(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶射コーティング方法であって、
部品の冷却チャネル上に、被覆材であって該被覆材を通る複数の開口を有する被覆材を配置するステップと、次に、
被覆材の上に供給原料を溶射するステップと
を含んでおり、
被覆材は、部品の冷却チャネルに供給原料が入り込むのを防ぐとともに、部品から除去されず、
前記複数の開口は、５０μｍ未満の寸法を有する、方法。
【請求項２】
被覆材及び部品の基材の上にコーティングを施工するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
冷却チャネルを通して冷却媒体を輸送するステップをさらに含む、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
輸送に際してコーティングからの漏れがない、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
被覆材を部品に固定するステップをさらに含む、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
被覆材を部品にタック溶接するステップをさらに含む、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
被覆材を配置するステップの前に被覆材を形成するステップをさらに含む、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
被覆材を配置するステップは、該被覆材を前記部品の上に形成することを含む、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
被覆材を放電加工によって形成する、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
被覆材を金属射出成形によって形成する、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
前記被覆材を、前記冷却チャネルを覆う部分のみに設け、前記部品上で不連続層に形成することを特徴とする、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
被覆材がメッシュである、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
被覆材がフォイルである、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
部品が、翼形部、冷却フィン、フィンガー、燃焼ライナ、端部キャップ、燃料ノズルアセンブリ、クロスファイアー管、トランジションピース、タービンノズル、タービン静止シュラウド、タービンバケット又はこれらの組合せからなる群から選択される、請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
供給原料の溶射によって供給原料を被覆材のない部分にも施工する、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
供給原料の溶射によって供給原料を被覆材にのみ施工する、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
溶射コーティング方法であって、
基材材料を含む部品を用意するステップと、
部品の表面上に冷却チャネルを設けるステップと、次に、
冷却チャネル上に、被覆材であって該被覆材を通る複数の開口を有する被覆材を配置するステップと、次に、
ボンドコート材料を含む供給原料を部品及び被覆材上に溶射するステップと
を含んでおり、
被覆材が、部品の冷却チャネルに供給原料が入り込むのを防ぐ、方法。
【請求項１８】
被覆材が基材材料を含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
被覆材がボンドコート材料を含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
ガスタービンの高温ガス経路部材と、
前記高温ガス経路部材の表面の冷却チャネルと、
前記冷却チャネル上の被覆材であって該被覆材を通る複数の開口を有する被覆材と、
前記高温ガス経路部材及び被覆材上の溶射コーティングと
を備え、
前記溶射コーティングは、前記冷却チャネル内の冷却流体が該冷却チャネルから漏出するのを防ぎ、
前記被覆材は、前記冷却チャネルに前記溶射コーティングの供給原料が入り込むのを防ぐ
溶射コーティング物品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コーティング法及びコーティング物品に関する。より具体的には、本発明は、溶射コーティング法及び溶射コーティング物品に関する。
【背景技術】
【０００２】
様々な装備における翼形部、冷却フィン、及びフィンガーなどの部品は、益々高い温度に曝される場合が多い。これらの高温は通常、部品の温度を低下させ、部品に対する損傷を防ぐために冷却機構が必要となる可能性がある。
【０００３】
１つの公知の冷却機構は、部品の高温ガス経路のような高温面付近に配置される冷却チャネルを含む。一実施形態では、冷却チャネルは、ガス又は液体などの冷却媒体を内部に有することができる。冷却媒体は、部品の所定領域から熱を奪って冷却をもたらす。
【０００４】
冷却チャネルに加えて、部品は、高温に対処するために耐環境コーティングが溶射されることが多い。耐環境コーティングを施工することにより、供給原料が冷却チャネルを充填する結果となる可能性がある。冷却チャネルの充填は、冷却媒体の流れを制限又は阻止し、これにより冷却媒体により提供される冷却が低減又は排除される可能性がある。
【０００５】
上記の欠点のうちの１以上が無いコーティング法及びコーティング物品が、当該技術分野で望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１２１５６０５４号明細書
【発明の概要】
【０００７】
例示的な実施形態では、溶射コーティング法は、部品の冷却チャネル上に被覆材を配置するステップと、被覆材の上に供給原料を溶射するステップとを含む。被覆材は、部品の冷却チャネルに供給原料が入り込むのを防ぐとともに、部品から除去されない。
【０００８】
別の実施形態では、溶射コーティング法は、基材材料を含む部品を用意するステップと、部品の表面上に冷却チャネルを設けるステップと、冷却チャネル上に被覆材を配置するステップと、ボンドコート材料を含む供給原料を部品及び被覆材上に溶射するステップとを含む。被覆材は、部品の冷却チャネルに供給原料が入り込むのを防ぐ。
【０００９】
別の例示的な実施形態では、溶射コーティング物品は、部品と、部品の表面の冷却チャネルと、冷却チャネル上の被覆材と、部品及び被覆材上の溶射コーティングとを備える。
【００１０】
本発明の他の特徴及び利点は、例証として本発明の原理を示す添付図面を参照しながら、以下の好ましい実施形態のより詳細な説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本開示の実施形態による溶射コーティング法を示す図。
【図２】本開示の実施形態によるメッシュ被覆材を示す図。
【図３】本開示の実施形態による溶射コーティング法で被覆された物品の斜視図。
【図４】図３の物品に対応する断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
可能な限り、図面全体を通して同じ要素を示すために同じ参照符号が使用される。
【００１３】
例示的な溶射コーティング法及び溶射コーティング物品が提供される。本明細書で開示される１以上の特徴要素を利用しない方法と比べると、本開示の実施形態は、熱冷却チャネルの有効性を向上させることができ、熱冷却チャネルを通る冷却媒体の流れを増大させることができ、溶射効率を向上させることができ、熱冷却チャネルを覆うコーティング厚さを低減することができ、溶射中の熱冷却チャネルの汚れを低減し又はこれらの組合せを与える。
【００１４】
図１を参照すると、一実施形態では、溶射コーティング法は、部品１０１において１以上の冷却チャネル１０５上に被覆材１０２を配置するステップと、部品１０１及び被覆材１０２上に供給原料１０４を溶射するステップとを含む。被覆材１０２は、供給原料１０４が部品１０１の冷却チャネル１０５に侵入できないようにする。一実施形態では、供給原料１０４は、ボンドコート材料を含む。
【００１５】
好適な被覆材１０２は、限定ではないが、メッシュ、フォイル又はこれらの組合せを含む。被覆材１０２の好適な形態は、限定ではないが、平面体、湾曲体、成形体、凹凸形状物、複雑なもの、ストリップ、シート体又はこれらの組合せを含む。例えば、一実施形態では、被覆材１０２は、複数のストリップに切断されて、部品１０１の表面上に張り付けられ、該ストリップは、冷却チャネル１０５（図１）の被覆に限定される。別の実施例において、被覆材１０２は、部品１０１（図４）の表面全体を覆って施工される。
【００１６】
本明細書で使用される場合、用語「メッシュ」は、織製繊維２０３（図２）のパターン、機械加工により織製フォイル又はこれらの組合せから形成された構成を指す。織製繊維２０３の好適なパターンは、限定ではないが、平織り、綾織り、平畳織り、綾畳織り、複式綾畳織り又はこれらの組合せを含む。本明細書で使用される場合、用語「フォイル」は、好適な材料から作られた変形可能シートを指す。好適なフォイル構成は、限定ではないが、開口２０４を有するもの、開口２０４のないもの又はこれらの組合せを含む。フォイルは、弾性があり、溶射ノズル１０３による変形に対して耐性がある。メッシュは、可撓性であり、例えば、構造的損傷なしに約３０ミルの半径の周りに延びることができる。一実施形態では、メッシュ又はフォイルは、被覆材１０２として選択され、溶射ノズル１０３は、選択した材料に対応して被覆材１０２の変形を低減又は排除するように位置付けられる。
【００１７】
一実施形態では、被覆材１０２は、例えば、放電加工（ＥＤＭ）、金属射出成形、薄板処理又はこれらの組合せによって形成される。被覆材１０２は、予備成形又は二次成形される。予備成形ステップは、部品１０１上に被覆材１０２を配置するステップの前に被覆材１０２を形成するステップを含む。予備成形ステップは、部品１０１上の所定位置にて被覆材１０２を形成するステップを含む。一実施形態では、被覆材１０２は、部品１０１に一時的に又は恒久的に固定される。部品１０１に被覆材１０２を固定するのに好適な技法は、限定ではないが、タック溶接、メッキ、焼結、ろう付け又はこれらの組合せを含む。
【００１８】
被覆材１０２の好適な構成は、基材材料、ボンドコート材料又はこれらの組合せを含む。一実施形態では、基材材料は、限定ではないが、コバルト、クロム、タングステン、炭素、ニッケル、鉄、ケイ素、モリブデン、マンガン、これらの合金、ニッケル基合金、コバルト基合金、超合金、金属間化合物（ＴｉＡｌ及び／又はＮｉＡｌ）、セラミックマトリックス複合材又はこれらの組合せを含む。一実施形態では、ボンドコート材料は、限定ではないが、Ｂａ1-xＳｒxＡｌ2Ｓｉ2Ｏ8（ＢＳＡＳ）、セラミック酸化物、（Ｙｂ，Ｙ）2Ｓｉ2Ｏ7、ムライトとＢＡＳＡＳ、ケイ素及び／又は一硫化イットリウム、及び／又はこれらの組合せを含む。
【００１９】
基材材料として使用するのに好適なニッケル基合金は、重量で、約１４％のクロム、約９．５％のコバルト、約３．８％のタングステン、約１．５％のモリブデン、約４．９％のチタン、約３．０％のアルミニウム、約０．１％の炭素、約０．０１％のホウ素、約２．８％のタンタル、及び残部のニッケル及び不可避不純物を含む。
【００２０】
別の好適なニッケル基合金は、重量で、約７．５％のコバルト、約９．７５％のクロム、約４．２０％のアルミニウム、約３．５％のチタン、約１．５％のモリブデン、約４．８％のタンタル、約６．０％のタングステン、約０．５％のコロンビウム（ニオビウム）、約０．０５％の炭素、約０．１５％のハフニウム、約０．００４％のホウ素、及び残部のニッケル及び不可避不純物を含む。
【００２１】
基材材料として使用するのに好適な別のニッケル基合金は、重量で、約０．０７％〜約０．１０％の炭素、約８．０％〜約８．７％のクロム、約９．０％〜約１０．０％のコバルト、約０．４％〜約０．６％のモリブデン、約９．３％〜約９．７％のタングステン、約２．５％〜約３．３％のタンタル、約０．６％〜約０．９％のチタン、約５．２５％〜約５．７５％のアルミニウム、約０．０１％〜約０．０２％のホウ素、約１．３％〜約１．７％のハフニウム、約０．１％以下のマンガン、約０．０６％以下のケイ素、約０．０１％以下のリン、約０．００４％以下の硫黄、約０．００５％〜約０．０２％のジルコニウム、約０．１％以下のニオビウム、約０．１％以下のバナジウム、約０．１％以下の銅、約０．２％以下の鉄、約０．００３％以下のマグネシウム、約０．００２％以下の酸素、約０．００２％以下の窒素、残部のニッケル及び不可避不純物を含む。
【００２２】
図２を参照すると、一実施形態では、被覆材１０２の開口２０４は、第１の幅２０１のような第１の寸法と、第２の幅２０２のような第２の寸法とを有する。第１の幅２０１及び第２の幅２０２は、所定領域を少なくとも部分的に定める。被覆材１０２における開口２０４の所定領域は、供給原料１０４の最小幅のような最小寸法よりも小さく、供給原料１０４が開口２０４を通過できないようになっている。供給原料１０４は、溶射ノズル１０３を通して部品１０１に向けて配向されて溶射される。被覆材１０２における開口２０４の領域がより小さいことにより、供給原料１０４が被覆材１０２を通過することができない。一実施形態では、メッシュにおける織製繊維２０３のパターンが被覆材１０２の開口２０４を形成する。別の実施形態では、被覆材１０２における開口２０４は、被覆材１０２を機械加工することによって形成される。
【００２３】
開口２０４の好適な寸法は、供給原料１０４の粒径に対応する。一実施形態では、寸法は、例えば、５０μｍ未満、約３μｍ〜約５０μｍ、約３μｍ〜約５μｍ、約４５μｍ〜約５５μｍ又はこれらの組合せ、部分的組合せ、範囲もしくは部分範囲である。
【００２４】
溶射は、供給原料１０４を溶融して、所定の寸法を有する溶融液滴を形成する。溶融液滴は、部品１０１に向けて加速されて接触する。溶融液滴は、部品１０１に接触すると平坦化される。供給原料１０４の好適な所定寸法は、限定ではないが、約２μｍ〜約５０μｍ、約５μｍ〜約４５μｍ、約１５μｍ〜約３５μｍ、約２μｍ〜約３０μｍ、約２μｍ〜約１０μｍ、約５μｍ〜約１５μｍ、約１０μｍ〜約２０μｍ、約２０μｍ〜約３０μｍ、約３０μｍ〜約４０μｍ、約４０μｍ〜約５０μｍ又はこれらの組合せ、部分的組合せ、範囲もしくは部分範囲である。
【００２５】
図３を参照すると、供給原料１０４の溶射により、部品１０１を覆うコーティング３０４が形成される。一実施形態では、被覆材１０２は、図４の断面Ａ−Ａで示されるように、部品１０１とコーティング３０４との間に連続した層４０１（図４）を形成する。一実施形態では、被覆材１０２は、図１に示すように、部品１０１とコーティング３０４との間に不連続層を形成する。被覆材１０２は、溶射によって、溶融、分解、酸化、微細改質、破壊され、或いはそのままの状態、もしくはこれらの好適な組合せとなる。被覆材１０２は、もはや部品１０１とコーティング３０４との間に定められた層としては存在せず又は部品１０１とコーティング３０４との間の別個の層のままであり、或いはこれらの好適な組合せとすることができる。
【００２６】
部品１０１は、例えば、翼形部、冷却フィン、フィンガー、高温ガス経路部材又はこれらの組合せなどの好適な物品又は物品の一部である。高温ガス経路部材は、燃焼プロセス及び／又は燃焼反応から排出された高温ガスに曝されるガスタービン部材である。好適な高温ガス経路部材は、限定ではないが、燃焼ライナ、端部キャップ、燃料ノズルアセンブリ、クロスファイアー管、トランジションピース、タービンノズル、タービン静止シュラウド、タービンバケット（ブレード）、タービンディスク、タービンシール又はこれらの組合せを含む。一実施形態では、部品１０１は、例えば、約１５００°Ｆ〜約２６００°Ｆ、約１５００°Ｆ〜約２１００°Ｆ、約２１００°Ｆ〜約２６００°Ｆ、約１８００°Ｆ〜約２３００°Ｆ、約２０００°Ｆ〜約２４００°Ｆ又はこれらの組合せ、部分的組合せ、範囲もしくは部分範囲の温度のような過酷な条件に耐えることができる。
【００２７】
部品１０１に対する熱損傷を防ぐために、一実施形態では、部品１０１の表面１０７上に冷却チャネル１０５が設けられる。別の実施形態では、冷却チャネル１０５は、限定ではないが、ガス、液体、冷媒又はこれらの組合せなどの冷却流体を含む。冷却チャネル１０５の好適な実施形態は、限定ではないが、半円形、矩形、三角形、線形、湾曲、複雑なもの、交差、平行又はこれらの組合せを含む。被覆材１０２は、供給原料１０４が溶射中に冷却チャネル１０５に侵入できないようにし、コーティング３０４が冷却チャネル１０５及び被覆材１０２を覆って形成されるようにする。冷却チャネル１０５を覆うコーティング３０４は、冷却流体が冷却チャネル１０５から漏出できないようにする。
【００２８】
冷却チャネル１０５を覆うコーティング３０４の厚さにより、冷却媒体の熱伝達速度が制御される。コーティング３０４の厚さが減少すると、冷却チャネル１０５の冷却速度が増大する。コーティング３０４の好適な厚さは、限定ではないが、約１５０μｍ〜約４０００μｍ、約３００μｍ〜約１０００μｍ、約２００μｍ〜約８００μｍ、約１５０μｍ〜約２５０μｍ、約５００μｍ〜約１５００μｍ又はこれらの組合せ、部分的組合せ、範囲もしくは部分範囲を含む。
【００２９】
好ましい実施形態を参照しながら本発明を説明してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく種々の変更を行うことができ且つ本発明の要素を均等物で置き換えることができる点は理解されるであろう。加えて、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況又は物的事項を本発明の教示に適合するように多くの修正を行うことができる。従って、本発明は、本発明を実施するために企図さ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、また本発明は、提出した請求項の技術的範囲内に属する全ての実施形態を包含するものとする。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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