JP2005208061A - 溶射被覆した基体を作製しかつ検査する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、その上に溶射皮膜を有する物品を製作しかつ検査する方法（１００）を提供する。
【解決手段】 本方法は、表面を有する基体物品を準備する段階（１０２）と、皮膜材料を該皮膜材料と基体物品との間の密着面がボンド部となるように該基体物品の表面上に溶射する段階（１０４）と、被覆物品を非破壊検査する段階（１０６）とを含む。非破壊検査する段階は、被覆物品内に渦電流を発生させる段階（１０８）と、被覆物品内の渦電流を測定する段階（１１０）と、測定渦電流を使用してボンド部に隣接して位置する被覆物品のボンド部近傍領域を評価する段階（１１２）とを含む。
【選択図】 図３

Description

本発明は、一般的にはその上に溶射皮膜を有する基体の作製に関し、より具体的には、溶射皮膜と基体との間の結合（ボンド）部の完全性を検査する方法に関する。

少なくとも幾つかの公知の金属皮膜は、溶射プロセスを使用して基体に施工され、この溶射プロセスにおいては、通常粉末又はワイヤの形態で供給される皮膜材料が溶射装置内で高温度に加熱される。皮膜材料は、液滴を形成するように完全に溶融させてもよいし、半塑性粒子を形成するように部分的に溶融させてもよいし、或いは固体粉末粒子として形成された状態のままとしてもよい。皮膜材料は、溶射装置から高速度で基体表面に向かって放出される。溶射した材料は、表面上に堆積し、該材料が液体である程度に応じて凝固する。より具体的には、液滴及び粒子は、比較的高速度で表面に衝突し、表面に対してほぼ平坦になる。堆積は、凝固した皮膜が所望の厚さに達するまで継続される。

溶射プロセスは、非常に多用途であり、広範な種類の組成及び基体物品で使用することができる。例えば、溶射プロセスは、過去の実使用時に部分的に摩滅した物品上に皮膜を堆積させるのに使用することができ、この場合には、皮膜は基体物品とほぼ同一の組成を有する。別の実施例では、溶射プロセスは、表面全体にわたって耐摩耗性皮膜を堆積させるのに使用することができ、この場合には、皮膜は、基体物品と異なる組成を有しかつ基体物品よりも耐摩耗性がある。さらに別の実施例では、溶射プロセスは、表面全体にわたって摩耗性又は摩滅性皮膜を堆積させるのに使用することができ、この場合には、皮膜は、基体物品と異なる組成を有しかつ基体物品よりも耐摩耗性が小さい。さらに、溶射プロセスは、不規則かつ複雑な形状の基体物品を被覆するのに使用することができる。

一般的に、有効であるためには、溶射皮膜は、該皮膜が良好な機械的結合で施工される全表面に対して、ボンド（結合）部において付着しなければならない。従って、基体からの皮膜の層間剥離は、皮膜を基体から分離させる可能性がある。幾つかのより要求の厳しい用途では、皮膜はさらに、基体に対して金属結合されなければならない。

溶射した皮膜の基体に対する結合の結合強度を判定する少なくとも１つの公知の方法は、被覆物品を破壊切断することと、ボンド部領域を金属学的に検査することとを必要とする。通常、この方法は良好な結合皮膜を実現するプロセスパラメータを設定するのに使用され、同一のプロセスパラメータが、皮膜製造工程において再現される。溶射プロセスは非常に多用途であるので、可能な種類の皮膜及び基体物品の構成の全ての範囲に対して破壊検査を実施することが困難になる可能性がある。さらに、破壊検査法によってプロセスが製造における比較的小さな変動と見做された場合であっても、物品の製造においてパラメータにより許容不能なボンド部構造が生じる可能性がある。検査物品の使用に係わる別の問題は、検査物品が製造物品と異なる挙動を示す可能性があることである。加えて、熱処理及び機械加工のような皮膜の後処理工程により、当初は欠陥のなかったボンド部に対してボンド部欠陥が導入される可能性がある。
米国特許６，５６３，３０７号公報

１つの様態では、その上に溶射皮膜を有する物品を製作しかつ検査する方法を提供する。本方法は、表面を有する基体物品を準備する段階と、皮膜材料を該皮膜材料と基体物品との間の密着面がボンド部となるように該基体物品の表面上に溶射する段階と、被覆物品を非破壊検査する段階とを含む。非破壊検査する段階は、被覆物品内に渦電流を発生させる段階と、被覆物品内の渦電流を測定する段階と、測定渦電流を使用してボンド部に隣接して位置する被覆物品のボンド部近傍領域を評価する段階とを含む。

別の様態では、その上に溶射皮膜を有する物品を検査するためのシステムを提供する。本システムは、溶射被覆基体物品がその上に配置されたターンテーブルと、基体物品に作動結合され、被覆基体物品の内部に渦電流を発生させかつ該被覆基体物品の内部の渦電流を測定するように構成された渦電流プローブと、測定渦電流を使用して、ボンド部に隣接して位置する被覆物品のボンド部近傍領域を判定するように構成されたコンピュータとを含む。

図１は、ファン組立体１２と、高圧圧縮機１４及び燃焼器１６を備えたコアエンジン１３とを含むガスタービンエンジン１０の概略図である。エンジン１０はまた、高圧タービン１８と、低圧タービン２０と、ブースタ２２とを含む。ファン組立体１２は、ロータディスク２６から半径方向外向きに延びるファンブレード２４の配列を含む。エンジン１０は、吸気側２７と排気側２９とを有する。１つの実施形態では、ガスタービンエンジンは、オハイオ州シンシナティ所在のＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙから入手可能なＣＦ６−５０型である。ファン組立体１２とタービン２０とは第１のロータシャフト３１で連結され、圧縮機１４とタービン１８とは第２のロータシャフト３３で連結される。

運転時、空気は、エンジン１０を貫通して延びる中心軸線３４にほぼ平行な方向にファン組立体１２を通って軸方向に流れ、加圧空気は、高圧圧縮機１４に供給される。高度に加圧された空気は、燃焼器１６に供給される。燃焼器１６からの空気流（図１に図示せず）は、タービン１８及び２０を駆動し、タービン２０はシャフト３１によってファン組立体１２を駆動する。

図２は、検査される物品２８の斜視図である。例示的な実施形態では、物品２８は、複数のハニカムランド面３２を含む固定シール３０である。例えば、この例示的な実施形態では、固定シール３０は、ガスタービンエンジン１０（図１に示す）で使用することができる圧力バランスシールである。

本明細書での方法は固定シールに関して説明するが、本方法は、広範な種類の物品に適用可能であることを理解されたい。例えば、物品２８は、任意の実施可能な形状、寸法及び構成とすることができる。関心のある基体の例には、シール及びフランジ、さらに他の種類の基体のようなガスタービンエンジン部品の分野が含まれる。基体物品は、任意の実施可能なベース材料で製作することができる。実施可能なベース材料の例には、重量であらゆる他の元素よりも多くのニッケルを有するニッケル基合金、重量であらゆる他の元素よりも多くのコバルトを有するコバルト基合金、重量であらゆる他の元素よりも多くのチタンを有するチタン基合金、重量であらゆる他の元素よりも多くの鉄を有する鉄基合金及び重量であらゆる他の元素よりも多くのアルミニウムを有するアルミニウム基合金が含まれる。特に関心のあるニッケル基合金の例は合金７１８であり、この合金７１８は、重量％で、約５０．０％〜約５５．０％のニッケル、約１７．０％〜約２１．０％のクロム、約４．７５％〜約５．５０％のクロム＋タンタル、約２．８％〜約３．３％のモリブデン、約０．６５％〜約１．１５％のチタン、約０．２０％〜約０．８０％のアルミニウム、約１．０％のコバルト及び合計１００重量％になるような残部の鉄からなる規格組成を有する。また、炭素、マンガン、珪素、燐、硫黄、ホウ素、銅、鉛、ビスマス及びセレンのような他の微量元素が、存在してもよい。これらの基体物品及び組成は、好ましい実施形態の例として示しているのであって、限定として示すものではない。

１つの実施形態では、皮膜４０は、それに限定されないが、重量％で、約４．５％〜約７．５％のアルミニウム、約１５．５％〜約２０．５％のクロム、約３．０％のマンガン、約１．０％の鉄、約０．３％の炭素、約２．０％の珪素、約３．５％の他の元素及び約７０．０％のニッケルの公称組成範囲を有するニッケルクロムアルミニウム（ＮｉＣｒＡｌ）皮膜のような断熱皮膜である。この例示的な実施形態では、皮膜４０は、厚さが約０．００２インチ〜約０．１５０インチの間にあり、それに限定されないが、高速オキシ燃料溶射（ＨＶＯＦ）、空気プラズマ溶射（ＡＰＳ）、減圧プラズマ溶射（ＬＰＰＳ）、ワイヤアーク溶射及び燃焼ワイヤ又は粉末式溶射のような多数の溶射法を使用して、固定シール３０に施工することができる。皮膜４０を物品２８の表面６４に施工した後に、熱処理工程を実施して皮膜４０が物品２８内に拡散するのを促進する。次に、皮膜４０は、皮膜４０と物品２８の表面６４との間に何らかのボンド部欠陥が存在するか否かを判定するために非破壊検査される。より具体的には、物品２８すなわち固定シール３０の形状、物品２８のベース材料、皮膜材料すなわち皮膜４０及び実施パラメータの変動のような広範な種類の因子により、物品２８と皮膜４０との間にボンド部近傍欠陥を生じる可能性がある。そのような欠陥は、溶射皮膜４０が不満足な状態で実施される原因になる可能性がある。従って、物品２８を検査して、そのような欠陥が物品２８内に存在するか否かと、被覆物品２８にそのような欠陥が全くなかった時点とを判定する。

図３は、固定シール３０のような金属基体と皮膜４０のような基体に施工された皮膜との間のボンド部を非破壊検するのに使用することができるシステム５０である。図４は、図３に示すシステム５０の一部分である。この例示的な実施形態では、システム５０は、データ収集／制御システム５２とカム５６を有する渦電流プローブ５４とを含む渦電流検査システム５０である。この例示的な実施形態では、渦電流プローブ５４は、約５００キロヘルツで作動するように構成されたカム従動子プローブである。渦電流プローブ５４は、制御／データ情報が渦電流プローブ５４及びデータ収集／制御システム５２に／から送信可能なように、データ収集／制御システム５２に電気的に結合される。システム５０はまた、軸線６０の周りで回転するように構成されたターンテーブル５８と、それに限定されないが、ターンテーブル５８上に配置されたタービン固定シール３０の一部分のような物品２８に摺動可能に結合されたロボットアームのような機械部材６２とを含む。

図４は、図３に示すデータ収集／制御システム５２及び渦電流プローブ５４の拡大図である。渦電流プローブ５４は、米国特許６，７２０，７７５号公報に開示されているセンサに類似した２次元センサアレイとして図示しているが、本発明の構成は、その特許公開に開示されている２次元センサアレイ又は２次元性能のいずれかを必ずしも必要とするものではない。

渦電流プローブ５４は、駆動コイル７０を含み、この駆動コイル７０は図４に部分的に破断して示して、１つ又は複数の内臓センサ７２と矩形パルス発生器７４とをより詳しく分かるようにしている。データ収集／制御システム５２は、コンピュータインタフェイス７６と、メモリ８０を備えたパーソナルコンピュータのようなコンピュータ７８とモニタ８２とを含む。コンピュータ７８は、ファームウエア（図示せず）内に格納された命令を実行する。コンピュータ７８は、本明細書で説明した機能を実行するようにプログラミングされており、本明細書で使用する場合にコンピュータという用語は、当技術分野でコンピュータと呼ばれる所謂集積回路にだけに限定されるのではなく、広くコンピュータ、プロセッサ、マイクロコントローラ、マイクロコンピュータ、プログム可能ロジックコントローラ、特定用途向け集積回路及びその他のプログラム可能回路を意味し、これらの用語は本明細書では同義的に使用する。

駆動コイル７０は、１つ又は複数のセンサ７２を囲むほぼ矩形構成とすることができる多重巻線ソレノイドである。センサ７２は、駆動コイル７０の内側又は外側、さらに上方又は下方に設置することができる。矩形駆動コイル７０は、物品２８（図３に示す）のような検査中の金属物体内に過渡電磁束を伝送するのに使用される。メモリ８０は、１つ又はそれ以上の揮発性及び／又は不揮発性記憶装置を表わすことを意図しているが、それらは当業者にはよく知られているので別個には示していない。コンピュータ７８でしばしば使用されるそのような記憶装置の例には、固体メモリ（例えば、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読出し専用メモリ（ＲＯＭ）及びフラシュメモリ）、磁気記憶装置（例えば、フロッピディスク及びハードディスク）、光記憶装置（例えば、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＷ及びＤＶＤ）などが含まれる。メモリ８０は、コンピュータ７８に対し内部メモリ又は外部メモリとすることができる。データ収集／制御システム５２はまた、それに限定されないが、コンピュータ７８及び渦電流プローブ５４の少なくとも１つに電気的に結合された、帯形記録計、Ｃ−スキャン及び電子管式記録計のような記録装置８４を含む。

図５は、その上に溶射皮膜を有する物品を製作しかつ検査する方法１００である。方法１００は、表面６４を有する基体物品２８を準備する段階１０２と、皮膜材料４０と基体物品２８との間の密着面がボンド部として形成されるように皮膜材料４０を基体物品２８の表面６４上に溶射する段階１０４とを含む。次に、被覆物品２８は、ターンテーブル２８上に配置される。次に、ターンテーブル５８はエネルギーを与えられて、被覆物品２８がターンテーブル２８の軸線６０の周りで回転するようになる。方法１００はさらに、被覆物品２８を非破壊検査する段階１０６を含み、非破壊検査する段階１０６は、被覆物品２８内に渦電流を発生させる段階１０８と、被覆物品２８内の渦電流を測定する段階１１０と、測定渦電流を使用して、ボンド部に隣接して位置する被覆物品２８のボンド部近傍領域を評価する段階１１２とを含む。

より具体的には、パルス発生器７４は、センサ７２及びコイル７０が被覆物品２８の表面６４上にあるか又は該表面６４に近接している間に、本質的に矩形形状の短期間電流パルスでコイル７０を励起するのに使用される。その結果、パルス渦電流が、検査中の被覆物品２８内に発生する。１つ又は複数のセンサ７２は、パルス渦電流を電圧として感知する。例えば、パルス渦電流は、特定の物品２８の場合に１つ又は複数のセンサ７２内に約＋５００ｍＶ〜約−５００ｍＶの範囲にある信号を生成することができる。この例示的な実施形態では、本発明の多数の構成を実行するのに複数のセンサ７２は必要ないので、本説明の残りの部分においては１つのセンサ７２によって生成された信号のみを考慮する。また、センサ７２は、パルス渦電流を示す電圧又は電流のいずれかを生成可能である。従って、本明細書で使用する場合の「測定渦電流」は、電圧、電流又はデジタル化値の形態のいずれかである渦電流の任意の測定表現を含む。

コンピュータインタフェイス７６は、センサ７２から応答信号を受信し、測定ウインドウの間にコンピュータ７８内にパルス渦電流を表すデジタル化信号を伝達する。この例示的な実施形態では、測定ウインドウは、パルス終了後の極めて短時間に開始する。例えば、幾つかの構成では、測定ウインドウは、パルス終了後の約１０ミリ秒で始まる。他の構成では、測定ウインドウは、パルス終了後の約０．５ミリ秒で始まる。メモリ８０内に格納したプログラムを利用して、コンピュータ７８は、このデジタル化信号をパラメータ化し、該パラメータに伝達関数を適用して少なくとも１つの測定値／物体特性を求める。本明細書で使用する場合、「測定値／物体特性」は、壁厚さ、透磁率又は伝導率のような金属物体自体の物理的特性、及び／又は測定値の特性すなわち金属物体とセンサとの間の例えばセンサリフトオフのような物理的関係である。結果は、次にディスプレイ８２上に表示され、及び／又は後の使用のためにメモリ８０内に保管され及び／又はプリンタ（図には図示せず）上に印書される。別の実施形態では、デジタル化信号は、記録装置８４で受信され、後の使用のために格納される。

次に、受信信号を評価１１２して、ボンド部近傍領域６６が、層間剥離しているか否か、機械的結合（層間剥離がない状態での）を示すか否か、又は金属間結合（層間剥離がない状態での）を示すか否かを判定する。本明細書で使用する場合に、ボンド部近傍領域６６は、それに限定されないが、例えば皮膜４０内に平底穴を含む。評価する段階１１２は、好ましい許容可能性基準を作成することを含む。具体的には、また図６を参照すると、物品２８は、本明細書で上に説明したように、システム５０を使用して動的に検査される。検査中に、システム５０は、深さ９２が約０．５０８mm（０．０２０インチ）のほぼ平底９０を含みかつ幅９４が約１／３２インチであるボンド部欠陥領域６６を判定することができる。次に、コンピュータ７８及び記録装置８４の少なくとも１つを使用して、ボンド部欠陥領域６６が許容可能限界値の範囲内にあるか否かを判定する。次に、所定の閾値を超えるあらゆるボンド部欠陥領域を評価して、実際の寸法を求める。

上記の方法及びシステムは、溶射被覆物品内のボンド部近傍欠陥を判定することを可能にする、コスト効果がありかつ高い信頼性がある手段を提供する。ほぼ円筒形の外表面を備えた物体を被覆しかつ検査することに関して本方法を説明したが、本方法は複雑な外表面を有する物品に対して使用可能であることを理解されたい。例えば、デジタル渦電流近接システムは、タービンシール内のボンド部近傍欠陥の寸法及び深さを測定するのに使用することができる。本明細書で説明した本方法はまた、溶射物品の必要な処理を決定するためのプロセス開発ツールとして、また生産ハードウエアについてのその許容可能性を判定するための受入れ検査としてその両方で使用することができる。加えて、カム従動子プローブは任意の外形に自動的に追従するように構成されているので、ロボットアーム上に取付けたカム従動子プローブを使用することによって、渦電流を自動測定することが可能になり、従って広範な種類の基体物品を検査することが可能になる。

以上、デジタル渦電流近接システムの例示的な実施形態を詳細に説明している。本システムは、本明細書に記載した特定の実施形態に限定さるものではなく、むしろ、各システムの構成要素は、本明細書に記載した他の構成要素から独立してかつ別個に利用することができる。各システムの構成要素はまた、他のシステムの構成要素と組合せて使用することもできる。

様々な特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施可能であることは、当業者には明らかであろう。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

例示的なガスタービンエンジンの概略図。 図１に示すガスタービンエンジンで使用するタービン固定シールの斜視図。 その上に溶射皮膜を有する物品を検査するためのシステムのブロック図。 図３に示すシステムの分解図。 その上に溶射皮膜を有する物品を検査する方法を示すフロー図。 その上に溶射皮膜を有する物品の斜視図。

符号の説明

２８ 基体物品
４０ 皮膜
５０ 検査システム
５２ データ収集／制御システム
５４ 渦電流プローブ
５６ カム
５８ ターンテーブル
６２ ロボットアーム
６４ 基体物品の外周
６６ ボンド部近傍領域
７０ 駆動コイル
７２ センサ
７４ パルス発生器
７８ コンピュータ

Claims (10)

1. その上に溶射皮膜を有する物品を検査するのに使用するためのシステム（５０）であって、
   溶射被覆基体物品（２８）がその上に配置されたターンテーブル（５８）と、
   前記基体物品に作動結合され、前記被覆基体物品の内部に渦電流を発生させかつ該被覆基体物品の内部の渦電流を測定するように構成された渦電流プローブ（５４）と、
   前記測定渦電流を使用して、ボンド部に隣接して位置する前記被覆物品のボンド部近傍領域（６６）を判定するように構成されたプロセッサ（７８）と、
   を含むシステム（５０）。
2. 前記渦電流プローブ（５４）が、前記被覆基体物品（２８）の外周（６４）に沿って平行移動しかつ該被覆基体物品の内部に渦電流を発生させるように構成されたカム従動子プローブを含む、請求項１記載のシステム（５０）。
3. 前記カム従動子プローブ（５４）に結合されたロボットアーム（６２）をさらに含み、前記ロボットアームが、コンピュータ（７８）から命令を受信しかつ前記受信した命令に従い前記被覆基体物品（２８）の外周（６４）に沿って前記カム従動子プローブを平行移動させるように構成されている、請求項２記載のシステム（５０）。
4. 前記渦電流プローブ（５４）が、
   駆動コイル（７０）と、
   前記駆動コイルにパルス方式でエネルギーを与えて、検査中の金属物体（２８）内に過渡電磁束を伝送するように作動可能なパルス発生器（７４）と、
   前記過渡電磁束により前記被覆基体物品内に発生した時間変化渦電流を表す出力信号を生成するように作動可能な少なくとも１つのセンサ（７２）と、を含む、
   請求項１記載のシステム（５０）。
5. 前記少なくとも１つのセンサ（７２）が、深さが約０．０３１２５インチよりも小さくかつ幅が約０．５０８mm（０．０２０インチ）よりも小さいボンド部近傍欠陥（６６）を測定するように構成されている、請求項４記載のシステム（５０）。
6. 前記少なくとも１つのセンサに結合されたプロセッサ（７８）をさらに含み、前記プロセッサが、
   前記過渡電磁束により生じる前記時間変化渦電流を表す出力信号を測定し、
   前記測定出力信号が所定の閾値を超えるか否かを判定する、
   ように構成されている、
   請求項４記載のシステム（５０）。
7. 前記渦電流プローブ（５４）から受信した出力を記録するように構成されたデータ収集／制御システム（５２）をさらに含む、請求項１記載のシステム（５０）。
8. 前記ターンテーブル（５８）が、前記渦電流プローブ（５４）が前記被覆基体物品（２８）の内部に渦電流を発生している間、回転するように構成されている、請求項１記載のシステム（５０）。
9. 前記被覆基体物品（２８）が、ガスタービンエンジン固定シールを含む、請求項１記載のシステム（５０）。
10. 前記ガスタービンエンジン固定シールが、該固定シールの表面上に溶射された金属材料（４０）を含む、請求項９記載のシステム（５０）。

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