JP2006183658A - ガスタービン・エンジンのタービン・ベーン部分をマイクロプラズマ溶射するための方法及び装置 - Google Patents

ガスタービン・エンジンのタービン・ベーン部分をマイクロプラズマ溶射するための方法及び装置 Download PDF

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Abstract

【課題】マスキングを必要とせず手動で溶射を可能とするマイクロプラズマ溶射をするための方法及び装置の提供。
【解決手段】装置は、陽極、陰極及び該陽極と陰極の間に電気アークを発生させるためのアーク発生器を備える。アークガス・エミッタは、電気アークを介してガスを噴射する。電気アークは、プラズマガス流を生じるために、ガスをイオン化するよう作動可能である。粉末インジェクタは、プラズマガス中に粉末材料を噴射する。タービン・ベーンの限定領域が、マスキングすることなく粉末材料でコーティングされる。
【選択図】図1

Description

本発明は概して溶射法及び装置に関し、詳細にはガスタービン・エンジンのタービン・ベーン部分をマイクロプラズマ溶射するための方法並びに装置に関する。
プラズマ溶射法及び装置は周知である。例えば、ある特許は、基体上へコーティング材をプラズマフレーム溶射するための方法と装置に関する。この特許は、ガスを形成するプラズマを、ノズル電極を通過させ、かつ、電流を生じさせるアークを、ノズル電極とリア電極の間を通過させてプラズマ流を形成することによる、基体上へコーティング材をプラズマフレーム溶射するための方法と装置を開示している。この方法は、コーティング材をプラズマ流内へ導入し、そのプラズマ流を、ノズル電極の出口から延在する壁シュラウドを軸方向に通過させ、さらにプラズマ流のフレームシュラウドを形成することを包含するものである。それにより、このコーティングを基体に適用することができる。
そのような技術が特に有利となる分野の1つは、種々の航空機部材、特にガスタービン・エンジン並びにそれらの構成部材のコーティングに関連する。例えば、タービン・ベーンは、隣接するタービン・ベーンとの流路をシーリングするための寸法公差要求を満たす材料で被覆することができる。これまでに、この点に関し、様々な従来のプラズマ溶射法を用いて、ニッケル−クロム合金、ニッケルクロム−クロムカーバイド、及びその他類似組成の材料を含む金属コーティング材が適用されている。通常、コーティングプロセスにおいては、コーティング材料の転写が必要でない及び/又は望ましくない領域をマスキングすることが要求される。さらには、タービン・ベーンは、通常、航空エンジン製造プラント、あるいは修理店などの専用設備でコーティングされる。技術における方法並びに装置においては、コーティング装置が大きくて可搬性でなく、また、溶射パターンの幅が広過ぎてコーティングプロセスを正確に制御できないため、そのような専用設備でタービン・ベーンをマスキングしてから被膜を適用する必要があった。そのため、マスキング等を必要とせず、かつ、実際の作動現場において、手動で溶射することを可能にするよう、溶射装置の確度を改善することが望まれている。
本発明の一態様は、少なくともタービン・ベーン部分をコーティングするためのマイクロプラズマ溶射装置を提供するものである。マイクロプラズマ・ガンは、陽極と陰極、及びその陽極と陰極の間に電気アークを発生させるアーク発生器を備える。この装置は、その電気アーク中にガスを噴射するアークガス・エミッタを備える。電気アークは、ガスをイオン化してプラズマガス流を生成するのに使用可能である。粉末インジェクタは、粉末材料をプラズマガス流中に噴射する。タービン・ベーンを、マスキングすることなく、その局部領域を粉末材料でコーティングすることができる。
本発明の他の態様は、タービン・ベーンをマイクロプラズマ溶射するための方法を提供するものである。この方法は、陽極と陰極、及び陽極と陰極の間に電気アーク発生させる手段を有するマイクロプラズマ・スプレー・ガンを提供することを含む。ガスをイオン化し、プラズマガス流を形成するために、不活性なアークガスが、電気アークを介して噴射される。粉末材料は、プラズマガス流中に噴射される。本発明の方法により、タービン・ベーンを、マスキングすることなく、ベーンの限定領域が粉末材料でコーティングされる。
本発明の別の態様は、マイクロプラズマ溶射を用いたタービン・ベーンの修復方法を提供するものである。タービン・ベーンを、製造環境下で専用の溶射設備を用いることなく、マイクロプラズマ溶射により、作動現場で修復することができる。手動で制御かつ作動するマイクロプラズマ・ガンは、コーティング(被膜)を適用するのに役立つ。不活性なアークガスが、マイクロプラズマ・スプレー・ガンによって発生した電気アークを介して噴射される。不活性ガスは、電気アークによってイオン化され、プラズマガス流を生じる。粉末材料がそのプラズマガス流中に噴射され、それによりタービン・ベーン部分はマスキングされることなく、その限定領域がコーティングされる。
本発明のその他の用途は、本発明を実施するのに最良の形態として考慮される以下の説明を、付属の図面とともに検討することによって当業者には明らかとなるであろう。
以下の開示は、種々の変更並びに代替構成の余地があるものではあるが、それらの一定の例示的実施態様を図中に示し、以下で詳細に説明する。しかしながら、この説明によって本発明を開示の特定の形態に限定するものではなく、本発明は、特許請求の範囲に定義される本発明の要旨並びに範囲内における全ての変更、代替構成並びに同等物を包含するものであることは理解すべきである。
図1を参照すると、概ね点線で囲まれたマイクロプラズマ溶射装置10が図示されている。汎用的な用語において、マイクロプラズマ溶射装置とは、アークガス・エミッタ14と陽極16と陰極18を有するマイクロプラズマ・ガン12を備えるものである。電気アーク20は、陽極16と陰極18の間に発生する。プラズマ流21は、アーク20によってアークガスがアークガス・エミッタ14から噴射されると形成される。粉末材料インジェクタ22は、ワークピース24まで粉末材料を運ぶプラズマ流中に粉末材料を分配する。それにより、粉末材料は、ワークピース24の所望の箇所に、おおよそ0.0015〜0.03インチ(約3.81×10-5〜76.2×10-5m)の厚さを有する被膜を形成する。
本発明を実施するのに、多数の異なる実施態様並びに構造の変更を構成することが可能であるが、以下では、現在既知の一実施態様を説明する。図2を参照すると、本発明のマイクロプラズマ溶射装置の分解組立図が、符号10で示されている。以下で詳述するように、マイクロプラズマ溶射装置10は、それらに限定されるものではないが、少なくとも、ガスタービン・エンジン(図示せず)のタービン・ベーン72の部分を含む多くの物品を被覆するのに使用可能である。しかしながら、本明細書による教示が、航空機、陸上用乗り物、兵器、海上船などの面を含む無数のその他の面を被覆するのに使用できることは、理解されるべきである。
図示する実施態様において、マイクロプラズマ溶射装置10は、前述の、陽極16と陰極18を有するマイクロプラズマ・ガン12を備える。陰極18は、さらに、絶縁体26とそこから延在する電極28を備えるよう描かれている。陰極18は又、マイクロプラズマ・ガン12とねじによって係合させるためのねじ山30を備えることができる。陰極18は又、陰極18とマイクロプラズマ・ガン12の間の境界面に生じる漏れ路を密封するために、Oリングシール32を備えることができる。
動作において、電気アーク20(図1)は、マイクロプラズマ・ガン12の陽極16と陰極18の間で発生する。それらに限定されるものではないが、アルゴンなどのアークガスが、陽極16と陰極18の間に発生した電気アーク中に放射される。実用におけるアークガスは、電気アークの発生前に放射可能であることは理解すべきである。電気アークは、ガスをイオン化して、プラズマガス流21を生じる。イオン化プロセスによりアークガスから電子が取り除かれ、それにより、ガスは一時的に不安定になる。アークガスは、再び安定化する際に、おおよそ20,000°F〜30,000°F(約11,366.5K〜16,922K)に昇温する。プラズマ流は、電気アーク通過後、急速に冷却する。
粉末材料インジェクタ22は、粉末材料34をプラズマガス流21中に噴射する。粉末材料34はプラズマガス流内で加熱されて流動化され、タービン・ベーン72上に堆積される。そして、そこで冷却して再固化して被膜を形成する。粉末材料インジェクタ22は、粉末材料34を保持するための粉末ホッパー36を備える。ホッパー36は、マイクロプラズマ・ガン12に設けられたコネクタ38によって、ガン12に取り付けられる。粉末ホッパー36は、タービン・ベーン72上に溶射される粉末材を保持する。粉末材料34は、吐出シュート40を通って運ばれ、かつ、吐出シュート40内に設けられた弁42で制御される。弁42は、当業者に既知の機械的あるいは電気機械的なものであってよい。粉末は又、粉末ガス・ラインを介して、標準的な粉末供給器(図示せず)からプラズマガス流中に噴射することも可能である。
マイクロプラズマ・ガン12の前方壁48上に設けられたノズル・シュラウド46は、ノズル・インサート50を保持し、かつ、電極28を、ノズル・シュラウド46内に形成された中央アパーチャ52を介して延在させる。ノズル・インサート50は、ノズル・シュラウド46の一端に、ねじで取り付けることができる。シールドガス・キャップ54が、ノズル・シュラウド46に隣接して設けられる。シールドガス・キャップ54をノズル・シュラウド46から電気的に絶縁するために、絶縁体56を、シールドガス・キャップ54とノズル・シュラウド46の間に配置する。シールドガス・キャップ54は、絶縁体56の上からノズル・シュラウド46上に押しつけて適合させることができる。シールドガス・キャップ54は、シールドガスを流通させてアークガスを雰囲気から遮断するための複数の貫通孔58を備える。シールドガス・キャップ54中に形成された中央アパーチャ60により、アークガスが電気アーク中を高速で通過することが可能となる。
マイクロプラズマ・ガン12を冷却するには、水などの冷却流体を使用する。冷却流体は、冷却流体ホース62を介してマイクロプラズマ・ガン12へ送られる。冷却流体は、マイクロプラズマ・ガン12内の内部通路(図示せず)を通って横断し、インレット通路64内を通って、陽極保持器66内へと流れ、アウトレット通路68を通って戻る。冷却流体により、マイクロプラズマ・ガン12の作動中に、陽極16の温度が低下する。冷却流体の流速は、1分当たりおおよそ0.01〜1ガロン(約0.0003785m3/分〜0.003785m3/分)であってよい。第2のコンジット70が、マイクロプラズマ・ガン12に連結される。第2のコンジットは、電力、アークガス、並びにシールドガスをマイクロプラズマ・ガン12に供給するのに使用可能である。
図3を参照すると、レール74などの、タービン・ベーン72の局部的領域が、粉末材料34で溶射可能であることが示されている。プラズマガス流21は、被覆されるタービン・ベーン72の部分に向かって方向付けられる。マイクロプラズマ・ガン12は、おおよそ0.5kWから4kWという比較的低い電力範囲で作動可能である。マイクロプラズマ・ガン12の低い電力出力により、タービン・ベーン72内の熱流量を、従来の被覆法と比較して著しく減少させることができる。被覆工程によるタービン・ベーン72の最大表面温度は、ベーンの寸法に依存するが、おおよそ200°F(約366.483K)である。低い電力出力によって高温勾配に起因する局部的な応力が制限されるため、マイクロプラズマ・ガン12は、タービン・ベーンを変形させることなく、粉末材料34をタービン・ベーン72の薄肉領域に適用するのに使用可能である。
マイクロプラズマ・ガン12は、おおよそ0.5mm〜5mm幅の細いストライプ状にコーティング材を適用することができる。これにより、手持ち式の装置の場合でさえ、正確に面を被覆することが可能となる。細いストライプ状の被覆により、タービン・ベーン72の被覆不要な領域をマスキングしたりその他の方法でカバーしたりする必要性が実質的に除かれる。細い溶射パターンは、ノズルの開口径により制御される。手持ち式のマイクロプラズマ・ガン12は、非常に確度が高いため、被覆される部材をエンジンなどに実装したままの状態でそれら部材にコーティング材を溶射することができる。
マイクロプラズマ溶射装置10のアークガスの流速は、おおよそ0.5〜3リットル/分(約0.0005〜0.003m3/分)であってよい。上述のように、アークガス及びシールドガスは、通常、アルゴンであるが、当業者に周知のように、適切な不活性ガスであればいずれも使用可能である。シールドガスの流速は、通常の用途であれば、おおよそ2〜8リットル/分(約0.002〜0.008m3/分)であってよい。タービン・ベーン72用のコーティング材は、クロムカーバイド合金、ニッケル−クロム合金、あるいは、当業者に周知の、通常、約1,800°F(約1255.37K)までの作動温度を有する、タービン・ベーンに適したその他の耐熱性合金であってよい。
粉末ホッパー36は、粉末インジェクタ22によってプラズマガス流21中に噴射される前の粉末材料34を保持する。粉末材料34は、重力供給方式か又は加圧供給方式(図示せず)のいずれかによってプラズマガス流中に噴射することができる。遮断制御弁42は、プラズマガス流21への粉末材料34の供給速度を制御する。粉末材料34は、約1〜30g/分でタービン・ベーン72へ移動する。マイクロプラズマ・ガン12は、通常、約1.5〜8インチ(約0.0381〜0.2032m)の距離からタービン・ベーン72にコーティング材を適用するが、この距離は被覆用途要求に依存して変化する。マイクロプラズマ溶射・ガン12は、タービン・ベーンの垂直軸に対しておおよそ正の角45°から負の角45°の間の角度で配向させることができ、かつ重力供給方式で適切なコーティング材を供給する。加圧供給方式の場合、マイクロプラズマ・ガン12の配向角度は無限となる。マイクロプラズマ・ガン12は、低い電力出力により、40デシベル〜70デシベルという比較的低い騒音レベルを発生するため、装置10を手持ち式用途に適したものとすることができる。現在の米国政府の基準では、環境騒音が85デシベルに達した場合、聴覚保護(対策)が要求される。マイクロプラズマ溶射装置10は、手持ち式、あるいはコンピュータ制御の自動固定装置(図示せず)で保持することができる。
図4を参照すると、マイクロプラズマ溶射装置10とプラズマ溶射工程を概して説明するブロック図が示されている。まず、ブロック80において、ノズル・インサート50からアークガスが放出される。プラズマ・スプレー・ガン12の陽極16と陰極18の間に電位が発生し、次いで、ブロック82で説明するようにアークガスを介して方向付けられる。アークガスは、電位によってプラズマ流21を生じるよう誘導される。ブロック84において、プラズマ流21中に粉末材料34が噴射される。ブロック86では、粉末材料34がワークピースに適用された際に展性を有するよう、プラズマ流により粉末材料34が「流動化」状態まで加熱される。ブロック88では、粉末材料34が、マスキングされていない基体に適用される。粉末材料34は次いで冷却されて、基体上に硬質の被膜として固化する。
前述の試験の組合せは、本発明の特定の実施態様の詳細を説明するものであるが、本発明の法的範囲は特許請求の範囲に定義されるものであることは理解すべきである。この詳細な説明は、単なる例示として解釈すべきであり、本発明の可能性のある実施態様を全て説明することは不可能とまではいかないが実現的ではないため、全部は開示していない。現在の技術、あるいは本出願後に開発され得る技術のいずれかを用いることにより、無数の代替の実施態様が実行可能であり、それらはいずれも本発明を定義する特許請求項の範囲内である。
マイクロプラズマ・スプレー・ガンと、ワークピースを示す概略図である。 本発明の教示によって構成されたマイクロプラズマ溶射装置の分解組立透視図である。 ワークピースに被膜を適用する図1のマイクロプラズマ溶射装置の透視図である。 マスキングされていないワークピースに対してマイクロプラズマ溶射によりコーティングする工程を説明するフローチャートである。
符号の説明
10…マイクロプラズマ溶射装置
12…マイクロプラズマ・ガン
14…アークガス・エミッタ
16…陽極
18…陰極
21…プラズマガス流
22…粉末インジェクタ
24…ワークピース

Claims (46)

  1. 陽極、陰極及び該陽極と陰極の間に電気アークを発生するためのアーク発生器を備えるマイクロプラズマ・ガンと、
    プラズマガス流を生じるようアークガスをイオン化するよう作動可能な電気アーク中にアークガスを放射するためのノズルと、
    プラズマガス流中に粉末材料を噴射し、かつタービン・ベーンの限定領域をコーティングするための粉末インジェクタ、
    を含み、それによりタービン・ベーンをマスキングすることなくコーティング材を適用することが可能であることを特徴とする、ガスタービン・エンジンのタービン・ベーンの少なくとも一部をコーティングするためのマイクロプラズマ溶射装置。
  2. 前記マイクロプラズマ・ガンが、約0.5kWから4kWの比較的低い電力範囲で作動することを特徴とする、請求項1記載のマイクロプラズマ溶射装置。
  3. 前記マイクロプラズマ・ガンが、タービン・ベーンを変形させることなくベーンの薄肉部分に材料を適用するよう作動可能であることを特徴とする、請求項1記載のマイクロプラズマ溶射装置。
  4. 前記コーティング材を適用することによる前記タービン・ベーンの最高表面温度がおおよそ200°Fであることを特徴とする、請求項1記載のマイクロプラズマ溶射装置。
  5. 前記マイクロプラズマ・ガンが、おおよそ0.5から5mmの細い幅で、コーティング材を前記タービン・ベーンに適用することを特徴とする、請求項1記載のマイクロプラズマ溶射装置。
  6. 前記アークガスの流速が、おおよそ0.5から3リットル/分であることを特徴とする、請求項1記載のマイクロプラズマ溶射装置。
  7. 前記アークガスが不活性であることを特徴とする、請求項1記載のマイクロプラズマ溶射装置。
  8. 前記アークガスがアルゴンであることを特徴とする、請求項1記載のマイクロプラズマ溶射装置。
  9. シールドガス・キャップをさらに含み、該キャップはそこを介してシールドガスを噴射させることを特徴とする、請求項1記載のマイクロプラズマ溶射装置。
  10. 前記シールドガスの流速が、おおよそ2から8リットル/分であることを特徴とする、請求項9記載のマイクロプラズマ溶射装置。
  11. 前記シールドガスが不活性であることを特徴とする、請求項9記載のマイクロプラズマ溶射装置。
  12. 前記シールドガスがアルゴンであることを特徴とする、請求項9記載のマイクロプラズマ溶射装置。
  13. 前記コーティング材が、ニッケル−クロム合金か、ニッケルクロム−クロムカーバイド合金のいずれか一方であることを特徴とする、請求項1記載のマイクロプラズマ溶射装置。
  14. 前記コーティング材が、約1,800°Fまでの温度に耐えるよう作動可能な耐熱性合金であることを特徴とする、請求項1記載のマイクロプラズマ溶射装置。
  15. 前記プラズマガス中に噴射される前に粉末材料を保持するための粉末ホッパーをさらに含むことを特徴とする、請求項1記載のマイクロプラズマ溶射装置。
  16. 前記粉末材料を供給する速度が、おおよそ1から30g/分であることを特徴とする、請求項1記載のマイクロプラズマ溶射装置。
  17. 前記装置の高温部分を冷却するための水冷システムをさらに含むことを特徴とする、請求項1記載のマイクロプラズマ溶射装置。
  18. 前記マイクロプラズマ・ガンが、おおよそ1.5インチから8インチの距離からコーティング材をタービンに適用することを特徴とする、請求項1記載のマイクロプラズマ溶射装置。
  19. 前記タービン・ベーンの垂直軸に対する前記マイクロプラズマの溶射角が、おおよそ正の角45°から負の角45°であることを特徴とする、請求項1記載のマイクロプラズマ溶射装置。
  20. 前記マイクロプラズマ・ガンが、おおよそ40から70デシベルの騒音レベルを発生することを特徴とする、請求項1記載のマイクロプラズマ溶射装置。
  21. 前記陰極部分を包囲する陰極シュラウドをさらに含むことを特徴とする、請求項1記載のマイクロプラズマ溶射装置。
  22. 前記陰極シュラウド上に配置されるアークガス・ノズルをさらに含み、そのノズルを介してアークガスを放出することを特徴とする、請求項21記載のマイクロプラズマ溶射装置。
  23. 実質的に前記陰極シュラウドを包含し、前記アークガスと雰囲気との間の障壁としてのシールドガスを提供するよう作動可能なシールドガス・キャップをさらに含むことを特徴とする、請求項22記載のマイクロプラズマ溶射装置。
  24. 前記シールドガス・キャップと前記陰極シュラウドの間に設けられるシールド・キャップ絶縁体をさらに含むことを特徴とする、請求項23記載のマイクロプラズマ溶射装置。
  25. 陽極、陰極及び該陽極と陰極の間に電気アークを発生させるための手段を備えるマイクロプラズマ・ガンを提供することと、
    ノズルから不活性なアークガスを噴射することと、
    プラズマガス流を形成するために電気アークを介してアークガスをイオン化することと、
    プラズマガス流中に粉末材料を噴射することと、
    ベーンをマスキングすることなく、該ベーンの限定領域を粉末材料でコーティングすること、
    を含んでなることを特徴とする、タービン・ベーンをマイクロプラズマ溶射するための方法。
  26. 前記マイクロプラズマ・ガンを、約0.5kWから4kWの比較的低い電力範囲で操作することをさらに含むことを特徴とする、請求項25記載の方法。
  27. 前記ベーンに対して、これを変形させることなくコーティング材を適用することをさらに含むことを特徴とする、請求項25記載の方法。
  28. おおよそ0.5から5mmの細い幅で、コーティング材を前記ベーンに適用することをさらに含むことを特徴とする、請求項25記載の方法。
  29. 前記アークガスを、おおよそ0.5から3リットル/分の速度で流すことを特徴とする、請求項25記載の方法。
  30. 前記シールドガスを、おおよそ2から8リットル/分の速度で流すことを特徴とする、請求項25記載の方法。
  31. 前記粉末材料を、おおよそ1から30g/分で供給することをさらに含むことを特徴とする、請求項25記載の方法。
  32. 前記マイクロプラズマ・ガンを、水冷システムで冷却することをさらに含むことを特徴とする、請求項25記載の方法。
  33. 前記材料を、おおよそ1.5から8インチの距離から前記ベーンに適用することをさらに含むことを特徴とする、請求項25記載の方法。
  34. 前記ベーンの垂直軸に対しておおよそ正の角45°から負の角45°の角度で配置された前記マイクロプラズマ・ガンで前記ベーンにコーティング材を適用することをさらに含むことを特徴とする、請求項25記載の方法。
  35. 作動中におおよそ40から70デシベルの騒音レベルを発生することをさらに含むことを特徴とする、請求項25記載の方法。
  36. 手動で制御かつ操作されるマイクロプラズマ・スプレー・ガンを使用することと、
    スプレー・ガンによって発生される電気アークにより不活性なアークガスを噴射することと、
    プラズマガス流を形成するために電気アークでアークガスをイオン化することと、
    プラズマガス流中に粉末材料を噴射することと、
    タービン・ベーンをマスキングすることなく、かつ専用の溶射設備を利用することなく、そのベーンの限定領域を粉末材料で溶射すること、
    を含んでなることを特徴とする、マイクロプラズマ溶射装置を用いてガスタービン・エンジンのタービン・ベーンを修復する方法。
  37. 前記マイクロプラズマ・ガンを、約0.5kWから4kWの比較的低い電力範囲で操作することをさらに含むことを特徴とする、請求項36記載の方法。
  38. 前記ベーンに対して、これを変形させることなくコーティング材を適用することをさらに含むことを特徴とする、請求項36記載の方法。
  39. おおよそ0.5から5mmの細い幅で、コーティング材を前記ベーンに適用することをさらに含むことを特徴とする、請求項36記載の方法。
  40. 前記アークガスを、おおよそ0.5から3リットル/分の速度で流すことを特徴とする、請求項36記載の方法。
  41. シールドガスを、おおよそ2から8リットル/分の速度で流すことを特徴とする、請求項36記載の方法。
  42. 前記粉末材料を、おおよそ1から30g/分で供給することをさらに含むことを特徴とする、請求項36記載の方法。
  43. 前記マイクロプラズマ・ガンを、水冷システムで冷却することをさらに含むことを特徴とする、請求項36記載の方法。
  44. 前記材料を、おおよそ1.5から8インチ離れた箇所から前記ベーンにコーティング材を適用することをさらに含むことを特徴とする、請求項36記載の方法。
  45. 前記ベーンの垂直軸に対しておおよそ正の角45°から負の角45°の角度で配置された前記マイクロプラズマ・ガンで前記ベーンにコーティング材を適用することをさらに含むことを特徴とする、請求項36記載の方法。
  46. 作動中におおよそ40から70デシベルの騒音レベルを発生することをさらに含むことを特徴とする、請求項36記載の方法。
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