JP2006185905A

JP2006185905A - Method and device for applying thermal spray of micro-plasma on compressor blade part of gas turbine engine

Info

Publication number: JP2006185905A
Application number: JP2005313980A
Authority: JP
Inventors: Paul H Zajchowski; エイチ．ザジョースキポール; Donn R Blankenship; アール．ブランケンシップドン; Gary Shubert; シューバートゲーリー
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 2004-10-29
Filing date: 2005-10-28
Publication date: 2006-07-13

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method and a device for applying thermal spray of micro-plasma on a part of a base body like a compressor blade part of a gas turbine without masking. <P>SOLUTION: The device 10 is equipped with a positive electrode 16, a negative electrode 18, and an arc generation device generating an electric arc between the positive electrode and the negative electrode. An arc gas emitter 14 jets inert gas through the electric arc. The electric arc can be operated so as to ionize the gas in order to generate a plasma gas flow 21. A powder injector 22 jets powder material into the plasma gas. A limited area of the compressor blade is coated by the powder material without masking. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は概して溶射法及び装置に関し、詳細にはガスタービン・エンジンの圧縮機ブレードのブレード根元をマイクロプラズマ溶射するための方法並びに装置に関する。 The present invention relates generally to thermal spraying methods and apparatus, and more particularly to a method and apparatus for microplasma spraying the blade roots of compressor blades of gas turbine engines.

プラズマ溶射法及び装置は周知である。例えば、ある特許は、基体上へコーティング材をプラズマフレーム溶射するための方法と装置に関する。この特許は、ガスを形成するプラズマを、ノズル電極を通過させ、かつ、電流を生じさせるアークをノズル電極とリア電極の間を通過させてプラズマ流を形成することによる、基体上へコーティング材をプラズマフレーム溶射するための方法と装置を開示している。この方法は、コーティング材をプラズマ流内へ導入し、そのプラズマ流を、ノズル電極の出口から延在する壁シュラウドを軸方向に通過させ、さらにプラズマ流のフレームシュラウドを形成することを包含するものである。それにより、このコーティングを基体に適用することができる。 Plasma spraying methods and equipment are well known. For example, one patent relates to a method and apparatus for plasma flame spraying a coating material onto a substrate. This patent discloses a coating material on a substrate by passing a plasma that forms a gas through a nozzle electrode and an arc that generates a current between the nozzle electrode and the rear electrode to form a plasma flow. A method and apparatus for plasma flame spraying is disclosed. The method includes introducing a coating material into the plasma stream, passing the plasma stream axially through a wall shroud extending from the outlet of the nozzle electrode, and further forming a flame shroud of the plasma stream. It is. Thereby, this coating can be applied to the substrate.

そのような技術が特に有利となる分野の１つは、種々の航空機部材、特にガスタービン・エンジン並びにそれらの構成部材のコーティングに関連する。例えば、圧縮機ブレードのブレード根元は、圧縮機ブレードを圧縮機ホイールなどでシーリングするための寸法公差要求を満たす材料で被覆することができる。これまでに、この点に関し、様々な従来のプラズマ溶射法を用いて、銅−ニッケル合金、アルミニウム−銅合金、及びその他類似組成の材料を含む金属コーティング材が適用されている。通常、コーティングプロセスにおいては、コーティング材料の転写が必要でない及び／又は望ましくない圧縮機ブレードの領域をマスキングすることが要求される。さらには、圧縮機ブレードは、通常、航空エンジン製造プラント、あるいは修理店などの専用設備でコーティングされる。従来技術における方法並びに装置においては、コーティング装置が大きくて可搬性でなく、また、溶射パターンの幅が広過ぎてコーティングプロセスを正確に制御できないため、そのような専用設備で圧縮機ブレードをマスキングしてから被膜を適用する必要があった。そのため、マスキング等を必要とせず、かつ、実際の作動現場において、手動で溶射することを可能にするよう、溶射装置の確度を改善することが望まれている。 One area where such technology is particularly advantageous relates to the coating of various aircraft components, particularly gas turbine engines, and their components. For example, the blade root of the compressor blade can be coated with a material that meets the dimensional tolerance requirements for sealing the compressor blade with a compressor wheel or the like. In this regard, metal coatings including copper-nickel alloys, aluminum-copper alloys, and other similar composition materials have been applied in this regard using various conventional plasma spraying techniques. Typically, the coating process requires masking areas of the compressor blade that do not require and / or undesirable transfer of coating material. In addition, compressor blades are typically coated with specialized equipment such as an aircraft engine manufacturing plant or a repair shop. In the method and apparatus in the prior art, since the coating apparatus is large and not portable and the width of the spray pattern is too wide to control the coating process accurately, the compressor blade is masked by such dedicated equipment. It was necessary to apply the coating afterwards. For this reason, it is desired to improve the accuracy of the thermal spraying apparatus so that it is possible to perform thermal spraying manually in the actual operation site without requiring masking or the like.

本発明の一態様は、少なくともガスタービンの圧縮機ブレード部分をコーティングするためのマイクロプラズマ溶射装置を提供するものである。マイクロプラズマ・ガンは、陽極と陰極、及びその陽極と陰極の間に電気アークを発生させるアーク発生器を備える。この装置は、その電気アーク中にガスを噴射するアークガス・エミッタを備える。電気アークは、ガスをイオン化してプラズマガス流を生成するのに使用可能である。粉末インジェクタは、粉末材料をプラズマガス流中に噴射する。圧縮機ブレードを、マスキングすることなく、その局部領域を粉末材料でコーティングすることができる。 One aspect of the present invention provides a microplasma spray apparatus for coating at least a compressor blade portion of a gas turbine. The microplasma gun includes an anode and a cathode, and an arc generator that generates an electric arc between the anode and the cathode. The apparatus includes an arc gas emitter that injects gas into the electric arc. An electric arc can be used to ionize the gas to produce a plasma gas stream. A powder injector injects powder material into a plasma gas stream. The local area of the compressor blade can be coated with the powder material without masking.

本発明の他の態様は、ガスタービンの圧縮機ブレードをマイクロプラズマ溶射するための方法を提供するものである。この方法は、陽極と陰極、及び陽極と陰極の間に電気アーク発生させる手段を有するマイクロプラズマ・スプレー・ガンを提供することを含む。ガスをイオン化し、プラズマガス流を形成するために、不活性なアークガスが、電気アークを介して噴射される。粉末材料は、プラズマガス流中に噴射される。本発明の方法により、圧縮機ブレードを、マスキングすることなく、ブレードの限定領域が粉末材料でコーティングされる。 Another aspect of the present invention provides a method for microplasma spraying a compressor blade of a gas turbine. The method includes providing a microplasma spray gun having an anode and a cathode and means for generating an electric arc between the anode and the cathode. An inert arc gas is injected through an electric arc to ionize the gas and form a plasma gas stream. The powder material is injected into the plasma gas stream. By the method of the present invention, a limited area of the blade is coated with the powder material without masking the compressor blade.

本発明の別の態様は、マイクロプラズマ溶射を用いたガスタービンの圧縮機ブレードの修復方法を提供するものである。圧縮機ブレードを、製造環境下で専用の溶射設備を用いることなく、マイクロプラズマ溶射により、作動現場で修復することができる。手動で制御かつ作動するマイクロプラズマ・ガンは、コーティング（被膜）を適用するのに役立つ。不活性なアークガスが、マイクロプラズマ・スプレー・ガンによって発生した電気アークを介して噴射される。不活性ガスは、電気アークによってイオン化され、プラズマガス流を生じる。粉末材料がそのプラズマガス流中に噴射され、それにより圧縮機ブレード部分はマスキングされることなく、その限定領域がコーティングされる。 Another aspect of the present invention provides a method for repairing a compressor blade of a gas turbine using microplasma spraying. Compressor blades can be repaired on-site by microplasma spraying without the use of dedicated spray equipment in a manufacturing environment. A manually controlled and activated microplasma gun helps to apply the coating. Inert arc gas is injected through an electric arc generated by a microplasma spray gun. The inert gas is ionized by the electric arc, producing a plasma gas stream. Powder material is injected into the plasma gas stream, thereby coating the limited area without masking the compressor blade portion.

本発明のその他の用途は、本発明を実施するのに最良の形態として考慮される以下の説明を、付属の図面とともに検討することによって当業者には明らかとなるであろう。 Other uses of the present invention will become apparent to those skilled in the art upon review of the following description, considered as the best mode for carrying out the invention, in conjunction with the accompanying drawings.

以下の開示は、種々の変更並びに代替構成の余地があるものではあるが、それらの一定の例示的実施態様を図中に示し、以下で詳細に説明する。しかしながら、この説明によって本発明を開示の特定の形態に限定するものではなく、本発明は、特許請求の範囲に定義される本発明の要旨並びに範囲内における全ての変更、代替構成並びに同等物を包含するものであることは理解すべきである。 While the following disclosure is susceptible to various modifications and alternative constructions, certain exemplary embodiments thereof are shown in the drawings and are described in detail below. However, this description is not intended to limit the invention to the particular form disclosed, and the invention covers all modifications, alternative constructions and equivalents within the spirit and scope of the invention as defined in the claims. It should be understood that it is included.

図１を参照すると、概ね点線で囲まれたマイクロプラズマ溶射装置１０が図示されている。汎用的な用語において、マイクロプラズマ溶射装置とは、アークガス・エミッタ１４と陽極１６と陰極１８を有するマイクロプラズマ・ガン１２を備えるものである。電気アーク２０は、陽極１６と陰極１８の間に発生する。プラズマ流２１は、アーク２０によってアークガスがアークガス・エミッタ１４から噴射されると形成される。粉末材料インジェクタ２２は、ワークピース２４まで粉末材料を運ぶプラズマ流中に粉末材料を分配する。それにより、粉末材料は、ワークピース２４の所望の箇所に、おおよそ０．００１５〜０．０３インチ（約３．８１×１０^-5〜７６．２×１０^-5ｍ）の厚さを有する被膜を形成する。 Referring to FIG. 1, a microplasma spray apparatus 10 is illustrated which is generally surrounded by a dotted line. In general terms, a microplasma spray apparatus comprises a microplasma gun 12 having an arc gas emitter 14, an anode 16 and a cathode 18. An electric arc 20 is generated between the anode 16 and the cathode 18. The plasma stream 21 is formed when arc gas is injected from the arc gas emitter 14 by the arc 20. The powder material injector 22 distributes the powder material in a plasma stream that carries the powder material to the workpiece 24. Thereby, the powder material is coated at a desired location on the workpiece 24 with a thickness of approximately 0.0015 to 0.03 inches (about 3.81 × 10 ^{−5 to} 76.2 × 10 ⁻⁵ m). Form.

本発明を実施するのに、多数の異なる実施態様並びに構造の変更を構成することが可能であるが、以下では、現在既知の一実施態様を説明する。図２を参照すると、本発明のマイクロプラズマ溶射装置の分解組立図が、符号１０で示されている。以下で詳述するように、マイクロプラズマ溶射装置１０は、それらに限定されるものではないが、少なくとも、ガスタービン・エンジン（図示せず）の圧縮機ブレード７２の部分を含む多くの物品を被覆するのに使用可能である。しかしながら、本明細書による教示が、航空機、陸上用乗り物、兵器、海上船などの面を含む無数のその他の面を被覆するのに使用できることは、理解されるべきである。 While many different embodiments and structural changes can be made to implement the invention, the following describes one currently known embodiment. Referring to FIG. 2, an exploded view of the microplasma spray apparatus of the present invention is indicated at 10. As will be described in detail below, the microplasma spray apparatus 10 covers a number of articles including, but not limited to, a compressor blade 72 portion of a gas turbine engine (not shown). Can be used to However, it should be understood that the teachings herein can be used to cover a myriad of other surfaces, including surfaces such as aircraft, land vehicles, weapons, marine vessels, and the like.

図示する実施態様において、マイクロプラズマ溶射装置１０は、前述の、陽極１６と陰極１８を有するマイクロプラズマ・ガン１２を備える。陰極１８は、さらに、絶縁体２６とそこから延在する電極２８を備えるよう描かれている。陰極１８は又、マイクロプラズマ・ガン１２とねじによって係合させるためのねじ山３０を備えることができる。陰極１８は又、陰極１８とマイクロプラズマ・ガン１２の間の境界面に生じる漏れ路を密封するために、Oリングシール３２を備えることができる。 In the illustrated embodiment, the microplasma spray apparatus 10 includes a microplasma gun 12 having an anode 16 and a cathode 18 as described above. The cathode 18 is further depicted to include an insulator 26 and an electrode 28 extending therefrom. The cathode 18 can also include threads 30 for threading engagement with the microplasma gun 12. Cathode 18 may also include an O-ring seal 32 to seal a leak path that occurs at the interface between cathode 18 and microplasma gun 12.

動作において、電気アーク２０（図１）は、マイクロプラズマ・ガン１２の陽極１６と陰極１８の間で発生する。それらに限定されるものではないが、アルゴンなどのアークガスが、陽極１６と陰極１８の間に発生した電気アーク中に放射される。実用におけるアークガスは、電気アークの発生前に放射可能であることは理解すべきである。電気アークは、ガスをイオン化して、プラズマガス流２１を生じる。イオン化プロセスによりアークガスから電子が取り除かれ、それにより、ガスは一時的に不安定になる。アークガスは、再び安定化する際に、おおよそ２０，０００°F〜３０，０００°F（約１１，３６６．５K〜１６，９２２K）に昇温する。プラズマ流は、電気アーク通過後、急速に冷却する。 In operation, an electric arc 20 (FIG. 1) is generated between the anode 16 and the cathode 18 of the microplasma gun 12. Although not limited thereto, an arc gas such as argon is radiated into the electric arc generated between the anode 16 and the cathode 18. It should be understood that arc gas in practice can be radiated before the occurrence of an electric arc. The electric arc ionizes the gas and produces a plasma gas stream 21. The ionization process removes electrons from the arc gas, which causes the gas to become temporarily unstable. When the arc gas is stabilized again, the temperature rises to about 20,000 ° F. to 30,000 ° F. (about 11,366.5 K to 16,922 K). The plasma stream cools rapidly after passing through the electric arc.

粉末材料インジェクタ２２は、粉末材料３４をプラズマガス流２１中に噴射する。粉末材料３４はプラズマガス流内で加熱されて流動化され、圧縮機ブレード（図示せず）上に堆積される。そして、そこで冷却して再固化して被膜を形成する。粉末材料インジェクタ２２は、粉末材料３４を保持するための粉末ホッパー３６を備える。ホッパー３６は、マイクロプラズマ・ガン１２に設けられたコネクタ３８によって、ガン１２に取り付けられる。粉末ホッパー３６は、圧縮機ブレード７２上に溶射される粉末材料を保持する。粉末材料３４は、吐出シュート４０を通って運ばれ、かつ、吐出シュート４０内に設けられた弁４２で制御される。弁４２は、当業者に既知の機械的あるいは電気機械的なものであってよい。粉末は又、粉末ガス・ラインを介して、標準的な粉末供給器（図示せず）からプラズマガス流中に噴射することも可能である。 The powder material injector 22 injects the powder material 34 into the plasma gas stream 21. The powder material 34 is heated and fluidized in a plasma gas stream and deposited on a compressor blade (not shown). Then, it is cooled and re-solidified to form a film. The powder material injector 22 includes a powder hopper 36 for holding the powder material 34. The hopper 36 is attached to the gun 12 by a connector 38 provided on the microplasma gun 12. The powder hopper 36 holds the powder material sprayed onto the compressor blade 72. The powder material 34 is conveyed through the discharge chute 40 and is controlled by a valve 42 provided in the discharge chute 40. Valve 42 may be mechanical or electromechanical as known to those skilled in the art. The powder can also be injected into the plasma gas stream from a standard powder feeder (not shown) via a powder gas line.

マイクロプラズマ・ガン１２の前方壁４８上に設けられたノズル・シュラウド４６は、ノズル・インサート５０を保持し、かつ、電極２８を、ノズル・シュラウド４６内に形成された中央アパーチャ５２を介して延在させる。ノズル・インサート５０は、ノズル・シュラウド４６の一端に、ねじで取り付けることができる。シールドガス・キャップ５４が、ノズル・シュラウド４６に隣接して設けられる。シールドガス・キャップ５４をノズル・シュラウド４６から電気的に絶縁するために、絶縁体５６を、シールドガス・キャップ５４とノズル・シュラウド４６の間に配置する。シールドガス・キャップ５４は、絶縁体５６の上からノズル・シュラウド４６上に押しつけて適合させることができる。シールドガス・キャップ５４は、シールドガスを流通させてアークガスを雰囲気から遮断するための複数の貫通孔５８を備える。シールドガス・キャップ５４中に形成された中央アパーチャ６０により、アークガスが電気アーク中を高速で通過することが可能となる。 A nozzle shroud 46 provided on the front wall 48 of the microplasma gun 12 holds the nozzle insert 50 and extends the electrode 28 through a central aperture 52 formed in the nozzle shroud 46. Let it be. The nozzle insert 50 can be screwed to one end of the nozzle shroud 46. A shield gas cap 54 is provided adjacent to the nozzle shroud 46. An insulator 56 is placed between the shield gas cap 54 and the nozzle shroud 46 to electrically insulate the shield gas cap 54 from the nozzle shroud 46. The shield gas cap 54 can be fitted by pressing it onto the nozzle shroud 46 from above the insulator 56. The shield gas cap 54 is provided with a plurality of through holes 58 for circulating the shield gas and blocking the arc gas from the atmosphere. A central aperture 60 formed in the shield gas cap 54 allows arc gas to pass through the electric arc at high speed.

マイクロプラズマ・ガン１２を冷却するには、水などの冷却流体を使用する。冷却流体は、冷却流体ホース６２を介してマイクロプラズマ・ガン１２へ送られる。冷却流体は、マイクロプラズマ・ガン１２内の内部通路（図示せず）を通って横断し、インレット通路６４内を通って、陽極保持器６６内へと流れ、アウトレット通路６８を通って戻る。冷却流体により、マイクロプラズマ・ガン１２の作動中に、陽極１６の温度が低下する。冷却流体の流速は、１分当たりおおよそ０．０１〜１ガロン（約０．０００３７８５ｍ³／分〜０．００３７８５ｍ³／分）であってよい。第２のコンジット７０が、マイクロプラズマ・ガン１２に連結される。第２のコンジットは、電力、アークガス、並びにシールドガスをマイクロプラズマ・ガン１２に供給するのに使用可能である。 To cool the microplasma gun 12, a cooling fluid such as water is used. The cooling fluid is sent to the microplasma gun 12 via the cooling fluid hose 62. The cooling fluid traverses through an internal passage (not shown) in the microplasma gun 12, flows through the inlet passage 64, into the anode holder 66, and returns through the outlet passage 68. The cooling fluid reduces the temperature of the anode 16 during operation of the microplasma gun 12. The cooling fluid flow rate may be approximately 0.01 to 1 gallon per minute (approximately 0.0003785 m ³ / min to 0.003785 m ³ / min). A second conduit 70 is coupled to the microplasma gun 12. The second conduit can be used to supply power, arc gas, and shielding gas to the microplasma gun 12.

図３を参照すると、ブレード根元７４などの、圧縮機ブレード７２の局部的領域が、粉末材料３４で溶射可能であることが示されている。プラズマガス流２１は、被覆される圧縮機ブレード７２の部分に向かって方向付けられる。マイクロプラズマ・ガン１２は、おおよそ０．５ｋWから４ｋWという比較的低い電力範囲で作動可能である。マイクロプラズマ・ガン１２の低い電力出力により、圧縮機ブレード７２内の熱流量を、従来の被覆法と比較して著しく減少させることができる。被覆工程による圧縮機ブレード７２の最大表面温度は、ブレードの寸法に依存するが、おおよそ２００°F（約３６６．４８３K）である。低い電力出力によって高温勾配に起因する局部的な応力が制限されるため、マイクロプラズマ・ガン１２は、圧縮機ブレードを変形させることなく、粉末材料３４を圧縮機ブレード７２の薄肉領域に適用するのに使用可能である。 Referring to FIG. 3, it is shown that local areas of the compressor blade 72, such as the blade root 74, can be sprayed with the powder material 34. The plasma gas stream 21 is directed toward the portion of the compressor blade 72 to be coated. The microplasma gun 12 can operate in a relatively low power range of approximately 0.5 kW to 4 kW. The low power output of the microplasma gun 12 can significantly reduce the heat flow in the compressor blade 72 as compared to conventional coating methods. The maximum surface temperature of the compressor blade 72 due to the coating process is approximately 200 ° F. (about 366.483K), depending on the blade dimensions. The microplasma gun 12 applies the powder material 34 to the thin wall region of the compressor blade 72 without deforming the compressor blade because the low power output limits local stresses due to high temperature gradients. Can be used.

マイクロプラズマ・ガン１２は、おおよそ０．５ｍｍ〜５ｍｍ幅の細いストライプ状にコーティング材を適用することができる。これにより、手持ち式の装置の場合でさえ、正確に面を被覆することが可能となる。細いストライプ状の被覆により、圧縮機ブレード７２の被覆不要な領域をマスキングしたりその他の方法でカバーしたりする必要性が実質的に除かれる。細い溶射パターンは、ノズルの開口径により制御される。手持ち式のマイクロプラズマ・ガン１２は、非常に確度が高いため、被覆される部材をエンジンなどに実装したままの状態でそれら部材にコーティング材を溶射することができる。 A coating material can be applied to the microplasma gun 12 in a thin stripe shape having a width of approximately 0.5 mm to 5 mm. This makes it possible to accurately coat the surface even in the case of handheld devices. The thin striped coating substantially eliminates the need to mask or otherwise cover uncovered areas of the compressor blade 72. The thin spray pattern is controlled by the nozzle opening diameter. Since the hand-held microplasma gun 12 has very high accuracy, the coating material can be sprayed onto the members to be coated while they are mounted on the engine or the like.

マイクロプラズマ溶射装置１０のアークガスの流速は、おおよそ０．５〜３リットル／分（約０．０００５〜０．００３ｍ³／分）であってよい。上述のように、アークガス及びシールドガスは、通常、アルゴンであるが、当業者に周知のように、適切な不活性ガスであればいずれも使用可能である。シールドガスの流速は、通常の用途であれば、おおよそ２〜８リットル／分（約０．００２〜０．００８ｍ³／分）であってよい。圧縮機ブレード７２用のコーティング材は、銅−ニッケル合金、銅−アルミニウム合金、あるいは、当業者に周知の、通常、約１，８００°F（約１２５５．３７K）までの作動温度を有する、圧縮機ブレードに適したその他の耐熱性合金であってよい。 The arc gas flow rate of the microplasma spray apparatus 10 may be approximately 0.5-3 liters / minute (about 0.0005-0.003 m ³ / minute). As described above, the arc gas and shield gas are typically argon, but any suitable inert gas may be used as is well known to those skilled in the art. The flow rate of the shielding gas may be approximately 2-8 liters / minute (about 0.002-0.008 m ³ / minute) for normal applications. The coating material for the compressor blade 72 can be a copper-nickel alloy, a copper-aluminum alloy, or a compression well known to those skilled in the art, typically having an operating temperature of up to about 1,800 ° F. (about 125.37K). Other heat resistant alloys suitable for machine blades may be used.

粉末ホッパー３６は、粉末インジェクタ２２によってプラズマガス流２１中に噴射される前の粉末材料３４を保持する。粉末材料３４は、重力供給方式か又は加圧供給方式（図示せず）のいずれかによってプラズマガス流中に噴射することができる。遮断制御弁４２は、プラズマガス流２１への粉末材料３４の供給速度を制御する。粉末材料３４は、約１〜３０ｇ／分で圧縮機ブレード７２へ移動する。マイクロプラズマ・ガン１２は、通常、約１〜８インチ（約０．０２５４〜０．２０３２ｍ）の距離から圧縮機ブレード７２にコーティング材を適用するが、この距離は被覆用途要求に依存して変化する。マイクロプラズマ溶射・ガン１２は、圧縮機ブレードの垂直軸に対して＋４５°から−４５°の間の角度で配向させることができ、かつ重力供給方式で適切なコーティング材を供給する。加圧供給方式の場合、マイクロプラズマ・ガン１２の配向角度は無限となる。マイクロプラズマ・ガン１２は、低い電力出力により、４０デシベル〜７０デシベルという比較的低い騒音レベルを発生するため、装置１０を手持ち式用途に適したものとすることができる。現在の米国政府の基準では、環境騒音が８５デシベルに達した場合、聴覚保護（対策）が要求される。マイクロプラズマ溶射装置１０は、手持ち式、あるいはコンピュータ制御の自動固定装置（図示せず）で保持することができる。 The powder hopper 36 holds the powder material 34 before being injected into the plasma gas stream 21 by the powder injector 22. The powder material 34 can be injected into the plasma gas stream by either a gravity supply system or a pressurized supply system (not shown). The cutoff control valve 42 controls the supply speed of the powder material 34 to the plasma gas flow 21. The powder material 34 moves to the compressor blade 72 at about 1-30 g / min. The microplasma gun 12 typically applies coating material to the compressor blade 72 from a distance of about 1 to 8 inches (about 0.0254 to 0.2032 m), but this distance varies depending on the coating application requirements. To do. The microplasma spray gun 12 can be oriented at an angle between + 45 ° and −45 ° with respect to the vertical axis of the compressor blade and provides a suitable coating material in a gravity feed manner. In the case of the pressurized supply system, the orientation angle of the microplasma gun 12 is infinite. The microplasma gun 12 generates a relatively low noise level of 40 decibels to 70 decibels with a low power output, making the device 10 suitable for handheld applications. According to current US government standards, hearing protection (measures) is required when environmental noise reaches 85 decibels. The microplasma spraying device 10 can be held by a hand-held or computer-controlled automatic fixing device (not shown).

図４を参照すると、マイクロプラズマ溶射装置１０とプラズマ溶射工程を概して説明するブロック図が示されている。まず、ブロック８０において、ノズル・インサート５０からアークガスが放出される。プラズマ・スプレー・ガン１２の陽極１６と陰極１８の間に電位が発生し、次いで、ブロック８２で説明するようにアークガスを介して方向付けられる。アークガスは、電位によってプラズマ流２１を生じるよう誘導される。ブロック８４において、プラズマ流２１中に粉末材料３４が噴射される。ブロック８６では、粉末材料３４がワークピースに適用された際に展性を有するよう、プラズマ流により粉末材料３４が「流動化」状態まで加熱される。ブロック８８では、粉末材料３４が、マスキングされていない基体に適用される。粉末材料３４は次いで冷却されて、基体上に硬質の被膜として固化する。 Referring to FIG. 4, a block diagram generally illustrating the microplasma spray apparatus 10 and the plasma spray process is shown. First, at block 80, arc gas is released from the nozzle insert 50. A potential is developed between the anode 16 and the cathode 18 of the plasma spray gun 12 and then directed through the arc gas as described in block 82. The arc gas is induced to produce a plasma flow 21 by the potential. At block 84, powder material 34 is injected into the plasma stream 21. At block 86, the powder material 34 is heated to a "fluidized" state by the plasma flow so that the powder material 34 is malleable when applied to the workpiece. At block 88, the powder material 34 is applied to an unmasked substrate. The powder material 34 is then cooled to solidify as a hard coating on the substrate.

前述の試験の組合せは、本発明の特定の実施態様の詳細を説明するものであるが、本発明の法的範囲は特許請求の範囲に定義されるものであることは理解すべきである。この詳細な説明は、単なる例示として解釈すべきであり、本発明の可能性のある実施態様を全て説明することは不可能とまではいかないが実現的ではないため、全部は開示していない。現在の技術、あるいは本出願後に開発され得る技術のいずれかを用いることにより、無数の代替の実施態様が実行可能であり、それらはいずれも本発明を定義する特許請求項の範囲内である。 While the combination of the foregoing tests illustrates the details of a particular embodiment of the present invention, it is to be understood that the legal scope of the invention is as defined in the claims. This detailed description is to be construed as merely illustrative, and not exhaustive, since it is not impossible, though not impossible, to describe all possible embodiments of the invention. Numerous alternative embodiments are feasible using either current technology or technology that may be developed after this application, all within the scope of the claims that define the invention.

マイクロプラズマ・スプレー・ガンと、ワークピースを示す概略図である。It is the schematic which shows a microplasma spray gun and a workpiece. 本発明の教示によって構成されたマイクロプラズマ溶射装置の分解組立透視図である。1 is an exploded perspective view of a microplasma spray apparatus constructed in accordance with the teachings of the present invention. FIG. ワークピースに被膜を適用する図１のマイクロプラズマ溶射装置の透視図である。2 is a perspective view of the microplasma spray apparatus of FIG. 1 applying a coating to a workpiece. FIG. マスキングされていないワークピースに対してマイクロプラズマ溶射によりコーティングする工程を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the process of coating the workpiece | work which is not masked by micro plasma spraying.

符号の説明Explanation of symbols

１０…マイクロプラズマ溶射装置
１２…マイクロプラズマ・ガン
１４…アークガス・エミッタ
１６…陽極
１８…陰極
２１…プラズマガス流
２２…粉末インジェクタ
２４…ワークピース DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Micro plasma spraying device 12 ... Micro plasma gun 14 ... Arc gas emitter 16 ... Anode 18 ... Cathode 21 ... Plasma gas flow 22 ... Powder injector 24 ... Workpiece

Claims

陽極、陰極及び該陽極と陰極の間に電気アークを発生するためのアーク発生器を備えるマイクロプラズマ・ガンと、
プラズマガス流を生じるようアークガスをイオン化するよう作動可能な電気アーク中にアークガスを放射するためのノズルと、
プラズマガス流中に粉末材料を噴射し、かつ圧縮機ブレードの限定領域をコーティングするための粉末インジェクタ、
を含み、それにより圧縮機ブレードをマスキングすることなくコーティング材を適用することが可能であることを特徴とする、ガスタービン・エンジンの圧縮機ブレードの少なくとも一部をコーティングするためのマイクロプラズマ溶射装置。 A microplasma gun comprising an anode, a cathode and an arc generator for generating an electric arc between the anode and the cathode;
A nozzle for emitting arc gas into an electric arc operable to ionize the arc gas to produce a plasma gas flow;
A powder injector for injecting powder material into the plasma gas stream and coating a limited area of the compressor blade,
A microplasma spray apparatus for coating at least a portion of a compressor blade of a gas turbine engine, characterized in that the coating material can be applied without masking the compressor blade .

前記マイクロプラズマ・ガンが、約０．５ｋＷから４ｋＷの比較的低い電力範囲で作動することを特徴とする、請求項１記載のマイクロプラズマ溶射装置。 The microplasma spray apparatus of claim 1, wherein the microplasma gun operates in a relatively low power range of about 0.5 kW to 4 kW.

前記マイクロプラズマ・ガンが、圧縮機ブレードを変形させることなく圧縮機ブレードの薄肉部分に材料を適用するよう作動可能であることを特徴とする、請求項１記載のマイクロプラズマ溶射装置。 The microplasma spray apparatus of claim 1, wherein the microplasma gun is operable to apply material to a thin portion of the compressor blade without deforming the compressor blade.

前記コーティング材を適用することによる前記圧縮機ブレードの最高表面温度がおおよそ２００°Ｆであることを特徴とする、請求項１記載のマイクロプラズマ溶射装置。 The microplasma spray apparatus according to claim 1, wherein the maximum surface temperature of the compressor blade by applying the coating material is approximately 200F.

前記ノズルが、おおよそ０．５から５ｍｍの細い幅で、コーティング材を前記圧縮機ブレードに適用することを特徴とする、請求項１記載のマイクロプラズマ溶射装置。 The microplasma spray apparatus according to claim 1, wherein the nozzle has a narrow width of approximately 0.5 to 5 mm and applies a coating material to the compressor blade.

前記アークガスの流速が、おおよそ０．５から３リットル／分であることを特徴とする、請求項１記載のマイクロプラズマ溶射装置。 The microplasma spray apparatus according to claim 1, wherein the arc gas has a flow rate of approximately 0.5 to 3 liters / minute.

前記アークガスが不活性であることを特徴とする、請求項１記載のマイクロプラズマ溶射装置。 2. The microplasma spraying apparatus according to claim 1, wherein the arc gas is inert.

前記アークガスがアルゴンであることを特徴とする、請求項１記載のマイクロプラズマ溶射装置。 The microplasma spraying apparatus according to claim 1, wherein the arc gas is argon.

シールドガス・キャップをさらに含み、該キャップはそこを介してシールドガスを噴射させることを特徴とする、請求項１記載のマイクロプラズマ溶射装置。 The microplasma spray apparatus according to claim 1, further comprising a shielding gas cap through which the shielding gas is injected.

前記シールドガスの流速が、おおよそ２から８リットル／分であることを特徴とする、請求項９記載のマイクロプラズマ溶射装置。 The microplasma spray apparatus according to claim 9, wherein the flow rate of the shielding gas is approximately 2 to 8 liters / minute.

前記シールドガスが不活性であることを特徴とする、請求項９記載のマイクロプラズマ溶射装置。 The microplasma spraying apparatus according to claim 9, wherein the shielding gas is inert.

前記シールドガスがアルゴンであることを特徴とする、請求項９記載のマイクロプラズマ溶射装置。 The microplasma spraying apparatus according to claim 9, wherein the shielding gas is argon.

前記コーティング材が、銅とニッケルの合金であることを特徴とする、請求項１記載のマイクロプラズマ溶射装置。 The microplasma spray apparatus according to claim 1, wherein the coating material is an alloy of copper and nickel.

前記コーティング材が、アルミニウム−銅合金を含むことを特徴とする、請求項１記載のマイクロプラズマ溶射装置。 2. The microplasma spray apparatus according to claim 1, wherein the coating material contains an aluminum-copper alloy.

前記プラズマガス中に噴射される前に粉末材料を保持するための粉末ホッパーをさらに含むことを特徴とする、請求項１記載のマイクロプラズマ溶射装置。 2. The microplasma spray apparatus according to claim 1, further comprising a powder hopper for holding a powder material before being injected into the plasma gas.

前記粉末材料を供給する速度が、おおよそ１から３０ｇ／分であることを特徴とする、請求項１記載のマイクロプラズマ溶射装置。 2. The microplasma spray apparatus according to claim 1, wherein a rate of supplying the powder material is approximately 1 to 30 g / min.

前記装置の高温部分を冷却するための冷却システムをさらに含むことを特徴とする、請求項１記載のマイクロプラズマ溶射装置。 The microplasma spray apparatus of claim 1, further comprising a cooling system for cooling a hot portion of the apparatus.

前記マイクロプラズマ・ガンが、おおよそ１．５インチから８インチの距離からコーティング材を圧縮機ブレードに適用することを特徴とする、請求項１記載のマイクロプラズマ溶射装置。 The microplasma spray apparatus of claim 1, wherein the microplasma gun applies coating material to the compressor blade from a distance of approximately 1.5 to 8 inches.

前記圧縮機ブレードの垂直軸に対する前記マイクロプラズマの溶射角が、おおよそ正の角４５°から負の角４５°であることを特徴とする、請求項１記載のマイクロプラズマ溶射装置。 The microplasma spray apparatus according to claim 1, wherein a spray angle of the microplasma with respect to a vertical axis of the compressor blade is approximately 45 ° to a negative angle of 45 °.

前記マイクロプラズマ・ガンが、おおよそ４０から７０デシベルの騒音レベルを発生することを特徴とする、請求項１記載のマイクロプラズマ溶射装置。 The microplasma spray apparatus of claim 1, wherein the microplasma gun generates a noise level of approximately 40 to 70 decibels.

前記陰極部分を包囲する陰極シュラウドをさらに含むことを特徴とする、請求項１記載のマイクロプラズマ溶射装置。 The microplasma spray apparatus according to claim 1, further comprising a cathode shroud surrounding the cathode portion.

前記陰極シュラウド上に配置されるアークガス・ノズルをさらに含み、そのノズルを介してアークガスを放出することを特徴とする、請求項２１記載のマイクロプラズマ溶射装置。 The microplasma spraying apparatus according to claim 21, further comprising an arc gas nozzle disposed on the cathode shroud, wherein the arc gas is discharged through the nozzle.

実質的に前記陰極シュラウドを包含し、前記アークガスと雰囲気との間の障壁としてのシールドガスを提供するよう作動可能なシールドガス・キャップをさらに含むことを特徴とする、請求項２２記載のマイクロプラズマ溶射装置。 23. The microplasma of claim 22, further comprising a shielding gas cap that substantially includes the cathode shroud and is operable to provide a shielding gas as a barrier between the arc gas and the atmosphere. Thermal spray equipment.

前記シールドガス・キャップと前記陰極シュラウドの間に設けられるシールド・キャップ絶縁体をさらに含むことを特徴とする、請求項２３記載のマイクロプラズマ溶射装置。 24. The microplasma spray apparatus according to claim 23, further comprising a shield cap insulator provided between the shield gas cap and the cathode shroud.

陽極と陰極を備えるマイクロプラズマ・ガンを提供することと、
ノズルから不活性なアークガスを噴射することと、
陽極と陰極の間にアークガスによって電気アークを発生させることと、
プラズマガス流を形成するために電気アークを介してアークガスをイオン化することと、
プラズマガス流中に粉末材料を噴射することと、
圧縮機ブレードをマスキングすることなく、該圧縮機ブレードの限定領域を粉末材料でコーティングすること、
を含んでなることを特徴とする、タービンの圧縮機ブレードをマイクロプラズマ溶射するための方法。 Providing a microplasma gun comprising an anode and a cathode;
Injecting an inert arc gas from the nozzle;
Generating an electric arc with an arc gas between the anode and the cathode;
Ionizing the arc gas via an electric arc to form a plasma gas stream;
Injecting powder material into the plasma gas stream;
Coating a limited area of the compressor blade with a powder material without masking the compressor blade;
A method for microplasma spraying a compressor blade of a turbine, comprising:

前記マイクロプラズマ・ガンを、約０．５ｋＷから４ｋＷの比較的低い電力範囲で操作することをさらに含むことを特徴とする、請求項２５記載の方法。 26. The method of claim 25, further comprising operating the microplasma gun in a relatively low power range of about 0.5 kW to 4 kW.

前記圧縮機ブレードに対して、これを変形させることなくコーティング材を適用することをさらに含むことを特徴とする、請求項２５記載の方法。 26. The method of claim 25, further comprising applying a coating material to the compressor blade without deforming it.

おおよそ０．５から５ｍｍの細い幅で、コーティング材を前記圧縮機ブレードに適用することをさらに含むことを特徴とする、請求項２５記載の方法。 26. The method of claim 25, further comprising applying a coating material to the compressor blade with a narrow width of approximately 0.5 to 5 mm.

前記アークガスを、おおよそ０．５から３リットル／分の速度で流すことを特徴とする、請求項２５記載の方法。 26. The method of claim 25, wherein the arc gas is flowed at a rate of approximately 0.5 to 3 liters / minute.

前記シールドガスを、おおよそ２から８リットル／分の速度で流すことを特徴とする、請求項２５記載の方法。 26. The method of claim 25, wherein the shielding gas is flowed at a rate of approximately 2 to 8 liters / minute.

前記粉末材料を、おおよそ１から３０ｇ／分で供給することをさらに含むことを特徴とする、請求項２５記載の方法。 26. The method of claim 25, further comprising feeding the powder material at approximately 1 to 30 g / min.

前記マイクロプラズマ・ガンを、水冷システムで冷却することをさらに含むことを特徴とする、請求項２５記載の方法。 26. The method of claim 25, further comprising cooling the microplasma gun with a water cooling system.

前記材料を、おおよそ１．５から８インチの距離から前記圧縮機ブレードに適用することをさらに含むことを特徴とする、請求項２５記載の方法。 26. The method of claim 25, further comprising applying the material to the compressor blade from a distance of approximately 1.5 to 8 inches.

前記圧縮機ブレードの垂直軸に対しておおよそ正の角４５°から負の角４５°の角度で設けられた前記マイクロプラズマ・ガンで前記圧縮機ブレードにコーティング材を適用することをさらに含むことを特徴とする、請求項２５記載の方法。 Further comprising applying a coating material to the compressor blade with the microplasma gun provided at an angle of approximately 45 ° to a negative angle of approximately 45 ° to a vertical axis of the compressor blade. 26. The method of claim 25, characterized.

作動中におおよそ４０から７０デシベルの騒音レベルを発生することをさらに含むことを特徴とする、請求項２５記載の方法。 26. The method of claim 25, further comprising generating a noise level of approximately 40 to 70 decibels during operation.

手動で制御かつ操作されるマイクロプラズマ・スプレー・ガンを使用することと、
スプレー・ガンによって発生される電気アークにより不活性なアークガスを噴射することと、
プラズマガス流を形成するために電気アークでアークガスをイオン化することと、
プラズマガス流中に粉末材料を噴射することと、
圧縮機ブレードをマスキングすることなく、かつ専用の溶射設備を利用することなく、その圧縮機ブレードの限定領域を粉末材料で溶射すること、
を含んでなることを特徴とする、マイクロプラズマ溶射装置を用いてガスタービンの圧縮機ブレードを修復する方法。 Using a manually controlled and operated microplasma spray gun;
Injecting an inert arc gas by an electric arc generated by a spray gun;
Ionizing the arc gas with an electric arc to form a plasma gas stream;
Injecting powder material into the plasma gas stream;
Spraying a limited area of the compressor blade with powder material without masking the compressor blade and without using dedicated spray equipment;
A method of repairing a compressor blade of a gas turbine using a microplasma spraying device, comprising:

前記マイクロプラズマ・ガンを、約０．５ｋＷから４ｋＷの比較的低い電力範囲で操作することをさらに含むことを特徴とする、請求項３６記載の方法。 37. The method of claim 36, further comprising operating the microplasma gun in a relatively low power range of about 0.5 kW to 4 kW.

前記圧縮機ブレードに対して、これを変形させることなくコーティング材を適用することをさらに含むことを特徴とする、請求項３６記載の方法。 38. The method of claim 36, further comprising applying a coating material to the compressor blade without deforming it.

おおよそ０．５から５ｍｍの細い幅で、コーティング材を前記圧縮機ブレードに適用することをさらに含むことを特徴とする、請求項３６記載の方法。 38. The method of claim 36, further comprising applying a coating material to the compressor blade with a narrow width of approximately 0.5 to 5 mm.

前記アークガスを、おおよそ０．５から３リットル／分の速度で流すことを特徴とする、請求項３６記載の方法。 37. The method of claim 36, wherein the arc gas is flowed at a rate of approximately 0.5 to 3 liters / minute.

シールドガスを、おおよそ２から８リットル／分の速度で流すことを特徴とする、請求項３６記載の方法。 37. The method of claim 36, wherein the shielding gas is flowed at a rate of approximately 2 to 8 liters / minute.

前記粉末材料を、おおよそ１から３０ｇ／分で供給することをさらに含むことを特徴とする、請求項３６記載の方法。 37. The method of claim 36, further comprising feeding the powder material at approximately 1 to 30 g / min.

前記マイクロプラズマ・ガンを、水冷システムで冷却することをさらに含むことを特徴とする、請求項３６記載の方法。 37. The method of claim 36, further comprising cooling the microplasma gun with a water cooling system.

前記材料を、おおよそ１．５から８インチの距離から前記圧縮機ブレードにコーティング材を適用することをさらに含むことを特徴とする、請求項３６記載の方法。 38. The method of claim 36, further comprising applying a coating material to the compressor blade from a distance of approximately 1.5 to 8 inches.

前記圧縮機ブレードの垂直軸に対しておおよそ正の角４５°から負の角４５°の角度で配置された前記マイクロプラズマ・ガンで前記圧縮機ブレードにコーティング材を適用することをさらに含むことを特徴とする、請求項３６記載の方法。 Further comprising applying a coating material to the compressor blade with the microplasma gun disposed at an angle of approximately 45 ° to a negative angle of approximately 45 ° to a vertical axis of the compressor blade. The method of claim 36, characterized.

作動中におおよそ４０から７０デシベルの騒音レベルを発生することをさらに含むことを特徴とする、請求項３６記載の方法。 38. The method of claim 36, further comprising generating a noise level of approximately 40 to 70 decibels during operation.