JP2005194599A - プラズマ溶射装置および同装置における溶射粒子温度の検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶射施工点における溶射粒子の温度を把握することが可能なプラズマ溶射装置ならびにプラズマ溶射装置における溶射粒子温度の検出方法を提供する。
【解決手段】所定の温度計測位置に温度検出手段９を配設し、溶射ガン２を温度検出手段９による温度検出ポイントから所定の溶射距Ｌだけ離れた位置に位置決めするようにしている。溶射施工点Ｐにおける溶射粒子温度に相当する溶射粒子温度を精度良く検出して、溶射皮膜の膜厚や膜質の適正な管理に役立てることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスタービンの構成部材である動翼、静翼、燃焼器等の遮熱コーティングに採用して好適なプラズマ溶射装置および同装置における溶射粒子温度の検出方法に関するものである。

発電用ガスタービンの構成部材である静翼、動翼、燃焼器等は、耐熱性を向上するために、酸化物セラミックス等からなる遮熱コーティング（Thermal Barrier Coating,ＴＢＣ）をその表面に施すことが多い。(例えば、特許文献１)
上記遮熱コーティング 膜をプラズマ溶射装置によって形成する場合、適正な膜厚および膜質が得られるように、溶射距離、粉末材料供給量、プラズマガス流量、プラズマ電流等の溶射条件が予め設定される。
２００３−１８３７５４号公報

しかし、上記設定された溶射条件は、予期できない内的要因や外的要因のために、その後において変化していることがある。この溶射条件の変化は、当然、コーティング皮膜の膜厚や膜質等に影響を及ぼすことになる。
本発明者らは、上記溶射条件の変化が溶射施工点における溶射粒子温度の変化をもたらし、これが、コーティングされる溶射皮膜の膜厚や膜質等に影響を及ぼすという事実を見出し、上記膜厚や膜質等を適正に管理するためには、溶射施工点における溶射粒子の温度を把握する必要があるという知見を得た。

そこで、本発明の目的は、溶射施工点における溶射粒子の温度を把握することが可能なプラズマ溶射装置ならびにプラズマ溶射装置における溶射粒子温度の検出方法を提供することにある。

本発明に係るプラズマ溶射装置は、上記目的を達成するため、所定の温度計測位置に配設した温度検出手段と、溶射施工点における溶射粒子温度に相当する溶射粒子温度を前記温度検出手段に検出させるため、溶射ガンを前記温度検出手段による温度検出ポイントから所定の溶射距離だけ離れた位置に位置決めする位置決め手段と、を備えた構成を有する。

このプラズマ溶射装置は、前記温度検出手段の検出温度を表示する表示手段をさらに備えることができる。また、所定の目標温度と前記温度検出手段の検出温度との偏差をとり、この温度偏差が所定の許容範囲を超える場合にアラームを発生する手段をさらに備えても良い。

前記溶射粒子温度の調整手段と、所定の目標温度と前記温度検出手段の検出温度との偏差をとり、この温度偏差がなくなるように前記溶射粒子温度の調整手段を制御する手段と、をさらに備えることができる。この場合、前記温度調整手段は、プラズマガス流量を調整する手段とプラズマ電流を調整する手段の内の少なくとも一方であって良い。

本発明に係るプラズマ溶射装置における溶射粒子温度の検出方法は、所定の温度計測位置に温度検出手段を配設するステップと、溶射施工点における溶射粒子温度に相当する溶射粒子温度を前記温度検出手段に検出させるため、溶射ガンを前記温度検出手段による温度検出ポイントから所定の溶射距離だけ離れた位置に位置決めするステップと、を含むことを特徴としている。

本発明によれば、所定の温度計測位置に温度検出手段を配設し、溶射ガンを前記温度検出手段による温度検出ポイントから所定の溶射距離だけ離れた位置に位置決めするようにしているので、溶射施工点における溶射粒子温度に相当する溶射粒子温度を精度良く検出して、溶射皮膜の膜厚や膜質の適正な管理に役立てることができる。

図１は、本発明に係るプラズマ溶射装置の実施の形態を示す概略図である。このプラズマ溶射装置は、ロボット１に取付けられた溶射ガン２と、この溶射ガン２に接続された溶射装置本体３と、溶射制御部４とを備えている。溶射制御部４は、溶射装置本体３に内蔵された図示していない粉末材料フィーダ、ガス流量制御部、プラズマ発生用電源等を制御して、粉末材料の供給量、プラズマガス流量、プラズマ電流等を所定の溶射条件に適合する値に設定する。

このプラズマ溶射装置においては、熱源であるプラズマフレーム５内に投入された粉末材料の粒子６（以下、溶射粒子という）がこのプラズマフレーム５によって加速及び加熱される。したがって、溶射ガン２の前方に位置された母材たる被溶射物７（例えば、ガスタービンの構成部品）には、上記溶射粒子が高速で衝突してスプラットが形成される。この結果、被溶射物７の表面には、堆積したスプラットからなる溶射皮膜８が形成される。

ところで、上記のようにして形成される溶射皮膜８の厚さ（ｍｍ）および堆積量（ｇ）は、溶射施工点Ｐにおける溶射粒子６の温度に応じてそれぞれ図２に例示した曲線ａおよびｂのように変化する。つまり、上記溶射施工点Ｐにおける溶射粒子６の温度は、溶射皮膜８の厚さおよび堆積量に影響を与える。また、上記溶射施工点Ｐにおける溶射粒子６の温度は、溶射皮膜８の膜質にも影響を及ぼす。したがって、上記溶射施工点Ｐにおける溶射粒子６の温度を把握することは、適正な溶射結果を得るための重要な要素になる。

本発明に係るプラズマ溶射装置は、上記の知見に基づき、上記溶射施工点Ｐにおける溶射粒子６の温度を把握するための温度センサ９を設けている。
溶射粒子６の温度を計測する際には、ロボット１によって溶射ガン２が所定の温度計測位置まで移動される。温度センサ９は、溶射ガン２が上記温度計測位置まで移動されたときに、この溶射ガン２から距離Ｌだけ離間して位置するようにその配設位置が設定されている。上記距離（溶射距離）Ｌは、実際の溶射作業時における溶射ガン２と被溶射物７の施工点Ｐとの間の距離に相当している。したがって、溶射ガン２を上記計測位置まで移動したときに温度センサ９によって検出される温度は、実際の溶射作業時における上記施工点Ｐでの溶射粒子６の温度に相当することになる。

ロボット制御部１０は、溶射ガン２を施工位置に移動させるプログラムの他、溶射作業の開始前等に溶射ガン２を上記計測位置まで移動させるプログラムを備えている。したがって、溶射作業の開始前等に、上記施工点Ｐでの溶射粒子６の温度に相当する温度を温度センサ９に検出させることができる。なお、ロボット１を手動操作して溶射ガン２を上記計測位置まで移動させることも当然可能である。

上記施工点Ｐでの粒子温度は、主として、プラズマガス流量、プラズマ電流、溶射距離Ｌに依存する。
すなわち、例えば、プラズマガスがアルゴンと水素の混合ガスである場合、アルゴンを一定として水素の量を変化させた場合、図３に例示するように、この水素の量の増加に伴って上記溶射粒子６の温度が高くなる傾向を示す。また、溶射粒子温度は、プラズマ電流の増加に伴って高くなる傾向を示すとともに（図４参照）、溶射距離Ｌの増加に伴って減少する傾向を示す（図５参照）。

所望の膜厚および膜質の皮膜８を形成するための上記溶射施工点Ｐにおける溶射粒子６の目標温度は、予め実験等によって知られる。すなわち、実験によれば、例えば図６に示すような標準ポーラスＴＢＣ(遮熱性に優れる)としての組成を有する皮膜８ａを形成する場合には、上記目標温度を１，２００℃〜２，７００℃（例えば、２，５００℃）に設定すれば良いことが確認され、また、図７に示すような縦割れＴＢＣ（耐久性に優れる。歪にくく、剥がれにくい）としての組成を有する皮膜８ｂを形成する場合には、上記目標温度を３，０００℃以上（例えば、３，２００℃）に設定すれば良いことが確認された。
なお、ポーラス皮膜８ａを形成する場合の適正溶射距離Ｌと縦割れ皮膜８ｂを形成する場合の適正溶射距離Ｌは相違し、前者のほうが後者よりも大きく設定される。

上記温度センサ９に接続された温度モニタ部１１は、温度センサ９によって検出された溶射粒子６の温度を表示する適宜な表示器（図示せず）を備えている。したがって、オペレータは、その表示器の表示温度に基づいて、上記溶射施工点Ｐにおける溶射粒子６の温度が適正であるか否かを把握することができる。

温度モニタ部１１に上記目標温度と検出温度の偏差を演算する手段と、その温度偏差が許容範囲を越えている場合に作動するアラーム手段とを設けることも可能である。
上記記表示器の表示温度や上記アラーム手段の作動に基づいて、上記溶射施工点Ｐにおける溶射粒子６の温度が適正でないことが認識された場合には、図３および図４に例示したような関係に基づいて、検出された溶射粒子６の実温度が上記目標温度に近づくように例えば上記プラズマガス流量、プラズマ電流のいずれか１つもしくは双方が調整される。

なお、図５に示したように、溶射距離Ｌも溶射粒子温度に大きく影響する。しかし、この溶射距離Ｌを変化させるには、ロボット１による溶射ガン２の移動プログラムを変更しなければならない。そこで、この実施の形態では、溶射粒子温度の調整要素としてプラズマガス流量および／またはプラズマ電流を採用している。このプラズマガス流量および／またはプラズマ電流の調整は、溶射制御部４に設けられた手動調整手段を用いて行うことができる。

上記プラズマガス流量および／またはプラズマ電流の調整が終了すると、再度、
溶射粒子６の温度が検出され、この温度が再び適正でないと判断された場合には、上記プラズマガス流量および／またはプラズマ電流の調整操作が再度実行される。そして、温度モニタ部１１において目標温度と検出温度の偏差が許容範囲にあると確認された段階で、実際の被溶射物７に対する溶射が開始される。なお、ロボット制御部１０は、上記温度偏差が許容範囲にあることを溶射作業開始のインターロック条件としてプログラム中に組み込むことができる。

ところで、上記温度偏差を用いて、この偏差が許容範囲に収まるように上記プラズマガス流量および／またはプラズマ電流を自動的に調整することも可能である。この場合、溶射制御部４には、例えば内蔵する前記ガス流量制御部の流量調整手段（例えば電磁サーボバルブ）を上記温度偏差に対応する制御信号で制御する制御系や、内蔵する前記プラズマ発生用電源を上記温度偏差に対応する制御信号で制御する制御系等が設けられる。

上記のように、この実施の形態によれば、適正な溶射粒子温度が得られるか否かを、つまり、適正な膜厚および膜質の溶射皮膜が形成されるか否かを、実際の溶射作業に先立って認識することができるので、不適正な膜厚および膜質の溶射皮膜が形成されることを回避することが可能になる。

図８は、まず縦割れ皮膜８ｂを成膜し、この縦割れ皮膜８ｂ上にポーラス皮膜８ａを成膜してなるハイブリッドＴＢＣを示している。本実施の形態に係る溶射装置および溶射方法は、このようなハイブリッドＴＢＣを形成する場合にも有効である。すなわち、縦割れ皮膜８ｂの成膜時における粒子温度と、ポーラス皮膜８ａの成膜時における粒子温度とをそれぞれ個別に管理すること可能になるので、信頼性の高いハイブリッドＴＢＣを形成することができる。なお、上記ハイブリッドＴＢＣは、遮熱性と耐久性を併せ持つ。

本発明に係るプラズマ溶射装置の実施の形態を示す概略図である。 溶射粒子温度と粒子堆積量との関係および溶射粒子温度と膜厚との関係を例示したグラフである。 水素量と溶射粒子温度との関係を例示したグラフである。 プラズマ電流と溶射粒子温度との関係を例示したグラフである。 溶射距離と溶射粒子温度との関係を例示したグラフである。 標準ポーラスＴＢＣを例示した概略図である。 縦割れＴＢＣを例示した概略図である。 ハイブリッドＴＢＣを例示した概略図である。

符号の説明

１ ロボット
２ 溶射ガン
３ 溶射装置本体
４ 溶射制御部
５ プラズマフレーム
６ 溶射粒子
７ 被溶射物
８ 溶射皮膜
９ 温度センサ
１０ ロボット制御部
１１ 温度モニタ部

Claims (6)

1. 所定の温度計測位置に配設した温度検出手段と、
   溶射施工点における溶射粒子温度に相当する溶射粒子温度を前記温度検出手段に検出させるため、溶射ガンを前記温度検出手段による温度検出ポイントから所定の溶射距離だけ離れた位置に位置決めする位置決め手段と、
   を備えることを特徴とするプラズマ溶射装置。
2. 前記温度検出手段の検出温度を表示する表示手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ溶射装置。
3. 所定の目標温度と前記温度検出手段の検出温度との偏差をとり、この温度偏差が所定の許容範囲を超える場合にアラームを発生する手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ溶射装置。
4. 前記溶射粒子温度の調整手段と、
   所定の目標温度と前記温度検出手段の検出温度との偏差をとり、この温度偏差がなくなるように前記溶射粒子温度の調整手段を制御する手段と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ溶射装置。
5. 前記温度調整手段が、プラズマガス流量を調整する手段とプラズマ電流を調整する手段の内の少なくとも一方である請求項４に記載のプラズマ溶射装置。
6. 所定の温度計測位置に温度検出手段を配設するステップと、
   溶射施工点における溶射粒子温度に相当する溶射粒子温度を前記温度検出手段に検出させるため、溶射ガンを前記温度検出手段による温度検出ポイントから所定の溶射距離だけ離れた位置に位置決めするステップと、
   を含むことを特徴とするプラズマ溶射装置における溶射粒子温度の検出方法。

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