(57)【要約】   【課題】マイクロプラズマを用いて、ワークピースをマスキングすることなく修復する方法を提供する。  【解決手段】マイクロプラズマを用いてワークピースを修復する方法であって、約０．５ｍｍ〜約５ｍｍの幅を有するマイクロプラズマ流を発生させることと、マイクロプラズマ流をワークピースに適用することと、ワークピースをマスキングすることなく、ワークピースの部分をマイクロプラズマ流で被覆することを含む。マイクロプラズマ流中に混入された１又はより多くの数量の粉末材料を、最初の層を適用した後に、ワークピースをマスキングすることなく、ワークピースに適用することができる。【選択図】図１
2006131999.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
約０．５ｍｍ〜約５ｍｍの幅を有するマイクロプラズマ流を発生させることと、
マイクロプラズマ流をワークピースに適用することと、
ワークピースをマスキングすることなく、ワークピースの部分をマイクロプラズマ流で被覆すること、
を含んでなることを特徴とする、マイクロプラズマを用いたワークピースを修復するための方法。
【請求項２】
前記マイクロプラズマ溶射流を発生させることが、
前記マイクロプラズマ流を発生させるために、マイクロプラズマ溶射装置の陽極と陰極の間に発生した電気アーク中に不活性ガスを通すことと、
前記マイクロプラズマ流中にある量の粉末材料を供給すること、
を含み、その粉末材料は、ニッケル−クロム合金と、クロムカーバイドとそれらの組み合わせからなる群から選択されることを特徴とする、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記ワークピースがナイフエッジ・シールを含むことを特徴とする、請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記ワークピースの前記部分を被覆することが、
ボンドコート層を形成するためのある量の第１の粉末材料を供給することと、
トップコート層を形成するためのある量の第２の粉末材料を供給すること、
を含んでなることを特徴とする、請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記第１の粉末材料が金属材料を含み、かつ前記第２の粉末材料がセラミック材料を含むことを特徴とする、請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記セラミック合金が、酸化アルミニウムと二酸化チタンの混合物を含むことを特徴とする、請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記金属材料が、ニッケルと、アルミニウムとそれらの組み合わせからなる群から選択されることを特徴とする、請求項５記載の方法。
【請求項８】
前記金属材料が“Ｍ”ＣｒＡｌＹの式を含み、式中、“Ｍ”は、ニッケルと、コバルトとそれらの組み合わせからなる群から選択されることを特徴とする、請求項５記載の方法。
【請求項９】
前記セラミック材料が、酸化イットリウム安定化ジルコニア又は酸化アルミニウムと二酸化チタンの混合物であることを特徴とする、請求項５記載の方法。
【請求項１０】
前記金属材料が、“Ｍ”ＣｒＡｌＹの式と、ハフニウムとケイ素の混合物を含み、式中、“Ｍ”は、ニッケルと、コバルトとそれらの組み合わせからなる群から選択されることを特徴とする、請求項５記載の方法。
【請求項１１】
約０．５ｍｍ〜約５ｍｍの幅を有するマイクロプラズマ流を発生させることと、
マイクロプラズマ流をナイフエッジ・シールに適用することと、
ワークピースをマスキングすることなく、ナイフエッジ・シールの部分をマイクロプラズマ流で被覆すること、
を含んでなることを特徴とする、マイクロプラズマを用いてワークピースのナイフエッジ・シールを修復するための方法。
【請求項１２】
前記マイクロプラズマ溶射流を発生させることが、
前記マイクロプラズマ流を発生させるために、マイクロプラズマ溶射装置の陽極と陰極の間に発生した電気アーク中に不活性ガスを通すことと、
前記マイクロプラズマ流中にある量の粉末材料を供給すること、
を含み、その粉末材料は、ニッケル−クロム合金と、クロムカーバイドとそれらの組み合わせからなる群から選択されることを特徴とする、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記ワークピースの少なくとも一部を被覆することが、
ボンドコート層を形成するためのある量の第１の粉末材料を供給することと、
トップコート層を形成するためのある量の第２の粉末材料を供給すること、
を含んでなることを特徴とする、請求項１１記載の方法。
【請求項１４】
前記ボンドコート層が約０．００２インチから０．００８インチの厚さを含み、前記トップコート層が約０．００３インチから０．０１５インチの厚さを含むことを特徴とする、請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
前記ボンドコート層が金属材料を含み、かつ、前記トップコート層がセラミック材料を含むことを特徴とする、請求項１３記載の方法。
【請求項１６】
前記セラミック材料が、酸化アルミニウムと二酸化チタンの混合物を含むことを特徴とする、請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
前記金属材料が、ニッケルと、アルミニウムとそれらの組み合わせからなる群から選択されることを特徴とする、請求項１５記載の方法。
【請求項１８】
前記金属材料が“Ｍ”ＣｒＡｌＹの式を含み、式中、“Ｍ”は、ニッケルと、コバルトとそれらの組み合わせからなる群から選択されることを特徴とする、請求項１５記載の方法。
【請求項１９】
約０．５ｍｍ〜約５ｍｍの幅を有するマイクロプラズマ流を発生させることと、
マイクロプラズマ流をブレードの先端部を含む領域に適用することと、
ブレードをマスキングすることなく、ブレードの先端部の少なくとも一部をマイクロプラズマ流で被覆すること、
を含んでなることを特徴とする、マイクロプラズマを用いてブレードの先端部を修復するための方法。
【請求項２０】
前記ブレードの先端部の少なくとも一部を被覆することが、
ボンドコート層を形成するためのある量の第１の粉末材料を供給することと、
トップコート層を形成するためのある量の第２の粉末材料を供給すること、
を含んでなることを特徴とする、請求項１９記載の方法。
【請求項２１】
前記ボンドコート層が約０．００１インチから０．００５インチの厚さを含み、前記トップコート層が約０．００４インチから０．０２５インチの厚さを含むことを特徴とする、請求項２０記載の方法。
【請求項２２】
前記ボンドコート層が金属材料を含み、かつ、前記トップコート層がセラミック材料を含むことを特徴とする、請求項２０記載の方法。
【請求項２３】
前記セラミック材料が、酸化アルミニウムと二酸化チタンの混合物を含むことを特徴とする、請求項２２記載の方法。
【請求項２４】
前記金属材料が、ニッケルと、アルミニウムとそれらの組み合わせからなる群から選択されることを特徴とする、請求項２２記載の方法。
【請求項２５】
前記金属材料が“Ｍ”ＣｒＡｌＹの式を含み、式中、“Ｍ”は、ニッケルと、コバルトとそれらの組み合わせからなる群から選択されることを特徴とする、請求項２２記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
相互関連出願について
本発明は、ザジョースキ等の、発明の名称が「ガスタービン・エンジンの圧縮機ブレード部分をマイクロプラズマ溶射するための方法及び装置」である、２００４年１０月２９日付けで出願された米国特許出願第１０／９７６，６５１号、発明の名称が「ガスタービン・エンジンのタービン・ベーン部分をマイクロプラズマ溶射するための方法及び装置」である、２００４年１０月２９日付けで出願された米国特許出願１０／９７６，５６０号、発明の名称が「断熱被膜を修復するための方法及び装置」である、２００４年１０月２９日付けで出願された米国特許出願第１０／９７６，９６９号、並びに、シューバート等の、発明の名称が「マイクロプラズマ溶射装置」である、２００５年７月２６日付けで出願された米国出願（現地代理人整理番号第０５−１９９）に開示の発明と部分的に関連する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、概して、ワークピースを修復する方法に関し、より詳細には、マイクロプラズマ溶射を用いてワークピースを修復するための方法に関する。
【０００３】
一般に、従来のプラズマ溶射装置は、プラズマ流の寸法と幅に起因して、プラズマ溶射を正確に適用することができない。プラズマ溶射工程では、通常、ワークピースに、材料の移動が望ましくない及び／又は不要な領域にマスキングを施す必要がある。従来のプラズマ溶射法及び装置の場合、プラズマ溶射パターンが広過ぎて、被覆工程を正確に制御できないため、ワークピースをマスキングして、被膜を適用する必要がある。
【０００４】
そのため、許容可能な溶射被膜品質を提供する一方で、マスキングすることなく適用可能なマイクロプラズマ溶射を用いた、ワークピースの修復方法が必要とされている。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明によれば、マイクロプラズマを用いてワークピースを修復するための方法は、概して、約０．５ｍｍ〜約５ｍｍの幅を有するマイクロプラズマ流を発生させることと、マイクロプラズマ流をワークピースに適用することと、ワークピースをマスキングすることなく、ワークピースの一部をマイクロプラズマ流で被覆することを含んでなる。
【０００６】
本発明によれば、マイクロプラズマを用いてワークピースのナイフエッジ・シールを修復するための方法は、概して、約０．５ｍｍ〜約５ｍｍの幅を有するマイクロプラズマ流を発生させることと、マイクロプラズマ流をワークピースのナイフエッジ・シールに適用することと、ワークピースのナイフエッジ・シールをマスキングすることなく、ワークピースのナイフエッジ・シールの一部をマイクロプラズマ流で被覆することを含んでなる。
【０００７】
本発明によれば、マイクロプラズマを用いてブレードの先端部を修復するための方法は、概して、約０．５ｍｍ〜約５ｍｍの幅を有するマイクロプラズマ流を発生させることと、マイクロプラズマ流をブレード端に適用することと、ブレードをマスキングすることなく、ブレード端の一部をマイクロプラズマ流で被覆することを含んでなる。
【０００８】
本発明の１つ以上の実施態様の詳細を、図面並びに詳細な説明とともに以下で説明する。本発明のその他の特徴、目的及び利点は、詳細な説明及び図面並びに特許請求の範囲の記載から明らかとなるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
異なる図面における同様の符号並びに名称は、同様の構成要素を示す。
【００１０】
本開示の方法を実施する場合、固定式のマイクロプラズマ溶射装置、自動式マイクロプラズマ溶射装置、遠隔操作式マイクロプラズマ溶射装置、ロボット型、即ちロボット搭載型マイクロプラズマ溶射装置、並びに、携帯型マイクロプラズマ溶射装置を使用することが検討される。固定式、自動式、遠隔操作式及びロボット搭載型モデルは、通常、騒音レベルの制御が可能で、かつ過剰なマイクロプラズマ・スプレー及び／又は粉末材料の収集が容易な、専用室内などの封じ込められた領域内で使用される。また、携帯型マイクロプラズマ溶射装置は、輸送手段などの可搬式プラットフォーム上に実装して、迅速な修復作業を容易にするよう、作業現場へ搬送することができる。そのような携帯型手持ち式マイクロプラズマ溶射装置は、ユナイテッド  テクノロジーズ  コーポレイションに譲渡された、現地代理人整理番号第０５−１９９、米国特許出願第１１／１９０，１３５号に開示されており、その開示全体は参照として本開示に組み入れられる。
【００１１】
限定する目的ではなく、例示目的で、本発明のワークピースを修復するための方法は、前述の携帯型手持ち式マイクロプラズマ溶射装置を用いることを基準にして説明する。前述の携帯型手持ち式マイクロプラズマ溶射装置が、上記定置式、自動式、遠隔操作式及びロボット搭載型モデルの使用において装備され得ることは、当業者であれば予想できるであろう。ワークピースは、それらに限定されるものではないが、ファン、タービン、圧縮機、ベーン、ブレードなどの種々のガスタービン・エンジン構成部品及びターボ機械構成部品、並びに他の産業用途におけるその他同様の部品を含み得る。
【００１２】
図１と図２を参照すると、概ね点線で囲まれたマイクロプラズマ溶射装置１０が図示されている。概して、マイクロプラズマ溶射装置は、アークガス・エミッタ１４と陽極１６と陰極２８を包含するハウジング１３を有するマイクロプラズマ・ガン１２を備える。電気アーク２０は、陽極１６と陰極２８の間に発生する。プラズマ流２１は、ある量のアークガスが、アーク２０を介してアークガス・エミッタ１４から噴射されるときに形成される。粉末材料インジェクタ２２は、ワークピース２４まで粉末材料を運ぶプラズマ流中にある量の粉末材料を分配する。アークガス源１５、粉末供給システム２３、冷却流体システム１１及び電源１７は、全てマイクロプラズマ・ガン１２に連結される。電源は、マイクロプラズマ溶射装置１０の意図する用途を実施するのに必要な電力範囲内で装置を作動させ得る。好ましくは、電源は、約０．５ｋＷから約４ｋＷの比較的低い電力範囲で作動させる。電源は、前述の電力範囲を供給し得る電源であればいずれの電源からなるものであってもよく、様々な寸法の電力の差し込み口とかみ合うラインコードを備えるものである。過剰なマイクロプラズマ・スプレー及び／又は粉末材料を収集するためのフィルタ装置１９が、装置１０内に包含されてもよい。フィルタ装置１９は、概して、例えば、過剰な粉末が収集される袋や容器などの収集領域に取り付けられ、空気から過剰な粉末を除去することが可能な手持ち式真空装置を有する、高性能微粒子エアフィルタを含んでなる。フィルタ装置１９は、装置１０と共に可搬式プラットフォームに実装されるのが好ましい。
【００１３】
図２を参照すると、マイクロプラズマ・ガン１２のハウジングは、グリップ部４７、前方壁４８、第１の側壁４９、最上壁５１、後壁（図示せず）、及び第２の側壁（図示せず）かなるものであってよい。ハウジングは、第１の半分の壁部１３ａと第２の半分の壁部１３ｂを含むものであってよく、各半分の壁部１３ａ，１３ｂは、それらに限定されるものではないが、ハウジング内に一体的に形成されるスナップ、連結部、押し込みプランジャとアパーチャ、クリップ、留め金、それらの組合せなどの相補的オス／メス固定機構を備える。マイクロプラズマ・ガン１２の前方壁４８に配置されるノズル・シュラウド４６は、ノズル・インサート５０と中央アパーチャ５２を包含することができる。ノズル・インサート５０は、ノズル・シュラウド４６の端部に、ねじ止めで取り付けることができる。シールドガス・キャップ５４を、ノズル・シュラウド４６に隣接して配置することができる。絶縁体５６が、シールドガス・キャップ５４とノズル・シュラウド４６の間に配置されることにより、シールドガス・キャップ５４をノズル・シュラウド４６から電気的に絶縁する。シールドガス・キャップ５４は、絶縁体５６の上からノズル・シュラウド４６上に押しつけて適合させることができる。シールドガス・キャップ５４中に形成された中央アパーチャ６０により、アークガスが電気アーク中を高速で通過することが可能となる。シールドガス・キャップ５４は、シールドガスを流通させてアークガスを雰囲気から遮断するための複数の貫通孔５８を備える。シールドガスの流速は、意図する用途により、１分当たり約２〜４リットルであってよい。マイクロプラズマ流２１の細い溶射パターンは又、ノズル開口径によって制御できる。
【００１４】
図２と図３を参照すると、陰極保持器２６は、絶縁スリーブ１８内に同心円状に配置され、内側でねじ結合する接合部（図示せず）で固定される陰極２８を備える。陰極保持器２６は、保持器の挿入と取り出しのための絶縁キャップ２７と、マイクロプラズマ・ガン１２内で絶縁スリーブ１８と陰極２８をねじで係合するための複数のねじ山３０を備える。絶縁キャップ２７と絶縁スリーブ１８は、フェノール系材料、セラミック材料、ポリエーテルエーテルケトン材料、それらの組合せなどの、非導電性の絶縁材料からなることが好ましい。係合の際、陰極２８は、ノズル・シュラウド４６の中央アパーチャ５２を通って延在する。絶縁スリーブ１８は又、マイクロプラズマ・ガン１２との間の境界面に生じる漏れ路を密封するために、Ｏリングシール３２を備えることができる。図３を詳細に参照すると、陰極２８は、末端部を有する先端部を有するボディからなるものであってよい。先端部は、おおよそ８度から３０度、好ましくはおおよそ８度から２０度、さらに好ましくはおおよそ８度から１０度の角度で形成された実質的に平坦な上方面を含む。先端部の末端部の高さは、約０．００８インチ〜０．０３０インチ（約０．０００２０３２ｍ〜０．０００７６２ｍ）、好ましくは、約０．００８インチ〜０．０２０インチ（約０．０００２０３２ｍ〜０．０００５０８ｍ）、より好ましくは、約０．００８インチ〜０．０１０インチ（約０．０００２０３２ｍ〜０．０００２５４ｍ）であるか、あるいは、代替として、陰極２８の径の寸法のおおよそ１０％〜２０％である高さを有する。
【００１５】
図２を再び参照すると、陽極１６は、マイクロプラズマ・ガン１２の陽極の予定される運転温度より高い融点を有する金属又は合金からなる。好ましくは、陽極１６は、市販の純粋な焼結タングステンか、それらに限定されるものではないが、酸化トリウム、酸化ランタン、酸化セリウム、酸化ジルコニウム（ジルコニア）などの耐熱性を呈する酸化物と混合された焼結タングステンを含んでなる。これらのタングステン−酸化物混合組成物は、マイクロプラズマスプレー・ガン装置におけるそれらの性能を増強し、かつ安定化させるために、極低温処理を施してもよい。従来の陽極は、通常、銅−タングステン合金から形成されるため、マイクロプラズマ溶射装置１０でおおよそ１０分から２０分という非常に限定された耐用寿命を有するものである。銅及びその他の類似金属は、陽極の作動温度よりも低い融点を有する。そのため、これら金属の場合、陽極の上端部が溶融して空洞化したり腐食したりする現象を引き起こす可能性がある。高品質の被膜を形成するためには、陽極の端部を比較的尖鋭（シャープ）な状態に維持しなくてはならない。これを達成するべく、より堅牢な陽極を製造するための、工業製品として純粋な焼結タングステン材料が開発された。焼結タングステン材料から作製された陽極を用いた試験の結果は、耐腐食性において、従来の陽極を超える改善を示している。工業製品として純粋なタングステンを陽極１６に使用することにより、陽極１６の耐用寿命は、おおよそ１０時間から２０時間使用可能なほど改善された。
【００１６】
電気アーク２０は、マイクロプラズマ・ガン１２の陽極１６と陰極２８の間で発生させることができる。アークガスは、単一のガス、又は、混合ガスを含むアークガス源から発生するものであってよく、例えば二種混合ガス（ｄｕｐｌｅｘ  ｇａｓ）が、混合装置を介して相互に連結される複数のガス源から発生し、マイクロプラズマ溶射装置１０に供給されるものであってよい。アークガス源１５は、装置１０の使用者が、歩行したり登ったり、上昇したり下降したりできるよう、たるませるのに十分な長さを有するコンジットを介してマクロプラズマ・ガン１２に連結され、マイクロプラズマ・ガン１２へのアークガスの流れを遮断することなく、意図する用途を実施するのに十分な距離だけ離間している。単一のガスからなるアークガス源１５を使用する場合、より低い費用とより少ない材料並びに部品のため、二種ガス混合物や複数のガス源と混合装置を利用する場合よりも、はるかに有利である。しかしながら、単一のアークガス源に包含される予混合された二種ガス混合物も又、効率的かつ経済的に使用することができる。アークガスは、それらに限定されるものではないが、いずれの不活性ガスを含むものであってよく、好ましくは、アルゴンからなり、代表的な二種ガス混合物は、アルゴンと水素からなり、好ましくは約９８％のアルゴンガスと約２％の水素ガスからなるものである。
【００１７】
アークガスは、陽極１６と陰極２８の間に生成した電気ガス中に通される。実際には、アークガスは、電気アークの発生前に放出され得ることは当業者には認識されるであろう。一般に、マイクロプラズマ溶射装置１０内へのアークガスの流速は、１分当たり約０．５〜３リットルであってよい。電気アークは、アークガスをイオン化して、マイクロプラズマガス流２１を生じさせる。イオン化プロセスによりアークガスから電子が取り除かれ、それにより、ガスは一時的に不安定になる。アークガスは、再び安定化する際に、おおよそ２０，０００°Ｆ〜３０，０００°Ｆ（約１１，３６６．５Ｋ〜１６，９２２Ｋ）に昇温する。プラズマ流は、電気アーク通過後、急速に冷却する。
【００１８】
粉末材料インジェクタ２２は、ある量の粉末材料３４をプラズマガス流２１中に噴射する。粉末材料３４はプラズマガス流内で加熱されて流動化され、ワークピース上に堆積される。そして、そこで冷却して再固化してマイクロプラズマ溶射被膜を形成する。粉末材料インジェクタ２２は、粉末ホッパー３６を備え得る。粉末ホッパー３６は、粉末材料インジェクタ２２によってマイクロプラズマガス流２１中に噴射される前の粉末材料を保持する。ホッパー３６は、マイクロプラズマ・ガン１２に設けられたコネクタ３８によって、ガン１２に取り付けられ得る。粉末材料３４は、吐出シュート４０を通って運ばれ、かつ、吐出シュート４０内に設けられた弁４２で制御され得る。粉末材料３４は、重力供給方式か、あるいは加圧供給方式（図示せず）のいずれかによって、マイクロプラズマガス流２１中に噴射することができる。代替において、粉末は、粉末供給ホースを介して、標準的な粉末供給器（図示せず）からプラズマガス流２１中に噴射することも可能である。重力供給方式、加圧供給方式、あるいは標準的な粉末供給器のいずれを採用する場合も、コネクタ３８、即ち、動力付きガスライン（図示せず）は、装置１０の使用者が、意図する用途を実施するのに十分な距離を歩行したり登ったりできるよう、たるませるのに十分な長さを有するのが好ましい。マイクロプラズマスプレー・ガンは、ワークピースの垂直軸に対しておおよそ正の角４５°から負の角４５°の間の角度で配向させることができる一方で、重力供給方式で適切なコーティング材を供給する。加圧供給方式の場合、マイクロプラズマ・ガン１２の角度及び／又は配向に制限はない。
【００１９】
遮断制御弁４２は、プラズマガス流２１への粉末材料３４の供給速度を制御する。粉末材料３４は、約１〜３０ｇ／分でワークピースへ移動し得る。マイクロプラズマ・ガン１２は、通常、約１．５〜８インチ（約０．０３８１〜０．２０３２ｍ）の距離からワークピースにマイクロプラズマ溶射を適用するが、この距離は被覆用途要求に依存して変化可能である。
【００２０】
マイクロプラズマ溶射ガン１２を冷却するのに、水やその他の冷却流体を用いることができる。冷却流体は、冷却流体ホース６２を介してマイクロプラズマ・ガン１２へ送られる。冷却流体は、マイクロプラズマ・ガン１２内の内部通路（図示せず）を通って横断し、インレット通路６４内を通って、陽極保持器６６内へと流れ、アウトレット通路６８を通って戻る。冷却流体により、マイクロプラズマ・ガン１２の作動中に、陽極１６の温度が低下する。冷却流体の流速は、１分当たりおおよそ０．１〜１ガロン（約０．０００３７８５ｍ3／分〜０．００３７８５ｍ3／分）であってよい。電力、アークガス、並びにチルドガスをマイクロプラズマ溶射ガン１２に供給するために、第２のコンジット７０が、マイクロプラズマ溶射ガン１２に連結される。第２のコンジットは、装置１０の使用者が意図する用途を実施するのに十分な距離を、マイクロプラズマ・ガン１２を持って歩行するか登ることが可能なように、十分たるませることのできる長さを有することが好ましい。
【００２１】
マイクロプラズマ・ガン１２は、約０．５ｋＷ〜約４ｋＷという比較的低い電力範囲で作動可能である。マイクロプラズマ溶射ガン１２とマイクロプラズマ溶射装置１０の低電力出力によって、従来のプラズマ溶射法に比べて、ナイフエッジ内への熱流が著しく低減される。ワークピースの寸法に依存するが、ここに開示のマイクロプラズマ溶射工程によって到達するナイフエッジの最大表面温度は、おおよそ２００°Ｆ（約３６６．４８３Ｋ）である。そのため、本発明のマイクロプラズマ溶射装置１０は、高温勾配に起因する局部的な応力が生じることなく、ナイフエッジの薄肉領域にマイクロプラズマ溶射被膜を適用することが可能である。
【００２２】
マイクロプラズマ溶射装置１０の低い電力出力、並びにマイクロプラズマ・ガン１２の狭い（細い）アパーチャにより、マイクロプラズマ・ガン１２は、従来のプラズマ溶射法及び装置の約１／１０〜１／２０、好ましくは約１／１５の寸法で、ワークピースの限定領域内に粉末被覆材料を適用することができる。マイクロプラズマ溶射装置１０のマイクロプラズマ流の寸法並びに口径により、ここで検討する手持ち式の装置の場合でさえも、正確な表面被覆が可能となる。例えば、マイクロプラズマ溶射装置１０によって生じたマイクロプラズマ流は、約０．５ｍｍ〜約５ｍｍの幅を有し得る。マイクロプラズマ溶射装置のマイクロプラズマ溶射流の寸法により、プラズマ流は、ワークピース上に細長いストライプ、又は隔離された領域として適用され、それにより、被覆を必要としない領域をマスキングしたり覆ったりする必要性が実質的に排除される。
【００２３】
図４を参照すると、マイクロプラズマ溶射装置１０の動作を概して説明するブロック図が示されている。まず、ブロック８０において、ノズル・インサート５０からアークガスが放出される。プラズマスプレー・ガン１２の陽極１６と陰極２８の間に電位が発生し、次いで、ブロック８２で説明するようにアークガスを介して方向付けられる。アークガスは、電位によってプラズマ流２１を生じるよう誘導される。ブロック８４において、プラズマ流２１中に粉末材料３４が噴射される。ブロック８６では、粉末材料３４がワークピースに適用された際に展性を有するよう、プラズマ流により粉末材料３４が「流動化」状態まで加熱される。「流動化」状態とは、粉末材料が、例えば溶融液滴など、基体の表面に衝突すると凝固する溶融状態と、基体表面に衝突すると溶融する固体粒子状態が混在する状態を意味する。ブロック８８では、粉末材料３４が、マスキングされていないワークピースに適用される。粉末材料３４は次いで冷却されて、ワークピース上に硬質の被膜として固化する。概して、マイクロプラズマ溶射被膜の厚さは、ＯＥＭ部品の被覆や修復目的の被膜を適用するといった所望する用途に依存する。
【００２４】
図５〜図７を概して参照すると、本発明の修復法を用いて様々なワークピースが被覆され得ることがわかる。ワークピースは、それらに限定されるものではないが、ファン、タービン、圧縮機、ベーン、ブレードなどの種々のガスタービン・エンジン構成部品及びターボ機械構成部品、並びに他の産業用途におけるその他同様の部品を含み得る。図５、図５Ａ及び図６を参照すると、ワークピース１００が、本発明のマイクロプラズマ溶射法を用いて、粉末材料３４で溶射され、修復され得ることがわかる。限定する意図ではなく、例示目的として、ワークピース１００は、ナイフエッジ・シール１１２を含み、ナイフエッジ・シール１１２は、セラミックベースの外面層、即ち、トップコート層１１４と、ナイフエッジ・シール１１２のトップコート層１１４と表面１１８の間に設けられた金属ベースの中間被膜、即ち、ボンドコート層１１６を有することができる。
【００２５】
一般に、粉末材料３４は、ナイフエッジ・シールにおいて、約１，８００°Ｆ（９８２℃（約１２５５．１５Ｋ））を超えない温度で使用するのに適した、いずれのセラミック材料及び金属材料も含み得る。ナイフエッジ・シールの修復に関して、粉末材料３４は、例えば、ニッケル−アルミニウム（９５％−５％）などのニッケル合金、又は、“Ｍ”ＣｒＡｌＹ化合物（ここで“Ｍ”は、それらに限定されるものではないが、ニッケル、コバルト、ニッケル−コバルト合金及びそれらの組合せを包含する）などの金属合金からなるボンドコート材料と、それらに限定されるものではないが、二酸化チタンと組み合わせた酸化アルミニウムを含むセラミック酸化物などのセラミック材料からなるトップコート材料の組合せからなるものであってよい。粉末材料３４は又、当業者が理解かつ認識するように、意図するナイフエッジ・シールの修復用途に対するその他の材料も含み得る。マイクロプラズマ溶射装置１０の運転中、粉末の金属とセラミック材料は、マイクロプラズマ流２１中に混入され、それぞれボンドコート、トップコートとして適用される。ある種のナイフエッジ・シールの修復用途においては、単一層の被膜のみが必要あるいは要求される。単一層の被膜は、いずれかの適切な被膜材料からなるものであってよく、マイクロプラズマ溶射流によってナイフエッジ・シールに適用することができる。適切な被膜材料には、それらに限定されるものではないが、ニッケル−クロム合金、クロムカーバイド及びそれらの組み合わせが包含される。
【００２６】
マイクロプラズマ溶射装置は、マイクロプラズマガス流２１を発生して、このマイクロプラズマ流２１を、ワークピースをマスキングすることなく、例えばナイフエッジ・シール１１２などの被覆すべき部分へ向かって、誘導する。前述の金属ボンドコート材料の１つを、マイクロプラズマガス流２１中に混入させることができる。マイクロプラズマ溶射被膜が、ナイフエッジ・シールを修復するのに適用されるか、あるいはＯＥＭ部品の先端部上への被膜として適用されるかのいずれかに依存して、約０．００２インチ〜０．００８インチ（約０．０５０８ｍｍ〜０．２０３２ｍｍ）の厚さを有するボンドコート層が適用される。ボンドコート層１１６が一旦適用されると、ボンドコートの粉末材料は、前述のセラミックコート材料のいずれか１つと、ホッパー３６内で置き換えられる。次いで、第２の粉末材料を、マイクロプラズマガス流２１に混入し、ワークピースをマスキングすることなく、ナイフエッジ１１２上に堆積させることができる。得られたトップコート層１１４は、マイクロプラズマ溶射被膜が、ナイフエッジ・シールを修復するに適用されるか、あるいはＯＥＭ部品の先端部上への被膜として適用されるかのいずれかに依存して、約０．００３インチ〜０．０１５インチ（約０．０７６２ｍｍ〜０．３８１ｍｍ）の厚さを有し得る。
【００２７】
図７と図８を参照すると、本発明のマイクロプラズマ溶射法を用いた、その他のワークピースの修復方法において、ワークピースは、ブレード９０、及び、表面９４と、中間金属ボンドコート層９６と、外面セラミックトップコート層９８からなる、修復すべき部分である先端部９２を含んでなるものであってよい。限定する目的ではなく、例示目的として、本発明のマイクロプラズマ溶射法を説明する際に、圧縮機ブレードを採用する。本発明のマクロプラズマ溶射法は、いずれの型の周知のブレード端を被覆及び／又は修復するのにも採用することができる。
【００２８】
ブレード端の修復に関し、粉末材料３４は、約１，８００°Ｆ（９８２℃（約１２５５．１５Ｋ））を超えない温度で使用するのに適した、いずれの金属材料とセラミック材料の組み合わせも含み得る。粉末材料３４は、例えば、ニッケル−アルミニウム（９５％−５％）などのニッケル合金、又は、“Ｍ”ＣｒＡｌＹ化合物（ここで“Ｍ”は、それらに限定されるものではないが、ニッケル、コバルト、ニッケル−コバルト合金及びそれらの組合せを包含する）などの金属合金からなる、少量のケイ素とハフニウムと組み合わせたボンドコート材料と、それらに限定されるものではないが、酸化イットリウム安定化ジルコニア及び酸化アルミニウムと二酸化チタンの組み合わせを含むセラミック酸化物などのセラミック材料からなるトップコート材料との組み合わせからなるものであってよい。粉末材料は又、意図するブレード端の修復用途に特化したその他の材料を含んでもよい。マイクロプラズマ溶射装置１０の運転中に、粉末の金属材料とセラミック材料は、マイクロプラズマ流２１中に混入され、それぞれボンドコートとトップコートとして適用される。
【００２９】
マクロプラズマ溶射装置は、マイクロプラズマガス流２１を発生し、このマイクロプラズマ流２１を、ブレード９０をマスキングすることなく、例えばブレード端９２など被覆すべき部分に向かって誘導する。前述のボンドコート材料の１つを、マイクロプラズマガス流２１中に混入させることができる。マイクロプラズマ溶射被膜が、ＯＥＭ部品の先端部上の被膜として適用されるか、あるいはブレード端を修復するのに適用されるかのいずれかに依存して、約０．００１インチ〜０．００５インチ（約０．０２５４ｍｍ〜０．０．０３８１ｍｍ）の厚さを有するボンドコート層が適用される。ボンドコート層が一旦適用されると、ボンドコートの粉末材料は、前述のセラミックコート材料のいずれか１つと、ホッパー３６内で置き換えられる。次いで、セラミックトップコート材料を、マイクロプラズマガス流２１に混入し、ブレード９０をマスキングすることなく、ブレード端９２上に堆積させることができる。得られたトップコート層は、マイクロプラズマ溶射被膜が、ＯＥＭ部品の先端部上の被膜として適用されるか、あるいはブレード端を修復するのに適用されるかのいずれかに依存して、約０．００４インチ〜０．０２５インチ（約０．１０１６ｍｍ〜０．６３５ｍｍ）の厚さを有し得る。
【００３０】
本発明の１つ以上の実施態様を説明してきたが、それにも関わらず、本発明の要旨及び範囲から逸脱することなく様々な変更をなし得ることは理解されるであろう。従って、その他の実施態様は、特許請求の範囲内にある。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の代表的なマイクロプラズマ溶射装置を示す図である。
【図２】図１のマイクロプラズマ溶射装置の分解組立透視図である。
【図３】図２のマイクロプラズマ溶射装置において、電極を拡大して示す図である。
【図４】本発明に従って、ワークピースに対してマイクロプラズマ溶射被膜を適用する工程を説明するフローチャートである。
【図５】連続端を有するワークピースを示す図である。
【図５Ａ】被覆層を詳細に示す図５のワークピースの連続端の分解組立図である。
【図６】組み立てられた図１のマイクロプラズマ溶射装置の運転中の透視図である。
【図７】組み立てられた図１のマイクロプラズマ溶射装置の運転中の別の透視図である。
【図８】被覆層を詳細に示す、図７におけるブレード端の領域８の分解組立図である。
【符号の説明】
【００３２】
１０…マイクロプラズマ溶射装置
１２…マイクロプラズマ溶射ガン
１４…アークガス・エミッタ
１６…陽極
２８…陰極
２１…プラズマガス流
２２…粉末材料インジェクタ
２４…ワークピース
【図１】
2006131999.tif 000003
【図２】
2006131999.tif 000004
【図３】
2006131999.tif 000005
【図４】
2006131999.tif 000006
【図５】
2006131999.tif 000007
【図５Ａ】
2006131999.tif 000008
【図６】
2006131999.tif 000009
【図７】
2006131999.tif 000010
【図８】
2006131999.tif 000011
【外国語明細書】
2006131999.tif 000012
2006131999.tif 000013
2006131999.tif 000014
2006131999.tif 000015
2006131999.tif 000016
2006131999.tif 000017
2006131999.tif 000018
2006131999.tif 000019
2006131999.tif 000020
2006131999.tif 000021
2006131999.tif 000022
2006131999.tif 000023
2006131999.tif 000024
2006131999.tif 000025
2006131999.tif 000026
2006131999.tif 000027
2006131999.tif 000028
2006131999.tif 000029
2006131999.tif 000030
2006131999.tif 000031
2006131999.tif 000032
2006131999.tif 000033
2006131999.tif 000034
2006131999.tif 000035
2006131999.tif 000036
2006131999.tif 000037
2006131999.tif 000038
2006131999.tif 000039
2006131999.tif 000040