JP2007023352A - 皮膜形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンエンジンのファン・コンプレッサ翼等の部品のＬＣＦ（Low Cycle Fatigue）強度を落とすことなく、低コストで、長寿命の耐摩耗性皮膜を提供する。
【解決手段】 二硫化モリブデン粒子の表面に当該二硫化モリブデンの熱分解温度よりも低い温度で溶融する金属（銅、銀、アルミニウム、またはニッケル及びこれらの合金）を付着させたサーメット溶射材料（金属の含有量は、５０〜８０重量％）を、エアシュラウド付き高速フレーム溶射法によって溶射することで皮膜を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、皮膜形成方法に関する。

従来、ガスタービンエンジンのファン・コンプレッサ翼等の長時間振動・高応力に晒される部品には、チタン合金が用いられ、さらに、他の部品との摩擦が生じる部位には、例えばＣｕ−Ｎｉ−Ｉｎ（銅−ニッケル−インジウム）粉末をプラズマ溶射し、その後にＭｏＳ_２（二硫化モリブデン）溶剤を上記部位に塗布するという皮膜形成処理を行うことにより耐摩耗性を向上させている（例えば、下記特許文献１参照）。
特開２００２−３３９００４号公報

上記のような部品には、ＬＣＦ（Low Cycle Fatigue）強度が要求されるため、上記皮膜形成処理を行う前にショットピーニング処理によって圧縮応力を残留させていた。しかしながら、皮膜形成処理におけるプラズマ溶射によって、ショットピーニング処理後の部品に高温の溶融金属が付着することにより、上記圧縮応力が減少もしくは引張応力への変化が生じてしまい、ＬＣＦ強度が落ちるという問題があった。

また、上記皮膜形成処理によって形成される皮膜は、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｉｎ粉末の溶射皮膜層とＭｏＳ_２溶剤の塗布皮膜層との２層構造になっているが、上層の塗布皮膜層が下層の溶射皮膜層に達する程に磨耗すると耐摩耗性が著しく劣化するという問題があった。さらに、上記皮膜形成処理には、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｉｎ粉末のプラズマ溶射工程とＭｏＳ_２溶剤の塗布工程との２工程が必要であり、生産コストの増大の原因となっていた。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、ＬＣＦ強度を落とすことなく、低コストで、長寿命の耐摩耗性皮膜を形成することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明では、皮膜形成方法に係る第１の解決手段として、
二硫化モリブデン粒子の表面に当該二硫化モリブデンの熱分解温度よりも低い温度で溶融する金属を付着させたサーメット溶射材料を、所定の溶射法によって溶射することで皮膜を形成する、という手段を採用する。

また、本発明では、皮膜形成方法に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記溶射法は、エアシュラウド付き高速フレーム溶射法であることを特徴とする。

また、本発明では、皮膜形成方法に係る第３の解決手段として、上記第１または２の解決手段において、前記サーメット溶射材料における金属の含有量は、５０〜８０重量％であることを特徴とする。

また、本発明では、皮膜形成方法に係る第４の解決手段として、上記第１〜３いずれかの解決手段において、前記金属は、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）またはニッケル（Ｎｉ）及びこれらの合金であることを特徴とする。

本発明によれば、エアシュラウド付き高速フレーム溶射法を用いることにより、従来のプラズマ溶射法が１０００°Ｃ以上の高温で溶射材料を溶融状態にすることと比べ、５００°Ｃ前後の比較的低い温度により溶射材料（サーメット溶射材料）を半溶融状態にするので、溶射による圧縮応力が減少もしくは引張応力への変化が生じず、ＬＣＦ強度を保持することが可能である。また、サーメット溶射材料のみを溶射することによって１層の皮膜を形成するので、その皮膜層に均一に二硫化モリブデンを存在させることができ、その結果、耐摩耗性を向上することが可能である。さらに、皮膜を形成する工程が１工程で済むので、生産コストを抑えることが可能である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。図１は、本発明の実施形態に係る皮膜形成方法を実現するための装置構成図である。図１において、符号１はエアシュラウド付き高速フレーム溶射装置、２はファン・コンプレッサ翼である。

エアシュラウド付き高速フレーム溶射装置１は、皮膜となる溶射材料を酸素と燃料（例えばケロシン）との燃焼炎により溶融又は半溶融状態にし、溶射対象物であるファン・コンプレッサ翼２に高速度で連続噴射するものである。このようなエアシュラウド付き高速フレーム溶射装置１は、燃焼室１ａ、酸素供給口１ｂ、燃料供給口１ｃ、点火プラグ１ｄ、ノズル部１ｅ、エアシュラウドバレル部１ｆ及び溶射材料供給口１ｇから構成されている。

エアシュラウド付き高速フレーム溶射装置１において、燃焼室１ａは、酸素と燃料との混合ガスを燃焼させるためのチャンバである。酸素供給口１ｂは、燃焼室１ａに開口しており、酸素を燃焼室１ａに供給するためのものである。燃料供給口１ｃは、燃焼室１ａに開口しており、燃料を燃焼室１ａに供給するためのものである。点火プラグ１ｄは、燃焼室１ａにおいて酸素と燃料との混合ガスを点火させるためものである。ノズル部１ｅは、燃焼室１ａとエアシュラウドバレル部１ｆとに連通しており、燃焼室１ａにおいて燃料と酸素との混合ガスが燃焼することにより発生する燃焼炎をエアシュラウドバレル部１ｆに導入するための流路である。なお、このノズル部１ｅは、エアシュラウドバレル部１ｆと比べて非常に狭い流路となっている。エアシュラウドバレル部１ｆは、ノズル部１ｅを介して流入してきた燃焼炎（燃焼炎ジェット流）をエアシュラウドバレル部１ｆの先端（図１の右側）に設けられた噴射口からファン・コンプレッサ翼２のダブテイル圧力面２ａに噴射するための流路である。このダブテイル圧力面２ａについての詳細な説明は後述する。

溶射材料供給口１ｇは、上記エアシュラウドバレル部１ｆに開口しており、ＭｏＳ_２／Ｃｕ（二硫化モリブデン／銅）サーメット粉末を溶射材料としてエアシュラウドバレル部１ｆに供給するためのものである。このＭｏＳ_２／Ｃｕサーメット粉末は、ＭｏＳ_２粒子の表面に当該ＭｏＳ_２粒子の熱分解温度よりも低い温度で溶融する金属、つまりＣｕを被覆したもので、無電解メッキ法にて製造されたものである。また、本実施形態では、上記ＭｏＳ_２／Ｃｕサーメット粉末を構成するＭｏＳ_２の含有量を５０重量％、Ｃｕの含有量を５０重量％としている。このようなＭｏＳ_２／Ｃｕサーメット粉末は、エアシュラウドバレル部１ｆにおいて燃焼炎ジェット流によって半溶融状態にされ、噴射口からファン・コンプレッサ翼２のダブテイル圧力面２ａに噴射される。

ファン・コンプレッサ翼２は、例えばガスタービンエンジンに用いられているものであり、図２のようにファン・コンプレッサディスク３のダブテイルスロット３ａに圧入される。このファン・コンプレッサ翼２においてダブテイルスロット３ａに圧入される部分をダブテイルという。当該ダブテイルとファン・コンプレッサディスク３とが接触する部位、すなわちダブテイル圧力面２ａは耐摩耗性が要求される部位である。

次に、本実施形態における皮膜形成方法について説明する。

まず、エアシュラウド付き高速フレーム溶射装置１において、酸素供給口１ｂを介して酸素を燃焼室１ａに供給し、また、燃料供給口１ｃを介して燃料を燃焼室１ａに供給する。これらの酸素及び燃料は、燃焼室１ａにて混合されることにより混合ガスが生成される。この混合ガスに点火プラグ１ｄで点火することにより高圧の燃焼炎を発生させる。この燃焼炎は、ノズル部１ｅによって絞られ、エアシュラウドバレル部１ｆに流出した瞬間に急激なガス膨張により超音速の燃焼炎ジェット流となる。

上記燃焼炎ジェット流に溶射材料であるＭｏＳ_２／Ｃｕサーメット粉末を溶射材料供給口１ｇから供給して半溶融状態にし、高速度でファン・コンプレッサ翼２のダブテイル圧力面２ａに連続噴射することにより皮膜を形成する。このように溶射材料を高速度でダブテイル圧力面２ａに衝突させることによって、緻密で高密着力を有する皮膜を形成することができる。

上記のようなエアシュラウド付き高速フレーム溶射法は、従来のプラズマ溶射法が１０００°Ｃ以上の高温で溶射材料（Ｃｕ−Ｎｉ−Ｉｎ粉末）を溶射することと比べ、５００°Ｃ前後の比較的低い温度により溶射材料（ＭｏＳ_２／Ｃｕサーメット粉末）を溶射するので、当該溶射による圧縮応力の減少もしくは引張応力への変化が生じず、ＬＣＦ強度を保持することが可能である。

また、ＭｏＳ_２粒子の被覆層を構成しているＣｕは、ＭｏＳ_２粒子の熱分解温度（およそ７５０°Ｃ）よりも低い温度で溶融する。従って、本実施形態のようにエアシュラウド付き高速フレーム溶射法を用いることによって、ＭｏＳ_２の熱分解を防ぎつつＣｕを溶融することができ、これによって形成された皮膜にはＭｏＳ_２が熱分解されることなく含有されることになるので、その皮膜は、ＭｏＳ_２の優れた潤滑特性に基づいて良好な潤滑特性を発揮することができる。

さらに、ＭｏＳ_２粒子にＣｕの被覆層を形成する方法を無電解メッキ法とすることにより、被覆層の形成時にＭｏＳ_２粒子がその熱分解温度以上にまで加熱されることを防止することができるので、被覆層の形成時にＭｏＳ_２が熱分解する恐れを回避することができる。

図３に、上記のようなＭｏＳ_２／Ｃｕサーメット粉末を溶射することによって形成された皮膜の耐摩耗性を検証した結果を示す。この耐摩耗性の検証は、図４に示すように、ファン・コンプレッサ翼２と同じチタン合金でつくられたシュー試験片１０の上部に上記エアシュラウド付き高速フレーム溶射法によってＭｏＳ_２／Ｃｕサーメット粉末を溶射することによって厚さ０．２ｍｍの皮膜１１を形成し、このシュー試験片１０とブロック試験片１２とを接触面圧３４５ＭＰａで接触させ、当該ブロック試験片１２を図示の方向にスライドさせることによって摩擦係数を計測したものである。なお、比較対象として、従来のＣｕ−Ｎｉ−Ｉｎ粉末のプラズマ溶射後にＭｏＳ_２溶剤を塗布した２層構造の皮膜と、Ｃｕ−Ａｌ−Ｆｅ粉末のプラズマ溶射後にＭｏＳ_２溶剤を塗布した２層構造の皮膜とを形成した場合の摩擦係数も計測した。

図３の縦軸は摩擦係数、横軸はサイクル数（スライドの１ストロークを１サイクルとする）である。摩擦係数の目標値は、ファン・コンプレッサ翼２に要求される規格値である０．３以下とした。この図に示すように、摩擦係数が目標値０．３に到達するまでのサイクル数は、本実施形態におけるＭｏＳ_２／Ｃｕサーメット粉末の溶射皮膜では約１９００〜２１００サイクル、また従来の２層皮膜では約１４００〜１８００サイクルであり、ＭｏＳ_２／Ｃｕサーメット粉末の溶射皮膜が従来の２層皮膜と比べて最も長い。すなわち、検証した皮膜の中で、最も耐摩耗性が高いことがわかる。

これは、従来の皮膜は２層構造であるために、上層のＭｏＳ_２溶剤の塗布皮膜が磨耗すると耐摩耗性が劣化し始め、摩擦係数が増大するが、本実施形態では、ＭｏＳ_２／Ｃｕサーメット粉末を使用し、１層の溶射皮膜に均一にＭｏＳ_２を存在させることによって耐摩耗性が向上しているためと考えられる。

以上のように、本実施形態によれば、無電解メッキ法により製造したＭｏＳ_２／Ｃｕサーメット粉末をエアシュラウド付き高速フレーム溶射法によって、ファン・コンプレッサ翼２のダブテイル圧力面２ａに溶射することによって、ＬＣＦ強度を落とすことなく、長寿命の耐摩耗性皮膜を形成することが可能である。また、このような耐摩耗性皮膜を形成する工程が１工程で済むので、生産コストを抑えることが可能である。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。

上記実施形態では、上記ＭｏＳ_２／Ｃｕサーメット粉末に含まれるＭｏＳ_２の含有量を５０重量％、Ｃｕの含有量を５０重量％としているが、これに限らず、Ｃｕの量を５０重量％以上としても良い。

上記実施形態では、ＭｏＳ_２粒子の被覆層をＣｕから形成するようにしたが、ＭｏＳ_２
の熱分解温度よりも低い温度で溶融する金属であれば、必ずしもＣｕでなくてもよい。このような金属としては、例えば、Ａｇ（銀）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｎｉ（ニッケル）及びそれらの合金並びに銅合金が挙げられる。

上記実施形態では、溶射対象物としてファン・コンプレッサ翼２を用いたが、これに限らず、耐磨耗性が要求される部品であれば他のものでも良い。

本発明の一実施形態に係る皮膜形成方法を実現させるための装置構成図である。 本発明の一実施形態における溶射対象物として使用されるファン・コンプレッサ翼２の構成を示す模式図である。 本発明の一実施形態における皮膜の耐磨耗性の検証結果を示すグラフである。 本発明の一実施形態における皮膜の耐磨耗性の検証方法を示す模式図である。

符号の説明

１…エアシュラウド付き高速フレーム溶射装置、１ａ…燃焼室、１ｂ…酸素供給口、１ｃ…燃料供給口、１ｄ…点火プラグ、１ｅ…ノズル部、１ｆ…エアシュラウドバレル部、１ｇ…溶射材料供給口、２…ファン・コンプレッサ翼、２ａ…ダブテイル圧力面、３…ファン・コンプレッサディスク、３ａ…ダブテイルスロット

Claims (4)

1. 二硫化モリブデン粒子の表面に当該二硫化モリブデンの熱分解温度よりも低い温度で溶融
   する金属を付着させたサーメット溶射材料を、所定の溶射法によって溶射することで皮膜を形成することを特徴とする皮膜形成方法。
2. 前記溶射法は、エアシュラウド付き高速フレーム溶射法であることを特徴とする請求項１記載の皮膜形成方法。
3. 前記サーメット溶射材料における金属の含有量は、５０〜８０重量％であることを特徴とする請求項１または２記載の皮膜形成方法。
4. 前記金属は、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）またはニッケル（Ｎｉ）及びこれらの合金であることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の皮膜形成方法。
   
   
   
   
   
   
   
   
   

Images