(57)【要約】【課題】エンジンに使用される部品に被覆を付与するプロセスが提供される。【解決手段】プロセスは、被覆する少なくとも一つの表面２４を有する部品１０を用意し、粉末被覆材料が、少なくとも一つの表面２４との衝突の際に溶融せずに塑性変形しかつ少なくとも一つの表面２４に結合するように、非酸化性キャリヤーガスを用いて少なくとも一つの表面２４上に少なくとも一層の粉末被覆材料を堆積させる、各ステップを含む。本発明のプロセスは、タービンブレードまたはベーンのエーロフォイル部分に接合被覆を付与するのに、また燃焼室ライナに接合被覆を付与するのに特に有用である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被覆する少なくとも一つの表面を有する部品を用意し、
粉末被覆材料が、少なくとも一つの表面との衝突の際に溶融せずに塑性変形しかつ少なくとも一つの表面に結合するように、非酸化性キャリヤーガスを用いて少なくとも一つの表面上に少なくとも一層の粉末被覆材料を堆積させる、
各ステップを含むことを特徴とする、部品に被覆を付与するプロセス。
【請求項２】
前記の部品用意ステップは、エーロフォイル部分を有しエンジンに使用される部品を用意することを含み、前記の堆積ステップは、エーロフォイル部分の少なくとも一つの表面上に少なくとも一つの層を堆積させることを含むことを特徴とする請求項１記載のプロセス。
【請求項３】
前記の堆積ステップは、１０μｍ以下の粒径を有する粒子形態で粉末被覆材料を提供することを含み、前記の堆積ステップは、この粒子を８２５ｍ／ｓから１４００ｍ／ｓの範囲の速度に加速することを含むことを特徴とする請求項１記載のプロセス。
【請求項４】
前記の堆積ステップは、５．０μｍから１０μｍの範囲の粒径を有する粒子形態で粉末被覆材料を提供することを含み、前記の加速ステップは、この粒子を８５０ｍ／ｓから１２００ｍ／ｓの範囲の速度に加速することを含むことを特徴とする請求項３記載のプロセス。
【請求項５】
前記の堆積ステップはさらに、粉末状被覆材料を、ヘリウム、窒素、その他の不活性ガス、およびこれらの混合物から成る群より選択されるキャリヤーガスを用いて１０グラム／ｍｉｎから１００グラム／ｍｉｎの供給速度でスプレーノズルに供給することを含むことを特徴とする請求項３記載のプロセス。
【請求項６】
前記の供給ステップは、前記金属粉末を、１０グラム／ｍｉｎから５０グラム／ｍｉｎの供給速度でスプレーノズルに供給することを含むことを特徴とする請求項５記載のプロセス。
【請求項７】
前記キャリヤーガスは、ヘリウムであり、前記の供給ステップは、ヘリウムを０．００１ＳＣＦＭから５０ＳＣＦＭの流量でノズルに供給することを含むことを特徴とする請求項５記載のプロセス。
【請求項８】
前記の供給ステップは、ヘリウムを８．０ＳＣＦＭから１５ＳＣＦＭの範囲の流量でノズルに供給することを特徴とする請求項７記載のプロセス。
【請求項９】
前記キャリヤーガスは、窒素を含み、前記の供給ステップは、窒素を０．００１ＳＣＦＭから３０ＳＣＦＭの流量でノズルに供給することを含むことを特徴とする請求項５記載のプロセス。
【請求項１０】
前記の供給ステップは、窒素を４．０ＳＣＦＭから１０ＳＣＦＭの流量でノズルに供給することを含むことを特徴とする請求項９記載のプロセス。
【請求項１１】
前記の堆積ステップは、６００°Ｆから１２００°Ｆの範囲の主ガス温度においておよび２００ｐｓｉから５００ｐｓｉの範囲のスプレー圧力において、ヘリウム、窒素、その他の不活性ガス、およびこれらの混合物から成る群より選択される主ガスを用いてノズルを通して前記粉末状被覆粒子を通過させることを含むことを特徴とする請求項５記載のプロセス。
【請求項１２】
前記の通過ステップは、７００°Ｆから１０００°Ｆの範囲の主ガス温度において２００ｐｓｉから４００ｐｓｉの範囲のスプレー圧力において、ノズルを通して前記粉末状被覆粒子を通過させることを含むことを特徴とする請求項１１記載のプロセス。
【請求項１３】
前記主ガス温度は、２７５ｐｓｉから３７５ｐｓｉの範囲のスプレー温度において７２５°Ｆから９００°Ｆの範囲にあることを特徴とする請求項１１記載のプロセス。
【請求項１４】
前記主ガスは、ヘリウムを含み、前記の通過ステップは、ヘリウムを０．００１ＳＣＦＭから５０ＳＣＦＭの範囲の流量でノズルに供給することを含むことを特徴とする請求項１１記載のプロセス。
【請求項１５】
前記のヘリウム供給ステップは、ヘリウムを１５ＳＣＦＭから３５ＳＣＦＭの範囲の流量でノズルに供給することを含むことを特徴とする請求項１４記載のプロセス。
【請求項１６】
前記主ガスは、窒素を含み、前記の通過ステップは、窒素を０．００１ＳＣＦＭから３０ＳＣＦＭの範囲の供給流量でノズルに供給することを含むことを特徴とする請求項１１記載のプロセス。
【請求項１７】
前記の窒素供給ステップは、窒素を４．０から８．０ＳＣＦＭの範囲の供給流量でノズルに供給することを含むことを特徴とする請求項１６記載のプロセス。
【請求項１８】
前記の堆積ステップは、１０ｋｓｉまでまたはそれを超える範囲の接合強度を有する接合被覆を前記部品状に形成することを含むことを特徴とする請求項１記載のプロセス。
【請求項１９】
前記の堆積ステップは、前記部品上にＭＣｒＡｌＹ材料を堆積させることを含むことを特徴とする請求項１記載のプロセス。
【請求項２０】
前記の堆積ステップは、前記部品上に少なくとも９７％の高密度である被覆を堆積させることを含むことを特徴とする請求項１記載のプロセス。
【請求項２１】
前記の部品用意ステップは、燃焼室ライナを用意することを含み、前記の堆積ステップは、この燃焼室ライナの少なくとも一つの表面上に少なくとも一つの層を堆積させることを含むことを特徴とする請求項１記載のプロセス。
【請求項２２】
前記の部品用意ステップは、その表面内に複数の冷却孔を有するエンジン部品を用意することを含み、前記の堆積ステップは、この表面内の冷却孔を架橋せずに少なくとも一層の粉末被覆材料を堆積させることを含むことを特徴とする請求項１記載のプロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンに使用されるタービンブレードまたは燃焼室ライナなどのような部品に被覆を付与するプロセスに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、接合被覆（ｂｏｎｄ  ｃｏａｔ）は、低圧溶射（ｌｏｗ−ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｐｌａｓｍａ  ｓｐｒａｙ）（ＬＰＰＳ）を用いて付与される。ＬＰＰＳシステムの作動および保守は、費用と時間がかかり、処理量が制限される。さらに、ＬＰＰＳは真空チャンバーを必要とする。与えられたチャンバーの大きさによって、処理できる部品の大きさが制限される。
【０００３】
最近、基体上に包含物（ｉｎｃｌｕｓｉｏｎ）なしで粉末金属を堆積させる新しい金属被覆（ｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ）スプレー技術としてコールドガスダイナミックスプレーまたは「コールドスプレー」が導入されてきた。中細（ｃｏｎｖｅｒｇｉｎｇ／ｄｉｖｅｒｇｉｎｇ）ノズルによってヘリウムおよび／または窒素の超音速ジェットが形成され、これは、粉末粒子を基体の方へ加速してコールドスプレー堆積物または被覆を生成するのに使用される。堆積物は、塑性変形および結合によって基体および先に堆積された層に付着する。米国特許第５，３０２，４１４号および第６，５０２，７６７号は、コールドガスダイナミックスプレー技術を例示している。
【特許文献１】米国特許第５，３０２，４１４号明細書
【特許文献２】米国特許第６，５０２，７６７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って、本発明の目的は、サイクル時間および保守費用を低減する、エンジンに使用される部品に被覆を付与するプロセスを提供することである。
【０００５】
本発明のさらなる目的は、任意の大きさの部品と共に使用できる、上述したようなプロセスを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した目的は、本発明のプロセスを用いて達成できる。
【０００７】
本発明によれば、エンジンに使用される部品に接合被覆などのような被覆を付与するプロセスが提供される。プロセスは概略、被覆する少なくとも一つの表面を有する部品を用意し、粉末被覆材料が、少なくとも一つの表面との衝突の際に溶融せずに塑性変形しかつ少なくとも一つの表面に結合するように、非酸化性キャリヤーガスを用いて少なくとも一つの表面上に少なくとも一層の粉末被覆材料を堆積させる、ことを含む。本発明のプロセスは、酸化に対する保護のためにタービンブレード、ベーンのエーロフォイル部分または燃焼室ライナに接合被覆を付与するのに特に有用である。
【０００８】
本発明のコールドスプレーを用いるエンジン部品に接合被覆を付与する技術の他の詳細、およびそれに付随する他の目的および手段は、以下の詳細な説明中に、および同様の参照符号が同様の部材を図示している添付の図面中に述べられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明は、エンジンに使用される部品に被覆を付与するプロセスに関する。例えば、本発明のプロセスは、タービンブレード上のエーロフォイル部分の少なくとも一つの表面にＭＣｒＡｌＹ被覆（ここでＭは、Ｎｉおよび／またはＣｏ、または変形物（ｖａｒｉａｔｉｏｎ）である）を付与するのに使用できる。それはまた、ロケットエンジンに使用される燃焼室ライナに接合被覆を付与するのに使用できる。
【００１０】
修復の必要な部品の部分上に粉末状材料を堆積させるためのコールドスプレープロセスは、有利なものであるが、その理由は、衝突の際に、粒子が弾性変形しかつ修復される部品の表面にまたは先に堆積された層上に結合するように、このプロセスが、粒子を充分な高速に加速するのに十分なエネルギーを与えるからである。このコールドスプレープロセスによって、相対的に高密度の被覆または構造堆積物を構築することができる。コールドスプレーは、粒子をその固体状態から冶金学的には変化させない。
【００１１】
粒子または部品を被覆する準備の際に、物品または部品上に先に存在するどのような被覆も取り除くことがしばしば必要になる。先に存在するどのような被覆も取り除いて、被覆材料を堆積できる新鮮な表面を提供するのに、任意の適切なストリッピング（ｓｔｒｉｐｐｉｎｇ）技術を用いることができる。例えば、先に存在するどのような被覆も、機械的または化学的技術を用いて剥ぎ取り（ｓｔｒｉｐ）できる。
【００１２】
ここで図１を参照すると、被覆する物品または部品１０の表面２４上に粉末被覆材料を堆積させるためのシステム８が示される。物品または部品は、タービンエンジンに使用されるタービンブレードまたはベーンとすることができる。システム８は、中細ノズル２０を有するスプレーガン２２を含み、ノズル２０を通して粉末状被覆材料が、表面２４上にスプレーされる。物品または部品１０は、当業技術内で知られる任意の適切な材料から形成できる。タービンブレードまたはベーンの場合、物品または部品１０は、ニッケル基合金などのような超合金材料から形成できる。燃焼室ライナの場合、物品または部品１０は、ニッケルまたは銅基合金から形成できる。被覆の実施中、物品または部品１０は、静止して保持されることができ、または、当業技術内で知られる任意の適切な手段（図示せず）により関着（ａｒｔｉｃｕｌａｔｅ）、回転、または直動されることができる。
【００１３】
本発明のプロセスにおいて、堆積される材料は、粉末状材料である。粉末状被覆材料は、当業技術内で知られる任意の適切な被覆材料を含むことができる。例えば、被覆材料は、ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ、ＮｉＣｒＡｌＹ、またはＣｏＣｒＡｌＹなどのＭＣｒＡｌＹ材料（ここで、Ｍは、ニッケルまたはコバルトである）とすることができる。被覆材料は、銅−クロム合金または銅−クロム−アルミニウム合金などの銅合金とすることができる。被覆材料は、独立型（ｓｔａｎｄ  ａｌｏｎｅ）の被覆、あるいは金属製またはセラミックのオーバーコート（ｏｖｅｒｃｏａｔ）のための接合被覆を形成できる。
【００１４】
表面２４上に堆積を形成するのに使用される粉末状被覆材料は、５〜８０μｍの直径、堆積される合金材料が硬い場合は好ましくは１０μｍ以下の直径を有することができる。最も好ましい実施態様において、粉末状被覆材料は、約５．０μｍから１０μｍの範囲の直径を有する。より小さな粒径によって、より高速の粒子速度の達成が可能となる。５μｍより小さな直径では、粒子は、表面２４より上の弧状衝撃波（ｂｏｗ  ｓｈｏｃｋ）層に起因して表面２４から一掃されるおそれ、すなわち、弧状衝撃波を通って粒子を推進させるには質量が不十分なおそれがある。粒径分布がより狭くなるほど、粒子速度はより均一なものになる。これは、スプレー／噴流（ｐｌｕｍｅ）中のより小さな粒子がより遅くかつより大きな粒子に衝突し、事実上、両方の速度を低下させるからである。
【００１５】
堆積される粒子は、ヘリウム、窒素、その他の不活性ガス、およびこれらの混合物から成る群より選択されるガスなどの圧縮ガスを用いて超音速の速度に加速できる。ヘリウムは、その低分子量に起因して最も高速を生成するので、好ましい気体である。
【００１６】
粉末状被覆材料を堆積物に変化させるための、本発明のプロセスにより利用される結合機構は、厳密に固体状態であり、これは、粒子が塑性変形するけれども溶融はしないことを意味する。粒子上に形成されることができた、または表面２４上に存在し、または先に堆積された層中に存在するどのような酸化物層も粉砕され、酸化物のない新鮮な接触が非常な高圧でなされる。
【００１７】
堆積物を形成するのに使用される粉末状被覆材料は、粉末または上述した大きさを供給する能力を有する当業技術内で知られる任意の溶射供給装置を用いてスプレーガン２２に供給できる。使用できるそのような供給装置の一つは、オハイオ州クリーヴランドのパウダー・フィード・ダイナミックス社（Ｐｏｗｄｅｒ  Ｆｅｅｄ  Ｄｙｎａｍｉｃｓ）により製造される。この供給装置は、オーガー（ａｕｇｅｒ）型供給機構を有する。角のあるスリットを有するバレルロール（ｂａｒｒｅｌ  ｒｏｌｌ）供給装置および流動層供給装置も使用できる。
【００１８】
本発明のプロセスにおいて、供給装置を、ヘリウム、窒素、その他の不活性ガス、およびこれらの混合物から成る群より選択されるガスで加圧できる。供給装置圧力は、主ガスまたはヘッド圧力より一般に１５ｐｓｉ高く、この圧力は通常、粉末状被覆材料組成に依存して、２００ｐｓｉから５００ｐｓｉの範囲にある。主ガスは好ましくは、ガス温度が６００°Ｆから１２００°Ｆの範囲にあるように、加熱される。所望ならば主ガスは、堆積される材料に依存して、ほぼ１２５０°Ｆと同じほど高くに加熱できる。ガスは、ノズル２０の喉部を過ぎて膨張した後に急速に冷却しかつ凝固しないように、加熱できる。正味の効果は、堆積の際の物品または部品１０上の約１１５°Ｆの表面温度になる。当業技術内で知られる任意の適切な手段を、ガスを加熱するのに使用できる。
【００１９】
粉末状被覆材料を堆積させるために、ノズル２０は、物品または部品１０の表面２４上を通過することができる。通過の回数は、施される材料の厚みの関数である。本発明のプロセスは、任意の所望の厚みを有する堆積物を形成できる。
【００２０】
表面２４上に粉末状金属粒子を堆積させるのに使用される主ガスは、０．００１ＳＣＦＭから５０ＳＣＦＭの流量で、好ましくは１５ＳＣＦＭから３５ＳＣＦＭの範囲の流量で、入口３０を介してノズル２０を通過できる。上述の流量は、主ガスとしてヘリウムを使用する場合に好ましい。主ガスとして窒素を単独でまたはヘリウムと組み合わせて使用する場合、窒素は、０．００１ＳＣＦＭから３０ＳＣＦＭ、好ましくは４．０から３０ＳＣＦＭの流量で、ノズル２０を通過できる。
【００２１】
主ガスの温度は、６００°Ｆから１２００°Ｆ、好ましくは７００°Ｆから１０００°Ｆ、最も好ましくは７２５°Ｆから９００°Ｆの範囲とすることができる。
【００２２】
スプレーガン２２の圧力は、２００ｐｓｉから５００ｐｓｉ、好ましくは２００ｐｓｉから４００ｐｓｉ、最も好ましくは２７５ｐｓｉから３７５ｐｓｉの範囲とすることができる。粉末状被覆材料は好ましくは、特定の主ガス圧力より１０から５０ｐｓｉ高い範囲の、好ましくは１５ｐｓｉ高い圧力下にあるホッパーから、１０グラム／ｍｉｎから１００グラム／ｍｉｎ、好ましくは１０グラム／ｍｉｎから５０グラム／ｍｉｎの範囲の速度で、ライン３４を介してスプレーガン２２に供給される。
【００２３】
粉末状被覆材料は、非酸化性キャリヤーガスを用いてスプレーガン２２に供給される。キャリヤーガスは、０．００１ＳＣＦＭから５０ＳＣＦＭ、好ましくは８．０ＳＣＦＭから１５ＳＣＦＭの流量で、入口３０を介して導入できる。上述の流量は、キャリヤーガスとしてヘリウムを使用する場合に有用である。キャリヤーガスとして窒素を単独でまたはヘリウムと混合して使用する場合、０．００１ＳＣＦＭから３０ＳＣＦＭ、好ましくは４．０から１０ＳＣＦＭの流量を使用できる。
【００２４】
スプレーノズル２０は、表面２４から所定の距離に保持される。この距離は、スプレー距離として知られており、１０ｍｍから５０ｍｍの範囲とすることができる。
【００２５】
スプレーノズル２０から放出される粉末状被覆粒子の速度は、８２５ｍ／ｓから１４００ｍ／ｓ、好ましくは８５０ｍ／ｓから１２００ｍ／ｓの範囲とすることができる。
【００２６】
本発明のプロセスは、現在のＬＰＰＳプロセスに対して有利である。例えば、ＬＰＰＳでは粉末は溶融する。本発明のプロセスでは粉末は溶融しない。さらに、ＬＰＰＳは真空チャンバーの使用を必要とし、この真空チャンバーによって、被覆できる物品または部品の大きさが制限される。本発明のプロセスは、真空チャンバーを必要とせず、開放系で実施できる。その結果、被覆できる物品または部品の大きさに制約がない。ＬＰＰＳでは、被覆を脆くし得る酸化物を含む堆積物を有する可能性がある。本発明のプロセスでは、そのような酸化物は形成されない。本発明のコールドスプレープロセスのなおさらなる利点は、堆積されたままの被覆が少なくとも９７％の高密度であることである。なおさらに、被覆された物品は、１０ｋｓｉが可能な接合強度を有し得る可能性がある。
【００２７】
本発明のプロセスは、任意の種類の被覆を形成するのに使用できる。例えば、プロセスは、ガスタービンエンジンなどのようなタービンエンジンに使用されるブレードまたはベーンのエーロフォイル部分および／または多少別の部分上にＭＣｒＡｌＹ接合被覆を形成するのに使用できる。
【００２８】
図２は、コールドスプレー堆積ＮｉＣｒＡｌＹ被覆１００の写真である。被覆は、８５０°Ｆ（４５４℃）の温度、３２０ｐｓｉの圧力のヘリウムガスを用いて１０μｍの平均粒子径を有する粉末状ＮｉＣｒＡｌＹ被覆材料を使用することにより形成した。被覆材料粒子は、２５グラム／ｍｉｎの速度で供給した。スプレーノズルは、１．０インチの距離だけ被覆される表面から離間させた。ノズルは、０．０３０インチのステップサイズ（ｓｔｅｐ  ｓｉｚｅ）で５０インチ毎分の速度で横断させた。基体材料１０２は、Ｉｎｃｏｎｅｌ  ７１８であり、０．１２５インチの厚みであった。付与されたＮｉＣｒＡｌＹ被覆の厚みは０．０１５インチであった。
【００２９】
約９７０°Ｆ（約５２０℃）の温度、３２０ｐｓｉの圧力のヘリウムを用いて物品または部品上にＭＣｒＡｌＹ接合被覆を見出すことも可能である。
【００３０】
接合被覆を付与するのにコールドスプレープロセスを用いる場合、この接合被覆の上にさらなる一つの被覆層または複数の被覆層を形成することができる。一つまたは複数のオーバーコート層を付与するのに、当業技術内で知られる任意の適切な技術を使用できる。オーバーコート材料は、組成中で金属またはセラミックとなる。
【００３１】
コールドスプレープロセスは、他のプロセスに対する多数の他の利点を提供する。粉末は、高温に加熱されないので、供給原料材料の酸化、分解、およびその他の劣化が生じない。他の潜在的な利点は、圧縮残留表面応力の形成と、供給原料の微細構造（ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）の保持とを含む。また、相対的に低い温度を使用するので、基体の熱ひずみが最小限に抑えられる。供給原料が溶融されないので、コールドスプレーは、脆い金属間化合物の生成または冷却時や次の熱処理時に割れる傾向に起因して従来はスプレーできない材料を堆積させる能力を提供する。
【００３２】
なおさらなる利点は、コールドスプレーを用いると、ブレード／ベーン表面上にスプレーすることが可能であり、また、被覆が表面内の冷却孔を架橋（ｂｒｉｄｇｅ）しないようにできる。修理／修繕作業において被覆を付与する能力、孔を元に戻して一掃する必要のない能力、あるいは、これを行うのに必要な労力を少なくとも大幅に低減する能力は、現在の作業に対して大きな利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】エンジンに使用される部品上にコールドスプレー粉末金属材料を堆積させるための装置の概略図である。
【図２】２００倍の倍率のコールドスプレー接合被覆材料の顕微鏡写真である。
【符号の説明】
【００３４】
８…システム
１０…部品
２０…ノズル
２２…スプレーガン
２４…表面
３０…入口
３４…ライン
【図１】
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【図２】
2006265732.tif 000004