(57)【要約】【課題】  摩耗を低減し、部品の寿命を延ばして、コストを低減するためのシステム及び方法を提供する。【解決手段】  皮膜を受けるように構成される部品と、除去できるように構成されたミラー部品であって、部品の１以上の表面と実質的に鏡映である１以上のコート表面を有するミラー部品とを備え、皮膜は、部品の１以上の表面の表面物性を高めるためのものであり、熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）によって皮膜がミラー部品から部品に転写される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
部品の表面物性を高めるためのシステムであって、当該システムが、
皮膜（６０）を受けるように構成される部品（３０）と、
除去できるように構成されたミラー部品（５６）であって、前記部品（３０）の１以上の表面と実質的に鏡映である少なくとも１つのコート表面を有するミラー部品（５６）とを備えており、
前記皮膜（６０）が前記部品（３０）の１以上の表面の表面物性を高めるためのものであり、熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）によって前記皮膜（６０）が前記ミラー部品（５６）から前記部品（３０）に転写される、システム。
【請求項２】
前記皮膜が耐摩耗皮膜である、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記耐摩耗皮膜が炭化タングステン（ＷＣ）皮膜である、請求項２記載のシステム。
【請求項４】
前記部品が、ガスタービン燃焼器のトランジションピースを支持ピースに固定するように構成される実質的にＨ形ブロックであり、前記部品の１以上の表面が、第１の表面、第２の表面及び第３の表面を含んでおり、前記第１の表面が前記第２の表面と実質的に直交し、前記第２の表面が前記第３の表面と実質的に直交し、前記第３の表面が前記第１の表面と実質的に平行で実質的に同じ表面積である、請求項３記載のシステム。
【請求項５】
部品の表面物性を高めるための方法であって、
ミラー部品の１以上の表面に皮膜を設ける段階（７８）と、
前記部品の１以上の表面と実質的に鏡映であって表面物性を高めるための前記皮膜を熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）によって前記ミラー部品から前記部品に転写する段階（８０）と、
前記ミラー部品を除去する段階（８２）と
を含む方法。
【請求項６】
前記皮膜が耐摩耗皮膜である、請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記耐摩耗皮膜が炭化タングステン（ＷＣ）皮膜である、請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記部品が、ガスタービン燃焼器のトランジションピースを支持ピースに固定するように構成される実質的にＨ形ブロックであり、前記部品の１以上の表面が、第１の表面、第２の表面及び第３の表面を含んでおり、前記第１の表面が前記第２の表面と実質的に直交し、前記第２の表面が前記第３の表面と実質的に直交し、前記第３の表面が前記第１の表面と実質的に平行で実質的に同じ表面積である、請求項７記載の方法。
【請求項９】
部品の表面物性を高めるためのシステムであって、当該システムが、
皮膜を受けるように構成される部品（６２）と、
前記ミラー部品（７０）と前記部品（６２）との間に間隙（７４）を生じるように構成され、前記部品（６２）の１以上の表面と実質的に鏡映である１以上の表面を有するミラー部品（７０）と、
前記間隙（７４）に配置され、前記部品（６２）の１以上の表面の表面物性を高める皮膜用粉体と
を備えており、
前記皮膜用粉体を前記部品（６２）の１以上の表面に施工するために熱間静水圧プレスが実施される、システム。
【請求項１０】
前記部品が、ガスタービン燃焼器のトランジションピースを支持ピースに固定するように構成される実質的にＨ形ブロックであり、前記部品の１以上の表面が、第１の表面、第２の表面及び第３の表面を含んでおり、前記第１の表面が前記第２の表面と実質的に直交し、前記第２の表面が前記第３の表面と実質的に直交し、前記第３の表面が前記第１の表面と実質的に平行で実質的に同じ表面積である、請求項９記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示される主題の実施形態は、全体的には摩耗保護に関する。
【背景技術】
【０００２】
部品同士が接触する様々なシステムでは摩耗が生じるおそれがある。装置の寿命が縮まり、装置のダウンタイムが長くなり、コスト増を招くおそれがあるので、摩耗は概して望ましくない。部品が摩耗する装置の一例はガスタービンである。ガスタービンでは、高温燃焼ガスをタービンの第１段に供給するため燃焼器が用いられる。本装置で用いられる各燃焼器は、通例、１以上の燃料ノズルを有する燃料噴射装置と燃焼室とを含んでいる。典型的な燃焼室は、燃焼器ライナと、燃焼室とタービンの第１段との間に結合されてその間に延在するトランジションピースと、フロースリーブとを備える。燃焼器ライナとフロースリーブとの間には通路が形成され、燃料ノズルからシステムに噴射される燃料と混合するため及び冷却のため、圧縮機の吐出空気の少なくとも一部を燃焼器ライナに導入することができる。さらに、トランジションピースは、高温燃焼ガスを動力発生及び膨張のためにタービンの第１段に案内及び供給する。
【０００３】
詳細には、図１を参照して、燃焼器とそれに付属するトランジションピースを説明する。ガスタービン用の燃焼器２は燃焼器ライナ６の内側に燃焼室４を有していて、燃焼器ライナ６は円筒形の形状とすることができる。燃料は、ノズルから燃焼室４に入る。燃焼器ライナ６は、実質的に円筒形のフロースリーブ８で囲繞される。ただし、燃焼器ライナ６と円筒形フロースリーブ８との間には半径方向のギャップが存在していて、燃料ノズル１２から供給される燃料と混合される空気を燃焼室４に導入するための空気流路として機能する。トランジションピース１０は、燃焼器ライナ６をタービンの第１段（図示せず）に結合する。
【０００４】
運転時、ある種の燃焼部品は、例えば、ハードウェアの振動に起因する摩耗の影響を受ける。この摩耗は、ダウンタイム及び交換部品に関連する保守及び費用コストを発生させる。ガスタービンの燃焼部品を例示したが、他のタイプの機械の他の部品も同様に摩耗を生じる場合がある。部品の摩耗を低減するための可能な方法の一つは、部品の表面に耐摩耗性皮膜をスプレーすることである。このスプレー塗工メカニズムは、所望の塗工面に対して約９０度の角度をなすスプレーノズルで実施される。コーナ部及び様々な曲面部を塗工することが望まれる部材の幾何形状によっては、（塗工スプレーノズルと部品表面との間で）常に所望の角度を達成できるとは限らないので、皮膜が薄くなったり、全く塗工されない部分が生じるおそれがある。
【０００５】
そこで、摩耗を低減し、部品の寿命を延ばして、コストを低減するためのシステム及び方法が望まれている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
例示的な実施形態では、部品の表面物性を高めるシステムを提供する。本システムは、皮膜を受けるように構成される部品と、除去できるように構成されたミラー部品であって、部品の１以上の表面と実質的に鏡映である１以上のコート表面を有するミラー部品とを備えており、皮膜は、部品の１以上の表面の表面物性を高めるためのものであり、熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）によって皮膜がミラー部品から部品に転写される。
【０００７】
別の例示的な実施形態では、部品の表面物性を高める方法を提供する。本方法は、ミラー部品の１以上の表面に皮膜を設ける段階と、部品の１以上の表面と実質的に鏡映であって表面物性を高めるための皮膜を、熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）によって、ミラー部品から部品に転写する段階と、ミラー部品を除去する段階とを含む。
【０００８】
さらに別の例示的な実施形態では、部品の表面物性を高めるシステムを提供する。本システムは、皮膜を受けるように構成される部品と、ミラー部品と部品との間に間隙を生じるように構成され、部品の１以上の表面と実質的に鏡映である１以上の表面を有するミラー部品と、間隙に配置され、部品の１以上の表面の表面物性を高める皮膜用粉体とを備えており、皮膜用粉体を部品の１以上の表面に施工するために熱間静水圧プレスが実施される。
【０００９】
添付の図面は例示的な実施形態を示す。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】従来の燃焼器及びトランジションピースを示す。
【図２】例示的な実施形態による、接触する２部品を示す図。
【図３】例示的な実施形態による、フランジに取り付けられるＨ形ブロックを示す図。
【図４】例示的な実施形態による、フォークを示す図。
【図５】例示的な実施形態による、燃焼器ライナストップ及びその嵌合ピースを示す図。
【図６】例示的な実施形態による、Ｈ形ブロックを示す図。
【図７】例示的な実施形態による、ミラー部品への耐摩耗皮膜のスプレーを示す図。
【図８】例示的な実施形態による、ミラー部品からＨ形ブロックへの耐摩耗皮膜の転写を示す図。
【図９】例示的な実施形態による、ミラー部品の除去を示す図。
【図１０】例示的な実施形態による、耐摩耗皮膜を備えるＨ形ブロックを示す図。
【図１１】例示的な実施形態による、摩耗部品及びミラー部品を示す図。
【図１２】例示的な実施形態による、部品とミラー部品との間の間隙を示す図。
【図１３】例示的な実施形態による、間隙をタングステン炭素粉体で充填することを示す図。
【図１４】例示的な実施形態による、摩耗を低減する方法を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下の例示的な実施形態の詳細な説明は添付の図面を参照する。異なる図面の同じ参照番号は同じ又は類似の部品を示す。さらに、図面は必ずしもスケール調整されていない。また、以下の詳細な説明は本発明を限定するものではない。その代わりに、本発明の範囲は、添付の請求項によって規定される。
【００１２】
本明細書を通して「一実施形態」又は「実施形態」として言及することは、実施形態に関連して説明される具体的な特徴、構造、又は特性が本発明の少なくとも一実施形態に含まれることを意味する。従って、本明細書全体を通じて様々な箇所で表現「一実施形態では」又は「ある実施形態では」が出現するが、必ずしも同じ実施形態について言及している訳ではない。さらに、具体的な特徴、構造、又は特性は、１以上の実施形態ではあらゆる好適な様態で組み合わせてもよい。
【００１３】
例示的な実施形態では、部品又は部品の１以上の表面物性を高めることができる。表面物性強化の例としては、摩耗環境、酸性環境、腐食環境で使用できる部品及び／又は熱障壁として使用される部品の強化を挙げることができる。これらの部品は、複数の表面を有することができ、機械の部品、配管、コネクタ等の種々の用途に利用できる。
【００１４】
強化できる表面物性の一例は摩耗低減である。例示的な実施形態では、耐摩耗皮膜は、摩耗が生じる部品の表面に施工することができる。部品は、例えば、他の部品との物理的接触で摩耗が生じる１以上の表面を含むことができる。この２つの部品の間の物理的接触は、摩擦、起動／停止運動によって引き起こされる接触、振動等の種々のメカニズムで生じることができる。部品は、種々の形状又は寸法とすることができる。摩耗表面幾何形状の一例として、限定されるものではないが、平面、成形表面、内面、凹面、凸面及び他の幾何学的に成形された表面を含む。例えば、任意の２つの嵌合部品は、種々の環境下で摩耗を生じる場合がある。図２は互いに接触する２つの部品の実施例を示し、第１の部品１４は第２の部品１６と接触状態にあり、システムが、配置場所で例えば第１の部品１４及び第２の部品１８の振動の作用を受ける場合に、２つの部品の間で摩耗が生じる。摩耗は共通の接触表面６で両方の部品で生じる。
【００１５】
例示的な実施形態では、摩耗部品に関連する接触点及び接触表面の摩耗特性は、有効寿命が延びるように変更できる。例示的な実施形態を説明する前に、図３〜図５は、ガスタービン燃焼システムにおいて摩耗する傾向にある部品に関する関連状况を説明する。部品が摩耗するシステムの単なる例示的な実施例としてガスタービン燃焼システムを用いるが、他のシステムの他の部品も摩耗を被る場合があることを理解されたい。種々の他の部品、機械及びシステムは、本明細書で説明する例示的な実施形態からの利益を享受することができる。
【００１６】
まず、図３に示すように、トランジションピース１０は、開口２２を有するフランジセクション２０を備えることができる。開口２２内でフランジセクション２０にはＨ形ブロック（又は実質的にＨ形ブロック）２４が取り付けられる。図３では単一のＨ形ブロック２４及び単一のフランジセクション２０が示されるが、トランジションピース１０に取り付けられる２つのピース／セクションとすることができる。フォーク２６及び２８は、フィンガー要素の対向する接面がＨ形ブロック２４のクロスピース３０の反対側に係合できるように、Ｈ形ブロック２４内に摺動可能に収容される。摩耗は、フォーク２６及び２８が摺り合わさるか又は振動するＨ形ブロック２４の内面で生じる場合がある。また、摩耗は、Ｈ形ブロック２４の内面に接触するフォーク２６及び２８の接面で生じる場合がある。例示的な実施形態では、図４は、摩耗表面を有することができる内側Ｕ形表面３２を含むフォーク２６及び２８を示す。
【００１７】
図５は、燃焼器ライナストップ３４及び雄嵌合ピース３６を示す。これらの２つのピースが嵌合する箇所は燃焼器２の運転中に摩耗が起こり得る場所でもある。さらに、Ｈ形ブロック２４、燃焼器ライナストップ３４及びこれらのそれぞれの嵌合ピースは、例えば、Ｌ−６０５、Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ  Ｘ、又は他の所謂「超合金」のコバルト基超合金から作ることができる。
【００１８】
運転時に、種々の摩耗部品のいくつかは、比較的寿命が短い場合があり、結果的に検査及び取り替え頻度が所望の頻度よりも高くなってしまう。例示的な実施形態では、耐摩耗皮膜の施工は、種々の摩耗部品の耐摩耗性を高めることができるので、種々の摩耗部品の検査及び取り替え頻度を少なくすることができる。使用する耐摩耗皮膜の量の考慮すべき事項は、限定されるものではないが、脆性、延性及び硬度である。適切な条件のための所望の特性を得るために、種々の合金化元素を耐摩耗皮膜に導入することができる。
【００１９】
例示的な実施形態では、耐摩耗皮膜は、直接スプレー法では適切に塗工できない摩擦表面へ施工するために、例えば、低炭素鋼インサートのミラー部品上にスプレーすることができる。所謂「ミラー部品」の幾何形状は、皮膜が転写される部品表面の幾何形状をほぼ鏡映する。ミラー部品にスプレーされた耐摩耗皮膜の厚さは、皮膜材料、転写皮膜の所望の厚さ及び転写時の温度及び圧力に基づく望ましい転写特性、並びに摩耗部品を製造する際に使用する材料の拡散特性等の要因に基づいて変えることができる。炭化タングステン層は、熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）プロセスによりミラー部品から１以上の部品の摩耗表面に転写することができる。
【００２０】
例示的な実施形態では、皮膜の利益を享受できる部品の実施例は、図６に示すような形状に適合可能なＨ形ブロック３０である。Ｈ形ブロック３０は、過剰な原材料量、約２ｍｍを含むことができる。Ｈ形ブロック３０の各半分は破線３８で分割され、各「半部分」の内側に３つの摩耗表面を有する。Ｈ形ブロック３０の第１の半部分４０は、内側摩耗表面４４、４６及び４８を有する。Ｈ形ブロック３０の第２の半部分４２は、３つの内側摩耗表面５０、５２及び５４を有する。摩耗表面は、Ｈ形ブロック３０の内側表面とすることができ、第１の表面４６が第２の表面４４に実質的に直交し、第２の表面４４は第３の表面４８に実質的に直交し、第３の表面４８は第１の表面４６に実質的に平行で同じ表面積を有している。
【００２１】
前述のように、耐摩耗皮膜は、摩耗表面にスプレーすることができる。例示的な実施形態では、図８に示すように、耐摩耗皮膜は、ノズル５８によってインサート５６上に高速酸素燃料溶射法又はプラズマ溶射法で施工できる。ミラー部品５６の幾何形状は、被覆される摩耗表面、本例の場合はＨ形ブロック３０の摩耗表面４４、４６及び４８の幾何形状のほぼ鏡映である。
【００２２】
例示的な実施形態では、次に炭化タングステン皮膜６０は、図８に示すように、ＨＩＰプロセスによってＨ形ブロック３０の摩耗表面４４、４６及び４８に転写できる。ＨＩＰプロセスは約１２００°Ｃ及び１００ＭＰａで行うことができるが、炭化タングステン皮膜６０のＨ形ブロック３０への所望の拡散が確実に生じるよう、他の温度及び圧力を使用することができる。さらに、図示されていないが、この工程は、Ｈ形ブロック３０の両側４０及び４２で行うことができる。さらに、異なる部品及び部品の組成物及び異なる耐摩耗皮膜の組成物（又は他のタイプの皮膜）に関して、ＨＩＰプロセスでは種々の温度及び圧力を使用できる。
【００２３】
例示的な実施形態では、図９に示すように、ミラー部品５６は、酸浸出（又はエッチング）及び／又は機械加工及び／又は他のプロセスによって除去することができる。ミラー部品５６の周りの点線は、Ｈ形ブロック３０からのミラー部品５６の除去を示す。さらに、Ｈ形ブロック３０の摩耗表面４４、４６及び４８上の炭化タングステン皮膜６０の存在は、所望のようにＨ形ブロック３０内に拡散した炭化タングステン皮膜６０によってこの表面が覆われていることを示す。酸浸出後、非保護及び／又は非被覆表面から例えば約２ｍｍの酸浸出で変化した過剰な原材料を機械加工で除去することができる。次に、Ｈ形ブロック３０は、所望の最終寸法に機械加工することができる。図１０は完成したＨ形ブロック３０を示し、全ての内側摩耗表面４４〜５４には炭化タングステン皮膜が施されている。前述のように、類似の方法をミラー部品からフォーク２６及び２８の１以上の摩耗表面へ、並びに燃焼器ライナストップ２６及び２８の摩耗表面３２上へ耐摩耗皮膜を転写するために使用できる。炭化タングステン皮膜６０は、皮膜の一例として考えることができるが、必要であれば、例えば部品の使用環境に基づいて表面物性の所望の強化をもたらす他の皮膜を使用できる。
【００２４】
例示的な実施形によれば、図１１〜図１３に関して説明するように、部品の表面に皮膜を施工する他の方法を実施できる。この皮膜は、耐摩耗皮膜又は他の表面物性強化に関連する皮膜とすることができる。図１１は、２つの内側表面６４、６６及び６８を備える部品６２を示す。また、低炭素鋼又は必要に応じて他の材料で作ることができるミラー部品７０を示す。ミラー部品７０は、３つの内側表面６４、６６及び６８をほぼ鏡映し、ミラー部品７０は、図１２に示すように部品６２の開口７２内に配置される。例示的な実施形態では、３つの内側表面６４、６６、６８とミラー部品７０との間に間隙を設けることができる。間隙７４の所望の寸法は、必要に応じて、ミラー部品７０をサイズ調整することで管理できる。さらに、間隙７４の寸法は、必要に応じて、種々の測定方法で確認することができる。この間隙７４は、３つの内側表面６４、６６及び６８に対して耐摩耗性又は他の表面物性強化をもたらす粉体で充填できる。
【００２５】
例示的な実施形態では、図１３に示すように、間隙７４はＷＣ粉体７６で充填できる。次に、熱間静水圧プレスを行ってＷＣ粉体７６を部品６２の３つの内側表面６４、６６及び６８上の皮膜とすることができる。例示的な実施形態では、次に、酸浸出を使用してミラー部品７０を除去することができ、その後に部品６２の最終機械加工を行って所望の完成寸法を得ること及び／又は酸浸出プロセスで損傷した過剰の原材料を除去することができる。別の例示的な実施形態では、ミラー部品は、２以上のピースから作ることができ、そのうちのいくつかは機械的に除去することができる。このことは、酸浸出量を低減するために行うことができ、ミラー部品７０の形状に基づいて望ましい場合がある。
【００２６】
例示的な実施形態では、前述のように、皮膜は、金属ミラー部品上にスプレーすること、又はＨＩＰプロセスを受ける前に粉体として施工することができる。皮膜は、炭化タングステンとすることができる。もしくは、必要に応じて、種々の他の元素及び合金を耐摩耗皮膜として使用できる。例えば、コバルト及び／又はクロムを炭化タングステンに添加して皮膜の所望の性質を得ることができる。例示的な実施形態では、コバルトを含有する炭化タングステンの含有組成範囲は、８３％炭化タングステン及び１７％コバルトから９１％炭化タングステン及び９％コバルトまでとすることができる。もしくは、適宜、炭化タングステン及び／又はコバルトの割合を調整して、例えば４％のクロムを添加することができる。これらの組成範囲は限定的ではなく、他の組成範囲（及び／又は、材料）を使用して耐摩耗皮膜の所望の性質を得ることができることを理解されたい。さらに、所望の機械的／材料的性質をもたらし、ＶＯＦ及び／又は溶射法で施工できる他の皮膜を使用できる。例示的な実施形態では、皮膜の厚さは表面上で実質的に均一の厚さとすることができる。別の例示的な実施形態では、種々の厚さの皮膜を使用できる。
【００２７】
前述のように、ミラー部品は、実質的に他の表面（又は表面の一部）の鏡映として形作ることができ、ＨＶＯＦの直接スプレー法及び／又はプラズマ法は望ましくない場合又は実行できない場合さえある。例示的な実施形態では、前述の他の形状は本明細書に開示する例示的なシステム及び方法からの利益を享受できる。例えば、平坦、湾曲、凹形（又は、管の内面のような閉じたもの）、又は他の所望の幾何形状とすることができる他の表面は、例示的な方法及びシステムを用いて施工された皮膜を有することができる。
【００２８】
例示的な実施形態による前述の例示的なシステムを利用する、表面物性を高める方法を図１４のフローチャートに示す。少なくとも１つの部品の表面物性を高める方法は、ステップ７８のミラー部品の１以上の表面に皮膜を設ける段階と、ステップ８０の熱間静水圧プレスによって、部品の１以上の表面と実質的に鏡映であって表面物性を高めるための皮膜をミラー部品から部品に転写する段階と、ステップ８２のミラー部品を除去する段階とを含む。
【００２９】
前述の例示的な実施形態は、限定的ではなく、全ての点で本発明を例示することが意図されている。従って、本発明は、具体的な実例において当業者であれば明細書の記載から導き出すことができる多数の変形例を含むことができる。全ての変形例及び変更例は、添付の請求項に規定する本発明の範疇及び精神の範囲内にあると見なされる。本出願明細書で使用する要素、作動、又は命令は、明示しない限り、発明に不可欠又は絶対に必要なものであると解釈すべきである。また、本明細書で使用する単数形態は、１以上の品目を含むことが意図されている。
【００３０】
本明細書は、開示される主題の実施例を用いて、あらゆる当業者があらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること及びあらゆる包含の方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、本発明の範囲内にあるものとする。
【符号の説明】
【００３１】
３０  部品
５６  ミラー部品
６０  皮膜
【図１】
2013122089.tif 000003
【図２】
2013122089.tif 000004
【図３】
2013122089.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2013122089.tif 000009
【図８】
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【図９】
2013122089.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
2013122089.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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