JP5355869B2 - 同時溶射および冷却孔洗浄の方法 - Google Patents

Description

本発明は１つ以上の冷却孔を有する物品に熱溶射皮膜を塗布する方法、より詳細には、１つ以上の冷却孔を有する物品を熱溶射し、熱溶射のスプレーしぶきや他の破片によって生じる障害物を除去するために該物品の該冷却孔を洗浄する方法を対象とする。

例えば、航空機エンジン等のガスタービンエンジンにおいて、空気は該エンジンの最前部に吸い込まれ、軸上回転式圧縮機によって圧縮され、燃料と混合される。その混合物は燃焼され、高温の排ガスが該圧縮機と同じ軸上に取り付けられるタービンを通過する。ガスの流れが該タービンを回転させ、それが該軸を回転させて、該圧縮機とファンを駆動する。該高温の排ガスは該エンジンの後背部のエンジンノズルを流れ、航空機を前方に推進する推力を発生させる。

ガスタービンエンジンの運転中、燃焼ガスの温度は摂氏１６５０度（華氏３０００度）を超える可能性があり、これは該エンジンのこれらのガスと接触する金属部品の溶融温度よりもかなり高い。該金属部品の溶融温度を上回るガス温度でこれらのエンジンを運転することは確立した技術であり、一部分において、さまざまな方法で該金属部品の外表面に冷却用空気を供給することに依存している。特に高温に曝されるため、冷却に関して特別な配慮を要するこれらのエンジンの該金属部品は、燃焼器および該燃焼器の後部に位置する部品を形成する金属部品である。

金属温度は、しばしば一部のエンジン部品に組み込まれるさまざまな冷却孔設計と組み合わせて遮熱コーティング（ＴＢＣ）を使用することによって、溶融レベルを下回るように維持することができる。該ＴＢＣは、一般的には熱溶射工程によって該部品に塗布される。しかしながら、該熱溶射工程はしばしば該部品の冷却孔を部分的または完全に閉塞するスプレーしぶきを生じさせる。一般的に、閉塞の割合はＴＢＣの厚さが大きくなるにつれて大幅に増大する。

その結果、現在の熱溶射および洗浄工程には非常に手間のかかる多段階の工程が必要になる。その工程は、ＴＢＣ皮膜の一部の層を塗布し、部品と該ＴＢＣを該部品が容易に操作できる温度まで十分に冷却できるようにし、熱溶射が行われる塗布器具から該部品を取り外し、すべてのマスキングを取り除いた後に、水噴射または他の洗浄方法を使用して該冷却孔から十分に冷却されて固化した皮膜を別個に取り除くことである。該冷却孔が塞がれて十分に洗浄できるレベルを超えてしまうのを防ぐために、所望のＴＢＣ厚さの一部だけが洗浄前に塗布される。その結果、所望のＴＢＣ厚さに達するまで一般的に全工程を数回繰り返さなければいけない。この複雑な工程により生産性が低く、サイクル時間が長くなり、同じＴＢＣを同様の孔のない部品に塗布する場合よりも費用が５から１０倍増大する。
米国特許第６，６２３，７９０Ｂ２号公報 米国特許第６，４０３，１６５Ｂ１号公報 米国特許第６，３３５，０７８Ｂ２号公報 米国特許第５，９４１，６８６号公報 米国特許第４，７４３，４６２号公報 米国特許第４，３８６，１１２号公報 米国特許第４，３３８，３６０号公報 米国特許第４，２２４，３５６号公報 米国特許第３，３４０，０８４号公報 米国特許第１，６５４，５０９号公報 米国特許公開第２００６／００５９９１８Ａ１号公報 米国特許公開第２００６／００１６１９１Ａ１号公報 米国特許公開第２００５／０１９１４２２Ａ１号公報 米国特許公開第２００５／０１２６００１Ａ１号公報 米国特許公開第２００５／００８４６５７Ａ１号公報 米国特許公開第２００１／０００１６８０Ａ１号公報 欧州特許公開第０８０８９１３Ａ１号公報

現在のますます増加する多段階の塗膜および洗浄工程に付随する時間と金銭面のコストを削減するために必要とされるのは、冷却孔を有する物品に熱溶射工程によってＴＢＣまたは他の皮膜を塗布し、該熱溶射工程と同時にそれらの孔を洗浄するための方法である。

冷却孔を有する物品に遮熱コーティングを塗布し、同時にそれらの孔からＴＢＣのスプレーしぶきや他の破片等の障害物を洗浄するための方法が開示される。該方法は、第１表面と第２表面とを有する物品であって、該第１表面の開口から該第２表面の開口まで広がる１つ以上の冷却孔を有する該物品を用意する段階と、該物品の該第１表面を覆う物質の層を熱溶射する段階であって、その際、熱溶射の破片が少なくとも１つの冷却孔を少なくとも部分的に塞ぐ障害物を形成する段階と、該物品の該第２表面に向かって複数の粒子を同時に発射する段階であって、該粒子の少なくとも一部が該第２表面の開口において該冷却孔を通過し、該冷却孔から該障害物の少なくとも一部を除去する段階とからなる。

本発明の例示的実施形態の１つの利点は、個別の熱溶射および洗浄工程に伴うマスキングや他の時間のかかる段階を削減または削除することによって、時間と費用の節約が達成できることである。

別の利点は、物品を単独の場所で溶射および洗浄可能であり、同時溶射および洗浄工程が必要とするステーションの数を削減することができることである。

別の利点は、遮熱コーティングを間断なく一段階で完全に所望の厚さになるまで塗布することができることである。

本発明のさらに別の利点は、熱溶射と同時に冷却孔の洗浄を行うことにより、塗布された遮熱コーティング成分がまだ温かく成形しやすい間に、該孔からスプレーしぶきを洗浄することができるので、ＴＢＣおよびＴＢＣが塗布された部品が十分に冷却および固化された後に使用される同様の洗浄技術よりも破片除去の効果が増大することである。

さらに別の利点は、該冷却孔の壁の縮小を最小限に抑えることによって部品品質を向上させることができることである。

本発明の他の特徴および利点は、例として本発明の原理を図示する添付の図面と併せて考慮すると、以下の例示的実施形態のより詳細な説明から明らかになるであろう。

図１を参照すると、燃焼器ライナーやガスタービンエンジンの他の部品等の冷却孔１２を有する物品１０が提供され、それにはＴＢＣまたは他の皮膜を熱溶射によって塗布することができる。熱溶射装置２０は、燃焼器ライナー１０の内表面にＴＢＣ２２を塗布するように配置される（図２参照）。研磨用非金属粒子ブラスター（すなわち、グリットブラスター）３０は、グリットまたは他の粒子を燃焼器ライナー１０の外表面および冷却孔１２の内部に向けて案内するように配置される。回転テーブル１５は、熱溶射装置２０、グリットブラスター３０および燃焼器ライナー１０間の相対運動を提供することができる。

図２を参照するとよくわかるように、冷却孔１２は、ＴＢＣ２２が塗布される燃焼器ライナー１０の第１表面１１における開口２１から燃焼器ライナー１０の第２表面１３における第２の開口２３まで広がっている。

ＴＢＣ２２は金属部品の表面に塗布される金属および／またはセラミックコーティング材の１つ以上の層からなっていて、高温の燃焼ガスから該金属部品への熱の伝達を妨げることにより、該部品を該高温の燃焼ガスから隔離する。該表面上におけるＴＢＣ２２の存在により、それがない場合に該部品の特別な材料や製造工程で起こりうるよりも該燃焼ガスを高温にすることが可能になる。必要に応じて、任意の適当な組成のＴＢＣ２２を塗布することができる。燃焼器ライナー１０の場合、適当なＴＢＣ２２の１つは、Ｍが好ましくはＮｉ、Ｃｏ、またはその組み合わせであり、その後にイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）が続くＭＣｒＡｌＹの結合層からなる。

燃焼器ライナーは一般的に環状形状を有しているため、通常ＴＢＣ２２が塗布される第１表面１１は燃焼器ライナー１０の内表面である。第２の外表面１３は運転中に側管を通る冷却用ガスに曝され、より効率的な熱伝達のために未処理のまま残すことができる。そのようなものとして、空気プラズマ溶射ガン等の熱溶射装置２０が燃焼ライナー１０の内表面１１にＴＢＣ２２を塗布するように配置される。

燃焼器ライナー１０の第１表面１１全体にわたって均一にＴＢＣ２２を塗布するためには、溶射装置２０を燃焼器ライナー１０に対して動かすかまたはその逆でもよく、両者の組み合わせを採用してもよい。燃焼器ライナー１０等の環状部品にＴＢＣ２２を塗布するいくつかの方法にしたがって、燃焼器ライナー１０は回転テーブル１５上に配置される。コーティングの均一な塗布を補助するために、テーブル１５が任意の速度、一般的には毎分約５０〜７５回転で回転することができる一方、熱溶射装置２０およびグリットブラスター３０は固定されている。相対運動により、ある特定の点が溶射装置２０を通るたびに燃焼器ライナー１０の第１表面１１上に約１ミクロン厚の皮膜が堆積する可能性がある。ＭＣｒＡｌＹは約１２７ミクロン〜約２５４ミクロン（約５ミル〜約１０ミル）の厚さが、ＹＳＺは約２５４ミクロン〜約５０８ミクロン（約１０ミル〜約２０ミル）の厚さが一般的であるが、当然のことながら、ＴＢＣ２２は任意の所望の厚さで塗布することができる。

燃焼器ライナー１０がテーブル１５上を回転するにつれて、スプレーしぶき等の熱溶射の破片が冷却孔内に障害物３２を形成する可能性がある。これらの障害物３２が部分的または完全に冷却孔１２を閉塞する可能性があるため、それらの障害物３２の少なくとも一部を除去しない限り、本来の冷却目的を果たす冷却孔の能力が減少または排除されてしまう。

本発明の例示的実施形態にしたがって、グリットブラスター３０または他の粒子放射装置が熱溶射工程中に冷却孔１２を同時に洗浄するために提供される。グリットブラスター３０は、燃焼器ライナー１０の第２表面１３に向かって小粒子３４を放出するように構成されている。それに向かって粒子３４が放出される第２表面１３は、燃焼器ライナー１０または第２の冷却孔開口２３がそこに設けられる他の部品の任意の表面でよく、その表面は第１表面１１以外の表面である。第２表面は必ずという訳ではないが一般的に、第１表面１１の反対側の表面である。

粒子３４が燃焼器ライナー１０の第２表面１３にぶつかると、それらの粒子の一部が第２表面１３の開口２３において冷却孔１２に入って通過し、その冷却孔１２の一部またはすべてが、ＴＢＣ成分や熱溶射工程で生じる障害物３２を形成する他の破片によって少なくとも部分的に塞がれる。粒子３４は、燃焼器ライナー１０の第２表面１３に向けてグリットブラスター３０の１つ以上の出口ノズルから放出される。グリットブラスター３０は、粒子３４が冷却孔１２内のまだ温かく柔らかいＴＢＣ成分にぶつかると、粒子３４と少なくとも一部の障害物３２の両者が第１表面１１の第１の開口２１を通って冷却孔１２から押し出されるように、粒子３４に十分な速度を与える。

上述したように、グリットブラスター３０は熱溶射装置２０と同時に作動するように配置される。「同時」とは、ＴＢＣ成分が冷却も固化もされておらず、グリットブラスター３０からの粒子３４によって冷却孔１２から押し出すのに十分なほど温かく柔らかい状態であるように、ＴＢＣ２２が溶射装置２０によって第１表面１１に塗布されるのと同時またはその直後に、グリットブラスター３０から第２表面１３に対して冷却孔１２を通って放出される事を意味している。ＴＢＣ成分は一般的に、ＴＢＣ２２の塗布後の約１秒以内に第２表面１３に向かって粒子３４の同時放出が起こると、まだ十分に温かく柔らかい状態であるが、遮熱コーティングの塗布後の約０．１秒以内の同時溶射が好ましく、ＴＢＣ２２の塗布と同時に約０．０１秒以内に起こる可能性がある。

燃焼器ライナー１０の一部分の拡大断面図を示す図２を参照すると、熱溶射装置２０は燃焼器ライナーの第１表面１１に対して約２０度から約２３０度までの任意の角度で配置することができる。より一般的には、溶射装置２０は約３０〜約５５度に角度付けられ、より一般的には約４５度の角度である。当然のことながら、冷却孔１２を第１表面１１から第２表面１３まで燃焼器ライナー１０または他のエンジン部品を通るように角度付けることができることによって、該部品を通る孔の長さが増大し、より大きな熱伝達用の内部表面領域が形成される。角度付けられた冷却孔の場合、溶射装置２０は好ましくはスプレーしぶきが通る冷却孔１２の深さとその中に集まる障害物３２の数を最小限に抑えるように角度付けられる。このことは、図２に示すように、第１の開口２１における冷却孔１２の角度に対して溶射装置２０を角度付けることによって達成することができる。

グリットブラスター３０は１つ以上の出口ノズルを有してもよく、粒子３４の収束または分岐流を形成するように構成することができる。グリットブラスター３０は第２表面１３に対して任意の角度で配置することができるが、一般的には冷却孔１２に対して角度付けられ、ある状況では冷却孔１２と実質的に平行に配向される可能性がある。これにより、グリットブラスター３０からの粒子３４が冷却孔１２の内壁と接触する前に通り、ＴＢＣ成分がその中に障害物３２を形成する深さを増大させることによって、それらの粒子３４がそれらの障害物３２にぶつかる運動量を増大させることができる。

グリットブラスター３０からの粒子３４は、ほんの一例としてアルミナ、砂、ガラス玉、または他の何らかの研磨用非金属材料を含む任意の適当な材料であってよく、任意の適当な流体、気体、液体に混入させてもよい。所望のメッシュサイズのグリットを任意で選択してもよく、一般的には約６０メッシュのグリット〜約４００メッシュのグリット範囲である。グリットブラスター３０が作動する圧力も同様に、選択されるグリットのサイズによって変更することができるが、通常は約３０ｐｓｉから９０ｐｓｉまでの範囲である。

グリットブラスター３０からの粒子のグリットサイズおよびＴＢＣ２２の塗布中の熱溶射装置２０の角度は、同時に行う熱溶射および冷却孔洗浄工程の全体的な効果に影響を与える可能性がある。これらの特性を変更する相対的な効果は、被覆されていない部品の冷却孔を通る空気流と、熱溶射によって被覆され、その冷却孔が上述のように同時に洗浄された部品の冷却孔を通る空気流の差を測定することによって計算することができる。

図３は、本発明の例示的実施形態にしたがって冷却孔を洗浄するためにＴＢＣの塗布と同時にグリットブラストを行った、角度付けされた冷却孔を有する試料物質の結果を図表で示す。ＮｉＣｒＡｌＹコーティングが、２つの異なる角度と４段階のコーティング厚で空気プラズマ溶射によってＨＳ１８８試料に塗布された。熱溶射の角度は、図２で示された方法では冷却孔１２の角度であったのに対し、（１）第１表面１１に対して９０度および（２）第１表面１１に対して４５度であった。空気に混入した３種類のグリットサイズ（１２０メッシュ、２２０メッシュおよび３２０メッシュ）のアルミナが、熱溶射の適用中に同時に冷却孔を６０ｐｓｉで洗浄するためのブラスト媒体として使用された。

各試料が被覆され、その冷却孔が洗浄された後、空気が該冷却孔を通過し、標準温度と圧力での質量流量が測定された。測定された空気流は対照試料を通る空気流と比較されるが、その対照試料は被覆されておらず、したがって障害物がまったくないことが確認されている冷却孔を有する事以外は同一のものである。測定された該試料を通る空気流は、該対照を通る空気流に対する差の割合として計算され、塗布されたコーティングの厚さと対比して図３に点で示される。±５％未満の空気流の変化が特に望ましい。

図４および図５は、２２０グリットのアルミナを６０ｐｓｉで使用したグリットブラストと同時に４５度の空気プラズマ溶射によってＮｉＣｒＡｌＹのＴＢＣ２２を塗布した試料部品の光学顕微鏡写真である。この光学顕微鏡写真はさらに、該試料の第１表面１１が十分に被覆される一方、該被覆試料の冷却孔１２には実質的に障害物３２がまったくないことを実証している。

図６は、試料の第１表面１１と覆っているＮｉＣｒＡｌＹのＴＢＣ２２の微細構造の光学顕微鏡写真であり、第１表面１１とＴＢＣ２２の光学顕微鏡写真が同時洗浄工程によって本質的に変化しないことを示している。

燃焼器ライナーに関して検討してきたが、当然のことながら、ここで説明した方法は、ほんの一例として、羽根、シュラウドおよび排気ノズル等の冷却孔を有する任意のタービンエンジン部品に対して同様に適用可能である。

以上の詳述では本発明の例示的実施形態を説明し記述したものの、当業者には、本発明の範囲を逸脱することなくさまざまな変更を加えることができるとともに、その構成要素を同等物に置き換えることができることが理解できるであろう。加えて、本発明の教示に、その本質的な範囲を逸脱することなくさまざまな修正を加えて特定の状況や材料を適応させることができる。したがって、本発明は本発明を実施するために考えられる最良の形態として開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は添付の請求項の範囲内のすべての実施形態を含むことを意図されている。

本発明の例示的実施形態による方法で使用される熱溶射ステーションである。 本発明の例示的実施形態による熱溶射方法で使用される燃焼器ライナーの拡大断面図である。 遮熱コーティング厚の関数として空気流の変化を示すグラフである。 本発明の例示的実施形態にしたがって熱溶射および同時に孔洗浄が実行された後の被覆物品の冷却孔を示す光学顕微鏡写真である。 本発明の例示的実施形態にしたがって熱溶射および同時に孔洗浄が実行された後の被覆物品の冷却孔を示す光学顕微鏡写真である。 本発明の例示的実施形態にしたがって熱溶射および同時に孔洗浄が実行された後の冷却孔を有する物品の被覆表面の微細構造の光学顕微鏡写真である。

符号の説明

１０ 燃焼器ライナー
１１ 第１表面
１２ 冷却孔
１３ 第２表面
１５ 回転テーブル
２０ 溶射装置
２１ 第１表面の出口
２２ ＴＢＣ（遮熱コーティング）
２３ 第２表面の出口
３０ グリットブラスター
３２ 障害物
３４ 粒子

Claims (9)

1. 第１表面と反対側の第２表面とを備え、該第１表面の開口から該第２表面の開口まで広がる１つ以上の冷却孔を有する物品を用意する段階と、
   前記物品の該第１表面を覆う金属材料の層を熱溶射して金属結合コートを形成し、熱溶射の破片が少なくとも１つの冷却孔を少なくとも部分的に塞ぐ障害物を形成する段階と、
   前記熱溶射と同時に又は前記熱溶射から１秒以内に前記物品の該第２表面に向かって流体に混入した複数の研磨用非金属粒子を３０ｐｓｉから９０ｐｓｉの範囲内の圧力で放出させ、該粒子の少なくとも一部を該第２表面の開口において前記冷却孔を通過させ、前記障害物の少なくとも一部を除去する段階と
   を含む方法。
2. 該物品を用意する段階が、ガスタービンエンジン部品を用意することである、請求項１に記載の方法。
3. 該物品を用意する段階が、燃焼器ライナー、羽根、シュラウドおよび排気ノズルで構成されるグループから選択された部品を用意することである、請求項１に記載の方法。
4. 該熱溶射段階が、ＭがＮｉまたはＣｏであるＭＣｒＡｌＹの層を熱溶射することである、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
5. 該熱溶射段階が、前記金属結合コート上にイットリア安定化ジルコニアの層を熱溶射することである、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
6. 該粒子を同時に放出する段階が、６０メッシュ〜４００メッシュのグリットサイズを有する粒子を同時に放出することである、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の方法。
7. 該熱溶射段階が、該第１表面に対して３０度〜５５度の角度で熱溶射することである、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記複数の研磨用非金属粒子を同時に放出することが、約２２０メッシュのグリッドサイズの研磨用非金属粒子を同時に放出することを含み、該熱溶射段階が、該第１表面に対して４５度の角度で熱溶射することである、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の方法。
9. 該粒子を同時に放出する段階が、該第１表面への物質の熱溶射後の０．１秒以内に該第２表面に向かって粒子を放出することである、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の方法。