遮熱コーティングの補修方法並びに得られる補修コーティング
【課題】 遮熱コーティング（ＴＢＣ）、特にアルミナ−シリカ組成物系ＴＢＣの補修に適したコーティング組成物及び補修方法の提供。
【解決手段】 本発明の方法では、中実セラミック粒子と中空セラミック粒子とシリカ前駆体バインダーとを含有するコーティング組成物を調製し、開口、例えばＴＢＣの剥離によって露出した部品の表面領域にコーティング組成物を施工し、次いでバインダーを反応させて部品の表面領域を覆う補修コーティングを生じさせる。得られる補修コーティングは、バインダーの熱分解によって生じるシリカマトリックス中に中実セラミック粒子と中空セラミック粒子を含んでいる。
【解決手段】 本発明の方法では、中実セラミック粒子と中空セラミック粒子とシリカ前駆体バインダーとを含有するコーティング組成物を調製し、開口、例えばＴＢＣの剥離によって露出した部品の表面領域にコーティング組成物を施工し、次いでバインダーを反応させて部品の表面領域を覆う補修コーティングを生じさせる。得られる補修コーティングは、バインダーの熱分解によって生じるシリカマトリックス中に中実セラミック粒子と中空セラミック粒子を含んでいる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンの過酷な熱的環境のような高温に暴露される部品のためのコーティングに関する。具体的には、本発明は、局所的剥離を起こした遮熱コーティングの補修方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
航空機及び産業用（発電）ガスタービンエンジンのホットセクション部品は遮熱コーティング（ＴＢＣ）で保護されることが多く、その皮膜下の部品基材の温度を下げて部品の実用寿命を延ばす。セラミック材料、特にイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）は、高温性能、低い熱伝導率、並びにプラズマ溶射、フレーム溶射及び電子ビーム物理気相成長法（ＥＢＰＶＤ）のような物理気相成長法（ＰＶＤ）による製膜が比較的容易であることから、ＴＢＣ材料として広く使用されている。大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）は、機器費用が比較的低く、施工及びマスキングが容易であるので、他の製膜法よりも好ましいことが多い。
【０００３】
分析の結果、ＡＰＳ法で成膜したＹＳＺ ＴＢＣは、約２５０〜５００μｍの典型的な厚さで製膜した場合、熱放射（波長約７８０ｎｍ〜約１ｍｍ）に約２０％〜７０％透明であることが判明した。そのため、かかるＴＢＣで得られる熱保護は、ガスタービンの燃焼器セクションのような熱放射負荷の高い環境では、それらの赤外線（ＩＲ）透過率によって損なわれる。これに対応すべく、燃焼器ハードウェア及び同様な作動条件に暴露される他のハードウェアを遮熱するための他の材料が提案されている。注目すべき例として、燃焼器で特に問題となるＩＲ波長（例えば波長約０．３〜約６μｍ）に不透明なアルミナ及びシリカを含有する材料がある。これらのコーティング材料は、質量が低く、遮熱特性に優れるという利点もある。こうしたコーティング材料から形成されたＴＢＣの具体例では、アルミナ粉末粒子とシリカ前駆体を含有する混合物を使用し、保護すべき表面に施工し、加熱して前駆体を熱分解し、アルミナ粉末粒子が分散したシリカマトリックスを形成する。混合物は、テープとして予備成形してから表面に貼り付けてもよいし、或いは表面に溶射してもよい。例として、本願出願人に譲渡された米国特許第６１６５６００号、同第６１７７１８６号、同第６２１０７９１号、同第６４６５０９０号及び同第６８２７９６９号を参照されたい。
【０００４】
ＴＢＣ系が有効であるには、低い熱伝導率を有していなければならず、部品に強固に密着していなければならず、さらに多くの加熱・冷却サイクルを通して密着し続けていなければならない。後者の要件は、ＴＢＣのセラミック材料と、保護される基材（通例金属超合金）との熱膨張率が異なるために特に厳しいものである。ＴＢＣ皮膜系の接着を促進し、その実用寿命を延ばすために、耐酸化性ボンドコートが使用されることが多い。ボンドコートは典型的にはＭＣｒＡｌＸ（式中、Ｍは鉄、コバルト及び／又はニッケルであり、Ｘはイットリウム、希土類元素及び／又は反応性元素である。）又は拡散アルミナイド皮膜のようなオーバーレイ皮膜の形態である。セラミックＴＢＣの製膜及び高温暴露時（エンジン作動時）に、ボンドコートはアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）層又はアルミナスケールを形成してＴＢＣをボンドコートに接着させる。
【０００５】
ＴＢＣ系の実用寿命は、通例、ボンドコートの酸化、界面応力の増大とそれに起因する熱疲労によって促進される剥離現象によって制限される。技術は大きく進歩しているが、遮熱コーティングが剥離してしまった部品を補修する必要性は避けることができない。剥離は通例局所的な領域又はパッチで起こるが、従来の補修法で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修復又は補修してから、部品全体を再度被覆する。代替法として、Ｎａｇａｒａｊらの米国特許第５７２３０７８号には、ＴＢＣの剥離した領域をプラズマ溶射法を用いて選択的に補修する方法が教示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第６１６５６００号明細書
【特許文献２】米国特許第６１７７１８６号明細書
【特許文献３】米国特許第６２１０７９１号明細書
【特許文献４】米国特許第６４６５０９０号明細書
【特許文献５】米国特許第６８２７９６９号明細書
【特許文献６】米国特許第５７２３０７８号明細書
【特許文献７】米国特許第６２９４２６１号明細書
【特許文献８】米国特許第５７５９９３２号明細書
【特許文献９】米国特許第５９８５３６８号明細書
【特許文献１０】米国特許第５１２３２４８号明細書
【特許文献１１】米国特許第５２１１５３６号明細書
【特許文献１２】米国特許第５８１７３７２号明細書
【特許文献１３】米国特許第６０４７５３９号明細書
【特許文献１４】米国特許第６３６８７２７号明細書
【特許文献１５】米国特許第５０５９０９５号明細書
【特許文献１６】米国特許第５３８４２００号明細書
【特許文献１７】米国特許第４３３８３６０号明細書
【特許文献１８】米国特許第６７２６４４４号明細書
【特許文献１９】米国特許第５８１７３７１号明細書
【特許文献２０】米国特許第６０２２５９４号明細書
【特許文献２１】米国特許第４２３２５２７号明細書
【特許文献２２】米国特許第５６２６９２３号明細書
【特許文献２３】米国特許第４０３０９３６号明細書
【特許文献２４】米国特許第４３３２６１８号明細書
【特許文献２５】米国特許出願公開第２００７０１３４４０８号明細書
【特許文献２６】米国特許出願公開第２００５０２８２０２０号明細書
【特許文献２７】米国特許出願公開第２００５０２２８０９８号明細書
【特許文献２８】米国特許出願公開第２００５０１００７５７号明細書
【特許文献２９】米国特許出願公開第２００２０１８２３６２号明細書
【特許文献３０】米国特許出願公開第２００３０２０７１５５号明細書
【特許文献３１】米国特許出願公開第２００４０２１４９３８号明細書
【特許文献３２】米国特許出願公開第２００５００３１８４６号明細書
【特許文献３３】米国特許出願公開第２００２０１０２３６０号明細書
【特許文献３４】米国特許出願公開第２００２０１０２４１１号明細書
【特許文献３５】米国特許出願公開第２００３０１３８６５８号明細書
【特許文献３６】米国特許出願公開第２００４０１９７５８０号明細書
【特許文献３７】米国特許出願公開第２００３０２００７５２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
大型発電タービンの場合、ＴＢＣが局所的にしか剥離していない部品を取り外すために発電を長期間完全に停止するのは経済的に望ましくない。そのため、ＴＢＣの剥離が認められた部品を分析して高応力領域で剥離が起きているか否かを調べてから、部品の熱保護の低下に起因するタービンの損傷のリスクについて判断することが多い。熱保護の低下が過大であると部品の破壊的故障を招きかねない。ＴＢＣを補修することに決定したら、剥離した部品を取り外し、剥離表面領域に新たなＴＢＣ材料をプラズマ溶射によって製膜する。かかる補修法はＹＳＺ系ＴＢＣの補修に多用されている。しかし、上述のアルミナ−シリカＴＢＣ材料の補修に適したものを含めて、新たな補修材料及び補修技術に対するニーズは依然として存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、部品のＴＢＣの補修に適したコーティング組成物及び補修方法、特にアルミナ−シリカ組成物系ＴＢＣ材料を提供する。
【０００９】
本発明の第１の態様では、方法は、中実セラミック粒子と中空セラミック粒子とシリカ前駆体バインダーとを含むコーティング組成物を調製し、コーティング組成物を部品の露出した表面領域（例えば局所的剥離によって露出した領域）に施工し、次いでバインダーを反応させて、部品の表面領域を被覆する補修コーティングを得ることを含む。得られる補修コーティングは、バインダーの熱分解によって形成されたシリカマトリックス中に中実セラミック粒子及び中空セラミック粒子を含んでいる。本発明は、コーティング組成物及び補修ＴＢＣも包含する。
【００１０】
上述のコーティング組成物及び得られる補修コーティングはアルミナ−シリカ系ＴＢＣ材料と適合性であり、中空セラミック粒子は、密度を下げるとともに補修コーティングの遮熱及び耐エロージョン性を高めるという追加の利点ももたらす。中実及び中空セラミック粒子に好ましい材料は、タービンエンジンの燃焼器セクションで特に問題となるＩＲ波長（例えば約０．３〜約６μｍの波長）に不透明である。従って、補修コーティングに好ましい材料は補修ＴＢＣの熱反射性を損なわない。
【００１１】
以上から、本発明の方法では、ＴＢＣの補修に際して、ＴＢＣを完全に除去する必要もなければ、部品を取り外す必要もないことが分かる。本方法では、シリカ前駆体バインダーを最初に硬化させれば補修コーティングはエンジン作動に耐えられる十分な強度を呈し、エンジン作動中に前駆体バインダーがシリカマトリックスを形成するように徐々に変換されるので、高温処理も必要としない。その結果、補修を完了し、タービンエンジンの作動を再開するまでに要する休止時間が最小限となる。大型発電タービンの場合、剥離が局所的にしか起きていない部品を取り外し、補修し、再度取り付けるため発電を長期間完全に停止することの費用が回避される。
【００１２】
本発明の方法は、特に限定されないが、アルミナ−シリカ組成物以外の材料から形成され、航空機及び産業用（発電）ガスタービンエンジンのホットセクション部品に施工されるＴＢＣを始めとして、熱負荷に暴露される多種多様な部品のセラミック皮膜の補修に使用できる。
【００１３】
本発明のその他の目的及び利点については、以下の詳細な説明から理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、局所的剥離を起こした遮熱コーティングで保護された部品表面の概略断面図である。
【図２】図２は、本発明の好ましい実施形態による遮熱コーティングの補修時の図１の部品表面の概略断面図である。
【図３】図３は、本発明の好ましい実施形態による遮熱コーティングの補修時の図１の部品表面の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明は、比較的高い温度で特徴付けられる環境中で作動し、厳しい熱応力、熱サイクリング及び熱放射負荷に付される遮熱コーティングで保護された部品に関する。かかる部品の具体例としては、航空機及び産業用途で用いられるガスタービンエンジンの高圧及び低圧タービンノズル及びブレード、シュラウド、燃焼器ライナー、二次シール及びオーグメンターハードウェアがある。特に、本発明は、熱伝導及び熱放射に対して遮熱性を示す遮熱コーティング（ＴＢＣ）に関する。本発明の利点を、特にタービンエンジンの燃焼器部品について当てはまるものとして説明するが、本発明は、部品を環境から遮熱するための遮熱コーティングを使用し得るあらゆる部品に広く応用できる。
【００１６】
図１に、部品１０の表面領域を、例えば局所的剥離によって露出した領域２０を有する遮熱コーティング（ＴＢＣ）系１２と共に示す。ＴＢＣ系１２は、部品１０の表面上のボンドコート１４と、ボンドコート１４上に遮熱コーティングとして製膜されたセラミック層（ＴＢＣ）１６からなるものとして図示してある。ガスタービンエンジンのホットセクション部品でみられるように、部品１０はニッケル基、コバルト基又は鉄基超合金から形成し得る。ボンドコート１４は、その下の部品１０を酸化から保護するとともにセラミック層１６が部品１０に強固に接着できるように、好ましくは耐酸化性金属材料から形成される。ボンドコート１４に適した材料としては、特に限定されないが、ＭＣｒＡｌＸオーバーレイ皮膜及び拡散アルミナイド皮膜が挙げられる。ボンドコート１４の製膜後、高温でボンドコート１４の表面に酸化物スケール１８が生じる。酸化物スケール１８は、セラミック層１６がさらに強く接着する表面を与えて、セラミック層１６の耐剥離性を増大させる。
【００１７】
セラミック層１６はＴＢＣ材料として広く使用されているＹＳＺ材料を始めとして、様々な材料から形成し得るが、本発明の補修方法の結果はセラミック層１６の熱膨張特性と以下に述べる補修材料との適合性の程度にある程度依存する。本発明の好ましい実施形態では、セラミック層１６は、タービンエンジンの燃焼器セクションで特に問題となるＩＲ波長に不透明なアルミナ／シリカ系材料（アルミナ、シリカ及び／又はアルミノケイ酸塩が主成分であるもの）である。かかる材料の具体例には、上述の米国特許第６１６５６００号、同第６１７７１８６号、同第６２１０７９１号、同第６４６５０９０号及び同第６８２７９６９号に記載されたものがあり、それらのコーティング組成物及びコーティング法に関する開示内容は援用によって本明細書の内容の一部をなす。セラミック層１６は、部品１０の表面に貼ったテープから形成してもよいし、部品表面に溶射した組成物から形成してもよいし、その他の適当な製膜法で形成してもよい。コーティング材料の好ましい例は、アルミナ粉末粒子及び適宜追加のセラミック粒子と、シリカ前駆体とを含んでいるものであり、これらを混合して部品表面に塗工し、加熱して前駆体を熱分解させて、粉末粒子が分散したシリカマトリックスを生じさせる。コーティング材料は、得られるセラミック層１６が部品１０に所要の熱保護をもたらすことができる十分な厚さで製膜される。
【００１８】
タービンエンジンの燃焼セクション内部に配置されると、部品１０の表面はエンジン作動中に高温燃焼ガスに暴露され、酸化、腐食及びエロージョンによる激しい作用に付される。従って、部品１０はＴＢＣ系１２によって過酷な作動環境から保護された状態を維持し続けなければならない。剥離に起因するセラミック層１６の損失は部品１０の早期劣化（往々にして急激な劣化である）を招く。そのため、図１に示すセラミック層１６の局所剥離領域２０を補修するか、或いは部品１０を廃棄する必要がある。本発明の好ましいＴＢＣ補修プロセスを図２及び図３に示す。部品１０の補修で実施される以下の各工程は、部品１０をタービンエンジンに取り付けたままで実施することができるので、部品を取り外し、後で取り付ける必要性は全くない。
【００１９】
補修プロセスは、非損傷セラミック層１６を傷つけずに、弱く付着した酸化物、グリース、オイル及びすすのような汚染物質を除去するため、局所剥離領域２０で露出した表面２２を洗浄することから始める。剥離領域２０で露出したセラミック層１６の十分に密着した残留物及び酸化物スケール１８は、図２に示す通り、剥離領域２０に堆積させるコーティング組成物２４の接着を依然として促進できる。本発明では、コーティング組成物２４は、１種以上の中実（非中空）セラミック粒子２６の粉末と１種以上の中空セラミック粒子（ミクロバルーン）２８の粉末とシリカ前駆体とを含有する混合物であり、十分に加熱すると図３に示すようにセラミック補修コーティング３０を形成する。さらに、コーティング組成物２４は、ガラス組成物などの他の充填材料を含んでいてもよい。
【００２０】
中実粒子２６は好ましくはアルミナであるが、その他のセラミック材料又は混合物を使用してもよい。好ましい材料は、アルミナ、マグネシア（ＭｇＯ）、チタニア（ＴｉＯ2）及びカルシア（ＣａＯ）を始めとする、ＩＲ波長に不透明な耐火性酸化物である。さらに、ＹＳＺ粒子を、約０．９〜約２．５μｍの波長に対する散乱部位として、中実粒子２６の一部として配合してもよい。コーティング組成物２４の粉末粒子２６その他の中実成分に好適な粒径は概して約０．０１〜約１００μｍであり、さらに好ましくは約０．１〜約２５μｍである。コーティング３０の具体的用途及び所望の構造に応じて、中実粒子２６用の好ましいアルミナ粉末としては、Ａｌｍａｔｉｓ社から入手できるＡ−１４（未粉砕焼成アルミナ粉末、粒径範囲約３〜５．５μｍ）、同じくＡｌｍａｔｉｓ社から入手できるＡ−１６ＳＧ（超粉砕熱反応性アルミナ粉末、粒径範囲約０．３〜０．５μｍ）及びＢａｉｋｏｗｓｋｉ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ社から入手できるＳＭ８（粒径範囲約０．１０〜０．６μｍ）が挙げられる。
【００２１】
コーティング３０の具体的用途及び所望の構造に応じて、中空セラミック粒子２８はアルミナ、他のセラミック材料又は１種以上のセラミック材料の混合物でよいが、好ましい材料はＩＲ波長に不透明なもの、例えばアルミノケイ酸塩を始めとするケイ酸塩及びアルミナである。図２及び図３では、中空粒子２８はコーティング組成物２４及び補修コーティング３０の全体に描かれているが、中空粒子２８は組成物２４及びコーティング３０の特定の領域、例えば最も内側、最も外側及び／又は中間領域に限定されていてもよい。本発明の好ましい態様では、中空セラミック粒子２８が果たす重要な役割は、タービンエンジンの燃焼器セクションで特に問題となるＩＲ波長に対するアルミナ−シリカセラミック層１６の全体としての不透明性を損なわずに補修コーティング３０の遮熱性を高めることである。その他の潜在的な利点として、不都合な重量増をほとんど又は全く伴わずに補修コーティング３０の耐エロージョン性を向上させることが挙げられる。中空粉末粒子２８は中実粉末粒子２６に比べて密度が低いので、中実粒子２６しか含まない同様のコーティング組成物の重量を超えずに補修コーティング３０の厚さを増したり、或いは同様な厚さの補修コーティング３０を軽量化することができる。中空粒子２８用の好ましい材料としては、粒子密度が０．４０ｇ／ｃｍ3未満のアルミノケイ酸塩が挙げられる。中空セラミック粉末の供給元は、Ｓｐｈｅｒｅ Ｏｎｅ社（Ｅｘｔｅｎｄｏｓｐｈｅｒｅｓ（商標））、３Ｍ社（Ｚｅｅｏｓｐｈｅｒｅｓ（商標））、Ｓｐｈｅｒｅ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ社（ｃｅｎｏｓｐｈｅｒｅ）及びＴｒｅｌｌｅｂｏｒｇ Ｅｍｅｒｓｏｎ ＆ Ｃｕｍｉｎｇ社（Ｅｃｃｏｓｐｈｅｒｅｓ（商標））など数多く存在する。好ましい中空セラミック粒子２８としては、Ｓｐｈｅｒｅ Ｏｎｅ社から入手できるＥｘｔｅｎｄｏｓｐｈｅｒｅｓ（商標）ＳＬ（約１０〜約１５０μｍ）及び３Ｍ社から入手できるＺｅｅｏｓｐｈｅｒｅｓ（Ｄ５０約１８μｍ）のような粒径範囲約０．０５〜約２００μｍのアルミノケイ酸塩がある。
【００２２】
シリカ前駆体はコーティング組成物２４中でバインダーとして機能する。好ましいシリカ前駆体はポリメチルシロキサンのようなシリコーン系組成物であると思料されるが、ＴＥＯＳ（テトラ−エチル−オルト−シリケート）又はコロイド状ケイ素源のような他のケイ素源及びセラミック前駆体も使用できると考えられる。特に好適な前駆体としては、Ａｐｏｌｌｏ Ｐｌａｓｔｉｃｓ社（例えば、ＳＲ３５０及びＳＲ３５５）及びＤｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ社のような供給元から入手できるポリシロキサン群のメチルセスキシロキサン混合物、並びにＭｏｎｓａｎｔｏ社からＢ−７９という商品名で入手できるポリビニルブチラールが挙げられる。
【００２３】
組成物２４の残りの成分は好ましくは有機物であって、主に担体としての液体又は溶媒と、適宜、界面活性剤、分散剤、及び／又は粉末粒子２６及び２８同士を接着して表面２２に施工することができる組成物２４を生じさせることのできる追加のバインダー／可塑剤である。追加成分の種類及び量に応じて、組成物２４は、固体ではあるが表面２２に貼り付けることのできる柔軟なテープとして配合及び処理することもできるし、或いはパテ又はペーストとして施工できるさらに柔軟で順応性に富む材料として配合及び処理することもできる。好適な担体液体／溶媒はエタノール、変性アルコール及びイソプロピルアルコールのような無水アルコールであるが、アセトン、トリクロロエチレン及びその他シリコーン材料と適合性のものも使用できる。好適な可塑剤としては、フタル酸ジブチル（ＤＢＰ）及びポリビニルブチラール（例えば、上述のＢ−７９）が挙げられる。組成物２４をテープの形態で使用する場合には、熱又は圧力でテープを表面２２に貼り付けて化学的又は機械的に付着させることができるように十分な割合のバインダー及び可塑剤が存在すべきである。また、組成物２４（特にテープとして調製されたもの）が剥離領域２０で露出した表面２２に付着できるように適度に粘着性の稠度を達成するため、界面活性剤を使用することもできる。好適な界面活性剤としては、Ｗｈｉｔｃｏ Ｃｈｅｍｉｃａｌ社からＰＳ２１Ａとして市販されているアルキル有機リン酸エステル酸界面活性剤がある。使用し得る他の界面活性剤は、Ｓｔｅｐｈａｎ社からＭｅｒｐｏｌ Ａという商品名で入手できる。
【００２４】
組成物２４に使用される有機物の割合は、補修プロセスで得ようとするコーティング３０の構造特性がその厚さによって変化するか否か、その場合に組成の異なる組成物２４の複数の層を表面２２に施工するか否かに依存し得る。例えば、施工コーティング材料２４の最も内側の層又は領域は、サブミクロン空隙を生じさせてコーティング３０の遮熱性能を高める望ましい気孔率レベルを得るのに十分なバインダー／可塑剤を含有するのが望ましいことがあるが、最も外側の層又は中間層に使用される有機物の割合は、気孔率を最小限にして耐摩耗性及び耐浸透性を高めるため、低いのが好ましい。
【００２５】
ペースト又はテープのいずれの形態で配合するにしても、コーティング３０の所定の領域が追加の性質改善を示すように配合するのが望ましいことがある。例えば、コーティング３０の最外表面領域は、ＩＲ反射性又はＩＲ吸収性の粒子、並びに耐エロージョン性及び／又は耐食性材料のような他の成分を含んでいてもよい。別の例は、部品１０の空力特性を高める滑らかな表面仕上げがコーティング３０の最外表面領域で得られるように配合することである。この場合、最外層としては、粒度の細かい中実及び／又は中空粒子２６及び２８を用いたコーティング組成物２４を施工するのが望ましい。例えば、コーティング３０の内部をＡ１４のようなアルミナ粉末材料を含有する組成物２４で形成し、コーティング３０の外表面を、Ａ１６ＳＧのような粒度の細かいアルミナ粉末材料を含有し、中空粒子２８を全く含んでいなくてもよい組成物２４で形成してもよい。
【００２６】
以下の表Ｉ及び表ＩＩに、それぞれペースト及びテープの形態のコーティング組成物２４の各成分の一般的範囲及び好ましい範囲を重量％で示す。
【００２７】
【表１】
表Ｉに具体例として示した量に関して、溶媒は好ましくは変性アルコール又はアセトンであり、中実粉末粒子は好ましくはＡ１６ＳＧ又はＡ１４アルミナであり、シリカ前駆体は好ましくはＳＲ３５０である。
【００２８】
【表２】
表ＩＩに具体例として示した量に関して、溶媒は好ましくは変性アルコール又はアセトンであり、中実粉末粒子は好ましくはＡ１６ＳＧアルミナであり、シリカ前駆体は好ましくはＳＲ３５５であり、追加のバインダーは好ましくはＢ−７９であり、可塑剤は好ましくはＤＢＰであり、界面活性剤は好ましくはＰＳ２１Ａである。表ＩＩのテープ組成物から溶媒を蒸発させてから、テープを部品表面２２に貼り付け、焼結して補修コーティング３０を形成する。
【００２９】
表Ｉ及び表ＩＩのシリカ前駆体の選択は、それらのシリカ収率にある程度依存する。表Ｉに示すＳＲ３５０バインダーは、コーティング組成物２４中に元々存在するＳＲ３５０バインダー量の約６０〜約７５重量％の量でシリカを生成するが、表ＩＩに示す同量のＳＲ３５５バインダーで得られるシリカの量は、テープコーティング組成物２４中に元々存在するＳＲ３５５バインダー量の約３０〜約４０重量％と低い。
【００３０】
本発明のコーティング組成物２４をペーストとして調製するのに適したプロセスでは、表Ｉに示す成分を一緒に混合して適当なペースト状稠度とした後、組成物２４をコテなどで塗工して剥離領域２０を埋めればよい。組成に応じて、ペースト状組成物２４のバインダーは室温で反応させることもできるし、或いは補修コーティング３０の強度がタービンエンジンでの作動に必要なレベルに達するまで、加熱ランプ、トーチその他の熱源などで加熱することによって反応を促進してもよい。好ましいシリコーンバインダーを硬化させるための好適な硬化処理は室温で約１６時間であるが、昇温することによって硬化時間を大幅に短縮することができる。ペースト組成物２４の剥離領域２０への適合及びバインダーの硬化は、塗工した組成物２４を加熱アイロンで押圧することを始めとする熱的処理で促進することができる。次いで、部品１０を使用できるように準備するため後加工処理を実施することができる。
【００３１】
タービンエンジンの運転中、補修コーティング３０は反応し続け、コーティング３０の強度その他の機械的特性を増大させる。好ましいシリコーンバインダーは、まず重合によって硬化して、エンジン作動に十分な強度を有するシリコーンマトリックスを形成する。高温で長期使用するうちに、シリコーンがシリカに熱分解して、セラミック粒子２６及び２８が分散したシリカマトリックスを生じる。
【００３２】
本発明のコーティング組成物２４をテープとして調製するのに適したプロセスでは、テトラフルオロエチレン（ＴＥＦＬＯＮ（商標））シート上で１以上のテープを流延する。表ＩＩに規定した範囲内の組成物をＴＥＦＬＯＮシートに塗工した後、十分な時間乾燥して溶媒を蒸発させる。次いで、乾燥テープをＴＥＦＬＯＮシートから取り外して、補修コーティング３０で保護すべき部品表面に移動させる。特性の異なる多層コーティング３０が望まれる場合、コーティング３０の最も内側の層又は領域を生じるように配合されたテープを最初に貼り付けてから、コーティング３０の最も外側及び中間の層又は領域を生じるように１枚以上のテープを貼り付けてもよい。或いは、一枚のテープを貼り付けるだけで済むように、所望の各種コーティング組成物２４を含有する一枚の多層テープを流延してもよい。一枚の多層テープを使用する利点は、コーティング３０内部で様々な気孔率レベルが達成されるように、例えば、部品１０の表面２２近傍では高い気孔率、コーティング３０の外表面近傍では低い気孔率となるように、中実粒子２６、中空粒子２８及びバインダーの相対量を変化させることができることである。上述の通り、中実及び中空粒子２６及び２８の相対的粒度並びに中実及び中空粒子２６及び２８とバインダーとの相対量を適切に選択することによって、補修コーティング３０の表面の平坦さを改善することもできる。
【００３３】
テープを貼り付けた後、好ましくは、当て板、ゴムフォームその他の適当な手段でテープの外面に圧力をかけて、コーティング３０の所望の最終表面仕上げ及び幾何学形状を生じさせる。部品１０が取り外してあれば、テープを部品１０に化学的又は機械的に結合するのに必要な熱及び圧力を加えるためオートクレーブと真空バッグを併用することができる。次いで、エンジンの作動又は追加の熱処理によって未焼結テープを焼結すれば、テープを堅固に固化させることができる。いずれ場合も、焼結は、部品１０の望しい性質に悪影響を及ぼさないが、バインダー及び可塑剤が燃え尽きかつセラミック粒子２６及び２８が焼結する温度で実施される。
【００３４】
特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、その他の形態を当業者が採用できることは明らかである。従って、本発明の範囲は特許請求の範囲によってのみ限定される。
【符号の説明】
【００３５】
１０ 部品
１２ ＴＢＣ系
１４ ボンドコート
１６ セラミック層
１８ 酸化物スケール
２０ 剥離領域
２２ 表面
２４ 組成物
２６ 粒子
２８ ミクロバルーン
３０ 補修コーティング
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンの過酷な熱的環境のような高温に暴露される部品のためのコーティングに関する。具体的には、本発明は、局所的剥離を起こした遮熱コーティングの補修方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
航空機及び産業用（発電）ガスタービンエンジンのホットセクション部品は遮熱コーティング（ＴＢＣ）で保護されることが多く、その皮膜下の部品基材の温度を下げて部品の実用寿命を延ばす。セラミック材料、特にイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）は、高温性能、低い熱伝導率、並びにプラズマ溶射、フレーム溶射及び電子ビーム物理気相成長法（ＥＢＰＶＤ）のような物理気相成長法（ＰＶＤ）による製膜が比較的容易であることから、ＴＢＣ材料として広く使用されている。大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）は、機器費用が比較的低く、施工及びマスキングが容易であるので、他の製膜法よりも好ましいことが多い。
【０００３】
分析の結果、ＡＰＳ法で成膜したＹＳＺ ＴＢＣは、約２５０〜５００μｍの典型的な厚さで製膜した場合、熱放射（波長約７８０ｎｍ〜約１ｍｍ）に約２０％〜７０％透明であることが判明した。そのため、かかるＴＢＣで得られる熱保護は、ガスタービンの燃焼器セクションのような熱放射負荷の高い環境では、それらの赤外線（ＩＲ）透過率によって損なわれる。これに対応すべく、燃焼器ハードウェア及び同様な作動条件に暴露される他のハードウェアを遮熱するための他の材料が提案されている。注目すべき例として、燃焼器で特に問題となるＩＲ波長（例えば波長約０．３〜約６μｍ）に不透明なアルミナ及びシリカを含有する材料がある。これらのコーティング材料は、質量が低く、遮熱特性に優れるという利点もある。こうしたコーティング材料から形成されたＴＢＣの具体例では、アルミナ粉末粒子とシリカ前駆体を含有する混合物を使用し、保護すべき表面に施工し、加熱して前駆体を熱分解し、アルミナ粉末粒子が分散したシリカマトリックスを形成する。混合物は、テープとして予備成形してから表面に貼り付けてもよいし、或いは表面に溶射してもよい。例として、本願出願人に譲渡された米国特許第６１６５６００号、同第６１７７１８６号、同第６２１０７９１号、同第６４６５０９０号及び同第６８２７９６９号を参照されたい。
【０００４】
ＴＢＣ系が有効であるには、低い熱伝導率を有していなければならず、部品に強固に密着していなければならず、さらに多くの加熱・冷却サイクルを通して密着し続けていなければならない。後者の要件は、ＴＢＣのセラミック材料と、保護される基材（通例金属超合金）との熱膨張率が異なるために特に厳しいものである。ＴＢＣ皮膜系の接着を促進し、その実用寿命を延ばすために、耐酸化性ボンドコートが使用されることが多い。ボンドコートは典型的にはＭＣｒＡｌＸ（式中、Ｍは鉄、コバルト及び／又はニッケルであり、Ｘはイットリウム、希土類元素及び／又は反応性元素である。）又は拡散アルミナイド皮膜のようなオーバーレイ皮膜の形態である。セラミックＴＢＣの製膜及び高温暴露時（エンジン作動時）に、ボンドコートはアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）層又はアルミナスケールを形成してＴＢＣをボンドコートに接着させる。
【０００５】
ＴＢＣ系の実用寿命は、通例、ボンドコートの酸化、界面応力の増大とそれに起因する熱疲労によって促進される剥離現象によって制限される。技術は大きく進歩しているが、遮熱コーティングが剥離してしまった部品を補修する必要性は避けることができない。剥離は通例局所的な領域又はパッチで起こるが、従来の補修法で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修復又は補修してから、部品全体を再度被覆する。代替法として、Ｎａｇａｒａｊらの米国特許第５７２３０７８号には、ＴＢＣの剥離した領域をプラズマ溶射法を用いて選択的に補修する方法が教示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第６１６５６００号明細書
【特許文献２】米国特許第６１７７１８６号明細書
【特許文献３】米国特許第６２１０７９１号明細書
【特許文献４】米国特許第６４６５０９０号明細書
【特許文献５】米国特許第６８２７９６９号明細書
【特許文献６】米国特許第５７２３０７８号明細書
【特許文献７】米国特許第６２９４２６１号明細書
【特許文献８】米国特許第５７５９９３２号明細書
【特許文献９】米国特許第５９８５３６８号明細書
【特許文献１０】米国特許第５１２３２４８号明細書
【特許文献１１】米国特許第５２１１５３６号明細書
【特許文献１２】米国特許第５８１７３７２号明細書
【特許文献１３】米国特許第６０４７５３９号明細書
【特許文献１４】米国特許第６３６８７２７号明細書
【特許文献１５】米国特許第５０５９０９５号明細書
【特許文献１６】米国特許第５３８４２００号明細書
【特許文献１７】米国特許第４３３８３６０号明細書
【特許文献１８】米国特許第６７２６４４４号明細書
【特許文献１９】米国特許第５８１７３７１号明細書
【特許文献２０】米国特許第６０２２５９４号明細書
【特許文献２１】米国特許第４２３２５２７号明細書
【特許文献２２】米国特許第５６２６９２３号明細書
【特許文献２３】米国特許第４０３０９３６号明細書
【特許文献２４】米国特許第４３３２６１８号明細書
【特許文献２５】米国特許出願公開第２００７０１３４４０８号明細書
【特許文献２６】米国特許出願公開第２００５０２８２０２０号明細書
【特許文献２７】米国特許出願公開第２００５０２２８０９８号明細書
【特許文献２８】米国特許出願公開第２００５０１００７５７号明細書
【特許文献２９】米国特許出願公開第２００２０１８２３６２号明細書
【特許文献３０】米国特許出願公開第２００３０２０７１５５号明細書
【特許文献３１】米国特許出願公開第２００４０２１４９３８号明細書
【特許文献３２】米国特許出願公開第２００５００３１８４６号明細書
【特許文献３３】米国特許出願公開第２００２０１０２３６０号明細書
【特許文献３４】米国特許出願公開第２００２０１０２４１１号明細書
【特許文献３５】米国特許出願公開第２００３０１３８６５８号明細書
【特許文献３６】米国特許出願公開第２００４０１９７５８０号明細書
【特許文献３７】米国特許出願公開第２００３０２００７５２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
大型発電タービンの場合、ＴＢＣが局所的にしか剥離していない部品を取り外すために発電を長期間完全に停止するのは経済的に望ましくない。そのため、ＴＢＣの剥離が認められた部品を分析して高応力領域で剥離が起きているか否かを調べてから、部品の熱保護の低下に起因するタービンの損傷のリスクについて判断することが多い。熱保護の低下が過大であると部品の破壊的故障を招きかねない。ＴＢＣを補修することに決定したら、剥離した部品を取り外し、剥離表面領域に新たなＴＢＣ材料をプラズマ溶射によって製膜する。かかる補修法はＹＳＺ系ＴＢＣの補修に多用されている。しかし、上述のアルミナ−シリカＴＢＣ材料の補修に適したものを含めて、新たな補修材料及び補修技術に対するニーズは依然として存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、部品のＴＢＣの補修に適したコーティング組成物及び補修方法、特にアルミナ−シリカ組成物系ＴＢＣ材料を提供する。
【０００９】
本発明の第１の態様では、方法は、中実セラミック粒子と中空セラミック粒子とシリカ前駆体バインダーとを含むコーティング組成物を調製し、コーティング組成物を部品の露出した表面領域（例えば局所的剥離によって露出した領域）に施工し、次いでバインダーを反応させて、部品の表面領域を被覆する補修コーティングを得ることを含む。得られる補修コーティングは、バインダーの熱分解によって形成されたシリカマトリックス中に中実セラミック粒子及び中空セラミック粒子を含んでいる。本発明は、コーティング組成物及び補修ＴＢＣも包含する。
【００１０】
上述のコーティング組成物及び得られる補修コーティングはアルミナ−シリカ系ＴＢＣ材料と適合性であり、中空セラミック粒子は、密度を下げるとともに補修コーティングの遮熱及び耐エロージョン性を高めるという追加の利点ももたらす。中実及び中空セラミック粒子に好ましい材料は、タービンエンジンの燃焼器セクションで特に問題となるＩＲ波長（例えば約０．３〜約６μｍの波長）に不透明である。従って、補修コーティングに好ましい材料は補修ＴＢＣの熱反射性を損なわない。
【００１１】
以上から、本発明の方法では、ＴＢＣの補修に際して、ＴＢＣを完全に除去する必要もなければ、部品を取り外す必要もないことが分かる。本方法では、シリカ前駆体バインダーを最初に硬化させれば補修コーティングはエンジン作動に耐えられる十分な強度を呈し、エンジン作動中に前駆体バインダーがシリカマトリックスを形成するように徐々に変換されるので、高温処理も必要としない。その結果、補修を完了し、タービンエンジンの作動を再開するまでに要する休止時間が最小限となる。大型発電タービンの場合、剥離が局所的にしか起きていない部品を取り外し、補修し、再度取り付けるため発電を長期間完全に停止することの費用が回避される。
【００１２】
本発明の方法は、特に限定されないが、アルミナ−シリカ組成物以外の材料から形成され、航空機及び産業用（発電）ガスタービンエンジンのホットセクション部品に施工されるＴＢＣを始めとして、熱負荷に暴露される多種多様な部品のセラミック皮膜の補修に使用できる。
【００１３】
本発明のその他の目的及び利点については、以下の詳細な説明から理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、局所的剥離を起こした遮熱コーティングで保護された部品表面の概略断面図である。
【図２】図２は、本発明の好ましい実施形態による遮熱コーティングの補修時の図１の部品表面の概略断面図である。
【図３】図３は、本発明の好ましい実施形態による遮熱コーティングの補修時の図１の部品表面の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明は、比較的高い温度で特徴付けられる環境中で作動し、厳しい熱応力、熱サイクリング及び熱放射負荷に付される遮熱コーティングで保護された部品に関する。かかる部品の具体例としては、航空機及び産業用途で用いられるガスタービンエンジンの高圧及び低圧タービンノズル及びブレード、シュラウド、燃焼器ライナー、二次シール及びオーグメンターハードウェアがある。特に、本発明は、熱伝導及び熱放射に対して遮熱性を示す遮熱コーティング（ＴＢＣ）に関する。本発明の利点を、特にタービンエンジンの燃焼器部品について当てはまるものとして説明するが、本発明は、部品を環境から遮熱するための遮熱コーティングを使用し得るあらゆる部品に広く応用できる。
【００１６】
図１に、部品１０の表面領域を、例えば局所的剥離によって露出した領域２０を有する遮熱コーティング（ＴＢＣ）系１２と共に示す。ＴＢＣ系１２は、部品１０の表面上のボンドコート１４と、ボンドコート１４上に遮熱コーティングとして製膜されたセラミック層（ＴＢＣ）１６からなるものとして図示してある。ガスタービンエンジンのホットセクション部品でみられるように、部品１０はニッケル基、コバルト基又は鉄基超合金から形成し得る。ボンドコート１４は、その下の部品１０を酸化から保護するとともにセラミック層１６が部品１０に強固に接着できるように、好ましくは耐酸化性金属材料から形成される。ボンドコート１４に適した材料としては、特に限定されないが、ＭＣｒＡｌＸオーバーレイ皮膜及び拡散アルミナイド皮膜が挙げられる。ボンドコート１４の製膜後、高温でボンドコート１４の表面に酸化物スケール１８が生じる。酸化物スケール１８は、セラミック層１６がさらに強く接着する表面を与えて、セラミック層１６の耐剥離性を増大させる。
【００１７】
セラミック層１６はＴＢＣ材料として広く使用されているＹＳＺ材料を始めとして、様々な材料から形成し得るが、本発明の補修方法の結果はセラミック層１６の熱膨張特性と以下に述べる補修材料との適合性の程度にある程度依存する。本発明の好ましい実施形態では、セラミック層１６は、タービンエンジンの燃焼器セクションで特に問題となるＩＲ波長に不透明なアルミナ／シリカ系材料（アルミナ、シリカ及び／又はアルミノケイ酸塩が主成分であるもの）である。かかる材料の具体例には、上述の米国特許第６１６５６００号、同第６１７７１８６号、同第６２１０７９１号、同第６４６５０９０号及び同第６８２７９６９号に記載されたものがあり、それらのコーティング組成物及びコーティング法に関する開示内容は援用によって本明細書の内容の一部をなす。セラミック層１６は、部品１０の表面に貼ったテープから形成してもよいし、部品表面に溶射した組成物から形成してもよいし、その他の適当な製膜法で形成してもよい。コーティング材料の好ましい例は、アルミナ粉末粒子及び適宜追加のセラミック粒子と、シリカ前駆体とを含んでいるものであり、これらを混合して部品表面に塗工し、加熱して前駆体を熱分解させて、粉末粒子が分散したシリカマトリックスを生じさせる。コーティング材料は、得られるセラミック層１６が部品１０に所要の熱保護をもたらすことができる十分な厚さで製膜される。
【００１８】
タービンエンジンの燃焼セクション内部に配置されると、部品１０の表面はエンジン作動中に高温燃焼ガスに暴露され、酸化、腐食及びエロージョンによる激しい作用に付される。従って、部品１０はＴＢＣ系１２によって過酷な作動環境から保護された状態を維持し続けなければならない。剥離に起因するセラミック層１６の損失は部品１０の早期劣化（往々にして急激な劣化である）を招く。そのため、図１に示すセラミック層１６の局所剥離領域２０を補修するか、或いは部品１０を廃棄する必要がある。本発明の好ましいＴＢＣ補修プロセスを図２及び図３に示す。部品１０の補修で実施される以下の各工程は、部品１０をタービンエンジンに取り付けたままで実施することができるので、部品を取り外し、後で取り付ける必要性は全くない。
【００１９】
補修プロセスは、非損傷セラミック層１６を傷つけずに、弱く付着した酸化物、グリース、オイル及びすすのような汚染物質を除去するため、局所剥離領域２０で露出した表面２２を洗浄することから始める。剥離領域２０で露出したセラミック層１６の十分に密着した残留物及び酸化物スケール１８は、図２に示す通り、剥離領域２０に堆積させるコーティング組成物２４の接着を依然として促進できる。本発明では、コーティング組成物２４は、１種以上の中実（非中空）セラミック粒子２６の粉末と１種以上の中空セラミック粒子（ミクロバルーン）２８の粉末とシリカ前駆体とを含有する混合物であり、十分に加熱すると図３に示すようにセラミック補修コーティング３０を形成する。さらに、コーティング組成物２４は、ガラス組成物などの他の充填材料を含んでいてもよい。
【００２０】
中実粒子２６は好ましくはアルミナであるが、その他のセラミック材料又は混合物を使用してもよい。好ましい材料は、アルミナ、マグネシア（ＭｇＯ）、チタニア（ＴｉＯ2）及びカルシア（ＣａＯ）を始めとする、ＩＲ波長に不透明な耐火性酸化物である。さらに、ＹＳＺ粒子を、約０．９〜約２．５μｍの波長に対する散乱部位として、中実粒子２６の一部として配合してもよい。コーティング組成物２４の粉末粒子２６その他の中実成分に好適な粒径は概して約０．０１〜約１００μｍであり、さらに好ましくは約０．１〜約２５μｍである。コーティング３０の具体的用途及び所望の構造に応じて、中実粒子２６用の好ましいアルミナ粉末としては、Ａｌｍａｔｉｓ社から入手できるＡ−１４（未粉砕焼成アルミナ粉末、粒径範囲約３〜５．５μｍ）、同じくＡｌｍａｔｉｓ社から入手できるＡ−１６ＳＧ（超粉砕熱反応性アルミナ粉末、粒径範囲約０．３〜０．５μｍ）及びＢａｉｋｏｗｓｋｉ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ社から入手できるＳＭ８（粒径範囲約０．１０〜０．６μｍ）が挙げられる。
【００２１】
コーティング３０の具体的用途及び所望の構造に応じて、中空セラミック粒子２８はアルミナ、他のセラミック材料又は１種以上のセラミック材料の混合物でよいが、好ましい材料はＩＲ波長に不透明なもの、例えばアルミノケイ酸塩を始めとするケイ酸塩及びアルミナである。図２及び図３では、中空粒子２８はコーティング組成物２４及び補修コーティング３０の全体に描かれているが、中空粒子２８は組成物２４及びコーティング３０の特定の領域、例えば最も内側、最も外側及び／又は中間領域に限定されていてもよい。本発明の好ましい態様では、中空セラミック粒子２８が果たす重要な役割は、タービンエンジンの燃焼器セクションで特に問題となるＩＲ波長に対するアルミナ−シリカセラミック層１６の全体としての不透明性を損なわずに補修コーティング３０の遮熱性を高めることである。その他の潜在的な利点として、不都合な重量増をほとんど又は全く伴わずに補修コーティング３０の耐エロージョン性を向上させることが挙げられる。中空粉末粒子２８は中実粉末粒子２６に比べて密度が低いので、中実粒子２６しか含まない同様のコーティング組成物の重量を超えずに補修コーティング３０の厚さを増したり、或いは同様な厚さの補修コーティング３０を軽量化することができる。中空粒子２８用の好ましい材料としては、粒子密度が０．４０ｇ／ｃｍ3未満のアルミノケイ酸塩が挙げられる。中空セラミック粉末の供給元は、Ｓｐｈｅｒｅ Ｏｎｅ社（Ｅｘｔｅｎｄｏｓｐｈｅｒｅｓ（商標））、３Ｍ社（Ｚｅｅｏｓｐｈｅｒｅｓ（商標））、Ｓｐｈｅｒｅ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ社（ｃｅｎｏｓｐｈｅｒｅ）及びＴｒｅｌｌｅｂｏｒｇ Ｅｍｅｒｓｏｎ ＆ Ｃｕｍｉｎｇ社（Ｅｃｃｏｓｐｈｅｒｅｓ（商標））など数多く存在する。好ましい中空セラミック粒子２８としては、Ｓｐｈｅｒｅ Ｏｎｅ社から入手できるＥｘｔｅｎｄｏｓｐｈｅｒｅｓ（商標）ＳＬ（約１０〜約１５０μｍ）及び３Ｍ社から入手できるＺｅｅｏｓｐｈｅｒｅｓ（Ｄ５０約１８μｍ）のような粒径範囲約０．０５〜約２００μｍのアルミノケイ酸塩がある。
【００２２】
シリカ前駆体はコーティング組成物２４中でバインダーとして機能する。好ましいシリカ前駆体はポリメチルシロキサンのようなシリコーン系組成物であると思料されるが、ＴＥＯＳ（テトラ−エチル−オルト−シリケート）又はコロイド状ケイ素源のような他のケイ素源及びセラミック前駆体も使用できると考えられる。特に好適な前駆体としては、Ａｐｏｌｌｏ Ｐｌａｓｔｉｃｓ社（例えば、ＳＲ３５０及びＳＲ３５５）及びＤｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ社のような供給元から入手できるポリシロキサン群のメチルセスキシロキサン混合物、並びにＭｏｎｓａｎｔｏ社からＢ−７９という商品名で入手できるポリビニルブチラールが挙げられる。
【００２３】
組成物２４の残りの成分は好ましくは有機物であって、主に担体としての液体又は溶媒と、適宜、界面活性剤、分散剤、及び／又は粉末粒子２６及び２８同士を接着して表面２２に施工することができる組成物２４を生じさせることのできる追加のバインダー／可塑剤である。追加成分の種類及び量に応じて、組成物２４は、固体ではあるが表面２２に貼り付けることのできる柔軟なテープとして配合及び処理することもできるし、或いはパテ又はペーストとして施工できるさらに柔軟で順応性に富む材料として配合及び処理することもできる。好適な担体液体／溶媒はエタノール、変性アルコール及びイソプロピルアルコールのような無水アルコールであるが、アセトン、トリクロロエチレン及びその他シリコーン材料と適合性のものも使用できる。好適な可塑剤としては、フタル酸ジブチル（ＤＢＰ）及びポリビニルブチラール（例えば、上述のＢ−７９）が挙げられる。組成物２４をテープの形態で使用する場合には、熱又は圧力でテープを表面２２に貼り付けて化学的又は機械的に付着させることができるように十分な割合のバインダー及び可塑剤が存在すべきである。また、組成物２４（特にテープとして調製されたもの）が剥離領域２０で露出した表面２２に付着できるように適度に粘着性の稠度を達成するため、界面活性剤を使用することもできる。好適な界面活性剤としては、Ｗｈｉｔｃｏ Ｃｈｅｍｉｃａｌ社からＰＳ２１Ａとして市販されているアルキル有機リン酸エステル酸界面活性剤がある。使用し得る他の界面活性剤は、Ｓｔｅｐｈａｎ社からＭｅｒｐｏｌ Ａという商品名で入手できる。
【００２４】
組成物２４に使用される有機物の割合は、補修プロセスで得ようとするコーティング３０の構造特性がその厚さによって変化するか否か、その場合に組成の異なる組成物２４の複数の層を表面２２に施工するか否かに依存し得る。例えば、施工コーティング材料２４の最も内側の層又は領域は、サブミクロン空隙を生じさせてコーティング３０の遮熱性能を高める望ましい気孔率レベルを得るのに十分なバインダー／可塑剤を含有するのが望ましいことがあるが、最も外側の層又は中間層に使用される有機物の割合は、気孔率を最小限にして耐摩耗性及び耐浸透性を高めるため、低いのが好ましい。
【００２５】
ペースト又はテープのいずれの形態で配合するにしても、コーティング３０の所定の領域が追加の性質改善を示すように配合するのが望ましいことがある。例えば、コーティング３０の最外表面領域は、ＩＲ反射性又はＩＲ吸収性の粒子、並びに耐エロージョン性及び／又は耐食性材料のような他の成分を含んでいてもよい。別の例は、部品１０の空力特性を高める滑らかな表面仕上げがコーティング３０の最外表面領域で得られるように配合することである。この場合、最外層としては、粒度の細かい中実及び／又は中空粒子２６及び２８を用いたコーティング組成物２４を施工するのが望ましい。例えば、コーティング３０の内部をＡ１４のようなアルミナ粉末材料を含有する組成物２４で形成し、コーティング３０の外表面を、Ａ１６ＳＧのような粒度の細かいアルミナ粉末材料を含有し、中空粒子２８を全く含んでいなくてもよい組成物２４で形成してもよい。
【００２６】
以下の表Ｉ及び表ＩＩに、それぞれペースト及びテープの形態のコーティング組成物２４の各成分の一般的範囲及び好ましい範囲を重量％で示す。
【００２７】
【表１】
表Ｉに具体例として示した量に関して、溶媒は好ましくは変性アルコール又はアセトンであり、中実粉末粒子は好ましくはＡ１６ＳＧ又はＡ１４アルミナであり、シリカ前駆体は好ましくはＳＲ３５０である。
【００２８】
【表２】
表ＩＩに具体例として示した量に関して、溶媒は好ましくは変性アルコール又はアセトンであり、中実粉末粒子は好ましくはＡ１６ＳＧアルミナであり、シリカ前駆体は好ましくはＳＲ３５５であり、追加のバインダーは好ましくはＢ−７９であり、可塑剤は好ましくはＤＢＰであり、界面活性剤は好ましくはＰＳ２１Ａである。表ＩＩのテープ組成物から溶媒を蒸発させてから、テープを部品表面２２に貼り付け、焼結して補修コーティング３０を形成する。
【００２９】
表Ｉ及び表ＩＩのシリカ前駆体の選択は、それらのシリカ収率にある程度依存する。表Ｉに示すＳＲ３５０バインダーは、コーティング組成物２４中に元々存在するＳＲ３５０バインダー量の約６０〜約７５重量％の量でシリカを生成するが、表ＩＩに示す同量のＳＲ３５５バインダーで得られるシリカの量は、テープコーティング組成物２４中に元々存在するＳＲ３５５バインダー量の約３０〜約４０重量％と低い。
【００３０】
本発明のコーティング組成物２４をペーストとして調製するのに適したプロセスでは、表Ｉに示す成分を一緒に混合して適当なペースト状稠度とした後、組成物２４をコテなどで塗工して剥離領域２０を埋めればよい。組成に応じて、ペースト状組成物２４のバインダーは室温で反応させることもできるし、或いは補修コーティング３０の強度がタービンエンジンでの作動に必要なレベルに達するまで、加熱ランプ、トーチその他の熱源などで加熱することによって反応を促進してもよい。好ましいシリコーンバインダーを硬化させるための好適な硬化処理は室温で約１６時間であるが、昇温することによって硬化時間を大幅に短縮することができる。ペースト組成物２４の剥離領域２０への適合及びバインダーの硬化は、塗工した組成物２４を加熱アイロンで押圧することを始めとする熱的処理で促進することができる。次いで、部品１０を使用できるように準備するため後加工処理を実施することができる。
【００３１】
タービンエンジンの運転中、補修コーティング３０は反応し続け、コーティング３０の強度その他の機械的特性を増大させる。好ましいシリコーンバインダーは、まず重合によって硬化して、エンジン作動に十分な強度を有するシリコーンマトリックスを形成する。高温で長期使用するうちに、シリコーンがシリカに熱分解して、セラミック粒子２６及び２８が分散したシリカマトリックスを生じる。
【００３２】
本発明のコーティング組成物２４をテープとして調製するのに適したプロセスでは、テトラフルオロエチレン（ＴＥＦＬＯＮ（商標））シート上で１以上のテープを流延する。表ＩＩに規定した範囲内の組成物をＴＥＦＬＯＮシートに塗工した後、十分な時間乾燥して溶媒を蒸発させる。次いで、乾燥テープをＴＥＦＬＯＮシートから取り外して、補修コーティング３０で保護すべき部品表面に移動させる。特性の異なる多層コーティング３０が望まれる場合、コーティング３０の最も内側の層又は領域を生じるように配合されたテープを最初に貼り付けてから、コーティング３０の最も外側及び中間の層又は領域を生じるように１枚以上のテープを貼り付けてもよい。或いは、一枚のテープを貼り付けるだけで済むように、所望の各種コーティング組成物２４を含有する一枚の多層テープを流延してもよい。一枚の多層テープを使用する利点は、コーティング３０内部で様々な気孔率レベルが達成されるように、例えば、部品１０の表面２２近傍では高い気孔率、コーティング３０の外表面近傍では低い気孔率となるように、中実粒子２６、中空粒子２８及びバインダーの相対量を変化させることができることである。上述の通り、中実及び中空粒子２６及び２８の相対的粒度並びに中実及び中空粒子２６及び２８とバインダーとの相対量を適切に選択することによって、補修コーティング３０の表面の平坦さを改善することもできる。
【００３３】
テープを貼り付けた後、好ましくは、当て板、ゴムフォームその他の適当な手段でテープの外面に圧力をかけて、コーティング３０の所望の最終表面仕上げ及び幾何学形状を生じさせる。部品１０が取り外してあれば、テープを部品１０に化学的又は機械的に結合するのに必要な熱及び圧力を加えるためオートクレーブと真空バッグを併用することができる。次いで、エンジンの作動又は追加の熱処理によって未焼結テープを焼結すれば、テープを堅固に固化させることができる。いずれ場合も、焼結は、部品１０の望しい性質に悪影響を及ぼさないが、バインダー及び可塑剤が燃え尽きかつセラミック粒子２６及び２８が焼結する温度で実施される。
【００３４】
特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、その他の形態を当業者が採用できることは明らかである。従って、本発明の範囲は特許請求の範囲によってのみ限定される。
【符号の説明】
【００３５】
１０ 部品
１２ ＴＢＣ系
１４ ボンドコート
１６ セラミック層
１８ 酸化物スケール
２０ 剥離領域
２２ 表面
２４ 組成物
２６ 粒子
２８ ミクロバルーン
３０ 補修コーティング
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミナ／シリカ系材料で形成された、部品の遮熱コーティングの補修方法であって、
中実セラミック粒子と中空セラミック粒子とシリカ前駆体バインダーとを含む少なくとも第１のコーティング組成物を調製する工程、
遮熱コーティング内の開口によって露出された部品の表面領域に第１のコーティング組成物を施工する工程、次いで
バインダーを反応させて部品の表面領域を被覆する補修コーティングを生成させる工程であって、補修コーティングが、バインダーの熱分解で生成したシリカマトリックス中に中実セラミック粒子と中空セラミック粒子とを含む工程
を含んでなる方法。
【請求項２】
前記中実セラミック粒子が、アルミナ、マグネシア、チタニア及びカルシアからなる群から選択される１種以上のセラミック材料を含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記中空セラミック粒子が、アルミナ及びアルミノケイ酸塩からなる群から選択される１種以上のセラミック材料を含む、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記調製工程が第１のコーティング組成物をペーストとして調製することを含んでいて、前記施工工程が該ペーストを表面領域に施工することを含む、請求項１記載の方法。
【請求項５】
第１のコーティング組成物が、１０〜６０重量％の溶媒、５〜５５重量％の中実セラミック粒子、５〜４５重量％の中空セラミック粒子及び６〜４０重量％のシリカ前駆体バインダー、残部の随伴不純物を含むように調製され、第１のコーティング組成物を表面領域に施工する前に溶媒の少なくとも一部を第１のコーティング組成物から除去する、請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記中実セラミック粒子が、アルミナ、マグネシア、チタニア及びカルシアからなる群から選択される１種以上のセラミック材料からなる、請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記中空セラミック粒子が、アルミナ及びアルミノケイ酸塩からなる群から選択される１種以上のセラミック材料からなる、請求項５記載の方法。
【請求項８】
前記調製工程が第１のコーティング組成物をテープとして調製することを含んでいて、前記施工工程が該テープを表面領域に貼り付けることを含む、請求項１記載の方法。
【請求項９】
第１のコーティング組成物が、さらに少なくとも第２のバインダー、１種以上の可塑剤及び適宜１種以上の界面活性剤を含むように調製される、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
第１のコーティング組成物が、１０〜６０重量％の溶媒、５〜５５重量％の中実セラミック粒子、５〜４５重量％の中空セラミック粒子、６〜４０重量％のシリカ前駆体バインダー、２〜２０重量％の１種以上の第２のバインダー、１〜１０重量％の１種以上の可塑剤及び９重量％以下の１種以上の界面活性剤、残部の随伴不純物を含むように調製され、溶媒の少なくとも一部を第１のコーティング組成物から除去してテープを形成した後、該テープを表面領域に貼り付ける、請求項９記載の方法。
【請求項１１】
前記中実セラミック粒子が、アルミナ、マグネシア、チタニア及びカルシアからなる群から選択される１種以上のセラミック材料からなる、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
前記中空セラミック粒子が、アルミナ及びアルミノケイ酸塩からなる群から選択される１種以上のセラミック材料からなる、請求項１０記載の方法。
【請求項１３】
中実セラミック粒子と、中空セラミック粒子と、シリカ前駆体バインダーと、第１のコーティング組成物の中実セラミック粒子及び中空セラミック粒子よりもＩＲ反射性、ＩＲ吸収性、耐エロージョン性及び／又は耐腐食性の高い粒子からなる群から選択される追加成分とを含む第２のコーティング組成物を調製することをさらに含んでいて、第２のコーティング組成物を施工して補修コーティングの最外表面領域を形成する、請求項１記載の方法。
【請求項１４】
シリカ前駆体バインダーと、第１のコーティング組成物の中実セラミック粒子及び中空セラミック粒子よりも粒度の細かい１種以上の第２の中実セラミック粒子及び第２の中空セラミック粒子とを含む第２のコーティング組成物を調製することをさらに含んでいて、第２のコーティング組成物を施工して、補修コーティングの空力特性を向上させるため第１のコーティング組成物で得られるものよりも平滑な表面仕上げを有する補修コーティングの最外表面領域を形成する、請求項１記載の方法。
【請求項１５】
前記反応工程が、最初にシリカ前駆体バインダーを重合によって硬化させてシリコーンマトリックスを形成し、次いで部品を加熱してシリコーンマトリックスを熱分解してシリカマトリックスを形成することを含む、請求項１記載の方法。
【請求項１６】
前記部品がガスタービンエンジンに取り付けられる、請求項１記載の方法。
【請求項１７】
前記施工工程及び反応工程が、ガスタービンエンジンに部品を取り付けたまま実施される、請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
前記反応工程の際にガスタービンエンジンを作動させる、請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
遮熱コーティングのアルミナ／シリカ系材料がシリカマトリックス中のアルミナ粒子を含む、請求項１記載の方法。
【請求項２０】
請求項１記載の方法によって補修された部品であって、遮熱コーティング内の開口が遮熱コーティングの局所的剥離によって生じる、部品。
【請求項１】
アルミナ／シリカ系材料で形成された、部品の遮熱コーティングの補修方法であって、
中実セラミック粒子と中空セラミック粒子とシリカ前駆体バインダーとを含む少なくとも第１のコーティング組成物を調製する工程、
遮熱コーティング内の開口によって露出された部品の表面領域に第１のコーティング組成物を施工する工程、次いで
バインダーを反応させて部品の表面領域を被覆する補修コーティングを生成させる工程であって、補修コーティングが、バインダーの熱分解で生成したシリカマトリックス中に中実セラミック粒子と中空セラミック粒子とを含む工程
を含んでなる方法。
【請求項２】
前記中実セラミック粒子が、アルミナ、マグネシア、チタニア及びカルシアからなる群から選択される１種以上のセラミック材料を含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記中空セラミック粒子が、アルミナ及びアルミノケイ酸塩からなる群から選択される１種以上のセラミック材料を含む、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記調製工程が第１のコーティング組成物をペーストとして調製することを含んでいて、前記施工工程が該ペーストを表面領域に施工することを含む、請求項１記載の方法。
【請求項５】
第１のコーティング組成物が、１０〜６０重量％の溶媒、５〜５５重量％の中実セラミック粒子、５〜４５重量％の中空セラミック粒子及び６〜４０重量％のシリカ前駆体バインダー、残部の随伴不純物を含むように調製され、第１のコーティング組成物を表面領域に施工する前に溶媒の少なくとも一部を第１のコーティング組成物から除去する、請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記中実セラミック粒子が、アルミナ、マグネシア、チタニア及びカルシアからなる群から選択される１種以上のセラミック材料からなる、請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記中空セラミック粒子が、アルミナ及びアルミノケイ酸塩からなる群から選択される１種以上のセラミック材料からなる、請求項５記載の方法。
【請求項８】
前記調製工程が第１のコーティング組成物をテープとして調製することを含んでいて、前記施工工程が該テープを表面領域に貼り付けることを含む、請求項１記載の方法。
【請求項９】
第１のコーティング組成物が、さらに少なくとも第２のバインダー、１種以上の可塑剤及び適宜１種以上の界面活性剤を含むように調製される、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
第１のコーティング組成物が、１０〜６０重量％の溶媒、５〜５５重量％の中実セラミック粒子、５〜４５重量％の中空セラミック粒子、６〜４０重量％のシリカ前駆体バインダー、２〜２０重量％の１種以上の第２のバインダー、１〜１０重量％の１種以上の可塑剤及び９重量％以下の１種以上の界面活性剤、残部の随伴不純物を含むように調製され、溶媒の少なくとも一部を第１のコーティング組成物から除去してテープを形成した後、該テープを表面領域に貼り付ける、請求項９記載の方法。
【請求項１１】
前記中実セラミック粒子が、アルミナ、マグネシア、チタニア及びカルシアからなる群から選択される１種以上のセラミック材料からなる、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
前記中空セラミック粒子が、アルミナ及びアルミノケイ酸塩からなる群から選択される１種以上のセラミック材料からなる、請求項１０記載の方法。
【請求項１３】
中実セラミック粒子と、中空セラミック粒子と、シリカ前駆体バインダーと、第１のコーティング組成物の中実セラミック粒子及び中空セラミック粒子よりもＩＲ反射性、ＩＲ吸収性、耐エロージョン性及び／又は耐腐食性の高い粒子からなる群から選択される追加成分とを含む第２のコーティング組成物を調製することをさらに含んでいて、第２のコーティング組成物を施工して補修コーティングの最外表面領域を形成する、請求項１記載の方法。
【請求項１４】
シリカ前駆体バインダーと、第１のコーティング組成物の中実セラミック粒子及び中空セラミック粒子よりも粒度の細かい１種以上の第２の中実セラミック粒子及び第２の中空セラミック粒子とを含む第２のコーティング組成物を調製することをさらに含んでいて、第２のコーティング組成物を施工して、補修コーティングの空力特性を向上させるため第１のコーティング組成物で得られるものよりも平滑な表面仕上げを有する補修コーティングの最外表面領域を形成する、請求項１記載の方法。
【請求項１５】
前記反応工程が、最初にシリカ前駆体バインダーを重合によって硬化させてシリコーンマトリックスを形成し、次いで部品を加熱してシリコーンマトリックスを熱分解してシリカマトリックスを形成することを含む、請求項１記載の方法。
【請求項１６】
前記部品がガスタービンエンジンに取り付けられる、請求項１記載の方法。
【請求項１７】
前記施工工程及び反応工程が、ガスタービンエンジンに部品を取り付けたまま実施される、請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
前記反応工程の際にガスタービンエンジンを作動させる、請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
遮熱コーティングのアルミナ／シリカ系材料がシリカマトリックス中のアルミナ粒子を含む、請求項１記載の方法。
【請求項２０】
請求項１記載の方法によって補修された部品であって、遮熱コーティング内の開口が遮熱コーティングの局所的剥離によって生じる、部品。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１０−５０５（Ｐ２０１０−５０５Ａ）
【公開日】平成２２年１月７日（２０１０．１．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１４７１２３（Ｐ２００９−１４７１２３）
【出願日】平成２１年６月２２日（２００９．６．２２）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１月７日（２０１０．１．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月２２日（２００９．６．２２）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]