JP2022103672A - 遮熱コーティングの施工方法及び耐熱部材 - Google Patents

Abstract

【課題】耐熱部材の表面に開口する複数の冷却孔が遮熱コーティングの材料で閉塞することを抑制する。【解決手段】本開示の少なくとも一実施形態に係る遮熱コーティングの施工方法は、耐熱合金基材の表面に開口した複数の孔から気体を噴出させながら、耐熱合金基材上に形成されたボンドコート層上にトップコート層を溶射によって形成する工程を備える。【選択図】図１３

Description

本開示は、遮熱コーティングの施工方法及び耐熱部材に関する。

航空機エンジンにおける燃焼器パネルやタービン翼、産業用ガスタービンにおけるタービン翼や分割環等のように、高温の燃焼ガスに曝される耐熱部材には、遮熱コーティング（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｃｏａｔｉｎｇ，ＴＢＣ）を設けることが知られている。
また、これらの耐熱部材では、例えばフィルム冷却を行うために、耐熱部材の表面には複数の冷却孔が開口していることがある。このような耐熱部材の場合には、遮熱コーティングの形成工程において遮熱コーティングの材料が冷却孔に侵入して冷却孔を閉塞してしまうのを防ぐ必要がある。そのため、例えばマスキングピンを予め各冷却孔に挿入しておけば、遮熱コーティングの形成工程において遮熱コーティングの材料が各冷却孔に侵入することを防止できる（例えば特許文献１参照）。

特開２０１６－１０８５８２号公報

例えば特許文献１に記載の方法では、遮熱コーティングの形成後にマスキングピンを各冷却孔から除去しなければならない。そのため、耐熱部材における冷却孔の数が増えるほど、マスキングピンを除去する手間が増えてしまう。そのため、より簡易な方法で遮熱コーティングの形成工程において冷却孔が閉塞することを防止できるようにすることが望まれている。

本開示の少なくとも一実施形態は、上述の事情に鑑みて、耐熱部材の表面に開口する複数の冷却孔が遮熱コーティングの材料で閉塞することを抑制することを目的とする。

（１）本開示の少なくとも一実施形態に係る遮熱コーティングの施工方法は、耐熱合金基材の表面に開口した複数の孔から気体を噴出させながら、前記耐熱合金基材上に形成されたボンドコート層上にトップコート層を溶射によって形成する工程を備える。

（２）本開示の少なくとも一実施形態に係る耐熱部材は、上記（１）の方法による遮熱コーティングの施工方法によって形成された前記トップコート層を有する。

本開示の少なくとも一実施形態によれば、耐熱部材の表面に開口する複数の冷却孔が遮熱コーティングの材料で閉塞することを抑制できる。

幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングの施工方法によって施工された遮熱コーティングを備える耐熱部材の断面の模式図である。 耐熱部材の一例としての航空機エンジン向けの燃焼器パネルの外観を表す図である。 幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングの施工方法の手順を示すフローチャートである。 幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングの施工方法に係る装置の概略を説明するための図である。 トップコート層の温度を上述した温度範囲に保つようにするための冷却方法の一例を示す図である。 溶射開始からのトップコート層の温度の推移を模式的に示したグラフである。 トップコート層の熱伝導率と溶射時温度との関係を示すグラフである。 剥離限界温度差と溶射時温度との関係を示すグラフである。 剥離限界温度差と横割れ長さとの関係を示すグラフである。 溶射１パスあたりの付着膜厚と溶射時温度との関係を示すグラフである。 面方向に分散する縦割れの密度の測定結果を示す表である。 横割れの最大長さの測定結果を示す表である。 耐熱部材の冷却に関する実施例について説明するための図である。 複数の耐熱部材の冷却に関する実施例について説明するための図である。 複数の耐熱部材の冷却に関する他の実施例について説明するための図である。 耐熱部材の冷却に関する実施例について説明するための図である。 耐熱部材の冷却に関する実施例について説明するための図である。 複数の孔に対する溶射時の施工角度について説明するための模式的な図である。 孔の直径と溶射材による孔の閉塞率との関係についての実験結果を示すグラフである。

以下、添付図面を参照して本開示の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本開示の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

（遮熱コーティング３について）
図１は、幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングの施工方法によって施工された遮熱コーティング３を備える耐熱部材１の断面の模式図である。
図２は、耐熱部材１の一例としての航空機エンジン向けの燃焼器パネル１Ａの外観を表す図である。
航空機エンジン向けの燃焼器パネル１Ａやタービン翼、産業用ガスタービン向けのタービン翼や分割環等の耐熱部材１には、耐熱部材１の遮熱のための遮熱コーティング（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｃｏａｔｉｎｇ ： ＴＢＣ）３が形成されている。
幾つかの実施形態に係る耐熱部材１の耐熱合金基材（母材）５上には、金属結合層（ボンドコート層）７と、遮熱層としてのトップコート層９が順に形成される。即ち、幾つかの実施形態では、遮熱コーティング３は、ボンドコート層７と、トップコート層９を含んでいる。

幾つかの実施形態に係るボンドコート層７は、ＭＣｒＡｌＹ合金（Ｍは、Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆｅ等の金属元素またはこれらのうち２種類以上の組合せを示す）などで構成される。

幾つかの実施形態に係るトップコート層９は、ＺｒＯ_２系の材料、例えば、Ｙ_２Ｏ_３で部分安定化または完全安定化したＺｒＯ_２であるＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）で構成されているとよい。また、幾つかの実施形態に係るトップコート層９は、ＤｙＳＺ（ジスプロシア安定化ジルコニア）、ＥｒＳＺ（エルビア安定化ジルコニア）、Ｇｄ_２Ｚｒ_２Ｏ_７、又は、Ｇｄ_２Ｈｆ_２Ｏ_７の何れかで構成されていてもよい。
これにより、遮熱性に優れた遮熱コーティング３が得られる。

幾つかの実施形態に係るトップコート層９では、トップコート層９の厚さ方向に延在する縦割れＣｖが面方向、すなわち図１における図示左右方向及び紙面奥行き方向に分散している。また、幾つかの実施形態に係るトップコート層９では、面方向に延在する横割れＣｈが分散している。
幾つかの実施形態に係る遮熱コーティング３では、トップコート層９における複数の縦割れＣｖを有する構造により、耐熱合金基材５との線膨張係数の違いによる熱応力の発生を緩和できるので、熱サイクル耐久性に優れる。

（フローチャート）
図３は、幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングの施工方法の手順を示すフローチャートである。幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングの施工方法は、ボンドコート層７を形成する工程Ｓ１０と、トップコート層９を形成する工程Ｓ２０とを含んでいる。

幾つかの実施形態において、ボンドコート層７を形成する工程Ｓ１０は、耐熱合金基材５上に溶射によってボンドコート層７を形成する工程である。幾つかの実施形態において、ボンドコート層７を形成する工程Ｓ１０は、例えば、耐熱合金基材５上に高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）によってボンドコート層を形成する工程であってもよい。以下の説明では、ボンドコート層７を形成する工程Ｓ１０は、耐熱合金基材５上に高速フレーム溶射によってボンドコート層７を形成する工程であるものとする。
すなわち、幾つかの実施形態において、ボンドコート層７を形成する工程Ｓ１０では、溶射材としてのＭＣｒＡｌＹ合金等の粉末を高速フレーム溶射によって耐熱合金基材５の表面に溶射する。

なお、幾つかの実施形態において、ボンドコート層７の表面粗さは、トップコート層９との密着性を高めるために、算術平均粗さＲａで８μｍ以上であるとよい。

幾つかの実施形態において、トップコート層９を形成する工程Ｓ２０は、対象物である耐熱部材１の耐熱合金基材５上に形成されたボンドコート層７上にトップコート層９を形成する工程である。幾つかの実施形態において、トップコート層９を形成する工程Ｓ２０では、セラミックス粉末を含む懸濁液を高速フレーム溶射によって溶射することでトップコート層を形成する。すなわち、幾つかの実施形態において、トップコート層９を形成する工程Ｓ２０で実施する溶射は、懸濁液による高速フレーム溶射（Ｓ－ＨＶＯＦ）である。幾つかの実施形態において、トップコート層９を形成する工程Ｓ２０では、溶射材としてのセラミックス粉末を溶媒に分散した懸濁液を高速フレーム溶射によってボンドコート層７の表面に溶射する。懸濁液による高速フレーム溶射では、懸濁液として供給された溶射材ＴＭは、燃焼炎ジェット流ＣＦによって溶射対象物の表面に吹き付けられる（後述する図４Ｂ参照）。
トップコート層９を形成する工程Ｓ２０における溶射の条件については、後で詳細に説明する。

図４Ａは、幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングの施工方法に係る装置の概略を説明するための図である。
図４Ａに示すように、幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングの施工方法では、溶射ガン３０と、溶射ガン３０の移動装置５０と、集塵フード７０とを用いて遮熱コーティング３を施工する。なお、幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングの施工方法では、図４Ａに示したこれらの装置以外にも、図示はしていないが、溶射制御盤、移動装置５０の駆動を制御する制御装置や、溶射材の供給装置なども装置構成中に含まれる。
遮熱コーティング３の施工に際し、遮熱コーティング３の施工の対象物である耐熱部材１を固定する必要がある場合には、固定治具９１を用いてもよく、耐熱部材１を連続的に回転させる必要がある場合には、不図示の回転駆動装置を用いてもよい。

幾つかの実施形態に係る移動装置５０は、例えば産業用ロボットであるが、例えばＮＣ装置のように複数の方向に移動可能なスライド軸を有する走査装置であってもよい。

図４Ａに示すように、幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングの施工方法では、例えば、溶射ガン３０、移動装置５０、及び集塵フード７０は、１つの溶射ブース２０の内部に配置される。溶射ブース２０は、遮音のためや粉塵の周囲への飛散防止のために周囲とは仕切られた空間を形成するものである。例えば溶射ブース２０は、作業室内に配置された箱状のものであってもよく、作業室の一部を壁等で区切った一区画であってもよく、建屋内に設けた専用の部屋であってもよい。
遮熱コーティング３の施工の対象物である耐熱部材１は、この溶射ブース２０内で遮熱コーティング３が形成される。

幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングの施工方法では、上述したように、ボンドコート層７を形成する工程Ｓ１０では高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）による溶射を行い、トップコート層９を形成する工程Ｓ２０では、懸濁液による高速フレーム溶射（Ｓ－ＨＶＯＦ）による溶射を行う。そのため、幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングの施工方法では、例えば溶射ガン３０及び溶射材の供給装置をボンドコート層７を形成する工程Ｓ１０とトップコート層９を形成する工程Ｓ２０とで変更することで、同一の溶射ブース２０内でボンドコート層７を形成する工程Ｓ１０とトップコート層９を形成する工程Ｓ２０とを実施できる。
幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングの施工方法では、ボンドコート層７を形成する工程Ｓ１０の後でトップコート層９を形成する工程Ｓ２０を行う際に耐熱部材１をボンドコート層７を形成する工程Ｓ１０を実施した溶射ブース２０とは異なる溶射ブースに移動させなくてもよい。これにより、耐熱部材１を異なる溶射ブースに移動させる手間や、移動させた後の溶射開始までの耐熱部材１のセッティング等の手間を省くことができる。

（トップコート層９を形成する工程Ｓ２０における施工条件について）
従来、トップコート層は、熱サイクル耐久性を確保するため、トップコート層の厚さ方向に延在する縦割れと称される亀裂を層内に含むようにするため、電子ビーム物理蒸着（ＥＢ－ＰＶＤ）によって形成されることがあった。
しかし、電子ビーム物理蒸着を行うための装置は、装置のイニシャルコストが溶射装置等と比べて１０倍以上高価である。また、電子ビーム物理蒸着による層の形成のためのランニングコストは、溶射等による層の形成のためのランニングコストの１０倍程度と高価である。さらに、電子ビーム物理蒸着による層の形成速度は、溶射等による層の形成速度の数分の１程度と低い。そのため、遮熱コーティングのトップコート層としての遮熱性や熱サイクル耐久性等の性能を確保しつつ、より低コストでトップコート層を形成する方法が望まれている。

発明者らが鋭意検討した結果、トップコート層９を形成する工程Ｓ２０において、トップコート層９の温度を３００℃以上４５０℃以下に保ちながら、セラミックス粉末を含む懸濁液を高速フレーム溶射によって溶射することで、電子ビーム物理蒸着によってボンドコート層上にトップコート層を形成した場合と同等の遮熱性や熱サイクル耐久性等の性能を確保できることが判明した。
そこで、幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングの施工方法では、トップコート層９を形成する工程Ｓ２０において、トップコート層９の温度を３００℃以上４５０℃以下に保ちながら、セラミックス粉末を含む懸濁液を高速フレーム溶射によって溶射することでトップコート層９を形成するようにしている。
なお、発明者らの検討結果については、後で説明する。

これにより、電子ビーム物理蒸着によってボンドコート層７上にトップコート層９を形成した場合と比べて、低いランニングコストで、且つ、より短時間でトップコート層９を形成できる。また、トップコート層９を懸濁液による高速フレーム溶射によって形成するようにすれば、トップコート層９を形成するための設備の導入コストも大幅に抑制できる。

また、幾つかの実施形態に係る耐熱部材１は、幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングの施工方法によって形成されたトップコート層９を有する。
これにより、耐熱部材１の製造コストを抑制できる。

なお、トップコート層９を形成する工程Ｓ２０では、トップコート層９の温度を３００℃以上４００℃以下に保ちながら、セラミックス粉末を含む懸濁液を高速フレーム溶射によって溶射することでトップコート層９を形成するとなおよい。
これにより、遮熱コーティングにおける遮熱性や熱サイクル耐久性等の性能がさらに良好となる。

トップコート層９の温度が上述した温度範囲に保たれているか否かは、例えば赤外線で温度を検出するサーモビューアのような非接触式の温度計で測定して確認するようにしてもよい。

また、トップコート層９の温度が上述した温度範囲に保たれるように、適宜冷却をするようにしてもよい。
すなわち、幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングの施工方法では、トップコート層９を形成する工程Ｓ２０では、冷却媒体による冷却を行うことでトップコート層９の温度を制御するとよい。
これにより、トップコート層９の温度を上述した温度範囲に制御し易くなるので、遮熱コーティング３における遮熱性や熱サイクル耐久性等の性能が安定する。

図４Ｂは、トップコート層９の温度を上述した温度範囲に保つようにするための冷却方法の一例を示す図である。
図４Ｂに示す例では、耐熱部材１は軸状部材である。図４Ｂに示す例では、耐熱部材１は、耐熱部材１を連続的に回転させるための不図示の回転駆動装置によって回転させられながらトップコート層９が形成される。図４Ｂに示す例では、耐熱部材１は、不図示の回転駆動装置の把持部９２に把持されていて、把持部９２とともに回転する。
図４Ｂに示す例では、例えば冷却ノズル８１から吹き出される冷却媒体ＣＭによって耐熱部材１が冷却される。なお、図４Ｂに示す例では、燃焼炎ジェット流ＣＦが冷却ノズル８１から吹き出される冷却媒体ＣＭによって受ける影響を抑制するため、冷却媒体ＣＭは、トップコート層９の表面ではなく、耐熱部材１の内、トップコート層９を形成しない領域１ａや、耐熱部材１を把持する把持部９２に向けて吹き出されるようにするとよい。
耐熱部材１の冷却に関する、図４Ｂに示す例以外の実施例や冷却媒体ＣＭの種類等については、後で説明する。

図５は、溶射開始からのトップコート層９の温度の推移を模式的に示したグラフである。トップコート層９の温度は、トップコート層９の形成のための溶射を開始した時点から時間が経過するにつれて上昇する。図４Ｂに示す例のように、冷却媒体ＣＭによる冷却を行うことで、溶射中のトップコート層９の温度が安定して上述した温度範囲内に保つことができる。
すなわち、幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングの施工方法では、トップコート層９を形成する工程Ｓ２０において、溶射開始後にトップコート層９の温度が上昇した後に安定した状態での温度の平均値が上述した温度範囲内に保たれるようにするとよい。
以下の説明では、該平均値のことを溶射時温度Ｔａとも称する。
なお、幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングの施工方法では、トップコート層９の形成のための溶射を開始する前に、ボンドコート層７が形成されている耐熱部材１を予熱する必要はない。

以下、発明者らの検討結果について説明する。
図６は、溶射時温度Ｔａが４１３℃である試験片Ａ、溶射時温度Ｔａが４７７℃である試験片Ｂ、及び、溶射時温度Ｔａが５８６℃である試験片Ｃについて、トップコート層９の熱伝導率（相対値）と溶射時温度Ｔａとの関係を示すグラフである。
図７は、試験片Ａ、試験片Ｂ、及び試験片Ｃについて、剥離限界温度差ΔＴ（相対値）と溶射時温度Ｔａとの関係を示すグラフである。
図８は、試験片Ａ、試験片Ｂ、及び試験片Ｃについて、剥離限界温度差ΔＴ（相対値）と横割れＣｈの長さ（横割れ長さ）との関係を示すグラフである。
図９は、試験片Ａ、試験片Ｂ、試験片Ｃ、及び、溶射時温度Ｔａが６７８℃である試験片Ｄについて、溶射１パスあたりの付着膜厚（相対値）と溶射時温度Ｔａとの関係を示すグラフである。
図１０Ａは、試験片Ａ、試験片Ｂ、及び試験片Ｃについて、面方向に分散する縦割れＣｖの密度の測定結果を示す表である。
図１０Ｂは、試験片Ａ、試験片Ｂ、及び試験片Ｃについて、横割れＣｈの最大長さの測定結果を示す表である。

なお、図６では、トップコート層９の熱伝導率は、電子ビーム物理蒸着（ＥＢ－ＰＶＤ）によって形成した場合のトップコート層の熱伝導率を１とした相対値で表している。
同様に、図７及び図８では、トップコート層９の剥離限界温度差ΔＴは、電子ビーム物理蒸着によって形成した場合のトップコート層の剥離限界温度差ΔＴを１とした相対値で表している。なお、図７及び図８における剥離限界温度差ΔＴは、この温度差ΔＴを与える試験を１０００サイクル繰り返したときに遮熱コーティング３に剥離が生じると推定される温度差である。
図９では、トップコート層９の１パスあたりの付着膜厚は、溶射時温度Ｔａが４５０℃の時の１パスあたりの付着膜厚を１とした相対値で表している。
なお、図１０Ａ及び図１０Ｂに示した各データの取得にあたり、各試験片をトップコート層９の厚さ方向に沿って切断した切断面の顕微鏡写真を観察することで各データを取得した。また、図１０Ａ及び図１０Ｂでは、該切断面における観察部位（視野）を変えた６カ所（６視野）で各データを取得した。
なお、図１０Ａ及び図１０Ｂに示した各データの取得にあたり、各顕微鏡写真において、図１の図示左右方向に相当する視野の大きさが１．０９ｍｍであったため、この視野内で観察される縦割れＣｖの本数、及び、横割れＣｈの最大長さを取得した。

試験片Ａ、試験片Ｂ、試験片Ｃ、及び試験片Ｄについての溶射時温度Ｔａ以外の溶射条件は、次のとおりである。
試験片Ａ乃至Ｄは、図４Ｂに示すような円筒型の試験片であり、試験片Ａ乃至Ｄの外周部に形成されたボンドコート層７上に、トップコート層９を懸濁液による高速フレーム溶射によって形成した。
溶射ガン３０のトラバース速度は、１００ｍｍ／秒である。トップコート層９の膜厚は、０．５ｍｍである。円筒型の試験片の回転速度は、１２００ｒｐｍである。
なお、試験片の溶射に際し、溶射ガン３０は、図４Ｂにおける図示上下方向の一方側の成膜開始位置から他方側に移動させながら成膜する。溶射ガン３０が他方側の成膜終了位置に到着した後には、溶射ガン３０を図４Ｂにおける紙面奥行き方向に移動させて燃焼炎ジェット流ＣＦが試験片にあたらないように退避させ、その後、図４Ｂにおける図示上下方向の一方側に向けて移動させる。そして、溶射ガン３０を図４Ｂにおける紙面奥行き方向に移動させて成膜開始位置まで戻し、以降、上述した動作を繰り返すことでトップコート層９を形成する。

図６に示すように、溶射時温度Ｔａを４５０℃以下とすることで、トップコート層９の熱伝導率を電子ビーム物理蒸着によって形成した場合と同等以下とすることができる。
なお、図６に示すように、溶射時温度Ｔａを４００℃以下とすることで、トップコート層９の熱伝導率をさらに低下させることができる。
図７に示すように、溶射時温度Ｔａを４００℃以下とすることで、トップコート層９の剥離限界温度差ΔＴを電子ビーム物理蒸着によって形成した場合と同等以上とすることができる。
なお、トップコート層９の剥離限界温度差ΔＴは、図７における相対値として０．８程度であってもよいので、溶射時温度Ｔａを４５０℃以下とすることで、トップコート層９の剥離限界温度差ΔＴを要求される温度差以上とすることができる。
したがって、溶射時温度Ｔａは、４５０℃以下にするとよく、４００℃以下にするとさらによい。

図８及び図１０Ｂに示すように、溶射時温度Ｔａが高くなるほど横割れＣｈの長さが大きくなる傾向にあることが分かる。そして、横割れＣｈの長さが大きくなるほどトップコート層９の剥離限界温度差ΔＴが低下する傾向にあることが分かる。横割れＣｈが成長してトップコート層９の剥離の原因となって、熱サイクル耐久性を低下させてしまうため、横割れＣｈの長さは小さい方が望ましい。なお、図８に示す各プロットは、図１０Ｂに示したデータに基づくものである。

なお、図１０Ａに示すように、溶射時温度Ｔａが高くなるほど面方向に分散する縦割れＣｖの密度は大きくなる。面方向に分散する縦割れＣｖの密度は、大きい方が熱サイクル耐久性が高くなるが、面方向に分散する縦割れＣｖの密度を大きくしようとすると横割れＣｈの長さが長くなる傾向にある。そのため、面方向に分散する縦割れＣｖの密度は、４本／ｍｍ程度であればよい。

図９に示すように、溶射時温度Ｔａが低くなると、溶射１パスあたりの付着膜厚が小さくなる。そのため、溶射時温度Ｔａが低くなると、トップコート層９の生産性が低下する。
図９に示すように、溶射時温度Ｔａが３００℃を下回ると、溶射時温度Ｔａが４５０℃である場合と比べて溶射１パスあたりの付着膜厚は、１／２以下となる。
そのため、溶射時温度Ｔａは、３００℃であることが望ましい。

（耐熱部材１の冷却について）
図１１は、耐熱部材１の冷却に関する実施例について説明するための図である。
図１２Ａは、複数の耐熱部材１の冷却に関する実施例について説明するための図である。
図１２Ｂは、複数の耐熱部材１の冷却に関する他の実施例について説明するための図である。
図１３は、耐熱部材１の冷却に関する実施例について説明するための図である。
図１４は、耐熱部材１の冷却に関する実施例について説明するための図である。

図１１に示すように、例えば、板状の耐熱部材１の一方の面にトップコート層９を形成する場合、該一方の面とは反対側の他方の面に向けて冷却媒体ＣＭを吹き出すことで耐熱部材１を冷却するようにしてもよい。

図１２Ａ及び図１２Ｂに示すように、トップコート層９を形成する工程Ｓ２０では、治具９３、９４に複数取り付けられた耐熱部材１に対して順次溶射することでトップコート層９を形成してもよい。
これにより、複数の耐熱部材１に対してトップコート層９を効率的に形成できる。

すなわち、図１２Ａに示すように、複数の耐熱部材１を並べて配置しておき、溶射の１パスで複数の耐熱部材１に対して溶射するようにしてもよい。この場合、例えば直線状又は面状に並べて配置した複数の耐熱部材１を治具９３で保持するようにしてもよい。
図１２Ａに示すように、複数並べて配置された耐熱部材１における、トップコート層９を形成する面とは反対側の面に向けて冷却媒体ＣＭを吹き出すことで各耐熱部材１を冷却するようにしてもよい。
なお、図１２Ａに示すように、複数の耐熱部材１を並べて配置しておき、溶射の１パスで複数の耐熱部材１に対して溶射するようにした場合、溶射のパスと、その次のパスとの施工間隔が一つの耐熱部材１に対して溶射する場合と比べて長くなるので、トップコート層９の温度が上がりにくい。そのため、冷却媒体ＣＭを吹き出すことで各耐熱部材１を冷却しなくても溶射時温度Ｔａが上述した温度範囲を保つことができるのであれば、冷却媒体ＣＭによる冷却は必須ではない。

図１２Ｂに示すように、環状に並べて配置された複数の耐熱部材１と溶射ガン３０とを相対的に回転させることで、複数の耐熱部材１に対して溶射するようにしてもよい。この場合、例えば環状に並べて配置した複数の耐熱部材１を治具９４で保持するようにしてもよい。すなわち、この治具９４は、環状に配置した複数の耐熱部材１を保持可能であるとよい。そして、トップコート層９を形成する工程Ｓ２０では、この治具９４に保持された複数の耐熱部材１と溶射ガン３０とを相対的に回転させながら複数の耐熱部材１に対して順次溶射するとよい。

なお、環状に並べて配置された複数の耐熱部材１を固定しておき、溶射ガン３０を回転させることで溶射をしてもよく、溶射ガン３０を固定しておき、環状に並べて配置された複数の耐熱部材１を回転させることで溶射をしてもよい。
複数の耐熱部材１を回転させる場合、各耐熱部材１と周囲の空気との間で速度の差が生じるので、各耐熱部材１に空気を吹きつけた場合と同様の冷却効果が得られて、各耐熱部材１を効率的に冷却できる。

例えば図１３及び図１４に示すように、例えばいわゆるフィルム冷却孔のように、耐熱部材１が耐熱合金基材５の表面に開口した複数の孔１１０を有する場合、複数の孔１１０から気体（冷却媒体ＣＭ）を噴出させながらトップコート層９を形成するようにしてもよい。
これにより、溶射時温度Ｔａを上述した温度範囲に制御し易くなるので、遮熱コーティング３における遮熱性や熱サイクル耐久性等の性能が安定する。

なお、例えば図２に示した燃焼器パネル１Ａのように、燃焼器パネル１Ａの一方の面と他方の面とに連通する複数の孔が設けられているのであれば、例えば図１３に示すように、トップコート層９を形成する面とは反対側の面に気体を噴射することで複数の孔１１０から気体を噴出させるようにしてもよい。

また、例えばタービン翼において複数の孔１１０がタービン翼における翼の内部の冷却通路と連通している場合のように、複数の孔１１０が耐熱部材１の内部の通路１２０と連通している場合（図１４参照）、複数の孔１１０に連通する通路１２０に気体（冷却媒体ＣＭ）を供給することで複数の孔１１０から気体を噴出させるようにしてもよい。

（冷却媒体ＣＭについて）
幾つかの実施形態では、冷却媒体ＣＭは、圧縮機で圧縮した圧縮空気であってもよい。
圧縮機で圧縮した圧縮空気でれば、冷却媒体ＣＭの確保が容易であり、冷却のためのコスト増を抑制できる。
なお、冷却媒体ＣＭとしての圧縮空気は、工場の動力用の圧縮空気を生成するための圧縮機で圧縮した圧縮空気であってもよく、耐熱部材１の冷却のために設置した圧縮機で圧縮した圧縮空気であってもよい。

また、幾つかの実施形態では、冷却媒体ＣＭは、ドライアイスを含んでいてもよい。
すなわち、冷却媒体ＣＭは、粒径が比較的小さいドライアイスの粒又は粉末を圧縮空気で搬送するようにしたものであってもよく、ドライアイスが気化した比較的温度が低い二酸化炭素であってもよい。
これにより、トップコート層９の形成時にトップコート層９の温度が上がり過ぎるおそれが少なくなり、遮熱コーティング３における遮熱性や熱サイクル耐久性等の性能が安定する。

（耐熱合金基材５の表面に開口した複数の孔１１０の閉塞抑制について）
上述したように、幾つかの実施形態に係る耐熱部材１では、例えばフィルム冷却を行うために、耐熱部材１の表面には複数の孔１１０（以下、冷却孔１１０とも称する）が開口していることがある。このような耐熱部材１の場合には、遮熱コーティングの形成工程において遮熱コーティングの材料（溶射材）が冷却孔１１０に侵入して冷却孔１１０を閉塞してしまうのを防ぐ必要がある。そのため、例えばマスキングピンを予め各冷却孔１１０に挿入しておけば、遮熱コーティングの形成工程において遮熱コーティングの材料が各冷却孔１１０に侵入することを防止できる。

しかし、マスキングピンを用いた場合、遮熱コーティングの形成後にマスキングピンを各冷却孔１１０から除去しなければならない。そのため、耐熱部材１における冷却孔１１０の数が増えるほど、マスキングピンを除去する手間が増えてしまう。そのため、より簡易な方法で遮熱コーティングの形成工程において冷却孔１１０が閉塞することを防止できるようにすることが望まれている。

そこで、幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングの施工方法では、例えばボンドコート層７を形成する工程Ｓ１０において、耐熱合金基材５の表面に開口した複数の孔１１０から気体を噴出させながら、耐熱合金基材５上にボンドコート層７を溶射によって形成するとよい。すなわち、幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングの施工方法では、例えばボンドコート層７を形成する工程Ｓ１０は、複数の孔１１０から気体を噴出させながら、耐熱合金基材５上にボンドコート層７を溶射によって形成する工程であってもよい。
このように、複数の孔１１０から気体を噴出させながらボンドコート層７を形成することで、これら複数の孔１１０へのボンドコート層７の材料（溶射材）の侵入が抑制される。これにより、ボンドコート層７を形成する工程Ｓ１０において、これら複数の孔１１０がボンドコート層７の材料で閉塞することを抑制できる。

なお、上述したように、例えばボンドコート層７を形成する工程Ｓ１０において、複数の孔１１０から気体を噴出させながら、耐熱合金基材５上にボンドコート層７を高速フレーム溶射によって形成するとよい。
これにより、複数の孔１１０がボンドコート層７の材料で閉塞することを抑制しつつ、ボンドコート層７を高速フレーム溶射によって形成できる。

また、幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングの施工方法では、例えばトップコート層９を形成する工程Ｓ２０において、耐熱合金基材５の表面に開口した複数の孔１１０から気体を噴出させながら、耐熱合金基材５上に形成されたボンドコート層７上にトップコート層９を溶射によって形成するとよい。すなわち、幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングの施工方法では、例えばトップコート層９を形成する工程Ｓ２０は、複数の孔１１０から気体を噴出させながら、耐熱合金基材５上に形成されたボンドコート層７上にトップコート層９を溶射によって形成する工程であってもよい。
このように、複数の孔１１０から気体を噴出させながらトップコート層９を形成することで、これら複数の孔１１０へのトップコート層９の材料（溶射材、すなわちセラミックス粉末）の侵入が抑制される。これにより、トップコート層９を形成する工程Ｓ２０において、これら複数の孔１１０がトップコート層９の材料で閉塞することを抑制できる。
また、トップコート層９を形成する工程Ｓ２０において、溶射によってトップコート層９の温度が過度に上昇すると上述したような不都合が生じるおそれがある場合には、複数の孔１１０から気体を噴出させることでトップコート層９の温度の過度な上昇を抑制できる。

なお、上述したように、例えばトップコート層９を形成する工程Ｓ２０において、複数の孔１１０から気体を噴出させながら、セラミックス粉末を含む懸濁液を高速フレーム溶射によって溶射することでトップコート層９を形成するとよい。
これにより、電子ビーム物理蒸着によってボンドコート層７上にトップコート層９を形成した場合と比べて、低いランニングコストで、且つ、より短時間でトップコート層９を形成できる。また、トップコート層９を懸濁液による高速フレーム溶射によって形成するようにすれば、トップコート層９を形成するための設備の導入コストも大幅に抑制できる。

なお、上述したように、例えば図２に示した燃焼器パネル１Ａのように、燃焼器パネル１Ａの一方の面と他方の面とに連通する複数の孔が設けられている場合、例えば図１３に示すように、トップコート層９を形成する面とは反対側の面に気体を噴射することで複数の孔１１０から気体を噴出させるようにすればよい。これにより、複数の孔から気体を容易に噴出させることができる。

また、図１４に示すように、複数の孔１１０が耐熱部材１の内部の通路１２０と連通している場合、上述したように、複数の孔１１０に連通する通路１２０に気体（冷却媒体ＣＭ）を供給することで複数の孔１１０から気体を噴出させるようにしてもよい。この通路１２０に気体を供給することで複数の孔１１０から気体を容易に噴出させることができる。

上述したような、遮熱コーティングの形成工程において複数の孔から気体を噴出させることで冷却孔１１０が溶射材で閉塞することを抑制することは、溶射の方式を問わず有効である。すなわち、例えば、大気圧プラズマ溶射（ＡＰＳ）、高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）、懸濁液による大気圧プラズマ溶射（Ｓ－ＡＰＳ）、及び、懸濁液による高速フレーム溶射（Ｓ－ＨＶＯＦ）等の溶射において有効である。

図１５は、複数の孔１１０に対する溶射時の施工角度について説明するための模式的な図である。
幾つかの実施形態において、孔１１０に対する溶射時の施工角度θａとは、孔１１０の延在方向と溶射材の噴射方向（溶射ガン３０のノズル３１の延在方向）との角度の差である。
幾つかの実施形態において、孔１１０の傾斜角度θｂとは、耐熱合金基材５の表面５ａの延在方向と孔１１０の延在方向との角度の差である。

施工角度θａが９０度付近では孔１１０が溶射材で閉塞してしまい、施工角度θａが９０度から徐々に小さくなって０度に近づくにつれて、孔１１０が閉塞し難くなる傾向にある。
また、例えば大気圧プラズマ溶射（ＡＰＳ）では、高温のプラズマジェットを利用し、溶射材を溶融させて基材に付着させるようにしている。これに対し、例えば高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）や懸濁液による高速フレーム溶射（Ｓ－ＨＶＯＦ）では、溶射材を超音速度で基材に衝突させて付着させるようにしている。そのため、施工角度θａが９０度から徐々に小さくなるにしたがって、例えば高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）や懸濁液による高速フレーム溶射（Ｓ－ＨＶＯＦ）の方が、例えば大気圧プラズマ溶射（ＡＰＳ）よりも孔１１０が閉塞し難くなる傾向にある。

なお、幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングの施工方法では、トップコート層９を形成する工程Ｓ２０において、孔の延在方向と溶射材の噴射方向との角度の差、すなわち施工角度θａを０度以上８０度以下に設定して溶射するとよい。

発明者らが鋭意検討した結果、孔１１０がトップコート層９の材料で閉塞することを抑制するためには、施工角度θａを０度以上８０度以下に設定して溶射すると一層よいことが判明した。
したがって、幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングの施工方法では、施工角度θａを０度以上８０度以下に設定して溶射することで、孔１１０がトップコート層の材料で閉塞することを効果的に抑制できる。

幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングの施工方法では、孔１１０の直径は、０．５ｍｍより大きい（たとえば０．５３３ｍｍ以上）とよい。

発明者らが鋭意検討した結果、後述するように、孔１１０がトップコート層９の材料で閉塞することを抑制するためには、孔１１０の直径が０．５ｍｍより大きい（たとえば０．５３３ｍｍ以上）と一層よいことが判明した。
したがって、幾つかの実施形態に係る遮熱コーティングの施工方法では、孔１１０の直径を０．５ｍｍより大きく（たとえば０．５３３ｍｍ以上）なるように設定して溶射することで、孔１１０がトップコート層９の材料で閉塞することを効果的に抑制できる。

図１６は、孔１１０の孔径（直径）と溶射材による孔１１０の閉塞率との関係についての実験結果を示すグラフである。
図１６に示す結果は、孔１１０の傾斜角度θｂが３０度であり、施工角度θａが６０度ある場合に、溶射方式の違いや孔１１０からの気体（空気）の噴出の有無による孔１１０の閉塞率を示している。
図１６に結果を示す実験では、上記耐熱合金基材５に相当する耐熱合金の試験片の表面にボンドコート層７とトップコート層９とを順に形成した。図１６に結果を示す実験では、トップコート層９は、膜厚の目標値を実機における膜厚と同等に設定して、懸濁液による高速フレーム溶射によって形成した。

図１６に示すグラフの縦軸の閉塞率は、トップコート層９の形成後における孔１１０の孔径Ｄａをボンドコート層７の形成後における孔１１０の孔径Ｄｂで除した値の百分率である。なお、ボンドコート層７の形成後における孔１１０の孔径Ｄｂは、ボンドコート層７の溶射材によって孔１１０の一部が閉塞しているため、ボンドコート層７の形成前の孔１１０の孔径よりも小さくなる傾向にある。
図１６に示すグラフの横軸の孔径は、ボンドコート層７の形成前の孔１１０の孔径である。

図１６に示すように、孔１１０から空気を噴出させずに溶射した場合、孔１１０の孔径が０．５ｍｍ以下であると、閉塞率は１００％となってしまうが、孔１１０の孔径が０．５ｍｍより大きい（たとえば０．５３３ｍｍ以上）と、閉塞率は、５０％程度よりも下回る。
また、図１６に示すように、孔１１０から空気を噴出させずに溶射した場合、トップコート層９を大気圧プラズマ溶射で形成した場合よりもトップコート層９を懸濁液による大気圧プラズマ溶射で形成した場合の方が閉塞率は、小さくなる。図１６に示すように、孔１１０から空気を噴出させずに溶射した場合、トップコート層９を懸濁液による大気圧プラズマ溶射で形成した場合よりもトップコート層９を懸濁液による高速フレーム溶射で形成した場合の方が閉塞率は、小さくなる。

図１６に示すように、トップコート層９を懸濁液による大気圧プラズマ溶射で形成した場合、及び、トップコート層９を懸濁液による高速フレーム溶射で形成した場合には、孔１１０から空気を噴出させずに溶射した場合よりも孔１１０から空気を噴出させながら溶射した場合の方が閉塞率は、小さくなる。

本開示は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。

上記各実施形態に記載の内容は、例えば以下のように把握される。
（１）本開示の少なくとも一実施形態に係る遮熱コーティングの施工方法は、耐熱合金基材５の表面５ａに開口した複数の孔１１０から気体を噴出させながら、耐熱合金基材５上に形成されたボンドコート層７上にトップコート層９を溶射によって形成する工程（Ｓ２０）を備える。

上記（１）の方法によれば、複数の孔１１０から気体を噴出させながらトップコート層９を形成することで、これら複数の孔１１０へのトップコート層９の材料の侵入が抑制される。これにより、トップコート層９を溶射によって形成する工程（Ｓ２０）において、これら複数の孔１１０がトップコート層９の材料で閉塞することを抑制できる。
また、トップコート層９を溶射によって形成する工程（Ｓ２０）において、溶射によってトップコート層９の温度が過度に上昇すると不都合が生じるおそれがある場合には、複数の孔１１０から気体を噴出させることでトップコート層９の温度の過度な上昇を抑制できる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の方法において、トップコート層９を溶射によって形成する工程（Ｓ２０）では、耐熱合金基材５の上記表面５ａとは反対側の面に気体を噴射することで上記複数の孔１１０から気体を噴出させるようにしてもよい。

上記（２）の方法によれば、上記複数の孔１１０の一方端が耐熱合金基材５の上記表面５ａに開口していて、他方端が上記反対側の面に開口していれば、上記複数の孔１１０から気体を容易に噴出させることができる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（１）の方法において、トップコート層９を溶射によって形成する工程（Ｓ２０）では、上記複数の孔１１０に連通する通路１２０に気体を供給することで上記複数の孔１１０から気体を噴出させるようにしてもよい。

上記（３）の方法によれば、上記通路１２０に気体を供給することで上記複数の孔１１０から気体を容易に噴出させることができる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（３）の何れかの方法において、トップコート層９を溶射によって形成する工程（Ｓ２０）では、上記孔１１０の延在方向と溶射材の噴射方向との角度の差（施工角度θａ）を０度以上８０度以下に設定して溶射するとよい。

発明者らが鋭意検討した結果、孔１１０がトップコート層９の材料で閉塞することを抑制するためには、上記孔１１０の延在方向と溶射材の噴射方向との角度の差（施工角度θａ）を０度以上８０度以下に設定して溶射すると一層よいことが判明した。
上記（４）の方法によれば、孔１１０がトップコート層９の材料で閉塞することを効果的に抑制できる。

（５）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（４）の何れかの方法において、上記孔１１０の直径は、０．５ｍｍより大きい（例えば、０．５３３ｍｍ以上）とよい。

発明者らが鋭意検討した結果、孔１１０がトップコート層９の材料で閉塞することを抑制するためには、上記孔１１０の直径が０．５ｍｍより大きい（例えば、０．５３３ｍｍ以上）と一層よいことが判明した。
上記（５）の方法によれば、孔１１０がトップコート層９の材料で閉塞することを効果的に抑制できる。

（６）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（５）の何れかの方法において、トップコート層９を溶射によって形成する工程（Ｓ２０）では、セラミックス粉末を含む懸濁液を高速フレーム溶射によって溶射することでトップコート層９を形成してもよい。

上記（６）の方法によれば、電子ビーム物理蒸着によってボンドコート層７上にトップコート層９を形成した場合と比べて、低いランニングコストで、且つ、より短時間でトップコート層９を形成できる。また、上記（６）の方法によれば、トップコート層９を形成するための設備の導入コストも大幅に抑制できる。

（７）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（６）の何れかの方法において、上記複数の孔１１０から気体を噴出させながら、耐熱合金基材５上にボンドコート層７を溶射によって形成する工程（Ｓ１０）をさらに備えていてもよい。

上記（７）の方法によれば、複数の孔１１０から気体を噴出させながらボンドコート層７を形成することで、これら複数の孔１１０へのボンドコート層７の材料の侵入が抑制される。これにより、ボンドコート層７を溶射によって形成する工程において、これら複数の孔１１０がボンドコート層７の材料で閉塞することを抑制できる。

（８）幾つかの実施形態では、上記（７）の方法において、ボンドコート層７を溶射によって形成する工程（Ｓ１０）では、耐熱合金基材５上にボンドコート層７を高速フレーム溶射によって形成してもよい。

上記（８）の方法によれば、複数の孔１１０がボンドコート層７の材料で閉塞することを抑制しつつ、ボンドコート層７を高速フレーム溶射によって形成できる。

（９）本開示の少なくとも一実施形態に係る耐熱部材１は、上記（１）乃至（８）の何れかの方法による遮熱コーティングの施工方法によって形成されたトップコート層９を有する。

上記（９）の構成によれば、複数の孔１１０がトップコート層９の材料で閉塞することが抑制されているので、フィルム冷却による耐熱部材１の冷却の信頼性を高められる。

１ 耐熱部材
３ 遮熱コーティング
５ 耐熱合金基材（母材）
７ 金属結合層（ボンドコート層）
９ トップコート層
２０ 溶射ブース
３０ 溶射ガン
５０ 移動装置
７０ 集塵フード
８１ 冷却ノズル
９３、９４ 治具

Claims (9)

1. 耐熱合金基材の表面に開口した複数の孔から気体を噴出させながら、前記耐熱合金基材上に形成されたボンドコート層上にトップコート層を溶射によって形成する工程
   を備える
   遮熱コーティングの施工方法。
2. 前記トップコート層を溶射によって形成する工程では、前記耐熱合金基材の前記表面とは反対側の面に前記気体を噴射することで前記複数の孔から前記気体を噴出させる
   請求項１に記載の遮熱コーティングの施工方法。
3. 前記トップコート層を溶射によって形成する工程では、前記複数の孔に連通する通路に前記気体を供給することで前記複数の孔から前記気体を噴出させる
   請求項１に記載の遮熱コーティングの施工方法。
4. 前記トップコート層を溶射によって形成する工程では、前記孔の延在方向と溶射材の噴射方向との角度の差を０度以上８０度以下に設定して溶射する
   請求項１乃至３の何れか一項に記載の遮熱コーティングの施工方法。
5. 前記孔の直径は、０．５ｍｍより大きい
   請求項１乃至４の何れか一項に記載の遮熱コーティングの施工方法。
6. 前記トップコート層を溶射によって形成する工程では、セラミックス粉末を含む懸濁液を高速フレーム溶射によって溶射することで前記トップコート層を形成する
   請求項１乃至５の何れか一項に記載の遮熱コーティングの施工方法。
7. 前記複数の孔から気体を噴出させながら、前記耐熱合金基材上に前記ボンドコート層を溶射によって形成する工程
   をさらに備える
   請求項１乃至６の何れか一項に記載の遮熱コーティングの施工方法。
8. 前記ボンドコート層を溶射によって形成する工程では、前記耐熱合金基材上に前記ボンドコート層を高速フレーム溶射によって形成する
   請求項７に記載の遮熱コーティングの施工方法。
9. 請求項１乃至８の何れか一項に記載の遮熱コーティングの施工方法によって形成された前記トップコート層を有する耐熱部材。

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