JP2005514204A - 基材の被覆方法 - Google Patents

Abstract

孔のある基材に被覆を施そうとしたとき、孔内に被覆材料が侵入してその形状が変化し、孔および基材の機能・作用が害されるという問題がある。本発明に基づく被覆方法によれば、被覆作業時に孔（４）を閉塞プラグ（１６）で塞ぎ、孔の幾何学形状が変化しないようにする。基材上に低温で被覆を設ける場合、閉塞プラグとしてワックスのような低融点の材料を用いる。例えばタービン翼の金属基材上にＭＣｒＡｌＹ層を設ける際に利用できる。

Description

本発明は、少なくとも１つの孔を備えた基材の被覆方法に関する。

タービン翼である膜冷却基材は、例えば冷却材を導くための孔を備える。そのタービン翼の金属基材上に、例えば所謂ＭＣｒＡｌＹ層或いは断熱層のような別の被覆層が設けられる。その場合、基材における膜冷却孔の幾何学形状が害されてはならない。さもなければ、運転中にタービン翼の表面温度が高くなり、その寿命を縮めてしまう。

タービン翼の製造の枠内で金属基材を被覆するために、例えば電気化学法が利用される。電気化学法の場合、被覆層は低い温度（例えば５０℃）で基材上に設けられる。しかしこの方法で設けられた被覆層の場合、被覆層の表面近傍の箇所で粒子間に割れが入り、分布率が不均一となり、そのため被覆層の機能が害される。この結果、ＭＣｒＡｌＹ層の場合には酸化強度が悪くなり、断熱層の場合には断熱層の付着が悪くなる。

本発明の課題は、基材の孔、特に膜冷却孔が、基材に被覆層を設ける際およびそれに続く処理の際にその孔の幾何学形状が保たれ、被覆層の良好な結合が保証されるような、基材の被覆方法を提供することにある。

この課題は、請求項１に記載の方法によって解決される。

孔を備えた基材、特にタービン翼の本発明による被覆方法では、第１の工程で孔を材料或いは閉塞プラグで、孔の外側を覆うように塞ぎ、もってその幾何学形状を保護する。次の工程で、少なくとも１つの被覆層の電気化学的被覆又は低温被覆を行う。閉塞プラグの形状が被覆過程の温度で安定してれば、被覆過程中閉塞プラグ、即ち材料充填物が孔を保護する。少なくとも１つの被覆層は、被覆層の表面の部分溶融が起こる表面照射を必要とする。その被覆層の表面照射により、被覆層の表面近傍の箇所における粒子が、基材と元素分布を均一にして結合され、その結果極端な採用条件においても、酸化防止ないし付着仲介層としての被覆層の機能を維持する。同時に、表面にしか作用しない被覆法によって、孔組織の変化を防止できる。

請求項１に記載の方法の有利な実施態様を従属請求項示す。

閉塞プラグは、低温被覆法における温度より高温で軟らかくなり、孔内に容易に挿入できる。低温被覆法の場合、閉塞プラグは加熱により簡単に除去できる。閉塞プラグはワックスで作るとよい。閉塞プラグは、空気中での酸化で簡単に除去できる黒鉛でもよい。

本発明に基づく方法の特別な利点は、表面処理時に蒸発可能な材料が孔から蒸発する、即ち除去できることにある。

実施例として、図１ａ〜図１ｄに本発明に基づく方法の各工程を示している。

図１ａは基材１、例えばタービン翼、特にガスタービン翼の一部を断面図で示す。該基材１は少なくとも１つの孔４を備える。この少なくとも１つの孔４は通し孔７であるか、盲孔１０である。通し孔７は例えば膜冷却孔として用いられ、タービン翼１の運転中、例えば空気が内側から外側に膜冷却孔７を経て流れ、基材１の表面を高温から保護する。基材１の表面を３で示す。

本発明に基づく方法の第１工程で、表面近傍の箇所の孔４内に閉塞プラグ１６を挿入する（図１ｂ）。該プラグ１６は孔でぴったり終えているか、表面３から突出している。金属又はセラミックスから成る基材１は既に被膜を有することもあり、該被膜上に別の被覆層１３（図１ｃ）が設けられる。

閉塞プラグ１６の材料として、ワックス、ロクタイト（locktite）・接着剤又は被覆層１３の被覆温度でその形状が耐熱性を有するが高温では蒸発する別の材料を用いる。

ワックスは例えば固形で孔４内に押し込まれるか、加熱されて孔４内に流し込まれ、閉塞プラグ１６を形成する。

次の工程（１ｃ）で、基材１自体の表面３上又は既に基材１に存在する被覆層の上に、少なくとも１つの例えば金属層が設けられる。これは例えばＭＣｒＡｌＹ層であり、Ｍは鉄、コバルト或いはニッケルである。そのような被覆層は基材１の酸化防止に役立つ。この被覆層１３は低温での被覆処理、例えば電気化学被覆法で基材１上に設けられる。電気化学的被覆は、例えば２５０℃、特に１００℃より低温、好適には約５０℃で行う。また基材１の表面３上にセラミックス、例えば断熱層も設けられる。その場合、低温であるために、被覆層と基材との間に、全く或いは小さな応力しか生じない。これは、基材と被覆層との異なった熱膨張係数および異なった温度が、冷却時に全く或いはごく僅かな応力しか発生しないからである。

閉塞プラグ１６が基材１の表面３から突出しているとき、その突出部分の上への材料の被着は起こらない。また閉塞プラグ１６が表面３から突出せず、表面３でぴったり終えているときも、閉塞プラグ１６上への被覆層１３の材料付着が全く生じないので、閉塞プラグ１６の範囲における材料被覆は同じように僅かしか起こらない。

被覆層１３は表面１５（図１ｃ）の照射による再処理を必要とする。その際、被覆層１３の粒子の良好な付着と表面近傍の箇所での均質化が起こる。その場合、被覆層１３は表面１５の上、下で溶融する。これはレーザ処理や、例えば電子ビームパルス照射にて行う。即ち、設置したＣｒＡｌＹ粒子元素の一様な分布を達成できる。ここでは別の照射方法も考えられる。

表面処理装置１９により表面を照射する場合、その温度は、例えば閉塞プラグ１６が蒸発するように選定する。しかし、追加的な熱処理工程で閉塞プラグ１６を蒸発させるか、機械的に簡単に除去することも考えられる。

図１ｄは、被覆後にも孔４の幾何学形状を保つ被覆層１３付きの基材１を示す。被覆層１３がＭＣｒＡｌＹ層なら、その上にセラミックス断熱層を同様に設けることができる。

本発明の方法は、改修時、即ち既に利用済の基材の再被覆時にも利用できる。

基材の一部断面図。 基材にある孔に閉塞プラグを挿入する工程の説明図。 基材の被覆層表面を照射処理する工程の説明図。 完成した基材の表面の説明図。

符号の説明

１ 基材（タービン翼）、３ 基材表面、４ 孔、１３ 被覆層、１５ 被覆層表面、１６ 閉塞プラグ

Claims (12)

1. 少なくとも１つの孔（４）を備えた基材（１）の被覆方法において、第１の工程で少なくとも１つの孔（４）を閉塞プラグ（１６）で塞ぎ、次の工程で少なくとも１つの被覆層（１３）を低温被覆法で基材（１）の表面（３）上に設け、続く工程でその被覆層（１３）の表面（１５）の照射を行って、この被覆層（１３）の表面近傍の箇所において粒子の良好な付着性および均質性を得ることを特徴とする方法。
2. 基材（１）がタービン翼であることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 照射時に、被覆層（１３）の表面（１５）の内側における箇所を少なくとも部分的に溶融させることを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 被覆層を設けるための低温被覆法として電気化学法を利用することを特徴とする請求項１記載の方法。
5. 低温被覆法における温度が、２５０℃、特に１００℃より低いことを特徴とする請求項１記載の方法。
6. 被覆層表面（１５）を、電子ビームパルスで照射することを特徴とする請求項１記載の方法。
7. 被覆層表面（１５）を、レーザで照射することを特徴とする請求項１記載の方法。
8. 被覆層表面（１５）の照射中或いは照射終了後、閉塞プラグ（１６）を孔（４）の表面近傍の範囲から除去することを特徴とする請求項１記載の方法。
9. 閉塞プラグ（１６）を蒸発によって除去することを特徴とする請求項８記載の方法。
10. 被覆層（１３）がセラミックス、特にセラミックス断熱層、或いは金属特にＭＣｒＡｌＹ層（Ｍ＝Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ）であることを特徴とする請求項１記載の方法。
11. 少なくとも１つの孔（４）が膜冷却孔或いは衝突冷却孔であることを特徴とする請求項１記載の方法。
12. 閉塞プラグ（１６）がワックスから成ることを特徴とする請求項１記載の方法。

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