JP2007039808A - 基体に分断化セラミック溶射を形成する方法および分断化セラミックコーティング形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】セラミックコーティングの質を向上させるため、コーティング内部に垂直方向の微細亀裂を増加させる。
【解決手段】蒸着されたボンディングコート層３０と、セラミックコーティング層３６を備えた基体３４が矢印４０の方向へ移動するに従い、熱源４２が低温度勾配エリア５０の表面温度を上昇させて表面加熱エリア５２を形成し、この表面を膨張させて亀裂を閉じるように働く温度勾配を誘導する。蒸着装置４４が新たにセラミックコーティング層３８を蒸着した後、基体３４が引き続き矢印４０の方向へ移動して熱源４２と蒸着装置４４から離れるに従い、コーティング層３０，３６，３８は冷却され始め、収縮する。新たなコーティング層３８と、既存のコーティング層３０，３６との温度が平衡に達するに従い、引張応力を解放するように表面に向かって垂直方向に亀裂が伸張する。
【選択図】図２

Description

本発明は溶射コーティング、特にセラミックコーティングにおける亀裂形成の制御に関する。

現代のガスタービンエンジン、特に航空機に使われるものは、性能や効率が向上するように高回転速度、高温で運転する。現代のガスタービンエンジンのタービンは概ね軸流設計であり複数の軸流ステージを含む。各々の軸流ステージが、シャフトに固定されたディスクの周縁に、半径方向に取り付けられた複数のブレードを備える。複数のダクトセグメントがブレード先端周囲のガス流漏れを制限するようにステージを取り巻く。これらのダクトセグメントは静止ハウジングすなわちケーシングの内表面に位置している。ダクトセグメントの組み込みにより、ブレード先端周囲の漏れに対してステージを通るガス流からより多くの仕事量を引き出すため、熱効率を向上させる。

ダクトセグメントはブレード先端周囲のガス流漏れを制限するが、完全には漏れを解消できない。ブレード先端周囲の少量のガス流でさえもタービン効率に悪影響を及ぼすことが判明している。そのため、ガスタービンエンジンの設計者は効率的なシーリング構造を考案するために大変な苦労を重ねる。これらの構造は概ね先端を耐摩耗性にするブレード先端コーティングと組み合わされた、コーティングダクトセグメントを含んでなる。運転中、ブレード先端がダクトセグメントのコーティングに食い込むことによりシーリングを提供する。これによりブレードへのダメージを防ぎ、想定される先端の隙間と空気漏れを最小限に抑える。

不幸にも、概ねセラミックである現行のダクトセグメントコーティングは侵食もしくは剥離の結果として過度に失われてしまうことがある。概ね侵食は、摩滅、腐食のような要因によるコーティング材の磨耗である。侵食はしばしばエンジン運転中の粒子の衝突の結果生じる。剥離は熱応力や厳しい温度環境に起因するセラミックと金属との境界面でのクラッキングによる層剥離が原因である。剥離は本質的には少量の凝集性のコーティング材が多く集まって構成する断片的なコーティングの損失である。

侵食および剥離によるコーティングの損失は分断セラミックコーティングに存在する微細亀裂に主に起因する。基体表面に対して平行に形成される微細亀裂、すなわち水平方向の微細亀裂は、上記の運転状況や環境に置かれたときにコーティングの剥落を招く。対照的に、垂直方向に入った微細亀裂は、コーティングの応力許容度を強化し、コーティングの耐用年数を延ばす。分断化されたセラミックコーティングの微細亀裂形成のメカニズムは熱によって誘発される応力である。コーティング蒸着中に、温度勾配が周期的にコーティングに誘導される。こうした勾配は開いた亀裂が生じずにコーティングが表面に付着するように制御され、そして各々の薄い層が蓄積され引き続き冷却されるに従い、亀裂が表面に広がるのに必要な応力レベルが表面の収縮によって作り出される。その後表面の再加熱により、次のコーティングの薄い層が適用される前に亀裂が閉じられる。亀裂が層を通して厚さ方向に広がるか、あるいは基体に平行に広がるか、の相対的な傾向は、亀裂成長が誘発される前に付着していた層の厚さに依存する。

セラミックコーティングの損失（減少）はブレード先端の隙間を広げ、それによりブレード自体と同じく、タービン効率にも不利益となる。例えば、減少した推力を補うようにエンジンが稼動すべき増加温度のためにブレードはダメージをこうむりうる。こうしたパフォーマンスの損失は分断化されたセラミックコーティングの質を向上させることにより防ぐことができる。

現在、特許文献１が、セラミックコーティングを向上するために分断化セラミックコーティングを適用する一方法を開示している。基体へのセラミックコーティングの適用は、例えば軸の周りを回転する、もしくはコンベヤに沿って直線方向に移動する固定具に基体が配置されるオートメーション工程である。

特許文献１に記述のように、基体１０がオートメーション工程により矢印１２の方向に移動する（図１参照）。プラズマトーチ装置１４が矢印２６に示されるように基体１０と反対の方向に移動しプラズマ噴流１６を放出する。プラズマ噴流１６は基体１０の表面１８に向かう一対の実線により示されている。プラズマトーチ装置１４は、ある量のセラミック（もしくは粉末）材料２０を、矢印２８の方向へプラズマ噴流１６内に放出する、セラミック材料供給器（図示せず）を含んでなる。セラミック材料２０はプラズマ噴流１６内部に同伴されて表面１８に運ばれる。図示のように、プラズマ噴流１６はセラミック材料２０に比べてずっと広いスプレーパターンを備えており、蒸着エリア２２が表面１８の加熱エリア２４内に形成されている。
米国特許第６，１０２，６５６号明細書 米国特許第３，５２８，８６１号明細書 米国特許第３，５４２，５３０号明細書 米国特許第３，６４９，２２５号明細書 米国特許第３，７５４，９０３号明細書 米国特許第３，６７６，０８５号明細書 米国特許第４，０７８，９２２号明細書 米国再発行特許発明第３２，１２１号明細書 米国特許第４，５８５，４８１号明細書

特許文献１は、プラズマによる表面加熱と、垂直方向の微細亀裂を実現するために必要な空気冷却を生み出すように、プラズマトーチが部材（基体１０）に対して比較的ゆっくりと移動するに伴い利用される、高出力レベルやガス流に依存する。こうした状況は装置性能、効率と、セラミックコーティングにおける微細構造上の特性との妥協を意味している。

現行の工程では、溶射工程に発生する温度勾配や熱サイクルの適切な能動制御を必ずしも発揮できるとは限らない。垂直方向の亀裂の形成と水平方向の亀裂の形成とのバランスを制御するのは非常に難しく、また非常に不規則に発生する。図１に示すように、プラズマトーチによってつくり出される加熱ゾーン２４は蒸着エリア２２よりも大きく、基体においてこれから蒸着が行われる部位に比べて、ちょうど蒸着が行われた部位の方向に向かってより先へ広がっており、これはすなわち、加熱エリア２４は図１の蒸着エリア２２の右側に比べて蒸着エリア２２の左側へより先に広がっている。こうした表面加熱と蒸着部位との関係のため、膜厚方向へ亀裂を広げる推進力は穏やかにしか存在していない。結果として、収縮は二つ以上の方向に発生し、熱サイクルは、コーティングを通し垂直方向の亀裂に加えて、コーティング面内部の水平方向にも亀裂を生じさせる。基体と平行な水平方向の亀裂はコーティングの応力許容度や耐久性を向上させない。これらの亀裂は実質的にコーティングの剥落の原因となる。

したがって、分断化されたセラミックコーティングにおける亀裂の形成を制御し、工程の再現性とコーティング性能の一貫性を向上させ、かつクラッキングと間隙率との独立制御を容易にする改良手段が必要とされる。

本発明により、基体上に分断化セラミック溶射を形成する方法が、概ね、（１）基体に近接する位置に配置された一つもしくは複数の熱源を提供し、（２）任意選択的な工程として、前記一つもしくは複数の熱源の熱流中で、ある量のボンディングコート材料を前記基体表面の蒸着エリア上に蒸着させて、選択的ボンディングコート層を形成させ、（３）任意選択的な工程として、前記一つもしくは複数の熱源の熱流中で、ある量の第１のセラミック材料を前記表面の蒸着エリア上に蒸着させて、前記選択的ボンディングコート層の上に選択的な第１のセラミック材料の層を形成させ、（４）前記第１のセラミック材料層表面の前記蒸着エリアの前方に位置する予熱温度勾配ゾーンに前記熱流を加えて、前記選択的な第１のセラミック材料を膨張させ、（５）前記熱源中で、ある量の一つもしくは複数の追加セラミック材料を、前記予熱されて膨張した選択的な第１のセラミック材料の層の上に蒸着して、セラミック材料の一つもしくは複数の追加の層を形成させ、（６）前記セラミック材料の一つもしくは複数の追加層を冷却して、垂直方向の亀裂生長を促進し、（７）前記セラミック材料の一つもしくは複数の追加層表面の、予熱温度勾配ゾーンに前記熱流を加えて、前記追加のセラミック材料を膨張させることを特徴とする。ステップ（５）〜（７）は必要に応じて一回もしくは複数回反復しうる。

本発明により、分断化セラミックコーティングを形成する装置が、概ね、一つもしくは複数の基体を支持し移動させる手段と、前記一つもしくは複数の基体に近接する位置に配置されるとともに、少なくとも一つが基体表面の温度勾配ゾーンを予熱するために熱流を加えるように配置された、一つもしくは複数の熱源と、前記一つもしくは複数の熱源に近接する位置に配置されるとともに、前記表面の温度勾配ゾーンの後方に位置する蒸着エリアに材料を蒸着するように位置決めされた、材料蒸着装置と、前記一つもしくは複数の基体の表面温度を監視する手段と、を備えてなる。

セラミックコーティングの質を向上するため、本明細書に記述される方法によりコーティング微細構造の内部に存在する垂直方向の微細亀裂量を増加させることが提案される。垂直方向の微細亀裂は引張に対する許容度を提供し、コーティングの耐用年数を向上させる。

「平衡」、「平衡化する」という用語や、それに関連する表現形式は、コーティングに垂直方向の亀裂成長を促進するために、基体表面とこの上に蒸着された連続するコーティング層との間の温度の設定や温度勾配を伝えることを意図するものである。本明細書に記述される工程の間、熱流の反復サイクルが（一つもしくは複数の）コーティング層内部で短時間行われ、動的にコーティング層表面を加熱して材料の熱容量や熱伝導性に基づく温度勾配をもたらす。温度勾配は一定期間、例えば、蒸着したコーティング層を収縮させコーティング層表面に垂直方向の亀裂を生じさせるほんの一瞬（例えば数分の１秒）の間にわたって、放熱される。本明細書に記述される方法を通して、順次コーティング層が蒸着されるに従い熱流サイクルが幾度となく繰り返される。

図２を参照すると、熱膨張、熱容量、コーティングと基体の熱伝導性、といった材料特性を利用することにより、温度勾配を、クラッキング特性を制御するように設定することができる。図１に示された先行技術の工程とは異なり、蒸着の過程で基体の上の、一つもしくは複数のスプレートーチの各々あるいは他の熱源を通過する直前もしくはその途中の少なくとも一方の間の、コーティング面の瞬間的な加熱により温度勾配が加えられる。温度勾配は基体に対してコーティング面を膨張させ、セラミック蒸着が行われている間に亀裂を閉じる。各々のコーティング層が蒸着された後、温度勾配が放熱されて、表面は収縮して亀裂成長をもたらす引張状態となる。表面加熱、コーティング、冷却、亀裂成長のサイクルは所望のコーティングの厚さが達成されるまで繰り返される。この種の制御の利点は、微細構造の形成と結果として生ずる特性の再現性の改善、ならびに、クラッキングと間隙率とを独立して制御できることである。

図２に示すように、本明細書に記述のコーティングシステムは、概ね、基体３４の表面３２に蒸着されたボンディングコート層３０と、このボンディングコート層３０の上に蒸着された一つもしくは複数の連続的に適用されたセラミックコーティング層３６，３８と、を備えてなる。蒸着の前、基体３４は、当業者にとって理解されるように通常方法の一つもしくはそれらの組み合わせを用いて汚染物質を除去するように洗浄されうる。例えば、基体３４の洗浄に酸化アルミニウムグリットブラストが利用されうる。基体３４が矢印４０の方向へ移動するに従い、表面３２の溶射蒸着装置４４によってコーティングされている部分の前方に位置する、少なくとも表面３２の一部を、熱源４２が加熱する。熱源４２は、コーティング層を蒸着する前に適切な熱サイクルを確立しコーティングに垂直方向の亀裂成長を生じさせるべく、表面３２、もしくは表面３２と蒸着されたコーティング層、例えば、層３０，３６，３８の温度を上昇させる。

限定ではなく例示の目的のため、図２のコーティングシステムに、温度勾配を示すのに役立ついくつかのエリアと、亀裂成長と、を図示してある。加熱の前には、低温度勾配エリア５０が最初に存在し、ここでは蒸着された層（一つあるいは複数）の表面まで垂直方向の亀裂が伸張している。基体３４が移動するに従い、熱源４２が低温度勾配エリア５０の表面温度を上昇させて表面加熱エリア５２を形成する。表面加熱エリア５２では、上昇温度によって、表面を膨張させて表面に存在している亀裂を閉じるように働く温度勾配が誘導される。基体３４は引き続き移動して、表面加熱エリア５２が溶射蒸着装置４４に露出される。装置４４は、コーティング蒸着エリア５４の内部で、既存の層３０，３６もしくは表面３２の上に、コーティング材料の次の層３８を蒸着する。新しいコーティング材料３８が、表面加熱エリア５２のような前記の膨張した表面を覆う。

基体３４が引き続き矢印４０の方向へ移動して熱源４２と蒸着装置４４から離れるに従い、連続して適用されたコーティング層３０，３６，３８は冷却され始め、表面冷却エリア５６を形成する。新しく蒸着されたコーティング層３８と、既存のコーティング層３０，３６との温度が平衡に達するに従い、引っ張り応力を解放するように、垂直方向の亀裂が空気中に露出した表面に向かって伸張し始める。基体３４が移動し続けるとともに層３８は冷却され続け、低温度勾配エリア５８を形成し、ここで、垂直方向の亀裂が層３０，３６や層３８を通して空気中に露出した表面に向かって伸張する。

選択的に、ＭＣｒＡｌＹ材料もしくはその他の適切な材料のボンディングコート３０が基体３４に適用されうる。ＭＣｒＡｌＹとは、Ｍがニッケル、コバルト、鉄、もしくはそれらの混合物を意味し、Ｃｒがクロムを意味し、Ａｌがアルミニウムを意味し、Ｙがイットリウムを意味する、周知の金属コーティングシステムを指す。ＭＣｒＡｌＹ材料は所定の組成で用いられ、蒸着中に基体と著しく反応しないため、オーバーレイコーティングとしてよく知られている。ＭＣｒＡｌＹ材料のいくつかの例（これに限定されない）については、特許文献３に参照されているように、ＦｅＣｒＡｌＹコーティングを記載する特許文献２を参照されたい。さらに、特許文献４ではＭＣｒＡｌＹコーティングの蒸着の前に、基体にクロム層を適用する複合コーティングが記載されている。特許文献５では著しく高い延性を有するＮｉＣｏＣｒＡｌＹオーバーレイコーティングが記載されている一方、特許文献６ではＣｏＣｒＡｌＹオーバーレイコーティングが記載されている。特許文献７では、ハフニウムとイットリウムとの化合物の存在により改良された抗酸化性を引き出すコバルトベースの構造の合金が記載されている。好ましいＭＣｒＡｌＹボンディングコート組成が、特許文献８に記載されており、これは本出願人に譲渡され、重量％で、５〜４０ Ｃｒと、８〜３５ Ａｌと、０．１〜２．０ Ｙと、０．１〜７ Ｓｉと、０．１〜２．０ Ｈｆと、残部がＮｉ、Ｃｏ、およびこれらの混合物よりなるグループから選択された重量百分率の組成範囲を有する。これは本願の参照となる。また、本出願人に譲渡され、本願の参照となる特許文献９も参照されたい。

このＭＣｒＡｌＹボンディングコート３０は、所望の組成の高密度で、均一、接着性のあるコーティングを作り出すことが可能な、あらゆる方法により形成されうる。この技術としては、スパッタリング、電子ビーム物理蒸着法、高速プラズマ溶射法（ＨＶＯＦ、ＨＶＡＦ）、燃焼製法、線材溶射技術、レーザビームクラッディング、電子ビームクラッディング、などを、これに限定せず、含みうる。高速プラズマ溶射法では、スプレートーチは、真空室において約６０ｔｏｒｒ（６０ｍｍＨｇ）以下の圧力で、もしくは空気中のような、別の適切な雰囲気中で運転しうる。真空室を用いる場合、基体は約１５００°Ｆ（８１６℃）〜約１９００°Ｆ（１０３８℃）まで加熱しうる。大気中空気を用いる場合、基体温度は約６００°Ｆ（３１６℃）以下に維持される。

ボンディングコート３０の粒子の大きさはあらゆる適切な大きさでよく、本実施例では約１５ミクロン（０．０１５ｍｍ）から約６０ミクロン（０．０６０ｍｍ）の間で、平均粒子サイズが約２５ミクロン（０．０２５ｍｍ）である。ボンディングコート３０はあらゆる適切な厚さがとられ、本実施例では約５ｍｉｌ（０．１２７ｍｍ）から約１０ｍｉｌ（０．２５４ｍｍ）の厚さである。ある実施例では、厚さが約６ｍｉｌ（０．１５２ｍｍ）から約７ｍｉｌ（０．１７８ｍｍ）である。

分断化されたセラミックコーティング３６，３８は、ボンディングコート３０の上に、もしくは基体３４に直接適用されうる。セラミックコーティングは個々が適切な厚さにコーティングされた一つもしくは複数のセラミック層３６，３８を備えうる。ある実施例では、全体の厚さが約２０ｍｉｌ（０．５０８ｍｍ）から約１５０ｍｉｌ（３．８１ｍｍ）である。またある実施例では、全体の厚さが約５０ｍｉｌ（１．２７０ｍｍ）である。セラミックコーティングは本文に記載の一つもしくは複数の連続する溶射工程により生成されうる。

図３を参照すると、本発明のシステムが図示されている。当業者にとって理解されるように、基体１００がオートメーション工程により矢印１１２の方向に移動する。スプレートーチ装置１１４が、固定された状態で基体１００を加熱する、もしくは矢印１２６に示されるように基体１００と反対の方向に移動しうる。スプレートーチ装置１１４は、イオン化種を含みうる加熱ガス噴流１１６を放出する。熱源が基体１００の動きに対して移動するか固定されるかは、利用される熱源の種類により決定されることが検討される。しかしながら、熱源は、セラミック材料を付着させる際、基体１００の表面１１８の蒸着エリア１３２の前に位置する温度勾配エリアを予熱するように配置されることが望ましい。代表的なトーチは、ニューヨーク州ウェストベリーのＳｕｌｚｅｒ Ｍｅｔｃｏ，Ｉｎｃ．から市販されている３ＭＢ（登録商標）のような、エアプラズマスプレーガンをこれに限定されず含む。

選択的なボンディングコート層１２２が適用された後に、セラミック（もしくは粉末）材料供給器（図示せず）が、矢印１２８に示される方向へプラズマ噴流１１６内にある量のセラミック材料１２０を放出する。セラミック材料１２０が放出される方向は基体１００の移動方向と同じで、かつプラズマトーチ装置１１４の移動方向と反対であることが望ましい。セラミック材料１２０はプラズマ噴流１１６内部に同伴され表面１１８に運ばれる。

セラミック材料１２０は、同伴されてプラズマ噴流１１６の後半部分すなわち左半分の先に運ばれるのに十分な力で放出されることが望ましい。放出されるセラミック材料１２０の方向や速度を制御することにより、この過程が結果として表面１１８へのセラミック材料１２８の蒸着位置、例えばセラミック材料蒸着エリア１３２、の制御を効果的に実行する。プラズマ噴流１１６は表面１１８に当たるときに加熱エリア１３０を作り出し、これがセラミック材料蒸着エリア１３２を取り囲んでセラミック材料１２０の最初の蒸着もしくは再蒸着の前に表面１１８を効果的に予熱する。

一般的に、熱サイクルが行われるに従い、蒸着されたセラミック材料は冷却と数方向への収縮を始める。セラミック材料の別の層が蒸着されると、セラミック材料の薄い平板からの入熱によりコーティング面内部に亀裂が生じる。コーティングが経験する収縮やさまざまな温度勾配のために、形成される微細な亀裂は非垂直方向、すなわち、微細な亀裂が基体１００の表面１１８と平行に入りうる。

表面１１８、もしくは蒸着された層、すなわちボンディングコート層１２２を予熱することにより、セラミック材料蒸着エリア１３２の周囲の温度を上昇させ平衡化させて、温度差、すなわち表面１１８もしくは蒸着された層と、エリア１３２に蒸着されているセラミック材料との間にある温度勾配を減少させることができる。セラミックの既存の層に対する蒸着されたセラミック材料の収縮はさほどひどくはならなくなり、結果としてコーティング層の間の応力は小さくなり亀裂が基体と平行に入る傾向は少なくなる。さらに、予熱が十分早く行われれば、コーティング面１１８と基体１００との間に十分な温度勾配が誘導されて、その温度勾配の放出に伴い亀裂を基体に対して垂直方向に伸長させる平面内の応力をもたらす。結果として生じる蒸着されたセラミック材料の層は、むしろ所望の垂直方向の微細亀裂構造を形成する。

予熱が行われ温度勾配が制御されていることを確実にするため、監視装置１３４が蒸着工程全体を通して表面１１８の温度を測定するように用いられうる。適切な監視装置は、赤外線カメラ、光高温計、熱電対、前述の装置の少なくとも一つを備えてなる組み合わせ、をこれに限定せず含む。監視装置１３４は、オペレータ、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）、能動的工程制御と組み合わされた開ループ制御、もしくはオートメーション蒸着工程のコンピュータ制御、などに、基体もしくはコーティング表面の温度に関するデータを提供する。

図４，５を参照すると、図３に示されたシステムの二つの別の実施例が示されている。特に図４を参照すると、基体２００が矢印２１２の方向へ移動する。プラズマトーチ装置２１４は固定されたままか、もしくは矢印２２６に示されるように基体２００と反対の方向に移動して、プラズマ噴流２１６を放出する。選択的なボンディングコート層が適用された後に、セラミック（もしくは粉末）材料供給器（図示せず）が、矢印２２８により示される方向へプラズマ噴流２１６内にある量のセラミック材料２２０を放出する。セラミック材料２２０が放出される方向は基体２００の移動方向と同じで、かつプラズマトーチ装置２１４の移動方向と反対であることが望ましい。セラミック材料２２０はプラズマ噴流２１６内部に同伴され表面２１８に運ばれる。

一つもしくは複数の熱源２３６が、セラミック材料蒸着エリア２３２の前方に横たわる表面エリア２３０を予熱するように利用されうる。熱源２３６は、基体２００とセラミック材料蒸着エリア２３２を取り巻くコーティング層の温度を上昇させ平衡化させて、温度勾配や収縮を防止、もしくは小さくするために、基体表面２１８の、加熱エリア２３０に熱ビーム２３８を放射するのに十分な出力定格を持つ。熱源２３６は、セラミック材料２２０の最初の蒸着あるいは再蒸着の前に、基体２００とコーティング層との温度の平衡化を確実にするために十分な距離と角度に配置される。熱源２３６は、当業者に周知の放射もしくは対流熱加熱源を含みうる。代表的な熱源は、ニューヨーク州ウェストベリーのＳｕｌｚｅｒ Ｍｅｔｃｏ，Ｉｎｃ．から市販されている３ＭＢ（登録商標）、ダイヤモンドジェットトーチのようなプラズマもしくは燃焼式溶射トーチ、燃焼式ヒータあるいはトーチ、白熱灯や、通常のランプ、もしくはハロゲンランプのような放射抵抗加熱源、レーザ加熱源、あるいは前記の熱源の少なくとも一つを備える組み合わせ、をこれらに限定せず含みうる。

前にも説明したように、監視装置２３４が蒸着工程全体を通して表面２１８の温度を測定するように用いられうる。適切な監視装置は、赤外線カメラ、光高温計、熱電対、前述の装置の少なくとも一つを備えてなる組み合わせ、をこれに限定せず含む。監視装置２３４は、基体やコーティング表面の温度に関するデータを、オペレータ、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）、能動的工程制御と組み合わされた開ループ制御、もしくは前述のオートメーション蒸着工程のコンピュータ制御、などに提供する。

特に図５を参照すると、基体３００が矢印３１２に示される方向へ移動する。プラズマトーチ装置３１４は固定されたままか、もしくは矢印３２６に示されるように基体３００と反対の方向に移動して、プラズマ噴流３１６を放出する。選択的なボンディングコート層が適用された後、セラミック（もしくは粉末）材料供給器（図示せず）が、矢印３２８により示される方向へプラズマ噴流３１６内にある量のセラミック材料３２０を放出する。セラミック材料３２０が放出される方向は基体３００の移動方向と同じで、かつプラズマトーチ装置３１４の移動方向と反対であることが望ましい。セラミック材料３２０はプラズマ噴流３１６内部で飛沫同伴されて表面３１８に運ばれる。

前述のように、一つもしくは複数の熱源３３６が、セラミック材料蒸着エリア３３２の前方に横たわる表面エリア３３０を予熱するように利用されうる。この別の実施例では、熱源３３６はレーザを備えうる。レーザ熱源３３６は、セラミック材料蒸着エリア３３２を取り巻くコーティング層の温度を上昇させて、温度勾配を防ぐ、もしくは小さくし、かつ厚さ方向に通るコーティング内の既存の亀裂を実質的に閉じるのに十分な、基体に関する表面膨張を生じさせるために、基体のエリア３３０もしくはコーティング面３１８を加熱するのに十分な出力定格もしくは強度を持つ、レーザビーム３３８を照射する。レーザ熱源３３６は、セラミック材料３２０の最初の蒸着あるいは再蒸着の前に、コーティング層の温度が十分上昇していることを確実にするために十分な距離と角度に配置される。代表的なレーザ熱源は、周知の技術の溶接あるいはカッティング用途で用いられるレーザ熱源を、これに限定せず含みうる。

前に説明したように、監視装置３３４が蒸着工程全体を通して表面３１８の温度を測定するように用いられうる。適切な監視装置は、赤外線カメラ、光高温計、熱電対、前述の装置の少なくとも一つを備えてなる組み合わせ、をこれに限定せず含む。監視装置３３４は、基体表面温度に関するデータを、オートメーション蒸着工程を制御するオペレータに直接提供する、もしくはこのデータを前述のオートメーションシステムなどに提供しうる。

図６を参照すると、図３に示されたシステムのさらに別の実施例が示されている。基体４００が矢印４１２の方向へ移動する。第１のプラズマトーチ装置４１４は固定されたままか、もしくは矢印４２６に示されるように基体４００と反対の方向に移動して、プラズマ噴流４１６を放出する。一つもしくは複数の熱源、および望ましくは第２のプラズマトーチ装置４３６が、セラミック材料蒸着エリア４３２の前方に横たわる既存のコーティング表面エリア、すなわち加熱エリア４３０を予熱するように利用されうる。第２のプラズマトーチ装置４３６は、セラミック材料蒸着エリア４３２を取り巻くコーティング層の温度を上昇させて、温度勾配と表面膨張を生じさせるために、表面４１８の加熱エリア４３０に第２のプラズマ噴流４３８を放射する。第２のプラズマトーチ装置４３６は（図示のように）第１のプラズマトーチ装置４１４と直列に連結される、もしくは別の方法では、独立して電力供給され、前述のオペレータ、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）、能動的工程制御と組み合わされた開ループ制御、もしくはオートメーション蒸着工程のコンピュータ制御、によって制御されうる。トーチ装置４１４，４３６は既存のコーティング層表面を加熱してコーティング材料を膨張させ、層を厚さ方向に通る亀裂を閉じる。トーチ装置４３６は、最初に既存のコーティング層表面を加熱してコーティング材料を膨張させて、表面の厚さ方向の亀裂を閉じうる。選択的なボンディングコート層が適用された後、セラミック（もしくは粉末）材料供給器（図示せず）が、矢印４２８により示される方向へプラズマ噴流４１６内に多量のセラミック材料４２０を放出する。セラミック材料４２０はプラズマ噴流４１６内に同伴されて表面４１８に運ばれる。

第１、第２のプラズマトーチ装置４１４，４３６の両方のガス流を制御することにより、各々のプラズマ噴流４１６，４３８が高い熱伝導率を実現するように表面４１８に独立して延びる。この効果を実現するため、第２のプラズマトーチ装置４３６が、コーティング層の温度が加熱されていることを確実にするために十分な距離と角度に配置され、セラミック材料４２０の最初の蒸着あるいは再蒸着の前に、十分高い温度勾配と膨張をもたらす。第２のプラズマトーチ装置４３６は、第２のプラズマ噴流４３８が表面４１８や既存のコーティング層を予熱できるように、第１のプラズマトーチ装置４１４に比べて基体４００の表面４１８に近い距離に配置されうる。第１のプラズマトーチ装置４１４および第２のプラズマトーチ装置４３６は、当業者に周知のあらゆるプラズマトーチを含みうる。一つの代表的なトーチは、ニューヨーク州ウェストベリーのＳｕｌｚｅｒ Ｍｅｔｃｏ，Ｉｎｃ．から市販されている３ＭＢ（登録商標）のような、エアプラズマスプレーガンを（これに限定せず）含む。

前に説明したように、監視装置４３４が蒸着工程全体を通して表面４１８の温度を測定するように用いられうる。適切な監視装置は、赤外線カメラ、光高温計、熱電対、前述の少なくとも一つを備えてなる組み合わせ、をこれに限定せず含む。監視装置４３４は、基体表面温度に関するデータを、オペレータ、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）、能動的工程制御と組み合わされた開ループ制御、もしくは前述のオートメーション蒸着工程のコンピュータ制御、などに提供する。

本明細書で検討されている方法による工程のパラメータは、垂直方向の分断化（ボンディングコート表面に対してほぼ垂直）をつくりだすように制御され、ガンの種類や固定具の構造などの変化に応じて設定される。概して、ガンから部材までの溶射距離を小さくし、比較的高出力での蒸着と組み合わせることで、１インチあたり約４〜約２０の所望の垂直方向の微細亀裂を生じさせることが知られている。パラメータは、使用されるスプレーガン、基体や固定具により様々であることが当業者にとって理解できるであろう。したがって、本文に示されているパラメータは異なる工程状況における他の適切なパラメータを選択する規準として用いられうる。

実施例では、セラミック材料のスプレー蒸着の間、直径約３８インチの円筒固定具が、毎分約５回転から約１００回転の速度で回転し、望ましくは毎分約２５回転する。プラズマスプレーガンは空洞状の円筒固定具の内部に位置しうる。個々の部材のコーティング中のガンと部材との角度は約６０度から約１２０度の間であり、ある実施例では約９０度である。ガンから部材までの距離は約２インチ（０．０５ｍ）から約５インチ（０．１３ｍ）の間であり、ある実施例ではセラミック層の製造中の距離は約３．２５インチ（０．０８３ｍ）である。この接近したガン距離は、満足のいく垂直方向の分断化の達成に不可欠である。蒸着中に回転固定具や基体を軸方向に横切るガンの横移動速度は、固定具の１回転あたり約０．０５インチ（０．００１３ｍ／回転）から約１インチ（０．０３ｍ／回転）の間であり、ある実施例では一回転あたり約０．２インチ（０．００５ｍ／回転）である。

セラミック材料供給率は約１５ｇ／分から約３００ｇ／分の間であり、ある実施例では約９０ｇ／分である。窒素のようなキャリアガス流が、圧力下で粉末を維持し粉末供給を容易にするように用いられうる。流量は約５立方フィート毎時（標準状態下）（０．１４ｍ³／時間（標準状態下））から約２０立方フィート毎時（０．５７ｍ³／時間）であり、ある実施例では約１１立方フィート毎時（０．３１ｍ³／時間）である。本明細書における標準状態は、ほぼ常温（２０℃）およびほぼ１気圧（１０１ｋＰａ）として定義される。窒素ガスのような、ガン内部の１次のガス流は、約６０立方フィート毎時（標準状態下）（１．７０ｍ³／時間（標準状態下））から約１７５立方フィート毎時（４．９６ｍ³／時間）の間であり、ある実施例では約１００立方フィート毎時（２．８３ｍ³／時間）である。同様に、水素のような、ガン内部の２次のガス流は、約５立方フィート毎時（標準状態下）（０．１４ｍ³／時間（標準状態下））から約３０立方フィート毎時（０．８５ｍ³／時間）の間であり、ある実施例では約１８立方フィート毎時（０．５１ｍ³／時間）である。ガン電圧は約６０Ｖから約８０Ｖの間であり、ある実施例では約７５Ｖである。同様に、ガンアンペア数は約５００Ａから約９００Ａの間であり、ある実施例では約７００Ａである。本明細書に記載される工程のパラメータを考慮して、パラメータが、粉末の種類、粉末の大きさ、特に用いられるガンの種類、相対的なスピードや動き、用いられる表面予熱の（一つあるいは複数の）方法、を含む（これに限定せず）変数に依存することが当業者にとって理解できるであろう。

本発明のシステムや方法が、コーティング蒸着と亀裂形成との独立制御を促進する。本明細書に記載のシステムや方法は、亀裂の形成に直接影響する変数を測定し制御することにより、亀裂形成の原因となる温度勾配を制御し、また、スプレーや亀裂の変数を独立して制御させる補助熱源を用いうる。所望の熱伝導率、耐食性、磨耗性、密度、および他の関連亀裂構造やコーティング特性を実現すべく、化学組成、間隙率、あるいは亀裂構造を変化させることにより、亀裂構造とコーティング間隙率の双方の独立制御を実現することができる。

本発明が本明細書に記載の実例に限定されず、また実施例は単に本発明を実施する最良の形態と考えられるものであり、形態、大きさ、部品の配置、もしくは工程の詳細が修正されうることを理解されたい。本発明はむしろすべての修正が、本発明の請求項の範囲により画定される真の範囲内に含まれることを意図するものである。

分断化セラミック溶射を形成する既存のシステム図。 コーティング内部に垂直方向の微細亀裂構造を実現するために、どのように分断化溶射を適用するかを示す図。 本発明のセラミック溶射を形成するシステムの一実施例を示す図。 本発明のセラミック溶射を形成するシステムの別の実施例を示す図。 本発明のセラミック溶射を形成するシステムのさらに別の実施例を示す図。 本発明のセラミック溶射を形成するシステムのさらに別の実施例を示す図。

符号の説明

３０…ボンディングコート層
３４…基体
３６，３８…セラミックコーティング層
４０…基体の移動方向
４２…熱源
４４…溶射蒸着装置
５０…低温度勾配エリア
５２…表面加熱エリア
５４…コーティング蒸着エリア
５６…表面冷却エリア

Claims (20)

1. （１）基体に近接する位置に配置された一つもしくは複数の熱源を提供し、
   （２）任意選択的な工程として、前記一つもしくは複数の熱源の熱流中で、ある量のボンディングコート材料を前記基体表面の蒸着エリア上に蒸着させて、選択的ボンディングコート層を形成させ、
   （３）任意選択的な工程として、前記一つもしくは複数の熱源の熱流中で、ある量の第１のセラミック材料を前記表面の蒸着エリア上に蒸着させて、前記選択的ボンディングコート層の上に選択的な第１のセラミック材料の層を形成させ、
   （４）前記第１のセラミック材料層表面の前記蒸着エリアの前方に位置する予熱温度勾配ゾーンに前記熱流を加えて、前記選択的な第１のセラミック材料を膨張させ、
   （５）前記熱源中で、ある量の一つもしくは複数の追加セラミック材料を、前記予熱されて膨張した選択的な第１のセラミック材料の層の上に蒸着して、セラミック材料の一つもしくは複数の追加の層を形成させ、
   （６）前記セラミック材料の一つもしくは複数の追加層を冷却して、垂直方向の亀裂成長を促進し、
   （７）前記セラミック材料の一つもしくは複数の追加層表面の、予熱温度勾配ゾーンに前記熱流を加えて、前記追加のセラミック材料を膨張させることを特徴とする基体に分断化セラミック溶射を形成する方法。
2. 前記ステップ（５）〜（７）が、一回もしくは複数回繰り返されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記熱流を加えることが、一つもしくは複数の熱源を用いて前記熱流を加えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記熱流を加えることが、２つの熱源を用いて前記熱流を加えることを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 前記第１のセラミック材料の層と、前記一つもしくは複数のセラミック材料の追加層と、の温度の監視をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 一つもしくは複数の基体を支持し移動させる手段と、
   前記一つもしくは複数の基体に近接する位置に配置されるとともに、少なくとも一つが基体表面の温度勾配ゾーンを予熱するために熱流を加えるように配置された、一つもしくは複数の熱源と、
   前記一つもしくは複数の熱源に近接する位置に配置されるとともに、前記表面の温度勾配ゾーンの後方に位置する蒸着エリアに材料を蒸着するように位置決めされた、材料蒸着装置と、
   前記一つもしくは複数の基体の表面温度を監視する手段と、
   を備えてなる分断化セラミックコーティング形成装置。
7. 前記一つもしくは複数の熱源が、トーチと、放射熱源と、対流熱源と、レーザ放射熱源と、の少なくとも一つを備えてなることを特徴とする請求項６に記載の分断化セラミックコーティング形成装置。
8. 前記一つもしくは複数の熱源が、トーチと第２の熱源とを備えるとともに、この第２の熱源が、放射熱源と、対流熱源と、レーザ放射熱源と、の少なくとも一つを備えてなることを特徴とする請求項６に記載の分断化セラミックコーティング形成装置。
9. 前記一つもしくは複数の熱源が、放射熱源と、対流熱源と、レーザ放射熱源と、の少なくとも一つを備えてなる第１の熱源と、放射熱源と、対流熱源と、レーザ放射熱源と、の少なくとも一つを備えてなる第２の熱源と、を備えてなることを特徴とする請求項６に記載の分断化セラミックコーティング形成装置。
10. 前記材料蒸着装置が、セラミック材料蒸着装置を備えることを特徴とする請求項６に記載の分断化セラミックコーティング形成装置。
11. 前記材料蒸着装置が、ボンディングコート材料蒸着装置を備えることを特徴とする請求項６に記載の分断化セラミックコーティング形成装置。
12. 前記材料蒸着装置が、２種類以上の材料を蒸着できることを特徴とする請求項６に記載の分断化セラミックコーティング形成装置。
13. 前記２種類以上の材料が、セラミック材料とボンディングコート材料とを備えてなることを特徴とする請求項１２に記載の分断化セラミックコーティング形成装置。
14. 前記一つもしくは複数の基体を支持し移動させる手段が、前記一つもしくは複数の基体を第１の方向へ移動させることが可能であって、前記材料蒸着装置が、ある量の材料を前記一つもしくは複数の基体の上に、前記一つもしくは複数の基体に対して第２の方向へ蒸着するように設計されていることを特徴とする請求項６に記載の分断化セラミックコーティング形成装置。
15. 前記第１の方向が、前記第２の方向と同じか、もしくは反対であることを特徴とする請求項１４に記載の分断化セラミックコーティング形成装置。
16. 前記一つもしくは複数の基体を支持し移動させる手段が、前記一つもしくは複数の基体を第１の方向へ移動させることが可能であって、前記一つもしくは複数の熱源が、前記一つもしくは複数の基体に対して第３の方向へ移動することが可能であることを特徴とする請求項６に記載の分断化セラミックコーティング形成装置。
17. 前記第３の方向が、前記第１の方向と反対であることを特徴とする請求項１６に記載の分断化セラミックコーティング形成装置。
18. 前記材料蒸着装置が、ある量の材料を前記一つもしくは複数の基体の上に第２の方向へ蒸着するように設計されているとともに、前記一つもしくは複数の熱源が、前記材料蒸着装置に対して第３の方向へ移動することが可能であることを特徴とする請求項６に記載の分断化セラミックコーティング形成装置。
19. 前記第２の方向が、前記第３の方向と同じか、もしくは反対であることを特徴とする請求項１８に記載の分断化セラミックコーティング形成装置。
20. 前記監視装置が、赤外線カメラと、光高温計と、熱電対と、の少なくとも一つを備えてなることを特徴とする請求項６に記載の分断化セラミックコーティング形成装置。
    

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