JP2007247063A - コーティング、コーティング方法およびガスタービンエンジンのシールアッセンブリ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、コンポーネントの磨耗を最小限に抑える耐摩耗性コーティングを提供する。
【解決手段】本発明のコーティングは、２０〜７０重量％の潤滑性材料および３０〜８０重量％の硬質カーバイド材料を含み、熱溶射などの適宜な方法で母材に塗布される。シーリング機構１０は、シール保持部材１４によって保持される環状のカーボンシールリング１２と、回転シャフト１８によって保持される環状のシールプレート１６と、を備える。塗布されたコーティング１７によって、カーボンシール１２の面１２Ａに接触することによるシールプレート１６の面１６Ａの腐食および劣化の防止を補助される。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般的にコーティングに関する。より詳しくは、本発明は、ガスタービンエンジンコンポーネント用の耐摩耗性コーティングとして利用されるのに適したコーティングに関する。

耐摩耗性コーティングは、高い摩擦の運転環境に晒されるコンポーネントに塗布される。例えば、ロータリーシール機構におけるシールプレートなどのガスタービンエンジンコンポーネントは、多くの場合、強く摩擦し、かつ高温の運転条件に晒される。しばらく使用された後は、通常、摩擦によって、摩擦に晒されるコンポーネント表面に磨耗が生じる。このような磨耗は、概して好ましくなく、特に、ガスタービンエンジンの２つまたはそれ以上の各コンパートメントに分割するように働くシール機構に対して、好ましくない問題を生じさせる。例えば、シーリングコンポーネントが磨耗（もしくは腐食）し、効果がなくなった場合、１つのコンパートメントからの液体が、別のコンパートメントに流入することがある。ガスタービンエンジンの一部においては、シール機構の損傷は、ガスタービンエンジンの作用に有害である。これらの状況において、シール機構の一部がシール性を損うまで磨耗した場合は、ガスタービンエンジンは、取り外され、修復しなければならない。

ロータリーシール機構は、ガスタービンエンジンの２つのコンパートメントに分割する。ロータリーシール機構は、通常、カーボンシールなどの硬質材料から形成される第１のコンポーネントを備え、この第１のコンポーネントは、２つまたはそれ以上のコンパートメントに分割するために、シールプレートなどの、比較的軟質の材料から形成される第２のコンポーネント面に、少なくとも部分的に接触する。いくつかの用途においては、シールプレートはカーボンシールが固定されるように回転し、一方、他の用途においては、カーボンシールがシールプレートが固定されるように回転する。シールプレートおよびカーボンシールが互いに接触しているので、双方のコンポーネントの運転温度および摩擦レベルが上昇する。このことによって、シールプレートやカーボンシールは、磨耗し劣化する。ガスタービンエンジン運転中におけるシールプレートとカーボンシールとの間の相対振動によって、シールプレートの摩擦分解や腐食が生じる。

ロータリーシール機構を損傷から防ぐのを補助するためには、シールプレートの磨耗を最小限にするのが重要である。シールプレートの磨耗および劣化を緩和し、シールプレートの寿命を延ばすために、耐摩耗性コーティングが、カーボンシールと接触するシールプレート表面に塗布される。しかしながら、非常に高速のエンジン速度かつ高圧下において、既存の耐摩耗性コーティングの多くが、クラックやスポーリングが生じることが分かっている。用途にかかわらず、耐摩耗性コーティングの寿命を延ばすことが求められている。さらに、ガスタービンエンジンコンポーネント以外のコンポーネントに塗布される耐摩耗性コーティングの寿命を延ばすことも求められている。

本発明は、ガスタービンエンジンコンポーネントに適した耐摩耗性コーティングに関し、このコーティングは、ポリテトラフルオロエチレン、モリブデンジスルフィド、窒化ホウ素、酸化コバルト、グラファイト、およびこれらの組み合わせなどの、潤滑性（ｌｕｂｒｉｃａｔｉｎｇ）材料、ならびに、炭化タングステン、炭化珪素、炭化クロム、炭化チタン、およびこれらの組み合わせなどの、硬質カーバイド材料、を含む。

本発明は、母材用の耐摩耗性コーティングとして利用することに適したコーティングと、本発明のコーティングをガスタービンエンジン母材にコーティングする方法と、の双方に関する。「母材」は、ガスタービンエンジンコンポーネントを含む、一般的な下地のコンポーネントである。本発明のコーティングは、２０〜７０重量％の潤滑性材料および３０〜８０重量％の硬質カーバイド材料を含む。潤滑性材料は、限定する趣旨ではないが、ポリテトラフルオロエチレン、モリブデンジスルフィド、窒化ホウ素、酸化コバルト、グラファイト、およびこれらの組み合わせを含む。硬質カーバイド材料は、限定する趣旨ではないが、炭化タングステン、炭化珪素、ニッケルクロム／炭化クロム、炭化チタンおよびこれらの組み合わせを含む。

本発明の耐摩耗性コーティングは、ロータリーシール機構のシールプレートなどの、高い摩擦係数の運転条件に晒されるガスタービンエンジンコンポーネントの面に塗布されるのに特に適している。さらに、このコーティングは、硬質表面の（ｈａｒｄ−ｆａｃｅｄ）合わせ面を有する他のガスタービンエンジンコンポーネントなどの、磨耗環境に晒される適宜な母材に用いることができる。本発明のコーティングは、ボンドコートを用いずに、スチールやニッケル合金を含む、多数の母材材料に結合すると考えられる。なお、実施例において、所望する場合は、当業者に周知で適宜ないかなるボンドコートを用いてもよい。

エンジン効率を上げるために、タービンエンジンの速度および圧力が上昇するにつれ、ニッケルクロム／炭化クロムなどの硬質カーバイド材料を含む多数の従来の耐摩耗性コーティングは、非常に過酷な運転条件下で、クラックおよびスポーリング、ならびに、激しい劣化を被ることが知られている。このようなクラックやスポーリングなどは、好ましくなく、耐摩耗性コーティングが塗布されるコンポーネントの寿命を縮めることがある。極僅かであっても、耐摩耗性コーティングの初期の損傷によって、耐磨耗性コーティングを修復するために、コンポーネントは、時期尚早であっても取り外される。

耐摩耗性コーティングの摩擦係数が十分に低下するようにコーティングに潤滑性材料を混合させることによって、硬質カーバイドの耐摩耗性コーティングの寿命は延びる。コーティングにおける硬質カーバイド材料の種類、ならびに耐磨耗性コーティングの特定の用途によって、潤滑性材料の割合は、約２０〜７０重量％で変化させる。耐摩耗性コーティングに潤滑性材料が存在することで、コーティングの摩擦係数が低下し、多数ある既存の硬質カーバイドの耐磨耗性コーティングよりも、コーティングの磨耗を遅らせることが可能となる。また、コーティングの摩擦係数が低下すると、コーティングと、コーティングが塗布されたコンポーネントとの間に生じる摩擦熱が低下する。このことによってさらに、コーティングの磨耗速度が遅くなる。

本発明のコーティングは、プラズマ溶射法および高速酸素燃料（ＨＶＯＦ）熱溶射法を含む熱溶射などの、いかなる適宜な方法で母材に塗布しても良い。下記の実施例においては、ＨＶＯＦ型の熱溶射法が用いられている。ＨＶＯＦ熱溶射法においては、高速のガス流が、継続的に酸素および燃料を燃焼することによって、形成される。コーティングの粉末状の形状は、高速のガス流内に注入される。このコーティングは、融点付近まで加熱され、加速され、コーティングするべき母材に当てられる。ＨＶＯＦ法で塗布されたコーティングは、密度の高いコーティングとなる。このことは、母材に形成されたコーティング材料が、重ね合わさった、レンチキュラ状粒子（つまり「スプラット（ｓｐｌａｔ）」）となることに部分的に帰する。ＨＶＯＦ法で塗布されたコーティングは、伸張状態ではなく圧縮状態で塗布され、このことも、他のコーティング塗布方法と比べて、密度および硬度の値が高くなることの一因となる。

本発明のコーティングは、約０．０５０８〜０．５０８ｍｍ（約２〜２０ｍｉｌ）の厚さで塗布されることが望ましい。本発明の実施例においては、潤滑性材料および硬質カーバイド材料は、母材に上記材料を塗布する前に混合され、または２つの別個の紛末供給器から母材に共噴霧（ｃｏ−ｓｐｒａｙｅｄ）される。最終的な耐摩耗性コーティングは、潤滑性材料および硬質カーバイド材料を混合した均一な層となる。

図１は、一般的なガスタービンエンジンのシーリング機構１０の断面図の一部である。シーリング機構１０は、シール保持部材１４によって保持される環状のカーボンシールリング１２と、回転シャフト１８によって保持される環状のシールプレート１６と、を備える。シーリング機構１０は、コンパートメント２０からガスタービンエンジンの他の部分へと、潤滑油などの液体が漏出するのを制限するように、ガスタービンエンジンのベアリング室に用いられることができるシールの一例である。カーボンシールリング１２は、炭素系材料から形成され、シールプレート１６は、スチール、ニッケル合金またはこれらの組み合わせなどの金属合金から形成される。

シール保持部材１４は、シールプレート１６の面１６Ａに向かって、カーボンシールリング１２の面１２Ａを付勢する。このような付勢は、スプリングなど、当業者に周知で適宜な方法によってなされ得る。シャフト１８は、シールプレート１６を保持し、シャフト１８が回転する際、シールプレート１６は、カーボンシール１２の面と接しており、摩擦熱が生じ、シールプレート１６とカーボンシール１２との境界で（すなわちカーボンシール１２面１２Ａが、シールプレート１６面１６Ａに接する場所で）磨耗問題が生じる。

コンパートメント２０からの液体の漏出を制限するために、カーボンシール１２の面１２Ａとシールプレート１６の面１６Ａとの間の接触を維持することが重要である。しかしながら、このような接触によって、シールプレート１６やカーボンシール１２に磨耗が生じる。ガスタービンエンジンの機能を維持するのを促進するために、高速の運転条件の結果として生じる高速かつ高温の条件に耐えるシーリング機構１０が重要である。本発明の潤滑性材料および硬質カーバイド材料を混合したコーティング１７は、カーボンシール１２の面１２Ａに接触するシールプレート１６の面１６Ａの少なくとも一部に塗布される（図１では、コーティング１７は実寸で描かれていない）。コーティング１７は、カーボンシール１２の面１２Ａに接触することによるシールプレート１６の面１６Ａの（例えば、摩擦による）腐食および劣化の防止を補助し、このことは、シーリング機構１０が損傷するのを防止する。カーボンシール１２は、シールプレート１６よりも、比較的硬質で、耐摩耗性に優れた材料から形成され、カーボンシール１２の磨耗速度の方が、シールプレート１６の磨耗速度よりも遅い。

図１の実施例においては、コーティング１７は、約０．０５０８〜０．５０８ｍｍ（約２〜２０ｍｉｌ）の厚さで、ＨＶＯＦ熱溶射法を用いて塗布される。

他の実施例においては、シールプレート１６のコーティング１７によるコーティングに加えて、もしくは代替として、カーボンシール１２を、コーティング１７でコーティングしてもよい。

シーリング機構１０は、磨耗環境に晒される面を有するコンポーネント（または母材）の一般的な例を示している。さらに、本発明によるコーティングは、フランジの合わせ面などの、ガスタービンエンジンコンポーネント以外の磨耗環境に晒されるコンポーネントに塗布することにも適している。

カーボンシールおよびシールプレートを含むロータリーシールの断面図の一部。

符号の説明

１０…シーリング機構
１２…カーボンシール
１２Ａ…カーボンシールの面
１４…シール保持部材
１６…シールプレート
１６Ａ…シールプレートの面
１８…回転シャフト
２０…コンパートメント

Claims (20)

1. 実質的に、約３０〜８０重量％の硬質カーバイド材料と、
   この硬質カーバイド材料と混合される、約２０〜７０重量％の潤滑性材料と、
   からなることを特徴とするコーティング。
2. 上記硬質カーバイド材料が、ニッケルクロムならびに炭化クロム、炭化タングステン、炭化珪素、炭化チタン、およびこれらの組み合わせからなる群から選択されることを特徴とする請求項１に記載のコーティング。
3. 上記潤滑性材料が、ポリテトラフルオロエチレン、モリブデンジスルフィド、窒化ホウ素、酸化コバルト、グラファイト、およびこれらの組み合わせからなる群から選択されることを特徴とする請求項１に記載のコーティング。
4. 上記硬質カーバイド材料および上記潤滑性材料が、母材に共噴霧されることを特徴とする請求項１に記載のコーティング。
5. 上記母材が、ガスタービンエンジンコンポーネントであることを特徴とする請求項４に記載のコーティング。
6. 上記硬質カーバイド材料および上記潤滑性材料が、熱溶射法で、上記母材に共噴霧されることを特徴とする請求項４に記載のコーティング。
7. 上記硬質カーバイド材料および上記潤滑性材料が、上記コーティングを母材に塗布する前に、共に混合されることを特徴とする請求項１に記載のコーティング。
8. 上記母材が、ガスタービンエンジンコンポーネントであることを特徴とする請求項７に記載のコーティング。
9. 上記コーティングが、熱溶射法で、上記母材に塗布されることを特徴とする請求項７に記載のコーティング。
10. 第１の面を含む第１のシール部材と、
    上記第１の面の少なくとも一部に概ね接するように配置された第２の面を含む第２のシール部材と、を備えるシールアッセンブリであって、
    上記第１の面および上記第２の面の少なくとも一方の少なくとも一部が、
    約３０〜８０重量％の硬質カーバイド材料と、
    この硬質カーバイド材料と混合される約２０〜７０重量％の潤滑性材料と、を有するコーティングを含む
    ことを特徴とするガスタービンエンジンのシールアッセンブリ。
11. 上記硬質カーバイド材料が、ニッケルクロムならびに炭化クロム、炭化タングステン、炭化珪素、炭化チタン、およびこれらの組み合わせからなる群から選択されることを特徴とする請求項１０に記載のガスタービンエンジンのシールアッセンブリ。
12. 上記潤滑性材料が、ポリテトラフルオロエチレン、モリブデンジスルフィド、窒化ホウ素、酸化コバルト、グラファイト、およびこれらの組み合わせからなる群から選択されることを特徴とする請求項１０に記載のガスタービンエンジンのシールアッセンブリ。
13. 上記硬質カーバイド材料および上記潤滑性材料が、上記第２のシール部材の上記第２の面に共噴霧されることを特徴とする請求項１０に記載のガスタービンエンジンのシールアッセンブリ。
14. 上記硬質カーバイド材料および上記潤滑性材料が、上記第１の面および上記第２の面の少なくとも一方の少なくとも一部に塗布される前に、共に混合されることを特徴とする請求項１０に記載のガスタービンエンジンのシールアッセンブリ。
15. 約３０〜８０重量％の硬質カーバイド材料と、この硬質カーバイド材料と混合される約２０〜７０重量％の潤滑性材料と、を含むコーティングを、コンポーネントに熱溶射することを特徴とする母材のコーティング方法。
16. 上記硬質カーバイド材料が、ニッケルクロムならびに炭化クロム、炭化タングステン、炭化珪素、炭化チタン、およびこれらの組み合わせからなる群から選択されることを特徴とする請求項１５に記載の母材のコーティング方法。
17. 上記潤滑性材料が、ポリテトラフルオロエチレン、モリブデンジスルフィド、窒化ホウ素、酸化コバルト、グラファイト、およびこれらの組み合わせからなる群から選択されることを特徴とする請求項１５に記載の母材のコーティング方法。
18. 上記熱溶射法が、高速酸素燃料法およびプラズマ溶射法からなる群から選択されることを特徴とする請求項１５に記載の母材のコーティング方法。
19. 上記硬質カーバイド材料および上記潤滑性材料が、上記母材に共噴霧されることを特徴とする請求項１５に記載の母材のコーティング方法。
20. 上記硬質カーバイド材料および上記潤滑性材料が、上記母材に熱溶射される前に、共に混合されることを特徴とする請求項１５に記載の母材のコーティング方法。

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