JP2004526056A - タービン翼のプラズマ被覆法 - Google Patents

Abstract

本発明は、プラズマバーナ使用して、タービン翼をプラズマ被覆する方法に提供する。従来の、単一のプラズマバーナを用いた方法では不所望の厚い膜が生じたり、被覆に気孔が生じたり、部品の不均一な加熱が起こったりしていたのに対し、本発明に従い少なくとも3個のプラズマバーナ（１９、２１、２３）を同時に使用することで、特にＭＣｒＡｌＸから成る特に高品質の被膜（８１）を、ニッケル又はコバルト基の超合金から成る基材上に形成できる。本発明はまたこの方法を実施するための被覆装置（１）にも関する。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、翼軸に沿って配列したタービン翼をプラズマ溶射により被覆する方法に関する。本発明はまた、この方法を実施する被覆装置にも関する。
【背景技術】
【０００２】
タービン翼をプラズマ被覆する方法は、特許文献１により公知である。タービン翼に被着可能な被膜の１つはＭＣｒＡｌＸ合金から成り、式中Ｍは鉄、コバルト及びニッケルの群の単数又は複数の元素を表し、Ｃｒはクロムを、Ａｌはアルミニウムを、またＸはイットリウム、レニウム並びに希土類の元素を含む群の単数又は複数の元素を表す。この金属層はＶＰＳ（Vacuum Plasma Spraying、真空プラズマ溶射）又はＬＰＰＳ（Low Pressure Plasma Spraying、減圧プラズマ溶射）法での熱溶射によりタービン翼に施される。該タービン翼は、特にニッケル又は鉄又はコバルト基超合金からなる。このＭＣｒＡｌＸ合金は、特に腐食と酸化を防止する役目をする。しかしこの合金は、セラミックスの耐熱層と基本材料との間の接着層としてもしばしば使用される。層の被着に引続いて通常は熱後処理を行う。ＭＣｒＡｌＸ層をＶＰＳ又はＬＰＰＳ法により被着するには、一般的に約３０分の処理時間をかけ、一方ガスタービン翼の後熱処理には約１２０分の処理時間をかける。このプラズマ被覆は、プラズマ銃又はプラズマバーナで行う。この種のプラズマバーナは、しばしば被覆すべき部品を加熱する被覆工程の前にも使用される。被覆すべきタービン翼を、通常回転台上に配列し、一方プラズマバーナは多軸ロボット上に配置する。被覆中、タービン翼を約１１００〜１２００Ｋの被覆温度に保持する。
【特許文献１】
欧州特許出願公開第１０３３４１７号明細書。
【０００３】
本発明の課題は、特に熱プラズマ溶射により施される被膜に改善された品質をもたらす、タービン翼のプラズマ被覆法を提供することにある。本発明のもう１つの課題は、この方法を実施するための被覆装置を提供することある。
【０００４】
本発明によれば、上記方法に対する課題は、少なくとも３個のプラズマバーナを同時に熱プラズマ溶射に使用する、翼軸に沿って配列したタービン翼のプラズマ被覆法により解決される。
【０００５】
本発明は、従来の１個だけのプラズマバーナの使用では、タービン翼の被覆にある種の品質損傷が起こるという知見に基づく。特に翼片と境を接する翼台との移行範囲のような一定の臨界面に、一方では台の被膜に、また他方では翼片の被膜に、従来の被覆法では避けられない重複がその境目部分に生じ、そのため層厚が増大し、不所望な厚い層が生じてしまう。更に１個だけのバーナで被覆した場合、浅い噴射角のため被覆に気孔を生じる。かかる気孔の生成は、結局被覆による保護を必要とする基本材料の腐食を速めることになる。更に本発明の認識では、１個だけのバーナで被覆した場合、部品の不均一な加熱が起こり、従って被覆を要する部品に不都合な温度操作が行われることになる。
【０００６】
差当たり是認できない高い出費を要求するものと見なされる、少なくとも３個のプラズマバーナの使用は、これらの欠点を回避するのに適している。更にこの少なくとも３個のバーナの使用は、最新の定置式ガスタービンの、５０ｃｍ以上の長手方向寸法を有する回転翼列のような、特に大きなタービン翼も高品質に被覆する可能性を提供する。結論として、３個のバーナの使用により、特に一定した層厚分布を達成できる。
【０００７】
本発明の実施形態の各特徴及び利点をＡ）〜Ｍ）の項目として以下に記載する。
【０００８】
Ａ）特に、この３個のバーナの１つをタービン翼の加熱に使用する。その結果特にタービン翼を均一な温度に加熱し、かつ被覆工程中、この均一な温度の維持を保証できる。
【０００９】
Ｂ）特に、これらプラズマバーナの少なくとも２個を互いに独立して操作する。従ってこれらバーナは互いに連結を外され、被覆工程中互いに独自に動かすことができ、こうして被覆工程の全局面に適合させて噴射角、被覆率等を最適化できる。特に、１個又は２個のバーナが翼片の被覆を、また別の１個又は２個のバーナがその台を被覆するようにして、翼片の被覆と、その台の被覆を分割して行うことができる。
【００１０】
Ｃ）特に、タービン翼を翼軸に沿って回転させる。
【００１１】
Ｄ）更には特に第１のバーナで第1の噴射方向に沿ってタービン翼への噴射を行い、かつ前記第１のバーナを、この第１の噴射方向に対し垂直に配置され、かつこの第１の噴射方向と翼軸とを結ぶ面内にある第１の回転軸の周りで回転させる。この構造上簡単な実施形態では、タービン翼に噴射する第1のバーナの角度だけを変える。この角度の変更は、第１の回転軸の周りを回転することで行う。
【００１２】
Ｅ）更に特に第２のバーナで第２の噴射方向に沿ってタービン翼への噴射を行い、かつこの前記第２のバーナを、この噴射方向に垂直に配置され、かつこの第２の噴射方向と翼軸とを結ぶ面内にある第2の回転軸の周りで回転させ、その際第１と第２の噴射方向とで９０°以上の角度を形成させる。こうすることで第２のバーナも構造上極めて簡単にこの回転軸の周りだけを回転でき、従ってこの射出角度内で変化できる。その際両バーナは互いに鈍角をなし、こうして両バーナにより、翼片の被覆のみ又は台の被覆のみが良好に行える。この台をこの両バーナにより被覆する場合、それらの各バーナに台を取付ける。１個の回転翼の場合、翼の尖端に配置されたこの種の台もシュラウド板と呼ばれる。
【００１３】
Ｆ）特に、第１と第２のバーナを連動して翼軸に沿って移動させる。これは特に被覆室の外側にあり、バーナを鎖又はベルトの移動に伴い翼軸に沿って連動して移動するように固定した、鎖又はベルトの駆動により更に有利に行える。
【００１４】
Ｇ）特に、第３のバーナで第３の噴出方向に沿ってタービン翼への噴射を行い、かつ前記第３のバーナをこの噴射方向と翼軸とを結ぶ面内にある第３の回転軸の周りで回転させる。こうして第３のバーナも構造上容易に第３の回転軸の周りだけを回転できるように形成する。
【００１５】
Ｈ）この第３の回転軸を、特に翼軸に対し並行又は垂直に配置する。
【００１６】
Ｉ）特に、上記第３のバーナを上記の面に対し垂直方向に移動させる。
【００１７】
Ｊ）特に、この第３のバーナを第３の噴射方向に沿って移動させる。
【００１８】
Ｋ）特に、第３のバーナを翼軸に並行に移動させる。
【００１９】
上記の第３のバーナの追加の移動方法は、確かに構造上出費を要する処理を生じることになるが、タービン翼に対し間隔の変わらないバーナよりも、プラズマ溶射の際に少ない被覆粉末をタービン翼から外れて噴射せねばならない場合に特に有利である。
【００２０】
Ｌ）本方法は、特に真空中で行うとよい。これは約１０^-4〜１０^-6ｍバールでの真空プラズマ溶射（ＶＰＳ）法であってもよいが、特に約１０^-1〜１０^-2ｍバールでの処理（低圧プラズマ溶射、ＬＰＰＳ）法が好ましい。
【００２１】
Ｍ）本方法を、特にニッケル又はコバルト基の超合金から成る基本材料のプラズマ被覆に用いるとよい。冒頭に記載の如く、ＭＣｒＡｌＸの保護層を基材上に施すのに使える。
【００２２】
被覆装置に対する課題は、本発明によりタービン翼を上述した方法の1つによる処理法で被覆するための被覆装置の提供により解決される。
【００２３】
Ａ）〜Ｍ）の実施形態を互いに任意に組み合わせることも可能である。
【００２４】
本発明を例示的に図面に基づき以下に詳述する。図面は一部概略的に示してあり、実物大ではない。図中同じ符号は異なる図面においても同じものを意味する。
【００２５】
図１は被覆装置１を示す。該装置１は被覆室３を有する。被覆室３と予熱室５は真空密に接合されている。被覆室３内に、翼軸９に沿って並ぶタービン翼１１を配列している。タービン翼１１は被覆室３内に延びる翼用マニピュレータ１３上に設置している。被覆室３と接合した拡張室１５を経て、バーナ用マニピュレータ１７は、同様に被覆室３内に延びている。第１と第２のプラズマバーナ１９、２１はバーナキャリヤ２５上に配列されている。第３のプラズマバーナ２３はバーナ用マニピュレータ１７に設置している。これら３個のプラズマバーナ１９、２１、２３は互いに連結を外されており、従って互いに独立して制御・移動可能である。
【００２６】
唯一のプラズマバーナを使用する従来の被覆法でタービン翼１１を被覆した場合、品質が損なわれるのに対して、３個のプラズマバーナ１９、２１、２３により被覆することで、タービン翼１１の特に高品質の被覆が達成される。これは、特に所謂過剰噴射、即ち単一のバーナを使用した場合の何倍もの過剰噴射による厚過ぎる層厚が生じる部分の噴射を低減させることと関連する。１つには、より多くのバーナを使用する、特にプラズマバーナ１９と２１をタービン翼１１の被覆に分けて使用することで、また１つには第３のプラズマバーナ２３をタービン翼１１の台の被覆に使用することで、この過剰噴射を著しく低下できる。更に特に大きなタービン翼の場合にプラズマバーナ１９、２１、２３の１つをタービン翼１１の加熱に使用し、それにより目標通りの熱の取入が、また同様にこの層の品質の改善が達成される。総じて長手寸法１ｍ程度の特に大きなタービン翼の場合、少なくとも３個のプラズマバーナ１９、２１、２３の使用で、十分に高品質の被覆が初めて可能になる。最後に３個のプラズマバーナ１９、２１、２３の使用で、総体として一定した層厚分布をタービン翼１１の上に形成できる。
【００２７】
図２は、３個のプラズマバーナ１９、２１、２３を構造上特に簡単な方式で取付けた被覆装置１を示す。即ちタービン翼１１はニッケル又はコバルト基の超合金基本材料３０からなるガスタービン翼である。これは、翼片３３を備え、該翼片の尖端で先端台３１が、そして翼の脚部側で脚台３５が接している。これら台３１、３５間にある翼片３３に面取りをした部分３７が生じ、それらの箇所に特に１個だけのプラズマバーナを使用した場合に上述したような過剰噴射が起こる。タービン翼１１は、翼用マニピュレータ１３により回転方向４３に翼軸９の周りを回転できるように、翼用マニピュレータに固定されている。その上このタービン翼は軸方向４１に翼軸９に沿って移動可能である。第１のプラズマバーナ１９は、第１の噴射方向６７に沿ってタービン翼１１への噴射を行う。このバーナ１９は、第１の回転軸６６の周りを回転方向６５に回転可能である。第２のプラズマバーナ２１は、第２の噴射方向６３に沿ってタービン翼１１への噴射を行う。この第２のプラズマバーナ２１は、第２の回転軸６２に沿って回転方向６１に回転可能である。第１のプラズマバーナ１９は、タービン翼１１の脚部範囲で翼軸９に並列する方向に沿って配置され、一方第２のプラズマバーナ２１は、この方向に沿ってタービン翼１１の翼の尖端の高さに配置されている。この第１の噴射方向６７は第２の噴射方向６３と９０°以上の角度αをなす。この配置において、第１のプラズマバーナ１９は先端台３１の被覆、一方第２のプラズマバーナ２１は脚台３５の被覆に使用される。
【００２８】
第1と第２の噴射方向６７、６３のほぼ交点の高さに、タービン翼１１を挟んで第３のプラズマバーナ２３が存在する。該バーナ２３は第３の噴射方向５３に沿ってタービン翼１１への噴射を行う。このバーナ２３は回転軸５６に沿って回転方向５５に回転する。
【００２９】
被覆材料から成る被膜（特にＭＣｒＡｌＸ酸化、腐食保護層）でタービン翼１１を被覆する前に、このタービン翼１１を加熱する。加熱は、３つの全てのプラズマバーナ１９、２１、２３により同時に特に均一に行う。所望の温度に達した後、被膜材料を施し、上述のように第1と第２のプラズマバーナ１９、２１は台３１、３５を被覆すべく用い、一方第３のプラズマバーナ２３で翼片３３の被覆を行う。
【００３０】
翼用マニピュレータ１３は、軸方向４１に移動可能であり、そのためバーナ用マニピュレータ１７を同期して連動させてもよく、従ってバーナ２３により常に同じ半径でタービン翼１１を被覆できる。バーナ１９、２１はこの同期的移動を外されている。
【００３１】
図３は、図２の被覆装置1の変形を示し、この変形は、第３のプラズマバーナ２３に関連する。このバーナは、ここでも翼軸９と第３の噴射方向５３で決定される面に対し垂直方向５１に可動である。更にこの第３のプラズマバーナ２３は、タービン翼１１とのその間隔内でも第３の噴射方向５３に沿った可動性により動き得る状態にある。図２の配置による第３のプラズマバーナ２３の回転軸５６が翼軸９に対し並行に向けられているのに対して、この図では翼軸は噴射方向５３に沿って、翼軸９に対し垂直に向けられている。図２において、第1のプラズマバーナ１９と第２のプラズマバーナ２１の回転軸６６、６２が、第1の噴射方向６７と翼軸９とにより、また第２の噴射方向６３と翼軸９とを結ぶ面内にあるように、回転軸５６も同様に面内にある。
【００３２】
別の変形例として、図４は第１と第２のプラズマバーナ１９、２１の駆動ユニット７１による連動した移動を示す。両バーナ１９、２１のキャリヤ７２を翼軸９に対し並行に移動させる。そのため鎖７３を翼軸９に対し平行に動かす。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】熱プラズマ溶射のための被覆装置
【図２】該被覆装置の３個のプラズマバーナの移動方式の1例を示す図。
【図３】該被覆装置の３個のプラズマバーナの移動方式の別の例を示す図。
【図４】該被覆装置の３個のプラズマバーナの移動方式の更に別の例を示す図。
【符号の説明】
【００３４】
１ 被覆装置、３ 被覆室、５ 予熱室、９ 翼軸、１１ タービン翼、１３ 翼用マニピュレータ、１５ 拡張室、１７ バーナ用マニピュレータ、１９、２１、２３ プラズマバーナ、２５ バーナキャリヤ、３１ 翼片の先端台、３３ 翼片、３５ 翼片の脚台、３７ 面取り部分、４１ 軸方向、４３、５５、６１、６５ 回転方向、５３、６３、６７ 噴射方向、５６、６２、６６ プラズマバーナの回転軸、７１ 駆動ユニット、７２ キャリヤ、７３ 鎖

Claims (16)

1. 少なくとも３個のプラズマバーナ（１９、２１、２３）を同時に熱プラズマ溶射に使用する、翼軸（９）に沿って配列したタービン翼（１１）のプラズマ被覆法。
2. プラズマバーナ（１９、２１、２３）の１つをタービン翼（１１）の加熱に使用することを特徴とする請求項１記載の方法。
3. プラズマバーナ（１９、２１、２３）の少なくとも２個を互いに独立して制御する請求項１記載の方法。
4. タービン翼（１１）を翼軸（９）に沿って回転させる請求項１記載の方法。
5. 第1のバーナ（１９）で第１の噴射方向（６７）に沿ってタービン翼（１１）への噴射を行い、かつ前記第1のバーナ（１９）を、この第１の噴射方向（６７）に対し垂直に配置され、かつこの第１の噴射方向（６７）と翼軸（９）とを結ぶ面内にある第１の回転軸（６６）の周りで回転させる請求項４記載の方法。
6. 第２のバーナ（２１）で第２の噴射方向（６３）に沿ってタービン翼（１１）への噴射を行い、かつ前記第２のバーナ（２１）を、この第２の噴射方向（６３）に対し垂直に配置され、かつこの第２の噴射方向（６３）と翼軸（９）とを結ぶ面内にある第２の回転軸（６２）の周りで回転させ、その際第１の噴射方向（６７）と第２の噴射方向（６３）とを９０°以上の角度（α）とする請求項４記載の方法。
7. 第１のバーナ（１９）と第２のバーナ（２１）を翼軸（９）に沿って連動して移動させる請求項６記載の方法。
8. 第３のバーナ（２３）で、第３の噴射方向（５３）に沿ってタービン翼（１１）への噴射を行い、かつ前記第３のバーナ（２３）を、この第３の噴射方向（５３）と翼軸（９）とを結ぶ面内にある第３の回転軸（５６）の周りで回転させる請求項１記載の方法。
9. 第３の回転軸（５６）が翼軸（９）に対し平行である請求項８記載の方法。
10. 第３の回転軸（５６）が翼軸（９）に対し垂直である請求項８記載の方法。
11. 第３のバーナ（２３）を面に対し垂直方向に移動させる請求項８記載の方法。
12. 第３のバーナ（２３）を第３の噴射方向（５３）に沿って移動させる請求項８記載の方法。
13. 第３のバーナ（２３）を翼軸（９）に平行に移動させる請求項１記載の方法。
14. 本方法を真空中で実施する請求項１記載の方法。
15. 上記プラズマ被覆により、ＭＣｒＡｌＸから成る腐食及び酸化保護層（８１）をニッケル又はコバルト基合金から成るタービン翼（１１）の基材上に施す請求項１記載の方法。
16. タービン翼（１１）を、請求項１から１５の１つの方法により被覆する被覆装置。