JP5820586B2 - 多孔質皮膜のための複合線材を用いたワイヤアーク溶射システム並びに関連方法 - Google Patents
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Description
本発明は、一般に、コーティング技術及びシステムに関し、さらに具体的には、多孔質皮膜を生じさせるための複合線材を用いたワイヤアーク溶射システム並びにその関連方法に関する。
金属アブレイダブル皮膜は多孔質金属皮膜を含んでおり、様々な産業で使用されている。例えば、ガスタービンのケーシング又はジェットエンジンの圧縮機の内側に金属アブレイダブル皮膜を設けて、可動部に対してシールのための正確な許容差を生じるように作用するアブレイダブルシール皮膜を生じさせることがある。現在、金属アブレイダブル皮膜は、金属とポリマー（例えばポリエステル）その他の低融点材料のように焼尽性の材料とを含む粉体を用いてプラズマ溶射又は燃焼溶射によって施工されている。場合によっては、窒化ホウ素のような固体滑剤も使用される。焼尽性材料は逃散相材料とも呼ばれる。複合材料を表面に塗工したら、熱処理して逃散相材料を焼尽させ、表面に金属材料の多孔質アブレイダブル皮膜が得られる。金属アブレイダブル皮膜の別の製造方法は、逃散相材料を、熱処理の際に焼尽する低温接着剤で金属粉体に結合させることである。アブレイダブル皮膜は、プロセス並びに用いられる設備及び材料の非可搬性のため、製造コストが高くなりかねない。また、プラズマ溶射法に用いられる複合粉体には、再現性の問題及び逃散相材料の供給源が限られていて複合粉体価格が高区なるという問題もある。
ワイヤアーク溶射は、非常に緻密な非多孔質材料で表面を被覆するための別のアプローチである。しかし、多孔質金属皮膜の製造には、従前、亜鉛などの犠牲金属線材をニッケルのような異種金属線材と併用したワイヤアーク溶射が用いられており、犠牲金属を電気化学的にエッチングして多孔質金属が残るようにされる。この方法では、例えば燃料電池電極用に好適な多孔質金属が生成するが、アブレイダブルシール皮膜を生じさせることはできない。アルミニウムクラッドとアルミナコアを有する線材も滑り止め皮膜の製造に使用されている。この場合、アルミナ（融点２０７２℃）はアルミニウム（融点６６０．３２℃）と同時には融解せず、除去されずに皮膜中に残り、非常に高い表面粗さを生ずる。
アブレイダブル皮膜を得るための他の取り組みでは、セル内に様々な充填材を有する複雑なハニカム構造を表面に生じる。
本発明の第１の態様では、推進ガスをアーク点に送給するための推進ガス源と、第１のワイヤをアーク点に送給するための第１のワイヤ送給装置と、第２のワイヤをアーク点に送給するための第２のワイヤ送給装置（ただし、第１のワイヤと第２のワイヤの少なくとも一方は、そのコア領域に第１の材料と、コア領域の周囲に第２の材料を含むクラッドとを含む複合線材を含んでいる。）と、第１のワイヤを第１のワイヤ送給装置に供給するように配置された第１のワイヤの供給源と、第２のワイヤを第２のワイヤ送給装置に供給するように配置された第２のワイヤの供給源と、第１のワイヤに第１の電気的極性を、第２のワイヤに第１の電気的極性とは逆の第２の電気的極性を生じさせるための電源と、電源、推進ガス源並びに第１及び第２のワイヤ送給装置を制御して、アーク点における第１のワイヤと第２のワイヤのアーク放電で生じた加熱材料を、被覆すべき表面に推進するためのコントローラーとを備えるワイヤアーク溶射システムを提供する。
本発明の第２の態様では、ワイヤアーク溶射システムで使用される複合線材を提供し、当該複合線材は、そのコア領域に低融点材料と、コア領域の周囲に金属を含むクラッドとを含んでおり、低融点材料は上記金属よりも低い融点を有していて、約１ｎｍ〜約１００ｎｍの粒度の粒子を有する粉体の形態のポリマーを含む。
本発明の第３の態様では、第１の電気的極性を有する第１の全金属ワイヤをアーク点に送給し、第１の電気的極性とは逆の第２の電気的極性を有する第２の全金属ワイヤをアーク点に送給し、推進ガスをアーク点を通過するように送って、アーク点における第１の全金属ワイヤと第２の全金属ワイヤのアーク放電で生じた加熱材料を、被覆すべき表面へと推進し、アーク点の電圧、アーク点の電流、推進ガスの体積、推進ガスの圧力及びアーク点と表面との間隔のうちの少なくとも１つを制御して表面に多孔質金属皮膜を生じさせることを含む方法を提供する。
本発明の具体的態様は、本明細書で説明した問題及び／又は本明細書では議論していない他の問題を解決するために設計されたものである。
本発明の上記その他の特徴は、本発明の様々な実施形態を示す添付の図面と併せて本発明の様々な態様に関する以下の詳細な説明を参照することによって理解を深めることができよう。
本発明の図面は正確な縮尺ではない。これらの図面は本発明の典型的な態様のみを示すためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。図面において、同様の構成要素には同様の符号を付した。
図面を参照すると、図１は、本発明の実施形態に係るワイヤアーク溶射システム１００の概略断面図を示す。システム１００は従来のデバイスと同様な多くの特徴を有しているが、ワイヤ１０２，１０４は従来の単一材料のワイヤ又は従来の複合線材とは異なっていてもよい。以下でさらに具体的に説明するように、ワイヤ１０２，１０４によって、従来のワイヤアーク溶射システムでは生じさせることのできなかった多孔質金属皮膜１２４を表面１２２上に生じさせることができる。
システム１００は、推進ガス１１２をアーク点１１４に送給するための推進ガス源１１０を備える。アーク点１１４は、ワイヤ１０２，１０４が接触してそこでの電流によりアーク放電を生じて、加熱材料１２０を生じる位置であり、加熱材料は推進ガス１１２によって表面１２２へと送られる。本明細書では、「加熱材料」とは、表面１２２に向けて送られる材料をいい、単に加熱されたものであってもよいし、部分的又は完全に融解した形態であってもよい。一実施形態では、推進ガス１１２は、加熱材料１２０をアーク点１１４から多孔質金属皮膜１２４で被覆すべき表面１２２まで推進する圧縮ガス、例えばアルゴンである。この場合、供給源１１６（矢印で示す）は圧縮ガスのタンクを備えていてもよい。ただし、推進ガス１１２は、水素ガス又はケロセンのような液体燃料を用いた高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）法で生じるような燃焼系ガスの形態をとることもできる。他の燃焼プロセスとしては、例えば、酸素とアセチレン又は酸素とプロピレンの燃焼が挙げられる。通例、こうした燃焼系プロセスはワイヤアーク溶射システムでは用いられず、粉体供給材料と共に使用されるが、これは、このプロセスでは、緻密な皮膜を生じさせるために材料を充分に融解するだけの時間が得られないからである。しかし、本発明の場合、緻密な皮膜は望ましくない。その結果、燃焼系ガスをワイヤアーク溶射システムで使用することができる。この場合、供給源１１６は燃焼チャンバーを備えていてもよい。推進ガス源１１０はノズル１１８を備えていてもよく、ノズルは、加熱材料１２０を表面１２２へと推進するのに適した形態で推進ガス１１２を送給するために現在公知の又は以降に開発された任意の形態をとり得る。
システム１００は、第１のワイヤ１０２をアーク点１１４に送給するための第１のワイヤ送給装置１３０と、第２のワイヤ１０４をアーク点１１４に送給するための第２のワイヤ送給装置１３２も備える。図では、ワイヤ引出プーリーを有する単純な管状部材として示したが、送給装置１３０，１３２はワイヤその他のロープ様構造体を所望の位置に送給するための現在公知の又は以降に開発された任意の構造とすることができる。例えば、各装置１３０，１３２は、ワイヤ１０２，１０４をアーク点１１４に移動させるために、種々のガイド、ポスト、リール、ホイール、プーリー、モーター、相互作用式ワイヤグリッパーなどを備えていてもよい。第１のワイヤ１０２の供給源１４０は第１のワイヤを第１のワイヤ送給装置１３０に供給するように配置され、第２のワイヤ１０４の供給源１４２は第２のワイヤを第２のワイヤ送給装置１３２に供給するように配置される。供給源１４０，１４２は、ワイヤを保持する現在公知の又は以降に開発された任意の形態でよく、例えばスプール又はリールなどでよい。
システム１００は、第１のワイヤ１０２に第１の電気的極性（例えばマイナス）を、第２のワイヤ１０４に第１の電気的極性とは逆の第２の電気的極性（例えばプラス）を生じさせる電源１４４も備える。各電気的極性は必ずしも同じ電圧及び／又は電流を示す必要はない。電源１４４は、必要な電気的極性を生じさせるように現在公知の又は以降に開発された任意の方法で各ワイヤ１０２，１０４の端部に連結すればよく、例えば、スプール上の各ワイヤの内部端に連結する。また、電源１４４は１個しか示していないが、各ワイヤ毎に１つずつ２つの電源を使用することもできる。
システム１００は、電源１４４、推進ガス源１１０並びに第１及び第２のワイヤ送給装置１３０，１３２を制御して、アーク点１１４で第１のワイヤ１０２と第２のワイヤ１０４のアーク放電で生じた加熱及び／又は融解材料１２０を被覆すべき表面１２２に推進するためのコントローラー１５０も備える。さらに、システム１００は、アーク点１１４と被覆すべき表面１２２との間の間隔を制御するためのロボットアーム、モーター、機械的連結部などのような現在公知の又は以降に開発された任意のムーバー１５２を備えていてもよい。コントローラー１５０はムーバー１５２を制御することができる。コントローラー１５０は上述の機能を果たすことのできる現在公知の又は以降に開発された任意の工業用コントローラーを備えていてもよい。かかるコントローラー１５０は当技術分野で周知であり、これ以上の説明は必要ないであろう。
ここで、図２〜図４を参照して、第１及び第２のワイヤ１０２，１０４について詳細に説明する。一実施形態では、第１のワイヤ１０２及び第２のワイヤ１０４の一方又は両方は、そのコア領域に第１の材料１６２と、コア領域１６２の周囲の第２の材料１６４を含むクラッドとを含む複合線材１６０を含む。一方のワイヤ１０２，１０４のみが複合線材を含む場合、他方のワイヤは全金属の線材である。一実施形態では、第１の材料１６２は第２の材料１６４の融点よりも低い融点を有する低融点材料を含む。例えば、一実施形態では、図２に示すように、第１の材料１６２はポリマーを含み、第２の材料１６４は金属を含む。例えば、第１の材料１６２はポリエステルであり、金属はニッケル及びコバルトの１種以上である。別の実施形態では、図３に示すように、ポリエステルは約１ｎｍ〜約１００ｎｍの粒度の粒子１６６を有する粉体を含む。さらに別の例では、第１の材料１６２はアルミニウム、亜鉛又はスズのような比較的低融点の金属を含み、第２の材料１６４はニッケル、コバルトその他の高融点金属のような高融点材料を含む。上述の材料の融点はほぼ以下の通りである。アルミニウム６６０℃、亜鉛４１９℃、スズ２３２℃、ニッケル１４５３℃及びコバルト１４９５℃。ポリエステルの融点はその化学組成に応じて変化するが、第２の材料よりも低い。図４に示す別の実施形態では、第１の材料１６２は金属を含み、第２の材料１６４は上述のポリマーを含む。
操作に際して、ワイヤ１０２，１０４がアーク点１１４で加熱され、第１及び第２の材料１６２、１６４が加熱されて、ワイヤ１０２，１０４の少なくとも実質的な部分が融解し、推進ガス１１２によって加熱材料１２０が表面１２２へと送られる。その後、表面１２２を（除去すべき材料に応じた温度域の）高温で熱処理して、残存する第１の材料１６２を皮膜１２４から融解又は気化させることによって、第２の材料１６４の多孔質皮膜を残すことができる。例えば、約１０００℃の温度を用いてアルミニウムを気化させると多孔質ニッケルを残すことができる。皮膜１２４の多孔度は、プロセスパラメーター、例えば、特に限定されないが、第１の材料１６２の直径、並びに皮膜１２４の堆積に用いられるワイヤ１０２，１０４の供給速度、アーク点１１４と表面１２２との間隔、及び推進ガス１１２の流量及び圧力などによって決まる。さらに、多孔度はワイヤ１０２，１０４の化学組成によって制御することもでき、高温及び低温用途の両方で再現可能なアブレイダブル皮膜を生成させるために構成成分及び内部コア領域のパターンを変更することができる。
図１と共に図５の流れ図を参照して、本発明の他の実施形態では、ワイヤアーク溶射システム１００は、全金属ワイヤ２０２，２０４を用いた多孔質アブレイダブル皮膜１２４の製造に使用できる。特に、プロセスＰ１０において、第１のワイヤ送給装置１３０で第１の全金属ワイヤ２０２をアーク点１１４に送給し、プロセスＰ１２において、第２のワイヤ送給装置１３２で第２の全金属ワイヤ２０４をアーク点１１４に送給する。第１の全金属ワイヤ２０２は第１の電気的極性を有しており、第２の全金属ワイヤ２０４は第１の電気的極性とは逆の、電源１４４で生じた第２の電気的極性を有する。プロセスＰ１４において、推進ガス源１１０で推進ガス１１２をアーク点１１４を通過するように送って、アーク点１１４において第１の全金属ワイヤ２０２と第２の全金属ワイヤ２０４のアーク放電で生じた加熱及び／又は融解材料１２０を、被覆すべき表面１２２に向けて推進する。ただし、従来のワイヤアーク溶射とは対照的に、コントローラー１５０によって、アーク点１１４の電圧、アーク点１１４の電流、推進ガス１１２の体積、推進ガス１１２の圧力及びアーク点１１４と表面１２２との間の間隔の少なくとも１つを制御して、表面１２２上に多孔質金属皮膜１２４を生じさせる。アーク点１１４の電圧と電流は電源１４４によって制御することができる。推進ガス１１２の体積及び圧力は、例えば、ガスが圧縮ガスである場合はバルブによって、ガスが燃焼プロセス又は当技術分野で公知の他のメカニズムによって生成する場合には燃焼プロセスの制御によって、制御することができる。アーク点１１４の表面１２２からの間隔はムーバー１５２によって制御することができる。皮膜１２４の多孔度は、プロセスパラメーター、例えば、特に限定されないが、使用する金属の種類、第１の材料（金属）１６２の直径、並びに皮膜１２４の堆積に用いられるワイヤ２０２，２０４の供給速度、アーク点１１４と表面１２２との間隔、並びに推進ガス１１２の流量及び圧力などによって決まる。いずれにしても、このアプローチは、多孔質皮膜１２４を生成する大きい溶融液滴を生じる非常に低い速度及び能力を有するワイヤアークシステム１００に依拠する。ある具体例では、ニッケル（Ｎｉ）ワイヤとアルミニウム（Ａｌ）ワイヤを使用するが、得られる皮膜はＮｉマトリックスと、アーク放電で生成したＮｉＡｌ（硬質の）金属間化合物粒子と、軟らかいＡｌ領域である。幾つかのアブレイダブル実施形態としては、摩擦／磨耗事象において延性皮膜を「カット」するように機能する硬質相を含んでいてもよい。
上述のシステム及び技術の幾つかの実施形態の実施によって達成し得る利点の一つは、複合線材１６０が、従来の複合粉体溶射システムと比べて、低コストで、再現性の高いアブレイダブル皮膜の施工方法をもたらし、現場での使用、さらには工場又はサービスショップでの使用のための可搬性も兼ね備える。さらに、ワイヤは、金属／ポリマー粉体ブレンドと比べて、製造コストが低く（ほぼ２／３のコスト）、持ち運びが容易であり、しかもより一貫性があって再現性が高い。すなわち、皮膜１２４の施工の際の信頼性が向上する。図５の実施形態では、プラズマ溶射法及び図２〜図４の実施形態で用いられている被覆後の焼尽を実施する必要性がないので、原料コストが下がり、皮膜１２４の製造に要する時間が短縮される。
添付の図面は、本発明の幾つかの実施形態に伴う加工処理の幾つかを示している。この点に関して、図面の各図又は流れ図内のブロックは記載した方法の実施形態に伴うプロセスを表している。また、幾つかの代わりの実施において、図又はブロックに示す作動は図に示す順序と異なって起こってもよく、例えば、実際、関係する作動に応じて、実質的に同時又は逆の順に実施してもよい。また、当業者には自明であろうが、加工処理を説明する別のブロックを追加してもよい。
本明細書で使用されている術語は特定の実施形態のみを説明する目的のものであり、本発明を限定する意味はない。本明細書で用いる単数形態は、前後関係から明らかに他の意味を表さない限り複数形態も含む。さらに、本明細書で使用する場合用語「含む」は、表示された特徴、整数、工程、作動、要素、及び／又は部品の存在を意味するものであり、１以上の他の特徴、整数、工程、作動、要素、部品、及び／又はそれらの群の存在又は追加を排除するものではない。
後述の特許請求の範囲中の全ての手段又は工程プラス機能の要素の対応する構造、材料、作用、及び等価物は、特に特許請求の範囲に記載されている他の構成要素と共にその機能を実行するための構造、材料、又は作用を含むものである。本発明の説明は例示及び説明の目的で挙げたものであり、本発明を網羅したり開示された形態に限定したりするものではない。当業者には、本発明の範囲及び思想から逸脱することなく多くの修正及び変形が明らかであろう。この実施形態は、本発明の原理及び実用化を最も良く説明するため、かつ、当業者が様々な実施形態に関する本発明を考えられる特定の用途に適したものとして様々な修正と共に理解できるようにするために選択され記載したものである。
ワイヤアーク溶射システム １００
ワイヤ １０２，１０４
多孔質金属皮膜 １２４
表面 １２２
推進ガス源 １１０
推進ガス １１２
アーク点 １１４
加熱材料 １２０
供給源 １１６
ノズル １１８
第１のワイヤ送給装置 １３０
第２のワイヤ送給装置 １３２
供給源 １４０
供給源 １４２
電源 １４４
コントローラー １５０
ムーバー １５２
複合線材 １６０
第１の材料 １６２
第２の材料 １６４
粒子 １６６
全金属のワイヤ ２０２，２０４
プロセス Ｐ１２
プロセス Ｐ１４
ワイヤ １０２，１０４
多孔質金属皮膜 １２４
表面 １２２
推進ガス源 １１０
推進ガス １１２
アーク点 １１４
加熱材料 １２０
供給源 １１６
ノズル １１８
第１のワイヤ送給装置 １３０
第２のワイヤ送給装置 １３２
供給源 １４０
供給源 １４２
電源 １４４
コントローラー １５０
ムーバー １５２
複合線材 １６０
第１の材料 １６２
第２の材料 １６４
粒子 １６６
全金属のワイヤ ２０２，２０４
プロセス Ｐ１２
プロセス Ｐ１４
Claims (8)
- 推進ガス（１１２）をアーク点（１１４）に送給するための推進ガス源（１１０）と、
第１のワイヤ（１０２）をアーク点（１１４）に送給するための第１のワイヤ送給装置（１３０）であって、第１のワイヤ（１０２）が、そのコア領域に第１の材料（１６２）と、コア領域の周囲の第２の材料（１６４）を含むクラッドとを含む複合線材（１６０）であり、第１の材料（１６２）がポリマーを含み、第２の材料（１６４）が金属を含んでいる、第１のワイヤ送給装置（１３０）と、
第２のワイヤ（１０４）をアーク点（１１４）に送給するための第２のワイヤ送給装置（１３２）であって、第２のワイヤ（１０４）が全金属線材である、第２のワイヤ送給装置（１３２）と、
第１のワイヤ（１０２）を第１のワイヤ送給装置（１３０）に供給するように配置された第１のワイヤ（１０２）の供給源（１４０）と、
第２のワイヤ（１０４）を第２のワイヤ送給装置（１３２）に供給するように配置された第２のワイヤ（１０４）の供給源（１４２）と、
第１のワイヤ（１０２）に第１の電気的極性を生じさせ、第２のワイヤ（１０４）に第１の電気的極性とは逆の第２の電気的極性を生じさせるための電源（１４４）と、
アーク点（１１４）において第１のワイヤ（１０２）及び第２のワイヤ（１０４）のアーク放電で生じた加熱材料（１２０）を被覆すべき表面（１２２）に向けて推進して該表面（１２２）上で多孔質皮膜を生成するように電源（１４４）、推進ガス源（１１０）並びに第１及び第２のワイヤ送給装置（１３０，１３２）を制御するように構成されたコントローラー（１５０）と
を備えるワイヤアーク溶射システム（１００）。 - 第１の材料（１６２）が１ｎｍ〜１００ｎｍの粒度の粒子（１６６）を有する粉体の形態のポリマーを含む、請求項１記載のワイヤアーク溶射システム。
- 前記ポリマーがポリエステルを含む、請求項１又は請求項２記載のワイヤアーク溶射システム。
- 前記推進ガス（１１２）が燃焼系ガスである、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のワイヤアーク溶射システム。
- 前記推進ガス源（１１０）が燃焼チャンバーを備える、請求項４記載のワイヤアーク溶射システム。
- 前記燃焼系ガスが、水素、ケロセン、アセチレン又はプロピレンチャンバーを含む、請求項４又は請求項５記載のワイヤアーク溶射システム。
- さらに、アーク点（１１４）と被覆すべき表面（１２２）との間の間隔を制御するためのムーバー（１５２）を備える、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載のワイヤアーク溶射システム。
- 前記コントローラー（１５０）が、アーク点（１１４）の電圧、アーク点（１１４）の電流、推進ガス（１１２）の体積、推進ガス（１１２）の圧力、第１のワイヤの供給速度、第２のワイヤの供給速度、及びアーク点（１１４）と表面（１２２）との間隔の少なくとも１つを制御するように構成されている、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載のワイヤアーク溶射システム。
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