JP2008057040A

JP2008057040A - デバイスの非直線的領域をコーティングするシステム、部品の非直線的コーティング用装置、および部品の非直線的領域をコーティングする方法

Info

Publication number: JP2008057040A
Application number: JP2007219165A
Authority: JP
Inventors: Kevin W Schlichting; ダブリュー．シュリチングケビン
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 2006-08-31
Filing date: 2007-08-27
Publication date: 2008-03-13
Also published as: DE602007007698D1; SG140526A1; EP1895022B1; EP1895022A1; US20080057195A1

Abstract

【課題】部品の直線的領域だけでなく、部品の非直線的領域にもコーティングを施すことができるシステムを提供する。
【解決手段】部品の非直線的コーティング用装置（１０）は、ハウジング（１４）と、蒸気源（２０）と、少なくとも１つのノズル（２４）と、真空排気システム（１６）と、を含む。蒸気源（２０）は、ハウジング（１４）内の部品（１２）に向かって蒸気雲を生成する。真空排気システム（１６）は、ハウジング（１４）内の圧力を維持する。
【選択図】図１

Description

本発明は、部品に断熱コーティングを全体的に施すことによって、酸化および熱機械疲労への耐性を高める非直線的コーティングシステムに関する。

ガスタービンエンジンを囲む高温環境に起因して、燃焼器と、高温用タービンの固定部品および回転部品とに、部品の寿命を延ばすためのセラミック断熱コーティング（ＴＢＣ）が一般に施される。サーマルバリアコーティングは、一般的に、ニッケル基合金またはコバルト基合金に施された、金属ボンドコートおよびセラミックトップコートから成る。コーティングは、約１２５〜１２７０μｍの厚さで施され、ベースメタルに対して１５０°Ｃほど温度を軽減させる。従って、コーティングにより、部品の耐久性は向上し、より高温の動作温度を可能にし、結果としてタービンの効率を向上させる。

現在、サーマルバリアコーティングを部品に施す１つの方法は、電子ビーム物理蒸着（ＥＢ−ＰＶＤ）プロセスによる。ＥＢ−ＰＶＤプロセスは有効であるが、直線的な（ｌｉｎｅｏｆｓｉｇｈｔ）プロセスである。標準的なＥＢ−ＰＶＤプロセスにおいては、蒸気雲は、溶融池から形成されて、部品に向かって吹き付けられ、部品の表面に堆積する。蒸気雲の粒子は、少量の粒子間相互作用を有し、その結果、蒸気雲のランダム化はほとんど起こらない。ランダム化不足のために、粒子は、一般的に、溶融池から発せられる経路に直線的に存在する部品表面にのみ堆積される。さらに、蒸気雲の経路に直接的に存在しない部品領域は、物理的に部品を回転させなければ、コーティングされない。

従って、部品の直線的（ｌｉｎｅｏｆｓｉｇｈｔ）領域だけでなく、部品の非直線的（ｎｏｎ−ｌｉｎｅｏｆｓｉｇｈｔ）領域にもコーティングを施すことができるシステムを有することが望ましい。

部品の非直線的コーティング用装置は、ハウジングと、蒸気源と、少なくとも１つのノズルと、真空排気システムと、を含む。蒸気源は、蒸気雲をハウジング内の部品に向かって生成する。ノズルは、蒸気雲と相互作用するガス流を供給する。真空排気システムは、ハウジング内の圧力を維持する。

非直線的コーティングシステムは、部品に断熱コーティングを全体的に施すことによって、酸化および熱機械疲労への耐性を高める。部品は、真空排気システムによって低圧に維持されたハウジング内に配置される。シャフトが、部品を蒸気源と不活性ガス源との間に配置する。蒸気源は、ハウジング内の部品の直線的領域に向かって蒸気雲を送る。不活性ガスは、シールドに取り付けられた複数のノズルによって、ハウジング内の部品の非直線的領域に向かって導入される。蒸気雲と不活性ガスが相互作用すると、粒子間の衝突によって、蒸気雲のランダム化が生じ、蒸気雲を部品の非直線的領域に向かって押し戻す。従って、コーティングシステムは、部品の非直線的領域をコーティングし、部品の直線的領域のコーティングを促進し、かつ、蒸気源に対して直線的に整列していない部品領域の微細構造のコーティングを改善する。

図１は、部品１２をコーティングする、非直線的コーティングシステム１０の側面図を示す。コーティングシステム１０は、通常、ハウジング１４、真空排気システム１６、シャフト１８、蒸気源２０、シールド２２、およびノズル２４を含む。コーティングシステム１０によって、現在の蒸気コーティングプロセスを改良して、部品１２の直線的領域２６と非直線的領域２８とに断熱コーティング（ＴＢＣ）を施すことができる。さらに、コーティングシステム１０は、部品１２の直線的コーティングを促進する。サーマルバリアコーティングを用いた部品１２のコーティングは、酸化および熱機械疲労による故障を防止することにより、部品１２の耐用期間を延長する。

サーマルバリアコーティングは、低圧環境を提供するハウジング１４内における部品１２に施される。真空排気システム１６は、ハウジング１４に接続され、ハウジング１４から空気を絶えずポンピングすることによって、ハウジング１４内の圧力を維持する。例示の実施形態においては、ハウジング１４内の圧力は、大気圧より低く維持される。例示の実施形態においては、ハウジング１４内の圧力は、約６×１０^-5〜２×１０^-3ミリバールの間に維持される。

図１から分かるように、部品１２は、シャフト１８によってハウジング１４内に配置される。シャフト１８が、部品１２をハウジング１４内の、蒸気源２０とシールド２２との実質的に中間の位置に保持する。部品１２がハウジング１４内で静止しているとき、直線的領域２６は、蒸気源２０と直線的に整列し、非直線的領域２８は、シールド２２およびノズル２４と直線的に整列する。例示の実施形態においては、シャフト１８は、回転可能なシャフトであり、これにより部品１２の全ての面を蒸気源２０にさらすことができる。この場合に、シャフト１８によって、部品１２は、部品１２の中心点Ｃを中心として径方向に回転することができる。これによって、直線的領域２６は、シールド２２およびノズル２４と直線的に整列することができ、非直線的領域２８は、蒸気源２０と直線的に整列することができる。

蒸気源２０は、ハウジング１４に近接して配置され、ハウジング１４の開口３２から、蒸気雲３０をハウジング１４内に送る。蒸気雲３０は、部品１２にコーティングされるサーマルバリアコーティングを含む。蒸気雲３０が部品１２に達すると、サーマルバリアコーティングは、部品１２上に凝縮し、部品１２の直線的領域２６上に施される。

シールド２２は、略半球状（ｓｅｍｉ−ｈｅｍｉｓｐｈｅｒｉｃａｌ）の形状で、ハウジング１４内に蒸気源２０に対向して配置され、部品１２に向かってノズル２４を配置する。例示の実施形態においては、シールド２２は、最大で約１８０度にわたり部品１２を取り囲む。シールド２２およびノズル２４は、配管３６を通して不活性ガス源３４に接続される。ノズル２４は、不活性ガス源３４から不活性ガスを受けて、ガス流をハウジング１４内に供給する。真空排気システム１６がハウジング１４を低圧に維持するので、ノズル２４は、不活性ガスを比較的低い圧力で供給する必要がある。例示の実施形態においては、ノズル２４は、毎分約０．１〜１０リットル（リットル／分）の流量で、不活性ガスをハウジング１４に導入する。ノズル２４からの不活性ガス流は、蒸気源２０からの粒子流を維持するように調整することができる。図１は、３つのノズル２４を含むものとしてコーティングシステムを表すが、コーティングシステム１０は、部品１２の幾何学的形状と、コーティング要件と、に応じて、任意選択として、１つのみのノズルなど、任意の数のノズルを含むことができる。不活性ガス源３４を、不活性ガスを供給するものとして述べるが、不活性ガス源３４は、酸素等、蒸気雲３０の粒子と化学反応する他の気体を提供してもよい。

ノズル２４からの不活性ガスは、蒸気雲３０を部品１２に向かって押し戻すよう機能する。ノズル２４からの不活性ガスが蒸気雲３０と接触すると、不活性ガスは、粒子間相互作用を生じさせ、蒸気雲３０内のランダム化を増大させる。ランダムな衝突によって、粒子は、部品１２に向かって、特に非直線的領域２８に向かって、様々な経路を有することが可能になる。ランダム化された蒸気雲を生成することによって、コーティングシステム１０は、部品１２の非直線的領域２８をコーティングし、部品１２の直線的領域のコーティングを促進し、かつ、蒸気源２０から少しずれた角度の部品１２の領域の微細構造のコーティングを改善する。例示の実施形態においては、部品１２は、ハウジング１４内に配置された後、約２０分から約１２０分で、完全にコーティングされる。

図２は、部品１２の非直線的領域２８をコーティングする、例示的な、制限を意図しない方法１００のブロック図を示す。従来のコーティング技術は、一般的に部品１２の直線的領域２６のみをコーティングする。方法１００は、部品１２の直線的領域２６だけでなく、非直線的領域２８のコーティングを可能にする。ステップ１０２に示すように、最初に、部品１２を、ハウジング１４内に、蒸気源２０と、ノズル２４を伴うシールド２２と、の間に配置する。ステップ１０４に示すように、蒸気雲３０が、蒸気源２０によってハウジング１４に導入されて、部品１２の直線的領域２６をコーティングする。蒸気雲３０がハウジング１４に導入されると、ノズル２４は、不活性ガス源３４から不活性ガスのガス流を供給し、蒸気雲３０と相互作用させる（ステップ１０６）。不活性ガスが蒸気雲３０と相互作用すると、粒子間の相互作用によって、ランダム化された雲が生成される。ランダム化された雲は、部品１２に向かって押し戻され、非直線的領域２８をコーティングする。このプロセス中、さらに、直線的領域２６のコーティングは促進され、蒸気源２０から少し角度のずれた部品１２の領域の微細構造のコーティングも改善される。

非直線的コーティングシステムの側面図である。部品の非直線的領域をコーティングする方法のブロック図である。

Claims

部品の非直線的コーティング用装置であって、
ハウジングと、
前記ハウジング内の部品に向かって蒸気雲を生成する蒸気源と、
前記蒸気雲と相互作用するガス流を供給するために配置された少なくとも１つのノズルと、
前記ハウジング内の圧力を維持する真空排気システムと、
を備えることを特徴とする装置。
前記ハウジング内の、前記蒸気源と前記ノズルとの間に、前記部品を配置するシャフトをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
前記シャフトは、回転可能なシャフトであることを特徴とする請求項２に記載の装置。
前記ハウジング内に、前記蒸気源と対向して配置されるシールドをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
前記シールドは、略半球状であることを特徴とする請求項４に記載の装置。
複数のノズルをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
前記ノズルは、不活性ガスおよび酸素からなる群から選択されるガス流を供給することを特徴とする請求項１に記載の装置。
前記ノズルは、前記蒸気雲と相互作用してランダム化された雲を生成するガス流を供給するために配置されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
デバイスの非直線的領域をコーティングするシステムであって、
ハウジングと、
前記ハウジング内に蒸気雲を生成するために配置された蒸気源と、
前記デバイスの前記非直線的領域に対向して配置された、ガス流を前記蒸気雲に向かって供給するノズルと、
前記ハウジングを圧力範囲内に維持する排気システムと、
を備えることを特徴とするシステム。
前記ハウジング内に前記デバイスを配置するシャフトをさらに備えることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
前記ハウジング内に、前記蒸気源と対向し、前記ノズルに近接して配置されたシールドをさらに備えることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
前記ノズルは、前記蒸気雲と相互作用してランダム化された雲を生成するガス流を供給するために配置されることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
前記ノズルからのガス流は、不活性ガスおよび酸素からなる群から選択されることを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
複数のノズルをさらに備えることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
部品の非直線的領域のコーティング方法であって、
密閉ハウジング内に前記部品を配置するステップと、
前記部品に向かって前記ハウジング内に蒸気雲を生成するステップと、
前記ハウジング内の前記部品の前記非直線的領域に向かって、前記蒸気雲と相互作用するガス流を供給するステップと、
前記密閉ハウジングを所定の圧力範囲内に維持するステップと、
を備えることを特徴とする方法。
前記密閉ハウジング内に前記部品を配置するステップは、シャフトの使用を備えることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
前記ハウジング内に蒸気雲を生成するステップは、蒸気源の使用を備えることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
前記ガス流を前記ハウジング内に供給するステップは、少なくとも１つのノズルの使用を備えることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
前記ガス流は、前記蒸気雲と相互作用して、ランダム化された雲を生成することを特徴とする請求項１５に記載の方法。
前記所定の圧力範囲は、大気圧より低いことを特徴とする請求項１５に記載の方法。