JP4509085B2 - コーティング方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は保護コーティングに関する。より詳細には、本発明は、金属基体に保護コーティングを適用することに関する。

航空宇宙産業において、金属基体に保護コーティングを適用することは周知である。代表的なコーティング（被膜）は、磨耗保護、断熱、化学物質保護のうちの１つ又はより多くの保護を与えるよう構成されるものであってよい。代表的な基体材料は、ニッケル基超合金、コバルト基超合金、あるいは鉄基超合金などである。コーティング材料は、用途に応じて変更可能である。例示的な耐磨耗性コーティングには、カーバイドベースのコーティングとＭＣｒＡｌＹコーティングが含まれる。そのようなコーティングは、単一層として、あるいは多層として適用することができる。ＭＣｒＡｌＹコーティングも又、（例えば、セラミックのトップコートを有する）多層型の断熱被膜中のボンドコート層として使用されることが知られている。代表的な適用方法には、高速フレーム溶射法（ＨＶＯＦ）などの高温溶射法が含まれる。

コーティングを適用する間、基体のある領域にマスキング材を施し、マスキングした領域がコーティングされないようにすることが必要とされる場合が多々ある。適用されるとき、コーティングが、基体とマスキング材の隣接する部分との間にまたがる場合が多い。コーティングを堆積させる際の温度に耐えるよう、代表的なマスキング材は金属製である。マスキング材を除去する際に、コーティング材とマスキング材との間の密着力によって、基体に沿ったコーティングが、欠け落ち（ｃｈｉｐｐｉｎｇ）や、層間はく離やその他の損傷を受ける可能性がある。

フサロ，ジュニア等（Ｆｕｓａｒｏ， Ｊｒ． ｅｔ ａｌ．）の米国特許第６，５９２，９４８号明細書において、断熱コーティングのための多要素／多段階マスキングシステムが確認されている。その代表的なシステムは、金属箔シートと耐久性テープとの組み合わせを利用するものである。
米国特許第６，５９２，９４８号明細書

本発明の目的は、適用したコーティングに損傷を与えずにマスクの除去が可能なコーティング方法を提供することである。

本発明の部品をコーティングするための方法は、セラミックマスク材をその部品の第１の表面部分に適用することを含む。コーティングは、その部品の第２の表面部分に適用され、かつ、少なくとも部分的に上記マスクをコーティングする。マスクは、破壊的に除去される。

様々な実施形態において、マスク材はクランプで部品に対して保持することができる。適用法には、区画内への挿入によることが含まれてもよい。マスク材の除去にはシャタリング（ｓｈａｔｅｒｒｉｎｇ）によることが含まれてもよい。コーティングの適用には、ＨＶＯＦコーティングによることが含まれてもよい。本発明の方法は、初期の磨耗やその他の要因で損傷したコーティング（被膜）を交換又は修復するのに使用することができる。

本発明の１つ又はより多くの実施態様の細部を、関連図面と以下の記載において説明する。本発明のその他の特徴、目的並びに利点は、その記載と図面、並びに特許請求の範囲の記載から明らかになるであろう。

尚、異なる図面における同様の符号及び指示は同様の要素を示す。

図１は、コーティングされた基体２２を有する部品２０を示している。代表的な基体はニッケル基超合金、コバルト基超合金、あるいは鉄基超合金である。例示の部品２０は、航空宇宙用部品であってよい。代表的な部品としては、ガスタービンエンジン用の部品（例えば、ブレード、ベーン、シール材、構造部品、シャフト、ディスクなど）である。部品２０は鋳造部品であっても鍛造部品であってもよい。例示の部品２０は、その一部が（例えば、従来又はその他のＨＶＯＦ装置を用いて）コーティングされ、かつ、残りの部分はコーティングされない構成要素２４を有するように示されている。しかしながら、本発明の方法は、その他のコーティングされた、あるいはコーティングされてない他の部品、並びにその他の基本的なコーティング装置やコーティング方法に適用可能である。

例示の構成要素２４は、基体の外側表面２６から内側に向かって中心軸５００に沿って延在させることができる。例示の構成要素２４は又、止まり穴であるカウンタボアが設けられた（ｂｌｉｎｄ ｃｏｕｎｔｅｒｂｏｒｅｄ）要素であってよく、基底部３０を有する内側の穴２８を備えるものであってよい。外側のカウンタボア３２は、表面２６まで延在させてよい。カウンタボア３２は、環状肩部の表面３４で穴２８と分けることができる。

図２は、軸５００からの半径Ｒ₁において横方向面／側面４０を有する場合の穴２８を示している。カウンタボア３２は、半径Ｒ₂において横方向面／側面４２を有するものであってよい。部分４４に沿った側面４２はコーティングされてなくてもよい。コーティング４６は、部分４４の外側にある部分４８に沿った側面４２上に形成される。コーティング４６は、軸５００からの半径Ｒ₃において径方向内側の表面５０を有してよい。コーティング４６は、長手方向内側の終端面／端面５２を有してよい。

コーティング４６を適用するために、肩部の表面３４と、内側部分４４に沿った表面４２に対してマスキングすることが望ましいであろう。

マスク６０（図３）を、区画中へ（例えば、方向５０２において）挿入することができる。例示のマスク６０は、中央のアパーチャにおける径方向内側の表面６２から、外側の表面６４まで延在するボディを有する環状のディスクとして形成してよい。マスク６０は、それらの間が厚さＴである第１と第２の面６６，６８を有するものであってよい。マスク６０は、内側部分７０が穴２８全体にわたって延在するように、区画内に配置させることができる。マスク６０の外側部分７２に沿って、第１の面６６を肩部の表面３４に接触させることができる。外側の表面６４は、カウンタボア３２の（周方向）内側の部分４４に沿って側面４２に対して、接近して面するか、あるいは接触する関係であってよい。

マスク６０は基体と嵌合されたままでよい。例示的な嵌合手段は、非接着性の機械的手段によるものである。代表的な機械的手段には、内側の部分７０と嵌め合ってマスク６０を方向５０２においてバイアスするクランプ４００が含まれる。例示のクランプ４００は、コーティングを適用する間や、さらなる工程の間に、基体を支持する固定具の一部であってよい。マスクを嵌合した状態で、（例えば、ＨＶＯＦ溶射法などで）コーティング８０を堆積させることができる。例示のコーティングは、（例えば、そのほとんどの重量を占めるのが、ＷＣ、ＣｒＣ及びＮｉＣｒＣのうちの１種又はより多くからなるものである）カーバイドベース、ＮｉＣｒＣｏ、ＭＣｒＡｌＹ、ＮｉＡｌ又はその他のニッケル合金コーティングである。代表的なＨＶＯＦ溶射装置と方法は、少なくとも３００°Ｆ（４２２．０３９Ｋ）、例えば、３００〜５００°Ｆ（４２２．０３９Ｋ〜５３３．１５Ｋ）である基体温度を伴い得る。

溶射されたコーティング８０は、その大部分が表面４２に沿う第１の部分８２と、マスクの第２の面６８に沿って径方向内側に突出した橋かけ部分８６とを有する。適用されたコーティングは、区画に面する面８６と、マスクに沿った面８８を有する。コーティングの適用後、面８６を半径Ｒ₃にまで機械加工することが望ましいであろう。機械加工の間、機械加工機械の振動や、そのような機械のマスク６０に対する直接的な接触により、破砕、好ましくはシャタリング（ｓｈａｔｔｅｒｉｎｇ）によりマスク６０を破壊することができる。マスクをシャタリングすることにより（金属マスクを引き抜く場合とは異なり）、コーティングが基体から剥離する可能性を大幅に低減することができる。マスクは、容易にシャタリングされるよう十分に脆性であることが好ましい。機械加工は、クランプ４００を嵌めたまま、あるいは取り外して行うことができる。

代表的なマスク材料には、ＡｌＯ_xベースのセラミックが包含される。マスクは、いわゆる未焼結（ｇｒｅｅｎ）セラミックを、マスキングする領域の形状に成形し、次いでその未焼結セラミックを焼結して硬化することによって製造することができる。例示的なマスクの厚さは０．００１インチ（０．０２５４ｍｍ）を超え、より狭い範囲としては（例えば、０．１０〜５インチ（２．５４〜１２７ｍｍ）少なくとも０．１０インチ（２．５４ｍｍ）又はより厚いものである。

最初のコーティング中にマスク６０を使用することに加え、再コーティング又は修復中にマスクを使用することも可能である。例えば、表面５０が、磨耗やその他の損傷によって、（例えば、平均半径Ｒ₃が拡張したり、特定の量を超えて半径Ｒ₃が変化したりして）所望の仕様でなくなった場合である。そのような再コーティングや修復において、コーティング４６は、（例えば、グリッドブラストなどにより）完全に又は部分的に除去できる。その後、マスク６０を配置してクランプすることができる。上述と同様の結果が得られるまで追加のコーティングを適用する。

本発明の１つ又はより多くの実施態様を説明してきた。しかしながら、本発明の趣旨並びに範囲から逸脱することなく様々な変更が可能であることは理解されるであろう。例えば、本発明の方法は、既存の部品並びにコーティングシステムと共に使用することが可能である。そのような状況では、既存の部品やシステムの細部は、特定の実施形態の細部に影響を与えるであろう。本発明の方法は、部品、特殊部品、あるいは金属マスクやその他の異なるマスクが既に使用されていたタイプの部品にコーティングを適用するのに使用可能である。さらに、本発明の方法は、これからの新たな状況で使用することも可能であろう。従って、その他の実施態様は、本発明の特許請求の範囲の記載の範囲内にある。

コーティングされた基体中の区画を示す断面図。 図１の区画の一部の拡大図。 コーティング材適用中の、図２の部分を示す図。

符号の説明

２０…部品
２４…構成要素
６０…マスク
８０…コーティング
５００…中心軸

Claims (17)

1. 部品（２０）の外側表面（２６）から内側に向かって延在する、内側の穴（２８）と、環状肩部（３４）によって前記内側の穴（２８）から離間された環状の外側のカウンタボア（３２）と、を含んだ構成要素（２４）を備えた部品をコーティングするための方法であって、
   前記部品（２０）の構成要素（２４）内に環状の予成形されたセラミックマスク（６０）を挿入することにより、部品（２０）の前記環状肩部（３４）と、前記カウンタボア（３２）の側面における第１の面部分（４４）と、を覆うように該セラミックマスク（６０）を適用するステップと、
   前記カウンタボア（３２）の側面における第２の面部分（４８）に、部分的に上記マスクと接触した状態にコーティング（８０）を適用するステップと、
   上記マスクを破壊的に除去するステップ、
   とを含んでなることを特徴とする、部品をコーティングするための方法。
2. 前記マスクが、ＡｌＯ_xベースの材料からなることを特徴とする、請求項１記載の方法。
3. 前記マスクを適用するステップが、該マスクを固定することを含むことを特徴とする、請求項１記載の方法。
4. 前記マスクを適用するステップが、該マスクを、クランプ（４００）を用いて嵌合させることを含むことを特徴とする、請求項１記載の方法。
5. 前記コーティングを適用するステップが、ＨＶＯＦによるコーティングを含むことを特徴とする、請求項１記載の方法。
6. 前記コーティングを適用するステップが、少なくとも３００°Ｆ（１４８．８９°Ｃ）の部品最高温度を伴うことを特徴とする、請求項１記載の方法。
7. 前記コーティングが、カーバイドベースの材料からなることを特徴とする、請求項１記載の方法。
8. 前記破壊的に除去するステップが、破砕することを含むことを特徴とする、請求項１記載の方法。
9. 前記破壊的に除去するステップが、シャタリングすることを含むことを特徴とする、請求項１記載の方法。
10. 前記破壊的に除去するステップが、本質的に前記第２の面部分からコーティングの剥離することなく行われること特徴とする、請求項１記載の方法。
11. 前記方法が、前記第２の面部分から少なくとも部分的に最初のコーティングを除去するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１記載の方法。
12. 金属基体（２２）からなる部品であって、その外側表面（２６）から内側に向かって延在する、内側の穴（２８）と、環状肩部（３４）によって前記内側の穴（２８）から離間された環状の外側のカウンタボア（３２）と、を含んだ構成要素（２４）を備えた部品と、
    予成形された環状のセラミックマスク（６０）と、
    前記環状肩部（３４）と、前記部品の前記カウンタボア（３２）の側面における第１の面部分（４４）と、に嵌合された前記マスクを保持する固定具（４００）、
    とを含んでなることを特徴とする、コーティング中に部品を保持するための、部品（２０）と固定具（４００）との組み合わせ。
13. 前記部品の前記カウンタボア（３２）の側面における第２の面部分（４８）にコーティングを適用して、少なくとも部分的に前記マスクをコーティングするための手段をさらに含むことを特徴とする、請求項１２記載の組み合わせ。
14. 前記固定具が、機械的なクランプを含むことを特徴とする、請求項１２記載の組み合わせ。
15. 前記固定具が、前記マスクが前記基体と接触した状態で該マスクを保持することを特徴とする、請求項１２記載の組み合わせ。
16. 前記マスクが、ＡｌＯ_xベースの材料からなるものであることを特徴とする、請求項１２記載の組み合わせ。
17. 前記マスクが前記部品の区画中に存在することを特徴とする、請求項１２に記載の組み合わせ。

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