JP2007231346A - 溶射方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶射粒子の温度が適切に制御される溶射方法を提供する。
【解決手段】溶射方法は、溶射対象物と異なる方向に溶射を行う予備溶射ステップと、予備溶射ステップにおける溶射粒子温度を検出する温度検出ステップと、溶射粒子温度が所定温度になるように溶射ガンの設定パラメータを調節する調節ステップと、溶射ガンを溶射対象物に向け、溶射ガンに対する溶射対象物の相対位置を、温度検出ステップにおいて溶射粒子温度が検出された位置と同じになるように調節するステップと、調節ステップにおいて調節された設定パラメータにおいて溶射対象物に対して溶射を行うステップとを備える。こうした溶射方法により、溶射温度が適切に調節される。
【選択図】図１

Description

本発明は、溶射に関する。本発明は特に、プラズマ溶射によりＴＢＣ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｃｏａｔｉｎｇ）を行う技術に関する。

ガスタービンのブレード等、高温環境下で使用される部材の表面を保護するために、プラズマ溶射によるＴＢＣが用いられている。こうした溶射は、溶射によって形成される溶射膜が良好な遮熱性、耐久性を有するように諸条件が調節されて行われる。ＴＢＣが施される対象物の用途に応じて、溶射の諸条件が適切に調節されることが求められる。

特許文献１には、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温度検出手段に検出させるため、溶射ガンを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が記載されている。

この特許文献１の段落［００１６］には、溶射施工点における溶射粒子の目標温度は、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を形成する場合には１２００℃〜２７００℃（例えば２５００℃）に設定すればよいことが確認され、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を形成する場合には３０００℃以上（例えば、３２００℃）に設定すれば良いことが確認されたと記載されている。

特許文献２には、耐熱合金基材上に、耐熱性を高めるためにセラミックス層を形成した遮熱コーティングであって、セラミックス層の所定の範囲に、所望の熱サイクル耐久性を備えるように、その膜厚方向に延在する縦割りが導入されたことを特徴とする遮熱コーティングが記載されている。
特開２００５‐１９４５９９号公報 特開２００４‐１６９５５８号公報

溶射は、溶射装置の電極の状態などによって複雑に条件が変化するため、一旦適切な条件に設定されても、その適切な条件を維持し続けることが難しいことが多い。

従って本発明の目的は、溶射温度がより適切に調節された溶射方法を提供することである。

以下に、［発明を実施するための最良の形態］で使用される番号を括弧付きで用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための最良の形態］との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

本発明による溶射方法は、溶射対象物（１４）と異なる方向に溶射を行う予備溶射ステップと、予備溶射ステップにおける溶射粒子温度を検出する温度検出ステップと、溶射粒子温度が所定温度になるように溶射ガン（６）の設定パラメータを調節する調節ステップと、溶射ガン（６）を溶射対象物に向け、溶射ガン（６）に対する溶射対象物（１４）の相対位置を、温度検出ステップにおいて溶射粒子温度が検出された位置と同じになるように調節するステップと、調節ステップにおいて調節された設定パラメータにおいて溶射対象物（１４）に対して溶射を行うステップとを備える。

本発明による溶射方法の温度計測ステップにおいて、溶射粒子温度は二色温度計（８）によって検出される。

本発明による溶射方法において、所定温度は２５００℃以上である。

本発明による溶射方法において、所定温度は２７００℃以下である。

本発明による溶射方法において、所定温度は２７００℃以上である。

本発明による溶射方法は、溶射対象物（１４）の表面に第１領域と、第１領域よりも溶射膜の高い耐久性が要求される第２領域（３３ａ）とを設定するステップを含む。所定温度は、第１領域に溶射するとき２５００℃以上２７００℃以下に設定され、第２領域に溶射するとき２７００℃以上３４００℃以下に設定される。

本発明による溶射方法において、溶射ガン（６）によって溶射される溶射粒子は７〜８％Ｙ_２Ｏ_３部分安定化ＺｒＯ_２（商品名：２０４ＮＳＧ）を含む。

本発明によれば、溶射温度がより適切に調節された溶射方法が提供される。

以下、図面を参照しながら本発明による溶射方法を実施するための最良の形態について説明する。図１は、本実施の形態における溶射方法を実施するための装置構成を示す。溶射装置２は、コンピュータによって制御される多関節のアーム４を備えたロボットである。アーム４の先端には溶射ガン６が取り付けられている。

溶射装置２が使用される工作室には、被溶射物１４が設置される。その工作室には更に、センサボックス８が配置される。センサボックス８は、センサボックス姿勢制御軸１２を介してセンサボックス姿勢制御装置１０により姿勢を制御される。センサボックス８は、センサボックス８に対して所定の相対位置と所定の相対姿勢によって定められる計測領域の温度を検出する２色温度計を備えている。

こうした溶射装置を用いた溶射は次にように行われる。溶射装置２はセンサボックス８が設置されている位置を記憶しており、その位置を参照してアーム４を制御し、溶射ガン６をセンサボックス４に対して所定の相対位置にある第１位置に移動する。この第１位置は、センサボックス８に対して鉛直方向の高さが概ね等しい。第１位置に配置された溶射ガン６から溶射が行われる。この溶射は、被溶射物と異なる方向に向けて行われる試し打ち（予備溶射）である。

溶射粒子の温度がセンサボックス８によって計測される。センサボックス８の姿勢がセンサボックス姿勢制御軸１２を介してセンサボックス姿勢制御装置１０によって制御されることにより、センサボックス８の計測領域は、所定の走査領域の内部を走査する。センサボックス８は、その走査定領域の内部の温度分布を示す走査領域温度分布情報と、概ね溶射粒子の運動量の方向に延長する曲線の中で輝度が最も高い曲線である中心ラインを示す中心ライン情報とを自動的に生成し出力する。

図４（ａ）は、溶射ガン６とセンサボックス８との位置関係を鉛直方向上側から見下ろした様子を示す上面図である。溶射粒子の流れによって形成される概ね回転対称形の火炎領域の中心軸をなす中心ライン２３と、センサボックス８との距離Ｄは、溶射装置２のプログラムにより所定距離となるように自動制御される。センサボックス８は、中心ライン２３を含む計測領域２２の温度を計測する。

図４（ｂ）は、溶射ガン６とセンサボックス８との位置関係を水平方向から見た様子を示す側面図である。溶射ガン６には溶射されるべき粒子であるパウダーを投入するためのパウダー投入口１６が設けられている。パウダー投入口１６は、火炎領域の鉛直方向上側からパウダーを火炎領域の上流端に投入する。

オペレータは、走査領域温度分布情報と中心ライン情報とを参照し、中心ライン２３上で所望の溶射温度が得られるように、溶射装置２の設定パラメータ（プラズマガス流量、プラズマ電流、粉末供給量等）を調節する。更に、必要ならば溶射装置がプラズマを発生するために用いる電極の交換を行う。

オペレータは、所望の溶射温度が得られたと判断すると、溶射装置２の入力装置に対して条件を設定するための入力操作を行う。溶射装置２は、そのときの溶射ガン６の先端と計測領域２２の中心との距離Ｌ１を記憶する。好ましくは、溶射ガン６に対する計測領域２２の中心の３次元的な相対位置を記憶する。

図２に示されるように、溶射装置２は、センサボックス８前の第１位置から、被用者物１４に向けられた第２位置に移動する。溶射装置２は予め被溶射物１４の位置を記憶しており、溶射ガン６の先端（図３に示される）と被溶射物１４の施工面との距離Ｌ２は第１位置において設定されたＬ１と一致するように調節される。

好ましくは、溶射ガン６の先端に対する被溶射物１４の施工面の３次元的な相対位置が、第１位置において設定された相対位置と一致するように調節される。パウダーがパウダー投入口１６から投入されると、火炎の輝度分布はパウダーの運動量によりパウダー投入口１６の反対側に傾く。３次元的な相対位置が予備溶射の場合と被溶射物１４に対する溶射の場合とで同じに設定されることにより、こうしたパウダーの運動量による火炎の変化が自動的に補正される。

溶射装置２は、第１位置において設定された設定パラメータのまま、第２位置において被溶射物１４に対して溶射を行う。これにより所望の温度に適切に調節された溶射が行われる。

次に、溶射粒子の温度と溶射膜の組織の関係について説明する。以下に示す数値の計測は、カナダのＴＥＣＮＡＲ社製の溶射粒子情報計測装置「ＡＣＣＵＲＡ ＳＰＲＡＹ」を用いて行われた。この装置は、２色温度計を用いて溶射粒子の温度を計測する。図４に示した計測領域２２は体積約５０ｍｍ^３であり、この装置はこの計測領域２２の平均温度を検出する。

図５は、溶射粒子の粒子温度と、溶射によって形成された溶射膜の熱サイクル寿命との相関関係を実際に計測したデータである。粒子温度が２４５０℃の場合、熱サイクル寿命はごく短く、実用的な溶射膜は形成されない。粒子温度が２５００℃及び２７００℃の場合は、熱サイクル寿命は１０００回以上であることが確認された。従って溶射の温度は、施工面において２５００℃以上に設定される。

図６は、粒子温度と熱伝導率との関係を測定して得られたデータを示す。溶射粒子は２０４ＮＳＧ（８％ＹＳＺ粉末）である。熱伝導率は、粒子温度が２５００℃の条件で測定された複数のデータのうちの１つが１．０となるように正規化されている。粒子温度が２５００℃の場合は、熱伝導率は０．８〜１．０程度である。粒子温度が２７００℃の場合は、熱伝導率は１〜１．２程度である。すなわち、この温度範囲では、熱伝導率は大きく変わらない。この温度範囲において、図８に示されるように溶射膜２８ａはポーラス状である。

粒子温度が２９００℃の場合、熱伝導率は１．８程度である。したがって粒子温度が２５００〜２７００℃の場合と同程度の遮熱性を実現するためには、１．８倍程度の厚さの溶射膜が必要となる。従って、遮熱性の観点からは、同じ膜厚ならば粒子温度が２９００℃程度の場合に比べて、２５００〜２７００℃の場合の溶射膜の方が有利である。

図８に示されるようなポーラス状の溶射膜２８ａが形成される温度よりも高い温度で溶射が行われると、図９に示されるような縦割れ組織の溶射膜２８ｂが形成される。縦割れ組織は、ポーラス状の溶射膜２８ａよりも緻密な組織であり、施工面に概ね垂直に延長する縦割れが多数形成されている。こうした縦割れ組織の溶射膜２８ｂは、ポーラス状の溶射膜２８ａに比べて熱負荷が高い条件下でも熱サイクル寿命が向上するので、耐久性の観点からは有利である。

図７は、溶射粒子の粒子温度と縦割れ密度との関係を計測した結果を示す。縦割れ密度は、施工面に垂直な断面を観察したときに、施工面に平行な方向の単位長さ（図７では１ｍｍ）当たりの縦割れの本数を示す。ポーラス状の溶射膜２８ａが形成される２７００℃以下の温度では、縦割れ組織は見られず、縦割れ密度は０である。２７００〜３４００℃では、縦割れ密度が２以上である。この結果から、２７００〜３４００℃の温度範囲では組織が緻密化し、耐久性の高い縦割れ組織の溶射膜２８ｂが形成されることが分かる。

図１０は、本実施の形態における被溶射物１４の一例であるガスタービン動翼を示す。図１０（ａ）は正面図、図１０（ｂ）は平面図である。このガスタービン動翼は、タブテイル３１、プラットフォーム３２及び翼部３３を備える。翼部３３の前縁部３３ａは縦割れ組織の溶射膜が形成され、翼部３３のそれ以外の領域はポーラス上の溶射膜が形成される。

こうしたガスタービン動翼がＴＢＣ処理されるとき、図１に示される第１位置において溶射粒子の温度が２７００〜３４００℃に調節される。その後、溶射装置２は図２に示される第２位置において被溶射物１４であるガスタービン動翼の前縁部３３ａに溶射し、前縁部３３ａには縦割れ組織の溶射膜が形成される。

次いで、溶射装置２は再び第１位置に移動する。溶射粒子の温度が２５００〜２７００℃に調節される。その後、溶射装置２は再び第２位置に移動し、ガスタービン動翼の翼部３３の前縁部３３ａ以外の領域に溶射する。その領域にはポーラス状の溶射膜が形成される。

図１は、溶射温度の調節が行われるときの溶射装置、センサボックス及び被溶射物の位置関係を示す。 図２は、溶射が行われるときの溶射装置、センサボックス及び被溶射物の位置関係を示す。 図３は、溶射ガンと被溶射物の距離について示す。 図４は、溶射ガンとセンサボックスとの位置関係を示す。 図５は、溶射粒子の温度と熱サイクル寿命の関係を示す。 図６は、溶射粒子の温度と熱伝導率の関係を示す。 図７は、溶射粒子の温度と縦割れ密度の関係を示す。 図８は、ポーラス状の溶射膜を示す。 図９は、縦割れ状の溶射膜を示す。 図１０は、ガスタービン動翼を示す。

符号の説明

２…溶射装置
４…アーム
６…溶射ガン
８…センサボックス
１０…センサボックス姿勢制御装置
１２…センサボックス姿勢制御軸
１４…被溶射物
１６…パウダー投入口
１８…プラズマフレーム
２０…溶射膜
２２…計測領域
２８…溶射膜
３１…タブテイル
３２…プラットフォーム
３３…翼部
３３ａ…前縁部

Claims (7)

1. 溶射対象物と異なる方向に溶射を行う予備溶射ステップと、
   前記予備溶射ステップにおける溶射粒子温度を検出する温度検出ステップと、
   前記溶射粒子温度が所定温度になるように溶射ガンの設定パラメータを調節する調節ステップと、
   前記溶射ガンを溶射対象物に向け、前記溶射ガンに対する溶射対象物の相対位置を、前記温度検出ステップにおいて前記溶射粒子温度が検出された位置と同じになるように調節するステップと、
   前記調節ステップにおいて調節された前記設定パラメータにおいて前記溶射対象物に対して溶射を行うステップ
   とを具備する
   溶射方法。
2. 請求項１に記載された溶射方法であって、
   前記温度計測ステップにおいて、前記溶射粒子温度は二色温度計によって検出される
   溶射方法。
3. 請求項１乃至２に記載された溶射方法であって、
   前記所定温度は２５００℃以上である
   溶射方法。
4. 請求項３に記載された溶射方法であって、
   前記所定温度は２７００℃以下である
   溶射方法。
5. 請求項３に記載された溶射方法であって、
   前記所定温度は２７００℃以上である
   溶射方法。
6. 請求項３に記載された溶射方法であって、
   更に、溶射対象物の表面に第１領域と、第１領域よりも溶射膜の高い耐久性が要求される第２領域とを設定するステップ
   を具備し、
   前記所定温度は、前記第１領域に溶射するとき２５００℃以上２７００℃以下に設定され、前記第２領域に溶射するとき２７００℃以上３４００℃以下に設定される
   溶射方法。
7. 請求項１乃至６に記載された溶射方法であって、
   前記溶射ガンによって溶射される溶射粒子は７〜８％Ｙ_２Ｏ_３部分安定化ＺｒＯ_２を含む
   溶射方法。

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