(57)【要約】【課題】ロボット溶射ガン組立体用の溶射被覆方法を提供する。【解決手段】本溶射被覆方法は、被覆対象の物体（２０）幾何学形状の離散化モデルをインポートする段階と、数値的に特性記述した溶射パターン（２２）ファイルをインポートする段階と、複数の動作位置、滞留時間、及びロボット溶射ガンの溶射方向を定める配向を含むロボット動作ファイルをインポートする段階と、動作ファイル内の各動作位置を読み取る段階と、各動作位置において物体（２０）幾何学形状のどの部分が通視可能であるかを判定する段階と、各動作位置についてのコア圧縮、ロボット溶射ガンの入射角、及び溶射の跳ね飛びに基づいて物体（２０）幾何学形状の各通視可能部分において空隙容積率を算定する段階と、全動作ステップについて物体（２０）幾何学形状の部分上の総皮膜厚さを計算する段階とを含む。【選択図】      図７
2008001985.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロボット溶射ガン組立体用の溶射被覆方法であって、
被覆対象の物体（２０）幾何学形状の離散化モデルをインポートする段階と、
数値的に特性記述した溶射パターン（２２）ファイルをインポートする段階と、
複数の動作位置、滞留時間、及び前記ロボット溶射ガンの溶射方向を定める配向を含むロボット動作ファイルをインポートする段階と、
前記動作ファイル内の各動作位置を読み取る段階と、
各動作位置において前記物体（２０）幾何学形状のどの部分が通視可能であるかを判定する段階と、
各動作位置についてのコア圧縮、入射角及び溶射の跳ね飛びに基づいて前記物体（２０）幾何学形状の各通視可能部分において空隙容積率を算定する段階と、
前記全動作ステップについて前記物体（２０）幾何学形状の部分上の総皮膜厚さを計算する段階と、
を含む溶射被覆方法。
【請求項２】
前記被覆対象の物体（２０）幾何学形状の離散化モデルをインポートする段階が、
被覆対象の物体（２０）の三次元モデル（１０２）を形成する段階と、
前記三次元モデル（１０２）を複数のファセットを有する有限要素メッシュで囲む段階と、
前記複数のファセットを付加的な数学的識別子で充実させる段階と、を含み、
及び／又は、前記溶射パターン（２２）ファイルをインポートする段階が、
複数の試験プレートを溶射してそれぞれの溶射パターン（２２）のそれぞれの溶射ガンパターン分布特性を特定する段階と、
各それぞれの溶射パターン（２２）を数値的に特性記述する段階と、
前記複数の数値的に特性記述した溶射パターン（２２）を含む溶射パターン（２２）データベース（１４）を生成する段階と、を含む、
請求項１記載の溶射被覆方法。
【請求項３】
前記複数の動作位置、滞留時間及び配向を含む動作ステップファイルをインポートする段階が、
複数のロボット動作ファイル（２７）を生成する段階と、
各それぞれの動作ファイルを前記溶射ガンのｘ−ｙ−ｚ座標、各位置における滞留時間、及び前記物体（２０）幾何学形状に対する前記溶射ガンの配向を定めるベクトルに変換する段階と、
複数の動作ステップファイルを含むロボット動作データベースを生成する段階と、を含む、
請求項１記載の溶射被覆方法。
【請求項４】
前記溶射パターン（２２）が、前記試験プレートの様々なスライスにおける厚さ、その円錐角及び特徴部の高さを表す一連のｎ次多項式として数値的に特性記述される、請求項２記載の溶射被覆方法。
【請求項５】
前記各動作ステップにおいて前記物体（２０）幾何学形状のどの部分が通視可能であるかを判定する段階が、
現在位置においてどのファセット重心が前記溶射パターン（２２）の範囲内にあるかを判定することによって、どのファセットが該溶射パターン（２２）の範囲内に含まれるかを判定する段階と、
１つのファセットの重心座標を別のファセットに対して用いることによって、これらのファセットにシャドーイング試験を行って、前記溶射ガンにより近接したファセットによって閉塞された全てのファセットを除外する段階と、を含む、
請求項１記載の溶射被覆方法。
【請求項６】
凸形表面幾何学形状に関するグランシング係数を用いて、平坦表面に対して付着するが湾曲表面から散乱する溶射皮膜を把握する段階をさらに含み、及び／又は
凹形表面幾何学形状に関するリバウンディング係数を用いて、湾曲表面の一部分から散乱するが別の部分によって捕捉される溶射皮膜を把握する段階をさらに含む、
請求項１記載の溶射被覆方法。
【請求項７】
ロボット溶射ガン法における溶射皮膜厚さを予測するためのシステム（１０）であって、
物体（２０）幾何学形状の離散化モデルをインポートするためのインポータと、
複数の数値的に特性記述した溶射パターン（２２）ファイルを含む溶射パターン（２２）データベース（１４）と、
複数のロボット動作ファイル（２７）を含むロボット動作データベースと、
幾何学形状追跡モジュールと、
を含み、前記幾何学形状追跡モジュールが、
各位置を読み取ることによってそれぞれのロボット動作ファイル内の各位置において溶射皮膜厚さを算定する段階と、
前記物体（２０）幾何学形状のどの部分が通視可能であるかを判定する段階と、
コア圧縮、前記ロボット溶射ガンの入射角、及び跳ね飛び因子に基づいて各位置において空隙容積率を算定する段階と、
各動作位置についての前記溶射パターン（２２）データ、滞留時間及びロボット動作経路の配向に基づいて前記物体（２０）幾何学形状の各通視可能部分において皮膜厚さを算定する段階と、
前記全動作ステップファイルについて総皮膜厚さを計算する段階と、を行うようになっている、
システム（１０）。
【請求項８】
前記物体（２０）幾何学形状の各通視可能部分において空隙容積率を算定する段階が、以下の実験式（１）
【数１】
2008001985.tif 000006
を用いることによって達成され、
式中、ＶＶＦ＝空隙容積率、ＩＶＶＦ＝初期空隙容積率、ＣＴは、物体（２０）の表面上のいずれかの場所における無孔性コア厚さを表し、ＰＴは、同一場所における多孔性リング厚さを表し、ＲＴは、同一場所における跳ね飛び厚さを表し、Ａ、Ｂ、Ｃ、ｋ、ｍ、ｎは定数であり、αは、ロボット溶射ガンと表面において取った接線に対する垂線との間の入射角である、
請求項１及び請求項７のいずれか１項記載の方法及びシステム（１０）。
【請求項９】
前記定数Ａ、Ｂ、Ｃ、ｋ、ｍ又はｎが各々、最大１までの値を有する、請求項８記載の溶射被覆方法。
【請求項１０】
前記システム（１０）が、コンピュータ（４８）内でアルゴリズムの形態として利用される、請求項７記載のシステム（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、物品上のプラズマ溶射皮膜多孔性を制御する方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
タービンバケットを被覆するのに、空気プラズマ法、真空プラズマ法、高密度酸素燃料熱溶射法及び同様のもののような溶射被覆法が用いられる。これらの方法は、部分的に多孔性である皮膜を形成する可能性がある。皮膜の多孔性は、タービンバケットの性能及び寿命にとって有害なものとなる可能性がある。過度に多孔性の皮膜を有するタービンバケットを補修するためには、これらの皮膜を剥がしかつ被覆し直すことが必要である。タービンバケットを剥がしかつ被覆し直すことは、時間がかかりまた費用がかかる。その上、バケットを再被覆した後に、多孔性レベルが、許容可能なものとなる保証はない。
【０００３】
皮膜の多孔性は、幾つかの因子によって影響を受ける。１つの因子は、被覆プロセスの間におけるタービンバケット上への非溶融又は部分的溶融粒子の堆積である。非溶融又は部分的溶融粒子は一般的に、溶射円錐のエッジに沿って多孔性リングの形態で被覆表面上に堆積される。別の因子は、タービンバケット上の凹形表面からの非溶融粒子の跳ね返りである。さらに別の因子は、溶射が衝突する表面からの非溶融粒子の跳ね返りである。また、皮膜内に多孔性を生じさせる可能性がある前述の３つの因子の間には、相互作用がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って、前述の要因の各々及びそれらそれぞれの互いの相互作用による多孔性に対する寄与度を決定する、またタービンバケット上の皮膜の多孔性を制御するために用いることができる、タービンバケットを溶射被覆する方法を開発することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書では、ロボット溶射ガン組立体用の溶射被覆方法を開示し、本溶射被覆方法は、被覆対象の物体幾何学形状の離散化モデルをインポートする段階と、数値的に特性記述した溶射パターンファイルをインポートする段階と、複数の動作位置、滞留時間、及びロボット溶射ガンの溶射方向を定める配向を含むロボット動作ファイルをインポートする段階と、動作ファイル内の各動作位置を読み取る段階と、各動作位置において物体幾何学形状のどの部分が通視可能であるかを判定する段階と、各動作位置についてのコア圧縮、入射角及び溶射の跳ね飛びに基づいて物体幾何学形状の各通視可能部分において空隙容積率を算定する段階と、全動作ステップについて物体幾何学形状の部分上の総皮膜厚さを計算する段階とを含む。
【０００６】
本明細書では、ロボット溶射ガン法における溶射皮膜厚さを予測するためのシステムもまた開示し、本システムは、物体幾何学形状の離散化モデルをインポートするためのインポータと、複数の数値的に特性記述した溶射パターンファイルを含む溶射パターンデータベースと、複数のロボット動作ファイルを含むロボット動作データベースと、幾何学形状追跡モジュールとを含み、幾何学形状追跡モジュールは、各位置を読み取ることによってそれぞれのロボット動作ファイル内の各位置において溶射皮膜厚さを算定する段階と、物体幾何学形状のどの部分が通視可能であるかを判定する段階と、コア圧縮、ロボット溶射ガンの入射角、及び跳ね飛び因子に基づいて各位置において空隙容積率を算定する段階と、各動作位置についての溶射パターンデータ、滞留時間及びロボット動作経路の配向に基づいて物体幾何学形状の各通視可能部分において皮膜厚さを算定する段階と、全動作ステップファイルについて総皮膜厚さを計算する段階とを行うようになっている。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本明細書で用いる場合の「第１の」、「第２の」及び同様の用語は、何らの順序、数量又は重要度を意味するのではなくて、１つの素子を別の要素と区別するのに用いていることに注目されたい。数詞のない用語は、数量の限度を意味するのではなくて、そこに述べるアイテムの少なくとも１つが存在することを意味する。数量に関連して用いる修飾語「約」は、そこで述べる数値を含みかつ前後関係（例えば、特定の数量の測定に関連した誤差の程度を含む）によって決まる真意を有する。本明細書内に開示した全ての範囲は包括的なものであり、独立して組合せることができることに注目されたい。
【０００８】
本明細書では、タービンバケットの表面上に用いる皮膜の多孔性を制御するための方法及びシステムを開示する。本方法はまた、皮膜の多孔性を制御することに基づいて、皮膜の厚さを算定するために用いられる利点がある。本方法は、タービンバケットの表面上に用いる皮膜の多孔性を低下させまた最小にするために用いることができる利点がある。本方法は、ロボット溶射ガン作動条件及びロボット溶射ガンの動作を制御する段階を含む。１つの実施形態では、多孔性を制御する方法は、コア圧縮の効果、溶射ガンの入射角の効果及び粒子の跳ね返りの効果を含む実験式を利用する段階と、この実験式を用いてタービンバケットなどの物体に施工された溶射皮膜内の多孔の形成を最小にする段階とを含む。
【０００９】
１つの実施形態では、システムは、プラズマ溶射皮膜に含まれる種々のパラメータについての情報を入力することができまた皮膜の品質に関する情報を取得することができる仮想溶射セルとして機能する。皮膜の品質は一般的に、皮膜厚さ及び皮膜の多孔率（多孔性）によって決定される。以下で分かるように、皮膜の品質は、被覆対象の物体の幾何学形状、溶射ガンによって形成される溶射パターン、溶射ガンの動作を順次制御するロボット動作、物体表面上に溶射された後の粒子の視射（グランシング）及び跳ね返り（リバウンディング）、並びに前述の因子の全て又は幾つかの間の相互作用を考慮した幾何学形状追跡効果などの因子によって決まる。
【００１０】
表面の単一領域に対する溶射ガンによる皮膜の施工では、厚さの分布を有する皮膜が得られる。この皮膜は、溶射パターン又はフットプリントと呼ばれる。例示的なプラズマ溶射ガンによる皮膜の施工の間に、溶射は、溶射ガンから図１に示すような溶射円錐の形態で発散する。この溶射円錐は、図１に概略的に示す特定の特性を有する皮膜を形成することになる。これらの特性は、溶射プロセスの間に用いる溶射ガン及びその他のパラメータに特有であり、その他のパラメータには、例えば粒径、溶射ガンの被覆対象の基体からの距離、基体の曲率、又は同様のものなどがある。図１で分かるように、溶射ガンから得られた溶射パターンは、外側領域よりも全体に高密度でありかつ厚さがより厚い中央領域を含む。この中央領域は一般的に、多孔性ではなく、コア圧縮領域又は空隙圧縮領域と呼ばれ、一方、溶射円錐の周辺部に対応する皮膜の外側リングは一般的に、中央領域よりも厚さが薄い。この外側リングはまた、多孔性でもある。この多孔性は、非溶融又は部分的溶融の溶射粒子の存在によるものであると思われる。外側リングの領域はまた、皮膜の多孔性が皮膜厚さに寄与するので、多孔性厚さ領域とも呼ばれる。
【００１１】
この無孔性コア厚さ及び多孔性厚さの総厚さに対する寄与度は、それぞれ図２、図３及び図４の写真に示す例示的なフットプリントで明らかになる。図２は、フットプリントを該フットプリントの中央領域及び外側領域におけるそれぞれの厚さと共に示す。図２から、フットプリントの中央で厚さは３５ミルであるが、中央から外向きに進むにつれて、皮膜厚さは約１５ミルまで低下することが分かる。
【００１２】
この皮膜厚さは、マイクロメータ又は同様のものを用いて測定して異なる厚さの領域を決定し、図３に示すようにチョークマーキング又は同様のものでそれらの領域を線引きしている。フットプリントは次に、画像をアーカイブに保管するためにまたさらに分析するためにデジタル化される。図３で分かるように、溶射パターンは、皮膜の厚さに特徴がある。溶射パターンは、皮膜厚さ、多孔性リングのサイズ及び厚さ、並びに無孔性コアのサイズなどの因子の影響について分析される。厚さに基づいて、皮膜は、２つの部分、すなわち無孔性コア厚さを含む第１の部分と多孔性厚さを含む第２の部分とに分けられる。多孔性厚さを表す領域は、溶射円錐の外側リングであり、そこでは皮膜粒子は一般的に、非溶融又は部分的溶融状態のままである。溶射パターンの厚さの２つの領域への分離は、空隙容積率圧縮に関する情報を提供するのに用いることができる。
【００１３】
図４は、厚さに対するそれぞれの寄与度の対応するグラフ表示と共に図２の写真を示す。これらの写真及び添付のグラフ表示で分かるように、３５ミル（１ミル＝１０−３インチ）の厚さを有する中央領域に対応する皮膜は、何ら多孔性を示さない。このことは、中央領域では空隙の排除を可能にするコア圧縮効果があることを示している。しかしながら、フットプリントの外側領域におけるような３５ミルよりも小さい皮膜厚さの値で、多孔性による厚さに対する寄与度が存在する。図４のグラフ表示で分かるように、この多孔性による寄与度は、皮膜厚さが３５ミルから１５ミルまで低下するにつれて増大する。１５ミルよりも小さい皮膜厚さで、多孔性厚さ、従って空隙率は、再度減少し始める。
【００１４】
理論にとらわれなくても、空隙容積率が、コア圧縮、溶射ガンと被覆対象の基体との間の入射角、及び基体からの溶射粒子の跳ね飛び（ｒｉｃｏｃｈｅｔｉｎｇ）又は跳ね返り（ｒｅｂｏｕｎｄｉｎｇ）によって決まることは判明している。図５に示す入射角αは、溶射ガンの中心軸線と被覆対象の基体の表面に対する法線との間の角度である。垂直線は、バケット表面上の特定の点（例えば、曲面に対する接線）における外向きの法線とする必要がある。固定モードで平坦なプレートを溶射している場合には、入射角は０度である。
【００１５】
基体からの粒子の跳ね飛びはまた、多孔性、従って空隙容積率に寄与する。図５で分かるように、跳ね飛びにより、粒子はタービンブレードから反れ、隣のプラットホーム表面上に堆積する。それに代えて、プラットホーム表面から反れた粒子は、タービンブレード上に堆積される。この粒子の跳ね飛びは、多孔性の増大を引き起こす。
【００１６】
跳ね飛びによって生じる多孔性をモデル化するために、跳ね返りは多孔性リングにおいてのみ起こり無孔性コア内では起こらないと仮定する。跳ね飛びモデルは、一次跳ね返りのみを追跡する。跳ね飛びパターンは、ファセット毎の基準で実施される。さらに、跳ね返り粒子の一定のパーセンテージが跳ね飛び表面に対して付着すると仮定する。ファセットからの個々の跳ね飛びは、多数の跳ね飛びファセットを生成する可能性がある。
【００１７】
図６に、跳ね飛びの影響を示している。図６（ａ）は、第１の平坦表面に対して直角に配置された第２の平坦表面を有する場合の該第１の平坦表面上への溶射円錐を示し、一方、図６（ｂ）は、同一の溶射角度についての跳ね飛び円錐を示す。図６（ｂ）では、跳ね飛び溶射円錐は、元の溶射円錐の鏡像になっていると思われる。第１の平坦表面からの跳ね飛び粒子によって生じた第２の平坦表面上のパターンは、図６（ｃ）に示している。跳ね飛びをモデル化するために、第２の平坦表面上に形成されるパターンは、実際の溶射円錐の鏡像によって表示することができる溶射円錐によって生じたパターンと同じであると仮定する。
【００１８】
凸形及び凹形表面を含むタービンバケット上では、跳ね飛び効果は、凸形表面からの跳ね飛びによって生じるグランシング（視射）効果と、凹形表面からの跳ね飛びによって生じたリバウンディング（跳ね返り）効果とに分けることができる。その一部が溶射ガンから離れる方向に湾曲した凸形表面上では、平坦表面に対して付着するが湾曲表面から散乱することになるような粒子を把握するために、「グランシング」因子（係数）が用いられ、この因子は、溶射粒子と表面法線との間の相対角度の関数とすることができる。このようなグランシング係数の使用は、実際部品上の予測厚さ分布を減少させることになる。
【００１９】
その一部が溶射ガンに向かう方向に湾曲した凹形表面上では、湾曲表面の一部から散乱することになるがカップ状表面の内側で跳ねた後に別の部分によって補足されるような粒子を把握するために、「リバウンディング」因子（係数）が必要となる場合がある。このようなリバウンディング係数の使用は、実際部品上の予測厚さ分布を増加させることになる。
【００２０】
フットプリントから取得した結果は、空隙容積率を予測するのに用いることができる実験式を生成するのに用いることができる。等式（１）で以下に示すように、実験式は、空隙容積率をコア圧縮、入射角の効果及び跳ね返り粒子の効果に相互関連させる。
【００２１】
【数１】
2008001985.tif 000003
式中、ＶＶＦ＝空隙容積率、ＩＶＶＦ＝初期空隙容積率、ＣＴ＝タービンバケットの表面上のいずれかの場所における無孔性コア厚さ、ＰＴ＝同じ場所における多孔性リング厚さ、及びＲＴ＝跳ね飛び層の厚さ又は跳ね飛び厚さであり、Ａ、Ｂ、Ｃ、ｋ、ｍ、ｎは、その値が実験データに基づいて決定された定数であり、αは、ガンと表面で取った接線に対する垂線との間の入射角である。無孔性コア厚さＣＴ、多孔性リング厚さＰＴ及び跳ね飛び厚さＲＴは、タービン物体の表面から測定した皮膜の厚さを表す。
【００２２】
例示的な実施形態では、定数Ａ、Ｂ及びＣは、約０〜約１の値を有することができる。別の例示的な実施形態では、定数ｋ、ｍ及びｎはまた、それぞれ約０〜約１の値を有することができる。
【００２３】
上記の等式（１）では、定数Ａを有する等式の右側の第１の項は、コア圧縮を表し、定数Ｂを有する等式の右側の第２の項は、入射角による多孔性に対する寄与度を表し、一方、定数Ｃを有する最後の項は、跳ね飛びによる多孔性に対する寄与度を表す。１つの実施形態では、コンピュータアルゴリズムは、タービンバケットの被覆プロセスの間に、等式（１）を用いて多孔性を制御するために実行することができる。
【００２４】
ここで図７を参照すると、タービンバケットに用いる皮膜内の多孔性を制御するためのシステム１０は、幾何学形状データベース１２、溶射パターンデータベース１４及びガン動作データベース２６を含む。幾何学形状データベース１２、溶射パターンデータベース１４及びガン動作データベース２６は、皮膜厚さ及び多孔性（多孔率）についての情報を提供するコンピュータ４８と通信状態になっている。１つの実施形態では、コンピュータ４８から受信した情報は、異なる幾何学形状を有するタービンバケットに関する厚さ及び多孔性などの皮膜特性を予測するために用いることができる利点がある。別の実施形態では、コンピュータ４８から受信した情報は、タービンバケットに施工する皮膜の多孔性を最適にするために用いることができる利点がある。図７で分かるように、それぞれのデータベースから受信した情報に加えて、最先端の跳ね飛び計算による視射及び跳ね返り情報１３６並びに幾何学形状追跡情報１３８をコンピュータに送信して、予測情報を生成し、又はタービンバケットのような物体上の皮膜多孔性及び／又は皮膜厚さを制御するのに用いることができる情報の処理を可能にする。
【００２５】
幾何学形状データベース１２は一般的に、被覆対象であるタービンバケットのような三次元物体のコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）モデルから取得した情報を含む。ここで図８を参照すると、三次元物体１０２のモデルをインポートするためのフロー図１００は、三次元物体１０８のＣＡＤモデルを生成する段階と、三次元モデル１１０上に三角形ファセット又は同様のものを生成する段階と、三角形ファセット１１２を充実させる段階を含む。１つの実施形態では、三角形ファセットが用いられ、多くの購入可能ソフトウェアパッケージによって生成することができる。しかしながら、この方法は、同様に他の種類のファセットと共に使用することもできる。
【００２６】
ここで図７及び図８を参照すると、被覆対象の物体２０の三次元モデル１０８は、コンピュータ４８内部で、例えばＵＮＩＧＲＡＰＨＩＣＳ（登録商標）、ＰＡＴＲＡＮ（登録商標）、Ｉ−ＤＥＡＳ（登録商標）、ＰＲＯＥＮＧＩＮＥＥＲ（登録商標）又は同様のもののような標準ＣＡＤ設計プログラム内に生成され、インポートされ又はロードされる。生成したモデル１２は、関心がある物体２０を形成する表面又は立体を含む。
【００２７】
次に、図８のフローチャート１００のブロック１１０において、三次元モデル１０８は、図９に示すように三角形有限要素メッシュ又は同様のもので囲まれる。３Ｄ表面を三角形又は他の幾何学的形状の要素或いはファセットのメッシュに分解することができる有限要素又はコンピュータグラフィックスソフトウェアは、このメッシュを生成するために用いることができる。それに対応して、物体２０は、部品表面上に三角形状のファセットを含む、離散化幾何学形状表示として形成される。各ファセットのサイズが小さければ小さいほど、予測厚さ分布はより正確なものとなる。
【００２８】
再び図７及び図８を参照すると、ブロック１１２において、三次元モデル１０８上に配置したファセットを充実させる。充実させるプロセスは、区域、重心位置、ファセット法線及び同様のものを算定するための数学的方法を用いる。隣接するファセットデータは、ファセット間の共通のエッジ及びノードを決定する段階と、次に隣接するファセットを見出す段階とによって算定される。最後に、離散化ＣＡＤモデルは、ブロック１０２においてコンピュータ４８にインポートされる。
【００２９】
ブロック１０４における溶射パターンデータをインポートする段階は一般的に、ブロック１１４において実験試験プレートを溶射して、フットプリントと呼ばれることもある溶射パターンを開発する段階と、ブロック１１６においてこれらの溶射パターンを数値的に特性記述する段階と、ブロック１１８において複数の数値的に特性記述した溶射パターンファイルを含む溶射パターンデータベースを生成する段階とを含む。
【００３０】
先ず、ブロック１１４において、一連の実験試験プレートを溶射する。平坦なプレートは、予熱されかつ固定保持された状態で、一定期間にわたって固定プラズマガンで溶射される。
【００３１】
ここで再び図７及び図８を参照すると、ブロック１１６において、各溶射パターン２２（すなわち、上述のように２つの部分に分けられる）は、数値的に特性記述される。各溶射パターン２２のデータは、溶射プレート上の２つの部分における皮膜厚さ、溶射パターン２２全体の円錐角及びそれが特徴とする高さを表す一連のｎ次多項式を含む。溶射パターンの円錐角は、溶射ガンから発散する溶射の円錐の先端における角度と定義される。しかしながら、溶射パターン２２の厚さマップのあらゆる他の種類の数学的表示は、幾何学形状追跡モジュール内に組み込むことができる。
【００３２】
次に、ブロック１１８（図８を参照）において、数値的に特性記述した溶射パターン２２を有する複数の実験試験プレートの各々を含む溶射パターンデータベース１４（図７を参照）が、生成される。実験溶射データを特徴とする実証的方法は、複雑なプラズマ物理学、流体流動、及びプラズマと粒子との間で起こる熱伝達／溶融現象のモデリングを迂回するために開発された。しかしながら、ガン条件（その条件は、ガンモデル、搬送ガス流量、ガス混合物、流れ、及び粉末供給量を含む）及び粉末特性（その特性は、粒径、粒径分布、形状、及び材料を含む）の関数として、これらの溶射パターン２２のデータベースを実験的に生成することが望ましい。最後に、ブロック１０４において、適切な溶射条件のための溶射パターンファイル２２が、選択され、かつコンピュータ４８にインポートされる（図７）。
【００３３】
ブロック１０６（図８）におけるロボット動作ステップデータをインポートする段階は、ブロック１２０においてロボット動作ファイルを生成する段階と、ブロック１２２においてファイルを処理して動作ステップを生成するする段階と、ブロック１２４においてロボット動作データベースを生成する段階とを含む。ロボット動作ステップデータは、それから皮膜が溶射されるガンの動作をロボットが制御するので、ガン位置及び配向についての情報を提供する。ロボット動作ステップファイルは、溶射ロボットが固定幾何学形状物体対して追従する動作経路に沿った一連の個別位置と共に、各位置で費やす時間（滞留時間）及び物体に対する溶射ノズルの三次元配向（ベクトル）として定義される。ロボット動作はまた、座標変換系を介して物体回転（例えば、タービンバケット回転）とガン並進とを組合せる情報を含む。ブロック１２４におけるロボット動作データベースは、ガン位置及び配向についての三次元時間依存性情報を提供する。
【００３４】
再び図７及び図８を参照すると、ブロック１２０において、複数のロボット動作ファイル２７（図７）が生成される。一般的に、ロボット溶射ガン２８（図７を参照）プログラミング法は、様々な形態でこのデータを提供する。ロボット動作経路ファイル２７内のデータは、プラズマガン及び幾何学形状物体（例えば、タービンバケット）の相対的運動に関して表される。物体は、例えば該物体に対してプラズマガンを並進、回転又はそれらの動作の組合せを行わせながら、固定又は回転状態のいずれかにすることができる。ロボット動作ファイル２７は、プラズマガン及び幾何学形状物体（図８）の相対的運動を構成するのに必要な、多数の並進、回転、距離、溶射の角度及び同様のものを定める。
【００３５】
次に、ブロック１２２において、ロボット動作経路ファイル２７（図７）を処理して動作ステップファイルを生成する。ロボット動作ファイル２７からのデータは、固定物体に対するプラズマ溶射ガンの幾何学的ｘ−ｙ−ｚ座標、各位置における滞留時間、及び物体に対する溶射ガンの配向を定めるベクトルを含むファイルに転換される。ロボットが連続動作経路を形成する場合に、利用する時間増分が小さければ小さいほど、皮膜厚さ予測はより正確なものとなる。各ロボット動作ファイルは、それぞれの溶射法及び物体幾何学形状に対して調整される。
【００３６】
ブロック１２４（図８）において、各それぞれのロボット動作ステップファイルを含むロボット動作データベース２６（図７を参照）が生成される。図８で分かるように、ブロック１０６において、特定のロボット動作ステップファイル２７を選択しかつインポートする。ブロック１２６、１２８及び１３０（図８）において、幾何学形状追跡モジュールは、動作ステップファイルの各位置において物体上への溶射の効果を算定する。ブロック１２６において、各動作位置を１つずつ読み取る。このデータは、ガン位置、配向及び滞留時間を含む。
【００３７】
ブロック１２８において、幾何学形状追跡モジュールは、物体幾何学形状１８のどの部分（すなわち、どのファセット）が通視可能であるかを判定する。これは、最初にどのファセットが溶射パターン２２の円錐の範囲内にあるかを判定することによって達成される。これは、現在のガン位置においてその重心が溶射パターン２２の円錐内にあるファセットの全てを収集することによって実行される。次に、これらのファセットにシャドーイング試験を行って、溶射ガンノズルにより近いファセットによって閉塞された全てのファセットを除外する（すなわちモジュールが、視線原理に基づいて作動する）。シャドーファセットは、１つのファセットの重心座標を別のファセットに対して用いることによって判定される。このガン位置において通視可能なファセットは、この試験後に残ることになるファセットである。
【００３８】
次に、ブロック１３０において、幾何学形状追跡モジュールは、溶射円錐内のファセットの位置、溶射パターン定義の特性記述多項式及びファセットと溶射ガンとの間の距離（ガンから基体までの距離）に基づいて、各通視可能なファセットにおける皮膜厚さを算定する。このような幾何学形状追跡モジュールと溶射パターン２２との間を組合せることにより、物体の平坦でない表面が把握される。幾何学形状追跡モジュールはまた、ファセット上への溶射の衝突角度によって、各通視可能なファセットにおける皮膜厚さを基準化する。例えば、溶射角度が、特定のファセットにおいて物体幾何学形状に対して垂直である場合には、皮膜の全量がそこに施工される。しかしながら、溶射角度が、ファセットが溶射に対してほとんど平行であるような場合には、皮膜のほとんどが施工されない。
【００３９】
ブロック１３２において、算定が完了したか否かについての判定がなされる。全動作ステップファイルの処理が完了した場合には、方法はブロック１３４に進み、そうでない場合には、次の動作ステップを処理するために、方法はブロック１２６に戻る。
【００４０】
ブロック１３４において、物体の幾何学形状に基づいたデータベース算定、ロボット（溶射ガン）の動作に基づいたデータベース算定及び溶射フットプリントに基づいたデータベース算定により得られた皮膜厚さを用いて、皮膜厚さの値を決定する。各溶射位置における各ファセットの皮膜厚さは、部品上の各ファセットの予測皮膜厚さを決定するために加えられる。
【００４１】
本発明の１つの実施形態では、２つの付加的な実験的因子が、一般的に基礎アルゴリズム内のサブルーチンに利用される。溶射パターンは、平坦（又は「中立」）表面上に生成されるので、これらの因子を用いて、実３−Ｄ物体の曲率効果を把握することができる。
【００４２】
その一部が溶射ガンから離れる方向に湾曲した凸形表面上では、平坦表面に対して付着するが湾曲表面から散乱することになるような粒子を把握するために、ブロック１３６における「グランシング」係数が必要となる場合があり、この因子は、溶射粒子と表面法線との間の相対角度の関数とすることができる。このようなグランシング係数の使用は、実際部品上の予測厚さ分布を減少させることになる。
【００４３】
その一部が溶射ガンに向かう方向に湾曲した凹形表面上では、湾曲表面の一部から散乱することになるがカップ状表面の内側で跳ねた後に別の部分によって補足されるような粒子を把握するために、ブロック１３８における「リバウンディング」係数が必要となる場合がある。このようなリバウンディング係数の使用は、実際部品上の予測厚さ分布を増加させることになる。この跳ね返り効果は、幾何学形状モジュールに埋め込まれた跳ね飛びシミュレーションによって、直接計算されることになる。
【００４４】
グランシング係数は、実験とモデル予測との間の厚さ比較に基づいて、実験的に求めることになる。
【００４５】
平坦プレート上の溶射パターン又はフットプリントの使用は、これらの測定値を得るために高価なタービンバケットの使用を回避するという点で有利である。タービンバケット上でそのような測定値を得ることは、バケットを切断することを必要とし、それは費用がかかりかつ時間がかかる。加えて、制御バケット上の皮膜が所望の仕様の範囲内になかった場合には、全体バケットセットを剥がしかつ被覆し直すことが一般的に、実施されることになり、それもまた、費用がかかりかつ時間がかかる。
【００４６】
ここに開示した方法は、あらゆる溶射動作経路及びあらゆる特定の溶射パターン定義（すなわち、あらゆる特定の処理条件セット）と関連した粉末効率を推定するのに用いることができる。それを行うために、付加的な三角形有限要素メッシュが、現在ある物体幾何学形状を完全に囲むように構築される。物体幾何学形状が溶射される時に、物体と交差しない溶射円錐のあらゆる部分は、この周囲の幾何学形状と交差することになる。物体によって及び周囲の幾何学形状によって捕捉された粉末を計算することによって、物体に衝突する粉末のパーセンテージの推定値を生成することができる。この計算は、異なる物体幾何学形状の溶射パターンを設計する上で極めて有益であり、物体幾何学形状が変化した場合に、粉末効率を最大にするようにパターンを調整することができる。それに代えて、無駄な粉末を捕捉するために付加的な有限要素メッシュを構築するのではなくて、溶射パターンの面積を時間で積分しかつ物体幾何学形状上に蓄積した溶射を差し引いて無駄な粉末を算定することが可能である。
【００４７】
例示であることを意図した以下の実施例は、それに限定されないが、本明細書に記載したモデルの様々な実施形態を用いて幾つかのプレート及びブレード上の皮膜厚さを制御する方法を示す。
【００４８】
実施例
【実施例１】
【００４９】
この実施例は、予測目的において実験式を用いるシステムの能力を明示するために行った。この実施例では、Ｌ字形状を有しかつ第１の平坦表面及び該第１の平坦表面に対して直角に配置された第２の平坦表面を含む、図１０に示した平坦プレートは、実験式（１）に従って被覆された。この実施例の目的において、図１０の顕微鏡写真で分かるように、第１の平坦表面は短側面と呼び、一方、第２の平坦表面は長側面と呼ぶ。実験式（１）を用いて空隙容積率を予測し、次に空隙容積率を測定した。両方の値は、下の表１に示している。皮膜は、真空プラズマ溶射（ＶＰＳ）法によって施工した。
【００５０】
計算の目的において、初期空隙容積率（ＩＶＶＦ）は、１０％であると仮定した。表１から、係数Ａ、Ｂ及びＣの較正は、実験計画（ＤＯＥ）法及びマイクロソフトＥＸＣＥＬ（登録商標）解法プログラムに基づいて実験を実施することによって行った。予測多孔性レベルと測定多孔性レベルとの間の比較は、それぞれサンプル番号１９、２１及び２２と特定した３つのＬ字形プレートについて表２に示している。
【００５１】
【表１】
2008001985.tif 000004
【００５２】
【表２】
2008001985.tif 000005
【実施例２】
【００５３】
この実施例は、タービンバケットを被覆するためのシステム１０及び実験式（１）の使用を明示する。この実施例では、本明細書に開示した方法によって予測した皮膜厚さ分布は、ＶＰＳ法によって形成されたタービンバケット上の被膜と比較した。この実施例では、固定物体幾何学形状に対する溶射ガン（図示せず）の動作経路を示す代表的溶射動作ファイルを用いた。この動作経路は、約１９００個の個別位置に細分化された。ｎ次多項式によって表した代表的溶射パターンを用いた。幾何学形状追跡モジュールに必要な三角形ファセットを示す、タービンバケットの表面である物体幾何学形状の代表的有限要素メッシュは、図９に含まれている。バケットの断面は、図１１に示している。図１１に基づいて、バケットの凸形側面上の場所は、符号３、１０、１１、１２及び６の位置であり、一方、凹形側面上の場所は、符号２、７、８、９及び５の位置である。前縁は、符号３、１及び２の場所であり、一方、後縁の場所は、符号５、４及び６の位置である。
【００５４】
図１２〜図１４は、図１１に示す場所における予測及び測定厚さの比較を示す。モデル（予測）と実験との間の比較は、全ての場所で非常に良好である。この開示に示した試験のケースは、粉末を堆積させるのに真空プラズマ溶射（ＶＰＳ）法を用いているが、本方法は、この溶射法に限定されるものではなく、同様に断熱皮膜（ＴＢＣ）法、高密度酸素燃料（ＨＶＯＦ）法及び他の溶射被覆法によるものとすることもできる。
【００５５】
例示的な実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明の技術的範囲から逸脱することなく本発明の要素に対して様々な変更を加えることができ、また本発明の要素を均等物で置き換えることができることは、当業者には解るであろう。加えて、本発明の本質的な技術的範囲から逸脱することなく、特定の状況又は物的要素を本発明の教示に適合させるために、多くの修正を加えることができる。従って、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した特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は、特許請求の範囲の技術的範囲内に属する全ての実施形態を含むことになることを意図している。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】溶射ガンによる表面への溶射皮膜の施工を示す概略図。（この図では、溶射皮膜が、円錐の形態で溶射ガンから放出されることが分かる。皮膜は、コア圧縮が起こるより厚い中央部分と、皮膜における多孔性の大きな一因となるより薄い外側リングとを有する。これは、主として粒子が容易に溶融する溶射プルームの高温中央コアによるものである。）
【図２】フットプリントを該フットプリントの中央領域及び外側領域におけるそれぞれの厚さと共に示す写真。
【図３】所定のフットプリントの厚さが、如何に無孔性コア厚さ及び多孔性厚さの関数であるかを示す図。
【図４】厚さに対するそれぞれの寄与度の対応するグラフ表示と共に図２の写真を示す図。
【図５】溶射ガンの中心軸線と被覆対象の基体の表面に対する法線との間の入射角を示す図。（固定モードで平坦なプレートを被覆している場合には、入射角は０度である。）
【図６Ａ】跳ね飛びの影響を表すものであり、第１の平坦表面に対して直角に配置された第２の平坦表面を有する場合の該第１の平坦表面上への溶射円錐を示す図。
【図６Ｂ】跳ね飛びの影響を表すものであり、同一の溶射角度についての跳ね飛び円錐（元の溶射円錐の鏡像になっていると思われる）を示す図。
【図６Ｃ】跳ね飛びの影響を表すものであり、第１の平坦表面からの跳ね飛び粒子によって生じた第２の平坦表面上のパターンを示す図。
【図７】幾何学形状データベース１２、溶射パターンデータベース１４及びガン動作データベース２６を含む、タービンバケットに用いる皮膜内の多孔性を制御するためのシステム１０を示す図。
【図８】皮膜内の空隙容積率を考慮しながら皮膜厚さを算定するために用いるフロー図１００を示す図。
【図９】三角形有限要素メッシュで囲まれた三次元モデル１８のグラフィック表示。
【図１０】実施例１における被覆を行ったＬ字形プレートを示す写真。
【図１１】実施例２における被覆したタービンブレードの断面を示す図。
【図１２】図１１に示したタービンブレードの断面上の選択場所における予測厚さと測定厚さとを比較したグラフ。
【図１３】図１１に示した第２のタービンブレードの断面上の選択場所における予測厚さと測定厚さとを比較したグラフ。
【図１４】図１１に示した第３のタービンブレードの断面上の選択場所における予測厚さと測定厚さとを比較したグラフ。
【符号の説明】
【００５７】
１０  システム
１２  幾何学形状データベース／生成したモデル
１４  溶射パターンデータベース
１８  三次元モデル／物体幾何学形状
２０  物体
２２  溶射パターン／溶射パターンファイル
２６  ガン／ロボット動作データベース
２７  ロボット動作ファイル／ロボット動作ステップファイル／ロボット動作経路ファイル
２８  ロボット溶射ガン
４８  コンピュータ
１００  フロー図／チャート
１０２  三次元物体
１０８  三次元物体／モデル
１１０  三次元モデル
１１２  三角形ファセット
１３６  跳ね返り情報
１３８  幾何学形状追跡情報
【図１】
2008001985.tif 000007
【図２】
2008001985.tif 000008
【図３】
2008001985.tif 000009
【図４】
2008001985.tif 000010
【図５】
2008001985.tif 000011
【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
2008001985.tif 000013
【図６Ｃ】
2008001985.tif 000014
【図７】
2008001985.tif 000015
【図８】
2008001985.tif 000016
【図９】
2008001985.tif 000017
【図１０】
2008001985.tif 000018
【図１１】
2008001985.tif 000019
【図１２】
2008001985.tif 000020
【図１３】
2008001985.tif 000021
【図１４】
2008001985.tif 000022
【外国語明細書】
2008001985000001.pdf