JP4651970B2 - 遮熱コーティングの施工又は補修法 - Google Patents
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Description
本発明は、物品、特に燃焼器デフレクタプレート及びアセンブリ、ノズルなどのタービンエンジン部品の金属基材に遮熱コーティングを施工する方法、又は金属基材上の既存の遮熱コーティングを補修する方法に関する。本発明はさらに、下層の金属基材がオーバーレイアルミナイド拡散皮膜を有する場合に、プラズマ溶射法によって遮熱コーティングを施工する方法、又は既存の遮熱コーティングを補修する方法に関する。
ガスタービンエンジンの効率を向上させるため、その作動温度を高めることが絶えず求められている。しかし、作動温度が上昇すると、それに応じてエンジン部品の高温耐久性を増大させる必要がある。高温性能は、ニッケル基及びコバルト基の組成によって大きく進歩してきたが、タービン動翼及びタービン静翼、タービンシュラウド、バケット、ノズル、燃焼ライナー及びデフレクタプレート、オーグメンタなどのガスタービンエンジンのセクションに位置する部品の製造には、かかる合金単独では不十分なことが多い。一般的な解決策は、かかる部品の供用温度をできるだけ下げるべく部品を遮熱することである。この目的のため、そうした高い表面温度に暴露されるタービン部品の金属基材に施工された遮熱コーティングが広く用いられている。
遮熱コーティングが有効となるには、熱伝導率が低く（つまり、下層の金属基材を熱的に遮蔽し）、部品に強く付着して数多くの冷熱サイクルを通して付着性を保つものでなければならない。後者の要件は、熱伝導率の低い材料とタービン部品の金属基材に常用される超合金材料との熱膨張率が異なるため、特に厳しい要件である。これらの要件を満足できる遮熱コーティングは、通例、金属基材を覆うセラミック層を含む。セラミック層として、例えば、イットリア安定化ジルコニア、スカンジア安定化ジルコニア、カルシア安定化ジルコニア及びマグネシア安定化ジルコニアのような化学（金属酸化物）安定化ジルコニアなどの様々なセラミック材料が使用されてきた。最適な遮熱コーティングは代表的には例えば約７％のイットリアと約９３％のジルコニアのようなイットリア安定化ジルコニアである。
下層の金属基材へのセラミック層の付着性を高め、かつ金属基材の酸化を防止するため、金属基材上には、例えばＭＣｒＡｌＹ（式中、Ｍは鉄、ニッケル及び／又はコバルトである。）のような耐酸化性オーバーレイコーティング合金皮膜、又はニッケルアルミナイドや白金アルミナイドなどのアルミナイドのような耐酸化性拡散皮膜から、ボンドコートが形成される。稼働間隔を延ばすための温度−熱サイクル時間性能並びに燃焼器スプラッシュや燃焼器（ドーム）アセンブリのデフレクタプレート、燃焼器ノズルなどのタービン部品の温度性能を向上させるため、金属基材にまずアルミナイド拡散皮膜を典型的には化学的気相蒸着法（ＣＶＤ）によって施工する。次いで、このアルミナイド皮膜に典型的にはセラミック層を電子ビーム物理蒸着（ＥＢ−ＰＶＤ）のような物理蒸着（ＰＶＤ）法で施工して遮熱コーティングを形成する。通常、部品の各種部材（例えば、燃焼器ドームアセンブリを形成するスワラ及びバックプレートのような支持構造体に取り付けられ又は接合されたデフレクタプレート、又はノズルを形成する内側及び外側バンドへのエーロフォイル）には、ＰＶＤでセラミック層を施工する前に、アルミナイド拡散皮膜を別個にコーティングする。例えば、複数の部材をろう付けしてなる燃焼器ドームアセンブリに関する、２００２年９月３日発行の米国特許第６４４２９４０号（Ｙｏｕｎｇ他）及び２００３年１月７日発行の米国特許第６５０２４００号（Ｆｒｅｉｄａｕｅｒ他）を参照されたい。次に、これらのコート部材は通常部材を接合する部分のコーティングを除去すべく機械加工し、次いで支持構造体にろう付けして遮熱コーティングで保護された完成部品を得る。
ＰＶＤ法によって施工された遮熱コーティングの耐久性の改善において、顕著な進歩がなされているが、ある種の状況、特に過酷な加熱及び熱サイクルを受けるガスタービンエンジン部品では、かかるコーティングは通常補修を必要とする。タービンエンジン部品の遮熱コーティングは、エンジンに吸い込まれた物体、エロージョン、酸化及び環境汚染による腐食を含む種々の種類の損傷を受けるおそれもあり、これらの損傷はコーティングの補修を必要とする。かかる遮熱コーティングの補修は、例えば、燃焼器ドームアセンブリの場合のように、別々にＰＶＤ被覆され、部材を機械加工した後で支持構造体などにろう付けされる部材の組立体を含む場合に問題点が大きくなる。ＰＶＤ施工された遮熱コーティングの除去（例えば、グリットブラストによる）において、下層のアルミナイド拡散皮膜の一部又はすべてが同様に除去される可能性がある。部品が組立られた状態でこのアルミナイド拡散皮膜を補修又は再施工することは、通常は困難で、経費がかかり、実際的ではない。
部品が組立られた状態で、ＰＶＤ法によるセラミック層の補修又は再施工を行うことは、さらに困難である。ＰＶＤ法が行われる処理条件（通常加熱）に起因して、ＰＶＤ（特にＥＢ−ＰＶＤ）法によるセラミック層の補修及び再施工は、組立部品のろう付け点及び、ろう付けによって部材が接合される支持構造に損傷を与える可能性がある。結果として、部品は通常個々の部材に分解され、その後、グリットブラストによるなどして、ＰＶＤ施工された遮熱コーティングをアルミナイド拡散皮膜から剥離し、或いは別の方法で除去する。次いで、遮熱コーティングをＰＶＤ法で個々の剥離した部材に再施工し（下層のアルミナイド拡散皮膜の事前補修を行った状態か、又は行われない状態で）、続いて、これらのＰＶＤ再被覆部材を機械加工し、支持構造体に再度ろう付けして、完成部品を得る。かかる補修プロセスは、労働集約的であり、時間を要し、経費がかかり、実際的ではない。
場合によっては、また、下層の金属基材がアルミナイド拡散皮膜を有する場合のタービンエンジン部品の金属基材に対してプラズマ溶射（特にエアプラズマ溶射）法によって遮熱コーティングを施工することが望ましいとすることができる。遮熱コーティングを施工するためのプラズマ溶射法はまた、損傷したＰＶＤ施工遮熱コーティングの補修においても好ましいものとされ、これは、プラズマ溶射コーティングが施工される条件により、ろう付け接合部が損傷せず、損傷した遮熱コーティングが、部品を分解することなく補修することが可能となることによる。しかし、プラズマ溶射施工の遮熱コーティングを適切に付着するためには、通常、オーバーレイ合金ボンドコート層（例えば、ＭＣｒＡｌＹ）がアルミナイド拡散皮膜上に施工されることが必要となる。しかし、プラズマ溶射法、特にエアプラズマ溶射法によってこのオーバーレイ合金ボンドコート層をアルミナイド拡散皮膜に施工することには、問題がないわけではない。多くの場合、プラズマ溶射施工のオーバーレイ合金ボンドコートは、アルミナイド拡散皮膜層の表面には付着しない場合がある。このことはまた、損傷したＰＶＤ施工遮熱コーティングを補修するために、ＰＶＤ法に代えてプラズマ溶射法を使用することが困難になる。
米国特許第６４４２９４０号公報
米国特許第６５０２４００号公報
従って、かかる補修の経費及び時間が低減され、燃焼器デフレクタプレートアセンブリ及び燃焼器ノズルのような各種のタービンエンジン部品で使用することができる、ＰＶＤ施工遮熱コーティングを有するかかる部品を補修する方法を提供することは好ましいであろう。オーバーレイアルミナイド拡散皮膜を有する金属基材にプラズマ溶射法によって遮熱コーティングを施工できる方法を提供することはさらに好ましいであろう。
本発明の一実施形態は、オーバーレイアルミナイド拡散皮膜を有する金属基材に遮熱コーティングを施工する方法に関する。この方法は、
（１）アルミナイド拡散皮膜を、プラズマ溶射施工のオーバーレイ合金ボンドコート層との付着性が増すように処理する段階と、
（２）処理された拡散皮膜上にオーバーレイ合金ボンドコート材料をプラズマ溶射して、オーバーレイ合金ボンドコート層を形成する段階と、
（３）オーバーレイ合金ボンドコート層上に、セラミック遮熱コーティング材料を任意選択的にプラズマ溶射して、遮熱コーティングを形成する段階とを含む。
（１）アルミナイド拡散皮膜を、プラズマ溶射施工のオーバーレイ合金ボンドコート層との付着性が増すように処理する段階と、
（２）処理された拡散皮膜上にオーバーレイ合金ボンドコート材料をプラズマ溶射して、オーバーレイ合金ボンドコート層を形成する段階と、
（３）オーバーレイ合金ボンドコート層上に、セラミック遮熱コーティング材料を任意選択的にプラズマ溶射して、遮熱コーティングを形成する段階とを含む。
本発明の他の実施形態は、金属基材にオーバーレイする下層アルミナイド拡散皮膜に物理蒸着法によって施工された遮熱コーティングを補修する方法に関する。この方法は、
（１）下層アルミナイド拡散皮膜から物理蒸着施工の遮熱コーティングを除去する段階と、
（２）アルミナイド拡散皮膜を、プラズマ溶射施工のオーバーレイ合金ボンドコート層との付着性が増すように処理する段階と、
（３）処理された拡散皮膜上にオーバーレイ合金ボンドコート材料をプラズマ溶射して、オーバーレイ合金ボンドコート層を形成する段階と、
（４）オーバーレイ合金ボンドコート層上に、セラミック遮熱コーティング材料を任意選択的にプラズマ溶射して、遮熱コーティングを形成する段階とを備える。
（１）下層アルミナイド拡散皮膜から物理蒸着施工の遮熱コーティングを除去する段階と、
（２）アルミナイド拡散皮膜を、プラズマ溶射施工のオーバーレイ合金ボンドコート層との付着性が増すように処理する段階と、
（３）処理された拡散皮膜上にオーバーレイ合金ボンドコート材料をプラズマ溶射して、オーバーレイ合金ボンドコート層を形成する段階と、
（４）オーバーレイ合金ボンドコート層上に、セラミック遮熱コーティング材料を任意選択的にプラズマ溶射して、遮熱コーティングを形成する段階とを備える。
プラズマ溶射遮熱コーティングを施工するため及び物理蒸着施工のプラズマ溶射遮熱コーティングを補修するための本発明の方法の実施形態は、幾つかの利点をもたらす。これらの方法により、プラズマ溶射遮熱コーティングの十分な付着を保証するようにして、燃焼器デフレクタプレートアセンブリ又は燃焼器ノズルのようなタービン部品の金属基材をオーバーレイする下層の拡散アルミナイド皮膜にプラズマ溶射遮熱コーティングを施工することが可能になる。また、これらの方法により、ろう付け部及び支持構造体を含む部品の分解又は取外しを必要とせず、部品の部分に損傷を与えることなく、物理蒸着施工の遮熱コーティングの補修が可能となる。また、これらの方法により、この遮熱コーティングを施工又は補修するのに比較的時間を要せず複雑でない方法が可能となり、実行に際して比較的経費がかからない。また、これらの方法は、空気中、例えば、典型的には８００゜Ｆ（約４２７℃）未満の比較的低温で行うことができる、より適応性のあるプラズマ溶射法を用いることが可能となる。対照的に、物理蒸着法は適応性に劣り、通常は、比較的小さいコーティングチャンバ内の真空中で、例えば通常約１７５０゜Ｆ〜約２０００゜Ｆ（約９５４℃〜約１０９３℃）の範囲の非常に高温で行われる。
本明細書で用いられる用語「セラミック遮熱コーティング材料」とは、物品の下層金属基材への熱流を低減する、すなわち熱的障壁を形成することができる皮膜材料を意味し、通常、約２０００゜Ｆ（１０９３℃）以上、典型的には２２００゜Ｆ（１２０４℃）以上、より典型的には約２２００゜Ｆ〜約３５００゜Ｆ（約１２０４℃〜１９２７℃）の範囲の融点を有する。本明細書で用いる好適なセラミック遮熱コーティング材料には、酸化アルミニウム（アルミナ）、すなわち、非水和形態及び水和形態を含むＡｌ2Ｏ3を備えるこれらの化合物及び組成物、種々のジルコニア、特に、イットリア安定化ジルコニア、セリア安定化ジルコニア、カルシア安定化ジルコニア、スカンジア安定化ジルコニア、マグネシア安定化ジルコニア、インディア安定化ジルコニア、イッテリビア安定化ジルコニア、並びにかかる安定化ジルコニアの混合物のような、化学安定化ジルコニア（すなわち、ジルコニアがブレンドされた酸化イットリウムのような種々の金属酸化物）が含まれる。好適なジルコニアの説明に関しては、例えば、Ｋｉｒｋ−Ｏｔｈｍｅｒ’ｓ Ｅｎｃｙｌｏｐｅｄｉａ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔａｃｈｎｏｌｏｇｙ，３ｒｄ Ｅｄ．，Ｖｏｌ．２４，ｐｐ．８８２〜８８３（１９８４）を参照されたい。好適なイットリア安定化ジルコニアは、約１〜約２０％のイットリア（イットリアとジルコニアの総重量に基づく）、より典型的には約３〜約１０％イットリアを含むことができる。これらの化学安定化ジルコニアはさらに、ジスプロシア、エルビア、ユーロピア、ガドリニア、ネオジミア、プラセオジミア、ウラニア及びハフニアなどの１以上の第２の金属（例えば、ランタノイド又はアクチノイド）酸化物をさらに含み、遮熱コーティングの熱伝導性をさらに低下させることができる。２０００年２月１５日発行の米国特許第６０２５０７８号（Ｒｉｃｋｅｒｓｂｙ他）及び２００１年１２月２１日発行の米国特許第６３３３１１８号（Ａｌｐｅｒｉｎｅ他）を参照されたい。尚、両特許は、引用により本明細書に組み込まれる。また、好適な非アルミナセラミック遮熱コーティング材料には、一般式Ａ2Ｂ2Ｏ7のパイロクロア類が含まれ、式中のＡは３＋又は２＋の原子価を有する金属（例えば、ガドリニウム、アルミニウム、セリウム、ランタン又はイットリウム）であり、Ｂは４＋又は５＋の原子価を有する金属（例えば、ハフニウム、チタン、セリウム又はジルコニウム）であって、ＡとＢの原子価の合計は７である。この種類の代表的な材料には、ジルコニウム酸ガドリニウム、チタン酸ランタン、ジルコニウム酸ランタン、ジルコニウム酸イットリウム、ハフニウム酸ランタン、ジルコニウム酸セリウム、セリウム酸アルミニウム、ハフニウム酸セリウム、ハフニウム酸アルミニウム及びセリウム酸ランタンが含まれる。２０００年９月１２日発行の米国特許第６１１７５６０号（Ｍａｌｏｎｅｙ）、２００１年１月２３日発行の米国特許第６１１７２００号（Ｍａｌｏｎｅｙ）、２００１年９月４日発行の米国特許第６２８４３２３号（Ｍａｌｏｎｅｙ）、２００１年１１月２０日発行の米国特許第６３１９６１４号（Ｂｅｅｌｅ）及び２００２年５月１４日発行の米国特許第６３８７５２６号（Ｂｅｅｌｅ）を参照されたい。尚、これらの特許は全体が引用により本明細書に組み込まれる。
本明細書で用いられる用語「アルミナイド拡散皮膜」とは、ニッケルアルミナイド及び白金アルミナイドのような種々の貴金属アルミナイド及び単純アルミナイド（すなわち、貴金属を用いずに形成されたもの）を含有する皮膜を意味し、通常は、化学的蒸着（ＣＶＤ）法によって金属基材上に形成される。例えば、１９７９年４月１０日発行の米国特許第４１４８２７５号（Ｂｅｎｄｅｎ他）、１９９９年７月２７日発行の米国特許第５９２８７２５号（Ｈｏｗａｒｄ他）及び２０００年３月２１日発行の米国特許第６０３９８１０号（Ｍａｎｔｋｏｗｓｋｉ他）（これらのすべては引用により本明細書に組み込まれる）を参照されたい。これらの特許には、ＣＶＤによってアルミナイド拡散皮膜を施工するための種々の装置及び方法が開示されている。
本明細書で使用される用語「オーバーレイ合金ボンドコート材料」とは、ＭＣｒＡｌＹ合金のような種々の合金を含む材料を意味し、ここでＭは鉄、ニッケル、白金、コバルト又はそれらの合金のような金属である。
本明細書で使用される用語「物理蒸着施工の遮熱コーティング」とは、電子ビーム物理蒸着（ＥＢ−ＰＶＤ）を含む、種々の物理蒸着（ＰＶＤ）技法によって施工された遮熱コーティングをいう。例えば、１９９７年７月８日発行の米国特許第５６４５８９３号（Ｒｉｃｋｅｒｂｙ他）（特に第３欄３６〜６３行）及び１９９８年２月１０日発行の米国特許第５７１６７２０号（Ｍｕｒｐｈｙ）（特に第５欄２４〜６１行）（これらのすべては引用により本明細書に組み込まれる）を参照されたい。これらの特許には、ＥＢ−ＰＶＤ法を含むＰＶＤ法によって遮熱コーティングを施工するための種々の装置及び方法が開示されている。ＰＶＤ法は、多孔質の耐歪み性柱状構造を有する皮膜を形成する傾向がある。図３を参照のこと。
本明細書で使用される用語「含む」は、種々の組成物、化合物、部品、層、段階などを、本発明において結合して使用できることを意味する。従って、用語「含む」は、より限定的な用語「本質的に〜から構成される」及び「から構成される」を包含する。
本明細書で使用されるすべての量、部分、比率及び百分率は、特記しない限り重量基準である。
本発明の方法の実施形態は、多くの種類のタービンエンジン（例えば、ガスタービンエンジン）部材及び部品用の遮熱コーティングの施工又は補修において有用であり、これらの部材及び部品は、超合金を含む種々の金属及び合金を含む金属基材から形成され、高温、特に正常なエンジン運転中に発生する温度よりも高い温度で動作され、又は曝されるものである。これらのタービンエンジン部品及び部品には、動翼及び静翼のようなタービンエーロフォイル、タービンシュラウド、タービンノズル、ライナー、デフレクタ及びこれらの各ドームアセンブリのような燃焼器部品、ガスタービンエンジンの推力増強装置などを含むことができる。
本発明の方法の実施形態は、例えば、燃焼器デフレクタプレートアセンブリ及び燃焼器ノズルアセンブリなどの、支持構造体に接合又は他の方法で取り付けられた（例えば、ろう付けによるなど）組立部材を含むタービンエンジン部品への遮熱コーティングの施工又は補修において、特に有用である。かかる部品では、遮熱コーティングが施工又は補修されるのは、典型的には、支持構造体に接合又は付着（例えばろう付けにより）される部材、より典型的には複数の部材（例えば、燃焼器デフレクタアセンブリの場合はデフレクタプレート、又は、ノズルアセンブリの場合はエーロフォイル）である。実際、本発明の方法の実施形態は、部品を分解又は取外す必要がなく、並びにろう付け部及び支持構造体を含む部品の部分に損傷を与えることなく、かかる組立部品を施工又は補修するのに特に好適である。本発明の方法の実施形態として遮熱コーティングの施工又は補修に有用とすることができる、共にろう付けされた複数の部材から形成された燃焼器ドームアセンブリについては、例えば、２００２年９月３日発行の米国特許第６４４２９４０号（Ｙｏｕｎｇ他）及び２００３年１月７日発行の米国特許第６５０２４００号（Ｆｒｅｉｄａｕｅｒ他）（この両方が引用により本明細書に組み込まれる）を参照されたい。本発明の方法の実施形態の以下の議論は、燃焼器デフレクタドームアセンブリ、及び特にこれらのアセンブリを含み、金属基材をオーバーレイする遮熱コーティングを有する各スプラッシュ又はデフレクタプレートに関するものであるが、本発明の方法は、高温度で作動し、又は高温度に曝される、遮熱コーティングを有するか又は必要とする金属基材を含む他の物品においても有用とすることができる点もまた理解されるべきである。
本発明の種々の実施形態を以下に説明される図面を参照することによりさらに例証する。図面を参照すれば、図１には全体が１０で示される燃焼器デフレクタドームアセンブリが示される。ドームアセンブリ１０は、複数のデフレクタプレート２６を含み、全体が１８で示された外側第１環状デフレクタプレートアレイと、同様に複数のデフレクタプレート２６を含み、全体が３４で示された隣接内側環状デフレクタプレートアレイとを有するものとして示されている。ドームアセンブリ１０が２つの環状デフレクタプレートアレイ１８及び３４を有するものとして示されているが、ドームアセンブリはまた、単一の環状デフレクタプレートアレイ、又は２つよりも多い環状デフレクタプレートアレイ（例えばかかるデフレクタプレート２６の３つの環状アレイ）を含むことができる点を理解されたい。これらの環状デフレクタプレートアレイ１８及び３４は、通常、複数のスワラ（図示せず）及び全体が４２で示されるバッキングプレートを含むマトリックスにより支持される。これらの環状アレイ１８及び３４のデフレクタプレート２６は、通常、バッキングプレート４２のような支持構造体に対して当業者には公知のブレーズ技法によって接合又は他の方法で取り付けられる。
かかるデフレクタプレート２６は、略矩形又は台形の形状を有するものとして図２に示されており、湾曲した外側縁部４６、反対側にある湾曲した内側縁部５２、内側縁部５２の方向に互いに向かって傾斜した対向する側部５８及び６４、前面又は前表面７０及び後面又は後表面７６を含む。表面７０には、該表面７０から表面７６の方向に直径が次第に小さくなっている実質的にリング状の環状壁９０によって定められた中央孔又は開口部８２が形成されている。また、本発明の方法の実施形態として有用とすることができるデフレクタセグメントを有する燃焼器デフレクタアセンブリについては、例えば、１９９０年４月１０日発行の米国特許第４９１４９１８号（Ｓｕｌｌｉｖａｎ）を参照されたい。
前表面及び後表面７０及び７６は各々、通常はアルミナイド拡散皮膜を有する。しかし、前表面７０が燃料インジェクタ（図示せず）に対向しているため、該アルミナイド拡散皮膜は、通常、前表面７０並びにデフレクタプレート２６の残部及びアセンブリ１０を熱損傷から保護するための外側遮熱コーティングを有する。このことは、全体的が１００で示される、金属基材を含むデフレクタ２６を示す図５に詳細に示されている。基材１００は、ニッケル基、コバルト基及び／又は鉄基合金を含む、遮熱コーティングによって通常保護される種々の金属、又はより典型的には合金のいずれかを含むことができる。例えば、基材１００は、超合金のような高温耐熱合金を含むことができる。かかる高温合金は、１９９５年３月２１日発行の米国特許第５３９９３１３号（Ｒｏｓｅ他）及び１９７８年９月２６発行の米国特許第４１１６７２３号（Ｇｅｌｌ他）のような種々の引例で開示されており、両特許は引用により本明細書に組み込まれる。また、高温合金は、Ｋｉｒｋ−Ｏｔｈｍｅｒ’ｓ Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，３ｒｄ Ｅｄ．，Ｖｏｌ．１２，ｐｐ．４１７−４７９（１９８０）、及びＶｏｌ．１５，ｐｐ．７８７−８００（１９８１）に一般的に記載されている。例証となる高温ニッケル基合金は、商標名Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）、Ｎｉｍｏｎｉｃ（登録商標）、Ｒｅｎｅ（登録商標）（例えば、Ｒｅｎｅ（登録商標）８０合金、Ｒｅｎｅ（登録商標）９５合金）、及びＵｄｉｍｅｔ（登録商標）で示される。
図５に示されるように、基材１００に隣接しこれをオーバーレイするアルミナイド拡散皮膜が、全体を１０６で示されている。この拡散皮膜１０６は、典型的には約０．５〜約４ミル（約１２〜約１００ミクロン）、より典型的には約２〜約３ミル（約５０〜約７５ミクロン）の厚さを有する。この拡散皮膜１０６は、通常、基材１００の直ぐ隣りにある内側拡散層（典型的には皮膜１０６の厚さの約３０〜約６０％、より典型的には皮膜１０６の厚さの約４０〜約５０％）、及び外側付加層１２０（典型的には皮膜１０６の厚さの約４０〜約７０％、より典型的には皮膜１０６の厚さの約５０〜約６０％）を含む。図５に示されるように、付加層１２０に隣接しこれをオーバーレイする遮熱コーティング（ＴＢＣ）が全体を１２８で示されている。図５に示されるこのＴＢＣ１２８は、電子ビーム物理蒸着（ＥＢ−ＰＶＤ）のような、物理的蒸着（ＰＶＤ）法によって拡散皮膜１０６上に形成されている。このＴＢＣ１２８は、典型的には、約１〜約３０ミル（約２５〜約７６９ミクロン）、より典型的には約３〜約２０ミル（約７５〜約５１３ミクロン）の厚さを有する。図３に示されるように、ＰＶＤ法によって形成されたこのＴＢＣ１２８は、多孔質の耐歪み性柱状構造を有する。
時間の経過と共に、正常エンジン作動時に、例えばエンジンに吸い込まれた異物、エロージョン、酸化及び環境汚染による腐食によって、ＴＢＣ１２８が損傷を受けるようになる。従って、かかる損傷を受けたＴＢＣ１２８は、通常は補修が必要となる。本発明の方法の実施形態において、この最初の段階は、拡散皮膜１０６からのＴＢＣ１２８の剥離又は他の方法での除去を含む。ＴＢＣ１２８は、ＰＶＤ施工されたＴＢＣの除去に関して当業者に公知の何らかの好適な方法によって除去することができる。かかるＰＶＤ施工されたＴＢＣを除去する方法は、機械的除去、化学的除去及びこれらの何らかの組合せによるものとすることができる。好適な除去方法には、グリットブラストを受けない表面をマスキングするか、又はしない状態でのグリットブラスト（１９９８年３月３日発行のＮｉａｇａｒａ他の米国特許第５７２３０７８号、特に第４欄４６〜６６行を参照、本特許は引用により本明細書に組み込まれる）、マイクロ・マシニング、レーザエッチング（１９９８年３月３日発行のＮｉａｇａｒａ他の米国特許第５７２３０７８号、特に第４欄６７行〜第５欄３行及び１４〜１７行を参照、本特許は引用により本明細書に組み込まれる）、塩酸、フッ化水素酸、硝酸、酸性フッ化アンモニウム及びこれらの混合物を含有するエッチング剤のようなＴＢＣ１２８用の化学エッチング剤を用いた処理（ホトリソグラフィによるような）（例えば、１９９８年３月３日発行のＮａｇａｒａｊ他の米国特許第５７２３０７８号、特に第５欄３〜１０行、１９８６年１月７日発行のＡｄｉｎｏｌｆｉ他の米国特許第４５６３２３９号、特に第２欄６７行〜第３欄７行、１９８２年１０月１２日発行のＦｉｓｈｔｅｒ他の米国特許第４３５３７８０号、特に第１欄５０〜５８行、及び１９８３年１０月２５日発行のＦｉｓｈｔｅｒ他の米国特許第４４１１７３０号、特に第２欄４０〜５１行を参照、これらの特許のすべては引用により本明細書に組み込まれる）、研磨剤を加えるか、又は加えない状態で加圧水による処理（すなわちウォータジェット処理）、並びにこれらの方法の種々の組合せが含まれる。典型的には、ＴＢＣ１２８は、グリットブラストによって除去され、その場合ＴＢＣ１２８は、炭化ケイ素粒子、鋼粒子、アルミナ粒子、又は他の種類の研磨粒子の研磨作用を受ける。グリットブラストに使用されるこれらの粒子は、通常アルミナ粒子であり、典型的には約２２０〜約３５メッシュ（約６３〜約５００μｍ）、より典型的には約８０〜約６０メッシュ（約１８０〜約２５０μｍ）の粒子サイズを有する。
ＴＢＣ１２８が除去された後、次いで拡散層１０６が、プラズマ溶射法により後に形成されることになるオーバーレイ合金ボンドコート層との付着性が増すように処理される。この拡散層１０６は、ＴＢＣ１２８の除去に関する上述の方法又は方法の組合せのいずれかによって処理することができる。グリットブラストを含む好適な方法については、１９９８年３月３日発行のＮａｇａｒａｊ他の米国特許第５７２３０７８号、特に第４欄４６〜６６行（本特許は引用により本明細書に組み込まれる）を参照されたい。また、化学エッチング剤を用いるニッケルアルミナイド皮膜を除去する好適な方法については、１９８２年７月１３日発行のＬａｄａ他の米国特許第４３３９２８２号を参照されたい。拡散層１０６の処理は、別個の処理段階とすることもでき、又は、これによりＴＢＣ１２８が除去される処理段階の継続とすることもでき、処理条件は、修正しても又は修正しなくてもよい。通常は、拡散皮膜１０６を除去し、粗面化し、或いは凹凸をつけるためにグリットブラストが用いられる。図６に示すように、かかる凹凸化又は粗面化は、通常、付加層１２０を完全に又はほぼ完全に除去し、少なくとも拡散層１１２の大部分を除去して、１３０で示される凹凸化又は粗面化された外側表面を有する残存拡散層１２０（典型的には皮膜１０６の当初の厚さの０〜約７５％、より典型的には皮膜１０６の当初の厚さの約５〜約２０％）を後に残す。例えば、グリットブラストによる拡散層１１２の処理後、表面１３６は、通常、約８０μｍ以上、典型的には約８０〜約２００μｍ、より典型的には約１００〜約１５０μｍの範囲の平均表面粗さＲaを有する。
図７に示されるように、拡散層１０６がより受容性を高めるように処理された後、次に、好適なオーバーレイ合金ボンドコート材料が、処理されたアルミナイド拡散皮膜上に堆積され、全体が１４２で示されるオーバーレイ合金ボンドコート層が形成される。このオーバーレイ合金ボンドコート層１４２は、典型的には約１〜約１９．５ミル（約２５〜約５００ミクロン）、より典型的には約３〜約１５ミル（約７５〜約３８５ミクロン）の厚さを有する。オーバーレイ合金ボンドコート層１４２が形成された後、次いで、好適なセラミック遮熱コーティング材料が層１４２上に堆積され、ＴＢＣ１５０が形成される。ＴＢＣ１５０の厚さは、通常、約１〜約１００ミル（約２５〜約２５６４ミクロン）の範囲で、関連する物品を含む種々の因子によって定まることになる。例えば、タービンシュラウドにおいては、ＴＢＣ１５０は典型的には厚めであり、通常は約３０〜約７０ミル（約７６９〜約１７９５ミクロン）、より典型的には約４０〜約６０ミル（約１３３３〜約１５３８ミクロン）の範囲である。これに対し、デフレクタプレート２６の場合では、ＴＢＣ１５０は典型的には薄めであり、通常は約５〜約４０ミル（約１２８〜約１０２６ミクロン）、より典型的には約１０〜約３０ミル（約２５６〜約７６９ミクロン）の範囲である。
ボンドコート層１４２及びＴＢＣ１５０はそれぞれ、当業者には公知の何らかの好適なプラズマ溶射法によって形成することができる。例えば、Ｋｉｒｋ−Ｏｔｈｍｅｒ’ｓ Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，３ｒｄ Ｅｄ．，Ｖｏｌ．１５，ｐａｇｅ２２５、及びその引用文献、並びに、１９９４年７月２６日発行の米国特許第５３３２５９８号（Ｋａｗａｓａｋｉ他）、１９９１年９月１０日発行の米国特許第５４０７６１２号（Ｓａｖｋａｒ他）、及び１９９８年５月３日発行の米国特許第４７４１２８６号（Ｉｔｏｈ他）（これらの特許は引用により本明細書に組み込まれる）を参照されたい。これらは、本明細書での使用に好適なプラズマ溶射の種々の態様に関して有用である。一般に、典型的なプラズマ溶射法は、サーマルプルームを生成させる高温プラズマの形成を伴う。例えば、セラミック粉末などの遮熱コーティング材料は、該プルーム内に供給され、高速のプルームがボンドコート層１４２に向かって配向される。かかるプラズマ溶射コーティング法の種々の詳細は、当業者には知られており、種々の関連する段階及び堆積前のボンドコート表面の清掃のような処理パラメータ、溶射距離（ガンから基材まで）、溶射パス数の選択、粉末供給速度、粒子速度、トーチ出力、プラズマガスの選択、酸化物のストイキオメトリを調整するための酸化対照、堆積角度、施工されたコーティングの後処理などのプラズマ溶射パラメータなどが含まれる。トーチ出力は、約１０キロワット〜約２００キロワットの範囲、好ましい実施形態においては、約４０キロワット〜約６０キロワットの範囲で変化することができる。プラズマプルーム（又はプラズマ「ジェット」）内に流入する遮熱コーティング材料の速度は、通常、非常に厳密に制御される他のパラメータである。
好適なプラズマ溶射システムは、例えば、１９９１年９月１０日発行の米国特許第５０４７６１２号（Ｓａｖｋａｒ他）に記載されており、本特許は引用により本明細書に組み込まれる。要約すると、典型的なプラズマ溶射システムは、被覆される基材の堆積表面の方向に向けられたノズルを有するプラズマガン・アノードを含む。プラズマガンは、多くの場合、例えば、基材表面にわたって種々のパターンでガンを移動させることができるロボット機構によって自動制御される。プラズマプルームが、プラズマガン・アノードの出口と基材表面との間で軸方向内に延びる。ある種の粉体注入手段が、アノードと基材表面との間の、所定の望ましい軸方向位置に配置される。かかるシステムの幾つかの実施形態においては、該粉体注入手段は、プラズマプルーム領域から半径方向で離間しており、粉体材料のインジェクタ管は、粉体をプラズマプルームに向けて望ましい角度で配向できるように位置決めされる。該粉体粒子は、キャリアガス中に同伴され、インジェクタを通ってプラズマプルームに噴射される。次いで、粒子は、プラズマ中で加熱され、基材に向けて噴射される。粒子は溶融し、基材に衝突し、急速に冷却されて遮熱コーティングが形成される。
本発明の方法の実施形態の上記の説明は、既存のＰＶＤ施工ＴＢＣ１２８の補修に関するものであったが、本発明の方法の他の実施形態は、新たに施工されるＴＢＣ１５０を形成するために使用することができる。この方法の実施形態において、アルミナイド拡散皮膜１０６を有する基材１００は、上述されかつ図６に示されるように、上述同様、皮膜を粗面化又は凹凸化するように処理される。次に、オーバーレイ拡散ボンドコート層１４２及びＴＢＣ１５０が、上述のようにかつ図７に示されるように形成される。
本発明の方法の特定の実施形態を説明してきたが、添付の請求項に定義された本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、これに対する種々の修正を行い得ることは当業者には明らかであろう。
１００ 金属基材
１０６ アルミナイド拡散皮膜
１１２ 内側拡散層
１４２ オーバーレイ合金ボンドコート層
１５０ ＴＢＣ
１０６ アルミナイド拡散皮膜
１１２ 内側拡散層
１４２ オーバーレイ合金ボンドコート層
１５０ ＴＢＣ
Claims (9)
- 金属基材（１００）にオーバーレイする下層アルミナイド拡散皮膜（１０６）に物理蒸着で施工された遮熱コーティング（１０６）を補修する方法であって、
（１）物理蒸着施工の遮熱コーティング（１２８）を、下層アルミナイド拡散皮膜（１０６）から除去する段階と、
（２）アルミナイド拡散皮膜（１０６）を、プラズマ溶射施工のオーバーレイ合金ボンドコート層（１４２）との付着性が増すように処理する段階と、
（３）処理された拡散皮膜（１３６）上にオーバーレイ合金ボンドコート材料をプラズマ溶射して、オーバーレイ合金ボンドコート層（１４２）を形成する段階と、
を含む方法。 - 段階（１）が、物理蒸着施工の遮熱コーティング（１２８）をグリットブラスト処理することによって行われる、請求項１記載の方法。
- 段階（２）で、拡散皮膜（１０６）が平均表面粗さＲaが８０μｍ以上の粗面外表面を有するようにグリットブラスト処理される、請求項１乃至請求項２のいずれか１項記載の方法。
- 段階（２）が、拡散皮膜（１０６）をグリットブラスト処理することによって行われる、請求項１乃至請求項３記載の方法。
- オーバーレイ合金ボンドコート層（１４２）上にセラミック遮熱コーティング材料をプラズマ溶射して遮熱コーティング（１５０）を形成する（４）段階をさらに含む、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の方法。
- タービン組立部品（１０）の１以上の部材（２６）の金属基材（１００）をオーバーレイする下層アルミナイド拡散皮膜（１０６）に物理蒸着で施工された遮熱コーティング（１２８）を補修する方法であって、
（１）タービン部品（１０）が組立られた状態で、１以上の部材（２６）の下層アルミナイド拡散皮膜から物理蒸着施工の遮熱コーティング（１２８）を除去する段階と、
（２）拡散皮膜（１０６）を、プラズマ溶射施工のオーバーレイ合金ボンドコート層（１４２）との付着性が増すように処理する段階と、
（３）処理された拡散皮膜上にオーバーレイ合金ボンドコート材料をプラズマ溶射して、オーバーレイ合金ボンドコート層（１４２）を形成する段階と、
（４）オーバーレイ合金ボンドコート層（１４２）上に、セラミック遮熱コーティング材料をプラズマ溶射して、遮熱コーティング（１５０）を形成する段階と、
を含む方法。 - 段階（１）が、物理蒸着施工の遮熱コーティングをグリットブラスト処理することによって行われる、請求項６記載の方法。
- 段階（２）が、粗面外表面が約８０μｍ以上の平均表面粗さＲaを有するように拡散皮膜（１０６）をグリットブラスト処理することによって行われる、請求項６乃至請求項７のいずれか１項記載の方法。
- 燃焼器デフレクタアセンブリ（１０）である組立部品を補修するための請求項６乃至請求項８のいずれか１項記載の方法であって、１以上の部材が前面（７０）及び後面（７６）を有するデフレクタプレート（２６）であり、前面（７０）が物理蒸着で施工された遮熱コーティング（１２８）を有する、方法。
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