JP2013146728A - 遮熱コーティングの製造方法及びコールドスプレイ遮熱コーティングを有する物品 - Google Patents
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Abstract
【課題】遮熱コーティングの製造方法及びコールドスプレイ遮熱コーティングを有する物品が開示される。
【解決手段】プロセスは、セラミック粒子及びバインダーをコールドスプレイすることと、遮熱コーティングを形成することとを含む。バインダーはセラミック粒子よりも低い融点を有する。物品は、物品の基板上に設けられたコールドスプレイ遮熱コーティング及び/又はコールドスプレイ遮熱コーティングで形成された再現可能な特徴部部を含み、再現可能な特徴部はマスキングを用いずに複製することができる。
【選択図】 図1
【解決手段】プロセスは、セラミック粒子及びバインダーをコールドスプレイすることと、遮熱コーティングを形成することとを含む。バインダーはセラミック粒子よりも低い融点を有する。物品は、物品の基板上に設けられたコールドスプレイ遮熱コーティング及び/又はコールドスプレイ遮熱コーティングで形成された再現可能な特徴部部を含み、再現可能な特徴部はマスキングを用いずに複製することができる。
【選択図】 図1
Description
本発明は、遮熱コーティングの製造方法及び遮熱コーティングを有するタービン部品に関する。より具体的には、本発明は、遮熱コーティングを形成するためのコールドスプレイに関する。
ガスタービンにおけるような多くのシステムは、熱的、機械的及び化学的に過酷な環境に付される。例えば、ガスタービンの圧縮機部分では、空気は大気圧の10〜25倍に圧縮され、プロセスにおいて約800°F〜約1250°Fまで断熱加熱される。この加熱・圧縮空気は燃焼器へと送られて、燃料と混合される。燃料を点火して、燃焼プロセスでガスは約3000°Fを超える非常に高い温度まで加熱される。これらの高温ガスは、タービンを通過するが、そこで回転タービンディスクに植設された翼形部でエネルギーを抽出してタービンのファン及び圧縮機を駆動し、排気システムを通過する際に、ガスは、発電機ロータを回転させて発電するのに十分なエネルギーを供給する。高温ガスのタイトシール及び正確に方向付けられた流れは作動効率をもたらす。タービンシールでかかるタイトシール及び正確に方向付けられた流れを達成するには、製造が難しく費用がかかることがある。
タービンの作動効率を向上させるため、燃焼温度の高温化が従前なされており、依然として図られている。これらの高温に耐えるため、静止構造体にろう付けされた高合金ハニカムセクションが用いられてきた。高合金ハニカムは材料コストが高価なことがあり、静止構造体へのろう付けに費用がかかることもある。
アブレイダブル摩擦コート(abradable rub coat)として役立つものなど、他の多孔質部品、発泡体部品及び/又はハニカム部品は、同様に高価な場合があるか又は動作上の制限がある。例えば、かかる材料は、酸化するか、或いは材料の適用中及び/又は材料の加工処理中に相が変化する場合がある。かかる材料の溶接又はろう付けは、部品の微細構造及び/又は機械的性質に悪影響を及ぼす場合がある。例えば、溶接又はろう付けは熱影響部を形成して機械的性質が犠牲になる場合がある。
上述の短所の1以上にわずらわされない製造方法及び物品が、当該技術において望ましいであろう。
例示的な一実施形態では、遮熱コーティングの製造方法は、セラミック粒子及びバインダーをコールドスプレイすることと、遮熱コーティングを形成することとを含む。バインダーはセラミック粒子よりも低い融点を有する。
別の例示的な実施形態では、コールドスプレイ遮熱コーティングを有する物品は、物品の基板上に設けられたコールドスプレイ遮熱コーティングを含む。
別の例示的な実施形態では、コールドスプレイ遮熱コーティングを有する物品は、コールドスプレイ遮熱コーティングによって形成される再現可能な特徴部を含む。再現可能な特徴部はマスキングを用いずに複製することができる。
本発明の他の特徴及び利点は、好ましい実施形態の以下のより詳細な説明を、本発明の原理を一例として例証する添付図面と併せ読むことによって明白になるであろう。
図面を通して、同じ部材はできるだけ同じ符号で表す。
遮熱コーティングの製造方法及びコールドスプレイ遮熱コーティングを有する物品が提供される。本開示の実施形態によって、遮熱コーティングのポロシティの調整が可能になり、遮熱コーティングの熱伝導率の調整が可能になり、マスキングを用いずに遮熱コーティングを施工することができ、酸化表面の形成が低減又は回避され、遮熱コーティングのより厳しい許容差が可能になり、またそれらの組合せが可能になる。
図1及び図2は、遮熱コーティング102を有する、タービンブレード105に隣接して配置されたタービンシュラウドなどの例示的な物品100を示す。一実施形態では、遮熱コーティング102は、タービンシール103などのタービン部品を形成する。遮熱コーティング102は、図1に示されるように物品100の基板101上に直接配置されるか、或いは図2に示されるように基板101上の1以上の中間層202上に配置される。一実施形態では、遮熱コーティング102は、物品100の他の部分に比べて熱伝導率が低い部分を形成する。
物品100は、静止部品又は回転部品など、任意の適切な金属部品である。適切な金属部品としては、圧縮機部品、タービン部品、タービンブレード及びタービンバケットが挙げられるが、それらに限定されない。本明細書で用いる「金属」という用語は、金属、合金、複合金属、金属間化合物材料(intermetallic materials)又はそれらの任意の組合せを包含する。一実施形態では、物品100はステンレス鋼を含むか又はステンレス鋼である。別の実施形態では、物品100はニッケル基合金を含むか又はニッケル基合金である。他の適切な合金としては、コバルト基合金、クロム基合金、炭素鋼及びそれらの組合せが挙げられるが、それらに限定されない。適切な金属としては、チタン、アルミニウム及びそれらの組合せが挙げられるが、それらに限定されない。
遮熱コーティング102は、物品100の任意の適切な部分又は表面上に配置される。一実施形態では、遮熱コーティング102は、タービンの高温ガス流路、フィレット(隅肉)部、タービンシール、圧縮機シール、ラビリンスシール、ブラシシール、可撓性シール、制動メカニズム、冷却メカニズム、バケット内部、ピストン、熱交換器又はそれらの組合せなど、物品100の一部分である。
遮熱コーティング102は、セラミック粒子及びバインダーのコールドスプレイによって形成される。一実施形態では、遮熱コーティング102は、細孔104の網目構造を含む。一実施形態では、細孔104は、限定された視認性を有し及び/又は微細なポロシティを有する。別の実施形態では、細孔104は、スチールウールと同様に、複雑であり一貫した幾何学構造を有さず、及び/又は粗いポロシティを有する。細孔104は任意の適切なサイズであり、かつ任意の適切な密度内にある。細孔104の適切なサイズは、約1〜約100μm、約10〜約50μm、約30〜約40μm、約50〜約100μm、約50〜約70μm又はそれらの組合せである。細孔104の適切な密度は、約5%〜約85%、約15%〜約75%、約15%〜約25%、約25%〜約75%、約2%〜約15%、ならびにそれらの組合せ及び二次的組合せ(サブコンビネーション)である。
図2を参照すると、一実施形態では、遮熱コーティング102は2つの中間層202上に配置され、その中間層の一方は物品100の基板101上に配置されている。追加の実施形態では、金属構造は、3、4、5以上の中間層202上に配置される。
図3を参照すると、遮熱コーティング102を施工する例示的なプロセス300では、物品100は、例えば、物品100の表面を清浄化することによって準備される(段階302)。次に、遮熱コーティング102がコールドスプレイによって物品100に施工される(段階304)。コールドスプレイ(段階304)は、固体/粉末供給材料402(図4及び図5参照)を使用し、処理はほとんどの場合、溶接又はろう付けなどのプロセスよりも少ない熱で固体状態で行われる。一実施形態では、コールドスプレイ(段階304)は遮熱コーティング102を所定の領域に施工する。一実施形態では、遮熱コーティング102の所定の領域は、マスクを用いずに別の方法で可能であるよりも厳しい許容差のものであることができる。一実施形態では、遮熱コーティング102はマスキングを用いずに施工され、再現可能である。物品100の一実施形態では、遮熱コーティング102は、マスキングを用いずに複製することができる再現可能な特徴部であるか又はそれを含む。一実施形態では、遮熱コーティング102は、所定の量よりも大きい、例えば1000psi超、3000psi超、5000psi超又は10000psi超の引張接着強さを有する。
一実施形態では、固体供給材料402としては、イットリウム安定化ジルコニウム、イッテルビウムジルコニウム、パイロクロア、他の適切なセラミック粒子又はそれらの組合せなどのセラミック粒子が挙げられる。例えば、一実施形態では、セラミック粒子としては、Y、Yb、Gd、Nd、La、Sc、Sm及びそれらの組合せからなる群から選択される希土類金属で安定化された希土類安定化ジルコニアが挙げられる。別の実施形態では、セラミック粒子としては、Ca、Mg、Ce、Al及びそれらの組合せからなる群から選択される材料で安定化された非希土類安定化ジルコニアが挙げられる。一実施形態では、固体供給材料402としては、バインダー又は接着剤中のセラミック粒子クラッドが挙げられる。一実施形態では、固体供給材料402中のセラミック粒子は、所定の最大寸法、例えば約20μm未満、約10μm未満、約5μm〜約20μm、約5μm〜約10μm、約10μm、約5μm、或いはそれらの任意の適切な組合せ又は二次的組合せを有する。一実施形態では、固体供給材料402としては、Al2O3、SiO2などの焼結助剤、他の適切な焼結助剤又はそれらの組合せが挙げられる。
図4を参照すると、一実施形態では、固体供給材料402は、収束発散型ノズル408の収束部分406内で又はその前にバインダー404と混合される。バインダー404はセラミック粒子よりも低い融点を有する。それに加えて又はその代わりに、バインダー404はセラミック粒子よりも大きな延性(コールドスプレイ条件下で)を有する。一実施形態では、固体供給材料402はバインダー404と予混合されて、例えば任意の適切な体積濃度において、さらなる調整性を提供する。バインダー404に適した体積濃度は、約5%〜約90%、約5%〜約10%、約5%〜約15%、約5%〜約20%、約5%〜約30%、約5%〜約50%、約5%〜約60%、約5%〜約70%、約5%〜約80%、約10%〜約90%、約20%〜約90%、約30%〜約90%、約40%〜約90%、約50%〜約90%、約60%〜約90%、約70%〜約90%、約80%〜約90%、約30%〜約60%、約40%〜約50%、約10%〜約15%、或いはそれらの任意の適切な組合せ又は二次的組合せである。
図6を参照すると、一実施形態では、遮熱コーティング102は、バインダー404を有する複数の層、例えば外部断熱層602、中間断熱層604及び内部断熱層606を含む。この実施形態では、バインダー404の体積密度が調整され、それによって遮熱コーティング102全体のポロシティが調整される。例えば、一実施形態では、外部断熱層602は第1の密度(例えば約25%)のバインダーを含み、中間断熱層604は第2の密度(例えば、第1の密度よりも高い量及び/又は約25%〜約40%)のバインダーを含み、内部断熱層606は第3の密度(例えば、第2の密度よりも高い量及び/又は約40〜約75%)のバインダーを含む。一実施形態では、遮熱コーティング102及び/又は遮熱コーティングの1以上の層は、金属又は金属材料を実質的に含まない。
バインダー404は、ポリマー、ポリマーの混合物、非ポリマー材料、金属材料、コールドスプレイでの使用に適した、及び/又は遮熱コーティングとの使用に適した任意の材料又はそれらの組合せである。一実施形態では、バインダー404はポリエステルであるか又はそれを含む。他の実施形態では、バインダー404は、チタン、アルミニウム、ニッケル、コバルト、鉄、それらの合金、ポリアミド(ナイロン)、ガラス繊維強化ナイロン、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)、ポリフェニレンスルフィド(PPS)、ポリフェニレンオキシドとポリスチレンのブレンド又はそれらの組合せであるか、或いはそれらを含む。例えば、一実施形態では、ポリマーの組合せは融点に基づく。
コールドスプレイ(段階304)は、固体供給材料402に対する著しい入熱がない状態で固体供給材料402粒子を衝突させることによって遮熱コーティング102を形成する。コールドスプレイ(段階304)は、固体供給材料402の相及び微細構造をほぼ保持する。一実施形態では、コールドスプレイ(段階304)は、遮熱コーティング102が(仕上げが可能になる)所望の厚さ範囲になるまで又は所定の厚さ範囲をわずかに上回るまで、例えば約1ミル〜約2000ミル、約1ミル〜約100ミル、約10ミル〜約20ミル、約20ミル〜約30ミル、約30ミル〜約40ミル、約40ミル〜約50ミル、約20ミル〜約40ミル、或いはそれらの任意の適切な組合せ又は二次的組合せになるまで継続される。
一実施形態では、コールドスプレイ(段階304)は、例えば、図4に示されるような収束発散型ノズル408に関する次式に基づいて、少なくとも所定の速度又は速度範囲まで固体供給材料402を加速させることを含む。
ノズル408は、物品100から所定の距離に、例えば約10mm〜約150mm、約10mm〜約50mm、約50mm〜約100mm、約10mm〜約30mm、約30mm〜約70mm、約70mm〜約100mm、或いはそれらの任意の適切な組合せ又は二次的組合せに配置される。
一実施形態では、コールドスプレイ(段階304)は、例えばバインダー404を含む、第2の供給材料と併せて固体供給材料402を衝突させることを含む。図4を参照すると、バインダー404は、固体供給材料402とともに注入されるか、固体供給材料402とは別個に、ただし同じノズル408に注入されるか、別個のノズル408に注入されるか、或いは同じノズル408又は別個のノズル408の発散部分412に注入される。バインダー404が発散部分412に注入される実施形態では、バインダー404の分解などによる、プロセスガスからの熱の影響は低減又は回避される。一実施形態では、バインダー404は、約1500℃以下のプロセスガスの熱による分解などのダメージに敏感な材料を含む。発散部分412への注入はかかる分解を低減又は回避する。別の実施形態では単一の供給材料を使用するが、その場合、材料はセラミック粉末であり、個々の粒子はそれぞれバインダー404中のクラッドである。
図5を参照すると、一実施形態では、コールドスプレイ(段階304)は、例えば式1に基づく少なくとも所定の速度又は速度範囲まで、固体供給材料402とバインダー404の別個の供給材料502とを加速させることを含む。一実施形態では、図5に対応するコールドスプレイ(段階304)は、特定の材料(金属もしくは低融点のどちらか)をスプレイするのに適合するように組み合わされたA/A*比で設計されたノズル408を含む。追加の実施形態では、コールドスプレイ(段階304)は、異なるノズル408中で異なるガスを使用し、及び/又は他のパラメータの相対的な調整を含む。一実施形態では、別個の供給材料502及びバインダー404など、金属相を有する供給材料及び低融点相を有する供給材料と関連する不共溶性を扱うのに、複数のノズル408が使用される。固体供給材料402及び別個の供給材料502は、所定の速度又は速度範囲で物品100に衝突し、固体供給材料402が別個の供給材料502とともに物品100に結合し、かつ/或いはバインダー404が固体供給材料402中に混入され、及び/又は物品100にも結合する。パラメータは、収束部分406の前に配置されたセンサ410によって測定/モニタされる。
追加の実施形態では、遮熱コーティング102のポロシティは、施工される固体供給材料402の量に比べて施工されるバインダー404の量を変えることによって制御される。同様に、一実施形態では、遮熱コーティング102の熱伝導率が調整される。一実施形態では、バインダー404の量は、コールドスプレイ(段階304)中に固体供給材料402の量に比べて施工されるバインダー404の量を変えることによって調整して制御される。この実施形態では、遮熱コーティング102のポロシティはこれらの量に基づいて変わる。同様の実施形態では、固体供給材料402に比べてバインダー404の量を2以上の相対量にして、バインダー404(もしくは別の低融点材料)及び固体供給材料402を2回以上施工するコールドスプレイ(段階304)によって、複数の層が形成される。
例えば、一実施形態では、基板101に近接した中間層を形成するのに施工されるバインダー404の量が、基板101から離して中間層を形成するのに施工されるバインダー404の量よりも少ないことにより、基板101に近接して又は基板101に当接して配置された中間層202(図2を参照)は、基板101から離れて又は遮熱コーティング102の表面に配置された中間層202(図2を参照)よりもポロシティが低い。
図3を再び参照すると、一実施形態では、プロセス300は、コールドスプレイ(段階304)の後に、バインダー404を除去することに(段階306)続く。一実施形態では、バインダー404の余分量は、コールドスプレイ(段階304)後にバインダー404及び固体供給材料402を加熱して、バインダー404の余分量を蒸発、燃焼、溶解及び/又は昇華させることによって除去される(段階306)。バインダー404の余分量の除去(段階306)によって細孔104が形成される。
一実施形態では、プロセス300は、例えば研削、機械加工、ショットピーニング又は別の加工処理によって、遮熱コーティング102及び/又は物品100を仕上げることを含む(段階308)。それに加えて又は別の方法として、一実施形態では、プロセス300は、遮熱コーティング102の焼結、遮熱コーティング102の処理(例えば、熱処理)又は他の適切なプロセス段階を含む。一実施形態では、処理によって遮熱コーティング102は複合材料コーティングからセラミック皮膜へと転化する。追加の実施形態では、セラミック皮膜としては、チタニア、アルミナ、酸化ニッケル、酸化コバルト、酸化鉄、ニッケルコバルト酸化物、ニッケル鉄酸化物、コバルト鉄酸化物、ニッケルイットリア酸化物、コバルトイットリア酸化物、鉄イットリア酸化物、ポリアミド、ガラス繊維強化ナイロン、ポリブチレンテレフタレート、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンオキシドとポリスチレンのブレンド又はそれらの組合せが挙げられる。
好ましい実施形態を参照して本発明について記載してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく、本発明の要素を様々に変更してもよく、また等価物に置き換えてもよいことが当業者には理解されるであろう。それに加えて、本発明の本質的範囲から逸脱することなく、特定の状況又は材料を本発明の教示に適合させるように多数の修正を行ってもよい。したがって、本発明は、本発明を実施するために想到される最良の形態として開示される特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は添付の請求項の範囲内にあるすべての実施形態を含む。
Claims (20)
- セラミック粒子及びバインダーをコールドスプレイする段階と、
遮熱コーティングを形成する段階と
を含む遮熱コーティングの製造方法であって、バインダーがセラミック粒子よりも低い融点を有する、方法。 - セラミック粒子が、Y、Yb、Gd、Nd、La、Sc、Sm及びそれらの組合せからなる群から選択される希土類金属で安定化された希土類安定化ジルコニアを含む、請求項1記載の方法。
- セラミック粒子が、Ca、Mg、Ce、Al及びそれらの組合せからなる群から選択される材料で安定化された非希土類安定化ジルコニアを含む、請求項1記載の方法。
- セラミック粒子がパイロクロアを含む、請求項1記載の方法。
- セラミック粒子がバインダー中のクラッドである、請求項1記載の方法。
- バインダーが、コールドスプレイ温度でセラミック粒子よりも高い延性を有する、請求項1記載の方法。
- Al2O3、SiO2、Fe2O3及びそれらの組合せからなる群から選択されるコールドスプレイ焼結助剤をさらに含む、請求項1記載の方法。
- 遮熱コーティングを処理することをさらに含んでおり、処理によって遮熱コーティングをセラミック皮膜へと転化させる、請求項1記載の方法。
- セラミック皮膜が、チタニア、アルミナ、酸化ニッケル、酸化コバルト、酸化鉄、ニッケルコバルト酸化物、ニッケル鉄酸化物、コバルト鉄酸化物、ニッケルイットリア酸化物、コバルトイットリア酸化物、鉄イットリア酸化物、ポリアミド、ガラス繊維強化ナイロン、ポリブチレンテレフタレート、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンオキシドとポリスチレンのブレンド及びそれらの組合せからなる群から選択される材料を含む、請求項8記載の方法。
- Al2O3、SiO2及びそれらの組合せからなる群から選択される焼結助剤を用いて遮熱コーティングを焼結させることをさらに含む、請求項1記載の方法。
- 遮熱コーティングが約5%を超える所定のポロシティを有する、請求項1記載の方法。
- セラミック粒子が約20μmの最大寸法を有する、請求項1記載の方法。
- 遮熱コーティングが1000psiを超える引張強さを有する、請求項1記載の方法。
- セラミック粒子及びバインダーをコールドスプレイする段階が所定の比率で行われ、所定の比率が約10%〜約15%のバインダーである、請求項1記載の方法。
- セラミック粒子及びバインダーをコールドスプレイする段階が、第1のコールドスプレイ装置及び第2のコールドスプレイ装置からの同時スプレイである、請求項1記載の方法。
- セラミック粒子及びバインダーをコールドスプレイする段階が単一のコールドスプレイ装置で行われる、請求項1記載の方法。
- 遮熱コーティングを形成する段階が、タービンのフィレット部又は高温ガス流路部品で行われる、請求項1記載の方法。
- 遮熱コーティングが金属又は金属材料を実質的に含まない、請求項1記載の方法。
- コールドスプレイ遮熱コーティングを有する物品であって、物品の基板上に位置するコールドスプレイ遮熱コーティングを備える物品。
- コールドスプレイ遮熱コーティングを有する物品であって、コールドスプレイ遮熱コーティングで形成された再現可能な特徴部部を有していて、再現可能な特徴部がマスキングを用いずに複製することができる、物品。
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