JP2016507003A - コーティング系を堆積するためのプロセス及びシステム、並びにこれと共にコーティングされる構成要素 - Google Patents

Abstract

構成要素上にコーティング系を形成するプロセス及びシステム。構成要素上にコーティング系を形成するプロセスは、構成要素上の表面に向けて進行中のコーティング粒子が方向転換されるのを促進する位置に装置を配置するステップを含む。表面は、構成要素の一部によって妨げられてコーティング粒子の供給源から表面までの見通し線が制限される。次いで、コーティング粒子は、構成要素の表面上に堆積される。コーティング粒子は、最初に、初期粒子移動方向で移動して、表面に対して最終粒子移動方向で構成要素上の表面に向けて装置により方向転換される。コーティング粒子の供給源からの見通し線が、構成要素の表面に対して３０度未満の角度であり、最終粒子移動方向が、構成要素の表面に対して３０度以上の角度である。【選択図】 図３

Description

本発明は、全体的に、コーティング系及びその堆積プロセスに関する。より詳細には、本発明は、噴射堆積プロセス中にコーティング粒子を方向転換することによって部品上にコーティングを形成するプロセス及びシステムに関する。

ガスタービン環境のような化学的及び熱的に過酷な環境において、接着性を残存し維持することができる金属及びセラミックコーティング材料を堆積させる様々なコーティングプロセスが開発されている。実施例として、溶射、物理蒸着（ＰＶＤ）、及び化学蒸着（ＣＶＤ）が挙げられる。溶射プロセスは、見通し線プロセスである。溶射プロセスにおいて、金属又はセラミック粒子を含有するプラズマストリームは、粒子が表面上に堆積する物品の方向に高速高温で噴射ノズル（「ガン」）から射出される。コーティングの目的は、表面全体にわたる完全被覆範囲を示すコーティングで物品を保護することであり、一貫した微細構造を有する。通常、粒子ストリームは、見通し線を移動して物品の表面上に堆積する。

物品の見通し線接近性は、ガスタービンエンジン構成要素の設計における重要な制約事項である。例えば、図１は、ガスタービン構成要素１０のシール歯１２上に堆積されたセラミック又は金属コーティング粒子１６を表している。コーティング粒子１６は、溶射装置のノズル１４によってシール歯１２上に堆積されるように概略的に示されている。構成要素１０に対するノズル１４の見通し線が制限されることに起因して、コーティング粒子１６は、シール歯１２を均一にコーティングすることができない場合がある。図１に示されたものと類似したプロセスによってコーティングされたシール歯１２が図２に示されている。結果として得られるコーティングは均一ではなく、シール歯１２の表面上にほとんどコーティングがない領域が現れる。一般に、溶射プロセスでは、コーティングされることになる表面への見通し線接近は、共形の微細構造並びに表面上の完全な被覆範囲を備えたコーティングを得るために、表面に対して少なくとも３０度の角度でなければならない。３０度未満の接近角度は、図２に示すように、仕様に対して適合せず、断続的なコーティング被覆範囲を有するコーティング構造を結果としてもたらす可能性が高い。

約３０度のアクセス角度で噴射したコーティングであっても、かろうじて許容可能なコーティングとなり、相当量の再加工を必要とする場合がある。更に、見通し線接近性が限定的である状態では、コーティング品質の堅牢性が低下し、繰り返し可能ではない可能性がある。これらの問題は共に、溶射プロセスに相当量の変動をもたらす。

現在のところ、直接見通し線接近が３０度未満に制限される場合には、設計者らは、コーティングを堆積するのに他のプロセスを用いる必要があり、或いは、断続的被覆範囲の非共形コーティング程度で設計しなければならない。他の可能性のあるプロセスとして、構成要素１０の表面をメッキすることが挙げられる。一部の事例では、リスクに応じて、構成要素１０の表面をコーティングしない場合もある。従来、構成要素はまた、場合によっては重量又は性能を犠牲にして噴射接近角度の増大を達成するために、コーティング堆積プロセスの見通し線制限を考慮するように設計されている。

従って、コーティングされることになる見通し線接近角度が３０度未満である状況においてセラミック又は金属コーティングを構成要素上に堆積することができる噴射プロセスに対する必要性がある。

米国特許第５，４３９，７１４号明細書

本発明は、コーティングされることになる構成要素の表面に対して見通し線接近角度が３０度未満である場合において、構成要素上にコーティングを形成するためのプロセス及びシステムを提供する。

本発明の第１の態様によれば、構成要素上にコーティング系を形成するプロセスは、構成要素上の表面に向けて進行中のコーティング粒子が方向転換されるのを促進する位置に装置を配置するステップを含む。表面は、構成要素の一部によって妨げられてコーティング粒子の供給源から表面までの見通し線が制限される。次いで、コーティング粒子は、構成要素の表面上に堆積される。コーティング粒子は、最初に、初期粒子移動方向で移動して、表面に対して最終粒子移動方向で構成要素上の表面に向けて装置により方向転換される。初期粒子移動方向は、表面に対する最終粒子移動方向により形成される角度とは異なる角度を構成要素上の表面に対して形成する。

本発明の第２の態様によれば、システムは、構成要素の表面上にコーティング粒子を堆積する手段を含む。表面が構成要素の一部によって妨げられてコーティング粒子の供給源から表面への見通し線が制限される。堆積手段によって、コーティング粒子が、構成要素の表面に対して初期粒子移動方向で移動するようになる。本システムは、進行中にコーティング粒子を構成要素上の表面に向けて初期粒子移動方向から表面に対して最終粒子移動方向に方向転換する手段を含む。初期粒子移動方向が、表面に対する最終粒子移動方向により形成される角度とは異なる角度を前記構成要素上の表面に対して形成する。

本発明の技術的効果は、表面に対する見通し線接近角度が３０度未満である場合に表面を噴射コーティングできることである。詳細には、コーティングされることになる構成要素上の表面に向かってコーティング粒子を方向転換する装置を用いることにより、見通し線接近角度が小さいにもかかわらず均一なコーティングを表面上に堆積できることと考えられる。

本発明の他の態様及び利点は、以下の詳細な説明からより理解されるであろう。

コーティング粒子が構成要素のシール歯上に堆積されている従来の溶射プロセスを表す図。 図１に示すのと同様の従来の溶射プロセスによってコーティングされる構成要素上に形成されたシール歯の顕微鏡写真。 本発明の１つの実施形態による、構成要素のシール歯状に堆積される前にコーティング粒子が傾斜部に対して方向転換された溶射プロセスを表す図。 本発明の１つの実施形態による、構成要素のシール歯状に堆積される前にコーティング粒子が傾斜部に対して方向転換された溶射プロセスを表す図。 本発明の１つの実施形態による溶射プロセスによってコーティングが堆積された構成要素のシール歯の顕微鏡写真。 本発明の１つの実施形態による、構成要素のシール歯上に堆積される前に溶射装置に固定された傾斜部に対してコーティング粒子が方向転換される溶射プロセスを示す図。

本発明は、全体的に、構成要素の設計によりコーティングされることになる見通し線接近角度が３０度未満となる場合に、噴射プロセスによってコーティングすることができる構成要素に適用可能である。このような構成要素の実施例として、シール歯１２を含む図１のガスタービン構成要素１０のようなガスタービンエンジン構成要素が挙げられる点に留意されたい。本発明は、以下ではガスタービン構成要素１０に関して説明するが、これは例示に過ぎず、本発明は他の構成要素にも応用される点は理解されるであろう。本発明によって形成されるコーティングは、限定ではないが、セラミックス、金属、サーメット、及び炭化物などのあらゆる好適な材料から構成することができる。

図３及び４は、本発明の１つの実施形態による、溶射プロセスを受けている図１に示すタイプの構成要素１０を示している。従って、図３及び４は、コーティング粒子１６が溶射されている構成要素１０のシール歯１２（例えば、セラミック又は金属粒子がシール歯１２の表面１３上に堆積された）を表している。図３及び４は更に、１又はそれ以上の傾斜部１８を示しており、該傾斜部１８は、コーティング粒子が１又はそれ以上のノズル１４から押し出された後に方向転換されて、次いで傾斜部１８の表面にわたって移動してシール歯１２の表面１３に向かうように位置付けられる。図４から、１又はそれ以上の傾斜部１８を１又はそれ以上のノズル１４と組み合わせて用いて、コーティング粒子１６の１つ又は複数の軌跡を最適化し、及び／又は物品の対向した両面を含む物品の１又はそれ以上の表面の同時コーティングを可能にすることができる点を理解されたい。

コーティング粒子１６は、シール歯１２の目標とする表面に対して初期の粒子移動方向にてノズル１４のうちの１つから出た後、傾斜部１８のうちの対応する傾斜部の表面１９に衝突して該表面に沿って滑動し、コーティング粒子１６をシール歯１２の目標とする表面１３上に見通し線堆積するのにより好ましい接近角度３０（すなわち、少なくとも３０度）に方向転換できるようになる。傾斜部１８は、図３及び４に示されるように、構成要素１０に直接装着されるか、又は噴射装置又はノズル１４自体に装着することができる。図６は、コネクタ３６により噴射装置に固定された傾斜部１８を示している。傾斜部１８は、好ましくは、構成要素１０の明確に定められた特徴要素（例えば、ボルト孔、ラベット、装着フランジ、又はブレード下プラットフォーム）上に傾斜部１８を整列させて取り付けることにより、構成要素１０に配置及び固定するよう適合され、堆積されるコーティングの微細構造の均一性及び一貫性並びに設置の容易さを可能にする。傾斜部１８は更に、コーティングが望ましくない構成要素１０の他の特徴要素のマスキングを提供することができる。コーティング粒子１６がシール歯１２の表面１３に到達すると、コーティング粒子１６は、表面１３に直接衝突すると共に、ノズル１４とコーティングされる表面１３との間の実際の見通し線角度２８が３０度未満であっても、表面１３に対して少なくとも３０度の接近角度３０で粒子の最終移動方向で移動する。コーティング粒子１６を効果的に方向転換するために、ノズル１４から出る粒子の初期移動方向は、傾斜部１８の表面１９と少なくとも１０度の衝突角度３２をなす必要がある。好ましくは、衝突角度３２は、約１０度〜約２０度、最も好ましくは約１０度〜約１５度である。コーティング粒子１６の噴射軌跡パターンに起因して、用語「方向」及び「角度」は、粒子の「公称」移動方向（例えば流れパターンの中心軸線）を基準としている点は理解されるであろう。好ましくは、接近角度３０は、表面１３上に好適なコーティングを提供するために可能な限り９０度に近接している。

各傾斜部１８は、その形状又は輪郭がコーティングされることになるシール歯１２の表面に向かってコーティング粒子１６を方向転換する働きをする表面１９を定める。図３及び４は、基材２０を含むように各傾斜部１８を示し、更に、好ましくはそれぞれの傾斜部表面１９を定める表面材料又はコーティング２２を有するように各基材２０を示している。コーティング２２は、好ましくは、傾斜部１８の表面１９にわたって移動するときのコーティング粒子１６の滑動を促進し、並びにプラズマスプレープロセスの温度に耐え抜くように適合される。この目的のため、コーティング２２は、例えば、基材２０に施工されるエラストマー（ゴム引き）又はセラミック材料とすることができる。傾斜部１８の表面１９は、平坦なものとして示されているが、表面１９は、コーティング粒子１６が方向転換時に傾斜部１８上に留まるのを促進するために、湾曲状又はカップ状、すなわち、傾斜部１８の縁部がより高く、中央を低くすることができることも予期される。加えて、傾斜部１８は、コーティング粒子１６がシール歯１２の表面１３に向けてその中を通って移動する曲線輪郭の完全内包管体様の構造とすることができる。噴射プロセスにおいてあらゆる数の傾斜部１８を用いることができ、傾斜部１８の表面１９は、所望の方式でコーティング粒子１６を方向転換するのに好適なあらゆる形状又はサイズを有することができる。傾斜部１８と表面１３との間の距離のような他のパラメータは、コーティングされることになる特定の構成要素によって決まる。

プロセスの更なる最適化は、見通し線が少なくとも３０度である場合の応用に対する従来の噴射パラメータの修正によって達成することができる。他の修正は、ノズル１４の代替のタイプ、特定のサイズ分布範囲を有するコーティング粒子１６の使用、傾斜部１８上のコーティング２２の材料の代替のタイプ、及び傾斜部１８の接触面量を含むことができる。従来の噴射パラメータに対する実際の修正は、何れかの所要の応用における形状、サイズ、及びコーティングされることになる特定の表面１３に対しての見通し線接近角度２８によって決まる。このような最適化及び修正の全ては、本発明の範囲内にある。

本発明につながる研究において、シール歯１２は、最初に金属（ＮｉＡｌ）ボンドコートで、次いでセラミック（アルミナ、Ａｌ_２Ｏ_３）トップコートで溶射コーティングした。このプロセスを調査するために１００回を超える実験を実施した。コーティング粒子１６の粒子サイズ及び組成、ガンタイプ、ノズルタイプ、使用したガス、傾斜部１８の形状及びサイズ、傾斜部１８の数、その他など、複数のパラメータについて調べた。好適な粒子サイズ及び分布は、約４００〜約２００メッシュ（約３５〜約７５μｍ）で、粒子の約５％未満が２００メッシュ（約７５μｍ）より大きく、粒子の約１５％未満が４００メッシュ（約３５μｍ）よりも小さいものであることが分かった。

特に好適な実施形態は、基本的に図３及び４において概略的に示される構成及びプロセスであると決定された。図示のように、第１の傾斜部１８は、その表面１９が平坦（平面）で、コーティングされることになるシール歯１２の表面１３に向かって角度が付けられた下側部分を有する。図４は、その表面１９が弓状で、同じシール歯１２の対向する表面１３に向かって湾曲している第２の傾斜部１８を描いている。第１の傾斜部１８の平面形状は、隣接するシール歯１２に面するシール歯１２の表面１３をコーティングするのに特に効果的であることが分かった。傾斜部１８は、隣接する面から妨げられることなくシール歯１２の表面１３を完全にコーティングすることが分かっている。第２の傾斜部１８の湾曲形状は、構成要素１０の隣接する面に直面するシール歯１２のノズル１４をコーティングするのに特に効果的であることが分かった。シール歯１２の表面１３付近の占有されていない追加の領域（接近領域）は、より均等なコーティングが提供される第２の傾斜部１８の使用を可能にした。そのため、提示された構成に対する代替形態として、利用可能な接近領域及びコーティングされることになる表面１３の近傍の隣接物体に応じて、２つの平面傾斜部１８又は２つの湾曲した傾斜部１８を使用できることは理解されるであろう。傾斜部１８の表面１９に沿ったコーティング粒子１６の十分な方向転換を提供するために、コーティング粒子１６は、好ましくは、表面１３に衝突するまえに傾斜部１８の表面１９に沿って少なくとも約０．５インチ（約１２．５ｍｍ）の距離を移動する。

図４において、コーティングされることになるシール歯１２の各々は、図示のような２つの傾斜部１８を利用して個別に噴射され、個々のシール歯１２の対向配置された表面１３が同時にコーティングされるようにする。図４は、常に１つだけのシール歯１２がコーティングされているように示しているが、傾斜部１８は、複数のシール歯１２を一度にコーティングできるように配列することも予期できる。例えば、複数の傾斜部１８は、傾斜部１８の各セットが別個のシール歯１２をコーティングするよう所定位置に配置されるように取り付けることができる。本発明のプロセスによって実施された実験により結果として生じたコーティングシール歯１２が、図５に示される。シール歯１２の金属組織解析評価により、均一なコーティング微細構造を有する完全な被覆が確認された。以上、本プロセスがターボファンエンジンのロータのアブレッシブシール歯に成功裏に適用されたが、本技術は、実質的にあらゆる溶射コーティングに適用できると考えられる。

本発明を特定の実施形態に関して説明してきたが、当業者であれば他の形態を適合させることができる点は理解される。例えば、傾斜部１８の物理的構成は、図示のものとは異なることができ、上述のもの以外の材料及びプロセスを用いることができる。従って、本発明の範囲は、添付の請求項によってのみ限定されるものとする。

１０ 構成要素
１２ シール歯
１３ シール歯の表面
１４ ノズル
１６ コーティング粒子
１８ 傾斜部
１９ 表面
２０ 基材
２２ コーティング
２８ 見通し線角度
３０ 接近角度
３２ 衝突角度

Claims (20)

1. 構成要素上にコーティング系を形成する方法であって、
   前記構成要素（１０）の一部によって妨げられてコーティング粒子（１６）の供給源からの見通し線が制限される前記構成要素上の表面（１３）に向けて進行中のコーティング粒子が方向転換されるのを促進する位置に装置を配置するステップと、
   前記構成要素の表面上に前記コーティング粒子を堆積するステップと、
   を含み、前記コーティング粒子は、最初に初期粒子移動方向で移動して、前記表面に対して最終粒子移動方向で前記構成要素上の表面に向けて前記装置により方向転換され、前記初期粒子移動方向が、前記表面に対する最終粒子移動方向により形成される角度とは異なる角度を前記構成要素上の表面に対して形成する、ことを特徴とする、方法。
2. 前記コーティング粒子の供給源からの見通し線が前記構成要素の表面に対して３０度未満の角度であり、前記最終粒子移動方向が、前記構成要素の表面に対して３０度以上の角度である、請求項１に記載の方法。
3. 前記堆積ステップが、溶射プロセスによって実施される、請求項１に記載の方法。
4. 前記構成要素の対向して配置された表面が同時にコーティングされる、請求項１に記載の方法。
5. 前記コーティング粒子が衝突する前記装置の表面（１９）が、平坦又は湾曲形状を有する、請求項１に記載の方法。
6. 前記装置が、第１及び第２の傾斜部（１８）を備え、各傾斜部が、前記コーティング粒子によって衝突されて該コーティング粒子を前記構成要素の表面に向けて方向転換する表面（１９）を含み、前記第１及び第２の傾斜部の表面が互いに対して対向している、請求項１に記載の方法。
7. 前記第１及び第２の傾斜部の表面が異なる形状を有する、請求項６に記載の方法。
8. 前記第１の傾斜部の表面が平坦形状を有し、前記第２の傾斜部が湾曲形状を有する、請求項６に記載の方法。
9. 請求項１に記載の方法によって形成されたコーティング系を有する構成要素。
10. 前記構成要素がタービンエンジンの構成要素である、請求項１に記載の方法。
11. システムであって、
    構成要素（１０）の表面上にコーティング粒子（１６）を堆積する手段を備え、前記表面が、前記構成要素の一部によって妨げられて前記コーティング粒子の供給源から前記表面への見通し線が制限され、前記堆積手段によって前記コーティング粒子が、前記構成要素の表面に対して初期粒子移動方向で移動するようになり、
    前記システムが更に、
    進行中の前記コーティング粒子を前記構成要素上の表面に向けて前記初期粒子移動方向から前記表面に対して最終粒子移動方向に方向転換する手段を備え、
    前記初期粒子移動方向が、前記表面に対する最終粒子移動方向により形成される角度とは異なる角度を前記構成要素上の表面に対して形成する、システム。
12. 前記コーティング粒子の供給源からの見通し線が前記構成要素の表面に対して３０度未満の角度であり、前記最終粒子移動方向が、前記構成要素の表面に対して３０度以上の角度である、請求項１１に記載のシステム。
13. 前記方向転換手段が、前記コーティング粒子により衝突される平坦又は湾曲形状の表面を含む、請求項１１に記載のシステム。
14. 前記方向転換手段が、前記構成要素の表面と対向して配置された第２の表面とを同時にコーティングするよう適合される、請求項１１に記載のシステム。
15. 前記方向転換手段が第１及び第２の傾斜部（１８）を備え、各傾斜部が、前記コーティング粒子によって衝突される表面（１９）を含み、前記第１及び第２の傾斜部の表面が互いに対して対向している、請求項１１に記載のシステム。
16. 前記第１及び第２の傾斜部の表面が異なる形状を有する、請求項１５に記載のシステム。
17. 前記第１の傾斜部の表面が平坦形状を有し、前記第２の傾斜部が湾曲形状を有する、請求項１５に記載のシステム。
18. 前記堆積手段が、前記コーティング粒子が押し出されるノズルを有する溶射装置を含む、請求項１１に記載のシステム。
19. 前記方向転換手段が、前記溶射装置に固定される、請求項１８に記載のシステム。
20. 請求項１１に記載のシステムを用いて構成要素の表面をコーティングする方法であって、
    前記構成要素の表面に向けてコーティング粒子（１６）が方向転換されるのを促進する位置に方向転換手段を配置するステップと、
    前記構成要素の表面上に前記コーティング粒子を堆積するステップと、
    を含み、前記最終粒子移動方向が前記表面に対して３０度以上の角度である、方法。