つ部分の温度分布を容易に把握及び調整できることは特に有利である。これはつ
まり、そのような部分では被覆に、平坦な表面部分に比べて付加的に著しい機械
的及び熱的負荷を受けることから、極めて重要である。
【００４３】 この赤外線カメラは被覆室の外側に突出する短管の一端に装着される。この短
管の一端に装着された、被覆室を一望でき、好ましい真空状態を保証するパッキ
ングを備えたガラス窓は、そのためプロセスの塵により汚染されることが極めて
少ない。上記の設備は、装置の保守及び洗浄の頻度を減らす。短管が、幅の広い
自由な開放角部分を持つ円錐形であると、赤外線カメラの撮影にとって好都合で
ある。このような型は赤外線カメラの視野範囲に適合しており、構造部材を最適
に撮影することを可能にする。
【００４４】 ガラス窓が、カメラの測定範囲に適合する２〜５μmの波長に対し透過性を有
する特殊ガラスでできていると有利である。この測定範囲は、大部分の放射線を
構造部材の表面に放射する赤外線放射範囲に相当する。この放射範囲はプラズマ
ビームの重なり合っている広帯域の赤外線分から十分良好に見分けることができ
る。分析された２〜５μmの波長範囲は、プラズマビームの最大の熱放射線と十
分に離れており、プラズマビームの他の放射範囲と比べて強度が低い。これは特
にこの被覆のオンライン制御の際に、構造部材の表面の温度分布を一目瞭然に良
好に解像し、明確に撮影するのに重要である。
【００４５】 このガラス窓がサファイアガラスでできていると有利である。この種のＡｌ2
Ｏ3を含むガラスは、所望の範囲内で最適な透過特性を持っている。このガラス
は市販されており、本発明の装置に機能的に適合するものである。
【００４６】 図示の実施例に基づき、本発明の高温構造部材の被覆方法及び設備を以下に詳
述する。
【００４７】 図１は、プラズマ溶射法を実施するための被覆設備１の原理構造を概略的かつ
任意の縮尺比で示す。この被覆設備は図示ない真空装置と接続された吸引短管１
８を有する。被覆室１７内には、プラズマ溶射装置１６が配置されている。プラ
ズマ溶射装置１６内で生成されるプラズマビーム１２は、被覆室１７内に配置さ
れる被覆すべき構造部材１０に向けられている。プラズマ溶射装置１６の概略構
造は図４に示す。プラズマビーム１２は構造部材１０の加熱も、また粉末流９５
による被覆も可能にする。これらの被覆すべき構造部材１０は、主にガスタービ
ン、例えばタービン羽根又は燃焼室の内張りに使用される高温部材である。ここ
に例として示した複雑な形状は、加熱時、従ってまた被覆すべき構造部材１０の
表面範囲４０の熱放射分布３０の際に不均一性を生じる。２つの垂直方向用処理
装置１０１もしくは１つの回転装置１００は、構造部材１０の全ての被覆すべき
表面範囲４０に達することができ、従ってプラズマビーム１２は広い表面範囲４
０上に必ずしも偏向させる必要はない。構造部材１０のそれぞれの表面範囲４０
は、その狭い側面も回転させるか又は位置をずらすことにより迅速に互いに垂直
方向に走ることができる。或いは又プラズマビーム１２の位置は、構造部材の表
面４０に対しプラズマ溶射装置１６の位置を移動させることで変更可能である。
この円錐形の放射は、構造部材１０の対向する全表面を覆うこともできる。
【００４８】 構造部材１０をプラズマビーム１２で加熱する工程中に達成すべき温度もしく
は温度分布７０は、構造部材１０の表面範囲４０の熱放射分布３０（＝熱画像）
を赤外線カメラ２０により撮影することで監視される。赤外線カメラ２０による
撮影２５の一例を図２ａに示す。赤外線カメラ２０は、短管１１に固定されたガ
ラス窓１９に設置されており、この短管はやはり被覆室１７に装着されている。
この短管１１は、ガラス窓１９及び赤外線カメラ２０の視界が処理中の塵により
著しく汚染されることを阻止する。赤外線カメラ２０の視界範囲２９の角度と、
短管１１の円錐形をなす開放角とは互いに合わされている。
【００４９】 ガラス窓１９の汚れを減らすため、赤外線カメラ２０は、プラズマビーム１２
の反射が部材表面で赤外線カメラ２０に触れないように、被覆室１７の傍に配置
されている。更に、赤外線カメラ２０で構造部材１０の全ての部位の熱放射分布
３０の完全な撮像を検出できるよう保証しなければならない。それには、構造部
材１０が常に赤外線カメラ２０の視界範囲２９内にあり、同時に赤外線カメラ２
０の視界範囲２９から広がる空間角度が、特にプラズマビーム１２の反射の空間
角度の外側にあるように角度を調整する。
【００５０】 被覆すべき構造部材１０の側に放射基準器６０が配置されている。構造部材１
０も、放射基準器６０も同時に赤外線カメラ２０の視界範囲２９内に存在するこ
とから、両方の熱放射分布３０は同時に撮影２５より把握可能である。放射基準
器６０は部材１０の加熱と関係なく加熱器６１により加熱され、その温度は熱電
対６２により測定される。この温度は、構造部材１０の表面範囲４０の熱放射分
布３０の温度を測定するための基準温度ＴRとして使用される。
【００５１】 図１には構造部材１０の表面範囲４０の温度動向の測定、推移及び制御工程の
概略的な経過を示す。赤外線カメラ２０により撮影された表面範囲４０及び放射
基準器６０の熱放射分布３０、及び熱電対６２により測定された放射基準器６０
の基準温度ＴRは、変換器３１に供給される。変換器３１は、基準温度から検査
された構造部材の表面範囲４０の絶対温度分布７０を検出し、これを制御装置３
２に送る。制御装置３２は与えられた目標温度分布Ｔｓｏｌｌ（ｘ，ｙ）に応じ
て、構造部材１０の動きを、特に回転装置１０２の供給電力により制御し、かつ
放射基準器６０の加熱器６２の制御可能な電源６４の供給電力及びプラズマ溶射
装置１６の調整可能な処理パラメータｐの値をそれぞれ制御する。
【００５２】 赤外線カメラ２０は、例えば内蔵の、即ち赤外線カメラ２０内にある同様に温
度測定及び温度配分を行うことができる放射基準器６０を有していてもよい。し
かし放射基準器６０による被覆室１７内の温度測定は、プラズマ溶射プロセスに
より生ずる測定誤差が、構造部材１０と放射基準器６０を同時撮影２５した場合
に同程度であり、従って無視又平均化できることから、優先的に採用される。測
定誤差は、例えば異なる赤外線放射源を散乱線及び後背線として重ね合わせるこ
とにより、或いは処理中の塵によるガラス窓１９の汚染度が時間に伴い高まるこ
とにより生ずるものである。
【００５３】 ガラス窓１９がＡｌ2Ｏ3を含むと有利である。サファイアガラスとも呼ばれる
この種ガラスは、赤外線カメラ２０の測定範囲と調和した２〜５μmの波長の電
磁波の範囲内で良好な透過特性を示す。これは、構造部材１０の放射する表面範
囲４０を厳密に識別するのに必要である。何故なら、プラズマビーム１２は、構
造部材１０の放射に上述したように重なり合う極めて幅広い放射線源だからであ
る。プラズマビーム１２により惹起される赤外線範囲の放射が強過ぎる場合、赤
外線カメラ２０に適したフィルタ又は他の光学装置を前以て接続しておく。
【００５４】 プラズマビーム１２による被覆に先立ち、施すべき被覆１５の良好な接着を保
証するため、高温構造部材１０の表面範囲４０上を所定の予熱温度、即ち閾値温
度Ｔｓにする。被覆プロセス中のこの予熱もしくは加熱は、粉末流９５を使わず
専らプラズマビーム１２で行うと有利である。複数の表面範囲４０も、少なくと
も部分的に所定の閾値温度Ｔｓにしてもよい。所定の閾値温度Ｔｓ、即ち目標温
度分布Ｔｓｏｌｌ（ｘ、ｙ）を表面範囲４０内に得るため、本発明の方法では、
プラズマ溶射プロセスの処理パラメータｐを、検出された温度分布７０に応じて
調整する。例えば材料及び構造部材に固有の測定値から求められる目標温度分布
Ｔｓｏｌｌ（ｘ、ｙ）の調整も可能である。
【００５５】 調整すべき処理パラメータｐとの関係を図４により詳述する。比較的厚い構造
部材の箇所及び良導性の材料の場合、比較的速い熱流出が予想され、そのためそ
の箇所に更に長い熱の取込み、即ち通常の調整と異なるパラメータの調整が行わ
れなければならない。こうすることで所望の温度又は閾値温度Ｔｓが上記の箇所
に結果として生じる。プラズマビーム１２以外の他の熱源、例えば抵抗加熱又は
誘導加熱も構造部材１０のために使用できる。
【００５６】 図２ａは、赤外線カメラ２０により検出された、加熱された構造部材１０及び
放射基準器６０の表面範囲４０の熱放射分布３０の撮影２５の概略図を示す。異
なる斜線を施した範囲は、異なる強さで熱放射された部位もしくは周波数分布の
相異を特徴づけている。
【００５７】 図２ｂは、赤外線カメラ２０による構造部材１０及び放射対比装置６０の表面
範囲４０の熱分布３０の撮影２５を拡大して得た概略の温度分布７０を示す。所
定の境界内（Ｔ2＜Ｔ＜Ｔ1）の温度Ｔを有する範囲は、同じ温度Ｔiの線（ｉ ＝
１、２、いわゆる等温線）により互いに分離されている。等温線の間隔が狭まっ
た範囲は、大きな温度勾配Ｔを有する。最適な接着性を達成するために、所定の
最大温度差Ｔ1−Ｔ2及びできるだけ温度勾配の低い調整が保持されなければなら
ない。これらの範囲は温度分布７０を均一化する処理におけるプラズマビーム１
２の処理パラメータｐを調整することにより得られる。この調整は手動で、又は
電子調整装置や制御装置で実施可能である。
【００５８】 図３は典型的な層構造の断面を示す。構造部材１０上にＶＰＳ法（気相ろう接
法）により第１の層１５ａ、例えばＣｏＣｒＡｌＹの腐食保護層が設けられてい
る。次いで断熱層の役目をするイットリウムで安定化されたＺｒＯ2層１５ｂ（
ＺｒＯ2＋Ｙ2Ｏ3）が施されている。高温使用中の熱負荷に耐えるには、構造部
材１０の粗面化された清浄な表面が、重要な前提条件である。構造部材１０の洗
浄は、構造部材１０の負極側をスパッタリングすることにより可能である。更に
熱膨張係数を互いに適合させることは重要な前提条件である。さもなければ内部
の応力が被覆１５に破裂を生ずることになる。
【００５９】 被覆層１５ａから被覆層１５ｂへの移行箇所に、表面範囲４０を予熱する際、
通常他の温度値を設定しなければならない。と言うのは、閾値温度Ｔｓ、最大限
の温度差Ｔ1−Ｔ2及び保持されるべき温度勾配Ｔ度が、材料及び構造部材に依存
し、特にまた材料の組合わせに依存するからである。処理パラメータｐを個々の
材料特性により調整することで、表面温度の適合した調整を迅速かつ広範囲にわ
たって実施できる。
【００６０】 図４は、プラズマビーム源１３と、赤外線カメラ２０により記録された構造部
材１０の熱放射分布３０を温度分布７０に変換するための変換器３１と、プラズ
マビーム源１３を温度分布７０及び目標温度分布Ｔｓｏｌｌ（ｘ、ｙ）に応じて
処理パラメータｐによりプラズマビーム源１３を調整するための制御装置３２と
を概略的に示す。プラズマビーム源１３は、適合する高い電圧ｕと作用ガスを雰
囲気として有し、ノズルとして形成された２つの電極、即ち負の極性を与えられ
た陰極８と正極の陽極９から成る。陰極８の高い内壁温度（約３０００Ｋ）によ
り電子の熱−電界放射が始まる。このプラズマ電子は陽極９の方向への電界によ
り加速される。作用ガスはアーク放電により加熱され、陰極８から自由イオン−
中性子交換長以上に離れている原子の衝突により、イオン化される。このノズル
型電極内に局部的にアーク電流ｉを有するアーク放電１２′が生ずる。
【００６１】 ノズル型電極の外側にプラズマビーム１２は流れない。プラズマビーム１２は
塗布すべき粉末流９５の供給下に被覆形成に使用される。供給されるプラズマ気
体流ｆの減少は、一定した電力の供給が行われる場合、プラズマ温度を上昇させ
る。アーク放電１２′の安定度は、プラズマ溶射の全プロセスに影響を及ぼす。
プラズマを形成する際の変動は、流出するプラズマビーム１２の状態に直接影響
を及ぼし、同時にとりわけ被覆すべき構造部材１０の表面範囲４０の温度分布７
０にも影響を及ぼす。陽極９上のアーク垂足の動きにより一定に保たれた平坦な
アーク電流ｉの場合、アーク放電は短縮或いは延長され、そのため電圧変動を生
じかねない。これはまたプラズマエンタルピーｈの変動を生じ、それにより熱的
かつ動的に噴射粒子に影響を及ぼす。これらの変動を制御することは処理パラメ
ータｐを確実に調整する意味で必要である。
【００６２】 測定された温度分布７０に応じて所望の温度分布に調整する方法において、変
えられる処理パラメータｐは、上述したように、アーク放電のアーク電流ｉが好
ましい。このアーク電流はそれほど費用を要さない回路により一定に保つことが
できる。しかし良い品質の被覆形成に寄与するビーム温度、ビーム強度及び塗布
すべき粉末流９５の均一性並びに解像度のような値は、更に複雑に、種々のプラ
ズマビーム１２の調整に必要な他の処理パラメータｐに左右される。従って例え
ば上記した電圧ｕは、電極間の電圧の変化又は陰極８のフィラメントへの供給電
力の上昇による陰極８からの電子の放出により変化させることができる。更にガ
ス圧力、ガス流、ガス混合物、バーナの形状、粉末のパラメータ、キャリアガス
流、注入形状及び噴射間隔、構造部材１０及びプラズマ溶射装置１６の配置、構
造部材１０の回転軸１０５及び回転時間ｔｕが処理パラメータｐとして重要であ
る。処理パラメータｐのこの列挙はこれにとどまらず、構造部材１０の温度分布
７０に影響を及ぼす全ての処理パラメータｐを採用できる。
【００６３】 図５はトリガ、即ち赤外線カメラ２０の撮影２５と構造部材１０の回転との同
調を示す。赤外線カメラ２０の撮影２５は、時間ｔの経過に伴う赤外線カメラ２
０の移動により示されている。より複雑な構造部材１０はその回転軸１０５の周
りをそれぞれ９０°の歩幅で回転する。それにより構造部材１０を全側面から撮
影することが可能となる。赤外線カメラ２０の撮影２５は、図示の場合、全回転
の１／４又は１／８の整数倍ｎの時間間隔Δｔを持って行われる。即ち、この撮
影の時間間隔はΔｔ＝ｎ・１／４ｔuに相当する。より複雑な構造部 材１０の場
合、時には他の配分、例えば１／８の配分が必要である。撮影２５の時間間隔Δ
ｔの適切な調整により、こうして構造部材１０の完全回転のための時間ｔuとの
同調が好ましい場合は、カメラ撮影２５のために構造部材１０の全 ての配置が
獲得される。このようにして回転時又は他に転移させることにより、常に構造部
材１０の同じ表面範囲４０の撮影２５を互いに対比することが可能になる。これ
は、特に著しく異なる表面範囲４０を有する構造部材１０の場合、それにより処
理パラメータｐの調整を一層厳密に行うことができるため、重要である。
【００６４】 しかし、極めて類似した形状の表面範囲４０を持つ他の構造部材１０の場合、
例えば処理パラメータｐを、高い回転速度により周囲と温度を平均化し、かつ比
較的長い露光時間で撮影することにより調整することできる。この場合、この温
度は全ての構造部材の表面についての平均値である。
【００６５】 上記のトリガ及び平均値を得る撮影技術では、処理パラメータｐを即時調整と
同時に、時間に応じて調整することも、こうして目的とする目標温度分布Ｔｓｏ
ｌｌ（ｘ、ｙ）の比較的緩慢な調整を達成するため、例えば熱応力の発生を回避
し、構造部材１０の表面特性を変化させないために有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 被覆室及び赤外線カメラを有する本発明によるプラズマ溶射により被覆する設
備の概略図。
【図２ａ】 赤外線カメラにより熱分布の撮影の簡略化図解による図。
【図２ｂ】 熱分布から検出された温度分布の簡略化図解による図。
【図３】 被覆された構造部材の断面図。
【図４】 処理パラメータの調整によるプラズマ溶射設備。
【図５】 回転中の構造部材の赤外線カメラの始動された一連の撮影の説明図
【符号の説明】
１ 被覆設備 ８ 陰極 ９ 陽極 １０ 高温構造部材 １１ 短管 １２ プラズマビーム １２′ アーク放電 １３ プラズマビーム源 １５ 腐食保護層 １６ プラズマ溶射装置 １７ 被覆室 １８ 吸引短管 １９ ガラス窓 ２０ 赤外線カメラ ２５ 撮影 ２９ 視野範囲 ３０ 熱放射分布 ３１ 変換器 ３２ 制御装置 ４０ 表面範囲 ６０ 放射基準器 ６１ 加熱器 ６２ 熱電対 ７０ 目標温度分布 ９５ 粉末流 １００ 回転装置 １０１ 垂直方向用処理装置 １０２ 回転装置 １０５ 回転軸 １１０ ＴR 基準温度 Ｔｓ 閾値温度 ｆ プラズマガス流 ｉ アーク電流 ｈ プラズマエンタルピー ｔｕ 回転時間 ｕ 電圧
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 キルヒナー、フランツ ドイツ連邦共和国 デー‐91080 ウッテ ンロイト シュレーエンヴェーク 21 Ｆターム(参考） 4K031 AA02 AA08 AB08 DA04 EA01 EA02 EA03 EA10 EA11

Claims (22)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 赤外線カメラ（２０）により、構造部材（１０）の表面範囲
    （４０）の熱放射分布（３０）を検出し、この分布（３０）に応じて処理パラメ
    ータ（ｐ）を制御して、高温構造部材、特にタービン羽根又は燃焼室の内張りの
    ようなガスタービンの構造部材をプラズマ溶射により被覆する方法において、構
    造部材（１０）の表面範囲（４０）の熱放射分布（３０）から、放射基準器（６
    ０）との比較により表面範囲（４０）の温度分布（７０）を検出し、かつ表面範
    囲（４０）内が所定の閾値温度（Ｔｓ）となるよう、処理パラメータ（ｐ）を温
    度分布（７０）に応じて調整することを特徴とするプラズマ溶射による高温構造
    部材の被覆方法。
  2. 【請求項２】 処理パラメータ（ｐ）で、構造部材（１０）の表面範囲（４
    ０）内において、所定の温度差（Ｔ1−Ｔ2）及び／又は温度勾配（Ｔ度）を越え
    ないよう温度分布（７０）を調整することを特徴とする請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 閾値温度（Ｔｓ）を、構造部材（１０）に対する被覆 （１
    ５）の最適な接着力を考慮して調整し及び／又は同じ目的のために、温度差（Ｔ 1 −Ｔ2）及び／又は温度勾配（Ｔ度）を所定の枠内に限定して容認することを特
    徴とする請求項１又は２記載の方法。
  4. 【請求項４】 構造部材（１０）の複数の表面範囲（４０）において、それ
    ぞれ上記の閾値温度（Ｔｓ）を調整することを特徴とする請求項１乃至３の１つ
    に記載の方法。
  5. 【請求項５】 処理パラメータ（ｐ）を、構造部材（１０）の表面範囲（４
    ０）の温度分布（７０）と目標温度分布（Ｔｓｏｌｌ（ｘ、ｙ））との比較によ
    り調整することを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載の方法。
  6. 【請求項６】構造部材（１０）を予熱し及び／又はプラズマ溶射中にプラズ
    マビーム（１２）で加熱し、かつ処理パラメータ（ｐ）としてプラズマビーム
    （１２）のパラメータを調整することを特徴とする請求項１乃至５の１つに記載
    の方法。
  7. 【請求項７】 処理パラメータ（ｐ）として、プラズマビーム（１２）のビ
    ーム供給源（１３）の流れ（ｉ）を調整することを特徴とする請求項１乃至６の
    １つに記載の方法。
  8. 【請求項８】 構造部材（１０）の配置をプラズマビーム（１２）に対応し
    て変え、構造部材（１０）の表面範囲（４０）の温度分布（７０）の検出を種々
    の関連箇所で行うことを特徴とする請求項１乃至７の１つに記載の方法。
  9. 【請求項９】 構造部材（１０）を、プラズマ溶射時にその表面範囲（４０
    ）が赤外線カメラ（２０）に最適に配向するよう回転させることを特徴とする請
    求項１乃至８の１つに記載の方法。
  10. 【請求項１０】 構造部材（１０）の表面範囲（４０）の温度分布（７０）
    を時間の関数として検出し、処理パラメータ（ｐ）を温度分布（７０）の時間的
    な変動に従い調整することを特徴とする請求項１乃至９の１つに記載の方法。
  11. 【請求項１１】 一方で構造部材（１０）の位置をプラズマビーム（１２）
    に対応して変化させ、他方でプラズマ溶射の処理パラメータ（ｐ）を温度分布（
    ７０）に応じ、構造部材（１０）の表面範囲（４０）の温度勾配（Ｔ度）が低下
    するように調整することを特徴とする請求項１乃至１０の１つに記載の方法。
  12. 【請求項１２】 赤外線カメラ（２０）で順次行われる撮影（２５）を、構
    造部材（１０）の回転時間（ｔu）に依存して開始することを特徴とする請求項
    １ 乃至１１の１つに記載の方法。
  13. 【請求項１３】 撮影を回転時間（ｔu）の１／４の時間間隔（Δｔ）で或
    いは回転時間の整数（ｎ）倍で開始することを特徴とする請求項１乃至１２の１
    つに記載の方法。
  14. 【請求項１４】 プラズマ溶射により高温構造部材、特にガスタービンの羽
    根又は燃焼室の内張りのようなガスタービンの構造部材を被覆するための装置で
    あって、被覆室（１７）を持つプラズマ溶射装置（１６）と、構造部材（１０）
    の少なくとも１つの表面範囲（４０）の熱放射（３０）を監視する赤外線カメラ
    （２０）と、検出された熱放射分布（３０）に応じて処理パラメータ（ｐ）を調
    整する装置とを備え、請求項１乃至１３の１つに記載の方法を実施する設備にお
    いて、赤外線カメラ（２０）により得られる信号と比較可能で、かつ構造部材（
    １０）の温度分布（７０）を上記の閾値温度（Ｔｓ）以上及び／又は処理パラメ
    ータ（ｐ）により温度分布（７０）を目標温度分布（Ｔｓｏｌｌ（ｘ、ｙ））以
    内に調整するために使う放射基準器（６０）を有することを特徴とするプラズマ
    溶射による高温構造部材の被覆設備。
  15. 【請求項１５】 放射基準器（６０）がプラズマ溶射のための加熱装置と関
    わりなく加熱可能であることを特徴とする請求項１４記載の設備。
  16. 【請求項１６】 放射基準器（６０）の温度を熱電対（６２）により測定可
    能であることを特徴とする請求項１４又は１５記載の設備。
  17. 【請求項１７】 赤外線カメラ（２０）の測定領域内にある放射基準器（６
    ０）が、被覆室（１７）内で被覆すべき構造部材（１０）の隣りに配置されてい
    ることを特徴とする請求項１４乃至１６の１つに記載の設備。
  18. 【請求項１８】 赤外線カメラ（２０）により、タービン羽根の赤外線カメ
    ラに面している表面範囲（４０）全体を把握できることを特徴とする請求項１４
    乃至１７の１つに記載の設備。
  19. 【請求項１９】 赤外線カメラ（２０）が被覆室（１７）の外側に突出する
    短管（１１）の一端（１１′）に装着されていることを特徴とする請求項１４乃
    至１８の１つに記載の設備。
  20. 【請求項２０】 短管（１１）の開放角と、カメラ（２０）の視界範囲２９
    とが互いに適合し、短管（１１）が赤外線カメラ（２０）を遮蔽するガラス窓（
    １９）を有することを特徴とする請求項１４乃至１９の１つに記載の設備。
  21. 【請求項２１】 ガラス窓（１９）がカメラ（２０）の測定範囲に適合する
    ２〜５μmの波長に対し透過性を有する特殊ガラスからなることを特徴 とする請
    求項１４乃至２０の１つに記載の設備。
  22. 【請求項２２】 ガラス窓（１９）がサファイアガラス製であることを特徴
    とする請求項１４乃至２１の１つに記載の設備。
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