JP2008138242A - Wear resistant coating, and article having the wear resistant coating - Google Patents
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Abstract
Description
本技術は、概して耐摩耗コーティングに関する。さらに詳しくは、本技術の実施形態は、摂氏−約40度から摂氏約900度までの温度を受けることがあるガスタービン航空機用エンジンなどの高温の用途において安定した低摩擦耐摩耗コーティングに関する。 The present technology generally relates to wear resistant coatings. More particularly, embodiments of the technology relate to low friction and wear resistant coatings that are stable in high temperature applications such as gas turbine aircraft engines that may be subjected to temperatures from about 40 degrees Celsius to about 900 degrees Celsius.
耐摩耗コーティングは、切削工具、自動車部品、およびタービン部品を含む多くの構造的適用例における基礎材料の硬度と摩耗挙動を改善するために広く使用されている。しばしば、ガスタービンエンジンを搭載した航空機およびヘリコプタは、高温度、低湿気、および腐食性雰囲気の中で動作する。例えば、ガスタービン航空機エンジンにおいては、圧縮機を通じて空気流を調整するために使用される可変静翼が離陸中に摂氏500度もの高い温度にさらされる。これらの可変静翼はまた、静翼と静翼を支持するブッシングの間でかなりの荷重を受ける。例えば荷重は、静翼を横切る空気流によって行使される力の結果として、約150lbs(約68kg)までの径方向荷重と約20lbs(約9kg)までの軸方向荷重を含むことがある。商用エンジンは40,000フィート(12,200m)台の高度に達し、このようなレベルでは湿気の可用性は非常に低い。適切な量の湿気がない場合、グラファイトなどの従来の潤滑剤はその効力を失い、その結果、構成部分の中でも特に静翼とブッシングの間に望ましくない摩擦と摩耗が生じる。したがって、これらの構成部分を潤滑し、高温、高高度、低湿気などを含むさまざまな動作条件における望ましくない摩耗から保護するための技術が必要である。
したがって、これらの厳しい条件の下で動作することができる耐摩耗コーティングを改善することが必要である。 Therefore, there is a need to improve wear resistant coatings that can operate under these severe conditions.
ある態様では、本発明の実施形態は、複数の硬質粒子が分散する金属合金基質を含む硬質裏当てと、硬質裏当ての上に配置された複数のナノ層とを含む耐摩耗コーティングを提供する。複数のナノ層は互いに異なる特性を有している。 In one aspect, embodiments of the present invention provide an abrasion resistant coating comprising a hard backing comprising a metal alloy substrate in which a plurality of hard particles are dispersed and a plurality of nanolayers disposed on the hard backing. . The plurality of nanolayers have different characteristics.
別の態様では、本発明の実施形態は、耐摩耗コーティングを作るための方法を提供する。この方法は、基板を提供するステップと、硬質裏当てを配置するステップと、複数のナノ層を硬質裏当ての上に配置するステップとを含む。複数のナノ層は互いに異なる特性を有している。 In another aspect, embodiments of the present invention provide a method for making an abrasion resistant coating. The method includes providing a substrate, placing a hard backing, and placing a plurality of nanolayers on the hard backing. The plurality of nanolayers have different characteristics.
さらに別の態様では、本発明の実施形態は物品を提供する。この物品は構成部分と、構成部分の上に配置された耐摩耗コーティングとを含む。耐摩耗コーティングは、複数の硬質粒子が分散する金属合金基質を含む硬質裏当てと、硬質裏当ての上に配置された複数のナノ層とを含む。 In yet another aspect, embodiments of the present invention provide an article. The article includes a component and a wear resistant coating disposed on the component. The abrasion resistant coating includes a hard backing comprising a metal alloy substrate in which a plurality of hard particles are dispersed and a plurality of nanolayers disposed on the hard backing.
ある例示的な実施形態では、本発明は、1個のブッシングまたは一対のブッシングからなる可変静翼組立体と、トラニオンと呼ばれる翼ステムとを含むエンジンを提供する。ブッシングは、トラニオンの外表面と接触している内表面を有する。ブッシングの内表面と可変静翼の外表面は、耐摩耗コーティングによって被覆され、この耐摩耗コーティングは、複数の硬質粒子が分散する金属合金基質を含む硬質裏当てと、硬質裏当ての上に配置された複数のナノ層とを含む。 In one exemplary embodiment, the present invention provides an engine that includes a variable vane assembly consisting of a bushing or a pair of bushings and a blade stem called a trunnion. The bushing has an inner surface in contact with the outer surface of the trunnion. The inner surface of the bushing and the outer surface of the variable vane are coated with an abrasion resistant coating that is placed on top of the rigid backing with a metal alloy substrate in which multiple hard particles are dispersed, and on the rigid backing. A plurality of nanolayers.
本発明のこれらおよびその他の態様と、利点と、顕著な特性は、下記の詳細な説明と、付随の図面と、添付の特許請求の範囲から明らかになろう。 These and other aspects, advantages, and salient features of the present invention will become apparent from the following detailed description, the accompanying drawings, and the appended claims.
下記の説明において、図面中におけるあるいくつかの図を通じて、同様な参照番号は同様なまたは対応する部分を示す。「頂部」、「底部」、「外向き」、「内向き」、「覆って」などの用語は便宜上の語であって、限定する用語として解釈してはならないことも理解されたい。さらに、本発明の特定の態様が一群の多くの要素およびこれらの組合せの少なくとも1つを含むか、またはそれから構成されると述べられるときは必ず、この態様はこの群の要素のいずれかを、個別にまたはこの群の他の要素のいずれかと組み合わせて含むか、またはそれから構成されることを理解されたい。 In the following description, like reference numerals designate like or corresponding parts throughout the several views of the drawings. It should also be understood that terms such as “top”, “bottom”, “outward”, “inward”, “cover”, etc. are for convenience and should not be interpreted as limiting terms. Further, whenever it is stated that a particular aspect of the present invention comprises or consists of at least one of a group of many elements and combinations thereof, this aspect refers to any of the elements of this group, It should be understood that it includes or consists of either individually or in combination with any of the other members of this group.
本明細書で使用されるように、硬質裏当てとは、少なくとも約700ビッカース硬度の硬さ値を有する層である。本明細書で使用されるように、ナノ層とは、例えば500ナノメートル未満の層厚を有する層であると理解されたい。あるいくつかの実施形態では、ナノ層は400ナノメートル未満、または300ナノメートル未満、または200ナノメートル未満、または100ナノメートル未満の厚さを有することがある。ある実施形態では、あるいくつかのこのようなナノ層を互いに重ねて配置して潜在的に全厚が大きな複数ナノ層の集積層を生成することもある。 As used herein, a hard backing is a layer having a hardness value of at least about 700 Vickers hardness. As used herein, a nanolayer is to be understood as a layer having a layer thickness of, for example, less than 500 nanometers. In certain embodiments, the nanolayer may have a thickness of less than 400 nanometers, or less than 300 nanometers, or less than 200 nanometers, or less than 100 nanometers. In some embodiments, some such nanolayers may be placed on top of each other to create a multi-nanolayer integrated layer potentially having a large overall thickness.
タービンエンジンにおいて使用するような圧縮機では、可変静翼が、角作動を実施することによって圧縮機を通る空気流を調整する機能を実施する。これらの可変静翼を、制御システムを通じて作動させ、失速することなく高圧圧縮機の最適動作を保証する。これらのシステムの動作の信頼性と性能は、次の特徴によって改善することができる。すなわちa)微動摩耗や滑り摩耗が少ない、b)作動システムの動作のために十分に低い摩擦で作動する、c)摩損または焼付きを受けない、d)熱的に安定している、およびe)湿気レベルが非常に低い高い高度で動作する。本発明のある実施形態は、このような構成部分を保護するための耐摩耗コーティングを対象とする。さらに、開示された実施形態を、遠心圧縮機および往復動圧縮機における、産業用ガスタービンエンジンおよび航転型エンジンの静翼およびステムにおける、ファンブレードダブテールピン組立体、ピストンリング、およびカムロッカアームなどにおける静翼ステムブッシング組立体などの、他の静止および運動構成部分において使用することもできる。 In compressors, such as those used in turbine engines, variable vanes perform the function of regulating the air flow through the compressor by performing angular actuation. These variable vanes are actuated through a control system to ensure optimal operation of the high pressure compressor without stalling. The operational reliability and performance of these systems can be improved by the following features. That is, a) low fine wear and sliding wear, b) operate with low enough friction for operation of the operating system, c) not subject to wear or seizure, d) thermally stable, and e ) Operate at high altitude with very low moisture level. Certain embodiments of the present invention are directed to wear resistant coatings for protecting such components. Further, the disclosed embodiments can be used in centrifugal and reciprocating compressors, such as fan blade dovetail pin assemblies, piston rings, and cam rocker arms in stationary vanes and stems of industrial gas turbine engines and navigation engines. It can also be used in other stationary and moving components, such as the vane stem bushing assembly at
図1は、以下に詳述するようにさまざまな構成部分の上に配置された本発明の1つまたは複数の耐摩耗コーティングを有するガスタービンエンジン10の概略図である。例えば、耐摩耗コーティングは、複数の硬質粒子が分散する金属合金基質を含む硬質裏当てと、硬質裏当ての上に配置された複数のナノ層とを含んでもよい。図示されたガスタービンエンジン10は、低圧圧縮機12と、高圧圧縮機14と、燃焼器16を含む。エンジン10は、高圧タービン18と低圧タービン20も含む。圧縮機12とタービン20は第1シャフト24によって結合され、圧縮機14とタービン18は第2シャフト26によって結合されている。運転中は、空気は低圧圧縮機12を通過し、圧縮空気は低圧圧縮機12から高圧圧縮機14へ供給される。高圧に圧縮された空気は燃焼器16に送られる。燃焼器16からのガス流はタービン18および20を駆動し、その後ガスタービンエンジン10から出る。さらに、本発明の1つまたは複数の耐摩耗コーティングをさまざまな構成部分の上に配置して、ガスタービンエンジン10のさまざまな運転条件下での耐摩耗性を改善することもできる。
FIG. 1 is a schematic diagram of a
図2は、図1に示すようなガスタービンエンジン圧縮機14の一実施形態の部分概念図であり、さまざまな表面を本発明の1つまたは複数の耐摩耗コーティングで被覆してもよい。例えば、耐摩耗コーティングは、複数の硬質粒子が分散する金属合金基質を含む硬質裏当てと、硬質裏当ての上に配置された複数のナノ層とを含んでもよい。圧縮機14は複数の段を含み、各段は1行の回転翼40と1行の可変翼組立体44を含む。例示的な一実施形態では、回転翼40は回転翼円板46によって支持され、回転翼シャフト26に結合されている。回転翼シャフト26はケーシング50によって取り囲まれ、ケーシング50は圧縮機14の周りに周辺状に延在し、可変翼組立体44を支持している。可変翼組立体44の各々は可変翼52と翼ステム54を含み、翼ステム54は翼台56から実質的に直角に延在している。具体的には、翼台56は可変翼52と翼ステム54の間に延在している。各翼ステム54は、ケーシング50の中に画定されたそれぞれの開口部58を通じて延在している。ケーシング50は複数の開口部58を含む。可変翼組立体44はまたレバーアーム60も含み、このレバーアーム60は、各可変翼52から延在し、圧縮機14を通る流路に対する翼52の配置方向を変更して圧縮機14を通る空気流の制御増加を容易にするために、可変翼52を選択的に回転させるために利用される。さらに下に詳細に論述するように、とりわけ1つまたは複数のこれらの構成部分は、1つまたは複数の耐摩耗コーティングを含んでもよい。
FIG. 2 is a partial conceptual view of one embodiment of a gas
図3は、本技術のあるいくつかの実施形態による1つまたは複数の耐摩耗コーティングを含む可変静翼組立体44の分解図である。翼エアフォイル62が切欠図として示されている。鋳込み式翼ステム64が翼エアフォイル62の径方向外端部に位置する。翼ステム64は、ここではねじ付き連結部として示す取付け機構66を含むが、スプラインアタッチメントなどのその他の等価の連結方法を使用してもよい。翼ステム64は、やはり切欠図として示されているケーシング70の中で開口部68を通じて延在している。開口部68は、内部ワッシャ74を受け入れるカウンタボア72を含む。ブッシング76が開口部68の中に上部翼ステム64の上を滑って入り、開口部68における残りの空間を埋め、ケーシング70と上部翼ステム64の間の滑動係合を改善する。この内部ワッシャ74をフランジ付き回転ブッシングのフランジで置き換えることもでき、この場合、ワッシャ(図示せず)がレバーアーム77をケースから分離することになる。レバーアーム77の第1端部80は翼ステム64の上に組み付けられ、ここではロックナットとして図示されている締付け機構82によって翼ステム64に固着されている。締付け機構82は、上部翼ステム64のねじ付き端部として図示されている取付け機構66と協同的に合致し、取付け機構66を翼ステム64に固着する。レバーアーム77は、ウェブ86によって第1端部80に一体的に取り付けられた第2端部84を含む。突出部88が第2端部84から延び、作動リングの開口によって受け入れられる。第2ブッシング90が突出部88を覆って作動リングの開口の中にはまり、作動リングと突出部88の間の滑動係合を改善する。
FIG. 3 is an exploded view of a variable
翼組立体44の径方向内端部において、鋳込み式下部翼シャフト92が翼エアフォイル62から径方向内向きに延びている。翼シャフト92は、第1大径シャフト94と第2小径シャフト96を含む。第2ブッシング98が、任意のシュラウド100によって受け入れられる下部翼シャフト94を覆って組み立てられる。シール102がシュラウド100の径方向内向きに組み立てられ、シール102は、エンジンの回転装置の上に位置する歯104によってシュラウド100に接触する。歯104はシール102の中に入り込み、空気漏洩に対する障壁を形成する。ロックピンとして図示されている任意の第3締付け機構106が、シール102の少なくとも1つの境界を通じて、シュラウド100を通じて、第2ブッシング98を通じて、下部翼シャフト94における開口108を通じて延在している。任意の締付け機構106を使用すると、例えばねじ付きボルトやロックナットなどの別の締付け機構をロックピンの代りにしてもよい。任意に、ワッシャがステム方向に面する大径部分92とシュラウド100の間に置かれる。
At the radially inner end of the
図4に、内部ブッシング110と外部ブッシング112をトラニオン113と共に含むエアフォイル62の断面を分解図で示す。ある実施形態では、エアフォイル62は、図5に示すようにただ1つのブッシング114を含んでもよい。ブッシングとワッシャは、射出成形またはセラミックの高温焼結などのさまざまな技法によって製造することができる。ブッシングは一般に丈夫ですぐれた摩耗特性を有する。あるいくつかの実施形態では、ブッシングは、容易に取替えが可能で消耗品として設計される安価な摩耗材料によって作られる。特定の設計のためのブッシングの形式を決定するために、例えば熱膨張率、動作温度範囲、はめ合い材料の降伏強さおよび弾性係数、はめ合い材料にかかる力、サイクル当り摩耗、耐用年数中のサイクル数などの物理的特性を使用して、ある用途において経験することになる相対的摩耗を決定する。ブッシング114、110、または112の内表面およびトラニオン113の外表面に付けられる本発明のある実施形態による耐摩耗コーティングは、摩耗損失を概して防止するか、または実質的に最小限に抑え、構成部分を保護する。
FIG. 4 is an exploded view showing a cross section of the
前述のシステムおよび構成部分を、図6および図7を参照して図解したような1つまたは複数の耐摩耗コーティングによって被覆してもよい。先ず図6に移ると、耐摩耗コーティング116の一実施形態は、1枚の硬質裏当て118と複数のナノ層120を含む。詳しくは、硬質裏当て118は、複数の硬質粒子が分散する金属合金基質を含み、この硬質裏当ては基板121の上に配置されている。次に、複数のナノ層120は硬質裏当て118の上に配置されている。硬質裏当て118はナノ層120の耐摩耗性を改善し、基板121を摩擦下の破損から実質的に保護する。基板121は、図1〜5を参照して上に詳述した構成部分のいずれか1つであってもよく、他の用途またはシステムのためのデバイスまたは構成部分であってもよい。
The aforementioned systems and components may be coated with one or more wear resistant coatings as illustrated with reference to FIGS. Turning first to FIG. 6, one embodiment of the wear
ある実施形態では、硬質裏当て118は約700ビッカース硬度を超える硬さ値を有し、別の実施形態では硬さ値は約800ビッカース硬度を超え、また別の実施形態では硬さ値は約900ビッカース硬度を超え、さらに別の実施形態では硬さ値は約1000ビッカース硬度を超え、さらにまた別の実施形態では硬さ値は約1200ビッカース硬度を超える。硬質裏当て118は、基板材料の耐腐食性を概して維持または改善するために選択された1つまたは複数の材料を含み、これは被覆された物品の有用性および用途に依存する。硬質裏当て118は、適切な靭性および破砕強さ、被覆された物品の動作温度までの安定性、耐酸素性、および頂部ナノ層120との両立性を特徴とする。
In one embodiment, the
硬質裏当て118は、コバルト、コバルト基超合金、ニッケル基超合金、または鉄基超合金などの、さまざまな適切な金属合金基質を含むことができる。このような超合金は、ニッケル基、鉄基、またはコバルト基合金で形成されてもよく、ニッケル、鉄、またはコバルトは一般に超合金において重量で最大の要素である。例として挙げるニッケル基超合金はニッケルの重量で少なくとも約40パーセント、コバルト、またはクロム、またはアルミニウム、またはタングステン、またはモリブデン、またはチタン、または鉄、またはこれらの組合せを数パーセント含む。ニッケル基超合金の例として商品名では、Inconel(登録商標)、Nimonic(登録商標)、Rene(登録商標)(例えばRene(登録商標)80−、Rene(登録商標)95、Rene(登録商標)142、およびRene(登録商標)N5合金)、およびUdimet(登録商標)が挙げられ、方向固化超合金および単結晶超合金を含む。(INCONEL(登録商標)、Nimonic(登録商標)、およびUdimet(登録商標)はSpecial Metals Corporation企業グループの登録商標であり、Rene(登録商標)はGeneral Electric Companyの登録商標である。)例証的なコバルト基超合金は、コバルトの重量で少なくとも約30パーセント、ニッケル、またはクロム、またはアルミニウム、またはタングステン、またはモリブデン、またはチタン、または鉄、またはこれらの組合せを数パーセント含む。コバルト基超合金の例として商品名では、Haynes(登録商標)、Nozzaloy(登録商標)、Stellite(登録商標)、およびUltimet(登録商標)(Haynes(登録商標)およびUltimet(登録商標)はHaynes International,Incの登録商標であり、STELLITE(登録商標)はDELORO STELLITE COMPANY,INCの登録商標である)が挙げられる。ある実施形態では、硬質裏当て118は、ニッケルクロムアルミニウム合金、またはコバルトニッケルクロムアルミニウムイットリウム合金、またはニッケルコバルトクロムタングステン合金、またはコバルトモリブデンクロムケイ素合金を含み、この合金は固溶体強化コバルト基基質とラーベス相相互貫入網状組織からなり、この組織は約25%またはそれ以上のモリブデン、6%またはそれ以上のクロム、および2%を超えるケイ素からなる。
The
上記の実施形態では、硬質裏当て118の金属基質には複数の硬質粒子が分散している。硬質粒子は1つまたは複数の金属窒化物、または金属炭化物、または金属ホウ化物、またはこれらの組合せを含んでもよい。あるいくつかの実施形態では、金属基質には炭化タングステン、または炭化チタン、または炭化クロム、または炭化ケイ素、またはダイヤモンド、または窒化チタン、または窒化ケイ素、または立方晶窒化ホウ素、またはホウ化チタン、または酸化クロム、または酸化アルミニウム、または酸化ジルコニウム、または酸化ケイ素、またはこれらの組合せの粒子が分散してもよい。これら複数の硬質粒子は、約100ナノメートルから約2ミクロンまでの範囲にある平均粒径を有する。ある実施形態では、平均粒径は約100ナノメートルから約2000ナノメートルまでの範囲にあり、大部分が約100ナノメートルから約400ナノメートルまでの範囲で、残りの粒子が約2000ナノメートル未満であり、また他の実施形態では約1000ナノメートル未満である。約100ナノメートルから約400ナノメートルまでの間にある粒径の粒子は基質を強化する傾向もあり、約1000nm未満の粒子は、コーティングを対向材料に対して摩耗性にすることなく摩耗防止をもたらすことができる。複数の硬質粒子の体積は、硬質裏当て118の全体積の約30容積パーセントから約70容積パーセントまでの範囲で変動する。ある実施形態では、硬質裏当て118の全体積に対する硬質粒子のパーセンテージは、約35容積パーセントから約65容積パーセントまでの範囲にあり、別の実施形態では約40容量パーセントと約60容量パーセントの間にある。別の実施形態では、約45容積パーセントから約55容積パーセントまでの範囲にある。ある実施形態における複数の硬質粒子の間の間隔は、約100nmから約700nmまでの範囲にあり、別の実施形態では、約100ナノメートルから約500ナノメートルまでの範囲にある。硬質裏当ての厚さは、約5マイクロメートルから約500マイクロメートルまでの範囲にある。硬質裏当て118の厚さは、コーティングの上に行使される負荷に依存するはずである。行使される力が高い用途では、硬質裏当ては、ナノ層のコーティングを支持するためにさらに厚いことが必要であろう。ある例示的な実施形態では、金属基質と金属基質の中に分散した複数の硬質粒子を含む硬質裏当て118は、高速酸素燃料熱噴射または高速空気燃料噴射のいずれかによって付着される。高速空気燃料技法によって付着された硬質裏当て118は、ナノ層の保持、より少ない脱炭、硬質粒子間のより小さな間隔、付着中に使用されるバインダのより低い脆性をもたらすことができる。
In the above embodiment, a plurality of hard particles are dispersed in the metal substrate of the
ある実施形態では、硬質裏当て118は、リンまたはホウ素の添加物を伴うニッケルコーティングを含む。このようなコーティングは約700ビッカース硬度から約1000ビッカース硬度までの範囲にある硬さを有するが、耐摩耗性と硬さを、共堆積によって硬質粒子を基質に加えることによってさらに改善することもできる。添加された硬質粒子は、炭化ケイ素、窒化ケイ素、アルミナ、立方晶窒化ホウ素、またはダイヤモンドを含んでもよい。
In some embodiments, the
一般に、複数のナノ層120は互いに異なる特性を有する。例えば、複数のナノ層120は、複数の交互に重なり合う第1層122と第2層124を含んでもよい。第1層122は第1材料を含み、第2層124は第1材料とは異なる第2材料を含む。第1材料は、金属窒化物、または金属ホウ化物、または金属炭化物、またはこれらの組合せを含む材料を包含する。第2材料は、金属、または金属窒化物、または金属ホウ化物、金属炭化物、またはこれらの組合せを含む材料を包含する。ある例示的な実施形態では、ナノ層120はTiC/ZrCなどの金属炭化物の交互層を含む。別の例示的な実施形態では、ナノ層120はTiN/ZrNなどの金属窒化物の交互層を含む。さらに別の例示的な実施形態では、ナノ層120はTiN/TiCなどの金属窒化物と金属炭化物の交互層を含む。あるいくつかの実施形態では、窒化物層と炭化物層の間に金属層を含まれることがある。ある例示的な実施形態では、ナノ層120はTiN/Ti/TiNなどの金属と金属窒化物の交互層を含む。
In general, the plurality of
一般に、ナノ層120、構成部分、および本発明の関連製造方法は、他の方法では混合則によって予測されるはずのものより高い硬さ、よりすぐれた耐摩耗性、耐衝撃性、耐腐食性、およびクリアランス制御を提供する。この理由は、異なる弾性係数と結晶構造の材料の交互層を一緒にすると、構造を通じて転位移動に対する抵抗が全体として増加するからである。
In general, the
あるいくつかの実施形態では、複数の第1層122と第2層124の各々の厚さは、約3ナノメートルから約500ナノメートルまでの範囲にある。別の実施形態では、厚さは約10ナノメートルから約200ナノメートルまでの範囲にある。いくつかの実施形態では、厚さは約20ナノメートルから約100ナノメートルまでの範囲にある。個別の層122、124の厚さは、個別に調整されて、加工熱応力を受けたときナノ層コーティングの硬さ、歪許容差、および全体的安定性を制御することもできる。ナノ層120の全厚は約1ミクロンから約25ミクロンまでの範囲にあってもよい。いくつかの実施形態では、全厚は約1ミクロンから約20ミクロンまでの範囲にある。別の実施形態では、全厚は約5ミクロンから約10ミクロンまでの範囲にある。利用される第1層122と第2層124の数は、各層の厚さとナノ層120の所望の厚さに応じて変化することもある。コーティングの全厚は、動作されることになっており、接触部分間で利用可能な全空間によって制約され得る構成部分に依存する。
In some embodiments, the thickness of each of the plurality of
例示的な一実施形態では、耐摩耗コーティング116は、ミクロンからサブミクロン寸法の炭化タングステン粒子が分散するコバルトクロム合金を含む硬質裏当て118と、硬質裏当て118の上に配置された複数のTiNナノ層とZrNナノ層の交互層120を含む。例示的な一実施形態では、耐摩耗性コーティング116は、複数の金属酸化物粒子が分散する金属合金(金属合金はニッケルまたはコバルトまたは鉄を含む材料を包含する)を含む硬質裏当て118と、硬質裏当て118の上に配置された複数の金属窒化物ナノ層の交互層120を含む。耐摩耗硬質裏当て118の上にナノ層120を配置することは、漸進的な硬さ勾配を導入し、ナノ層120の早まったゆがみを防止し、したがって全コーティング126の硬さと耐摩耗性を向上させる。
In one exemplary embodiment, the wear
耐摩耗コーティングは、適度に高い動作温度に適している。ある実施形態では、耐摩耗性コーティング116は、少なくとも約500℃まで、別の実施形態では少なくとも約600℃まで、さらに別の実施形態では少なくとも約700℃の温度までは熱的に安定している。ナノ層コーティングは、予期される動作温度範囲よりかなり上の温度において形態的な安定性を保持する。本発明のナノ層は、可変静翼の予期される動作温度範囲よりかなり上の約650℃まで適切な耐酸性を維持する。下にある硬質裏当ては約500℃まで熱的安定性を有する。さらに高い温度範囲においては、硬質裏当ての組成は、炭化クロムまたは酸化アルミニウムなどの熱的にさらに安定した硬質粒子によって強化されたガンマプライム相を有する超合金基質に変化することもある。
Abrasion resistant coatings are suitable for moderately high operating temperatures. In certain embodiments, the abrasion
図7は、図6に示すように硬質裏当て118の上に配置された複数のナノ層120を含み、さらにナノ層120を覆って配置された潤滑層128を図示する、耐摩耗性コーティング126の例示的な一実施形態を示す。潤滑層128の潤滑材料は、被覆された物品の動作温度まで安定しており低湿気条件下にあるように選択してもよい。潤滑材料は、二硫化タングステン、または二硫化モリブデン、または六方晶窒化ホウ素、またはテルル化タングステン、またはセレン化タングステン、またはテルル化モリブデン、またはこれらの組合せを含んでもよい。例示的な一実施形態では、潤滑材料は二硫化タングステンである。二硫化タングステンは、高い高度(>35,000フィート)(>10,670m)においては一般的なケースである湿気がない状態でも約550℃までの温度において低い摩擦特性を提供する。
FIG. 7 includes an abrasion
本技術の実施形態はまた、上に詳述したような耐摩耗性コーティングを作るための方法も含む。図8は、本発明の一実施形態による方法を示す流れ図である。この方法130は、ステップ132における基板121を準備するステップと、ステップ134において硬質裏当て118を配置するステップと、ステップ136において硬質裏当ての上に複数のナノ層120を配置するステップを含む。
Embodiments of the present technology also include a method for making an abrasion resistant coating as detailed above. FIG. 8 is a flow diagram illustrating a method according to an embodiment of the invention. The
コーティングを付着させる過程は、被覆しようとする基板表面を事前処理することによって始まる。最初のステップは基板から屑および酸化物を除去することである。脱脂、グリットブラスト、化学洗浄、および/または電気化学研磨などのよく知られた洗浄技法を使用して、所望の表面洗浄と仕上げを得ることもできる。 The process of depositing the coating begins by pretreating the substrate surface to be coated. The first step is to remove debris and oxide from the substrate. Well-known cleaning techniques such as degreasing, grit blasting, chemical cleaning, and / or electrochemical polishing can also be used to obtain the desired surface cleaning and finishing.
ステップ134における硬質裏当ての配置は、無電解めっき、または高速酸素燃料熱噴射、または活性燃焼高速空気燃料噴射、または電子ビーム物理蒸着などの方法を含む。いくつかの実施形態では、硬質裏当ては、高速酸素燃料熱噴射または活性燃焼高速空気燃料噴射のいずれかによって付着された金属合金基質である。これらの技法によって付着された硬質裏当てが、ナノ層の保持、より少ない脱炭、硬質粒子間のより小さな間隔、バインダのより低い脆性をもたらすことは有利である。硬質裏当てがホウ素またはリンのドーピングを伴うニッケルコーティングを含むときは、無電解めっきも使用される。摩耗特性をさらに改善するために、硬質裏当てを無電解ニッケル基質の中に分散させてもよい。ステップ136における複数のナノ層の配置は物理蒸着を含む。
The placement of the hard backing in
本発明の別の態様は物品を提供することである。物品は、構成部分、およびこの構成部分の上に配置される耐摩耗コーティングを含む。耐摩耗コーティングは、複数の硬質粒子が分散した金属合金基質を含む硬質裏当て、および硬質裏当てに配置された複数のナノ層を包含する。硬質裏当ては、複数の硬質粒子が分散したあらゆる金属超合金を含む。コーティングは、硬質裏当ての上に配置された複数のナノ層を含む。硬質裏当てとナノ層の特質は上の耐摩耗コーティングの実施形態に記載されている。物品は、本発明の耐摩耗コーティングによって被覆された互いに沿って動く構成部分を有する機械を含む。物品は、本発明の耐摩耗コーティングによって被覆された構成部分を有するエンジンを含む。このエンジンは、前記の構成部分を備える可変静翼を有するタービンエンジンを含む。このエンジンは、トラニオンとブッシングを含む可変静翼を有するタービンエンジンであって、ブッシングはトラニオンの外表面と接触している内表面を有し、ブッシングの内表面と可変静翼の外表面は耐摩耗コーティングによって被覆されている、タービンエンジンを含む。物品は、この構成部分を有する輸送手段を含む。例示的な一実施形態では、輸送手段は航空機である。 Another aspect of the invention is to provide an article. The article includes a component and a wear resistant coating disposed on the component. The wear resistant coating includes a hard backing comprising a metal alloy substrate having a plurality of hard particles dispersed therein, and a plurality of nanolayers disposed on the hard backing. The hard backing includes any metal superalloy having a plurality of hard particles dispersed therein. The coating includes a plurality of nanolayers disposed on a hard backing. The properties of the hard backing and nanolayer are described in the wear resistant coating embodiment above. The article includes a machine having components that move along each other covered by the wear resistant coating of the present invention. The article includes an engine having a component coated with the wear resistant coating of the present invention. The engine includes a turbine engine having variable stator vanes comprising the aforementioned components. The engine is a turbine engine having a variable vane including a trunnion and a bushing, the bushing having an inner surface in contact with the outer surface of the trunnion, and the inner surface of the bushing and the outer surface of the variable vane are resistant to each other. Includes a turbine engine that is coated with a wear coating. The article includes a vehicle having this component. In one exemplary embodiment, the vehicle is an aircraft.
ナノ複層コーティングと丈夫であるが延性のある基板の間のバッファとして硬質裏当てを使用することは、高い表面荷重を支えることができるトライボシステムの提供に役立つが、高い耐摩耗性を提供する。したがって、本発明のいくつかの実施形態による耐摩耗コーティングは、あらゆる形式の基板に適しており、比較的高い温度まで安定している。 Using a hard backing as a buffer between the nano-multilayer coating and a durable but ductile substrate helps provide a tribo system that can support high surface loads, but provides high wear resistance . Thus, wear resistant coatings according to some embodiments of the present invention are suitable for all types of substrates and are stable to relatively high temperatures.
上述の本発明の実施形態は、外部潤滑が不可能な条件の下で構成部分の微動摩耗、滑動摩耗、および摩擦を防止するための一般的なテンプレートとして役立つ。本発明の実施形態を航空機エンジンの可変静翼およびブッシングに関して説明したが、本発明に記載の概念を、同様な動作条件の下における微動摩耗が論点を残す他の用途に使用することもできる。そのうえ、説明した本発明を滑動摩耗条件の下で同様な材料接触表面のために利用することもできる。 The above-described embodiments of the present invention serve as a general template for preventing fine wear, sliding wear, and friction of components under conditions where external lubrication is not possible. Although embodiments of the present invention have been described with respect to aircraft engine variable vanes and bushings, the concepts described in the present invention can also be used in other applications where fine wear under similar operating conditions remains an issue. Moreover, the described invention can also be utilized for similar material contact surfaces under sliding wear conditions.
次の実施例は、本発明の実施形態によって提供される特性と利点を示すために役立ち、本発明をこれらの実施形態に限定しようとするものではない。 The following examples serve to illustrate the characteristics and advantages provided by the embodiments of the present invention and are not intended to limit the present invention to these embodiments.
可変静翼のステムの外表面を、さまざまな硬質裏当て組成物によって、活性燃焼高速酸素燃料法、活性燃焼高速空気燃料法、および無電界Niダイヤモンド複合被覆法により被覆した。これらのコーティングをそれぞれ硬質裏当て1、2、3と名づける。硬質裏当て1は、高速酸素燃料法による炭化タングステン熱噴射分散を伴うコバルトであった。硬質裏当て2は、活性燃焼高速空気燃料法による炭化タングステン熱噴射分散を伴うコバルトクロムであった。硬質裏当て3は、無電解ニッケル硬質粒子複合めっきであった。炭化タングステンの粒径は0.2〜5マイクロメートルの間であった。コーティングの厚さは150〜200マイクロメートルであった。次いで硬質裏当て3を有する部分をさらに窒化チタン(TiN)および窒化ジルコニウム(ZrN)の複交互層で、PVD陰極アーク技法を用いて被覆し、各層の厚さは120ナノメートルであった。TiN/ZrN複層系の全厚は8マイクロメートルであった。被覆された部分の摩耗を、往復動する部品の動作条件を模擬する特注の試験装置を使用して測定した。被覆されたステムをStellite6のブッシングに対して動かした。この試験装置で試験を100時間行い、ブッシングとステムコーティングの両方の摩耗を測定した。
The outer surface of the variable vane stem was coated with various hard backing compositions by the active combustion high speed oxygen fuel method, the active combustion high speed air fuel method, and the electroless Ni diamond composite coating method. These coatings are named
さまざまな硬質裏当てによって被覆された部分について摩耗をプロットした。プロット138を図9に示す。棒線140および142は全くコーティングのないステムとブッシングの摩耗を示し、基準線を形成する。棒線144および146はそれぞれ、硬質裏当て1を有するステムとブッシングの摩耗を示す。棒線148および150はそれぞれ、硬質裏当て2を有するステムとブッシングの摩耗を示す。棒線152および154はそれぞれ、TiN/ZrNのナノ層コーティングとともに硬質裏当て3を有するステムとブッシングの摩耗を示す。プロット138は、基準線の被覆されていない試料と比較して硬質裏当て1および2はトラニオン上の摩耗より約4〜6倍低いことを示している。
The wear was plotted for the parts covered by various hard backings.
可変静翼のステムの外表面をTiNとZrNのナノ層で8マイクロメートルの厚さに被覆した。これを、試験装置における模擬試験においてStellite6のブッシングに対して8時間動かした。別のステムをまず、厚さ200ミクロンにした無電解ニッケルダイヤモンド複合めっきである硬質裏当て4で被覆し、この上に全厚が8ミクロンのTiN/ZrNナノ層の8ミクロンPVDコーティングを付着させた。TiNとZrNの各々の層厚は120nmであった。これもまた実施例1と同様な動作条件の下で動かした。図10は、被覆されていない試験片と比較した上の2つのコーティングの摩耗比較を図示するプロット156を示す。棒線158および160はそれぞれ、コーティングが全くないステムとブッシングの摩耗を示す。棒線162および164はそれぞれ、硬質裏当てが全くないTiN/ZrNのナノ層を有するステムとブッシングの摩耗を示す。棒線166および170はそれぞれ、TiN/ZrNナノ層と共に硬質裏当て4を有するステムとブッシングの摩耗を示す。TiN/ZrN被覆のステム162の摩耗は、被覆されていない試験片158より40%低かった。しかし、硬質裏当て4上にTiN/ZrNを有するステムは8時間の試験で全く摩耗を示さず(棒線166)、被覆されていない試験片を超える大幅な改善を示した。
The outer surface of the variable vane stem was coated with a TiN and ZrN nanolayer to a thickness of 8 micrometers. This was moved for 8 hours relative to the Bushing of
本発明のあるいくつかの特徴のみを本明細書に図示説明したが、多くの変形や変更が当業者には想起されよう。例えば、上記の各節では実施形態は航空機エンジンを参照しているが、機械的、化学的、および熱的応力に同様にさらされるその他の構成部分にも有効である。したがって、添付の特許請求の範囲がこのような変形や変更を本発明の真の精神の中に入るものとして含めるように意図されていることを理解されたい。 While only certain features of the invention have been illustrated and described herein, many variations and modifications will occur to those skilled in the art. For example, in the above sections, the embodiments refer to aircraft engines, but are valid for other components that are similarly exposed to mechanical, chemical, and thermal stresses. Therefore, it is to be understood that the appended claims are intended to cover such modifications and changes as fall within the true spirit of the invention.
10 タービンエンジン
12 低圧圧縮機
14 高圧圧縮機
16 燃焼器
18 高圧タービン
20 低圧タービン
24 第1シャフト
26 第2シャフト
40 回転翼
44 可変翼組立体
50 ケーシング
52 可変翼
54 翼ステム
56 翼台
58 開口部
60 レバーアーム
62 エアフォイル
64 鋳込み式翼ステム
66 取付け機構
68 開口部
70 ケーシング
72 カウンタボア
74 内部ワッシャ
76 ブッシング
77 レバーアーム
78 ワッシャ
80 第1端部
82 締付け機構
84 第2端部
86 ウェブ
88 突出部
92 下部翼シャフト
94 大径シャフト
96 小径シャフト
98 第2ブッシング
100 シュラウド
102 シール
104 歯
106 締付け機構
108 開口
110 内部ブッシング
112 外部ブッシング
113 トラニオン
114 ブッシング
116 耐摩耗コーティング
118 硬質裏当て
120 ナノ層
121 基板
122 第1層
124 第2層
126 耐摩耗コーティング
128 潤滑層
130 方法
132 方法ステップ:基板の準備を提供する
134 方法ステップ:硬質裏当ての配置
136 方法ステップ:ナノ層の配置
138 プロット
140 棒線−コーティングがないステムの摩耗
142 棒線−コーティングがないブッシングの摩耗
144 棒線−硬質裏当て1を有するステムの摩耗
146 棒線−硬質裏当て1を有するブッシングの摩耗
148 棒線−硬質裏当て2を有するステムの摩耗
150 棒線−硬質裏当て2を有するブッシングの摩耗
152 棒線−硬質裏当て3を有するステムの摩耗
154 棒線−硬質裏当て3を有するブッシングの摩耗
156 プロット
158 棒線−コーティングがないステムの摩耗
160 棒線−コーティングがないブッシングの摩耗
162 棒線−ナノ層を有するステムの摩耗
164 棒線−ナノ層を有するブッシングの摩耗
166 棒線−硬質裏当て4およびナノ層を有するステムの摩耗
170 棒線−硬質裏当て4およびナノ層を有するブッシングの摩耗
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Turbine engine 12 Low pressure compressor 14 High pressure compressor 16 Combustor 18 High pressure turbine 20 Low pressure turbine 24 1st shaft 26 2nd shaft 40 Rotary blade 44 Variable blade assembly 50 Casing 52 Variable blade 54 Blade stem 56 Blade base 58 Opening part 60 Lever Arm 62 Airfoil 64 Cast-In Type Blade Stem 66 Mounting Mechanism 68 Opening 70 Casing 72 Counterbore 74 Internal Washer 76 Bushing 77 Lever Arm 78 Washer 80 First End 82 Tightening Mechanism 84 Second End 86 Web 88 Projection 92 Lower wing shaft 94 Large diameter shaft 96 Small diameter shaft 98 Second bushing 100 Shroud 102 Seal 104 Tooth 106 Tightening mechanism 108 Opening 110 Internal bushing 112 External bushing 113 Trunnion 114 Bushing 116 Abrasion Resistant Coating 118 Hard Backing 120 Nanolayer 121 Substrate 122 First Layer 124 Second Layer 126 Abrasion Resistant Coating 128 Lubricating Layer 130 Method 132 Method Step: Provide Substrate Preparation 134 Method Step: Hard Backing Placement 136 Method steps: Placement of nanolayers 138 Plot 140 Bar wire-wear of stem without coating 142 Bar wire-wear of bushing without coating 144 Bar wire-wear of stem with hard backing 1 146 Bar wire-hard back Wear of Bushing with Brace 1 148 Bar Wire-Wear of Stem with Hard Back 2 150 Bar Wire-Wear of Bushing with Hard Back 2 152 Bar Wire-Wear of Stem with Hard Back 3 154 Bar- Bushing wear with hard backing 3 6 Plot 158 Bar-wear of stem without coating 160 Bar-wear of bushing without coating 162 Bar-wear of stem with nanolayer 164 Bar-wear of bushing with nanolayer 166 Bar-hard back Wear of stem with pad 4 and nanolayer 170 Bar-wear of bushing with hard backing 4 and nanolayer
Claims (12)
前記硬質裏当て(118)の上に配置された、互いに異なる特性を有する複数のナノ層(120)と
を含む耐摩耗コーティング(116)。 A hard backing (118) comprising a metal alloy substrate in which a plurality of hard particles are dispersed;
An abrasion resistant coating (116) comprising a plurality of nanolayers (120) having different properties disposed on the hard backing (118).
前記硬質裏当て(118)の上に配置された複数のTiNナノ層とZrNナノ層の交互層と
を含む耐摩耗コーティング(116)。 A hard backing (118) comprising a cobalt chromium alloy in which nanoparticles of tungsten carbide are dispersed;
An abrasion resistant coating (116) comprising a plurality of TiN nanolayers and alternating layers of ZrN nanolayers disposed on the hard backing (118).
前記耐摩耗コーティング(116)は、複数の硬質粒子が分散した金属合金基質を包含する硬質裏当て(118)と前記硬質裏あて(118)の上に配置された複数のナノ層(120)とを含む、物品。 A component and a wear resistant coating (116) disposed on the component;
The wear resistant coating (116) comprises a hard backing (118) comprising a metal alloy substrate having a plurality of hard particles dispersed therein, and a plurality of nanolayers (120) disposed on the hard backing (118). Including an article.
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