JP2015007282A - コールドスプレー式塗工法 - Google Patents

Abstract

【課題】時間がかからず、低費用で、部品に損傷を生じず、バビット材料の無駄がないコールドスプレー式塗工法及び塗工物品を提供する。【解決手段】コールドスプレー式塗工法は、コールドスプレーノズル１０２を軸受アセンブリ１０１に対して位置決めするステップと、軸受アセンブリ１０１を回転させるステップと、コールドスプレーノズル１０２を通して粉末バビット材料１０３を回転軸受アセンブリ１０１の表面に導くステップとを含む。粉末バビット材料１０３は回転軸受アセンブリ１０１の表面に付着し、表面に皮膜を形成している。別のコールドスプレー式塗工法は、コールドスプレーノズル１０２を軸受アセンブリ１０１に対して位置決めして、軸受アセンブリ１０１の代わりにコールドスプレーノズル１０２を回転させてもよい。別のコールドスプレー式塗工法は、軸受アセンブリ１０１の表面の皮膜の特性を皮膜モニター１１０によって監視するステップを含む。【選択図】図１

Description

本発明は塗工法に関する。さらに詳細には本発明はコールドスプレー式塗工法に関する。

工業用途で用いられる様々な材料は様々な過酷な条件に曝される。例えばある種のタービン部品は、部品に有害となりかねない熱的、機械的及び化学的なストレス環境に曝される。材料表面に、動作条件や使用目的に特有の保護皮膜が設けられることが多い。一例として、タービン軸受は保護バビット材料で被覆されることが多い。しかし材料の表面の皮膜は、制御が困難であり、予測不能であり、時間がかかり、スペースをとりかつ費用がかかる可能性がある。

バビット材料は、部品をスピンさせながら遠心力を用いて部品表面に塗工するのが典型的である。この方法でバビット皮膜を形成するには、バビット材料が液体の形態である必要がある。さらに塗工すべき部品を予備加熱しておかなければならない。こうした技術は様々な短所を生じる。こうした技術の１つでは、溶融バビット材料を収容する大きなポットを必要とすること、部品の形状に基づいて塗工に制限があること、塗工の際にバビット材料の無駄を生じ得ること、得られる表面特性が不十分のことがあり得ること、機械加工で除去する過剰なバビット材料を生じ得ること、塗工中に相分離を起こす可能性があること、部品のスピンを必要とすること、或いはこれらが組み合わされて起こることになる。

塗工後に、ある部品が動作中に損耗を受けると、様々な領域においてバビット材料に対する損傷が生じる。損傷バビット材料は、早期に発見すれば、部品自体への損傷を防止するように修復がなされる。例示的な修復方法の１つには、バビット材料の剥ぎ取り、部品の表面に対する液体バビットの再塗工の準備、これに続く機械加工、或いはこれらの組合せが不可欠である。こうした方法は、時間がかかり、高費用となる可能性があり、部品に損傷を生じさせる可能性があり、塗工や機械加工時にバビット材料の更なる無駄につながることがあり、或いはこれが組み合わされて生じることがある。

本技術分野では上述の短所がない塗工法及び塗工物品が望まれている。

米国特許第６４１６８７７号

一実施形態に係るコールドスプレーノズルを用いて粉末バビット材料を推進させるコールドスプレー式塗工法は、コールドスプレーノズルを軸受アセンブリに対して位置決めするステップと、軸受アセンブリを回転させるステップと、コールドスプレーノズルを通して粉末バビット材料を回転軸受アセンブリの表面に導くステップとを含む。粉末バビット材料は、回転軸受アセンブリの表面に付着して、回転軸受アセンブリの表面に皮膜を形成する。

別の実施形態に係るコールドスプレーノズルを用いて粉末バビット材料を推進させるコールドスプレー式塗工法は、コールドスプレーノズルを軸受アセンブリに対して位置決めするステップと、コールドスプレーノズルを回転させるステップと、コールドスプレーノズルを通して粉末バビット材料を軸受アセンブリの表面に導くステップとを含む。粉末バビット材料は軸受アセンブリの表面に付着させ、コールドスプレーノズルの回転によって軸受アセンブリの表面に皮膜を形成させる。

別の実施形態に係るコールドスプレーノズルを用いて粉末バビット材料を推進させるコールドスプレー式塗工法は、コールドスプレーノズルを軸受アセンブリに対して位置決めするステップと、コールドスプレーノズルと軸受アセンブリを互いに回転させるステップと、コールドスプレーノズルを通して粉末バビット材料を軸受アセンブリの表面に導くステップと、軸受アセンブリの表面に粉末バビット材料を付着させ、バビット材料の付着によって軸受アセンブリの表面に皮膜を形成するステップと、軸受アセンブリの表面の皮膜の１以上の特性を皮膜モニターによって監視するステップと、皮膜モニターから第１の信号を皮膜解析器に伝送するステップと、皮膜モニターからの第１の信号を皮膜解析器によって解析するステップと、皮膜解析器から第２の信号をコーティング制御デバイスに送信するステップと、第２の信号に応答してコーティング制御デバイスによってコールドスプレーノズルを構成するステップとを含む。

本発明に関する別の特徴及び利点については、本発明の原理を一例として図示している添付の図面と連携して取り上げた好ましい実施形態に関する以下のさらに詳細な説明から明らかとなろう。

本発明の一実施形態に係る軸受内部に位置決めされたコールドスプレーノズルの斜視図である。 本発明の一実施形態に係る軸受内部に位置決めされた複数のコールドスプレーノズルの斜視図である。

可能である場合は常に、同じ部分を表すために図面全体を通じて同じ参照番号を用いることにする。

塗工法を提供する。本開示の実施形態は、本明細書に開示した特徴のうちの１以上を用いない方法及び物品と比較して、塗工後の機械加工の低減、皮膜の均一性の増大、塗工効率の増大、又はこれらの組合せを呈する。

図１を参照すると一実施形態では、コールドスプレー装置１００は軸受アセンブリ１０１に対して位置決めされたコールドスプレーノズル１０２を含む。軸受アセンブリ１０１は、ガスタービン軸受、全周軸受、半周軸受、損傷軸受、又はこれらの組合せ（ただし、これらに限らない）など任意のタイプの軸受を含む。コールドスプレーノズル１０２を通して粉末バビット材料１０３軸受アセンブリ１０１の表面１０４まで導く。表面１０４は、塗工表面、損傷表面、未塗工表面、減摩皮膜領域を有する表面、又はこれらの組合せ（ただし、これらに限らない）を含む。コールドスプレーノズル１０２は軸受アセンブリ１０１の表面１０４に粉末バビット材料１０３を推進させる。粉末バビット材料１０３は軸受アセンブリ１０１の表面１０４に付着し、表面１０４上に皮膜１０５を形成させる。一実施形態では皮膜１０５は軸受アセンブリ１０１の表面１０４に対する再塗工である。さらに別の実施形態では、軸受アセンブリ１０１の表面１０４は再塗工の前に剥がされていない。

一実施形態では皮膜１０５の特性が、コールドスプレーノズル１０２に対する調整を通して電子式に監視されかつ制御されている。皮膜１０５の特性には、厚さ、分布、又はこれらの組合せ（ただし、これらに限らない）が含まれる。コールドスプレーノズル１０２の調整としては、回転速度、粉末バビット材料１０３の分布、推進する粉末バビット材料１０３の量、粉末バビット材料１０３のスプレーパターン、又はこれらの組合せ（ただし、これらに限らない）が挙げられる。

一実施形態では、皮膜モニター１１０が皮膜１０５の少なくとも１つの特性に対応した情報１２０をリアルタイムで収集している。皮膜モニター１１０は、皮膜１０５に関する適当な任意の特性のリアルタイム計測を可能にするような適当な任意の方法を通じて情報１２０を収集する。皮膜１０５に関する少なくとも１つの特性の適当な計測方法には、可視光計測（白色光／青色光など）、レーザー厚さ計測、温度計測、又はこれらの組合せ（ただし、これらに限らない）が含まれる。皮膜１０５に関する計測に適した特性には、厚さ、温度、密度、又はこれらの組合せ（ただし、これらに限らない）が含まれる。

皮膜モニター１１０は皮膜１０５の特性に基づいて第１の信号１２１を発生させると共に、この第１の信号１２１を皮膜解析器１１２に送信する。皮膜解析器１１２はこの第１の信号１２１を受け取り、皮膜１０５の特性を解析し、かつ第２の信号１２２を発生させる。皮膜解析器１１２はこの第２の信号１２２をコーティング制御デバイス１１４に送信する。この第２の信号１２２は、皮膜モニター１１０によりリアルタイムで収集された皮膜１０５の特性に基づいて所望の最終皮膜を形成させるようにコールドスプレーノズル１０２を調整するための情報を含む。第２の信号１２２に応答してコーティング制御デバイス１１４は、コールドスプレーノズル１０２の塗工パラメーター又は設定値を変更すること、或いはコールドスプレーノズル１０２の塗工パラメーター又は設定値を維持することによってコールドスプレーノズル１０２を構成している。変更が可能な適当な塗工パラメーターには、コールドスプレーノズル１０２の速度、気体フロー、コーティング経路、又はこれらの組合せが含まれる。皮膜モニター１１０は、コーティング制御デバイス１１４がコールドスプレーノズル１０２を調整した後も皮膜１０５の特性に関する情報１２０の収集を継続し、連続ループを形成している。

一実施形態ではコーティング制御デバイス１１４は、皮膜１０５の均一な分布が形成されるようにコールドスプレーノズル１０２を調整する。一実施形態ではコーティング制御デバイス１１４は、皮膜１０５の望ましい厚さが維持されるようにコールドスプレーノズル１０２を調整する。この皮膜１０５の望ましい厚さは、遠心塗工法で形成した皮膜に比べて低減されている。皮膜１０５の厚さの低減によって、過剰塗工及び／又は皮膜１０５を仕上げるための機械加工の必要性が排除される。一実施形態ではコーティング制御デバイス１１４は、軸受アセンブリ１０１の損傷領域にコールドスプレーノズル１０２を導いている。

コールドスプレー装置１００は、粉末バビット材料１０３への大きな熱入力なしに粉末バビット材料１０３を衝突させることによって表面１０４上に皮膜１０５を形成している。コールドスプレー処理１００では、粉末バビット材料１０３の相及びミクロ組織が実質的に保持される。一実施形態ではコールドスプレー処理（ステップ３０４）は、例えば収束性−発散性ノズルに関する次の式に基づいて粉末バビット材料１０３を少なくとも所定の速度又は速度レンジまで加速するステップを含む。

式１において、「Ａ」はコールドスプレーノズル１０２の出口の面積であり、また「Ａ^*」はコールドスプレーノズル１０２のスロート部の面積である。「γ」は使用する処理ガスのＣ_p／Ｃ_v比である（Ｃ_pは一定圧力における比熱容量、またＣ_vは一定体積における比熱容量である）。気体フローパラメータはＡ／Ａ^*の比に依存する。コールドスプレーノズル１０２がチョーク条件で動作しているときは、出口気体速度マッハ数値（Ｍ）を式１によって特定可能である。気体が有する「γ」の値がより大きい程、マッハ数値はより大きくなる。粉末バビット材料１０３は所定の速度又は速度レンジで軸受アセンブリ１０１の表面１０４に衝突すると共に、粉末バビット材料１０３は軸受アセンブリ１０１の表面１０４と結合して皮膜１０５を形成させる。

コールドスプレーノズル１０２は、軸受アセンブリ１０１の表面１０４から所定の距離、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、或いはこれらの適当な任意の組又は部分組のところに位置決めされている。一実施形態ではコールドスプレーノズル１０２を軸受アセンブリ１０１の中心に位置決めしている。軸受アセンブリ１０１の中心に位置決めされたコールドスプレーノズル１０２は、３６０°の回転にわたってコールドスプレーノズル１０２と表面１０４の間に等しい距離を提供しながらその場で回転する。一実施形態ではコールドスプレーノズル１０２は、軸受アセンブリ１０１の内部に同心性機構を形成している。同心性機構としたコールドスプレーノズル１０２は軸受アセンブリ１０１の内部において、３６０°の移動全体にわたってコールドスプレーノズル１０２と表面１０４の間の距離が維持されるように円を描いて動かされる。

一実施形態に係るバビット材料は、表面層を形成する金属マトリックスである。この金属マトリックスは、金属内に結晶を分散させた複合材である。一実施形態ではバビット材料は、軸受アセンブリ１０１の表面１０４に関する保護皮膜として及び／又は潤滑剤として用いられる。この結晶は金属と比較してかなり硬く、表面層の非潤滑性の部分を形成する。バビット材料は、スズ、銅、鉛又はそれらの組合せ（ただし、これらに限らない）を含む。バビット材料の適当な組成には、
９０重量％のスズと１０重量％の銅、８９重量％のスズと７重量％のアンチモンと４重量％の銅、８０重量％の鉛と１５重量％のアンチモンと５重量％のスズ、７６重量％の銅と２４重量％の鉛、７５重量％の鉛と１０重量％のスズ、６７重量％の銅と２８重量％のスズと５重量％の鉛、又はこれらの組合せ（ただし、これらに限らない）が挙げられる。スズを含むバビット材料組成では、軸受アセンブリ１０１の使用に由来する摩擦によって熱が発生し、バビット材料のスズを溶融させる。溶融したスズは、軸受アセンブリ１０１の表面１０４を保護するための潤滑剤を形成する。

一実施形態では軸受アセンブリ１０１は、コールドスプレーノズル１０２を静止に保ちながら回転する（１０６）。粉末バビット材料１０３をスプレーしながらの軸受アセンブリ１０１の回転１０６によって、表面１０４の上に円形ストリップ状の皮膜１０５が形成される。一実施形態ではコールドスプレーノズル１０２は軸受アセンブリ１０１を静止に保ちながら回転する（１０７）。粉末バビット材料１０３をスプレーしながらのコールドスプレーノズル１０２の回転１０７によって、表面１０４の上に円形ストリップ状の皮膜１０５が形成される。

一実施形態ではコールドスプレーノズル１０２は、軸受アセンブリ１０１の高さ１０９の一部分を覆うようなパターンで粉末バビット材料１０３を推進する。コールドスプレーノズル１０２又は軸受アセンブリ１０１の１回の全回転によって、軸受アセンブリ１０１の表面１０４の上に円形ストリップ状の皮膜１０５が形成される。コールドスプレーノズル１０２は軸受アセンブリ１０１の高さ１０９を基準として調整されており、また粉末バビット材料１０３は軸受アセンブリ１０１の未塗工部分１０８に推進されている。コールドスプレーノズル１０２又は軸受アセンブリ１０１は、皮膜１０５の別の円形ストリップを形成するように全回転させている。コールドスプレーノズルの調整と円形ストリップ状の皮膜１０５の形成とは、表面１０４が皮膜１０５内で適当に覆われるまで反復させている。

図２を参照すると一実施形態では、軸受アセンブリ１０１を基準として複数のコールドスプレーノズル１０２が位置決めされている。コールドスプレーノズル１０２の各々は、軸受アセンブリ１０１の高さ１０９の一部分を覆うようなパターンで粉末バビット材料１０３を推進している。コールドスプレーノズル１０２の数を増やすと高さ１０９のうち１回の全回転の間に皮膜１０５内に覆われる部分が増大する。

代替的なコールドスプレー装置１００は、軸受アセンブリ１０１に対して位置決めされた第１のコールドスプレーノズル２０２及び第２のコールドスプレーノズル２０４を含む。第１のコールドスプレーノズル２０２と第２のコールドスプレーノズル２０４の両者は、軸受アセンブリ１０１の表面１０４に粉末バビット材料１０３を推進している。第１のコールドスプレーノズル２０２は第１の位置において皮膜１０５の第１の円形ストリップ２０７を形成しており、また第２のコールドスプレーノズル２０４は第２の位置において皮膜１０５の第２の円形ストリップ２０９を形成している。第１の位置と第２の位置は軸受アセンブリ１０１の高さ１０９と比較して、同様であるか、実質的に同様であるか、或いは異なっている。一実施形態では第１のコールドスプレーノズル２０２と第２のコールドスプレーノズル２０４を１８０°離して対面させ、１８０°のノズル回転によって軸受アセンブリ１０１の表面１０４の３６０°にわたる皮膜１０５が形成されるようにしている。別の実施形態では、第１のコールドスプレーノズル２０２及び第２のコールドスプレーノズル２０４に対して単独のフィーダを設けている。この単独のフィーダによれば、異なる材料配合を同時に推進することができ、これにより皮膜１０５内に複合材又は勾配を形成することができる。さらにこの単独のフィーダによれば、皮膜１０５の化学的性質をバビット材料の厚さの関数として変更することが可能である。

一実施形態では回転速度には、約０．５回転毎分（ｒｐｍ）〜約５ｒｐｍ、約１ｒｐｍ〜約３ｒｐｍ、約２ｒｐｍ〜約４ｒｐｍ、或いはこれらの任意の組合せ、部分組、範囲又は部分範囲（ただし、これらに限らない）が含まれる。皮膜１０５の適当な厚さには、約１ミル〜約２０００ミル、約１ミル〜約５００ミル、約１０ミル〜約５００ミル、約２０ミル〜約４００ミル、約３０ミル〜約２００ミル、約４０ミル〜約１００ミル、或いはこれらの適当な任意の組合せ又は部分組（ただし、これらに限らない）が含まれる。

本発明に関して好ましい実施形態を参照しながら記載してきたが、本発明の趣旨を逸脱することなく様々な変更が可能であると共に、構成要素の均等物による置換が可能であることは当業者であれば理解するであろう。さらに、多くの修正形態により、本発明の本質的趣旨を逸脱することなく具体的な状況や材料を本発明の教示に適応させることができる。したがって、本発明を実施するように企図した最適モードとして開示した特定の実施形態に本発明を限定しようという意図ではなく、本発明は添付の特許請求の範囲の趣旨域内に入るすべての実施形態を包含するように意図している。

１００ コールドスプレー装置
１０１ 軸受アセンブリ
１０２ コールドスプレーノズル
１０３ バビット材料
１０４ 軸受アセンブリ表面
１０５ 皮膜
１０６ 回転
１０７ 回転
１０８ 未塗工部分
１０９ 軸受アセンブリの高さ
１１０ 皮膜モニター
１１２ 皮膜解析器
１１４ コーティング制御デバイス
１２０ 特性情報
１２１ 第１の信号
１２２ 第２の信号
２０２ 第１のコールドスプレーノズル
２０４ 第２のコールドスプレーノズル
２０７ 第１の円形ストリップ
２０９ 第２の円形ストリップ

Claims (20)

1. コールドスプレーノズルを用いて粉末バビット材料を推進させるコールドスプレー式塗工法であって、当該コールドスプレー式塗工法が、
   コールドスプレーノズルを軸受アセンブリに対して位置決めするステップと、
   軸受アセンブリを回転させるステップと、
   コールドスプレーノズルを通して粉末バビット材料を回転軸受アセンブリの表面に導くステップと
   を含んでおり、粉末バビット材料が回転軸受アセンブリの表面に付着して、回転軸受アセンブリの表面に皮膜を形成する、塗工方法コールドスプレー式塗工法。
2. 前記軸受アセンブリが半周軸受である、請求項１記載のコールドスプレー式塗工法。
3. 前記軸受アセンブリが全周軸受である、請求項１記載のコールドスプレー式塗工法。
4. 損傷軸受アセンブリを修復するステップをさらに含む、請求項１記載のコールドスプレー式塗工法。
5. 軸受アセンブリの表面を再塗工するステップをさらに含む、請求項１記載のコールドスプレー式塗工法。
6. 再塗工前に軸受アセンブリの表面を剥離しない、請求項５記載のコールドスプレー式塗工法。
7. 前記軸受アセンブリの表面が減摩皮膜領域を含んでいる、請求項５記載のコールドスプレー式塗工法。
8. 回転軸受アセンブリの表面に被膜を均一に分布させるステップをさらに含む、請求項１記載のコールドスプレー式塗工法。
9. 据え付け前に皮膜を機械加工しない、請求項１記載のコールドスプレー式塗工法。
10. 皮膜の１以上の特性を電子的に監視するステップをさらに含む、請求項１記載のコールドスプレー式塗工法。
11. 皮膜の厚さのリアルタイムモニタリングをさらに含む、請求項１記載のコールドスプレー式塗工法。
12. コールドスプレーノズルの電子制御をさらに含む、請求項１記載のコールドスプレー式塗工法。
13. さらに、軸受アセンブリに対して複数のコールドスプレーノズルを位置決めさすることを含む、請求項１記載のコールドスプレー式塗工法。
14. 前記粉末バビット材料がスズ、銅、鉛又はそれらの組合せを含む、請求項１記載のコールドスプレー式塗工法。
15. コールドスプレーノズルを通して粉末金属材料を導く前にスズ塗工を必要としない、請求項１記載のコールドスプレー式塗工法。
16. 軸受アセンブリを回転させるステップが、約０．５ｒｐｍ〜約５ｒｐｍの回転速度で実施される、請求項１記載のコールドスプレー式塗工法。
17. 前記粉末バビット材料が、
    約９０重量％のスズと約１０重量％の銅、
    約８９重量％のスズと約７重量％のアンチモンと約４重量％の銅、
    約８０重量％の鉛と約１５重量％のアンチモンと約５重量％のスズ、
    約７６重量％の銅と約２４重量％の鉛、
    約７５重量％の鉛と約１０重量％のスズ、
    約６７重量％の銅と約２８重量％のスズと約５重量％の鉛、及び
    これらの組合せ、
    からなる群から選択される組成を有する、請求項１記載のコールドスプレー式塗工法。
18. コールドスプレーノズルを用いて粉末バビット材料を推進させるコールドスプレー式塗工法であって、当該コールドスプレー式塗工法が、
    コールドスプレーノズルを軸受アセンブリに対して位置決めするステップと、
    コールドスプレーノズルを回転させるステップと、
    コールドスプレーノズルを通して粉末バビット材料を軸受アセンブリの表面に導くステップと
    を含んでおり、粉末バビット材料が軸受アセンブリの表面に付着して、コールドスプレーノズルの回転によって軸受アセンブリの表面に皮膜が形成される、コールドスプレー式塗工法。
19. コールドスプレーノズルを用いて粉末バビット材料を推進させるコールドスプレー式塗工方法であって、当該コールドスプレー式塗工法が、
    コールドスプレーノズルを軸受アセンブリに対して位置決めするステップと、
    コールドスプレーノズルと軸受アセンブリを互いに回転させるステップと、
    コールドスプレーノズルを通して粉末バビット材料を軸受アセンブリの表面に導くステップと、
    軸受アセンブリの表面に粉末バビット材料を付着させ、バビット材料の付着によって軸受アセンブリの表面に皮膜を形成するステップと、
    軸受アセンブリの表面の皮膜の１以上の特性を皮膜モニターによって監視するステップと、
    皮膜モニターから第１の信号を皮膜解析器に伝送するステップと、
    皮膜モニターからの第１の信号を皮膜解析器よって解析するステップと、
    皮膜解析器から第２の信号をコーティング制御デバイスに送信するステップと、
    第２の信号に応答してコーティング制御デバイスによってコールドスプレーノズルを構成するステップと
    を含む方法。
20. 前記コールドスプレーノズルの操作が、回転速度、粉末バビット材料の分布、推進させる粉末バビット材料の量、及び粉末バビット材料のスプレーパターンを含む、請求項１９記載のコールドスプレー式塗工法。