JP5428298B2

JP5428298B2 - 補修構造体の加飾方法

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Publication number: JP5428298B2
Application number: JP2008291019A
Authority: JP
Inventors: 洋平榊原; 彰洋佐藤; 廣喜吉澤
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2008-11-13
Filing date: 2008-11-13
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2028-11-13
Also published as: JP2010116604A

Description

本発明は、補修構造体の加飾方法に関するものである。

例えば、ジェットエンジンを構成する部品は、溶接や切削加工等により、その母材の損傷を補修して補修部を形成することがなされている。この補修方法の一例として、例えば特許文献１に記載のような補修方法がある。
特開平１１−４３７０６号公報

しかしながら、上記のように肉盛溶接やタッチアップ等を施し、母材に補修部を形成すると、補修部の輪郭や色が明瞭となり、補修した部品の外観が損なわれてしまう。もちろん補修した部品の性能には問題はないが、ジェットエンジン等の航空機部品の分野においては、部品の性能は勿論のこと、その部品の外観も製品の信頼性につながる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、製品の信頼性を向上させることができる補修構造体の加飾方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、母材に補修部が形成された補修構造体の加飾方法であって、上記母材と上記補修部との境界部に、ノズルから作動ガスと共に材料粉末を噴射する噴射工程と、上記噴射される上記材料粉末の噴射速度を調節することにより、上記境界部に上記材料粉末を付着させるコールドスプレー処理を行って上記境界部に暈し加飾を施す噴射速度調節工程とを有するという構成を採用する。
このような構成を採用することによって、本発明では、コールドスプレー処理を行って母材と補修部との境界部に材料粉末を付着させることにより、境界部を暈し加飾することで補修部の輪郭や色を暈すことが可能となる。

また、本発明では、噴射速度調節工程では、上記噴射される上記材料粉末の噴射速度を調節することにより、上記コールドスプレー処理と、上記境界部に上記材料粉末を付着させずに凹凸を形成するブラスト処理とを行って上記境界部に暈し加飾を施すという構成を採用する。
このような構成を採用することによって、本発明では、噴射速度調節工程において材料粉末の噴射速度を調節することにより、コールドスプレー処理とブラスト処理との両処理を施すことで、補修部の輪郭等をより確実に消して補修構造体の外観を高めることができる。すなわち、コールドスプレー処理とブラスト処理とは表裏一体の技術であり、材料粉末の噴射速度が十分であれば材料粉末が付着堆積するコールドスプレー処理となり、一方、材料粉末の噴射速度が不十分であれば材料粉末が付着せず対象に圧縮応力を与えて微小な凹凸を形成するブラスト処理となる。

また、本発明では、上記材料粉末は、所定の粒度分布を有しており、上記噴射速度調節工程では、上記噴射速度を、上記コールドスプレー処理を行う第１速度と、上記ブラスト処理を行う第２速度との境界の速度に調節するという構成を採用する。
このような構成を採用することによって、本発明では、材料粉末の噴射動作中に噴射速度を変えることなく、コールドスプレー処理とブラスト処理との両処理を施すことが可能となる。すなわち、材料粉末の噴射速度は、粒子径によりその噴射速度が異なるため、噴射速度を境界の速度に設定し、材料粉末が所定の粒度分布を有すれば、対象に付着するものと対象に付着せずに凹凸を形成するものとに分かれるため、コールドスプレー処理とブラスト処理との両処理を同時に施すことができる。

また、本発明では、上記粒度分布は、バイモーダルの粒度分布であるという構成を採用する。
このような構成を採用することによって、本発明では、材料粉末がバイモーダル（二つ山）の粒度分布を有するため、上記作用をより効果的にすることができる。

また、本発明では、上記噴射速度調節工程では、上記噴射速度を、上記コールドスプレー処理を行う第１速度と、上記ブラスト処理を行う第２速度との間で周期的に変化させるという構成を採用する。
このような構成を採用することによって、本発明では、コールドスプレー処理とブラスト処理とを周期的に施すことが可能となる。

また、本発明では、上記噴射速度調節工程では、上記噴射により材料粉末が衝突する位置が上記境界部の上記補修部側から上記母材側に向かうに従って、上記噴射速度を、上記コールドスプレー処理を行う第１速度から上記ブラスト処理を行う第２速度へ向けて漸次変化させるという構成を採用する。
このような構成を採用することによって、本発明では、材料粉末の付着堆積する量が境界部の補修部側から母材側に向かうに従って徐々に少なくなるため、境界部に色のグラデーションを形成することが可能となる。

本発明によれば、母材に補修部が形成された補修構造体の加飾方法であって、上記母材と上記補修部との境界部に、ノズルから作動ガスと共に材料粉末を噴射する噴射工程と、上記噴射される上記材料粉末の噴射速度を調節することにより、上記境界部に上記材料粉末を付着させるコールドスプレー処理を行って上記境界部に暈し加飾を施す噴射速度調節工程とを有するという構成を採用することによって、コールドスプレー処理を行って母材と補修部との境界部に材料粉末を付着させることにより暈し加飾することで補修部の輪郭や色を暈すことが可能となる。すなわち、補修部の輪郭や色が明瞭となることを低減させて、補修した部品の外観が損なわれてしまうことを防止することができる。
したがって、本発明は、製品の信頼性を向上させることができる補修構造体の加飾方法を提供することができる効果がある。

以下、本発明に係る補修構造体の加飾方法について、図面を参照して説明する。図１及び図２は、本実施形態における加飾方法を実施するためのコールドスプレー装置を示す。
図１は、本実施形態に係るコールドスプレー装置１の概略構成を示す模式図である。
図２は、本実施形態に係るコールドスプレー部１０の概略構成を示す模式図である。
コールドスプレー装置１は、コールドスプレー処理を用いて補修構造体Ｂの表面上に加飾層Ｒを形成するものであり、材料粉末Ａをスプレーするコールドスプレー部１０と、補修構造体Ｂを載置すると共に補修構造体Ｂを一定温度に温度制御する基材温度調整部５０等から構成される。

コールドスプレー部１０は、材料粉末Ａを音速〜超音速で補修構造体Ｂの表面に固体状態で衝突させて加飾層Ｒを形成するための装置であって、図２に示すように、材料粉末Ａを高圧の作動ガスＧと共に噴射するスプレーガン１１、所望量の材料粉末Ａを作動ガスＧと共にスプレーガン１１に供給する粉末供給部１２、作動ガスＧを加熱してスプレーガン１１に供給するガス加熱器１３、粉末供給部１２及びガス加熱器１３に対して作動ガスＧを供給すると共に材料粉末Ａの噴射速度を調節する不図示のガス供給部等を備えている。

ガス供給部から供給される高圧の作動ガスＧは２つの経路に分岐され、一方の作動ガスＧ１はガス加熱器１３を経て、室温以上に加熱された後、スプレーガン１１に供給される。他方の作動ガスＧ２は、粉末供給部１２へ送気され、キャリアガスとして材料粉末Ａと共にスプレーガン１１に供給される。

そして、スプレーガン１１に供給された作動ガスＧ（Ｇ１，Ｇ２）と材料粉末Ａは、スプレーガン１１の先端のノズル１１Ｎを経て音速〜超音速流となり、ノズル１１Ｎの出口から噴出される。
なお、材料粉末Ａの吹き付け速度（噴射速度）は、３００〜８００ｍ／ｓ程度に設定されている。
また、作動ガスＧとしては、空気、窒素、ヘリウムなどが用いられる。特に、不活性ガス（ヘリウム）が好適である。ガス圧力は、０．２７〜０．６９ＭＰａ程度に設定されている。

図１に戻り、基材温度調整部５０は、補修構造体Ｂを載置すると共に補修構造体Ｂを加熱可能な加熱プレート５２と、加熱プレート５２内に埋め込まれて加熱ヒータ５４と、加熱プレート５２の温度を検出する温度センサ５６と、温度センサ５６の検出結果に基づいて加熱ヒータ５４を作動させる温度制御部５８等から構成されている。

加熱プレート５２としては、熱伝導率が高い材料、例えば、銅やアルミニウム等が好適に用いられる。
加熱ヒータ５４としては、高周波コイル（高周波誘導加熱装置）が好適に用いられる。
交流電源に接続された加熱ヒータ５４（高周波コイル）を作動させると、加熱プレート５２の表面付近に高密度のうず電流が発生し、そのジュール熱で加熱プレート５２が誘導加熱するようになっている。

温度センサ５６としては、熱電対が好適に用いられる。加熱プレート５２に埋め込んだ温度センサ５６（熱電対）により加熱プレート５２の温度を検出する。加熱プレート５２の温度は、補修構造体Ｂの加熱温度とほぼ等しいので、この温度を補修構造体Ｂの加熱温度とみなすことができる。
したがって、温度制御部５８は、温度センサ５６の検出結果に基づいて加熱ヒータ５４を制御することで、補修構造体Ｂを所望の温度に加熱・維持することが可能となっている。

続いて、上記構成のコールドスプレー装置１の動作（補修構造体の加飾方法）について、図３〜図５を参照して説明する。
図３は、本実施形態に係る粉末速度と施工効率との関係を示す図である。
図４は、本実施形態に係る補修構造体Ｂに設けられた補修部Ｂ２の外観を示す図である。
図５は、本実施形態に係る加飾方法を説明する図である。

補修構造体Ｂは、例えばジェットエンジンを構成する一部品であり、アルミニウム（Ａｌ）合金を母材Ｂ１とする。補修構造体Ｂは、図４に示すように、切削加工の後にタッチアップを施した補修部Ｂ２を有する。補修部Ｂ２は、例えば母材と同じアルミニウム合金からなる。この補修構造体Ｂは、鋳肌面と金属光沢面とがコントラストとして明確に視認され、図５（ａ）に示すように母材Ｂ１と補修部Ｂ２との境界部Ｘに補修部Ｂ２の輪郭が明瞭に出現することとなる。

本実施形態の材料粉末Ａは、母材Ｂ１と補修部Ｂ２と同じアルミニウム合金の金属粉末が用いられる。図３に示すように、材料粉末Ａが母材Ｂ１に付着する施工効率は、材料粉末Ａの噴射速度に依存する。具体的には、ある一定の噴射速度までは材料粉末Ａが対象に付着せず、対して、ある一定の噴射速度を越えると材料粉末Ａが対象に付着して漸次傾斜的に施工効率が上昇する。すなわち、材料粉末Ａの噴射速度が十分であれば材料粉末Ａが対象に付着堆積するコールドスプレー処理となり、一方、材料粉末Ａの噴射速度が不十分であれば材料粉末Ａが対象に付着せず対象に圧縮応力を与えて微小な凹凸を形成するブラスト処理となる。

本実施形態では、このコールドスプレー処理とブラスト処理との表裏一体の技術を同時に行うことにより境界部Ｘに暈し加飾を施す。具体的には、材料粉末Ａの噴射速度を、コールドスプレー／ブラストの境界条件に設定する。すなわち、材料粉末Ａの噴射速度を、コールドスプレー処理を行う第１速度とブラスト処理を行う第２速度との境界の速度に設定する（噴射速度調節工程）。噴射速度調節工程では、コールドスプレー装置１の施工条件である、作動ガスＧのガス圧力、ガス温度、ガス種類を調節することにより、材料粉末Ａの噴射速度をコールドスプレー／ブラストの境界条件に設定する。本実施形態では、材料粉末Ａがアルミニウム合金の金属粉末であるため、境界条件の噴射速度が５００ｍ／ｓ程度となるように噴射速度を調節する。

さらに上記方法を実施するため、材料粉末Ａの粒度分布を選定する粒度分布選定工程を設ける。すなわち、材料粉末Ａの噴射速度は、粒子径によりノズル１１Ｎにおける加速のし易さ、つまり噴射速度が異なるため、例えば材料粉末Ａの粒度分布が正規分布のものでその分布の中で最も多いものを代表粒子径とし、その噴射速度を境界の速度に設定すれば、代表粒子径に対して粒子径が小さく十分に加速されるものが対象に付着し、代表粒子径に対して粒子径が大きく十分に加速されないものが対象に付着せずに凹凸を形成するため、コールドスプレー処理とブラスト処理との両処理を同時に施すことができる。

上記のように、材料粉末Ａの噴射速度、粒度分布を設定した後、コールドスプレー装置１を用いて材料粉末Ａを境界部Ｘに噴射する噴射工程を行う。
先ず、加熱プレート５２上に、補修構造体Ｂを載置し、加熱ヒータ５４を作動させ、加熱プレート５２からの熱伝導により補修構造体Ｂを所定温度まで加熱する。次に、コールドスプレー部１０を作動させ、材料粉末Ａを補修構造体Ｂに向けてスプレーし、境界部Ｘ上に加飾層Ｒを形成する。

より詳しくは、図２に示すように、作動ガスＧ１は、ガス加熱器１３を経て室温以上に加熱された後、スプレーガン１１に供給される。作動ガスＧ２は、粉末供給部１２へ送気され、キャリアガスとして材料粉末Ａと共にスプレーガン１１に供給される。
そして、スプレーガン１１に供給された作動ガスＧ（Ｇ１，Ｇ２）と材料粉末Ａは、スプレーガン１１の先端のノズル１１Ｎを経て５００ｍ／ｓ程度となり、ノズル１１Ｎの出口から噴出される。

ノズル１１Ｎの出口から噴出した材料粉末Ａは、固体のまま境界部Ｘに衝突する。
そして、高速で境界部Ｘに衝突した材料粉末Ａの一部は、塑性変形して境界部Ｘに付着して加飾層Ｒを形成し、補修部Ｂ２の輪郭に暈し加飾を施す。また、材料粉末Ａが境界部Ｘに衝突した際に運動エネルギーが熱エネルギーに変わり、材料によっては材料表面が融点を超え結合し強固な密着力を得ることができる。
また、高速で境界部Ｘに衝突した材料粉末Ａの残部は、圧縮応力を与えて微小な凹凸を形成して金属光沢面の光沢を消すことで、補修部Ｂ２の輪郭に暈し加飾を施す。

すなわち、上記境界条件で施工することにより、粒子径の小さい材料粉末Ａがノズル１１Ｎにおいて十分に加速されて境界部Ｘに付着するコールドスプレー処理と、粒子径の大きい材料粉末Ａが不十分な加速により境界部Ｘを荒らすブラスト処理を同時に施すことができる。上記境界条件で境界部Ｘに施工を施すと、材料粉末Ａの付着量、材料粉末Ａによる摩耗量とが共に少なく、境界部Ｘがいわば薄化粧のように加飾され、補修部Ｂ２の輪郭や色等を暈すことができる（図５（ｂ）参照）。

したがって、上述した本実施形態によれば、母材Ｂ１に補修部Ｂ２が形成された補修構造体Ｂの加飾方法であって、母材Ｂ１と補修部Ｂ２との境界部Ｘに、ノズル１１Ｎから作動ガスＧと共に材料粉末Ａを噴射する噴射工程と、上記噴射される材料粉末Ａの噴射速度を調節することにより、境界部Ｘに材料粉末Ａを付着させるコールドスプレー処理を行って境界部Ｘに暈し加飾を施す噴射速度調節工程とを有するという構成を採用することによって、コールドスプレー処理を行って母材Ｂ１と補修部Ｂ２との境界部Ｘに材料粉末Ａを付着させて暈し加飾することで補修部Ｂ２の輪郭や色を暈すことが可能となる。すなわち、補修部Ｂ２の輪郭や色が明瞭となることを低減させて、補修した部品の外観が損なわれてしまうことを防止することができる。
したがって、本実施形態は、製品の信頼性を向上させることができる補修構造体Ｂの加飾方法を提供することができる効果がある。

また、本実施形態では、噴射速度調節工程では、上記噴射される材料粉末Ａの噴射速度を調節することにより、コールドスプレー処理と、境界部Ｘに材料粉末Ａを付着させずに凹凸を形成するブラスト処理とを行って境界部Ｘに暈し加飾を施すという構成を採用することによって、噴射速度調節工程において材料粉末Ａの噴射速度を調節することにより、コールドスプレー処理とブラスト処理との両処理を施すことで、補修部Ｂ２の輪郭等をより確実に消して補修構造体Ｂの外観を高めることができる。すなわち、コールドスプレー処理とブラスト処理とは表裏一体の技術であり、材料粉末Ａの噴射速度が十分であれば材料粉末Ａが付着堆積するコールドスプレー処理となり、一方、材料粉末Ａの噴射速度が不十分であれば材料粉末Ａが付着せず対象に圧縮応力を与えて微小な凹凸を形成するブラスト処理となる。

また、本実施形態では、材料粉末Ａは、所定の粒度分布を有しており、上記噴射速度調節工程では、上記噴射速度を、コールドスプレー処理を行う第１速度と、ブラスト処理を行う第２速度との境界の速度に調節するという構成を採用することによって、材料粉末Ａの噴射動作中に噴射速度を変えることなく、コールドスプレー処理とブラスト処理との両処理を施すことが可能となる。すなわち、材料粉末Ａの噴射速度は、粒子径によりその噴射速度が異なるため、噴射速度を境界の速度に設定し、材料粉末Ａが所定の粒度分布を有すれば、対象に付着するものと対象に付着せずに凹凸を形成するものとに分かれるため、コールドスプレー処理とブラスト処理との両処理を同時に施すことができる。

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上述した実施形態では、材料粉末Ａの粒度分布が正規分布のものを用いたが、本発明は、上記構成に限定されるものではなく、例えば、上記粒度分布は、バイモーダルの粒度分布であるという構成を採用してもよい。
このような構成を採用することによって、材料粉末Ａがバイモーダル（二つ山）の粒度分布を有するため、コールドスプレー処理とブラスト処理とを同時により効果的に行うことができる。また、材料粉末Ａは、粒度分布が互いに異なるものを混ぜ合わせて形成されるものであってもよい。

また、例えば、上述した実施形態では、噴射速度調節工程で噴射速度を境界の速度の一の速度に調節して暈し加飾を施すと説明したが、例えば、上記噴射速度調節工程では、噴射速度を、コールドスプレー処理を行う第１速度と、ブラスト処理を行う第２速度との間で周期的に変化させるという構成を採用してもよい。
このような構成を採用することによって、コールドスプレー処理とブラスト処理とを周期的に施すことが可能となる。なお、この場合は、施工中に作動ガスＧのガス圧力及びガス温度の少なくもいずれか一方を周期的に変化させて噴射速度を変化させることが望ましい。

また、例えば、本発明では、噴射速度調節工程で、上記噴射により材料粉末Ａが衝突する位置が境界部Ｘの補修部Ｂ２側から母材Ｂ１側に向かうに従って、上記噴射速度を、コールドスプレー処理を行う第１速度から上記ブラスト処理を行う第２速度へ向けて漸次変化させるという構成を採用してもよい。
このような構成を採用することによって、材料粉末Ａの付着堆積する量が境界部Ｘの補修部Ｂ２側から母材Ｂ１側に向かうに従って徐々に少なくなるため、境界部Ｘに色のグラデーションを形成することが可能となり、より効果的に補修部Ｂ２の輪郭を消すことができる。

また、例えば、本発明の補修構造体Ｂは、ジェットエンジンの部品に限定されるものではなく、また、その材料もアルミニウム合金に限定されるものではない。例えば、材料としては、銅、ニッケル、鉄、それらの合金等であっても良い。また、材料粉末Ａの材料は、補修構造体の材料により選定することが望ましく、例えば、上記実施形態のように補修構造体Ｂの母材Ｂ１と補修部Ｂ２と同一の材料であるのが望ましい。

本発明の実施形態に係るコールドスプレー装置の概略構成を示す模式図である。本発明の実施形態に係るコールドスプレー部の概略構成を示す模式図である。本発明の実施形態に係る粉末速度と施工効率との関係を示す図である。本発明の実施形態に係る本実施形態に係る補修構造体に設けられた補修部の外観を示す図である。本発明の実施形態に係る加飾方法を説明する図である。

符号の説明

Ａ…材料粉末、Ｂ…補修構造体、Ｂ１…母材、Ｂ２…補修部、Ｇ…作動ガス、Ｘ…境界部、１１Ｎ…ノズル

Claims

母材に補修部が形成された補修構造体の加飾方法であって、
前記母材と前記補修部との境界部に、ノズルから作動ガスと共にバイモーダルの粒度分布を有する材料粉末を噴射する噴射工程と、
前記噴射される前記材料粉末の噴射速度を調節することにより、前記境界部に前記材料粉末の一部を付着させるコールドスプレー処理と、前記境界部に前記材料粉末の残部を付着させずに凹凸を形成させるブラスト処理とを同時に行って前記境界部に暈し加飾を施す噴射速度調節工程とを有することを特徴とする補修構造体の加飾方法。