(57)【要約】  本発明は、溶射装置の流出液を取り囲んでおり、溶射装置とコートされる表面との間の作動距離又はスタンドオフを効果的に拡張する独特のガスシールド又はシュラウドを提供する。本発明は、セラミック材料及び反応性材料を含む材料を長いスタンドオフで溶射する方法及び加熱したガスシールドを用いて溶着させる流出液の温度を制御する方法を提供する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶射装置の流出液をシールドする方法であって、環状のシールドガス吹き出し口を周囲温度より高い温度に加熱するステップと、前記シールドガス流が、前記流出液を同軸となるように実質的に取り囲んでおり、前記シールドガスのための環状の吹き出し口が、前記流出液に対して垂直な面であり、それによって流出液と並行な前記ガス流を提供するステップとを含む、上記方法。
【請求項２】
前記環状の吹き出し口が、前記流出液を実質的に取り囲んでいる第１のガス流のための第１の内部同軸区分及び前記第１のガスの内部流を取り囲む第２のガス流のための第２の同軸外部区分を含んでおり、前記第２の流れを周囲温度より高い温度に加熱し、前記シールドガス用の環状の吹き出し口が、前記流出液に対して垂直な面であり、それによって流出液と並行な前記ガス流を提供する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記シールドガスの温度が、前記シールド流の吹き出し口から１３インチ下流における流れの円錐の中心線で測定して少なくとも５００°Ｆである、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
シールドガスが、燃焼火炎及び燃焼生成物を含む可燃性ガスであるか、又は前記シールドガスが、前記流出液流の吹き出し口からの少なくとも１つの層流部分を有する流れである請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記流出液が、反応性材料又は酸化物材料を含む請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記流出液を、基材に溶着させてコーティング層又は１インチ当たり約２０から約２００個の垂直なセグメントのクラックを有するコーティング層を形成する請求項１に記載の方法。
【請求項７】
第１の流出液の第１の層を、第１のシールドガスの条件を利用して溶着させ、同じか異なる流出液で同じか異なるシールドガス条件を利用して少なくとも１回この方法を繰り返し、複数のコーティング層を得る請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記シールドガスの総ガス流量に対する前記溶射装置の総ガス流量の比が、約０．０５と約２．０との間である請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記基材が、ガスタービン、ジーゼルエンジン、及びロケットエンジンの構成部品からなる群から選択される請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
前記第１の層が、金属被覆層であり、前記のそれに続く層が、セラミック被覆層又は混合金属セラミック被覆層であり、場合により、前記層が、ジルコニア、イットリア、ハフニア、アルミナ、クロミア、ＮｉＣｒＡｌＹ、ＣｏＣｒＡｌＹ、ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ、ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ、ジルコニウム系セラミック、セラミック及びそれらの混合物からなる群から選択される請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
前記加熱されたシールドガスが、炭素を含有するガスと酸化剤との可燃性ガス材料を含んでおり、前記シールドガスの酸素に対する炭素の比が、約０．６と約１．０との間である請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
装置の流出液に適応した出口末端を有する熱ガスシールド装置であって、前記溶射装置の出口末端を取り囲むノズルのリングを含み、前記の各ノズルは、前記装置の出口末端の直ぐ先に配置されているまっすぐな部分を有する封入された壁によって輪郭が示されている開口部を有しており、出口末端からシールドガスの少なくとも１つの層流セグメントを導くのに適応しており、前記シールドガスが、流出液を同軸で取り囲むのに適応している装置、又は、ガスシールド溶射装置であって、前記装置の出口末端を取り囲むノズルのリングと、燃料ガス及び酸化ガスを前記ノズルに送出する手段と、前記ノズルから出る前記燃料及び酸化ガスに着火させる手段とを含み、可燃性ガス及び酸化ガスを送出して燃焼火炎及び燃焼生成物の流れを引き起こし、その結果プラズマ溶射装置を出る流出液が、前記燃焼火炎及び燃焼生成物の前記流れによって同軸で実質的に取り囲まれるように適応させた装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に溶射の分野に関するものであり、流出液の吹き付けを拡張したスタンドオフで行うことができ、及び／又はスタンドオフを拡張するために流出液を有効に包み込むように可燃性シールドガスを提供することができるように加熱されるシールドガスによって溶射流出液をシールドすることに関する。
【背景技術】
【０００２】
溶射溶着においては、粉末、ワイヤー、又は棒状の材料をその融点又はその直ぐ上付近まで加熱し、その融解又は殆ど融解した粒子をガス流中で高速度に加速しコーティングすべき表面すなわち基材上に衝突させる。衝突すると同時にその粒子は、薄い層状の薄板（ｔｈｉｎ  ｌｅｍｉｎｅｒ  ｓｐｌａｔ）に流れ込み、急速に凝結して冷える。そのコーティングは、多くの薄板の層から構成されている。金属、セラミック、サーメット、及びいくつかのポリマー材料を、溶射装置を用いて溶着させることができる。いろいろな溶射装置として、プラズマ溶射、爆発溶射、高速オキシ燃料溶射、ワイヤアーク溶射、火炎溶射等が挙げられる。コーティングは、通常、材料を複数のパスで表面全体に均一に分布するようにコーティングする部品に対して溶射装置を移動させることにより生ずる。このことが、コーティングされる表面の温度及びコーティング内の残留応力を制御するのに役立つ。
【０００３】
プラズマ溶射溶着においては、通常はアルゴン、窒素、水素、及び／又はヘリウムに基づくガスが、それがプラズマ溶射トーチのノズルを通って流れるときに電気アークによってイオン化され、高温、高速の部分的にイオン化されたプラズマ流を形成する。通常は粉末の形のコーティング材料を、そのプラズマ流中に投入し、その融点又はその直ぐ上付近まで加熱し、その融解又は殆ど融解した粒子をガス流中で高速度に加速し、コーティングすべき表面すなわち基材上に衝突させる。衝突すると同時にその粒子は薄い層状の薄板に流れ込み、急速に凝結して冷える。そのコーティングは、多くの薄板の層から構成されている。金属、セラミック、サーメット、及びいくつかのポリマー材料を溶着させることができる。コーティングは、通常、材料を複数のパスで表面全体に均一に分布するように、コーティングする部品に対してプラズマ溶射装置を移動させることにより生ずる。このことが、コートされる表面の温度及びコーティング内の残留応力を制御するのに役立つ。
【０００４】
コーティングの微細構造及び特性を決める最も重要なパラメータとしては、粒子の温度、それらの速度、それらが溶着中に周囲と反応した度合い、溶着の程度、衝突の角度、並びに基材及び前に溶着したコーティングの温度が挙げられる。粒子は溶射装置のガス状流出液によって加熱（ワイヤアーク法を除く）及び加速され、得られた温度と速度は、部分的には、その流出中の滞留時間の関数である。プラズマ溶射については、粒子は、ガス状流出液によって加熱及び加速され、したがって、得られた温度と速度は、部分的には、その流出中の滞留時間の関数である。その滞留時間は、言い換えると、粒子の速度並びに溶射装置の出口と基材との間の距離（スタンドオフ（ｓｔａｎｄ  ｏｆｆ）と呼ばれる）によって決まる。溶射装置の流出液の温度と速度はその装置から出ると同時にかなり急速に低下する。それ故、粒子が加熱され、加速されるための十分な距離又は時間を与えるけれども流出液及び粒子の温度及び速度が著しく低下するほど大きくはない最適のスタンドオフが存在する。衝突の角度は、コーティングの微構造及び特性に重大な影響を持ち得る。一般的に、最適な角度は、基材に対して９０°又は直角である。角度がそれより低下すると微構造はより乱れて低密度となる。この劣化の起こる割合は、部分的には衝突の際の粒子の速度と温度の関係である。実効的なスタンドオフ及び溶着の角度に対する感度は、複雑な形状の溶射構成部品の場合には特に重要である。溶射及びプラズマ溶射は、本質的に一連の照準プロセスであり、吹き付け装置の大きさ及びコーティングされる部品の形状が、吹き付け装置をその部品にどれだけ接近するようにもってきてなお溶着の許容角度を維持することができるかを制限することがある。したがって、その装置を表面に十分に接近させるようにもってきて適切な微細構造を有するコーティングを生ずるための十分な温度、速度、及び衝突の角度で粒子を溶着させるのは不可能ではないことがある。
【０００５】
コーティング内の残留応力は、最適な結果のために制御しなければならないさらなる特性である。殆どの場合低い残留応力が望ましいが、ある場合には、その面内の引っ張り応力を何とか制御可能なようにして、長い垂直の厚さを通るセグメントのクラックを生じさせる（Ｔａｙｌｏｒ、米国特許第５０７３４３３号）。残留応力は、要因の組み合わせから生じる。１つは、溶着されつつあるコーティング材料が凝固温度から冷やされるときの収縮である。他の要因としては、粒子がコーティングに衝突するときのピーニングに似た作用並びに溶射装置がそのトラバースにおいて部品上を移動するときのコーティング及び基材の温度サイクルが挙げられる。コーティング応力の他の原因は、コーティング中の熱吸収及び熱放散の速度と程度に関係する。これらは、コーティング開始前に基材に与える予熱の度合い及びコーティング中に使用される補助冷却の量を含むさまざまな手段によって制御する。予熱を達成し、制御することは、特に大きいか複雑な形状のものをコートするときは非常に困難であり得る。コーティング応力のさらに別の主要な原因は、溶射装置が基材上をトラバースするときに積まれる層の厚さである。この層の厚さを制御する要因は多く、吹き付け速度（単位時間当たりに吹き付けられる粉末のグラム数）、スタンドオフ、及び基材上のトーチの掃引速度が挙げられる。より高い生産速度のために吹き付け速度を高く保持し、且つ、スタンドオフを上で述べた問題のために基本的に固定する場合、コーティング内の応力を制御することの負担の殆どは、表面速度としても知られる基材上のトーチの相対的掃引速度の操作にかかっている。応力を減少させるために表面速度を増大し、１分当たり１０，０００インチといった高速に近づけることさえできる。単純な形状のもののコーティングに対してこれらの速度を得ることは可能であるが、コーティング中の溶着のスタンドオフ及び角度を最適化するために１分当たり約１０００インチの表面速度しか達成することができないロボット使用の機械を必要とするタービン翼のような複雑な形状のものに対しては不可能である。もしスタンドオフを増すことができ、要求されるコーティング特性をなおも維持できるならば、表面速度を相応に減少することができよう。
【０００６】
溶射装置の流出液、すなわちプラズマ溶射トーチは、溶射装置を出ると直ぐに通常は空気である周囲の環境ガスと混合し始める。殆どの金属、ポリマー材料、並びにそれほどではないにしろ炭化物及び窒化物等の反応性材料が溶着される場合、流出液と混合されている空気からの酸素がその材料を酸化し、コーティングの特性を著しく変化させる可能性がある。一般に、スタンドオフが長ければ長いほど酸化の程度は大きい。この酸化を回避する２つの主要な方法が存在する。１つは、真空チャンバー中の低圧の不活性ガスのもとでコーティングを溶着させるものである。この状況において、通常はアルゴンである不活性ガスは、空気よりむしろ流出液中に引き込まれ、酸化は起こらない。この技術は、プラズマ溶射溶着に対して良く開発されており非常に有効であり得る。それは、低圧の環境による長めのスタンドオフというさらなる利点も有する。上記システムの投資コスト及び操業コストはしかしながら非常に高く生産速度は低い。別法は、流出液を取り囲む同軸の不活性ガスシールド又はガスシュラウドを提供するものである。この方式においては不活性ガスが、溶射装置の流出液中に引き込まれ、コーティング材料の酸化は防止される。
【０００７】
効果的なガスシールドは、Ｊａｃｋｓｏｎにより発明された米国特許第３４７０３４７号である。この発明は、プラズマ溶射トーチの流出液を取り囲む通常はアルゴンである乱流不活性ガスの均一な流れを提供する。それは溶着中の反応性材料の酸化を防止するのに非常に効果的であるが、スタンドオフの能力に限界がある。だから、例えば深い隅肉又は隆起のあるもの等の複雑な形状をした部品をコーティングする場合、有効なシールドを維持するように溶射装置を表面に十分に接近させたままにすることが可能ではないことがあり得る。
【０００８】
別の発明は、不活性ガスの流出液の流れに対する相互作用により、周りの環境からのガス及び／又は蒸気の侵入が防がれるように、溶射流出液と直角の不活性ガスの流れを、溶射ノズル内又は溶射装置の付属品内に、流出液と並行に配置された多孔質媒体を通して導入することによって、層流のガスシールドを提供する（Ｍ．Ｓ．Ｎｏｗｏｔａｒｓｋｉら、米国特許第５４８６３８３号）。
【０００９】
溶射コーティングの多くの重要な応用分野の１つは、ガスタービンエンジンの多数の構成部品に対する遮熱層のそれである。現代の航空機推進用及び地上の発電用ガスタービンエンジンは、全体的効率が高温によって改善されるためにより高い運転温度に突き進み続けている。ガスタービンによっては、非常に高温で運転するために例えば燃焼器、ブレード及びベーン等の直接加熱される金属部品は、保護セラミックコーティングを施していない場合は非常に短い寿命を有する。遮熱コーティング（ＴＢＣ）として知られるセラミックコーティングは、断熱材であり、基材の温度を低下する作用をする。
【００１０】
遮熱コーティングには、コーティング及びコーティング方法のために選択される材料に基づいた多くの変形物が存在する。殆どのＴＢＣは、金属製の基材部品に塗布した金属ボンドコート及びそのボンドコート上にその熱伝導率が非常に低いために通常は酸化ジルコニウム系のセラミック層を含む。そのコーティングのジルコニア層は、所定の要求によって、例えばものによるとタービンのブレード及びベーンに対しては約０．２５ｍｍ（１０ミル）から、ものによると燃焼器に対しては２．５ｍｍ（１００ミル）以上まで変化する。そのコーティングは、基材の温度を、高温側と低温側の境界条件によっては華氏で２００°以上（１１１℃）低下させることができる。ブレード及びベーン上で、ＴＢＣは、エアフォイル及び通常は付属品の型枠又は端壁を保護しなければならない。燃焼器に対しては、ＴＢＣを、内面に塗布する。金属のボンドコートは、溶射法（例えば、シュラウド付き及び大気プラズマトーチ法、真空チャンバープラズマトーチ法、デトネーションガン法、又は高速オキシ燃料ガン法）、ガス拡散法（パックアルミニウム被覆等）、及び進歩した電気メッキ法を含むさまざまな方法によって塗布することができる。ジルコニアセラミック層は、溶射法及び電子線物理的気相成長法（ＥＢ−ＰＶＤ）を含むさまざまな方法を用いて塗布することができる。
【００１１】
複雑な形状、例えばタービンのブレード及びベーン等への溶射コーティングの応用においては、コーティングの品質又は時にはコーティングを塗布することの可能性にさえ影響する問題が存在する。スタンドオフは、それが気孔率及び微小クラックを含むコーティングの微細構造に影響するために上記問題の１つである。ＴＢＣ中の酸化物層の熱衝撃及び熱疲労耐性にとって、気孔率及び微小クラックの管理は必須である。隆起（例えばベーンの型枠の端）を含む部品の形状では、獲得できる最小のスタンドオフを設定するが、それは、現行の最先端の溶射装置及びシールド材を用いても望ましい微細構造を達成するには長すぎる。
【００１２】
殆どのＴＢＣ金属ボンドコートは、１つ又は複数の非常に反応性の元素、例えばアルミニウム又はイットリウム等を含有しており、使用中の適切な耐食性を提供するために、これらの元素が溶着工程中に酸化（内部酸化）されないやり方で溶着させなければならない。前記のように、同軸不活性ガスシールド（例えば、Ｊａｃｋｓｏｎ、米国特許第３４７０３４７号）は、これを成し遂げる非常に効果的な手段である。このやり方は、真空又は低圧プラズマ溶射よりも反応性金属コーティング例えばＮｉＣｏＣｒＡｌＹ等をコーティングするずっと便利で低コストの方法である。しかしながら、それは比較的短いスタンドオフのみに有効であり、それ故、一部の複雑な部品例えば一部のタービンのブレード及びベーン等に対してはあまり有効ではないことがある。
【００１３】
要約すれば、溶射法は、当業者には殆どの金属等の反応性材料を、溶着中の酸化による著しい劣化を伴わずに溶着させるためのものとして知られている。しかしながら、これらの技術は、制限されたスタンドオフの効果により非常に高価な真空チャンバー中の溶着又は不活性ガスシールドの使用のいずれかを必要とする。さらに、望ましい微細構造を有するセラミックコーティングを溶着させる溶射方法が知られているが、やはり有しているスタンドオフの能力は限られている。また、コーティング中、特に大きいか又は複雑な形状のものをコーティングするときの基材及びコーティングの熱吸収及び熱放散の量と速度を適切に制御することも困難である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明の１つの目的は、溶射装置の流出液を取り囲む新規なガスシールド又はガスシュラウドを提供することである。
【００１５】
本発明のさらなる目的は、溶射装置とコートされる表面との間の有効作動距離すなわちスタンドオフを前記独特のガスシールドを用いて拡大することである。
【００１６】
本発明の別の目的は、内部の不活性ガスシールド及び外部のガスシールドからなる独特の二重のガスシールドを使用して反応性材料を溶射する方法を提供することである。
【００１７】
本発明のさらなる目的は、本発明の方法を用いた被覆物品を提供することである。
【００１８】
本発明のさらなる目的は、プラズマ溶射装置等の溶射装置の流出液を取り囲む燃焼火炎及び燃焼生成物を含む独特のガスシールド又はガスシュラウドを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の１つの実施形態は、溶射装置の流出液をシールドする新規な方法であって、環状のシールドガス吹き出し口を周囲温度より高い温度に加熱するステップと、前記シールドガス流が、前記流出液を同軸となるように実質的に取り囲んでおり、前記シールドガスのための環状の吹き出し口が、前記流出液に対して垂直な面であり、それによって前記流出液と並行な前記ガス流を提供するステップとを含む方法を提供する。好ましくは、前記シールドガスの温度は、前記シールド流の吹き出し口から１３インチ下流における流れの円錐の中心線で測定して少なくとも５００°Ｆまで加熱する。好ましくは、前記シールドガスは、前記流出液流の吹き出し口からの少なくとも１つの層流部分を有する流れである。本発明の別の実施形態は、溶射装置の流出液を取り囲む燃焼火炎を含む新規なガスシールドを提供する。本発明は、非反応性及び反応性材料を含む材料を、長いスタンドオフで吹き付ける方法及びコートされつつある基材の温度を、前記ガスシールド法を使用して制御する方法を提供する。本発明は、また、内側の不活性ガスシールド及び外側のガスシールドからなる二重のガスシールドを用いて反応性材料を吹き付ける方法を提供する。本発明の方法は、ガスタービン、ジーゼルエンジン及びロケットエンジン用の部品又は構成部品をコートするために使用することができる。好ましくは、本発明の方法により生成したコーティングは、約５％と約４０％との間の気孔率を持つことができる。
【００２０】
本発明で使用する流出液とは、送出ガス及び基材上に溶着させる望ましい層のコーティング材料を意味するものとする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
既知の乱流の不活性ガスシールドから基本的に層流である少なくとも初期長の流れを有するシールドに変化させることによって、シールドガスと周囲の空気（又はその他の気体環境）との間並びにシールドガスと溶射流出液との間の混合量が大幅に減少することが見出された。
【００２２】
本発明の別の実施形態は、溶射装置の流出液を取り囲む燃焼火炎及び燃焼生成物のリング又はシースを含む溶射のための新規なガスシールドである。この燃焼火炎シールドは、望ましいコーティングを形成するために採用することができるスタンドオフ距離の役立つ範囲を大幅に増大させる。これは、１つには、シールドガスと周囲の空気（又はその他の気体環境）との間並びにシールドガスと溶射流出液との間の混合量が大幅に減少して、最先端技術のシールドによるよりもずっと長い間隔となるために達成されるものと考えられる。本発明の方法により形成されるコート層の例は、ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ、ＮｉＣｒＡｌＹ、ＣｏＣｒＡｌＹ、ＦｅＣｒＡｌＹ、ジルコニア系セラミック及びその他のセラミックである。
【００２３】
これらの実施形態は、吹き付け装置の出口からの距離によって吹き付け流出液の温度と速度が低下する割合を減少する。これによってもたらされるいくつかの利点が潜在的に存在する。その利点の１つは、スタンドオフをコーティングの特性を削減することなく増大することができることである。長いスタンドオフほど、より複雑な形状をコートすることを可能とし、コーティングの溶着の角度に対する感度を低減し、残留応力の管理を容易にし、粉末粒子を加熱するより長い時間を可能とし、その他の有利な効果を有することができる。
【００２４】
本発明の１つの実施形態は、シールドガスの粘度を上げることによって一層層流をなすシールドガスの流れを形成することである。アルゴン又は窒素等のシールド用にしばしば使用されるものを含む殆どの通常のガスは、室温では基本的に同じ粘度を有していることが知られている。しかしながら、ガス粘度の大幅な増加がそのガスを加熱することによって得られる。文献のデータ［Ｙ．Ｃｈｙｏｕ、「熱プラズマシステムのモデリング（Ｍｏｄｅｌｉｎｇ  ｏｆ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｐｌａｓｍａ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）」ミネソタ大学博士号論文、１９８７年６月、付属書Ｈ］は、アルゴン及び空気の運動粘度（ガス粘度をその密度で除したものとして定義される）が、室温から２０００°Ｆに加熱すると１０倍増加することを示している。
【００２５】
パイプ中のガスの層流と乱流との間の変換は既に研究されており、レイノルズ数と呼ばれる流れのパラメータと関連付けられている。レイノルズ数は、
Ｒｅ＝（ガス粘度）×（パイプの内径）／ガスの動粘度
として定義される。それは、ガス特性とそのガスがその中を流れるパイプの幾何学的状況とを組み合わせる。実験的に、層流は、約２３００未満のレイノルズ数のパイプ中の流れに対して見出される。ここでの興味は、ガスが上記のパイプを出た後の空気中の流れにある。
【００２６】
加熱したガスと周囲温度のガスの屈折率の差に基づいて、ガス流を可視化し、ガスがパイプ又はノズルを出た後の層流に対する粘度及び流速の影響を測定する方法が開発された。シュリーレン（Ｓｃｈｌｉｅｒｅｎ）カメラを利用するこの方法を、下の実施例１で詳細に説明する。この方法及びシールドガスとして２２０°から１０５０°Ｆまでの温度に予熱した空気を使用することにより、層流をパイプ中で設定することができる場合、そのガス流は、パイプを出た後ある距離にわたって層流のままであることが見出された。ノズル出口の外側の測定可能な長さの層流は、５０００未満のレイノルズ数に対して発現し、レイノルズ数が５０００より減少するに従い、層流の長さは増大することが見出された。また、パイプ又はノズルの出口の直ぐ手前の長さ部分がまっすぐである場合層流が最も良く確立されることも見出された。パイプ又はノズルの出口を過ぎた所定の距離に対する層流のために必要なまっすぐな部分の長さは、ガスのいくつかの特性の関数である。
【００２７】
実施例１の実験においては空気を使用したが、窒素、アルゴン、又は殆どのその他のガスが同じように挙動することに注意すべきである。したがって、非反応性材料を溶射により溶着させるときは空気を、又は反応性材料を溶着させるときは不活性ガスを選択することができ、拡大したスタンドオフの同じ利点が得られる。また、円形切断面を有するパイプ又はノズルを使用する必要がないことにも注意すべきである。実施例１においては、さまざまな寸法のオリフィス又はノズル板中の長方形の「スロット」を使用したが、これら又はその他の形状のノズルを溶射装置のガスシールドアッセンブリーで使用することができる。予熱した空気又はその他のガスを使用する取り組みは、一部の応用に対しては適切であり得るが、より高温のガス及びより容易に使用することができる熱源を使用することが望ましい。
【００２８】
高粘度ガスとして火炎のリング及び燃焼生成物を生み出すガス混合物（以後火炎シールドと呼ぶ）の燃焼を使用するガスシールドは、より高粘度のガスの必要性と非常に容易に熱源を使用する必要性とを満たすであろう。それは、固定具に、溶射流出液と燃料及び酸化剤の制御可能な吹き出し口との周辺を取り巻く環状アレー内に適当なノズルを用意することによって容易に溶射装置に適応する。そのノズルは、オリフィス板中の丸穴を含むさまざまな形のスロットであり得る。好ましくは、そのスロットは、出口の直ぐ手前にまっすぐな部分を有するべきである。非限定で、アセチレン、プロパン、メチルアセチレン、及びプロピレンを含むさまざまな燃料を使用することができ、不飽和炭化水素が幾分かの利点を有する。非限定で酸素及び空気を含むさまざまな酸化剤を使用することができる。燃料と酸化剤のガスは、混合した後、ノズルを通して流すか別々のノズルを通して流すことができる。さまざまな火炎着火方法を使用することができる。
【００２９】
本発明の実施形態は、実施例２で詳細に説明する。直径０．１２５インチの溶射ノズルの周りに直径１．２インチの単一のリング内に等間隔の丸穴のアレーを備えた２つの火炎シールド（１つのアレーは直径０．０３１インチの２４個の穴を有しており、他のアレーは直径０．０１６インチの４５個の穴を有している）を使用すると、火炎の層流の長さは最大約５インチの長さであり、その後に約７から９インチの乱流が続くことが示された。これらは前述及び実施例１におけるように予熱ガスにより実証された層流領域のまさに顕著な拡大を示している。酸素とプロピレンを使用する２４個及び４５個の穴の火炎リングシールドに対する最適な操作パラメータの決定について、実施例２では示すが、他のノズルの形状、ノズル分布パターン、及び操作パラメータを本発明の範囲内で使用することができることは明らかである。
【００３０】
プラズマ溶射トーチ（例えば、一般的に最大０．２５インチ以上までの範囲をとるプラズマノズル出口直径を有する）を含むその他の溶射装置に本発明を拡張するための指針を提供するため、実施例１で詳細に説明したように、火炎シールドの熱エネルギー及びガス流量対プラズマ流出液の比を実験で使用したＰｒａｘａｉｒプラズマ溶射トーチ及びその他の代表的なプラズマ溶射トーチについて測定した。これらの測定及び最適の火炎はプラズマトーチの流出液流と無関係であるという仮定に基づいて、総火炎ガス流量が制御すべきものであり、一定の火炎ガス流量のためにはパワー比は、異なるトーチ及び火炎長さに対して約０．５から５．０まで変動しよう。最適の火炎流量をプラズマトーチの流出液流量に合わせて調整しなければならない場合は、冷ガス流量の比率を制御する。ここで使用する冷ガス流の比率とは、燃焼前の燃料ガス流量の比率と酸化ガス流量の比率の和として定義される。異なるトーチは、異なる総流出液ガス流量における最適の流出液を有する。これらは、異なる種類の粉末が溶射されるときは与えられるトーチさえ変化することがあり得、例えばジルコニアとＮｉＣｏＣｒＡｌＹとは、一般的には異なる流出液流を必要とする。冷ガス流の比率は、プロピレンに酸素を加えた火炎に対して約０．１から０．７まで変動する。アセチレン又はプロパン等その他の燃料ガスは、それらは低い燃焼熱を有しているために、同じ熱を提供するためにはより多い流量が必要であり得る。したがって、冷ガス流の比率は、さらにこれらのガス炎を含めてより広くなり、約０．１から約１．２である。総シールドガス流の酸素に対する炭素の比は、０．６から１．０、好ましくは０．７から０．９、最も好ましくは０．７５から０．８５の範囲とすべきである。これらの範囲は、指針としてのみ考えるべきであって、どのような形でも本発明に対して限定するものではない。
【００３１】
本発明の火炎シールドの有用性をプラズマ溶射酸化ジルコニウムにより証明した。実施例２に記載した２４穴の火炎リングを有するプラズマ溶射トーチを使用して製造したコーティングと、周囲温度の不活性ガスシールドで同じプラズマ溶射トーチを使用して作製したものとを比較した。計画的な実験を実施し、ＣｏＮｉＣｒＡｌＹのアンダーコート及びジルコニアのトップコートの遮熱コーティングをさまざまな条件下で溶着させ、微細構造特性及び熱ショック耐性の評価をした。この実験は、実施例３で詳細に説明する。火炎シールドしたトーチにより製造したコーティングは、周囲温度の不活性ガスでシールドしたトーチを使用して溶着させたものより、まさに大幅に大きいスタンドオフで溶着させることができ、さらに一層一貫性のある微細構造を有しており、溶着の角度に対して非常に低感度であり、優れた熱ショック耐性を有していた。例えば、特定のトーチを使用したスタンドオフは、周囲温度の不活性ガスシールドによる１．２５から１．５インチまでの範囲から４から６インチを超える範囲まで広がった。しかしながらこれが限界と解釈すべきではなく、その他のプラズマ溶射トーチ又は溶射装置によりさらに大きいか又は小さい拡張を獲得することができる。
【００３２】
実施例２及び３における実験は、特定のプラズマ溶射トーチ、特定の火炎シールド、及び特定の操作パラメータを両方に対して使用したが、本発明が、他の溶射装置、他の層流ガスシールド、他の高温シールドガス、シールドガスを加熱するための他の手段、火炎シールドの他のデザイン、火炎シールド用の他の燃料と酸化剤、及び溶射装置とガスシールドの両方のための他の最適化された操作パラメータと共に使用することができることは明白である。本発明のガスシールド、特に火炎シールド及び／又は層流シールドは、多種多様のその他のセラミック又は他の酸化物、炭化物、及び窒化物を含む耐酸化性材料のコーティングを形成するために使用することができることも明白である。
【００３３】
火炎シールドは、また、コートされる基材の温度を制御するために使用することができる。これは、必要な微細構造を得るために基材を高温でコートすることが必要な場合に特に有利である。この制御は、ガスシールドのパワー及び／又はガスシールドの総ガス流量を調節することによって達成することができる。
【００３４】
本発明の別の実施形態は、内側の同軸の不活性ガスの流れ及びそれを取り囲んでいる同軸の加熱されたガス又は火炎ガスの流れを有する二重の同軸シールドである。外側のガスの加熱の利点及び内側の不活性ガスシールドの酸化防止の利点が、このようにして得られる。
【００３５】
本発明の上の説明及び実施例は、主としてプラズマ溶射溶着と関係しているが、本発明は、プラズマ溶射、高速オキシ燃料溶射及びその変形、並びに火炎溶射を非限定で含む殆どのその他の形態の溶射に対して同様に適合する。
【００３６】
溶射又はプラズマ溶射コーティングは、１つ又は複数の酸化物の組成物若しくは微細構造、１つ又は複数の金属の若しくは１つ又は複数の組成物の金属合金の外層、或いは上述の層の任意の組み合わせの、単一層若しくは複数層を含むことができる。
【００３７】
以下の実施例は、本発明を説明するが、いかなる形でも限定するものと考えてはならない。
【実施例１】
【００３８】
従来のガスシールドによるスタンドオフは、高いガス流量をもってしてさえ限界がある。これは、１つには、シールドガス流の乱流の性質のためと考えられる。かくして、層流のシールドガスに基づく独特のガスシールドを思い付いた。さらに、層流は高粘度のガスを使用することによって得ることができ、その高粘度は、ガスを加熱することによって得られることも思い付いた。本発明の実行可能性を証明するため、さまざまな種類のシールドガス流（周囲の外気とのその界面又はガスの境界）の表面（すなわち、周囲の外気との界面又はガスの境界）を、影写真撮影及びシュリーレン干渉写真撮影を含むいくつかの方法を用いて可視化した。簡単に言うと、シュリーレンカメラは、機械の例えば左側に、高温ガスが流れているゾーンに焦点を持つ光源を有しており、このゾーンは、右側の小さな円形の穴に焦点があり、一方この穴は、順々に、その機械のずっと右側のカメラの画面に焦点を有している。使用したレンズの焦点距離は、両方とも２１．８ｃｍであり、レンズの間にガラスの光学的諸特性を損なうことのない高温ガス流のための十分な領域を与えた。中央ゾーンにおける媒体が静止空気又はさらに取り囲んでいる静止空気ゾーン中の噴流空気（両方とも同じ温度）等の均一な屈折率のものである場合は、光路は、乱されずに特徴のない空白な像がそのカメラによって得られる。噴流ガスが加熱されて周りの媒体とは異なる屈折率を生じた場合は、光路は、前方への光線の進路から屈折して小さな穴を通らずにカメラの像に暗い形体をもたらす。高温の乱流の噴流ガスは、したがって、不規則であり、距離と勿論時間と共に揺れ動いている周りの空気との境界線を有するはっきりとした噴流として撮像される。時間の要素を排除し、一瞬における噴流の像を凍結するために、光源としてＥＧ＆Ｇ５４９型マイクロフラッシュ（Ｍｉｃｒｏｆｌａｓｈ）ストロボを使用した。ストローブパルスの時間幅は、１秒の１／５０，０００であった。４９ｍｍシュナイダーレンズ（Ｓｃｈｎｅｉｄｅｒ  ｌｅｎｓ）付きのリンホフ（Ｌｉｎｈｏｆ）４×５インチカメラを使用した。すべての試験条件に対して、ポラロイドのタイプ５２フィルム及びコダックのプラスＸネガフィルムを感光させた。ネガフィルムを使用して、層流の長さを測定するため及び乱流の細部を見るために引き伸ばしをした。高温噴流ガスの写真は、部屋の明かりをすべて消して撮った。
【００３９】
本発明の１つの高温のガスシールドのひな型は、プラズマトーチの中心線に対して同軸のトーチ流出液を取り囲むガスの流れを発射する細い環状のスロットを有しており、トーチアノードの出口直径の数倍の直径を有している。干渉写真の検討に向けてこのひな型を単純化するために、異なる幅の平らな長方形のスロットで、すべて０．６０インチの長さの一連のノズルを作製した。流れをそれ自体出る前のスロット内で層流の形態で安定化させる効果を測定するために、流れ方向のスロットの深さが異なるノズルを含めた。スロットの幅は、０．０５５及び０．１００インチ、流れ方向に沿ったスロットの深さは、０．５、１．０及び２．０インチとした。空気は、アルゴンと同じ動粘度−温度曲線を有しており、その試験は試験のフローパターンを変形する可能性のある換気流のない実験室で行ったため実験としてはより安全であるので、試験スロットに供給したガスは加熱空気とした。その空気は、試験区間の上流に接続した４０００ワットのＬｅｉｓｔｅｒ  ＣＨ−６０５６  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｈｏｔ  Ａｉｒ  Ｔｏｏｌを使用して加熱した。ヒーターへの室温の入口空気流は、Ｂｒｏｏｋｓ  Ｒ−８Ｍ−１２７−４ロトメータ（ｒｏｔｏｍｅｔｅｒ）を用いて測定した。ヒーターと試験区間との間の接続チューブは、ヒートロスを最小にする助けとなるように断熱した。加熱したガスの出口温度は、超小型のタイプＫの熱電対を用い、丁度出口のところと０．１インチ行った下流のところで測定した。この温度情報により、後で干渉写真から測定した層流と乱流との間の区切り点における温度の書き入れが可能となった。スロットからの距離の関数としての出口のガス温度がはっきり描かれた後に熱電対を取り去り、流れを１０分間安定化させてから干渉写真を撮った。
【００４０】
実験は、一連の高温ガス出口温度及び高温ガス出口速度にわたって行った。高温ガス出口温度は、２２０から１０５０°Ｆまで変動させた。出口速度は、測定した入口の冷ガスの流速、高温対低温の絶対温度比及びスロットの寸法から計算した。レイノルズ数は、スロット流に対して上で示したパイプ流とは少し変えて、スロットに相当する水力直径を用いて計算した。その水力直径は、スロットの断面積をスロット内側の周辺の長さで割った４倍である。流れのレイノルズ数は、出口及び層流から乱流への転移点で計算した。後者は、温度マップにより測定されたように転移点ではガス温度がより低いことが原因で、出口の値より幾分高めであった。簡単にするために、結果はここでは出口のレイノルズ数に関してのみ示す。
【００４１】
【表１】
2007500791.tif 000002
【００４２】
高温噴流ガスは、出口のレイノルズ数が５０００未満で測定可能な層流の長さを発現することができ、与えられたノズルの、幅に対する長さの比に対してレイノルズ数が５０００より下に減少するほど層流の長さが増すことが見出された。これは、より高い出口のガス温度又はより遅い出口のガス速度のいずれかを使用することにより達成することができた。レイノルズ数１０００における層流の長さは、データから推定すると約０．２インチである。スロット中の流路の長さを増すと出口における層流を安定化させる助けになることがわかった。試験した最良の条件は、スロット幅に対する流動長の比２０を有しており、一方スロット幅に対する流動長の比９では、３９５０のレイノルズ数であってさえ、流れは全く層流ではなかった。これらの実験における取り組みは、インラインのガスヒーターの加熱能力及びヒートロスの影響によって制限された。これらの実験においては長い層流のゾーンは得られなかったが、結果は、層流に対する高温ガスシールドの考えが有効であり、より高いガス温度及び／又はより低いガス速度を使用する場合は層流ゾーンの長さが増すであろうことを示した。
【実施例２】
【００４３】
シールドを改善するための粘性媒体として高温のアルゴン又は空気を用いる研究は、さらに高いガス温度及び低い速度、並びにそのような高温の粘性ガス流を提供するより簡単な方法が望ましいことを示した。燃えている火炎及び燃焼生成物からなるシールドガス流は、これらの必要性を満たすものと考えた。第１の設計は、Ｐｒａｘａｉｒモデル１１０８プラズマ溶射トーチ用の取り付け可能なシールド装置であった。それは、直径が１．２インチの環状の円周上に開けた直径０．０３１インチの２４個の穴を有する出口リングのある環状のチャンバーを含んだ。その穴の長さ又は深さは、２．６の直径に対する流動長比に対して０．０７９インチである。その穴の出口は、穴の軸がトーチの軸及びトーチの軸に沿った環状の円の中心と並行しているトーチの作用面の平面をなしている。使用した第１のガスは、プロピレンと酸素であり、それをシールド体に入れる前に、標準的な「酸素アセチレン」ガス溶接ハンドル中で混合した。そのプロピレンと酸素の流量は、溶接ハンドルへの注入ライン上のロトメータにより制御した。そのガス混合物は、それがノズルを出るときに着火されてプラズマ流出液を実質的に取り囲み、それと同軸で流れる燃焼火炎と燃焼生成物のシールドを形成した。燃焼火炎と燃焼生成物のその円筒状のシールドは、約１．５インチの直径を有しており、約０．１２５インチの厚さの「壁」があった。
【００４４】
広範なプロピレンと酸素の流れを実験し、２つのガスの流量比率に対する火炎の状態をＸ−Ｙ座標上にプロットした。低酸素、高プロピレンでは、明るい黄色の火炎が見られ、高酸素、低プロピレンでは、「無秩序なスパッタ」の火炎領域が見られ、層流の火炎が長くなる傾向を示した。層流の火炎の長さ及び便宜上１３インチを選択したトーチ本体からの固定された距離における火炎の温度に関する火炎特性を次に測定した。その温度は、タイプＫの熱電対により流路の中心線に対して測定した。層流の長さ及び火炎の長さは、直接定規により測定した。
【００４５】
結果を図１及び２の等高線プロットで示す。縦座標軸にプロットした値は、ガス混合物の酸素に対する炭素比であり、プロピレン１分子当たり３個の炭素原子、酸素１分子当たり２個の酸素原子が存在するので、ｃｆｈ（１時間当たりの立法フィート）で示す酸素流量に対するプロピレン流量の比に３／２を掛けたものを取る。横軸上にプロットした値は、各プロピレン及び酸素の設定に対するｃｆｈ値を加算した総ガス流量である。約０．８５のＣ／Ｏ比において青の火炎から黄色の火炎への変化が起こることが見出された。最長の層流の火炎の長さは、約０．８０Ｃ／Ｏにおける青の火炎領域及び約５０ｃｆｈの全体ガス流量において得られた。下流の乱流領域を含む総火炎の長さは１６インチの長さであった。火炎温度は、１３インチのスタンドオフにおいてさえ非常に高く、０．８Ｃ／Ｏ比の線を頂点として全体ガス流量と共に上昇することが見出された。これら火炎特性は、すべて、それ自身作動していないプラズマトーチを用いて測定した。そうしないと、非常に明るいプラズマアークによってシールド火炎の可視化が可能とならなかった。トーチ及び火炎シールドの両方が作動していると、おそらく、シールドの火炎特性は、層流の長さ及び総流量に関して変化するであろう。
【００４６】
１．２インチの直径の環の周りにそれぞれの直径が０．０１６インチの穴が４５個であること以外は同様のシールド本体に付属させる火炎リングを次に設計した。その穴の長さ又は深さは、４．９の直径に対する流動長比に対して０．０７９インチである。４５穴リングの総流れの面積は、２４穴の半分である。その火炎の同じフローマッピングを行った。得られたプロットを図３及び４に示す。最長の層流火炎に対する最適な設定は、再び約０．８Ｃ／Ｏ比のところであったが、今度は約３０ｃｆｈの全体シールドガス流量のところであった。同様の４．５インチの最大層流火炎長さが得られたが、総火炎長さはわずか１４インチであり、１３インチスタンドオフの温度は４５穴火炎リングでは幾分低かった。両方のリング共意図した目的に対して優秀と判定された。
【００４７】
すべて０．８Ｃ／Ｏ比であるいくつかの全体ガス流量の組に対する冷ガス速度及び熱エネルギー又は火炎パワーを計算した。火炎パワー対典型的なジルコニアコーティングを形成するために使用するプラズマ溶射トーチの平均パワーの比を、Ｐｒａｘａｉｒプラズマ溶射トーチ及び他の典型的なプラズマ溶射トーチの両方に対するガス流量比と同時に計算した。そのパワー比は、ＢＴＵ／時間で計算し続いてキロワットに変換した火炎の加熱速度をキロワットのプラズマトーチのパワーで割ったものと定義される。冷ガス流量比は、燃料ガスと酸化剤ガスを加えた冷ガスの流量をプラズマ溶射トーチ流出液中への総ガス流量で割ったものと定義される。その結果を表１に示す。上記の２つの火炎リングのデザインは、同じプラズマ溶射トーチ条件に対して幾分異なるパワー比を有することが明らかである。両方とも長い層流の火炎を生じているが、幾分シールドガス流量が異なる。延長線上で考えると、他の火炎リングデザインが、異なるシールドガス流量で同様に最適な火炎を生ずるかもしれない。しかしながら、パワー比は１．０と４．０との間でなければならないと思われる。いずれにしても、パワー比は、指針として与えられるものであって、限定するものとして考えるべきではない。
【００４８】
火炎リングノズル及び操作パラメータの設計における指針として、最適の火炎がプラズマトーチの流出液流と無関係である場合は、総火炎ガス流量が制御すべきものである。一定の火炎ガス流量のためには、パワー比は、異なるトーチ及び火炎長さに対して約０．５から５．０まで変動するだろう。最適の火炎流量をプラズマトーチの流出液流量に合わせて調整しなければならない場合は、冷ガス流量の比率を制御する。異なるトーチは、異なる総流出液ガス流量における最適の流出液を有する。これらは、異なる種類の粉末が溶射されるときは与えられるトーチさえ変化することがあり得、例えばジルコニアとＮｉＣｏＣｒＡｌＹとは、一般的には異なる流出液流量を必要とする。上の表から、冷ガスの流量比は、プロピレンと酸素を加えた火炎については約０．１から０．７まで変動する。アセチレン又はプロパン等のその他の燃料ガスは、それらがより低い燃焼熱を有しているために、同じ加熱を提供するためにはより多くの流量を必要とする。したがって、これらのガスの火炎をも含めて約０．１から約１．２のより幅の広い冷ガス流量比が望ましい。結果を表「最適なトーチ付属品設計のための可燃性ガスの予測パワー」に示す。
【００４９】
【表２】
2007500791.tif 000003
【実施例３】
【００５０】
実施例２において記載したＰｒａｘａｉｒモデル１１０８プラズマトーチに取り付けた２４穴の火炎リングを使用して製造したジルコニアコーティングと、周囲温度の不活性ガスシールド及び標準的なガス流量による同じトーチを用いて製造したコーティングとの比較を行った。火炎リングは、酸素に対する炭素比が０．６７の１７．５ｃｆｈのプロピレン流及び３９ｃｆｈの酸素流を用いて操作した。粉末は、イットリアで安定化したジルコニアである。同じ粉末のロット、粉末供給速度、トーチ本体及びコーティング小区画を初めから終わりまで使用した。
【００５１】
４つの要因、トーチの流れ、トーチから基材までのスタンドオフ、基材の表面速度及び溶射角度を、それぞれ３水準にわたって変化させる計画的な実験を行った。その計画的な実験は、１３個の別々の試験的なライニング又はコーティングを施すことを必要とした。デザインの中心点を形成する基準となるコーティングパラメータは、垂直にセグメント化されたコーティングを目的とした。このコーティングの重要な特徴は、その垂直な、基本的に厚さを貫くセグメントのクラックであって、それに顕著な熱ショック耐性を与えることである。周囲温度のガスシールドによる溶射方法は、比較的接近したスタンドオフで実施され、望ましいクラック密度を得るためには上記の４つの要因すべてに敏感に反応する。前の試験から、研磨した断面上の界面と平行な線に沿って測定して、１インチ当たりのクラック数（ＣＰＩ）が最低２０個であることが優れた熱ショック性能に対しては望ましい。
【００５２】
コーティングは、周囲温度の不活性ガスシールドを用いる別のトーチにより最初に塗布された０．００６から０．００８インチの厚さのＣｏＮｉＣｒＡｌＹボンドコートを有する１インチの直径、１／８インチの厚さのＭａｒＭ−５０９合金のボタン基材の片面に塗布した。ジルコニアコーティングを塗布した。計画的な実験の第１の評価は、ボタンの研磨した断面を検査し、ジルコニアの厚さが長さの少なくとも半分であるすべての垂直のクラックを数えることであった。ジルコニアコーティング中には、また、いくつかの短い微小クラックが存在しており、それらは長いセグメントのクラックと比較すると熱ショック耐性に対して有する効果は小さい。この調査ではこれらは数に入れなかった。評価したコーティングの幅は、約０．８インチである。研磨した第１の平面を評価した後、すべての試料を再研磨して第２の平面を出し、再び評価した。回帰分析においては平均ＣＰＩを使用した。その実験におけるすべてのコーティングは、同じセラミックの厚さ、約０．０３０インチと非常に近かった。測定したクラックの数及び実験計画法による被制御変数の既知の値により、複数のデータの相関回帰解析を行った。結果は、４つの要因の関数としてのインチ当たりのクラック数を与える方程式であった。コンピュータによる回帰分析なしでさえ、ＣＰＩの結果の大雑把な試験により、周囲温度のガストーチは、１３個のコーティングに対して０から７０のＣＰＩという広い範囲を有することが示された。溶射角度が小さいか又はスタンドオフが長いときクラックは殆ど無かった。火炎トーチコーティングは、ずっと狭い範囲のＣＰＩを有しており、すべてが優れた熱ショック耐性の最小限より十分に上であり、角度及びスタンドオフにはあまり敏感ではないようであった。２つのトーチの構成に対する方程式は以下の通りである。
低温ガスシールドによる標準的トーチ：
ＣＰＩ＝８１．８＋０．８２×ＡＮＧＬＥ−７２．１×ＳＯＦＢ−０．０３０×ＳＳ＋０．２８５×ＡＭＰＳ
火炎トーチ、２４穴リングシールド：
ＣＰＩ＝８３．２＋０．１９×ＡＮＧＬＥ−２１．４×ＳＯＦＢ−０．００６×ＳＳ＋０．０４６×ＡＭＰＳ
上式中、ＡＮＧＬＥは、度で表す（表面に対して直角が９０度）溶射角度であり、ＳＯＦＢは、Ｐｒａｘａｉｒモデル１１０８トーチ本体から基材までを測定したインチで表すスタンドオフの距離であり、ＳＳは、１分当たりのインチで表す基材の表面速度であり、ＡＭＰＳは、トーチの流量である。コンピュータ回帰分析は、大雑把な試験において観察される傾向を数値と共に確認する。火炎トーチは、４つの要因すべてに対するずっと低い感度により望ましいＣＰＩを得ることを可能にする。それは、試験した範囲で、標準的なトーチでは主要な要因であったコーティングの角度に対して殆ど無感応である。上の方程式の各類似の項目において、因子の係数は、火炎トーチに対してはずっと低い。これは火炎トーチを支持する非常に有用な発見であり、それは、この特定のコーティングに対するコーティング方法が、より幅の広い「プロセスウインドウ」を有することを可能にする。すなわち、溶射角度、スタンドオフ及び表面速度に関するコーティング設定が、さらにずっと許容幅が広がり、望ましいクラック構造を得ることに関して複雑な形状の部品をコーティングすることが容易なはずである。本発明の方法を使用して、約２０と約２００の垂直のセグメント化ＣＰＩ、好ましくは約３０と約７０との間のＣＰＩを有するジルコニアコーティングを製造することができる。好ましくは、そのジルコニアコーティングは、約５％と約４０％との間の気孔率を有するべきである。
【００５３】
このシリーズで標準的なトーチ及び火炎トーチの両方について作製したすべてのコーティングに対する基材温度を測定した。これらの温度は、接触式パイロメータを用い、コーティング直後のコーティングの面に接触して得た。標準のトーチコーティングについての平均のボタン温度は、４４０°Ｆ（標準偏差２２．６°Ｆ）であった。火炎トーチについて対応する平均温度は１１２５°Ｆ（標準偏差４９．５°Ｆ）であった。
【００５４】
ＣＰＩ評価のために作製した試料と同時に、熱ショックの試料をコートした。同じ熱処理したＣｏＮｉＣｒＡｌＹボンドコートを有する直径１インチの４個のボタンを各ラインで一度にコートした。すべての試料のセラミック層は、基本的に同じ厚さの約０．０３０インチ（標準トーチに対しては０．０３２１インチ、火炎トーチに対しては０．０３１２インチ、両方とも１３ラインの組の試料を平均した）であった。１個のボタンを上記のＣＰＩ評価のために区分けした。３個のボタンを熱ショック試験において評価した。この試験において、各ボタンは、わずかな縁の接触によるゆるやかな固定具で保持した。その固定具は、遮熱層試料を、火炎加熱位置、空気ブラスト冷却位置及び次に２つの周囲温度冷却位置に順次差し出す輪の中に保持した。この加熱−冷却サイクルは、２０００回繰り返した。熱ショックのリグは、各位置に２０秒間滞留させた。セラミック層を火炎に向けて加熱時間の終わりまでに２３３０°Ｆに加熱し、最後の冷却時間の終わりまでに約６００°Ｆまで冷却した。試験に先立って、ボタンの縁を研磨して縁半径のない四角のコーティング層を出現させた。この時点で、分離を示す水平の縁のクラックはどれでも３０倍の倍率の測定により記録した。その試験後、縁のクラックを再度測定し、成長があれば、それは熱ショック試験に起因するものとした。両方の試験母体のすべての試料は、試験前の縁クラックは基本的にゼロであった。遮熱コーティングは、１５％を超える外周が分離クラックを有している場合は試験を失敗したものと考えた。この比較において、試料の両方の組とも全く良好であったが、火炎トーチの試料はさらに良好であった。周囲温度シールドガストーチの試料は、１３個のコーティングすべてに対して２．８％の平均の縁クラックの値を有しており、最も悪い試料が１３．３％の縁クラックであった。同じ実験条件の火炎トーチでは、０．８％の平均と２．３％の最悪の場合が与えられた。したがって、火炎トーチは、一連の加工条件にわたって、特に長いスタンドオフ又は乏しいコーティング角度等加工条件が非常に厳しい場合に、標準的なトーチよりずっと大きい熱ショック耐性のコーティングを形成する。
【００５５】
高粘度ガスシールドの溶射コーティングに対する改良を示す実験データは、Ｐｒａｘａｉｒモデル１１０８プラズマトーチを使用して行われたものであるが、本発明は、その溶射装置には限定されない。同様に、本発明は、使用された特定のデザインのガスシールドに限定はされない。溶射装置及びシールドの操作パラメータが、それぞれの特定のデザインと共に変化するのは明らかである。さらに、コーティング実験は特定のセラミック材料により行ったが、本発明が任意のセラミック又は耐酸化材料を包含することは明白である。
【００５６】
本実施例は、プラズマトーチへの火炎シールドの取り付けの有用性を、その後の熱ショック試験により示される酸化ジルコニウム試料のコーティングを改良することによって明確に示した。理論に拘泥するわけではないが、火炎シールドがコーティングを改良した正確な機構は知られていない。データは、火炎がコートされる基材の温度を上げることを示し、実施例２においてそのデータは、火炎がトーチの下流の同軸のガスの温度を大幅に上げ、数インチの明白な層流の長さを生ずることを示した。これら後者の結果は図１から４に示す。しかしながら、その図のデータは、トーチの流出液を止めて取り、トーチを点けたのではアークが火炎を見るには明る過ぎた。したがって、トーチ点火した火炎特性は変化しうると思われる。トーチを点火しても火炎シールドは、依然として相当の層流の長さを持つことが可能であり、流出液をより長い距離に向けてより高温に保ち、基材を加熱することに加えてこの層流ゾーンが、ともかくもコーティングの改良の原因である可能性がある。
【００５７】
内部の同軸の不活性ガスの流れと層流ガス及び／又は可燃性ガスがそれを取り囲んでいる二重の同軸シールドは、そのスタンドオフ拡張の特徴とその酸化物阻止の特徴とにより有利である。
【００５８】
開示した方法のその他の変形物は、請求項で示す本発明の対象とする範囲内である。先に述べたように、本発明の詳細な実施形態が、本明細書に開示されているとはいえ、その開示されている実施形態は、さまざまな形で具現することができる本発明の典型にすぎないことを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の２４穴デモンストレーション用火炎リングについての総ガス流（プロピレン＋酸素）とガス混合物の炭素に対する酸素の比（Ｏ／Ｃ比）の関数としての層流火炎長さをプロットした図である。
【図２】本発明の２４穴デモンストレーション用火炎リングについての総ガス流（プロピレン＋酸素）とガス混合物の炭素に対する酸素の比（Ｏ／Ｃ比）の関数としての等温度曲線のプロットである。
【図３】本発明の４５穴デモンストレーション用火炎リングについての総ガス流（プロピレン＋酸素）とガス混合物の炭素に対する酸素の比（Ｏ／Ｃ比）の関数としての火炎の層流火炎長さをプロットした図である。
【図４】本発明の４５穴デモンストレーション用火炎リングについての総ガス流（プロピレン＋酸素）とガス混合物の炭素に対する酸素の比（Ｏ／Ｃ比）の関数としての等温度曲線のプロットである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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