JP2006057841A - ベアリング装置およびベアリング面形成方法 - Google Patents

ベアリング装置およびベアリング面形成方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 低温ターボポンプ用の改善されたベアリング装置を提供する。
【解決手段】 ヘアリング装置は、第１の基材（４２）と第１のコーティング（４８）とを有する第１の部品（２０）を含む。第１のコーティング（４８）は、ＤＬＣ層（５２）と、ＤＬＣ層（５２）と基材（４２）との間に設けられたＤＬＮ層（５０）と、を含む。第２の部品（４０）は、第１の部品（２０）と摺動接触している。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ベアリングに関し、特に、低温ターボポンプのベアリングに関する。
種々のターボポンプが極低温で使用されている。例えば、ターボポンプは、ロケット推進において、酸素、水素、およびヒドラジンなどの低温液体を供給するために使用される。例示的なターボポンプ構造の１つが、特許文献１に開示されている。
ベアリングの性能は、このような機械の動作にとって重要である。多くの場合、このような機械は、起動、停止、および他の過渡的動作を含む種々の条件にさらされる。例えば、ベアリングは、作動流体によって潤滑されるように構成可能である。しかし、起動条件や停止条件における作動流体の不足によって、ベアリング面の間に粗い接触が生じるおそれがある。従って、上記の用途におけるベアリングの開発に多くの労力が費やされてきた。このような開発には、（特許文献２などで提案されている）種々の複雑なフォイルベアリング構造が含まれる。
これとは別に、所謂ダイヤモンド様コーティングの蒸着技術が発達しており、このようなコーティングには、ダイヤモンド様炭素（ｄｉａｍｏｎｄ−ｌｉｋｅ ｃａｒｂｏｎ ＤＬＣ）およびダイヤモンド様ナノコンポジット（ｄｉａｍｏｎｄ−ｌｉｋｅ ｎａｎｏｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ＤＬＮ）コーティングが含まれる。例示的なＤＬＮコーティングは、特許文献３〜７に説明されている。例示的なＤＬＣおよびＤＬＮコーティングや蒸着サービスは、ベルギーのチュールテ（Ｚｕｌｔｅ）所在のベッカールト ダイモニクス エヌ．ファウ．（Ｂｅｋａｅｒｔ Ｄｙｍｏｎｉｃｓ ｎ．ｖ．）により提供されている。ダイヤモンド様コーティングは、一般に硬度が高くかつ摩擦係数が低い非晶質炭素基コーティングである。例示的なＤＬＣコーティングは、水素で安定化したＳＰ２結合およびＳＰ３結合の炭素原子の混合物を含む。例示的なＤＬＮコーティングは、ａ−Ｃ：Ｈおよびａ−ＳＩ：Ｏの相互浸透網目構造を含む。組成のバランスやドーパントの添加によってコーティング特性が変動しうる。
米国特許第５５２９４６４号明細書 米国特許第６１５８８９３号明細書 米国特許第５３５２４９３号明細書 米国特許第５４６６４３１号明細書 米国特許第５７２８４６５号明細書 米国特許第６２００６７５号明細書 米国特許第６２２８４７１号明細書
よって、本発明の目的は、低温ターボポンプ用の改善されたベアリング装置を提供することである。
本発明の1つの形態は、ベアリング装置を含む。第１の部品は、第１の基材と第１のコーティングとを有する。第１のコーティングは、ＤＬＣ層と、ＤＬＣ層と基材との間に設けられるＤＬＮ層と、を含む。第２の部品は、第１の部品とベアリング接触（ｂｅａｒｉｎｇ ｅｎｇａｇｅｍｅｎｔ）(例えば、乾式または流体的に潤滑されて摺動接触［ｓｌｉｄｉｎｇ ｅｎｇａｇｅｍｅｎｔ］)している。
種々の実施例では、第１のコーティングは、実質的にＤＬＣ層とＤＬＮ層からなってもよい。第２の部品は、第２の基材と第２のコーティングとを含むことができ、この第２のコーティングは、上記の摺動接触によって第１のコーティングと接触する。第２のコーティングは、０．２より小さい摩擦係数を提供する固体潤滑剤として機能しうる。第２のコーティングは、固体潤滑剤として機能する量の銀を含みうる。第２のコーティングは、１２．５〜５０μｍの厚さを有してもよい。第１の部品と第２の部品は、実質的に径方向の交差部に沿って摺動接触する（例えば、スラストベアリングとして機能する）ことができる。ベアリング装置は、非フォイル型のジャーナルベアリングであってもよい。第１のコーティングは、０．５〜５．０μｍの特性厚さを有しうる。第１の基材はチタン基であってもよい。第２の基材は、超合金であり、主要な質量部として、鉄、ニッケル、およびコバルトのうちの１つまたは複数を含みうる。第１の基材は、ターボポンプのロータとすることができる。第２の基材は、ターボポンプのハウジングのベアリングとしてもよい。ターボポンプは、第１の流体の第１の流れによって駆動可能である。ターボポンプは、−１５０℃より低い温度の第２の流体の第２の流れを供給することができる。
本発明の他の形態は、チタン基の基材のベアリング面形成方法を含む。炭素基の第１の層と、第１の層とは異なる組成の炭素基の第２の層と、を有するコーティングが施される。第１の層は、基材と第２の層との間に設けられる。第１の層は、第２の層よりも硬く、第２の層は、第１の層よりも高い潤滑性を有する。
種々の実施例では、コーティングを施すことは、物理蒸着法（ＰＶＤ）およびプラズマ利用化学蒸着法（ＰＡＣＶＤ）の少なくとも１つを含みうる。第１の層は、実質的にＤＬＮからなり、第２の層は実質的にＤＬＣからなってもよい。コーティングを施すことは、基材の熱膨張率の３０〜１２０％の熱膨張率を有するコーティングを提供することができる。第２の基材の銀基のコーティングと摺動接触するように第２の層を配置してもよい。
本発明の１つまたは複数の実施例の詳細を添付図面および実施形態に開示した。本発明の他の特徴、目的、および利点は、実施形態、図面、および請求項によって明らかとなる。
図１は、タービン２２を含むターボポンプ・ロータ２０を示しており、タービン２２は、径方向入口から軸方向出口まで延在するベーンを有する。タービンおよびロータは、（ロケット推進剤またはその成分などの）第１の流体の流れによって長手方向軸５００を中心に方向５０２に駆動される。例示的な回転速度は、３０，０００回転／分（ＲＰＭ）を超えてもよく、例えば、８０，０００〜１００，０００ＲＰＭとすることができる。例示的なロータは、第１のポンプ段２４と第２のポンプ段２６とを有し、これらのポンプ段は直列、並列、または独立した回路として設けることができる。ロータ２０は、１つまたは複数の軸方向ベアリング面３０およびスラストベアリング面３２を有する。
各々の例示的なポンプ段は、軸方向の入口から径方向の出口まで延びる。直列の例では、ポンプ段は、低温条件において（ロケット燃料または酸化剤などの）単一の第２の流体を供給する。例示的な低温条件は、−１００℃であり、典型的には−１５０℃よりも低い。第１および第２の燃料は同じであってもよい。例えば、段２４，２６を通ってロケット用水素燃料の流れを供給して、燃焼チャンバから熱を吸収することができる。加熱された水素の流れは、続いて燃焼器に入る前にタービンに移動する。他の燃料は、ヒドラジンおよび灯油を含む。
図２は、ロータ２０とポンプハウジングのベアリング部４０との相互作用を示している。ロータは、径方向／周方向に延在するスラスト面４４と長手方向／周方向に延在するジャーナル面４６とを有する（チタンまたはチタン合金などの）基材４２を含む。コーティングシステム４８が、面４４，４６上に施されており、ＤＬＮ内側層５０とＤＬＣ外側層５２とを含む。例示的な実施例では、層５０，５２は、境界面５４に沿って接合されているとともに、外側層５２が外側面５６を有している。コーティング層５０，５２は、物理蒸着法（ＰＶＤ）やプラズマ利用化学蒸着法（ＰＡＣＶＤ）などの蒸着によって堆積させることができる。コーティングシステム４８の例示的な厚さは、０．５〜５．０μｍであり、各々の層５０，５２がこの厚さの少なくとも２５％であり、２層のうちの薄いほうの層は、他方の層の厚さの少なくとも２５％である（これにより、ボンド強化層などの追加層を基材上に直接設ける余地が生じる）。このような蒸着技術は、（例えば、２００℃以下の）有利な低蒸着温度を有しうる。このような低温は、チタン合金基材のミクロ構造の結晶粒粗大化やこれに伴う基材の有利な物理的特性の損失を制限するために有利である。このような低温は、さらに、温度変動の全範囲を制限することもできる。温度変動範囲を制限することで、熱膨張率（ＣＴＥ）の不一致を含む種々の故障の原因の危険性が制限される。
ベアリング４０は、超合金で形成可能な基材６０を含む。例示的な超合金は、ウェストバージニア州、ハンティントン所在のインコ アロイズ インターナショナル社（Ｉｎｃｏ Ａｌｌｏｙｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，Ｉｎｃ．）のインコロイ合金９０９（ＩＮＣＯＬＯＹ Ａｌｌｏｙ ９０９［ＵＮＳ Ｎ１９９０９］）であり、これは、析出硬化のためにニオブとチタンを含むとともにケイ素が添加されたニッケル−鉄−コバルト合金である。重量パーセントによる公称組成は、Ａｌ ０．０３、Ｃ ０．０１、Ｃｏ １３、Ｆｅ ４２、Ｎｂ ４．７、Ｎｉ ３８、Ｓｉ ０．４、Ｔｉ １．５である。超合金組成の例示的な群の１つは、Ｎｉ ３８〜５８、Ｃｒ １７〜２３、Ｆｅ １３〜４０、Ｎｂ ３〜６、Ｍｏ ３〜１０、Ｔｉ ０．４〜２、Ａｌ ０．２〜４である。基材６０は、径方向／周方向のスラスト面６２と長手方向／周方向のブッシング面６４を含む。固体の潤滑コーティング６６が、面６２，６４上に蒸着されるとともに外側面６８を有する。例示的な固体の潤滑剤は（例えば、均一な組成の単一層として電着により堆積した）銀である。コーティング６６の例示的な特性厚さは２．５〜１２５μｍであり、より狭くは１２．５〜５０μｍである。
例示的なコーティングの組合せでは、ＤＬＮ層５０は、硬度、耐摩耗性、基材４２との適合性により選択される。例えば、Ｔｉ合金の例示的な熱膨張率（ＣＴＥ）は、７．７〜９．０×１０-6／Ｋであり、コーティング４８の例示的な総合ＣＴＥは、３．９×１０-6／Ｋである。例示的なＴｉ合金組成は、重量パーセントで、Ａｌ １３〜６、Ｓｎ ０〜３、ＶまたはＺｒ ０〜４、残部Ｔｉおよび不純物を含む。一般に、コーティングのＣＴＥが基材のＣＴＥの少なくとも３０％（例えば、３０〜１２０％または３０〜１００％）であるときに有利な一致が起こる。ＤＬＣ層５２は、（例えば、コーティング６６との組合せによる）潤滑性により選択される。コーティング４８の厚さも適合性に影響を与える。比較的厚いコーティングは、付着特性が乏しいことが認められた（加わった応力によると考えられる）。例えば、２．０μｍ以下の厚さは、ドイツ工業規格ＶＤＩ ３１９８（Ｖｅｒｅｉｎ Ｄｅｕｔｓｃｈｅ Ｉｎｇｅｎｅｕｒ［ＶＤＩ］−Ｒｉｃｈｔｌｉｎｉｅ ３１９８：Ｂｅｓｃｈｉｃｈｔｅｎ ｖｏｎ Ｗｅｒｋｚｅｕｇｅｎ ｉｎ ｄｅｒ Ｋａｌｔｍａｓｓｉｖｕｍｆｏｒｍｕｎｇ ＣＶＤ−ｕｎｄ ＰＶＤ−Ｖｅｒｆａｈｒｅｎ． Ｄｕｓｓｅｌｄｏｒｆ，ＶＤＩ，１９９２）において、ＨＦ２以上の押込み付着分類を示した。対照的に、厚さを２．５μｍ以上に増加すると、ＨＦ５以下の付着分類が生じうる。よって、コーティング４８の例示的な有利な厚さは、約２．５μｍより小さい（例えば、１．５〜２．０μｍである）。
サンプル摩擦パックや環境試験片の試験データを取得した。図３は、（例えば、試験片における）コーティング４８の露出面５６を示している。（例えば、８μｉｎより小さい算術平均表面粗さＲAの）高い平滑度および密度が得られる。
図４は、約−１８７℃の温度における実験室試験で得られた、時間に対する摩擦係数４００および垂直荷重４０２を示すグラフである。この試験は、約３３１ＭＰａの（スラスト荷重ではなく）径方向荷重に関連する。Ａ−１１０Ｔｉ合金パック（公称組成が、重量パーセントでＡｌ ５、Ｓｎ ２．５、残部Ｔｉ）のＤＬＮ／ＤＬＣコーティング厚さは、約１．５〜２．２μｍであった。合金９０９製ブッシングの銀コーティングの厚さは、約５０μｍであった。また、移動速度は、７００ｍ／ｓであった。測定された摩擦係数は、一般に０．２よりもかなり小さかった。摩擦係数は、最初は０．１よりもかなり小さかったが、ほぼ０．１まで増加した。例示的な摩擦係数は、（例えば、２００，０００ｒｐｍのポンプについて）それぞれ２０００ｍ／ｓで５ＭＰａおよび２００ｍ／ｓで３３１ＭＰａの基準となる比較的高い移動速度／比較的低い荷重条件、および比較的低い移動速度／比較的高い荷重条件、並びに中間条件において、０．１５よりも低い。
図５は、図４の試験後の表面５６を示している。表面の損傷は比較的小さく、銀の移動も比較的小さい（光点は原子番号に基づくコントラストによる）。
変形例には、ボンドまたは付着促進層を含むものがある。このような層の組成は、Ｃｒ、Ｓｉ、および／またはＳｉＣを含みうる。実質的に一方または他方の層に設けられるハイブリッドＤＬＣ−ＤＬＮ層も変形例に含むことができ、これは順番を逆にしたものである（すなわち、ＤＬＣが最も内側に設けられ、ＤＬＮがＤＬＣの外側に設けられる）。また、多数の交互コーティング層を繰り返し設けることもできる。
本発明の１つまたは複数の実施例を開示したが、本発明の趣旨および範囲から逸脱せずに種々の変更が可能である。例えば、既存の機械に適用した場合には、既存の材料の詳細および（荷重、速度、温度、寿命、およびサイクル特性などの）動作条件の詳細が、特定の実施例の詳細に影響を与えうる。従って、他の実施例も請求の範囲に含まれる。
低温ターボポンプ・ロータの斜視図である。 ハウジングのベアリング部の対応する面と接触したロータのジャーナル面とスラスト面を示す長手方向および径方向の部分断面図である。 図２のロータベアリング面のコーティングの二次的な電子顕微鏡写真である。 銀がコーティングされた基体と接触する図３の例示的なコーティングの時間に対する摩擦係数を示すグラフである。 図４の試験後の図３のコーティング面の後方散乱電子写真である。
符号の説明
２０…ロータ
４０…ポンプハウジングのベアリング部
４２…基材
４４…スラスト面
４６…ジャーナル面
４８…コーティングシステム
５０…ＤＬＮ内側層
５２…ＤＬＣ外側層
５４…境界面
５６…外側面
６０…基材
６２…スラスト面
６４…ブッシング面
６６…潤滑コーティング
６８…外側面

Claims (28)

  1. 第１の基材と第１のコーティングとを有し、この第１のコーティングが、ＤＬＣ層と、ＤＬＣ層と前記基材との間に設けられたＤＬＮ層と、を含む第１の部品と、
    第１の部品とベアリング接触している第２の部品と、を含むことを特徴とするベアリング装置。
  2. 第１のコーティングは、実質的にＤＬＣ層とＤＬＮ層からなることを特徴とする請求項１記載のベアリング装置。
  3. 前記ベアリング接触は、実質的に摺動接触であることを特徴とする請求項１記載のベアリング装置。
  4. 第１の部品と第２の部品は、実質的に径方向の交差部に沿って摺動接触していることを特徴とする請求項３記載のベアリング装置。
  5. ベアリング装置は、非フォイル型のジャーナルベアリングであることを特徴とする請求項３記載のベアリング装置。
  6. 第２の部品は、第２の基材と第２のコーティングとを含み、この第２のコーティングは、前記摺動接触によって第１のコーティングと接触していることを特徴とする請求項３記載のベアリング装置。
  7. 第２のコーティングは、０．２より小さい摩擦係数を提供する固体潤滑剤として機能していることを特徴とする請求項６記載のベアリング装置。
  8. 第２のコーティングは、固体潤滑剤として機能する量の銀を含むことを特徴とする請求項６記載のベアリング装置。
  9. 第２のコーティングは、２〜５０μｍの厚さを有することを特徴とする請求項６記載のベアリング装置。
  10. 第２のコーティングは、１２．５〜５０μｍの厚さを有することを特徴とする請求項６記載のベアリング装置。
  11. 第１のコーティングは、０．５〜５．０μｍの特性厚さを有することを特徴とする請求項１記載のベアリング装置。
  12. 第１のコーティングは、１．５〜２．２μｍの特性厚さを有し、
    ＤＬＣ層およびＤＬＮ層は、前記特性厚さの少なくとも２５％をそれぞれ提供しており、
    ＤＬＣ層とＤＬＮ層のうちの薄いほうの層は、他方の層の厚さの少なくとも２５％の厚さを有することを特徴とする請求項１記載のベアリング装置。
  13. 第１のコーティングは、０．５〜２．０μｍの特性厚さを有することを特徴とする請求項１記載のベアリング装置。
  14. 第１のコーティングは、ＨＦ２以上の付着特性を有することを特徴とする請求項１記載のベアリング装置。
  15. 第１の基材はチタン基であることを特徴とする請求項１記載のベアリング装置。
  16. 第２の基材は、超合金であり、主要な質量部として、鉄、ニッケル、およびコバルトのうちの１つまたは複数を含むことを特徴とする請求項１記載のベアリング装置。
  17. 第２の基材は、最大質量部として、鉄、ニッケル、およびコバルトのうちの１つを含むことを特徴とする請求項１記載のベアリング装置。
  18. 第１の基材は、ターボポンプのロータであり、
    第２の基材は、前記ターボポンプのハウジングのベアリングであることを特徴とする請求項１記載のベアリング装置。
  19. 前記ターボポンプは、第１の流体の第１の流れによって駆動され、
    前記ターボポンプは、−１５０℃より低い温度の第２の流体の第２の流れを供給することを特徴とする請求項１８記載のベアリング装置。
  20. チタン基の基材のベアリング面形成方法であって、
    炭素基の第１の層と、炭素基の第２の層と、を有するコーティングを施すことを含み、第１の層は、前記基材と第２の層との間に設けられ、第１の層は、第２の層よりも硬く、第２の層は、第１の層よりも高い潤滑性を有することを特徴とするベアリング面形成方法。
  21. コーティングを施すことは、物理蒸着法およびプラズマ利用化学蒸着法の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項２０記載のベアリング面形成方法。
  22. 第１の層は実質的にＤＬＮからなり、第２の層は実質的にＤＬＣからなることを特徴とする請求項２０記載のベアリング面形成方法。
  23. コーティングを施すことは、基材の熱膨張率の３０〜１２０％の熱膨張率を有するコーティングを提供することを特徴とする請求項２０記載のベアリング面形成方法。
  24. 第２の基材の銀基のコーティングと摺動接触するように第２の層を配置することを特徴とする請求項２０記載のベアリング面形成方法。
  25. ハウジングと、
    ロータ軸を中心に回転するように前記ハウジングに担持されるとともに、該ハウジングと協働して、前記回転を駆動する第１の流体用の第１の流路と、前記回転によって供給される第２の流体用の第２の流路と、を画成するロータと、を有し、
    前記ハウジングまたはロータの一方が、第１の基材と第１のコーティングとを有し、第１のコーティングは、ＤＬＣ層と、ＤＬＣ層と前記基材との間に設けられたＤＬＮ層と、を含み、
    前記ハウジングまたはロータの他方が、前記一方と摺動接触していることを特徴とするターボポンプ。
  26. 前記ハウジングまたはロータの他方が、基材と、前記摺動接触する銀基の固体潤滑剤コーティングと、を含むことを特徴とする請求項２５記載のターボポンプ。
  27. 第２の流路に沿った第２の流体として、主要部が液体酸素、液体水素、灯油、およびヒドラジンのうちの１つからなる流れと組み合わせたことを特徴とする請求項２５記載のターボポンプ。
  28. 前記ハウジングは、主要重量部が１つまたは複数の超合金を含み、これらの超合金の主要部は、鉄、ニッケル、およびコバルトの少なくとも１つを含んでおり、
    前記ロータは、主要重量部が１つまたは複数のチタン合金を含むことを特徴とする請求項２５記載のターボポンプ。
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