(57)【要約】【課題】敵対的熱環境で使用されるように設計された構成要素（１０）の遮熱コーティング（１２）を修理する化学組成物（２４）および方法を提供する【解決手段】この方法は、遮熱コーティング（１２）への局所化された損傷をこうむった構成要素（１０）の遮熱コーティング（１２）を修理する。局所化された破砕によって露出された構成要素（１０）の表面区域を洗浄した後に、バインダの中にセラミック粉末およびナノサイズのセラミック材料を含み、さらに反応促進剤を含むセラミック組成物（２４）のペースト様混合物を、構成要素（１０）の表面（２２）に塗布し、任意選択として、機械的手段を使用して平滑化する。組成物（２４）を、乾燥させ、硬化させて、ポリマー特性を有する乾燥した修理コーティング（２６）を形成する。後続加熱時に、乾燥したコーティング（２６）が反応して、ガラス状のセラミック修理コーティング（２６）を形成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
構成要素表面（２２）の区域（２０）上の損傷を受けた遮熱コーティング（１２）を局所的に修理する方法であって、
１ミクロン未満で３０ナノメートルより大きい範囲および４５ミクロンと７５ミクロンとの間の範囲という２つの所定の粒子サイズ範囲で提供されるセラミック粉末と、粒子サイズが３０ナノメートルを超えない少なくとも１つのナノサイズのセラミック材料と、熱分解して耐火性材料を形成するセラミック前駆バインダ、反応促進剤、および溶媒からなる群から選択されるバインダとを含み、前記セラミック粉末、ナノサイズのセラミック材料、前記バインダ、前記反応促進剤、および前記溶剤が均等に分散するように混合されたセラミックコーティング組成物（２４）を提供するステップと、
前記セラミックコーティング組成物（２４）を前記局所化された損傷によって露出された前記構成要素（１０）の前記区域（２０）の表面（２２）に付与するステップと、
前記組成物を機械的に平滑化して、機械的応力によって流れることができ且つ該機械的応力が除去されたときその位置に留まることができる未硬化のコーティング（２６）を形成するステップと、
ポリマーマトリクス内に前記セラミック粉末及びナノサイズのセラミック材料を含み且つ前記構成要素の前記表面区域を覆う乾燥したドライコーティング（２６）を作るのに十分な期間、前記溶媒を蒸発させ前記コーティングを硬化させるステップと、
を含む方法。
【請求項２】
前記セラミックコーティング組成物（２４）を付与する前に、前記遮熱コーティング（１２）の前記損傷を受けた区域（２０）を洗浄するステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記セラミック粉末が、アルミナ、ジルコニア、ハフニア、マグネシア、チタン、カルシウム、シリカ、およびこれらの組合せからなる群から選択される少なくとも１つのセラミック材料をさらに含む、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記少なくとも１つのナノサイズのセラミック材料が、アルミナ、チタニア、シリカ、および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３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記バインダが、シリコーンバインダ、ホスフェートバインダ、および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４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記構成要素（１０）が、ガスタービンエンジン構成要素である、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記付与するステップが、前記組成物（２４）を前記構成要素（１０）の前記表面（２２）に分配して滑らかに付与するための分配ノズルを備えるチューブおよびコンテナからなる群から選択されるペースト配送システムを使用して、制御されていない雰囲気で実行される、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記組成物（２４）を機械的に平滑化する前記ステップが、パテナイフ、パテブレード、ブラシ、スポンジ、およびこれらの組合せからなる群から選択される機械的手段を使用して達成される、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
ガラス状セラミックマトリクス内に前記セラミック粉末およびナノサイズのセラミック材料を含む修理コーティング（２６）を形成するために、前記バインダを変更するのに十分に高い温度で前記乾燥したコーティング（２６）に熱を加えるステップをさらに含む、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
前記乾燥したコーティング（２６）に熱を加える前記ステップが、ヒートガン、ヒートブランケット、加熱ランプ、トーチ、およびこれらの組合せからなる群から選択される熱源を使用して達成される、請求項９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンエンジンの敵対的熱環境など、高温にさらされる構成要素の遮熱コーティングに関する。具体的には、本発明は、熱疲労および熱応力、劣悪なコーティングプロセス、コーティング欠陥、局所化された損傷、衝撃損傷および他の機械的損傷、または新しい部品もしくは使用済み部品の欠陥のあるコーティング区域に起因する局所化された破砕をこうむった遮熱コーティングを修理する組成物および方法を対象とする。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンのより高い動作温度が、効率を高めるために継続的に求められている。しかし、動作温度が高まるに連れて、エンジンの構成要素の高温耐久性が、それに対応して高まらなければならない。高温能力の大きい進歩が、ニッケルおよびコバルトに基づく超合金の考案を介して達成された。それでも、ガスタービンエンジンのタービン部分、燃焼室部分、およびオーグメンタ（augmentor）部分の構成要素を形成するのに使用される時に、そのような合金だけでは、しばしば、酸化および高温腐食攻撃による損傷を受けやすく、適当な機械的特性を保たない場合がある。この理由から、これらの構成要素は、しばしば、環境絶縁性コーティングおよび／または熱絶縁性コーティングによって保護され、後者を、遮熱コーティング（ＴＢＣ）システムと称する。セラミック材料、特にイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）が、ガスタービンエンジン構成要素に使用されるＴＢＣシステムの遮熱コーティング（ＴＢＣ）またはトップコートとして広く使用されている。これらの特定の材料は、プラズマスプレー技法、溶射技法、および蒸着技法によってたやすく堆積することができるので、広く使用されている。一般的に使用されるタイプのＴＢＣは、イットリアを用いて安定化されたジルコニア、たとえば、約７重量％イットリアを用いて安定化された９３重量％ジルコニアに基づくコーティングである。この一般的なタイプのＴＢＣが、参照によって本明細書に組み込まれている米国特許第４，０５５，７０５号、米国特許第４，３２８，２８５号、および米国特許第５，２３６，７４５号で報告された。そのようなＴＢＣコーティングは、比較的荒い表面を有し、ある種の応用例に関して適当な熱エネルギ反射を提供しない。さらに、ある種のＴＢＣコーティングの塗布は、制御された雰囲気または真空を有する装置の使用を必要とする。したがって、そのようなコーティングおよび方法は、現場修理（フィールドリペア）に効果的に利用することができない。
【０００３】
有効であるために、ＴＢＣシステムは、低い熱伝導率を有し、構成要素に強く付着し、多数の加熱冷却サイクルを通じて付着したままでなければならない。後者の要件は、セラミックトップコート材料とそれが保護する超合金基板の間の熱膨張係数の差に起因して、特に厳しい要求である。付着を促進し、ＴＢＣシステムの耐用年数を延ばすために、ボンディングコートがしばしば使用される。ボンディングコートは、通常、ＭＣｒＡｌＸ（ただし、Ｍは、鉄、コバルト、および／またはニッケルであり、Ｘは、イットリウムまたは別の希土類元素である）などのオーバーレイコーティングまたは拡散アルミニウム化合物コーティングの形である。セラミックＴＢの堆積およびエンジン動作中などの高温への後続の露出の間に、これらのボンディングコートは、ＴＢＣをボンディングコートに付着させる、強く付着するアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）層または酸化物薄膜を形成する。
【０００４】
ＴＢＣシステムの耐用年数は、通常、熱疲労、熱応力、コーティング欠陥、機械的損傷、摩耗、および類似物によってもたらされる破砕事象によって制限される。したがって、ＴＢＣシステムの重要な課題は、温度サイクリングにさらされた時に破砕をより受けにくい、より付着力のあるセラミック層を入手することであった。大きい進歩が行われたが、遮熱コーティングが破砕された構成要素を修理するという不可避の要件がある。破砕は、通常は、局所化された領域またはパッチの中で発生するが、従来の修理方法は、遮熱コーティングを完全に除去し、必要に応じてボンド層表面を復元するか修理し、その後、構成要素全体を再コーティングすることであった。ＴＢＣを除去する従来技術の技法に、グリットブラスト法または高温高圧でのアルカリ性溶液を用いる化学的ストリッピング（chemically stripping）が含まれる。しかし、グリットブラスト法は、低速で労働力集中型のプロセスであり、コーティングの下の表面を侵食する。繰り返して使用されると、グリットブラストプロセスは、最終的に構成要素を破壊する。遮熱コーティングを除去するのにアルカリ性溶液を使用することは、このプロセスが高温高圧で動作するオートクレーブの使用を必要とするので、やはり理想的でない。その結果、従来の修理方法は、労働力集中型で高価であり、エーロフォイルおよびシュラウドなど、複雑な幾何形状を有する構成要素に対して実行するのがむずかしくなり得る。代替案として、ナガラー他の米国特許第５，７２３，０７８号で、ボンディングコートの露出された表面をテクスチャリング（texturing）し、テクスチャリングされた表面にプラズマスプレーによってセラミック材料を堆積することによる、ＴＢＣの破砕された領域の選択的修理が教示されている。構成要素からＴＢＣ全体をはぎ取る必要はなくなるが、ナガラー他が教示する修理方法は、まだ、セラミック材料を堆積するためにエンジンアセンブリから構成要素を除去することを必要とし、さらに、修理をもたらすためにプラズマスプレー装置を使用することを必要とする。
【０００５】
さらに、既存のスプレー可能なＴＢＣ材料は、高温使用の前の安定化のためにあるタイプの後乾燥または後焼成を必要とし、したがって、現位置フィールドリペアには非効率的である。テープ材料は、オートクレープの適用を必要とし、したがって、現位置リペアに適さない。プラズマスプレーされる材料は、堆積後加熱を全く必要としないが、そのような材料は、はるかに荒い仕上がりを有し、エンジンの残り全体に粉末をスプレーする（後続エンジン動作の前の重要な洗浄ステップを必要とする）ことなしに現位置修理に現場で適用することはできない。
【０００６】
航空機タービンエンジンおよび大型発電タービンの場合に、修理のためにサービスからタービンを取り外すことは、労働力およびダウンタイムに関する大きいコストをもたらす。これらの理由から、局所化された破砕だけをこうむったＴＢＣを有する構成要素を取り外すことは、経済的に望ましくない。その結果、破砕されたＴＢＣを有するものとして識別された構成要素は、しばしば、破砕が高応力区域で発生したかどうかを判定するために分析され、次に、その構成要素の破滅的故障につながり得る、その構成要素の減らされた熱保護に起因するタービンに対する損傷の危険性に関する判断が行われる。その判断が、動作を継続することである場合に、通常、完全なＴＢＣカバレッジなしで構成要素を動作させていた間にこうむった熱損傷のゆえに、破砕した構成要素を動作の終りに廃棄しなければならない。さらに、いくつかのより新しいＴＢＣは、より良い熱遮断および空気流のために、ＴＢＣ上の平滑化（smoothing）層を利用する。現在、損傷を受けたＴＢＣ上で非常に滑らかな仕上げを有するこの平滑化層を置換する既知の方法は存在しない。
【特許文献１】米国特許第４，０５５，７０５号
【特許文献２】米国特許第４，３２８，２８５号
【特許文献３】米国特許第５，２３６，７４５号
【特許文献４】米国特許第５，７２３，０７８号
【特許文献５】米国仮出願第１０／７３５，３５９号
【特許文献６】米国仮出願第１０／８１９，８５６号
【特許文献７】米国特許第６，４１３，５７８  Ｂ１号
【特許文献８】米国特許第６，２３５，３５２  Ｂ１号
【特許文献９】米国特許第６，１２３，９９７号
【特許文献１０】米国特許第６，０１０，７４６号
【特許文献１１】米国特許第５，９８５，３６８号
【特許文献１２】米国特許第５，８４９，１１０号
【特許文献１３】米国特許第５，６２６，９２３号
【特許文献１４】米国特許第５，４３１，９６１号
【特許文献１５】米国仮出願第２００１／００５３４１０  Ａ１号
【特許文献１６】米国特許第６，７２３，６７４号
【特許文献１７】米国仮出願第２００４／００５０９１３号
【特許文献１８】米国特許第４，０１８，９４４号
【特許文献１９】ＰＣＴ特許第ＷＯ９７／１１０４０号
【特許文献２０】欧州特許第１１９７５８５  Ａ２号
【特許文献２１】欧州特許第１２５１１９１  Ａ１号
【特許文献２２】欧州特許第１４７１０４３  Ａ２号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、現場で現位置でタービンハードウェアのＴＢＣの局所化された破砕された区域に対して実行できる、構成要素をタービンから取り外すことを必要とせず、その結果、ダウンタイムおよび廃棄物が最小になる修理方法が使用可能であるならば望ましい。
【０００８】
平滑化層の非常に滑らかな仕上げを復元すると同時に平滑化層の熱遮断特性および空気流特性を復元する形で、損傷を受けたＴＢＣの平滑化層を修理することも望ましい。
【０００９】
さらに、現位置でのコーキング充填、スパックル充填（spackling）、またはブラッシングによって簡単に適用される、損傷を受けたＴＢＣの修理のための改善された平滑化コーティングを提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、遮熱コーティングの破砕、疲労、応力損傷、劣悪なコーティングプロセス、機械的損傷、または摩耗に起因して損害を受けた構成要素の遮熱コーティングを修理する化学組成物および方法を提供する。本発明の方法および組成物の使用は、約１ミルから約５０ミル（０．００１インチから０．０５０インチ、０．０２５４ｍｍから１．２７ｍｍ）の間の破砕損傷深さを有する破砕損傷を有するＴＢＣコーティングのインフィールド修理に特に適用可能である。２０ミル（０．５０８ｍｍ）を超え、５０ミル（１．２７ｍｍ）に近付く深さを有する破砕に関して、より低い重量パーセンテージの溶媒を使用して本発明の組成物を提供することができ、パテ様特性を作って、ブレードまたはパテナイフを使用して組成物を塗布できるようになり、乾燥の前の作業および平滑化が可能になる。
【００１１】
この組成物は、選択された成分、特にファインセラミック材料またはヒュームドセラミック材料などの少なくとも１つのナノサイズのセラミック材料を含めたことの結果として、チキソトロピック特性を示す。アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、または二酸化珪素（ＳｉＯ２）などのナノサイズセラミック材料の量は、チキソトロピック特性をコーティング組成物に与えるように提供される。チキソトロピック特性は、翼上のタービンエンジンアセンブリなどの制御されない環境でコーティングを塗布できるようにすることにおいて非常に重要である。コーティングは、溶媒の選択および溶媒含有量に応じて比較的すばやく乾燥するが、重合ならびに他の安定化する化学的相互作用および物理的相互作用の時間を、８時間以上とすることができる。コーティング組成物のチキソトロピックな性質は、乾燥中の流出（running）、落ち込み（slumping）、または垂下（sagging）なしで、さまざまなプロセスによって、表面方位にかかわりなしに、コーティング組成物を付与することを可能にし、さらに、必要に応じてコーティングを加工することを可能にする。本明細書で使用する用語チキソトロピックは、せん断応力などの機械的力を受けた時またはかき回された時に流れることを可能にし、機械的力が除去された時にゲル様の形に戻ることを可能にする、材料組成の特性を指す。この定義は、ホーレーズ大化学辞典（Hawley’s Condensed Chemical Dictionary）第13版およびブリタニカ百科事典に示されたチキソトロピーの定義と一貫する。この特性は、損傷を受けた表面の下にあるかそれに隣接する損傷を受けていない構成要素表面をコーティングの落ち込み、流出、または滴下にさらさずに、タービンブレードおよびシュラウドなどのＴＢＣコーティングされた構成要素の破砕された区域を含むがこれに制限されない、複雑な幾何形状を有する損傷を受けた表面に生産環境またはフィールドリペア環境でコーティングを塗布することを可能にする。これらの重要なチキソトロピック特性は、スプレー、スパックル充填、浸漬、ブラッシングなどの複数のプロセスのうちのいずれかによってコーティングを表面に付与或いは塗布することを可能にする。付与されたコーティングは、付与の後に、落ち込み、流出、または滴下によるなど、重力の影響に起因して流れることがない。しかし、コーティングは、機械的せん断応力を受けた場合に流れ、望まれる場合に加工されることが可能になる。したがって、乾燥期間の早期段階中に、必要な場合にコーティングを加工することができる。もちろん、コーティングを加工する能力は、乾燥期間中に徐々に減り、この乾燥期間中には、溶媒が蒸発して、間にポリマー結合を有する結合剤（バインダ）粒子を含むコーティングが形成される。乾燥期間は、乾燥が完了するまでの、溶媒の蒸発および乾燥と、その結果のバインダのポリマー結合または「硬化」の形成に依存する。これらの特性は、コーティングが、他のコーティングで経験される滴下および流出という問題（これらの問題は、基板の一部を未コーティングのままにする可能性がある）を克服することを可能にする。
【００１２】
塗布され、室温で約８時間の間乾燥させておかれたならば、組成物は、安定し、結果の乾燥し部分的に硬化したコーティングは、高温使用の準備ができている。アズドライド（as-dried）材料に関する熱衝撃データは、約１０９３℃（２０００°Ｆ）の温度に耐えることができ、ＩＲ反射改善も示された。さらに、エンジン動作による焼成などの熱処理の際に、コーティングが、完全に硬化し、セラミック材料を含むセラミックマトリクスに少なくとも部分的に変換される。このマトリクスコーティングは、他の方法によって塗布されたＴＢＣより低い粗度値またはＲａ値を示す。どの場合でも、塗布された組成物の硬化および焼成によって形成されるコーティングは、所望の平滑度を達成するために、ダイヤモンドパッドを用いる研磨によるなど、平滑化することができる。そのような塗布後平滑化は、より深い（５０ミル（１．２７ｍｍ）に達する）破砕された区域の修理に特に適する。
【００１３】
前述の特性の結果として、このコーティング組成物は、露出金属面、グリットブラストされた金属、すべてのタイプのコーティングされた金属およびコーティングされたセラミックス、ＴＢＣ、ならびに多数の高温合成物を含むがこれらに制限されないさまざまな基板への付着を示す。本発明の組成物および方法は、滑らかなコート仕上がりでのＴＢＣ欠陥の翼上、インフィールド、現位置修理を可能にし、高温使用の前に乾燥したコーティングを安定化するための処理後の加熱または焼成を必要としない。
【００１４】
本発明は、既知のＴＢＣ修理方法の間では一般に必要なコーティング後熱処理の必要なしに、ＴＢＣコーティングの現位置修理を提供する。実際に、この組成物は、ＴＢＣコーティングの修理をもたらすための室温または「低温」塗布方法の使用を可能にする。代替案では、加熱ランプ、ヒートブランケット処理、またはヒートガン処理などの高められた温度を利用して、修理コーティングの望ましい特性に悪影響せずに、乾燥硬化時間を加速することができ、任意選択として、コーティングを少なくとも部分的にセラミックマトリクスに変換することができる。
【００１５】
本発明の化学組成物を塗布（付与）する方法は、修理をもたらすために組成物を硬化させるのに熱を適用する必要なしの、室温での塗布が含まれることが好ましい。１実施形態で、局所化された破砕によって露出された、構成要素の表面区域を洗浄した後に、化学組成物が、コーキングまたはペーストとして塗布される。コーキングまたはペーストは、供給ノズル、ステム、または類似物を有するチューブおよびキャニスタなど、既知のパッケージングおよび供給容器に保管することができる。使用される配送システムに応じて、分配される製品が、パテナイフもしくはブレードまたはコーキング、ペースト、および類似する粘稠度の化学組成物を平滑化する他の手段を用いるなど、加工を必要とする場合がある。代替案では、液体混合物実施形態で、この組成物に、重量においてより高いパーセンテージの溶媒が含まれ、既知の液体スプレー手段を介する供給が可能になる。
【００１６】
塗布の後に、この化学組成物は、ボンディングコートまたは破砕によって露出された基板の上でＴＢＣコーティングに隣接して、セラミックおよびポリマー組成物のさらに薄い層を形成する。次に、溶媒キャリアが蒸発して、構成要素の表面区域上にバインダおよびセラミック材料の薄い保護層が残される。反応促進剤が、この組成物に追加されて、バインダ系と化学反応し、定着させる。適当な反応促進剤は、ジブチル-ｎ-ブチルビス(2,4ペンタンジオネート)スズ（英語表記：di-n-butylbis(2,4-pentanedionate)tin）、ジブチルすずジラウレート（英語表記：dibutyltin dilaurate）、その組合せ、および選択されたバインダと融和性の他の既知の反応促進剤などの材料である。この組成物で提供される反応促進剤は、この組成物の乾燥および硬化を強め、乾燥および硬化を約８時間未満に大幅に短縮する。塗布の後に、このコーティング組成物を、環境温度で、好ましくは少なくとも約８時間の間、乾燥させておく。乾燥したコーティング組成物は、バインダの中で形成されるポリマー結合によって、ポリマーの属性を有する。乾燥および硬化は、経時的に継続し、部品が任意選択として熱源にさらされる時にさらに加速される。しかし、乾燥を、室温で達成することができる。
【００１７】
任意選択として、乾燥硬化時間を減らすために、コーティングを、コーティング堆積の後にすぐに熱処理する。後続のエンジン動作中に、乾燥したコーティングが、エンジンの熱によって現位置で焼成され、このエンジンの熱によって、バインダが分解するか反応して、セラミックを含む修理コーティングが作られ、この修理コーティングは、構成要素の表面区域をカバーし、バインダが十分な時間期間にわたって高温で反応した時に形成される材料のマトリクス内にセラミック粉末を含む。バインダは、加熱によって即座にガラスまたはセラミックに変換できるか、ガラス状セラミック修理コーティングを形成するために経時的に熱分解することを許されるセラミック前駆材料であることが好ましい。より高い動作温度が、より多くのガラスをセラミックに変換させるが、エンジン動作温度は純粋なセラミックを形成するのに不十分と思われるので、コーティングは、少なくとも多少はガラス状特性を保つ。
【００１８】
本発明によれば、この修理方法の各ステップは、構成要素が環境温度で、たとえばアイドル状態のガスタービンエンジンのフローパスアセンブリに取り付けられている間に実行することができる。環境温度での組成物の塗布のステップの後、約８時間以内に、タービンエンジンが、動作を再開することができ、この時に、エンジンの動作によって生成される熱が、乾燥し部分的に硬化したコーティングを焼成して、ガラス状セラミックコーティングを作る。しかし、この時間は、反応促進剤を選択し、反応促進剤の量を調整することによって短縮することができ、約３０分以内の乾燥時間および約８時間以内の硬化時間まで減らすことができる。しかし、乾燥および硬化の期間を、任意選択として、熱処理の適用によって加速することができる。
【００１９】
上記を考慮して、本発明が、遮熱コーティングの修理に使用される従来の方法の複数の不利益を克服することを諒解されたい。具体的には、本発明の方法は、遮熱コーティングを完全に除去することを必要とせず、本発明は、遮熱コーティングを修理するために構成要素を取り外すことも必要としない。さらなる利益として、この修理プロセスは、高温の印加または後続の高温処理を必要としない。というのは、修理コーティングが、エンジン動作に耐えるのに十分な強度を示し、エンジン動作によって硬化または焼成されて、ガラス状セラミックコーティング・システムを形成するからである。この修理のもう１つの利益は、特別な塗布機器を必要とせず、環境条件で行うことができる、すなわち、修理中に制御された雰囲気（不活性ガス環境または真空環境を確立することによるなど）を維持する必要がないことである。
【００２０】
さらに、このコーティングは、改善された熱遮断と共により低い粗度の仕上げをもたらし、より低いエネルギ伝達ももたらす。その結果、修理を完了し、タービンエンジンの動作を再開するのに、最小限のダウンタイムが必要である。本発明は、航空機エンジンおよび発電用タービンなど、ＴＢＣを有するすべてのガスタービン構成要素に使用することができる。発電タービンの場合に、局所化された破砕だけをこうむった構成要素を取り外し、修理し、その後再設置するための長い期間の間発電を完全に停止することのコストが、回避される。また、構成要素およびタービンに損傷を与える危険を冒して、破砕した構成要素がもはや回収不能になるまでタービンの動作を継続するか否かを判断する必要も回避される。
【００２１】
本発明の他の目的および利益は、次の詳細な説明からより良く諒解されるであろう。本発明の他の目的および利益は、例によって本発明の原理を示す、添付図面と共に解釈される好ましい実施形態の次のより詳細な説明から明白になるであろう。
【００２２】
可能な時には必ず、同一の部品または類似する部品を参照するのに、複数の図面を通じて同一の符号を使用する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明は、比較的高い温度の特徴を有する環境での動作のために遮熱コーティングによって保護され、したがって、厳しい熱応力および温度サイクリングにさらされる、ガスタービンエンジンアセンブリの高温部の構成要素を対象とする。そのような構成要素の顕著な例に、航空機応用例および産業応用例に使用されるガスタービンエンジンの、高圧および低圧のタービンノズルおよびブレード、シュラウド、燃焼室ライナ、およびオーグメンタハードウェアが含まれる。本発明の利益は、ガスタービンエンジンの構成要素に特に適用可能であるが、本発明は、構成要素をその環境から断熱するのに遮熱コーティングが使用されるすべての構成要素に一般的に適用可能である。
【００２４】
図１に表されているのは、遮熱コーティング（ＴＢＣ）システム１２によって保護された構成要素１０の表面領域である。ＴＢＣシステム１２は、構成要素１０の基板表面上に形成されたボンディングコート１４と、遮熱コーティングとしてボンディングコート１４の上に堆積されたセラミック層１６からなるものとして図示されている。ガスタービンエンジンの高温構成要素の状況と同様に、構成要素１０を、ニッケル、コバルト、または鉄に基づく超合金から形成することができる。ボンディングコート１４は、下にある構成要素１０を酸化から保護し、セラミック層１６が構成要素１０により強く付着することを可能にするために、金属酸化耐性を有する材料から形成されることが好ましい。ボンディングコート１４に適当な材料に、ＭＣｒＡｌＸオーバーレイコーティングおよび拡散アルミニウム化合物コーティングが含まれる。ボンディングコートを高められた温度にさらすことによって形成される、通常はＡｌ２Ｏ３である、強く付着した酸化物薄膜も示されている。
【００２５】
通常、ＴＢＣセラミック層１６は、エアプラズマスプレー（ＡＰＳ）などのプラズマスプレーによって堆積されるが、ＥＢ堆積、ＰＶＤプロセス、またはＣＶＤプロセスなどの他の堆積方法を使用することができる。セラミック層１６の好ましい材料は、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）であり、好ましい組成は、約４重量パーセントから約８重量パーセントのイットリアであるが、イットリア、非安定化ジルコニア、あるいはマグネシア（ＭｇＯ）、セリア（ＣｅＯ２）、スカンジア（Ｓｃ２Ｏ３）、および／または他の酸化物によって安定化されたジルコニアなどの他のセラミック材料を使用することができる。セラミック層１６は、構成要素１０に必要な熱保護をもたらすのに十分な厚さ、通常は、ほとんどのガスタービンエンジン構成要素について約５０マイクロメートルから約３００マイクロメートル（約０．００２インチから約０．０１２インチ）程度まで堆積される。しかし、より厚い（約０．０５０インチ（１．２７ｍｍ）までの）ＴＢＣ塗布が可能である。
【００２６】
ガスタービンエンジン構成要素として、構成要素１０の表面は、エンジンの動作中に高温燃焼ガスにさらされ、したがって、酸化、腐食、およびエロージョンによる激しい攻撃にさらされる。したがって、構成要素１０は、その敵対的動作環境からＴＢＣシステム１２によって保護されたままにならなければならない。破砕に起因するセラミック層１６の消失は、構成要素基板１０の早期のしばしばすばやい劣化につながる。セラミック層１６の局所化された破砕された領域または機械的に損傷を受けた領域２０が、図１に表されており、本発明のＴＢＣ修理プロセスが、図２および図３に表されている。本発明によれば、構成要素１０の修理で実行される次のステップのそれぞれは、構成要素１０がタービンエンジン内に設置されたままの間に実行され、これによって、構成要素を取り外し、その後再設置するという以前の要件が完全に回避される。
【００２７】
修理プロセスは、好ましくはボンディングコート１４に損傷を与えず、ボンディングコート１４に付着したセラミック層１６の残留破片を除去せずに、離れている酸化物ならびにグリス、油、およびすすなどの汚染物を除去するために、局所化された破砕された領域２０によって露出された表面２２を洗浄することから開始されることが好ましい。さまざまな技法を使用することができるが、好ましい方法は、破砕したまたは機械的に損傷を受けた領域２０の中および周囲の離れている材料および汚染物を除去し、任意選択として、好ましくはボンディングコート１４に損傷を与えずにボンディングコート１４まで、損傷を受けていないＴＢＣを所定の量だけ除去することによって破砕された領域をドレッシングすることである。さらに、ボンディングコート１４が損傷を受けている場合には、この方法は、コーティング組成物を塗布する前に、損傷を受けた領域の上にボンディングコート１４を塗布することを可能にする。ボンディングコート１４またはコーティング組成物の塗布の前に、損傷を受けた領域の露出された表面２２を、アルコールおよび／またはアセトンなどの蒸発性洗浄剤を用いて洗浄しなければならない。このステップは、周囲の損傷を受けていないセラミック層１６がこの手順にさらされないことを保証するために選択的に実行することができる。
【００２８】
洗浄され、任意選択としてドレッシングされ、かつ／またはボンディングコートを再コーティングされた後に、破砕された領域２０が、図２によって表されるように、セラミック化学組成物２４によって覆われる。本発明によれば、セラミック化学組成物２４は、セラミック粉末およびバインダのペースト様混合物であり、このバインダは、硬化して、露出された表面２２に付着する、図３に示されたセラミック修理コーティング２６を形成し、この露出された表面２２は、ボンディングコート１４、酸化物薄膜１８、および／またはセラミック層１６の残りの諸部分によって画定されるものとすることができる。
【００２９】
化学組成物２４は、セラミックまたはガラスなどの１つまたは複数の耐火性材料、粉末の形で提供され、少なくとも２つの所定の粒子サイズ範囲で提供される耐火性材料、バインダ、１つまたは複数のナノサイズのセラミック材料、および溶媒を含むペースト様混合物であることが好ましい。適切な耐火性材料に、アルミナ、ジルコニア、ハフニア、マグネシア、チタニア、カルシア、シリカ、イットリア、他の耐火性セラミック材料、およびこれらの組合せが含まれるが、これに制限はされない。耐火性材料は、２つの粒子サイズ範囲で提供されることが好ましく、第１範囲は、約１ミクロンより小さいが約３０ナノメートルより大きく、第２粒子サイズ範囲は、約４５ミクロンと約７５ミクロンの間である。バインダは、セラミック前駆材料であり、シリコーンまたはホスフェートに基づく組成物であることが好ましいが、熱分解して耐火性酸化物を形成するコロイド化学またはゾルゲル化学およびおそらくはアルミン酸カルシウムセメントを含む他のセラミック前駆バインダを使用できることが予測できる。本明細書でさらに説明するように、この組成物に、さらに、少なくとも１つの反応促進剤を含めることができ、さらに本明細書において説明されるように、任意選択として少なくとも１つの分散剤を含めることができる。
【００３０】
本明細書で使用される用語「ナノサイズのセラミック材料」は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、チタニア（ＴｉＯ２）、およびシリカ（ＳｉＯ２）などの、セラミック特性を有するサブ３０ナノメートルサイズの材料と定義される。ナノサイズのセラミック材料は、好ましくは約５ナノメートルと約３０ナノメートルの間の粒子サイズ、より好ましくは約１０ナノメートルと約２５ナノメートルの間の粒子サイズで提供される。このナノサイズのセラミック材料の追加は、コーティング組成物の塗布に関する、ならびに結果のコーティングの平滑度および密度における大きい性能改善を表す。理論に縛られなければ、セラミック材料のナノサイズの粒子が、塗布されたコーティングによって形成されるマトリクス内の耐火性材料の間の隙間または空隙を充填すると考えられる。ナノサイズの粒子は、コーティングにチキソトロピック特性を与え、極端に滑らかで摩耗耐性を有する仕上げをもたらすのも助ける。上記の材料のすべてのナノサイズ版が十分であるが、特に適切な材料は、ドイツ国フランクフルトアンマイン、Ｄ−６０２８７、Weissfrauenstrasse 9のDeGussa AG社の１業種であるAerosil社のAEROXIDE（登録商標）Alu Cである。AEROXIDE（登録商標）Alu Cは、高い比表面積を有し、点火された材料に基づく９９．６％以上のＡｌ２Ｏ３含有量を有し、１３ナノメートルの平均粒子サイズを有する、非常に微細な発熱性金属酸化物である。DeGussa社は、本発明のナノサイズのセラミック材料として使用できるナノサイズ粒子範囲のヒュームドＳｉＯ２およびヒュームドＴｉＯ２も製造している。さらに、米国イリノイ州４５３コマースストリートバーリッジのナノフェイズテクノロジコーポレーションによるNanoTek（商標）ブランドのナノサイズのアルミニウム酸化物などのナノサイズのアルミニウム酸化物が、適切なナノサイズの材料である。ナノフェイズテクノロジコーポレーションは、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｃａ、Ｙ、およびＺｒの酸化物など、他の適切なナノサイズの酸化物も製造している。さらに、修理区域がより厚い（約０．００２０インチ（０．０５０８ｍｍ）を超えるなど）場合および／または修理区域の位置およびタイプのゆえにパテナイフまたはブレードを用いる塗布が適当である場合に、米国ペンシルバニア州ピッツバーグのアルコアコーポレーションが市販する微粒アルミナであるT-64(-100)アルミナを、アグリゲートフィラー（aggregate filler）材料として追加することができる。
【００３１】
組成物２４の蒸発性溶媒は、使用される特定のバインダおよびセラミック配合剤ならびに塗布の方法に依存し、その量は、バインダを完全に溶かすのに十分な量である。たとえば、シリコーンまたはホスフェートに基づくバインダに適する溶剤は、変性アルコール（たとえば、５％イソプロピルアルコールと組み合わされたエチルアルコール）および他のアルコールなどのアルコール、またはアセトン、メチルエチルケトン、ｚｙｌｅｎｅ、および有機溶媒の混合物を含めることができる新しいより低ＶＯＣの溶媒である。この組成物がスプレーされる場合に、バインダおよびセラミック耐火性成分が、成分を均一に分散させるのに十分な溶媒と混合されて、スプレー可能な液体混合物が形成される。この組成物が、ペーストとして塗布される場合には、より少ない溶媒が、バインダおよびセラミック耐火性成分と混合される。
【００３２】
本発明の１つの好ましい実施形態によれば、この化学組成物に、バイコヴスキ・インターナショナル・コーポレーションが販売するＳＭ８など、約９９．９９％の純度を有し、１ミクロン未満だが３０ナノメートルを超える粒子サイズを有する超純粋アルミナから作られた約５重量％から約６５重量％のαアルミナ粉末と、Ａ−１４（−３２５）材料としてアルコアケミカルディビジョン社が販売するものなど、好ましくは約９９．８％の純度を有し、主に約４５ミクロンを超え約７５ミクロン未満の範囲の粒子サイズを有する約５重量％から約７５重量％のか焼アルミナと、シリコーンバインダ、ホスフェートバインダ、またはその組合せなどの約４重量％から約４５重量％のバインダと、アルミナ、チタン、二酸化物、および二酸化珪素からなる群から選択される約５重量％から約７０重量％のナノサイズのセラミック材料と、変性アルコール、アセトン、およびその組合せなどの約２重量％から約３５重量％の溶媒との混合物が含まれる。
【００３３】
もう１つの実施形態で、特に適することがわかっている組成物に、約８重量％から約１５重量％のＳＭ８アルミナ、約２０重量％から約４０重量％のＡ１４（−３２５）アルミナ、約５重量％から約２０重量％のシリコーン、約３０重量％から約６０重量％のナノサイズのアルミナ、ならびに変性アルコール（たとえば、５％イソプロピルアルコールと組み合わされたエチルアルコール）、アセトン、または酢酸エチルおよびイソブチルケトンを追加された変性アルコールなどの約２重量％から約２０重量％の溶媒が含まれる。他の好ましい化学組成の例を、下の表に示す。
【００３４】
【表１】
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【００３５】
【表２】
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もう１つの実施形態では、この組成に、さらに、反応促進剤と、任意選択として分散剤が含まれる。反応促進剤は、溶媒およびシリコーンバインダとの融和性を有する既知の反応促進剤から選択することができる。反応促進剤は、ジブチルすずジラウレートおよび／またはｄｉ−ｎ−ｂｕｔｙｌｂｉｓ（２，４  ｐｅｎｔａｎｅｄｉｏｎａｔｅ）ｔｉｎのうちの少なくとも１つであることが好ましい。反応促進剤を含む組成物に、約２重量％から約３５重量％のＳＭ８アルミナと、約５重量％から約６５重量％のＡ１４（−３２５）アルミナと、約５重量％から約７５重量％のシリコーンと、約４重量％から約４５重量％のナノサイズのアルミナと、約０．０１重量％から約５重量％の反応促進剤と、バランスソルベント（balance solvent）が含まれる。好ましい溶媒に、変性アルコール（たとえば、５％イソプロピルアルコールと組み合わされたエチルアルコール）、アセトン、または酢酸エチルおよびイソブチルケトンを追加された変性アルコールが含まれる。任意選択として、好ましくは約０．０１重量％と約５重量％の間の範囲の、分散剤を提供することができる。好ましい分散剤に、米国ニューヨーク州ニューヨークのウィッコケミカルＣｏ．社が市販するリン酸エステル分散剤であるEmphos PS-21A分散剤、および米国イリノイ州ノースフィールドのステファン社のMerpol（登録商標）Ａブランド分散剤が含まれる。反応促進剤を含む化学組成の次の例が、特に適することがわかっている。
【００３６】
例１：
【００３７】
【表３】
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例２：
【００３８】
【表４】
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例３：
【００３９】
【表５】
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上は、例示であって制限ではない。配合剤および量の他の組合せおよび変形が、本発明の範囲に含まれる。
【００４０】
化学組成物２４を調製するために、セラミック粉末およびナノサイズのセラミック材料が、ペースト様混合物を好ましく形成するのに十分な量のバインダおよび溶媒と組み合わされる。上に示した組合せを使用する時など、約８対１のセラミック対バインダの比が、一般に好ましい。ペースト様混合物が好ましいが、スプレー塗布方法が使用される場合には、追加の溶媒を与えて、より流動性の混合物を作ることができる。
【００４１】
好ましいバインダに、名称ＳＲ３５０およびＳＲ３５５の下でＧＥシリコーン社によって製造される、組成の約４５重量％までの量の、ポリシロキサン族のメチルセスキシロキサン（英語表記：methylsesquisiloxane）混合物として分類されるシリコーン樹脂が含まれる。好ましいホスフェートに基づくバインダに、組成の約４５重量％までの量の、バデンヘイム（Budenheim）社、ケミシェファブリック（Chemische Fabrik）社などのさまざまな供給源が市販するリン酸アルミニウム材料およびホスフェート錯体材料が含まれる。化学組成物２４が表面２２（上で注記したように、金属ボンディングコート１４、酸化物薄膜１８、および／またはセラミック層１６の残りの諸部分によって画定できる）に付着することを可能にする適度に粘着性の粘稠度を達成するために、化学組成物２４に、追加の添加物、特に１つまたは複数の表面活性剤を含めることができる。たとえば、約１５重量％までの非イオン性表面活性剤が望ましい場合がある。市販の適当な表面活性剤／分散剤の例が、それぞれ、ウィッコ社のＰＳ２１Ａおよびステファン社のMerpolである。この組成物に、組成物内で配合剤を均一に分散させるために分散剤も含めることができる。
【００４２】
好ましい実施形態では、化学組成物２４のペースト様混合物を、任意の適当なペースト分配装置またはコーキング分配装置で塗布することができ、分配された組成物を、パテブレードおよびパテナイフ、ブラシ、スポンジ、および他の既知のアプリケータなど、任意の既知の機械的手段を使用して平滑化することができる。好ましい液体実施形態では、化学組成物が、エーロフォイルまたは他の航空機エンジンアセンブリ構成要素などの表面に、分配される組成物を均等に制御可能に供給するための分配ノズルまたはステムを有するポータブルな独立したチューブまたはキャニスタに含まれる圧力分配可能な組成物である。この組成物の付着特性およびチキソトロピック特性に起因して、下塗り塗料は不要である。しかし、いくつかの場合に、溶媒によって組成物を薄め、得られた混合物を下塗り塗料として修理区域にブラッシングし、修理コーティングを形成するために薄められていないコーティング組成物を塗布する前に溶媒に引火させることによって、改善された付着をもたらすことができる。さらに、この組成物を、連続した層で塗布して、破砕されたコーティング区域または損傷を受けたコーティング区域を完全に充填することができる。望まれる場合に、後続層の塗布の前に、各層を乾かせることができる。
【００４３】
この組成物が総溶媒含有量の調整から生じるコーキング様またはペースト様の粘稠度を有して提供される、好ましい反応促進剤を含む実施形態では、材料が、独立したコーキングタブに置かれることが好ましい。この実施形態では、コーキングディスペンサまたはペーストディスペンサに、反応促進剤を装填された攪拌棒が含まれることが好ましい。そのような攪拌棒を使用することによって、組成物への反応促進剤の事前混合の必要を軽減し、修理区域への分配および塗布の際（またはその直前）に反応促進剤を行き渡らせることが可能になる。
【００４４】
乾燥し硬化したコーティングを形成するための、堆積後、使用前の熱処理は、不要である。というのは、溶媒の蒸発時に、シリコーンが、まず重合によって硬化して、エンジン動作に十分な強度を有するシリコーン−アルミナマトリクスを形成するバインダとして働くからである。したがって、組成物２４および所望の結果に応じて、塗布される組成物２４に、室温で単純に反応させておくことができ、あるいはその代わりに、加熱ランプ、トーチ、または他の熱源を用いるなどの加熱によって乾燥および硬化を加速することができる。適当な熱処理は、室温で約８時間、約１５０°Ｆ（６５．５℃）で約２時間、および／または約２５０°Ｆ（１２１℃）で約３０分である。
【００４５】
十分に乾燥し、硬化した後に、組成物２４は、本質的に、硬化したポリマー組成物である。バインダとしてシリコーンを用いる修理コーティング２６のテストから、本発明の修理コーティング２６が、セラミックを形成するために焼成されるまで、セラミック層１６内の破砕された領域または機械的に損傷を受けた領域２０内で表面２２にしっかり付着したままになるのに十分な残留強度の特徴を有することが示された。ホスフェートバインダは、類似する結果をもたらすと期待される。
【００４６】
塗布、乾燥、および硬化の後、タービンエンジンの最初の動作中に、このコーティングは、さらに硬化し、ガラス状のセラミック修理コーティング２６に少なくとも部分的に変換される。後続のエンジン動作中に、修理コーティング２６は、コーティング２６の強度および他の機械的特性の向上に関連する乾燥反応、硬化反応、およびセラミック変換反応を受け続ける。エンジン熱への露出が、この組成物の接着剤の性質を本質的にポリマーからガラス状セラミックに変化させると考えられる。組成物が露出される温度が高いほど、より多くのセラミックが形成される。しかし、エンジン動作によって作られる最高温度では、この組成物が、多少ガラス状セラミック特性を保ち、完全にはセラミックに変換されないと考えられる。たとえば、シリコーンバインダを含む組成物の好ましい実施形態では、高温での長いエンジン動作中に、シリコーンなどのバインダが、シリカに熱分解し、シリカマトリクスを形成し、このシリカマトリクス内に、少なくとも３粒子サイズの耐火性材料が散在する。
【００４７】
反応促進剤を含む実施形態で、反応促進剤は、組成物の架橋および化学的定着または硬化を助ける。分散剤を含む組成物では、分散剤が、均質な混合および修理区域全体での塗布の均等な分散を保証するのを助ける。
【００４８】
本発明を、好ましい実施例に関して説明したが、当業者は、本発明の範囲から外れずに、さまざまな変更を行うことができ、その要素を同等物に置換できることを理解するであろう。さらに、本発明の本質的範囲から外れずに、特定の状況または材料を本発明の教示に適合させるために、多数の変更を行うことができる。したがって、本発明が、本発明を実行するために企図された最良の態様として開示された特定の実施形態に制限されるのではなく、本発明が、添付特許請求の範囲に含まれるすべての実施形態を含むことが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】局所化された破砕をこうむった遮熱コーティングによって保護された構成要素表面を示す断面図である。
【図２】本発明による遮熱コーティングの修理のある段階の、図１の構成要素表面を示す断面図である。
【図３】本発明による遮熱コーティングの修理のある段階の、図１の構成要素表面を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５０】
１０  構成要素
１２  遮熱コーティング（ＴＢＣ）システム
１４  ボンディングコート
１６  セラミック層
１８  酸化物薄膜
２０  局所化された破砕された領域
２２  露出された表面
２４  セラミック化学組成物
２６  セラミック修理コーティング
【図１】
2007007647.tif 000008
【図２】
2007007647.tif 000009
【図３】
2007007647.tif 000010