JP4481542B2 - 被覆後表面仕上げを容易にする高密度縦裂遮熱コーティング法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は総括的にはタービン部品に関し、具体的には、タービン動翼、静翼等に施工される皮膜に関する。
【０００２】
【発明の技術的背景】
いわゆる高密度縦裂（ＤＶＣ）遮熱コーティング（ＴＢＣ）はセラミック皮膜であり、その定義通り、高密度で硬く、研磨しにくい。その例は、米国特許第６０４７５３９号及び同第５８３０５８６号にみられる。また、米国特許第５２８１４８７号、同第５８９７９２１号、同第５９８９３４３号及び同第６０２２５９４号も参照されたい。ただし、所要の構造特性（すなわち、所望の機械的及び熱的性質をコーティングにもたらす特性）を達成するために用いられる溶射法（典型的にはプラズマ溶射法）は空力的に不都合な粗い表面を生ずる。この方法の厚さ制御能力も設計上必要とされる限度に満たない。そこで、施工される皮膜を目的の最終製品よりも厚くし、厚さと表面粗さが共に所要限度内に収まるように皮膜を機械的に研磨（「仕上げ」）できるようにしなければならない。この作業は、ダイヤモンド埋込ディスクで余分な材料を除去する手作業を必要とし、困難で、時間と費用がかかることが分かっており、「仕上げ過ぎ」、つまり所要の厚さよりも薄くなるまで研磨してしまうことから再加工を要することが多い。
【０００３】
本発明者らの把握している従来の取り組みはすべて、仕上げ作業に用いる有効な媒体（すなわち、ダイヤモンド以外のセラミック）を見出すことに集中していたように思われる。
【０００４】
【発明の概要】
本発明では、「慣用」の仕上げ技術と材料によって容易に除去できるＴＢＣの薄くて軟らかい（すなわち低密度）犠牲外層を形成する。この化学組成が同一の薄い軟質犠牲層を施工できれば、表面仕上げ作業をより迅速に行うことができる。犠牲層はその下の十分に高密度な皮膜層よりも格段に除去しやすいので、固有の「フェイルセーフ」指針となる。換言すれば、仕上げ作業員は除去が突然難しくなることで即座に犠牲層の大半が除去されたことに気づき、最小厚さ限界に近づきつつあることの警告となる。したがって、この方法は「オーバーブレンディング」（すなわち、仕上げ作業中に皮膜を除去しすぎて最小厚さ条件を下回る結果となること）のおそれを最小限に抑えるはずである。この軟質外層は容易かつ迅速に除去されるので、部品の仕上げに要する時間及びダイヤモンド埋込ディスクの数が約５０％減る。この技術は、軟質外層が硬質下層の表面凹凸又は「ポケット」を充填するので表面粗さ条件の達成も容易となり、一段と滑らかな表面を与える。
【０００５】
そこで、広義の態様では、本発明は、機械部品に遮熱コーティングを施工する方法であって、
（ａ）部品から第１距離でノズルを用いて、部品に遮熱コーティングの複数の層を施工する段階、及び
（ｂ）部品から第１距離よりも長い第２距離でノズルを用いて、部品に遮熱コーティングの外層を施工する段階
を含んでなる方法に関する。
【０００６】
本発明は、別の態様では、機械部品を被覆及び表面仕上げして所定の厚さ及び表面粗さの最終皮膜を得る方法であって、
（ａ）部品から第１距離で溶射ノズルを用いて、部品にセラミック遮熱コーティング層の複数の層を溶射する段階、
（ｂ）部品から第１距離よりも長い第２距離で溶射ノズルを用いて、部品にセラミック遮熱コーティングの外層を溶射する段階、及び
（ｃ）外層を研磨して外層の一部又は全部を除去し、所定の最終皮皮膜厚さ及び表面粗さとする段階
を含んでなる方法に関する。
【０００７】
さらに別の態様では、本発明は、タービン部品に高密度硬質セラミック遮熱コーティングを施工する方法であって、
（ａ）部品から第１距離でプラズマ溶射トーチを用いて、タービン部品にセラミック遮熱コーティングの複数の層を溶射する段階、
（ｂ）タービン部品からの距離がさらに長い第２距離でプラズマ溶射トーチを用いて、タービン部品にセラミック遮熱コーティングの犠牲層をプラズマ溶射し、複数層よりも密度の低い犠牲層を形成する段階、及び
（ｃ）犠牲層を研磨して犠牲層の一部又は全部を除去し、所望の最終皮膜厚及び表面粗さとする段階
を含んでなる方法に関する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本方法はセラミック遮熱コーティング（ＴＢＣ）に係る。遮熱コーティングは、被覆すべき特定の部品専用に設計されたプログラムを用いて、１回に１層ずつ一連の層として施工される。
【０００９】
本発明の一実施形態では、セラミック材料は、複数の層をプラズマ溶射して堆積したイットリア安定化ジルコニア（６〜８重量％のイットリア、残部ジルコニアの組成）のような金属酸化物でよい。しかし、本発明は、金属炭化物、金属窒化物その他のセラミック材料を含む他のＴＢＣ材料にも適用できる。１層は、プラズマ溶射トーチの１回のパスで、所定の平面又は単位面積に堆積されるセラミック材料の厚さと定義される。基板表面をＴＢＣで完全に被覆しかつ必要な厚さのＴＢＣを得るため、ＴＢＣ堆積時にプラズマ溶射トーチと基板を相対移動させるのが概して望ましい。これは、トーチと基板のいずれか又は両方を移動する形態をとることができ、スプレー塗装に用いられる方法と類似している。こうした移動は、所定のプラズマ溶射トーチの溶射パターンが有限の面積（例えば、トーチ溶射帯）に限られることと相俟って、ＴＢＣが複数の層に堆積されるという結果をもたらす。
【００１０】
ある例示的な実施形態では、本方法は、再現性のためのロボット運転を伴うコンピュータ制御プログラムを使用し、被覆すべき部品から約４．５インチの距離に位置するトーチ又はノズルを用いて８回の溶射パスを行う。
【００１１】
この方法は、均一な硬い高密度セラミック皮膜を生じ、１パス当たり約０．００２インチずつ厚みを加え、合計厚さ約０．０１６インチとなる。これにより、所要の表面粗さと厚さの仕様を達成するのに要する表面仕上げ作業に際して、約０．００２インチ研磨できるようになる。
【００１２】
本発明は、かかる公知の方法に改良を加えたものである。具体的には、本発明は、最後のパスを約１１．０インチの距離（先行８回パスの距離の２倍を上回る）から行うことを除いては先行パスすべてと同じパラメータ及び移動を用いたプラズマ溶射トーチの追加パスを１回加える。この距離の増加により、密度の低い（すなわち、多孔性の）外側の「犠牲」層が生ずる。多孔性の増大により、この外層はより軟らかく研磨しやすくなる。この比較的軟らかい外層は、慣用の表面仕上げ材を用いて、下層の高密度層を同じ厚さ除去するのに要する時間の約半分の時間で除去できる。実際、高密度下層の研磨に比べて、この外層の除去にはほとんど労力を要しないので、作業員への「自動警告」となる。具体的には、硬さの変化は、軟らかい皮膜と硬い皮膜の皮膜除去に要する労力に反映されるので、作業員には、軟らかい層がなくなって隣接する硬質層を加工していることがはっきりと分かる。この効果により、無駄な付加価値のない表面仕上げとなる皮膜の過度の加工及び／又は剥離と再被覆とが必要となってしまう厚さ最小値を超えた過度の加工が低減するはずである。
【００１３】
通例、厚さ及び表面粗さの仕様を満たすために、外犠牲層の大半が除去される（場合によっては、外層をすべて除去してもよい）。しかし、残存する外層材料は、隣接する硬質下層の表面凹凸又は「ポケット」を充填し、より滑らかな表面を与える。このようにして、従前必要とされた労力よりも格段に少ない労力で、所望の厚さと表面仕上げ特性とを共に得ることができる。
【００１４】
この方法を使用した皮膜の品質を、生産基準に照らして金属組織学的に評価したところ、現行品と同等であることが分かった。
【００１５】
製品記録によれば、従来のＤＶＣ−ＴＢＣで被覆した一つのタービンバケットの表面を研磨して所要の表面仕上げとするのに、ダイヤモンド埋込ディスクが平均１．７枚使用される。所要の表面仕上げを達成するのに約０．２４５労働時間を要する。「オーバーブレンディング」（作業員が皮膜を最小厚さ限界よりも薄く研磨した）の結果、加工したバケットの１．４４％が剥離及び再被覆を必要とした。本発明の新規被覆方法を評価したところ、一つのタービンバケットを所要の表面仕上げとするのに平均１．１枚のダイヤモンド埋込ディスクを要し、この軟質外層を有する一つのタービンバケットに要した平均仕上げ時間は０．１５３労働時間であることが分かった。
【００１６】
以上、現時点で最も実用的で好ましいと思料される実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明は開示した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された技術的思想及び技術的範囲に属する様々な変更及び均等な構成を包含する。

Claims (10)

1. 機械部品に縦裂セラミック遮熱コーティングを施工する方法であって、
   （ａ）部品から第１距離でノズルを用いて、部品にセラミック遮熱コーティングの複数の層を施工する段階、
   （ｂ）部品から第１距離よりも長い第２距離でノズルを用いて、上記複数の層と同じ化学組成のセラミック遮熱コーティングの犠牲外層を部品に施工する段階、及び
   （ｃ）上記犠牲外層の一部又は全部を除去して表面粗さ及び厚さの仕様を達成する段階
   を含んでなる方法。
2. 第２距離が第１距離の２倍を上回る、請求項１記載の方法。
3. 前記複数層及び外層の各々をプラズマ溶射で施工する、請求項１又は請求項２記載の方法。
4. 前記複数の層の各々が厚さ０．００２インチ（０．０５１ｍｍ）である、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の方法。
5. 前記外層が前記複数の層よりも低密度である、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の方法。
6. 前記段階（ｃ）において、残存する外層材料がその硬質の下層の表面凹凸を充填して滑らかな表面を与えるように前記外層を研磨して外層の一部又は全部を除去することを含む、請求項５記載の方法。
7. 段階（ｃ）の前の外層が厚さ０．００２インチ（０．０５１ｍｍ）である、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の方法。
8. 前記機械部品がタービン部品である、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載の方法。
9. 前記セラミック遮熱コーティングがイットリア安定化ジルコニアからなる、請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載の方法。
10. タービン部品に高密度硬質縦裂セラミック遮熱コーティングを施工する方法であって、
    （ａ）部品から第１距離でプラズマ溶射トーチを用いて、タービン部品にセラミック遮熱コーティングの複数の層を溶射する段階、
    （ｂ）タービン部品からの距離がさらに長い第２距離でプラズマ溶射トーチを用いて、上記複数の層と同じ化学組成のセラミック遮熱コーティングの犠牲層をタービン部品にプラズマ溶射し、上記複数の層よりも密度の低い犠牲層を形成する段階、及び
    （ｃ）犠牲層を研磨して犠牲層の一部又は全部を除去し、所望の最終皮膜厚及び表面粗さとする段階
    を含んでなる方法。