JP6828142B2 - 物品のコーティング方法、コーティング中に穴の閉塞を防止するためのペーストおよびプラグ - Google Patents
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- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
- C23C4/01—Selective coating, e.g. pattern coating, without pre-treatment of the material to be coated
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- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
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Description
本発明は概して、少なくとも１つの穴を有する物品のコーティング方法、少なくとも１つの穴を有する物品のコーティング中に穴の閉塞を防止するために使用するペーストおよびプラグに関する。
航空機に使用するエンジン構成要素または発電用のエンジン構成要素などの物品は、一般に非常に高温で動作する。構成要素に使用される合金が高温によって損傷することがあるので、構成要素の作動温度を高めるために様々な手法が使用されてきた。１つの手法では、エンジン作動中に冷たい空気が押し込まれる内部冷却穴を構成要素に組み込むことが要求される。冷却穴は、特殊なレーザ穴あけ技術によって構成要素の基材に形成され得る。（通常はエンジンの圧縮器によって供給される）冷却空気が、穴を通じて燃焼器壁の冷却器側から高温側に供給される。穴があいている限り、押し寄せる空気は、高温金属表面の温度の低下の防止および構成要素の溶融または他の劣化の防止を助ける。構成要素を高温から保護する別の手法には、遮熱コーティング（ＴＢＣ）の使用が伴う。冷却穴とのＴＢＣの使用は往々にして、エンジン部品を保護する最も効果的な手段である。
しかし、ＴＢＣと冷却穴の両方を組み込むことは非常に困難である。例えば、冷却穴は往々にして、ＴＢＣの適用後にエンジン部品に形成することができない。これは、レーザが通常、穴のパターンを形成するようにセラミック材料と金属の両方を効果的に貫通できないためである。ＴＢＣ系の適用前に冷却穴が形成された場合、冷却穴は、ＴＢＣの適用時に被覆され少なくとも部分的に遮断されることがある。穴からＴＢＣ材料を完全に除去することは、不可能でなくても、非常に時間がかかり、非効果的である。エンジン作動中のいかなる穴の遮断も、冷却空気の通過を妨げることがあり、圧縮器の出力を無駄にすることがあり、場合によっては過熱によるエンジン構成要素の損傷を招くことがある。
したがって、上記の欠点に悩まされない、穴を有する物品のコーティング方法が望まれている。
方法が、物品の少なくとも１つの穴をペーストでマスキングする工程であり、穴が物品の表面に開放している、工程と、物品の表面に少なくとも１つのコーティングを適用する工程と、ペーストを除去する工程であり、ペーストを水と接触させ、コーティングされた物品の表面に少なくとも１つの開放した穴を残すことを含む、工程とを含む。ペーストは、約４０重量パーセント〜約８０重量パーセントの高耐熱性充填材、約０．５重量パーセント〜約２０重量パーセントの無機結合剤、約０．５重量パーセント〜約１５重量パーセントのポリヒドロキシ化合物、および約５重量パーセント〜約２５重量パーセントの水を含む。高耐熱性充填材は、第１の材料および第２の材料を含む。第１の材料は、アルカリ金属をドープしたアルミナ、酸化ジルコニウム、酸化チタン、二酸化ケイ素、またはそれらの組合せを含む。第２の材料はケイ酸塩を含む。第１の材料と第２の材料との重量比が、約１〜約１０の範囲である。
物品の表面に開放した穴を物品の表面にコーティングが適用されるときにマスキングするためのペーストが、約４０重量パーセント〜約８０重量パーセントの高耐熱性充填材、約０．５重量パーセント〜約２０重量パーセントの無機結合剤、約０．５重量パーセント〜約１５重量パーセントのポリヒドロキシ化合物、および約５重量パーセント〜約２５重量パーセントの水を含む。高耐熱性充填材は、第１の材料および第２の材料を含む。第１の材料は、アルカリ金属をドープしたアルミナ、酸化ジルコニウム、酸化チタン、二酸化ケイ素、またはそれらの組合せを含む。第２の材料はケイ酸塩を含む。第１の材料と第２の材料との重量比が、約１〜約１０の範囲である。
物品の表面に開放した穴を物品の表面にコーティングが適用されるときにマスキングするために使用するプラグを形成するための方法が、ペーストからプラグプリフォームを形成する工程であり、プラグプリフォームが、穴と合致するように形作られる、工程と、プラグプリフォームを乾燥させる工程とを含む。ペーストは、約４０重量パーセント〜約８０重量パーセントの高耐熱性充填材、約０．５重量パーセント〜約２０重量パーセントの無機結合剤、約０．５重量パーセント〜約１５重量パーセントのポリヒドロキシ化合物、および約５重量パーセント〜約２５重量パーセントの水を含む。高耐熱性充填材は、第１の材料および第２の材料を含む。第１の材料は、アルカリ金属をドープしたアルミナ、酸化ジルコニウム、酸化チタン、二酸化ケイ素、またはそれらの組合せを含む。第２の材料はケイ酸塩を含む。第１の材料と第２の材料との重量比が、約１〜約１０の範囲である。
本開示の上記および他の態様、特徴、および利点は、添付の図面と併せて以後の詳細な説明を考慮することによってより明らかになるであろう。
他に定義されない限り、本明細書において使用する技術用語および科学用語は、本発明が属する当業者によって一般に理解されるのと同じ意味を有する。単数形での記述は、量の限定を意味するものではなく、むしろ参照される項目が少なくとも１つ存在することを意味する。本明細書および特許請求の範囲を通してここで使用する、近似する文言は、関連する基本的機能に変化をもたらすことなく、差し支えない程度に変動できる任意の量的表現を修飾するために適用することができる。したがって、「約」および「実質的に」などの用語で修飾された値は、明記された厳密な値に限定されるものではない。加えて、「約第１の値〜第２の値」という表現を使用するときには、約は、両方の値を修飾することを意図している。少なくともいくつかの例では、近似する文言は、値を測定するための機器の精度に対応することができる。ここで、ならびに明細書および請求項を通して、範囲の限定は、文脈上または文言上別様の記述がない限り、そのような範囲が特定され、その範囲に含まれるすべての副次的な範囲を含むように、組み合わされてもよく、および／または相互に交換されてもよい。
本明細書に記載されている数値はいずれも、任意の低い値から任意の高い値までの間に少なくとも２単位の分離がある場合、１単位の増分で低い値から高い値までのすべての値を含む。一例として、構成要素の量または、例えば、温度、圧力、時間などのようなプロセス変数の値が、例えば、１〜９０であると述べられている場合、１５〜８５、２２〜６８、４３〜５１、３０〜３２などのような値が本明細書において明確に列挙されていることを意図している。１未満の値の場合、１単位は、必要に応じて０．０００１、０．００１、０．０１または０．１であると見なされる。これらは、具体的に意図される例にすぎず、列挙された最低値と最高値との間の数値のすべての可能な組合せが、本出願において同様の様式で明確に述べられていると見なされるべきである。
本開示の実施形態は、物品にコーティングを適用するときに物品の少なくとも１つの穴をマスキングするために使用するペーストと、ペーストを乾燥および／または焼結させることにより、ペーストによって作られた水溶性または水分散性の穴プラグと、ペーストでマスキングされた少なくとも１つの穴を有する物品と、少なくとも１つの穴を有する物品をコーティングするための方法であり、方法の最中に、少なくとも１つの穴が、穴の閉塞を防止するためにペーストまたはプラグでマスキングされる、方法とに関する。本明細書で用いるとき、「マスキングする」または「マスキングされる」とは、穴をペーストまたはプラグで部分的または完全に充填することにより、穴の表面を塞ぐことを意味する。用語「水溶性」は、ペーストまたはプラグを水または水を含む液体に溶解できることを意味し、用語「水分散性」は、ペーストまたはプラグを水との接触により分散できることを意味する。よって、水溶性または水分散性のペーストまたはプラグの除去が、ペーストまたはプラグを水と接触させることにより、例えば、水自体と直接接触させることにより、または水を含む液体もしくは水を含む環境（湿度環境など）と接触させることにより、促進されてもよい。このように、ペーストまたはプラグは、水によって直接溶解されてもよく、または、水によって分散された後に容易に破壊され穴から取り去られてもよい。いくつかの実施形態において、「水を含む液体」または「水を含む環境」は、少なくとも１０重量パーセントの水、特に少なくとも２０重量パーセントの水を含む。コーティングプロセス中、コーティングプロセスの前または最中に乾燥され得るペースト、またはプラグは、コーティング環境に抵抗するとともに穴の閉塞を防止することができる。コーティング後、乾燥ペーストまたはプラグは、その水溶解性または水分散性によって容易に除去することができる。
ペーストは、物品にコーティングが適用されるときに、適用されたコーティングに耐えるための高耐熱性充填材と、ペーストの粘性および／または乾燥ペーストもしくはペーストから作られたプラグの強度を高めるために高耐熱性充填材の粒子を結合するための無機結合剤とを含み得る。
高耐熱性充填材は、適用されるコーティングを支持するのに十分な構造的強度をもたらしてもよく、１つ以上のコーティングの適用に必要とされる高温に耐えるための高耐熱性を有してもよい。本明細書で用いるとき、「高耐熱性充填材」とは、約３１５℃（約６００°Ｆ）超の温度、例えば、概ね約３１５℃（約６００°Ｆ）〜約９８２℃（約１８００°Ｆ）の範囲の温度に一般に耐える材料を指す。いくつかの実施形態において、高耐熱性充填材は、少なくとも１〜２時間にわたって約４００℃（約７５２°Ｆ）超の温度に耐えることができる。いくつかの具体的な実施形態において、高耐熱性充填材は、少なくとも１〜２時間にわたって約７００℃（約１２９２°Ｆ）〜約１２００℃（約２１９０°Ｆ）の範囲の温度に耐えることができる。高耐熱性充填材は、乾燥ペーストまたはプラグの構造的強度と水分散性との両方を確保するのに適切な粒径を有する。いくつかの実施形態において、高耐熱性充填材の平均粒径が、約０．１ミクロン〜約１００ミクロンの範囲である。
ペーストに対する高耐熱性充填材の重量百分率が、約４０重量パーセント〜約８０重量パーセントの範囲であってもよい。いくつかの実施形態において、範囲は、約６０重量パーセント〜約８０重量パーセントである。いくつかの実施形態において、高耐熱性充填材は、構造的強度と水分散性とを確実に適切に兼ね備えるために特定の比率で混合された第１の材料および第２の材料を含む。第１の材料は、アルカリ金属をドープしたアルミナ、酸化ジルコニウム、酸化チタン、二酸化ケイ素、またはそれらの組合せを含んでもよい。第２の材料はケイ酸塩を含んでもよい。アルカリ金属をドープしたアルミナは、ベータアルミナおよびベーマイトなどの、アルミニウムまたはカリウムをドープしたアルミナであってもよい。酸化ジルコニウム、酸化チタンまたは二酸化ケイ素は、具体的なニーズに応じて、ドープされてもよく、ドープされなくてもよい。いくつかの実施形態において、第１の材料は、ベータアルミナ、ベーマイト、またはそれらの組合せを含む。いくつかの実施形態において、第１の材料は、酸化ジルコニウム、酸化チタン、二酸化ケイ素、またはそれらの組合せを含む。いくつかの実施形態において、第２の材料はケイ酸ジルコニウムを含む。第１の材料と第２の材料との重量比が、約１〜約１０の範囲であってもよい。いくつかの実施形態において、範囲は約１〜約８である。いくつかの実施形態において、範囲は約１〜約６である。
無機結合剤は、前記高温に耐えることができる（熱安定性）少なくとも１つの製品を製造するために、１つ以上のコーティングの適用に必要とされる高温に耐えることができてもよく、または１つ以上のコーティングの適用中の高温下で熱分解性であってもよい。いくつかの実施形態において、無機結合剤は水溶性であり、または、無機結合剤がコーティング処理中に熱分解性である場合、無機結合剤の熱分解製品の少なくとも１つが水溶性である（水溶解性）。無機結合剤は、ペーストの粘性および／または乾燥ペーストもしくはプラグの強度を高めることができる任意の種類の無機物であってもよく、本明細書で上述したように熱安定性および水溶解性を有してもよい。無機結合剤は、乾燥ペーストまたはプラグの強度を高めるために、ペーストをアルカリ性にするように、例えば、ペーストのＰＨが７．５超であるように、アルカリ性であってもよい。いくつかの実施形態において、無機結合剤は、リン酸塩、リン酸水素、ピロリン酸、炭酸塩、重炭酸塩、塩化物、水酸化物、またはそれらの任意の組合せを含む。いくつかの具体的な実施形態において、無機結合剤は、リン酸塩、リン酸水素、ピロリン酸、炭酸塩、重炭酸塩、塩化物、もしくはアルカリ金属の水酸化物、またはそれらの任意の組合せを含む。いくつかの具体的な実施形態において、無機結合剤は、リン酸ナトリウム、リン酸カリウム、リン酸水素ナトリウム、リン酸水素カリウム、ピロリン酸ナトリウム、ピロリン酸カリウム、炭酸塩ナトリウム、炭酸カリウム、重炭酸塩ナトリウム、重炭酸塩カリウム、塩化ナトリウム、塩化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、またはそれらの任意の組合せを含む。ペーストに対する無機結合剤の重量百分率が、約０．５重量パーセント〜約２０重量パーセントの範囲であってもよい。いくつかの実施形態において、範囲は、約１０重量パーセント〜約２０重量パーセントである。
ペーストは、ポリヒドロキシ化合物をさらに含んでもよい。ポリヒドロキシ化合物は、ペーストの粘性をさらに高めるための有機結合剤として機能してもよい。ポリヒドロキシ化合物は、コーティング処理中に高温下で焼損し、それにより、乾燥ペーストまたはプラグに微細孔構造をもたらして、乾燥ペーストまたはプラグの水分散性を向上させてもよい。ペーストに対するポリヒドロキシ化合物の重量百分率が、約０．５重量パーセント〜約１５重量パーセントの範囲であってもよい。いくつかの実施形態において、範囲は、約１重量パーセント〜約５重量パーセントである。いくつかの実施形態において、ポリヒドロキシ化合物は糖を含む。糖の例としては、非限定的に蔗糖、果糖およびブドウ糖が挙げられる。
ペーストは、水をさらに含んでもよい。ペーストに対する水の重量百分率が、約５重量パーセント〜約２５重量パーセントの範囲であってもよい。いくつかの実施形態において、範囲は、約１０重量パーセント〜約１５重量パーセントである。
遮熱コーティング（ＴＢＣ）層などのコーティングを穴を有する物品に適用するプロセス中、上述したようなペーストは、穴をマスキングするために、手動で適用されてもよく、またはロボットが操作するシリンジによって注出されてもよい。ペーストは、コーティングの適用プロセスの前または最中に乾燥されると、穴内で差込ピンを形成して、コーティングを支持するとともにコーティング材料による穴の閉塞を防止する。コーティングが適用されると、例えば、物品のコーティングされた表面を研磨することにより、穴内の乾燥ペーストを露出させ、水もしくは水を含む液体中に物品を浸けることにより、または、ある期間（少なくとも１時間もしくは２時間など）にわたって物品を水を含む環境内に配置することにより、穴は、容易に再び開放することができる。これは、乾燥したペーストが、水または水を含む液体／環境内で溶解または分散することができ、分散したペーストが都合よく除去できるためである。
いくつかの実施形態において、ペーストは、物品の穴に嵌る形状を有する乾燥プラグを形成するように事前硬化および成形されてもよい。使用中、これらのプラグは、穴のマスキングを実現するように物品の穴に直接挿入することができる。このように、ペーストの硬化または成形は、コーティングの適用プロセスから切り離され独立することができる。
いくつかの実施形態において、プラグは、ペーストを形作り、形作られたペーストを特定の温度（例えば、約５０℃〜約３００℃の範囲の温度）で乾燥させることにより、得られる。乾燥により、ペースト中の水が可能な限り除去され、得られるプラグの強度が適切となる。得られるプラグは、乾燥したペーストと同様の組成を有してもよい。いくつかの実施形態において、プラグは、約５０重量パーセント〜約９０重量パーセントの高耐熱性充填材、約０．５重量パーセント〜約２５重量パーセントの無機結合剤、および約０．５重量パーセント〜約２０重量パーセントのポリヒドロキシ化合物を含み、高耐熱性充填材、無機結合剤およびポリヒドロキシ化合物は、本明細書で上述したものと同様または同じであってもよい。より具体的には、プラグに対する高耐熱性充填材の重量百分率は、いくつかの実施形態では、約７０重量パーセント〜約９０重量パーセントの範囲であってもよい。いくつかの実施形態において、プラグに対する無機結合剤の重量百分率は、約５重量パーセント〜約１５重量パーセントの範囲であってもよい。いくつかの実施形態において、プラグに対するポリヒドロキシ化合物の重量百分率は、約１重量パーセント〜約５重量パーセントの範囲である。いくつかの実施形態において、プラグは、乾燥中に除去されなかった少量の残留水を含んでもよい。
いくつかの実施形態において、プラグは、ペーストを形作り、形作られたペーストを乾燥させ、次いで形作られたペーストを焼結させることにより得られ、ペースト中の水は、基本的に乾燥中に除去され、ポリヒドロキシ化合物は、焼損してもよく、無機結合剤は、焼結中に他の材料を製造するために熱分解されてもよい。いくつかの実施形態において、プラグが、ペーストからプラグプリフォームを形成する工程であり、プラグプリフォームが、物品の穴と合致するように形作られる、工程と、プラグプリフォームを乾燥させる工程と、乾燥したプラグプリフォームを焼結させる工程とによって得られる。乾燥中および焼結中に収縮が生じることを考慮して、乾燥および焼結の後に得られるプラグが、物品の穴に嵌るサイズを有するために、プラグプリフォームは、物品の穴よりも僅かに大きなサイズで作られてもよい。プラグプリフォームは、約２５℃〜約３００℃、好ましくは約５０℃〜約３００℃、より好ましくは約１００℃〜約２００℃の範囲の温度で乾燥されてもよい。乾燥は、例えば、炉、ヒートガン、または赤外光を用いて、プラグプリフォームを加熱することによって行われてもよい。ペースト中の水は、乾燥中に徐々に除去されてもよい。焼結は、約４００℃〜約１０００℃、好ましくは約７００℃〜約８００℃の範囲の温度で行われてもよい。焼結は、ペースト中のポリヒドロキシ化合物を部分的または完全に焼損させる（ポリヒドロキシ化合物をペーストから放出できるガスに変換する）ことにより、プラグ内の微細孔構造の形成を生じさせることを含んでもよい。したがって、プラグは、ペースト中のポリヒドロキシ化合物の燃え尽きによって形成された微細孔構造を含んでもよい。
本明細書で上述したペーストまたはプラグは、新規に製造される物品のコーティング、または、元のコーティングが削り取られた状態の使用物品の再コーティングのいずれかに適用することができる。本明細書に記述されるような物品は、非限定的に、ガスタービン、蒸気タービン、ジェットタービン、および他のタービンアセンブリなどが非限定的に挙げられる発電システムのような、温度変化を受ける任意の用途に使用してもよい。物品のいくつかの例としては、非限定的に、発電システムに使用する、タービンブレード、ノズル、ベーン、シュラウド、バケット、尾筒およびライナが挙げられる。
例えば、図１は、本明細書に記述される方法と共に使用できるタービンブレード１００を示している。タービンブレード１００は、３つの部分、すなわち、翼形部１０３、基台部１０５、および蟻継部１０７を有する。翼形部１０３は、タービンブレード１００の内部空間から冷却空気を排出させる複数の冷却穴１０９を含む。タービンブレード１００は一般に、ニッケル系超合金のような高い熱強度を有する高耐熱酸化性および耐腐食性の合金から作られる。タービンブレード１００の翼形部１０３の外面が、燃焼ガスに対向するタービンブレード１００をコーティングする、当該分野で知られている任意のコーティング系でコーティングされ得る。知られているコーティング系は、一般にアルミナイドまたはＭＣｒＡｌＹ（ここで、ＭがＮｉ、Ｃｏ、および／またはＦｅである）を含む、タービンブレード１００の表面のボンドコートと、イットリア安定化ジルコニアなどのセラミック材料を含み得る、ボンドコーティングに設けられたＴＢＣ層とを含む。ＴＢＣ層は一般に、翼形部１０３の表面に耐熱性をもたらすのに適したコーティング微細構造を表面に提供する、空気プラズマ溶射または電子ビーム物理蒸着などのプロセスによって適用される。ボンドコーティングとＴＢＣ層との組合せは、燃焼ガス流との接触から生じる熱および腐食に対する長期の抵抗性を翼形部１０３にもたらす。
図１のタービンブレード１００が例示にすぎず、限定するものではないことに留意されたい。ペーストは、図２〜図４に示される物品２００のような、表面および表面に開放した少なくとも１つの穴を有する任意の好適な物品に使用し得る。図２〜図４は、物品内の穴２０９を示す、物品２００の断面図を示している。図２〜図４には、物品２００の３つの異なる状態がそれぞれ示されており、図２は、穴２０９がマスキングされる前の状態を示し、図３は、本明細書で上述したペーストまたはプラグで穴２０９が充填されることによりマスキングされたときの状態を示し、図４は、物品２００がコーティングを適用されたときの状態を示している。
図３および図４を参照すると、穴２０９は、ペーストまたはプラグ２５０で充填または少なくとも部分的に充填される。ペーストまたはプラグ２５０は、物品２００の外面２２０と実質的に同じ高さでもよく、または外面２２０の僅かに上方に位置してもよい。したがって、コーティング２６０が外面２２０に適用されるときに、コーティング材料が穴２０９に進入するのを防止することができる。いくつかの実施形態において、ペーストまたはプラグ２５０は、コーティングされた物品の外面２３０の上方にある弓状部分２５５を有する。外面２３０の上方にある弓状部分２５５は、おそらくは穴の上に適用されるコーティング材料の検出および除去を容易にする。その上、弓状部分２５５は、コーティング材料がコーティング中に他の領域に適用されることを妨げない。コーティング２６０は、概して約４００℃超、いくつかの特定の実施形態では約７００℃超の、昇温状態で適用される。ペーストまたはプラグ２５０は、コーティングの適用に必要とされる高温に耐える。コーティング２６０の適用中、ペーストまたはプラグ２５０の有機物が、コーティング処理中に表面２２０が達する温度によっては「焼損」することがある。約３００℃〜約８００℃の温度範囲では、殆どの有機物を焼損させることができる。焼損する有機物の例としては、炭素含有材料、ペースト中に存在し得る硫黄を含有する材料が挙げられる。
コーティング２６０の適用後、物品２００は冷却される。次いで、乾燥ペーストまたはプラグ２５０は、コーティングされた物品２００を水槽に浸けることによって容易に除去することができる。水槽は、乾燥ペーストまたはプラグ２５０の少なくとも１つの組成物を水に溶解させて、乾燥ペーストまたはプラグ２５０を分散および除去させるとともに、穴２０９をあけるための手動穴あけに従事せずとも穴２０９を解放し、コーティング２６０およびいかなるコーティングまたは他の材料もない穴２０９を有する物品２００を残す。乾燥ペーストまたはプラグの除去プロセスを助けるために、機械的振動（例えば加圧水）または音響的振動（例えば超音波）などの外力を水槽内で利用してもよい。例えば、溶解および／または分散は、いくつかの実施形態では、冷却穴を通じて加圧水を勢いよく流すことにより、促進されてもよい。乾燥ペーストまたはプラグを穴から除去した後、最終熱処理が、適用されたコーティングを硬化させるために物品に施されてもよい。
特定の比率で混合された第１および第２の高耐熱性充填材を含むペーストから作られた乾燥ペーストまたはプラグは、強度と水分散性とを適切に兼ね備え、よって、物品にコーティングが適用されるときに、適用されるコーティングに耐えることができ、コーティングが適用された後に水中で容易に除去することができる。
その上、穴の変形またはコーティングの損傷を生じ得る機械的な力を実質的に使用せずとも、穴の中のペーストまたはプラグ材料を溶解または分散することにより、マスキングされた穴を開放できるので、穴は、コーティングの適用およびペーストまたはプラグ材料の除去を通して元の形状および断面寸法を実質的に維持することができる。本明細書で用いるとき、「断面寸法を実質的に維持する」とは、穴が初期断面積を有する場合において、「開放した穴」（ペーストまたはプラグ材料を除去した後の穴）が、初期断面積の少なくとも９５％、好ましくは初期断面積の少なくとも９８％の断面積を有することを意味する。
以下の例は、本開示の実施形態をさらに示すことを意図している。それらは、いかなる方法でも本開示を限定することを意図していない。
実施例１
ジルコニア（ＺｒＯ２）、ジルコン（ＺｒＳｉＯ４）、リン酸水素カリウム（Ｋ２ＨＰＯ４）、蔗糖および蒸留水を混合することにより、ジルコニア系ペーストを調製した。ＺｒＯ２：ＺｒＳｉＯ４の重量比が異なるペーストサンプルを調製した。具体的には、以下の表１に示した異なる組成のペーストサンプルを調製し、実質的に同じプロセスによって適用した。これらのペーストサンプルの調製および適用について、サンプル１を例として取り挙げることにより、以下に記述する。サンプル１に関して、０．５ｇの蔗糖および２ｇのリン酸水素カリウムを２ｇの蒸留水に溶解して溶剤を形成した。次いで、粒径約０．１ミクロンの８ｇのジルコニア粉末および粒径約１ミクロンの４ｇのジルコン粉末を溶剤に添加した。ＳｐｅｅｄＭｉｘｅｒ（ＦｌａｃｋＴｅｋ Ｉｎｃ，ＳＣ，ＵＳＡ製）によって回転速度約３０００ｒｐｍで混合物を混合した。約５分間の混合後、均質なペースト／スラリを得た。他の組成のペーストを同様のプロセスによって得た。
ジルコニア（ＺｒＯ２）、ジルコン（ＺｒＳｉＯ４）、リン酸水素カリウム（Ｋ２ＨＰＯ４）、蔗糖および蒸留水を混合することにより、ジルコニア系ペーストを調製した。ＺｒＯ２：ＺｒＳｉＯ４の重量比が異なるペーストサンプルを調製した。具体的には、以下の表１に示した異なる組成のペーストサンプルを調製し、実質的に同じプロセスによって適用した。これらのペーストサンプルの調製および適用について、サンプル１を例として取り挙げることにより、以下に記述する。サンプル１に関して、０．５ｇの蔗糖および２ｇのリン酸水素カリウムを２ｇの蒸留水に溶解して溶剤を形成した。次いで、粒径約０．１ミクロンの８ｇのジルコニア粉末および粒径約１ミクロンの４ｇのジルコン粉末を溶剤に添加した。ＳｐｅｅｄＭｉｘｅｒ（ＦｌａｃｋＴｅｋ Ｉｎｃ，ＳＣ，ＵＳＡ製）によって回転速度約３０００ｒｐｍで混合物を混合した。約５分間の混合後、均質なペースト／スラリを得た。他の組成のペーストを同様のプロセスによって得た。
適用中、特定の物品の表面に開放した穴をマスキングするように、調製した状態のスラリ状ペーストをシリンジによって冷却穴に導入した。次いで、約８時間にわたって約６０℃でペーストを乾燥させ、約１時間にわたって約２００℃で熱処理した。よって、乾燥プラグが穴内に形成され、以下のコーティングプロセスのための十分な機械的強度がもたらされた。空気プラズマ溶射（ＡＰＳ）プロセスを使用して、物品の表面に遮熱コーティング（ＴＢＣ）を約７６０℃の温度で適用した。次いで、プラグを分散させるために、温水を含む槽に物品を浸け、ＴＢＣおよび開放した穴を有する物品が残った。プラグは、軟化し、１時間以内に柔らかくなり、最終的に異なる程度で分散した。異なるジルコニア系ペーストの組成から作られたプラグの強度および水分散性について、以下の表１に列挙している。
実施例２
ベータアルミナ（β−Ａｌ２Ｏ３）、ＺｒＳｉＯ４、Ｋ２ＨＰＯ４、蔗糖および蒸留水を混合することにより、ベータアルミナ系ペーストを調製した。β−Ａｌ２Ｏ３：ＺｒＳｉＯ４の比が異なるペーストサンプルを調製した。具体的には、以下の表２に示した異なる組成のペーストサンプルを調製し、実施例１において本明細書で上述したジルコニア系ペーストの調製および適用のプロセスと実質的に同じプロセスによって適用した。異なるベータアルミナ系ペーストの組成から作られたプラグの強度および水分散性について、以下の表２に列挙している。
ベータアルミナ（β−Ａｌ２Ｏ３）、ＺｒＳｉＯ４、Ｋ２ＨＰＯ４、蔗糖および蒸留水を混合することにより、ベータアルミナ系ペーストを調製した。β−Ａｌ２Ｏ３：ＺｒＳｉＯ４の比が異なるペーストサンプルを調製した。具体的には、以下の表２に示した異なる組成のペーストサンプルを調製し、実施例１において本明細書で上述したジルコニア系ペーストの調製および適用のプロセスと実質的に同じプロセスによって適用した。異なるベータアルミナ系ペーストの組成から作られたプラグの強度および水分散性について、以下の表２に列挙している。
実施例３
リン酸カリウム（Ｋ３ＰＯ４）および炭酸カリウム（Ｋ２ＣＯ３）をそれぞれ無機結合剤として使用してペーストを調製した。Ｋ３ＰＯ４およびＫ２ＣＯ３をそれぞれ無機結合剤として使用することにより、２つのペーストサンプルを調製し、次いで実施例１のプロセスと実質的に同じプロセスによって適用して穴をプラグした。２つのペーストサンプルの組成と、これら２つのペーストサンプルから作られたプラグの強度および水分散性について、以下の表３に示している。
リン酸カリウム（Ｋ３ＰＯ４）および炭酸カリウム（Ｋ２ＣＯ３）をそれぞれ無機結合剤として使用してペーストを調製した。Ｋ３ＰＯ４およびＫ２ＣＯ３をそれぞれ無機結合剤として使用することにより、２つのペーストサンプルを調製し、次いで実施例１のプロセスと実質的に同じプロセスによって適用して穴をプラグした。２つのペーストサンプルの組成と、これら２つのペーストサンプルから作られたプラグの強度および水分散性について、以下の表３に示している。
実施例４
塩化カリウム（ＫＣｌ）およびＫＣｌと水酸化カリウム（ＫＯＨ）との混合物をそれぞれ無機結合剤として使用して、ペーストを調製した。ＫＣｌおよびＫＣｌとＫＯＨとの混合物（ＰＨ約１１）をそれぞれ無機結合剤として使用することにより、２つのペーストサンプルを調製し、次いで、実施例１のプロセスと実質的に同じプロセスによって適用して穴をプラグした。２つのペーストサンプルの組成と、これら２つのペーストサンプルから作られたプラグの強度および水分散性について、以下の表４に示している。
塩化カリウム（ＫＣｌ）およびＫＣｌと水酸化カリウム（ＫＯＨ）との混合物をそれぞれ無機結合剤として使用して、ペーストを調製した。ＫＣｌおよびＫＣｌとＫＯＨとの混合物（ＰＨ約１１）をそれぞれ無機結合剤として使用することにより、２つのペーストサンプルを調製し、次いで、実施例１のプロセスと実質的に同じプロセスによって適用して穴をプラグした。２つのペーストサンプルの組成と、これら２つのペーストサンプルから作られたプラグの強度および水分散性について、以下の表４に示している。
比較例
実施例２のＳ４におけるベータアルミナをアルファアルミナ（α−Ａｌ２Ｏ３）またはガンマアルミナ（γ−Ａｌ２Ｏ３）と置き換えたり、実施例１のＳ５の組成から蔗糖または無機結合剤を除去したりすることにより、４つの比較例をテストした。４つの比較例におけるプラグの強度および分散性について、以下の表５に列挙している。
実施例２のＳ４におけるベータアルミナをアルファアルミナ（α−Ａｌ２Ｏ３）またはガンマアルミナ（γ−Ａｌ２Ｏ３）と置き換えたり、実施例１のＳ５の組成から蔗糖または無機結合剤を除去したりすることにより、４つの比較例をテストした。４つの比較例におけるプラグの強度および分散性について、以下の表５に列挙している。
本発明を好適な実施形態に関して説明してきたが、本発明の範囲を逸脱することなく、その要素を種々変更させることができ、均等物で置換することができることは当業者によって理解されるであろう。加えて、特定の状況または材料に適応させるために、その本質的範囲から逸脱することなく、本発明の教示に多くの修正を行うことができる。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、本発明は添付の特許請求の範囲内に属するすべての実施形態を含むことになることを意図している。
１００ タービンブレード
１０３ 翼形部
１０５ 基台部
１０７ 蟻継部
１０９ 冷却穴
２００ 物品
２０９ 穴
２２０ 外面、表面
２３０ 外面
２５０ ペーストまたはプラグ
２５５ 弓状部分
２６０ コーティング
１０３ 翼形部
１０５ 基台部
１０７ 蟻継部
１０９ 冷却穴
２００ 物品
２０９ 穴
２２０ 外面、表面
２３０ 外面
２５０ ペーストまたはプラグ
２５５ 弓状部分
２６０ コーティング
Claims (16)
- 物品（２００）の少なくとも１つの穴（２０９）をペースト（２５０）でマスキングする工程であって、前記穴（２０９）が前記物品（２００）の表面（２２０）に開放している、工程と、
前記物品（２００）の表面（２２０）に少なくとも１つのコーティング（２６０）を適用する工程と、
前記ペースト（２５０）を除去する工程であって、前記ペースト（２５０）を水と接触させ、前記コーティングされた物品（２００）の表面（２２０）に少なくとも１つの開放した穴（２０９）を残すことを含む工程と
を含む方法であって、
前記ペースト（２５０）が、
第１の材料及び第２の材料を含む４０重量％〜８０重量％の高耐熱性充填材であって、第１の材料が、アルカリ金属をドープしたアルミナ、酸化ジルコニウム、酸化チタン、二酸化ケイ素又はそれらの組合せを含み、第２の材料がケイ酸ジルコニウムを含み、第１の材料と第２の材料との重量比が１〜１０の範囲である、高耐熱性充填材と、
０．５重量％〜２０重量％の無機結合剤と、
０．５重量％〜１５重量％の糖と、
５重量％〜２５重量％の水と
を含む、方法。 - 前記高耐熱性充填材の平均粒径が０．１ミクロン〜１００ミクロンの範囲である、請求項１に記載の方法。
- 前記無機結合剤が、リン酸塩、リン酸水素、ピロリン酸、炭酸塩、重炭酸塩、塩化物、水酸化物又はそれらの組合せを含む、請求項１又は請求項２に記載の方法。
- 前記ペースト（２５０）に対する前記高耐熱性充填材の重量百分率が６０重量％〜８０重量％の範囲である、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の方法。
- 前記ペースト（２５０）に対する前記無機結合剤の重量百分率が１０重量％〜２０重量％の範囲である、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の方法。
- 前記ペースト（２５０）に対する前記糖の重量百分率が１重量％〜５重量％の範囲である、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の方法。
- 前記ペースト（２５０）に対する水の重量百分率が、１０重量％〜１５重量％の範囲である、請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の方法。
- 第１の材料と第２の材料との重量比が１〜８の範囲である、請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の方法。
- 前記ペースト（２５０）のＰＨが７．５超である、請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の方法。
- 前記少なくとも１つのコーティング（２６０）を適用する前に、前記ペースト（２５０）を乾燥させる工程をさらに含む、請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の方法。
- 前記ペースト（２５０）から、前記穴（２０９）と合致するように形作られたプラグプリフォームを形成する工程と、
前記プラグプリフォームを乾燥させる工程と、
前記物品（２００）の表面（２２０）に前記コーティング（２６０）を適用する際に該物品（２００）の表面（２２０）に開放した穴（２０９）をマスキングするのに前記プラグプリフォームを使用する工程と
をさらに含む、請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の方法。 - 前記乾燥したプラグプリフォームを焼結させる工程をさらに含む、請求項１１に記載の方法。
- 物品（２００）の表面（２２０）にコーティング（２６０）を適用する際に該物品（２００）の表面（２２０）に開放した穴（２０９）をマスキングするためのペースト（２５０）であって、
第１の材料及び第２の材料を含む４０重量％〜８０重量％の高耐熱性充填材であって、第１の材料が、アルカリ金属をドープしたアルミナ、酸化ジルコニウム、酸化チタン、二酸化ケイ素又はそれらの組合せを含み、第２の材料がケイ酸ジルコニウムを含み、第１の材料と第２の材料との重量比が１〜１０の範囲である、高耐熱性充填材と、
０．５重量％〜２０重量％の無機結合剤と、
０．５重量％〜１５重量％の糖と、
５重量％〜２５重量％の水と
を含むペースト（２５０）。 - 前記無機結合剤が、リン酸塩、リン酸水素、ピロリン酸、炭酸塩、重炭酸塩、塩化物、水酸化物又はそれらの組合せを含む、請求項１３に記載のペースト（２５０）。
- 第１の材料と第２の材料との重量比が、１〜８の範囲である、請求項１３又は請求項１４に記載のペースト（２５０）。
- 前記ペースト（２５０）のＰＨが７．５超である、請求項１３乃至請求項１５のいずれか１項に記載のペースト（２５０）。
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