JP2016005867A - 複合構造のインモールドメタライゼーション - Google Patents

Abstract

【課題】複合材料に侵食の影響、落雷の影響及び他の影響から複合構造を保護することのできる、金属コーティングを施すにあたり、低コストで、かつ、複雑形状にも対応できるシステムおよび方法の提供。【解決手段】複合物品１５０に表面コーティング２５６を形成する方法であって、ツール３００のツール表面３０２との引離し可能な結合２２６を有する表面コーティング２５６を形成する様に、ツール表面３０２に熱溶射物を塗布し、更に、表面コーティング２５６の上に複合材料１５６を塗布し、複合材料１５６を硬化させ、ツール表面３０２から表面コーティング２５６と硬化複合物品１５０と共に保持する様に、ツール３００から硬化複合物品１５０を取り外す複合構造の物品１５０に表面コーティング２５６を形成する方法。【選択図】図６

Description

本開示は、一般に、金属コーティングに関し、より詳細には、複合物品に表面コーティングを塗布するためのシステムおよび方法に関する。

複合構造は、広範な用途で使用されている。航空機構造では、航空機の胴体、翼、および他のコンポーネントを形成するために、複合材がますます多く使用されている。航空機の動作寿命中、翼は、様々な環境的影響にさらされる。例えば、航空機が高速で前方に移動している飛行中、翼の前縁は、雨および他の形態の水分の衝突を受けることがある。さらに、翼を含む航空機は、落雷にさらされることがある。

雨の衝突から複合材の前縁を保護するための従来の方法は、前縁の上に保護金属ストリップを固定することを含む。残念ながら、複合材翼への金属ストリップの取付けは、時間と労力がかかり、大量の機械的固定具を必要とするプロセスである。大量の固定具は、航空機の全体の重量を増すことがある。さらに、設置中に金属ストリップの位置を維持するために、特殊化されたツーリングが必要とされることがある。さらに、前縁の外側モールドライン（ＯＭＬ）にわたって設置される固定具は、ＯＭＬ表面の上を通る気流を破壊することがある。気流の破壊により、翼の上の気流が乱流になり、航空力学的空気抵抗の増加、およびそれに対応する航空機燃料効率の減少をもたらすことがある。

さらに、金属シートなどの金属材料は、一般に、比較的低コストのツーリングを使用して金属シートを湾曲させることによって、単一湾曲形状に形成可能である。しかし、翼の前縁は、前縁の長さに沿った複合湾曲を有する１つまたは複数の領域を有することがある。翼前縁の複合湾曲に合致する金属侵食ストリップを形成するプロセスは、複雑な金属加工機器を必要とすることがあり、これは、翼アセンブリの全体的なコストおよび複雑性を増すことがある。

落雷からの保護に関して、複合材料は、一般に低い導電率を有し、落雷からの電気的エネルギーを消散させることができる能力が限られている。複合構造の表面に取り付けられた金属シートは、電気エネルギーを消散することによって、落雷時にいくらかの保護を提供することがある。残念ながら、落雷保護のための複合材翼の表面上への金属シートの取付けは、侵食防止のための翼前縁上への金属ストリップの取付けに関連付けられるのと同じ欠点を含むことがある。

理解できるように、複合物品に別個の金属シートを機械的に固定する必要なく複合材表面の上に金属層を提供する方法が当技術分野で必要である。さらに、複雑な金属加工機器の必要をなくす、複合湾曲表面上に金属層を提供する方法に関する当技術分野での必要性が存在する。さらに、侵食の影響、落雷の影響、および他の影響から複合構造を保護することができる金属層を提供する方法に関する当技術分野での必要性が存在する。

複合材表面の上に金属層を提供するための当技術分野の方法に関連付けられる上述した必要性は、複合物品の上に表面コーティングを形成する方法を提供する本開示によって特に対処および緩和される。この方法は、ツールのツール表面との引離し可能な結合を有する表面コーティングを形成するように、ツール表面に熱溶射物を塗布することを含むことがある。この方法は、さらに、表面コーティングの上に複合材料を塗布すること、硬化複合物品を形成するために複合材料を硬化させること、およびツール表面から表面コーティングを離し、表面コーティングを硬化複合物品と共に保持するように、ツールから硬化複合物品を取り外すことを含むことがある。

さらなる実施形態では、複合物品のインモールドメタライゼーションの方法が開示される。この方法は、ツールのツール表面との引離し可能な結合を有するツール側コーティングを形成するように、ツール表面に第１の熱溶射物を塗布することを含むことがある。また、この方法は、ツール側コーティング部分に永久的に結合される部品側コーティング部分を形成するために、ツール側コーティング部分に第２の熱溶射物を塗布するステップも含むことがある。さらに、この方法は、部品側コーティング部分の上に複合材料を塗布すること、複合材料を真空引きすること、樹脂が部品側コーティング部分に含浸するように複合材料中の樹脂の粘性を減少させること、所定の温度および所定の圧力で複合材料を硬化させて、部品側コーティング部分に永久的に結合される硬化複合物品を生成することを含むことがある。この方法は、さらに、硬化複合物品を真空解除すること、およびツール側コーティング部分がツール表面から離れ、硬化複合物品に部品側コーティング部分と共に保持されるように、ツールから硬化複合物品を取り外すことを含むことがある。

さらに、本開示は、以下の条項による実施形態を含む。

条項１
複合物品上に表面コーティングを形成する方法であって、
ツールのツール表面との引離し可能な結合を有する表面コーティングを形成するように、ツール表面に熱溶射物を塗布するステップと、
表面コーティングの上に複合材料を塗布するステップと、
複合材料を硬化させて、硬化複合物品を形成するステップと、
ツール表面から表面コーティングを離し、表面コーティングを硬化複合物品と共に保持するように、ツールから硬化複合物品を取り外すステップと
を含む方法。

条項２
熱溶射物を塗布するステップが、
ツール−コーティング接着強度と実質的に同じ大きさの正味の残留応力を有する表面コーティングを形成すること
を含む条項１に記載の方法。

条項３
熱溶射物を塗布するステップが、
表面コーティングのツール側コーティング部分を形成するために第１の熱溶射物を塗布することであって、ツール側コーティング部分が、ツール表面との引離し可能な結合を有すること、および
表面コーティングの部品側コーティング部分を形成するために第２の熱溶射物を塗布することであって、複合材料が、部品側コーティング部分の上に塗布されること
を含む条項１に記載の方法。

条項４
熱溶射物を塗布するステップが、
高速酸素燃料デバイスを使用して第１の熱溶射物を塗布すること
を含む条項３に記載の方法。

条項５
熱溶射物を塗布するステップが、
プラズマ溶射デバイス、高速酸素燃料デバイス、およびツインワイヤアークデバイスの少なくとも１つを使用して第２の熱溶射物を塗布すること
を含む条項３に記載の方法。

条項６
表面コーティングが、ツール側コーティング部分と部品側コーティング部分の残留応力の合成である正味の残留応力を有し、第１の熱溶射物および第２の熱溶射物を塗布するステップが、
正味の残留応力をツール−コーティング接着強度と実質的に等しくする量だけ、ツール側コーティング部分内の残留応力が部品側コーティング部分内の残留応力と打ち消し合うように、少なくとも１つのプロセスパラメータを調節すること
を含む条項３に記載の方法。

条項７
少なくとも１つのプロセスパラメータを調節するステップが、
基板上にコーティングを溶射すること、
基板へのコーティングの溶射に応答して、基板の湾曲の変化を測定すること、
基板上への堆積後、コーティング内の堆積応力を決定すること、
コーティング熱膨張率（ＣＴＥ）と基板ＣＴＥとの差に基づいて、コーティングの冷却中のコーティング内の熱応力を決定すること、
堆積応力および熱応力に基づいて、コーティング内の残留応力を計算すること、および
正味の残留応力がツール−コーティング接着強度と実質的に等しくなるまで、繰り返し、少なくとも１つのプロセスパラメータを調節し、残留応力を計算すること
を行うことによって、
ツール側コーティング部分と部品側コーティング部分の少なくとも一方での残留応力を決定することを含む条項６に記載の方法。

条項８
少なくとも１つのプロセスパラメータを調節するステップが、
表面コーティングが、硬化複合物品でのレイアップ応力と実質的に均衡の取れた正味の残留応力を有し、正味の残留応力がツール−コーティング接着強度と実質的に等しい大きさになるまで、少なくとも１つのプロセスパラメータを調節すること
を含む条項６に記載の方法。

条項９
少なくとも１つのプロセスパラメータを調節するステップが、
溶射パラメータとツール特性
の少なくとも一方を調節することを含む条項６に記載の方法。

条項１０
溶射パラメータが、プルームパラメータと供給原料特性との少なくとも一方を備える条項９に記載の方法。

条項１１
ツール特性が、ツール材料、ツールＣＴＥ、ツール表面仕上げ、ツール厚さ、およびツール温度の少なくとも１つを含む条項９に記載の方法。

条項１２
熱溶射物を塗布するステップが、
表面コーティングが複合材料のレイアップ中にツール表面に接着されたままであり、ツールからの硬化複合物品の取外し中にツール表面から離れるように、ツール表面への接着を促進するコーティング温度で表面コーティングを堆積すること
を含む条項１に記載の方法。

条項１３
熱溶射物を塗布するステップが、
表面コーティングのツール側コーティング部分の表面テクスチャよりも粗い表面テクスチャを有する部品側コーティング部分を有する表面コーティングを形成すること
を含む条項１に記載の方法。

条項１４
熱溶射物を塗布するステップが、
表面コーティングの部品側コーティング部分の孔隙率よりも低い孔隙率を有するツール側コーティング部分を有する表面コーティングを形成することを含む条項１に記載の方法。

条項１５
熱溶射物を塗布するステップが、
表面コーティングの部品側コーティング部分の密度よりも大きい密度を有するツール側コーティング部分を有する表面コーティングを形成すること
を含む条項１に記載の方法。

条項１６
熱溶射物を塗布するステップが、
ツール側コーティング部分および部品側コーティング部分を有する表面コーティングを形成することを含み、
ツール側コーティング部分と部品側コーティング部分の少なくとも一方が、約０．０００５〜０．１０インチの間の厚さを有する
条項１に記載の方法。

条項１７
表面コーティングが、金属表面コーティングを備える条項１に記載の方法。

条項１８
表面コーティングが、セラミック表面コーティングを備える条項１に記載の方法。

条項１９
熱溶射物を塗布するステップが、
セラミック表面コーティングを形成するために、プラズマ溶射デバイスを使用して、熱溶射物を塗布すること
を含む条項１４に記載の方法。

条項２０
条項１に記載の方法によって形成された複合構造。

条項２１
複合物品のインモールドメタライゼーションの方法であって、
ツールのツール表面との引離し可能な結合を有するツール側コーティングを形成するように、ツール表面に第１の熱溶射物を塗布するステップと、
ツール側コーティング部分に永久的に結合される部品側コーティング部分を形成するために、ツール側コーティング部分に第２の熱溶射物を塗布するステップと、
部品側コーティング部分の上に複合材料を塗布するステップと、
複合材料を真空引きするステップと、
複合材料中の樹脂が部品側コーティング部分に含浸するように樹脂の粘性を減少させるステップと、
所定の温度および所定の圧力で複合材料を硬化させて、部品側コーティング部分に永久的に結合される硬化複合物品を生成するステップと、
硬化複合物品を真空解除するステップと、
ツール側コーティング部分がツール表面から離れ、硬化複合物品に部品側コーティング部分と共に保持されるように、ツールから硬化複合物品を取り外すステップと
を含む方法。

論じる特徴、機能、および利点は、本開示の様々な実施形態において個別に実現することができ、またはさらなる他の実施形態において組み合わせることができ、それらのさらなる詳細は、以下の説明および以下の図面を参照すれば分かる。

本開示のこれらおよび他の特徴は、図面を参照すれば明らかになろう。図面中、同様の参照番号は、全体を通じて同様の部分を表す。

航空機の斜視図である。 図１の線２に沿って取られた複合材翼の一部分の断面図であって、複合材翼スキンの前縁の上に塗布された金属表面コーティングを示す図である。 複合物品のインモールドメタライゼーションのためのインサイチュプロセス中に表面コーティングが上に塗布されることがあるツール表面を有するツールの概略側面図である。 複合物品上に表面コーティングを形成するためのインモールドメタライゼーションプロセス中の、ツール表面の上にツール側コーティング部分を形成するための第１の熱溶射物の塗布を示すツールの概略側面図である。 複合物品上に表面コーティングを形成するためのインモールドメタライゼーションプロセス中の、ツール側コーティング部分の上に部品側コーティング部分を形成するための第２の熱溶射物の塗布を示すツールの概略側面図である。 複合物品上に表面コーティングを形成するためのインモールドメタライゼーションプロセス中の、部品側コーティング部分の上への複合材料の塗布の概略側面図である。 ツール表面に引離し可能に接着された高密度の滑らかなツール側コーティング部分と、複合物品のエポキシ樹脂層と結合するための比較的粗い表面テクスチャを有する有孔の部品側コーティング部分とを備える表面コーティングの断面図である。 ツール側コーティング部分がツール表面から離れ、硬化複合物品に部品側コーティング部分と共に保持されるような、ツールからの硬化複合物品の取外しの概略側面図である。 予熱段階中の湾曲測定器具の概略上面図であって、湾曲測定器具が、コーティング内の残留応力を計算する際に使用することができるプロセスパラメータを測定するためにコーティングを上に塗布することができる基板を含む図である。 基板の上にコーティングの初期層を塗布するための熱溶射デバイスによる初期接着パス中の湾曲測定器具の概略上面図である。 コーティングの後続の層の塗布中の、コーティング内の進展する残留応力を示す湾曲測定器具の概略上面図である。 基板およびコーティングが室温まで冷却される冷却段階を示す湾曲測定器具の概略上面図である。 予熱段階中の基板の湾曲とコーティング温度とをプロットするグラフである。 初期接着パス中の基板の湾曲とコーティング温度とをプロットするグラフである。 残留応力進展段階中の基板の湾曲とコーティング温度とをプロットするグラフである。 冷却段階中の時間にわたる基板の湾曲とコーティング温度とをプロットするグラフである。 管部分を形成するための方法に含まれることがある１つまたは複数の操作を有する流れ図である。 航空機の保守および製造方法の流れ図である。 航空機のブロック図である。

次に、図面を参照する。図示は、本開示の様々な実施形態を例示する目的のためのものである。図１に、航空機１００の機首１０４から尾部１０６に延びる胴体１０２を有する航空機１００が示されている。尾部１０６は、水平スタビライザ１０８、垂直スタビライザ１１０、および航空機１００の方向制御のための１つまたは複数の可動制御表面など、１つまたは複数の尾翼表面を含むことがある。さらに、航空機１００は１対の翼１１４を含むことがあり、各翼１１４が、前縁１１８と後縁を有し、任意選択で翼端デバイス１１６を含む。さらに、航空機１００は、翼１１４に取り付けることができる１つまたは複数の推進ユニット１１２を含むことがある。

図２を参照すると、航空機１００は、複合材料１５６から形成されることがある翼１１４など、１つまたは複数の複合構造１５２を含むことがある。例えば、各翼１１４は、複合材スキンパネルから構成されることがあり、スパーおよび／またはリブなど内部補剛材を含むことがあり、内部補剛材も複合材料１５６から形成されることがあり、翼１１４の強度および剛性を増加し、翼１１４の航空力学的形状を保つことができる。有利には、航空機１００の１つまたは複数の複合構造１５２は、表面コーティング２５６を設けられることがあり、表面コーティング２５６は、例えば、図２に示されるように、翼１１４の前縁１１８、または翼端デバイス１１６に塗布することができる表面コーティング２５６である。

図３〜図８に示され、以下に述べるように、表面コーティング２５６は、本明細書で開示するインモールドコーティングプロセスまたは方法を使用して複合構造１５２の上に形成することができ、ここで、表面コーティング２５６は、複合構造１５２を硬化させるために構成することができるツール３００のツール表面３０２の少なくとも一部分の上に熱溶射物として塗布することができる。ツール表面３０２上にコーティングを熱溶射した後、複合材料１５６をレイアップするための通常のプロセスの一部として、表面コーティング２５６の上に複合材料１５６を塗布することができる。複合材料１５６を硬化させて、硬化複合物品１５０を形成することができる。

有利には、表面コーティング２５６は、硬化複合物品１５０がツール３００から取り外されるときに、ツール表面３０２から離れ、硬化複合物品１５０と共に保持されるようにツール３００に塗布される。ツール表面３０２からの表面コーティング２５６の引離しは、表面コーティング２５６とツール表面３０２との間のツール−コーティング接着強度２２４と実質的に等しい大きさの正味の残留応力２５０を有する表面コーティング２５６を形成することによって実現される。このようにして、以下にさらに詳細に説明するように、表面コーティング２５６は、複合材料１５６の塗布（例えば、レイアップ）中には、ツール表面３０２に接着されたままにすることができ、硬化複合物品１５０がツール３００から取り外されるときには、ツール表面３０２から離れ、硬化複合物品１５０と共に保持することができる。

インモールドコーティングプロセスは、様々な材料の表面コーティング２５６を複合構造１５２上に塗布するために実施することができる。例えば、インモールドコーティングプロセスは、金属表面コーティング２５６を複合構造１５２に塗布するために実施することができる。さらに、本明細書に開示するインモールドコーティングプロセスは、セラミック表面コーティング２５６を複合物品１５０に塗布するため、または様々な代替のコーティング材料を塗布するために実施することができる。さらに、インモールドコーティングプロセスは、限定はせずに任意のタイプの構造１５２に表面コーティング２５６を塗布するために実施することができ、航空機構造に限定されない。

表面コーティング２５６を形成する方法５００を説明する図１１の流れ図をさらに参照しながら図３を参照すると、図３に、複合物品１５０を硬化させるために構成することができるツール３００の概略側面図が示されている。図３に示されるツール３００は、硬化複合物品１５０を形成するために、複合レイアップなど複合材料１５６を硬化および／または固化するために使用することができる様々な異なるサイズ、形状、輪郭、および構成のツールの任意の１つを表すものである。ツール３００は、複合材料１５６の硬化および／または固化に適合性のある材料から形成することができる。例えば、ツール３００は、インバーや鋼など鉄ベースの材料から形成することができ、またはツール３００は、アルミニウム、もしくは複合材料１５６の硬化に熱的に適合性のある任意の他の材料から形成することができる。

ツール３００は、上に表面コーティング２５６を塗布することができるツール表面３０２を含むことがある。ツール３００は、ツール厚さ３０４を有することがあり、ツール厚さ３０４は、複合材料１５６の固化中に、ツール表面３０２に接した複合材料１５６の上に印加することができる圧密圧力の大きさによって一部定めることができる。しかし、本明細書で開示する表面コーティング２５６を形成する方法は、硬化または固化ツール３００のツール表面３０２に限定されないことに留意すべきである。これに関して、本明細書で開示するツール表面３０２は、上にコーティングを塗布することができ、次いでそのコーティングの上に複合材料１５６を塗布することができる任意の表面を限定せずに包含する。方法５００（図１１）のステップ５０２は、汚染物質、例えば、汚れ、デブリ、流体、水分、凝縮物、油、およびインモールドコーティングプロセスに悪影響を及ぼすことがある任意の他の表面を除去するために、ツール表面３０２または他の表面を洗浄することを含むことがある。

図４を参照すると、方法５００（図１１）のステップ５０４は、ツール表面３０２上に表面コーティング２５６を形成するために、ツール表面３０２に熱溶射物を塗布することを含むことがある。熱溶射物は、表面コーティング２５６がツール表面３０２と引離し可能な結合２２６を形成するように塗布することができる。以下にさらに詳細に述べるように、熱溶射物をツール表面３０２に塗布した後、複合物品を形成するための通常のレイアッププロセスの一部として、表面コーティング２５６の上に複合材料１５６を塗布することができる。次いで、ツール３００上で複合材料１５６を硬化させて、硬化複合物品１５０を形成することができる。表面コーティング２５６とツール表面３０２との間の引離し可能な結合２２６により、硬化複合物品１５０をツール３００から取り外すことができ、その際、表面コーティング２５６は、ツール表面３０２から離れ、硬化複合物品１５０と共に保持される。以下に述べるように熱溶射物を塗布するプロセスにより、表面コーティング２５６は、ツール−コーティング接着強度２２４と実質的に同じ大きさの正味の残留応力２５０を有して形成され、これは、硬化複合物品１５０がツール３００から取り外されるときに、ツール表面３０２からの表面コーティング２５６の引離しを可能にする。

一実施形態では、熱溶射物は、ツール表面３０２上に表面コーティング２５６を形成するために単一のコーティングとして塗布することができる。表面コーティング２５６は、ツール側コーティング部分２１２と、部品側コーティング部分２３８とを含むことがある。ツール側コーティング部分２１２は、ツール表面３０２と引離し可能な結合２２６を形成するように塗布することができる。部品側コーティング部分２３８は、ツール側コーティング部分２１２の上に塗布することができる。一実施形態では、熱溶射物は、ツール側コーティング部分２１２が比較的滑らかな表面テクスチャ２１８を有し、部品側コーティング部分２３８が、ツール側コーティング部分２１２よりも粗い表面テクスチャ２４４を有するように塗布することができる。以下に述べるように、粗い表面テクスチャ２４４は、複合材料１５６からの樹脂１６２が部品側コーティング部分２３８の粗い表面テクスチャに含浸することにより、複合材料１５６と部品側コーティング部分２３８との結合を促進することができる。

一実施形態では、熱溶射物は、第１の熱溶射物２０６および第２の熱溶射物２３６として塗布することもできる。第１の熱溶射物２０６は、ツール表面３０２上にツール側コーティング部分２１２を形成するためにツール表面３０２に塗布することができる。ツール側コーティング部分２１２は、図４に示されるように熱溶射デバイス２００を使用して塗布することができる。一実施形態では、熱溶射デバイス２００は、高速酸素燃料２０２を含むデバイスとして構成することができる。高速酸素燃料２０２を含むデバイスは、比較的低い溶射温度２１０および／または比較的高速の溶射粒子２０８のプルームパラメータで、溶射粒子２０８のプルームを放出することができる。例えば、熱溶射デバイス２００のプルームパラメータは、第１の熱溶射物２０６が約６００〜１４００℃の間の温度で約３００〜７００メートル／秒（ｍ／ｓ）の間の粒子速度で塗布されるようなものでよいが、第１の熱溶射物２０６を上記の範囲外の温度および速度で溶射することもできる。

以下に述べるように、第１の熱溶射物２０６を比較的高速で塗布することによって、部品側コーティング部分２３８は、ツール側コーティング部分２１２に比べて滑らかな表面テクスチャ２１８を有することができる。さらに、部品側コーティング部分２３８は、ツール側コーティング部分２１２よりも低い孔隙率２２０を有することができ、これは、表面コーティング２５６の強度および耐久性を高めることができる。さらに、この方法は、部品側コーティング部分２３８の密度２４８よりも大きい密度２２２でツール側コーティング部分２１２を形成することを含むことがある。これに関して、第１の熱溶射物２０６のプルームは、第２の熱溶射物２３６での溶射粒子２０８の密度２４８よりも大きい密度２２２を有することがある金属粒子などの溶射粒子２０８を含むことがある。より高い密度２２２は、ツール側コーティング部分２１２に、部品側コーティング部分２３８よりも高い密度、耐久性、および機械的衝撃に対する耐性を与えることができる。

部品側コーティング部分２３８に比べてツール側コーティング部分２１２の低い表面粗さ２１８、低い孔隙率２２０、および高い密度２２２は、侵食など機械的な影響に対するツール側コーティング部分２１２の耐性を高めることができる。さらに、部品側コーティング部分２３８に比べてツール側コーティング部分２１２の低い孔隙率２２０、および高い密度２２２は、例えば、表面コーティング２５６が塗布されることがある複合構造に対する落雷などからの電気エネルギーを消散することができる表面コーティング２５６の能力を改良することができる。これに関して、表面コーティング２５６は、落雷などからの電気エネルギーを消散するために、航空機構造の複合材表面、例えば胴体（図示せず）または翼（図示せず）の１つまたは複数の表面に塗布することができる。

図４において、一実施形態で、ツール側コーティング部分２１２は、比較的小さい厚さ２１４で形成することができる。例えば、ツール側コーティング部分２１２は、約０．０００５〜０．１０インチの間の厚さ２１４で形成することができる。一実施形態では、ツール側コーティング部分２１２は、約０．００３〜０．０５０インチの間の厚さ２１４で形成することができる。しかし、ツール側コーティング部分２１２は、０．０００５〜０．１０インチの範囲外の厚さで形成することもできる。部品側コーティング部分２３８のより低い密度２４８に対するツール側コーティング部分２１２のより高い密度２２２を考慮して、表面コーティング２５６の全体の重量を最小にするために、好ましくは、ツール側コーティング部分２１２の厚さ２１４は最小にされる。部品側コーティング部分２３８に比べて滑らかなツール側コーティング部分２１２の表面テクスチャ２１８は、表面コーティング２５６の外面の航空力学的特性を向上させることができ、航空力学的表面に塗布されたときに、表面コーティング２５６の上の気流の破壊を最小限にすることができる。

上述したように、第１の熱溶射物２０６を塗布するための熱溶射デバイス２００は、高速酸素燃料デバイス２０２に限定されない。これに関して、熱溶射デバイス２００は、様々な代替の溶射デバイス構成の任意の１つで提供することができ、そのような溶射デバイス構成は、限定はしないが、以下に述べるように第２の熱溶射物２３６を塗布するために実施することができるタイプのツインワイヤアークデバイス２０４などワイヤアークデバイスを含む。また、第１の熱溶射物２０６は、プラズマ溶射デバイス（図示せず）または他の熱溶射デバイスを使用して塗布することもでき、高速酸素燃料２０２を含むデバイスを使用した塗布に限定されない。

図４で、ツール表面３０２とツール側コーティング部分２１２とが、ツール−コーティング界面２２８を画定することができる。第１の熱溶射物２０６は、溶射粒子２０８を含むことがあり、溶射粒子２０８は、ある材料から形成され、ツール−コーティング界面２２８でのツール−コーティング接着強度２２４をもたらす温度および速度でツール表面３０２に塗布される。ツール−コーティング接着強度２２４は、ツール側コーティング部分２１２が、複合材料１５６のレイアップ中にツール表面３０２に接着されたままであり、ツール３００からの硬化複合物品１５０の取外し中にツール表面３０２から離れ、複合物品１５０に損傷を加えない（例えば、層間剥離、剥離、繊維損傷などを生じない）ようなものでよい。一実施形態では、以下に論じるように、ツール−コーティング界面２２８でのツール−コーティング接着強度２２４は、部品−コーティング界面２３２での結合強度未満でよい。さらに、ツール−コーティング界面２２８でのツール−コーティング接着強度２２４は、複合材プライ１５４の層間剥離を回避するために、複合材料１５６（図８）の複合材プライ１５４（図８）間の結合強度（例えば層間結合強度）未満でよい。

図５を参照すると、方法５００（図１１）のステップ５０６は、部品側コーティング部分２３８を形成するために、第２の熱溶射物２３６をツール側コーティング部分２１２に塗布することを含むことがある。上述したように、表面コーティング２５６は、ツール表面３０２上に単一のコーティングを熱溶射することによって形成して、以下に述べるように、ツール側コーティング部分２１２が比較的滑らかな表面テクスチャ２１８を有し、部品側コーティング部分２３８が複合材料１５６に接着するためにより粗い表面テクスチャ２４４を有するようにすることもできる。しかし、表面コーティング２５６は、第１の熱溶射物２０６の上に第２の熱溶射物２３６を塗布することによって形成することもできる。これに関して、ツール表面３０２に第１の熱溶射物２０６を塗布した後に、ツール側コーティング部分２１２に表面コーティング２５６を塗布することができる。この方法は、複合材料１５６の樹脂１６２への接着を促進するために、ツール側コーティング部分２１２の表面テクスチャ２１８よりも粗い表面テクスチャ２４４を有する部品側コーティング部分２３８を形成することを含むことがある。また、部品側コーティング部分２３８の重量を減少させるために、部品側コーティング部分２３８は、ツール側コーティング部分２１２の孔隙率２２０よりも大きいことがある孔隙率２４６で塗布することもできる。

第２の熱溶射物２３６は、部品側コーティング部分２３８がツール側コーティング部分２１２に永久的に結合されるように塗布することができる。第２の熱溶射物２３６は、ツインワイヤアーク２０４型のデバイスなど熱溶射デバイス２００を使用して塗布することができる。熱溶射デバイス２００は、熱溶射デバイスによって放出される溶射粒子２０８のプルームの温度、速度、および他のパラメータに影響を及ぼすプルームパラメータを有することがある。例えば、そのようなプルームパラメータは、熱溶射デバイス２００から溶射粒子２０８を放出するための燃料、酸化剤、および粉末キャリアガスのタイプを含むことがある。プルームパラメータは、比較的高い溶射温度２１０で、比較的低速で第２の熱溶射物２３６を塗布することを可能にすることができる。例えば、熱溶射デバイス２００は、約１０００〜３５００℃の間の温度で、約５０〜６００ｍ／ｓの間の粒子速度で第２の熱溶射物２３６を溶射することを可能にするプルームパラメータを有することがあるが、第２の熱溶射物２３６を上述した範囲外の温度および速度で溶射することもできる。また、第２の熱溶射物２３６は、プラズマデバイス（図示せず）および／または高速酸素燃料２０２を含むデバイスを使用して塗布することもでき、ワイヤアークデバイス２０４に限定されない。

有利には、第２の熱溶射物２３６の比較的高い溶射温度２１０および比較的低速により、部品側コーティング部分２３８は、ツール側コーティング部分２１２よりも低い密度２４８、高い孔隙率２４６、および粗い表面テクスチャ２４４を有することができる。これに関して、部品側コーティング部分２３８は、ツール側コーティング部分２１２の表面テクスチャ２１８よりも粗い表面テクスチャ２４４を有する露出面を有することがある。部品側コーティング部分２３８のより高い孔隙率２４６は、部品側コーティング部分２３８の全体の重量を減少させることができる。さらに、以下に述べるように、部品側コーティング部分２３８のより高い孔隙率２４６は、部品側コーティング部分２３８と複合材料１５６との結合を容易にすることができる。さらに、ツール側コーティング部分２１２がさらされる環境的影響（例えば侵食）に部品側コーティング部分２３８がさらされないことを考慮して、部品側コーティング部分２３８は、有利には、ツール側コーティング部分２１２よりも低い密度２４８で形成することができる。部品側コーティング部分２３８のより低い密度２４８は、表面コーティング２５６の全体の重量を最小にすることができる。

図５において、一実施形態で、部品側コーティング部分２３８は、ツール側コーティング部分２１２と同じ範囲内の厚さ２４０で形成することができる。例えば、部品側コーティング部分２３８は、約０．０００５〜０．１０インチの間の厚さ２４０、例えば約０．００３〜０．０１５インチの間の厚さで形成することができる。しかし、ツール側コーティング部分２１２に関して上述したのと同様に、部品側コーティング部分２３８を０．０００５〜０．１０インチの範囲外の厚さ２４０で形成することもできる。上述したように部品側コーティング部分２３８がツール側コーティング部分２１２よりも高い孔隙率２４６および低い密度２４８を有することがあるので、部品側コーティング部分２３８は、ツール側コーティング部分２１２よりも厚いことがある。ツール側コーティング部分２１２と部品側コーティング部分２３８との組合せが、表面コーティング厚さ２５４を画定する。これに関して、表面コーティング２５６は、約０．２５インチ（またはそれよりも大きい値）までの任意の範囲の厚さで提供することができる。表面コーティング厚さ２５４は、約０．０００５インチ以内に制御することができ、これは、有利には、例えば落雷保護のために、図２に示されるような翼スキンの前縁１１８の上、または翼表面（図示せず）の上などでコーティング厚さを先細りさせることを可能にすることがある。

図５で、部品側コーティング部分２３８とツール側コーティング部分２１２は、ツール−コーティング界面２２８でのツール−コーティング接着強度２２４よりも大きく、かつ部品−コーティング界面２３２での接着強度よりも大きい接着強度を有するコーティング−コーティング界面２３０を画定することができる。これに関して、部品側コーティング部分２３８は、ツール側コーティング部分２１２と引離し可能でない結合２３４を形成することがある。部品側コーティング部分２３８とツール側コーティング部分２１２は、実質的に同様の材料から形成することができる。しかし、部品側コーティング部分２３８とツール側コーティング部分２１２は、互いに補完し合う異なる材料から形成することもできる。図５で、ツール側コーティング部分２１２と部品側コーティング部分２３８が合わさって表面コーティング２５６を形成する。

図６を参照すると、方法５００（図１１）のステップ５０８は、ツール側コーティング部分２１２に部品側コーティング部分２３８を塗布した後、部品側コーティング部分２３８の上に複合材料１５６を塗布することを含むことがある。部品側コーティング部分２３８の上への複合材料１５６の塗布は、繊維強化材料の複合材パイル１５４をレイアップすることを含むことがあり、そのような繊維強化材料は、例えば、熱硬化性エポキシ樹脂マトリックスまたは熱可塑性マトリックスなどのマトリックス材料（すなわちプレプレグ）または樹脂材料１６２を予め含浸されることがある布地である。繊維強化材１６０は、限定はしないが、織布、一方向性テープ、チョップドファイバ、および他の構成を含めた様々な異なる構成の任意の１つで提供することができる。マトリックスは、上述したように、熱硬化性マトリックスまたは熱可塑性マトリックスを含むことがある。

複合材料１５６は、プレプレグ複合材料１５６の使用に限定されず、乾燥繊維強化材料に樹脂１６２を塗布するための湿式レイアッププロセスを含むこともある。例えば、部品側コーティング部分２３８の上への複合材料１５６の塗布は、部品側コーティング部分２３８の上への乾燥繊維強化材料の塗布、およびそれに続く、様々な樹脂含浸プロセスの任意の１つを使用した乾燥繊維プリフォームへのマトリックスまたは樹脂材料の導入を含むことがあり、そのような樹脂含浸プロセスは、限定はしないが、樹脂フィルム含浸（ＲＦＩ）、樹脂注入成形（ＲＴＭ）、および他の湿式レイアッププロセスを含む。

図６で、複合材料１５６と部品側コーティング部分２３８は、部品−コーティング界面２３２を画定することができ、以下に述べるように、複合材料１５６の硬化中に、複合材料１５６と部品側コーティング部分２３８を永久的に結合させることができる。複合材料１５６の硬化は、複合材料１５６を真空引きすること（図示せず）を含む方法５００（図１１）のステップ５１０を含むことがある。真空引き操作中、解放層、ブリーザ層、他の消耗材料、および真空バッグ（図示せず）を複合材料１５６の上に塗布して、複合材料１５６をツール表面３０２に封止することができる。ツール表面３０２に接した複合材料１５６に対する圧密圧力（図示せず）の印加を可能にするように、真空バッグで真空が引かれることがある。

図６で、方法５００（図１１）のステップ５１２は、樹脂１６２が部品側コーティング部分２３８に含浸するように樹脂１６２の粘性を減少させることを含むことがある。例えば、複合材料１５６の樹脂１６２の粘性は、様々な手段の任意の１つによって樹脂１６２の温度を上昇させることによって減少させることができる。例えば、ツール３００は、樹脂１６２の温度を上昇させて樹脂１６２の粘性を減少させるために、オートクレーブまたは対流式オーブン内に置くことができる。あるいは、樹脂１６２は、放射加熱を使用して選択的に加熱することができる。熱可塑性樹脂１６２に関して、樹脂１６２の温度をガラス転移温度よりも高く上昇させることによって、粘性を減少させることができる。樹脂１６２の粘性を減少させることによって、樹脂１６２は流れて、部品側コーティング部分２３８に含浸する、および／または混ぜ合わさることがある。

図６で、方法５００（図１１）のステップ５１４は、複合材料１５６を硬化させて、硬化複合物品１５０を生成することを含むことがある。複合材料１５６の硬化は、部品−コーティング界面２３２での部品側コーティング部分２３８と硬化複合物品１５０の樹脂１６２との間の非引離し可能な結合２３４または永久結合をもたらすことがある。複合物品１５０の硬化は、複合材料１５６の固化を可能にするように、所定の期間にわたって所定の温度および所定の圧力で複合材料１５６を維持することによって行うことができる。次いで、温度を例えば室温まで低下させて、硬化複合物品１５０を生成することができる。樹脂１６２は、部品−コーティング界面２３２で固まる、または凝固することがあり、部品側コーティング部分２３８との永久結合をもたらす。図６で、方法５００（図１１）のステップ５１６は、真空バッグ（図示せず）、および／または消耗材料（図示せず）、例えば任意の解放層および／またはブリーザ層を除去することによって、硬化複合物品１５０を真空解除することを含むことがある。

図７を参照すると、ツール表面３０２と硬化複合物品１５０との間の表面コーティング２５６の断面が示されている。複合物品１５０は、樹脂材料１６２によって取り囲まれた炭素繊維強化材１６０から構成されるものとして図示されている。部品−コーティング界面２３２で、樹脂１６２の層は、部品側コーティング部分２３８に係合されるものとして図示されている。見ることができるように、部品側コーティング部分２３８は、ツインワイヤアーク２０４型の熱溶射デバイス２００によって放出される溶射粒子２０８が比較的高温および低速であることにより、高い孔隙率２４６の組成と、比較的粗い表面テクスチャ２４４とを有する。部品側コーティング部分２３８の比較的粗い表面テクスチャ２４４は、複合材料１５６の樹脂１６２と部品側コーティング部分２３８との含浸および結合を容易にすることができる。比較的高い孔隙率２４６は、表面コーティング２５６の全体の重量を減少させることができ、また、樹脂１６２と部品側コーティング部分２３８との結合を容易にすることもできる。

図７に、ツール側コーティング部分２１２が図示されており、上述したように、高速酸素燃料２０２を含む熱溶射デバイス２００によって放出される溶射粒子２０８の高い速度および比較的低い温度により、比較的高密度の組成および比較的滑らかな表面テクスチャ２１８を有する。ツール側コーティング部分２１２の比較的滑らかであり、高密度であり、低い孔隙率の組成は、ツール側コーティング部分２１２とツール表面３０２との引離し可能な接着を容易にすることができる。部品側コーティング部分２３８とツール側コーティング部分２１２の厚さ２４０の合計が、表面コーティング２５６の全体的な厚さを構成する。

図６を参照して、方法５００（図１１）のステップ５１８は、ツール３００から硬化複合物品１５０を取り外すことを含むことがある。一実施形態では、硬化複合物品１５０は、硬化複合物品１５０に外力３１０を加えることによって、例えば、硬化複合物品１５０をツール表面３０２から引き離すための軸方向力を加えることによって、ツール３００から取り外すことができる。しかし、硬化複合物品１５０は、表面コーティング２５６の縁部（図示せず）に剥離力を印加することによって取り外すこともできる。また、硬化複合物品１５０は、硬化複合物品１５０をツール表面３０２から摺動させて外すための摺動力など、ツール表面３０２に概して平行な側方への力を印加することによって、ツール３００から取り外すこともできる。これに関して、硬化複合物品１５０の取外しは、ツール側コーティング部分２１２が硬化複合物品１５０の上の表面コーティング２５６と共に保持されるように、ツール側コーティング部分２１２をツーリング表面から離す任意の外力３１０によって容易にすることができる。

上述したように、表面コーティング２５６の上への複合材料１５６の塗布中にツール表面３０２に引離し可能に接着されたままである表面コーティング２５６の能力、および硬化複合物品１５０に印加される外力３１０の下でのツール表面３０２の引離し（例えば、隅部または縁部からの剥離）は、ツール−コーティング界面２２８での表面コーティング２５６とツール表面３０２との間のツール−コーティング接着強度２２４と実質的に等しい大きさの正味の残留応力２５０を有する表面コーティング２５６を形成することによって実現することができる。これに関して、表面コーティング２５６は、ツール側コーティング部分２１２内の残留応力２１６と、部品側コーティング部分２３８内の残留応力２４２との合成である正味の残留応力２５０を有することがある。

さらなる実施形態では、この方法は、硬化複合物品１５０内に生成されることがあるレイアップ応力１６４を考慮して表面コーティング２５６を形成することを含むことがある。例えば、複合材料１５６の樹脂１６２と繊維強化材１６０とが異なるＣＴＥを有することがあり、これにより、硬化温度から周囲温度または室温への冷却後、硬化複合物品１５０内に残留レイアップ応力１６４が生じることがある。第１の熱溶射物２０６および第２の熱溶射物２３６は、正味の残留応力２５０を有する表面コーティング２５６の形成をもたらすように塗布することができ、この正味の残留応力２５０は、実質的に、硬化複合物品１５０内のレイアップ応力１６４と均衡を取り、それにより、表面コーティング２５６での正味の残留応力２５０は、ツール−コーティング接着強度２２４と実質的に等しい大きさである。

図９Ａ〜９Ｄを参照すると、熱溶射によって基板４０２に塗布されるコーティング４２２内の残留応力を決定するためのシステムの一実施形態の概略図が示されている。このシステムは、単一の熱溶射物として塗布されるか、第１の熱溶射物２０６（図４）および第２の熱溶射物２３６（図５）として塗布されるかには関わらず、表面コーティング２５６（図５）内の正味の残留応力２５０など、コーティング４２２内の残留応力の大きさおよび方向（すなわち、圧縮、引張）に対する様々なプロセスパラメータの影響を査定するための手段を提供することができる。これに関して、このシステムは、単一の熱溶射物に取り入れることができる熱溶射プロセスパラメータ、または第１の熱溶射物２０６（図４）および／または第２の熱溶射物２３６（図５）に取り入れることができるプロセスパラメータを決定するための手段を提供することができ、硬化複合物品１５０（図８）上の表面コーティング２５６（図８）内の所望の残留応力（図８）を実現する。

そのようなプロセスパラメータは、限定はしないが、溶射パラメータおよびツール特性を含むことがある。溶射パラメータは、熱溶射デバイスに関連付けられるプルームパラメータを含むことがあり、熱溶射デバイスによって放出されるプルームに関連付けられる燃料、酸化剤、および粉末キャリアガスのタイプを含むことがある。また、溶射パラメータは、熱溶射デバイスによって放出されるプルームまたはジェット内に導入される供給原料の供給原料特性を含むこともある。そのような供給原料特性は、供給原料材料、材料ＣＴＥ、粉末サイズ分布、粉末形態、および、溶射粒子２０８のプルームの飛行中の溶射速度および／または溶射温度に影響を及ぼすことがある様々な他の供給原料特性を含むことがある。コーティング厚さ２５４は、コーティング内の残留応力の大きさおよび方向に影響を及ぼすことがあるパラメータとなることがある。上述したように、プロセスパラメータはまた、ツール材料、ツール熱膨張率（ＣＴＥ）３０８、ツール表面仕上げ、ツール厚さ３０４、ツール温度３０６、および、表面コーティング２５６（図８）内の残留応力（図８）に対する影響を有することがある他のツール特性など、いくつかのツール特性を含むこともある。

図６を参照すると、表面コーティング２５６は、表面コーティング２５６内に所望の大きさおよび所望の方向の残留応力２１６をもたらす所定の１組のプロセスパラメータを使用してツール３００に塗布することができる。単一の熱溶射物として塗布されるか、または第１の熱溶射物、第２の熱溶射物、および／または追加の熱溶射物の組合せとして塗布されるかに関わらず、表面コーティング２５６は、ツール側コーティング部分２１２内に所望の大きさおよび所望の方向の残留応力２１６が生成されるように所定の１組のプロセスパラメータを使用して塗布することができる。同様に、部品側コーティング部分２３８は、部品側コーティング部分２３８内での所望の大きさおよび方向の残留応力２４２を実現するための所定の１組のプロセスパラメータを使用してツール側コーティング部分２１２に塗布されることもある。表面コーティング２５６内の正味の残留応力２５０は、部品側コーティング部分２３８内の残留応力２４２と、ツール側コーティング部分２１２内の残留応力２１６との合成である。ツール側コーティング部分２１２および部品側コーティング部分２３８に関するプロセスパラメータは、正味の残留応力２５０を接着強度２２４と実質的に等しくする量だけ、ツール側コーティング部分２１２内の残留応力２１６の大きさおよび方向が部品側コーティング部分２３８内の残留応力２４２と打ち消し合う、または均衡を取るまで調節することができる。例えば、所与のツール構成（例えばツール形状）に関して、ツール３００からの硬化複合物品１５０の取外しを容易にするために、主に圧縮性である正味の残留応力２５０を有する表面コーティング２５６をツール表面３０２上に形成することが望ましいことがある。これに関して、熱溶射プロセスパラメータは、正味の残留応力２５０を主に圧縮性にする１組のパラメータが決定されるまで調節することができる。

図９Ａで、熱溶射プロセスパラメータを査定するためのシステムは、湾曲測定デバイス４００として示され、２００２年１１月１２日にＳａｍｐａｔｈ他に付与された米国特許第６，４７８，８７５号に開示されるプロセスを使用してコーティング４２２内の残留応力を決定するために実装することができる。湾曲測定デバイス４００は、１対の基板支持部４０６によって両端で取り付けられることがある基板４０２を含むことがある。基板４０２は、合わさって表面厚さを画定する基板前面４０８と基板裏面４１０とを有することがある。基板４０２は、概して細長い直線状の部材を備えることがあり、この部材は、一実施形態では、ツール３００が形成されることがある材料と同じ材料から形成することができる。基板４０２は、基板ＣＴＥ４０４を有することがある。コーティングプロセス中の異なる時点での基板４３８の曲率およびコーティング厚さ２５４を計算するための手段として、１つまたは複数のレーザデバイスが、基板４０２に沿った１つまたは複数の点での変位を検出するためにレーザビーム４１４を放出することがある。

図９Ａで、基板４０２の温度を測定するため、およびコーティング温度４３６を測定するために、基板前面４０８および基板裏面４１０に温度センサ４１２が取り付けられることがある。熱溶射デバイス４１８は、基板前面４０８に沿ってコーティング４２２を形成するために、前後運動して溶射粒子４２０の熱溶射物を放出することがある。図９Ａ〜図９Ｄに示される実施形態では、熱溶射デバイス４１８は、上述したように比較的低速および比較的高温で溶射物質を放出するためのツインワイヤアーク２０４型の溶射デバイス４１７として構成することができる。しかし、システムは、任意のタイプの熱溶射デバイスを採用することができる。

図９Ａを参照すると、予熱段階４１６が示されており、予熱段階４１６において、コーティングされていない基板４０２が、基板４０２の洗浄中のグリットブラストから生じることがあるものなど残留応力からの基板４０２の応力緩和のために加熱されることがある。基板４０２は、例えば、トーチを使用することによって、または溶射物質を放出せずに熱溶射デバイス４１８を使用することによって予熱することができる。予熱中、基板４０２は、応力緩和により初期湾曲４２６を受けることがある。

図１０Ａは、予熱段階４１６中の基板４３８の湾曲とコーティング温度４３６とをプロットするグラフである。図１０Ａに示されるように、基板４０２は概して直線形状から始まり、基板４０２の温度が上昇するにつれてわずかに湾曲することがある。

図９Ｂは、熱溶射デバイス４１８を使用して基板前面４０８の上にコーティング４２２を溶射または堆積することを含む初期接着パス４２８中の湾曲測定器具を示す。熱溶射デバイス４１８は、コーティング４２２の初期層を形成するために溶射物質を放出することができる。比較的低温の基板前面４０８上での比較的高温の溶射粒子４２０の急冷が、基板４３８の湾曲をもたらす。このプロセスは、上述した基板４０２上へのコーティング４２２の溶射に応じた基板４３８の湾曲の変化を測定するために上述したレーザデバイスを使用することを含む。

図１０Ｂは、初期接着パス４２８中の基板４３８の湾曲とコーティング温度４３６とをプロットするグラフである。プロットは、初期接着パス中のコーティング４２２内の圧縮残留応力による、基板４３８の湾曲の増加を図示する。

図９Ｃは、基板４０２上への熱溶射物の連続塗布による堆積プロセスにおけるコーティング４２２の残留応力４３０進展段階中の基板４０２の湾曲の増加を示す。図９Ｃでの基板４０２の湾曲は、急冷効果４３２を表すことがあり、この急冷効果は、より低温の基板４０２の表面と接触したときに溶射粒子４２０が急冷されること、および熱溶射デバイス４１８によって放出され続ける追加の溶射粒子４２０によって影響を及ぼされる基板４０２上の溶射粒子４２０のピーニング効果を克服することを含む。

図１０Ｃは、残留応力４３０進展段階中の、基板４３８の湾曲と、コーティング温度４３６の上昇とをプロットするグラフである。コーティング４２２の追加の層の塗布により、コーティング４２２内に進展する残留応力４３０が生じる。基板４３８の湾曲は、基板４３８上への堆積中のコーティング４２２内での引張応力の蓄積を表すことがある。

図９Ｄは、冷却段階４３４中に逆に湾曲した基板４０２を示す。冷却段階４３４では、熱溶射デバイス４１８は、作動停止されることがあり、基板４０２とコーティング４２２は、周囲温度または室温まで冷却されることがある。冷却段階４３４中、基板４０２の変位と、コーティング４２２および基板４０２の温度とに関する測定値が記録される。

図１０Ｄは、冷却段階４３４中の、基板４３８の湾曲と、コーティング温度４３６の低下とをプロットするグラフである。基板ＣＴＥ４０４に対するコーティングＣＴＥ４２４の不一致により、コーティング４２２と基板４０２の冷却が、基板４３８を逆に湾曲させることがある。これに関して、図１０Ｄは、室温で圧縮残留応力を有するコーティング４２２を表すことがある。

湾曲測定デバイス４００によって測定される基板４３８の湾曲およびコーティング温度４３６の測定値を使用して、コーティング４２２内の残留応力を決定するプロセスは、基板４３８上への堆積後のコーティング４２２内の堆積応力を決定することを含むことがある。堆積応力は、堆積中のコーティング４２２の凝固およびピーニングにより生じることがある。このプロセスは、さらに、コーティングＣＴＥ４２４と基板ＣＴＥ４０４の差に基づいて、コーティング４２２の冷却中のコーティング４２２内の熱応力を決定することを含むことがある。コーティング４２２内の熱応力は、上記の米国特許第６，４７８，８７５号に開示されるように、温度の変化に伴う基板４３８の湾曲の変化に基づいて計算することができる。このプロセスは、熱応力に基づいてコーティング４２２の弾性率を決定することを含むことがある。さらに、このプロセスは、堆積応力および熱応力に基づいて、コーティング４２２内の残留応力を計算することを含むことがある。このようにして、このプロセスは、コーティング４２２内の残留応力の大きさおよび方向（圧縮または引張）を計算するための手段を提供する。

図９Ａ〜図９Ｄに示される湾曲測定デバイス４００と、米国特許第６，４７８，８７５号に開示されるプロセスとを使用して決定することができるコーティング残留応力に基づいて、第１の熱溶射物２０６（図４）および第２の熱溶射物２３６（図５）を塗布するための熱溶射パラメータを、最終的な表面コーティング２５６（図６）で所望の正味の残留応力２５０が実現されるまで繰り返し調節することができる。上述したように、正味の残留応力２５０は、ツール側コーティング部分２１２内の残留応力２１６と、部品側コーティング部分２３８内の残留応力２４２との合成である。これに関して、ツール表面３０２上に第１の熱溶射物２０６を塗布する方法は、ツール温度３０６、ツールＣＴＥ３０８、コーティング温度４３６（例えば溶射温度２１０）、およびコーティングＣＴＥ２５２に基づいて第１の熱溶射物２０６を堆積することを含むことがあり、それにより、コーティングＣＴＥ２５２とツールＣＴＥ３０８の差が、ツール側コーティング部分２１２内に歪を引き起こし、引離し可能な接着（例えば、非永久的な結合）、およびツール表面３０２からのツール側コーティング部分２１２の引離しを可能にし、硬化複合物品１５０の損傷を生じない（例えば、複合物品１５０の層間剥離や剥離などを生じない）。

図６を参照すると、一実施形態では、ツール側コーティング部分２１２は、ツールＣＴＥ３０８と実質的に同じであることがあるコーティングＣＴＥ２５２を有することがあり、表面コーティング２５６内の正味の残留応力２５０と、ツール−コーティング界面２２８での表面コーティング２５６とツール表面３０２との間のツール−コーティング接着強度２２４との差を最小にする。ツール−コーティング界面２２８でのツール−コーティング接着強度２２４は、様々な異なる方法の任意の１つによって決定することができる。例えば、引張試験を実施することができ、引張試験において、１対の試験固定具（図示せず）の間に結合されることがあるコーティングの平面に垂直に引張負荷を印加することができる。あるいは、ツール−コーティング界面２２８でのツール−コーティング接着強度２２４の大きさは、押込み試験によって、または他の方法によって決定することができる。

図６では、コーティング材料とツール材料は、ＣＴＥ不一致を最小にするように選択することができる。一実施形態では、所望の方向の残留応力を実現するために、コーティングＣＴＥ２５２とツールＣＴＥ３０８を最小にすることができる。例えば、ＣＴＥ不一致を最小にし、熱溶射物を比較的高速および比較的低温で塗布することによって、表面コーティング２５６内の正味の残留応力２５０は、溶射デバイス２００が放出し続ける他の溶射粒子２０８によるツール表面３０２上の溶射粒子２０８のピーニングにより、主に圧縮性になることがある。あるいは、比較的低速および比較的高温での熱溶射物の塗布と共に比較的高いＣＴＥ不一致により、表面コーティング２５６での正味の残留応力２５０が主に引張性となることがある。理解できるように、正味の残留応力２５０の方向（例えば、圧縮または引張）は、熱溶射プロセスおよび材料パラメータを調節することによって実現することができる。

上述したように、表面コーティング２５６は、複合物品１５０上に金属コーティングとして形成することができる。金属コーティングは、限定せずに様々な異なる金属の任意の１つを含むことができ、そのような金属は、限定はしないが、インコネル、タングステン、モリブデン、アルミニウム、および様々な他の金属材料の任意の１つを含む。同様に、表面コーティング２５６は、例えば、第１の熱溶射物２０６および／または第２の熱溶射物２３６を塗布するためのプラズマ溶射デバイス（図示せず）を使用することによって、セラミック表面コーティング２５６として形成することもできる。これに関して、表面コーティング２５６は、金属材料とセラミック材料または様々な他のコーティング材料の任意の１つとの混合物または混成物として形成することができる。

表面コーティング２５６を形成する上述した方法は、限定はせずに任意のサイズ、形状、および構成の複合構造１５２で実施することができる。一実施形態では、複合構造１５２は、翼、翼端デバイス、ウィングレット、前縁デバイス、揚力向上デバイス、前縁スレート、クルーガフラップ、後縁デバイス、ファウラフラップ、補助翼、制御面、エレボン、ラダーベータ、安定表面、フィン、ゴム、ロータブレード、または様々な他の複合構造の任意の１つなど、航空機構造の任意の部分を構成することがある。一実施形態では、表面コーティング２５６は、例えば侵食防止および／または衝撃保護のために、航空機（図１）または他の航空力学的構造の翼（図１）など複合構造の前縁部１１８（図２）に形成することができる。一実施形態では、表面コーティング２５６は、落雷保護のため、および／または複合構造に沿って電気を伝導するために、複合材翼など任意の複合材表面の一部分に形成することができる。これに関して、本明細書で開示する方法は、限定はせずに任意の車両用途または任意の非車両用途のための複合構造に適用することができる。

図１２〜図１３を参照すると、本開示の実施形態は、航空機製造および保守方法６００、ならびに図１３に示されるような航空機６０２の文脈で述べることができる。事前製造中、例示的な方法６００は、航空機６０２の仕様および設計６０４、ならびに材料調達６０６を含むことがある。製造中、航空機６０２のコンポーネントおよびサブアセンブリ製造６０８およびシステムインテグレーション６１０が行われる。その後、航空機６０２は、認可および納品６１２を経て、運航６１４される。顧客により運航される間に、航空機６０２は、定期的な整備および保守６１６（これは、改造、再構成、改修などを含むこともある）が予定される。

方法６００の各プロセスは、システムインテグレータ、第三者、および／または操作者（例えば顧客）が実施または実行することができる。本説明において、システムインテグレータは、限定はせずに任意の数の航空機製造業者および主要システム下請け業者を含むことがある。第三者は、限定はせずに任意の数のベンダ、下請け業者、および供給業者を含むことがある。操作者は、航空会社、リース会社、軍事団体、サービス機関などであり得る。

図１３に示されるように、例示的な方法６００によって製造された航空機６０２は、複数のシステム６２０および内装６２２を有する機体６１８を含むことがある。高レベルシステム６２０の例は、推進システム６２４、電気システム６２６、油圧システム６２８、および環境システム６３０の１つまたは複数を含む。任意の数の他のシステムが含まれることもある。航空宇宙の例で示すが、本発明の原理は、自動車産業など他の産業に適用することもできる。

本明細書で具現化される装置および方法は、製造および保守方法６００の段階の任意の１つまたは複数において使用することができる。例えば、製造プロセス６０８に対応するコンポーネントまたはサブアセンブリは、航空機６０２の運航中に製造されるコンポーネントまたはサブアセンブリと同様に作製または製造することができる。また、例えば、航空機６０２の組立てを実質的に迅速化する、または航空機６０２のコストを削減することによって、製造段階６０８および６１０中に１つまたは複数の装置実施形態、方法実施形態、またはそれらの組合せを利用することができる。同様に、航空機６０２の運航中、例えば限定はしないが整備および保守６１６中に装置実施形態、方法実施形態、またはそれらの組合せの１つまたは複数を利用することができる。

本開示のさらなる修正および改良は、当業者には明らかであることがある。したがって、本明細書に記載して例示する各部の特定の組合せは、本開示の特定の実施形態のみを表すものとして意図されており、本開示の精神および範囲内の代替実施形態またはデバイスを限定するものとは意図されていない。

１５０ 複合物品
１５２ 複合構造
１５６ 複合材料
２０２ 高速酸素燃料デバイス
２０４ ツインワイヤアークデバイス
２０６、２３６ 熱溶射物
２１２ ツール側コーティング部分
２１６ 残留応力
２２４ ツール−コーティング接着強度
２２６ 引離し可能な結合
２３８ 部品側コーティング部分
２４２ 残留応力
２５０ 正味の残留応力
２５６ 表面コーティング
３００ ツール
３０２ ツール表面
４０２ 基板
４０４ 基板ＣＴＥ
４２４ コーティング熱膨張率

Claims (15)

1. 複合物品（１５０）上に表面コーティング（２５６）を形成する方法であって、
   ツール（３００）のツール表面（３０２）との引離し可能な結合（２２６）を有する表面コーティング（２５６）を形成するように、前記ツール表面（３０２）に熱溶射物（２０６、２３６）を塗布するステップと、
   前記表面コーティング（２５６）の上に複合材料（１５６）を塗布するステップと、
   前記複合材料（１５６）を硬化させて、硬化複合物品（１５０）を形成するステップと、
   前記ツール表面（３０２）から前記表面コーティング（２５６）を離し、前記表面コーティング（２５６）を前記硬化複合物品（１５０）と共に保持するように、前記ツール（３００）から前記硬化複合物品（１５０）を取り外すステップと
   を含む方法。
2. 前記熱溶射物（２０６、２３６）を塗布するステップが、
   ツール−コーティング接着強度（２２４）と実質的に同じ大きさの正味の残留応力（２５０）を有する前記表面コーティング（２５６）を形成すること
   を含む請求項１に記載の方法。
3. 前記熱溶射物（２０６、２３６）を塗布するステップが、
   前記表面コーティング（２５６）のツール側コーティング部分（２１２）を形成するために第１の熱溶射物（２０６）を塗布することであって、前記ツール側コーティング部分（２１２）が、前記ツール表面（３０２）との引離し可能な結合（２２６）を有すること、および
   前記表面コーティング（２５６）の部品側コーティング部分（２３８）を形成するために第２の熱溶射物（２３６）を塗布することであって、前記複合材料（１５６）が、前記部品側コーティング部分（２３８）の上に塗布されること
   を含む請求項１または２に記載の方法。
4. 前記熱溶射物（２０６、２３６）を塗布するステップが、
   高速酸素燃料デバイス（２０２）を使用して前記第１の熱溶射物（２０６）を塗布すること
   を含む請求項３に記載の方法。
5. 前記熱溶射物（２０６、２３６）を塗布するステップが、
   プラズマ溶射デバイス、高速酸素燃料デバイス（２０２）、およびツインワイヤアークデバイス（２０４）の少なくとも１つを使用して第２の熱溶射物（２３６）を塗布すること
   を含む請求項３に記載の方法。
6. 前記表面コーティング（２５６）が、前記ツール側コーティング部分（２１２）と前記部品側コーティング部分（２３８）の残留応力（２１６）の合成である正味の残留応力（２５０）を有し、前記第１の熱溶射物（２０６）および前記第２の熱溶射物（２３６）を塗布するステップが、
   前記正味の残留応力（２５０）をツール−コーティング接着強度（２２４）と実質的に等しくする量だけ、前記ツール側コーティング部分（２１２）内の前記残留応力（２１６）が前記部品側コーティング部分（２３８）内の前記残留応力（２４２）と打ち消し合うように、少なくとも１つのプロセスパラメータを調節すること
   を含む請求項３に記載の方法。
7. 少なくとも１つのプロセスパラメータを調節するステップが、
   基板（４０２）上に前記コーティング（４２２）を溶射すること、
   前記基板（４０２）への前記コーティング（４２２）の溶射に応答して、前記基板（４０２）の湾曲の変化を測定すること、
   前記基板（４０２）上への堆積後、前記コーティング（４２２）内の堆積応力を決定すること、
   コーティング熱膨張率（ＣＴＥ）（４２４）と基板ＣＴＥ（４０４）との差に基づいて、前記コーティング（４２２）の冷却中の前記コーティング（４２２）内の熱応力を決定すること、
   前記堆積応力および前記熱応力に基づいて、前記コーティング（４２２）内の前記残留応力（４３０）を計算すること、および
   前記正味の残留応力（２５０）が前記ツール−コーティング接着強度（２２４）と実質的に等しくなるまで、繰り返し、前記少なくとも１つのプロセスパラメータを調節し、前記残留応力（４３０）を計算すること
   を行うことによって、
   前記ツール側コーティング部分（２１２）と前記部品側コーティング部分（２３８）の少なくとも一方での残留応力（２１６、２４２）を決定すること
   を含む請求項６に記載の方法。
8. 少なくとも１つのプロセスパラメータを調節するステップが、
   前記表面コーティング（２５６）が、前記硬化複合物品（１５０）でのレイアップ応力（１６４）と実質的に均衡の取れた正味の残留応力（２５０）を有し、前記正味の残留応力（２５０）が前記ツール−コーティング接着強度（２２４）と実質的に等しい大きさになるまで、前記少なくとも１つのプロセスパラメータを調節すること
   を含む請求項６に記載の方法。
9. 少なくとも１つのプロセスパラメータを調節する前記ステップが、
   溶射パラメータとツール特性
   の少なくとも一方を調節することを含む請求項６に記載の方法。
10. 前記溶射パラメータが、プルームパラメータと供給原料特性との少なくとも一方を備える請求項９に記載の方法。
11. 前記熱溶射物（２０６、２３６）を塗布するステップが、
    前記表面コーティング（２５６）が、前記複合材料（１５６）のレイアップ中に前記ツール表面（３０２）に接着されたままであり、前記ツール（３００）からの前記硬化複合物品（１５０）の取外し中に前記ツール表面（３０２）から離れるように、前記ツール表面（３０２）への接着を促進するコーティング温度で前記表面コーティング（２５６）を堆積すること
    を含む請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記熱溶射物（２０６、２３６）を塗布するステップが、
    ツール側コーティング部分（２１２）および部品側コーティング部分（２３８）を有する前記表面コーティング（２５６）を形成することを含み、
    前記ツール側コーティング部分（２１２）と前記部品側コーティング部分（２３８）の少なくとも一方が、約０．０００５〜０．１０インチの間の厚さ（２１４、２４０）を有する
    請求項１ないし１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記表面コーティング（２５６）が、金属表面コーティング（２５６）を含む請求項１ないし１２に記載の方法。
14. 前記表面コーティング（２５６）が、セラミック表面コーティング（２５６）を含む請求項１ないし１３に記載の方法。
15. 請求項１ないし１４のいずれか一項に記載の方法によって形成された複合構造（１５２）。

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