JP2007298035A

JP2007298035A - ガスタービンエンジンコンポーネント用コーティング、シールアッセンブリおよびコーティング方法

Info

Publication number: JP2007298035A
Application number: JP2007114940A
Authority: JP
Inventors: Melvin Freling; フレーリングメルビン; Paul Henry Zajchowski; ヘンリーザチョースキーポール
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 2006-05-02
Filing date: 2007-04-25
Publication date: 2007-11-15
Also published as: US7754350B2; US20070259194A1; EP1852520A1; SG136910A1; EP1852520B1

Abstract

【課題】本発明は、ガスタービンエンジンコンポーネント用の改良型耐摩耗性コーティングを提供する。
【解決手段】本発明は、約５０〜９０重量％のチタンクロム炭窒化物および約１０〜５０重量％のニッケルコバルトを含むとともに、約７００〜１０００ＨＶの範囲の硬度を示すガスタービンエンジンコンポーネント用コーティングを提供する。本発明のコーティング１７は、ＨＶＯＦ法などの適宜な方法で、シールプレート面１６Ａまたはカーボンシール面１２Ａの少なくとも一方の少なくとも一部に塗布することができる。
【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。

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を隔てている。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、ガスタービンエンジンの２つまたはそれ以上のコンパートメントを隔てるために、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、シールプレートが回転し、カーボンシールが固定され、一方、他の用途においては、カーボンシールが回転し、シールプレートが固定される。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、カーボンシールよりも比較的軟質な材料から形成されるシールプレートは、磨耗し劣化する。さらに、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、接触面の少なくとも一方（例えば、カーボンシールに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に、クラックやスポーリングが生じることが分かっている。従って、改良型耐摩耗性コーティングが必要とされている。

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、チタンクロム炭窒化物およびニッケルコバルトを含む耐摩耗性コーティングに関する。

本発明は、母材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、このコーティングをガスタービンエンジンの母材にコーティングする方法と、の双方に関する。本発明のコーティングは、少なくともチタンクロム炭窒化物（ｔｉｔａｎｉｕｍｃｈｒｏｍｅｃａｒｂｏｎｉｔｒｉｄｅ）およびニッケルコバルト（ＮｉＣｏ）を含む。一実施例においては、本発明のコーティングは、約５０〜９０重量％のチタンクロム炭窒化物および約１０〜５０重量％のニッケルコバルトを含む。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高摩擦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面に適用す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、このコーティングが母材に結合しない場合は、当業者に周知なボンドコートを用いることができる。

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際、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に、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が生じ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や交換するために、コンポーネントは、一時的に取り外す必要がある。

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。カーボンシール１２とシールプレート１６との境界面は、例えば、コンパートメント２０内の流体を保持するようにシールを形成する。例えば、シール機構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ることができる。一実施例においては、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、スプリング力などによって、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。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の面１６Ａは、カーボンシール１２の面１２Ａと接しており、摩擦熱が生じる。このような摩擦熱によって、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の面１２Ａが、シールプレート１６の面１６Ａに接する場所で）磨耗が生じる。

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ことを促進するために、高速の運転条件に耐えるシーリング機構１０、および耐摩耗性を有するシールプレート１６の面１６Ａが重要である。通常、カーボンシール１２は、シールプレート１６よりも、より硬質で、耐摩耗性により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。従って、本発明のチタンクロム炭窒化物およびニッケルコバルトの耐摩耗性コーティングは、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（コーティング１７は、図面において、実寸で示されていない）。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（例えば、摩擦による）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。コーティング１７は、適宜な厚さで塗布することが可能であり、一実施例においては、約０．０５０８〜０．５０８ｍｍ（約２〜２０ｍｉｌ）の厚さで塗布される。

他の実施例においては、コーティング１７を備えるシールプレート面１６Ａのコーティングに加えて、もしくは代替として、カーボンシール面１２Ａをコーティング１７でコーティングすることができる。

本発明のコーティング１７は、溶射法（プラズマ溶射を含む）または蒸着法などの、適宜な方法で母材に塗布することができる。下記の実施例においては、ガスタービンエンジンコンポーネントに対して、チタンクロム炭窒化物およびニッケルコバルトを含むコーティングを塗布するために高速酸素燃料（ＨＶＯＦ）溶射法が用いられている。ＨＶＯＦ溶射法においては、継続的に酸素およびガス燃料または液体燃料を燃焼することによって、高速のガス流が形成される。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、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、下記のように、硬度範囲の上限付近の硬度となる。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法は、従来の多くの溶射コーティング法よりも、実質的により多くの運動エネルギを積層される粉末に与える。その結果、ＨＶＯＦ法で塗布されたコーティングは、他の種類の溶射コーティングよりも残留引張応力が相当少ないことが示される。多くの場合、コーティング中の残留応力は、引張応力ではなく圧縮応力である。さらに、これらの圧縮応力は、他のコーティング塗付方法と比べて、密度および硬度の増加に寄与する。

当業者であれば、ＨＶＯＦ溶射法のパラメータが、種々のスプレーガン／システムの使用に伴い変化し、限定する趣旨ではないが、使用する粉末の種類および寸法、燃料ガスの種類、スプレーガンの種類、部品の構成などの多くの変数に依存していることが理解できるであろう。従って、ここで記載されたパラメータは、異なる運転条件、チタンクロム炭窒化物およびニッケルコバルト粉末の異なる組成および異なるコンポーネントに関して、他の適宜なパラメータを選択する目安として使用できる。ここに記載されたパラメータは、特に、燃料ガスとして水素ガスを使用し、水素−酸素燃焼用に設計された標準ノズルを使用する、ＳｕｌｚｅｒＭｅｔｃｏＤｉａｍｏｎｄＪｅｔＨｙｂｒｉｄＨＶＯＦ溶射システムで用いるために開発された。他の実施例においては、これらのパラメータは、他のＨＶＯＦシステムおよび他の燃料を用いた技術で使用するために変更することができる。

約６０重量％のチタンクロム炭窒化物および約４０重量％のニッケルコバルトを含む、例示的なチタンクロム炭窒化物およびニッケルコバルトのコーティング１７を、シールプレート面１６ＡにＨＶＯＦ法で塗布した。コーティング１７でシールプレート面１６Ａをコーティングする前に、シールプレート１６を清浄化し、コーティングしないシールプレート１６の面は被覆した。シールプレート面１６Ａは、この面に対するコーティング１７の接着性を改良するために、粗面化するようにグリットブラストした。次に、例示的なチタンクロム炭窒化物およびニッケルコバルトコーティング１７は、下記のようにＨＶＯＦ法でシールプレート面１６Ａに適用された。

チタンクロム炭窒化物およびニッケルコバルト粉末を、約３０〜５５ｇ/分の速度でスプレーガン内に供給した。標準条件で、０．７０８０〜０．９９１２ｍ³／時間（２５〜３５標準立方フィート／時間（ｓｃｆｈ，ｓｔａｎｄａｒｄｃｕｂｉｃｆｅｅｔｈｏｕｒ））の窒素キャリアガス流量を、ＨＶＯＦシステムのプルーム（ｐｌｕｍｅ）中心線内に上記粉末を注入するのに用いた。ここで定義する標準条件とは、室温（約２０〜２５°Ｃ）および約１気圧（１０１ｋＰａ）とする。スプレーガンへの酸素ガス流量は、約９．９１〜１５．５８ｍ³／時間（３５０〜５５０（ｓｃｆｈ））とし、水素ガス流量の範囲は、約３９．６５〜４６．７３ｍ³／時間（１４００〜１６５０ｓｃｆｈ）であった。約１８．４１〜２５．４９ｍ³／時間（６５０〜９００ｓｃｆｈ）の流量の窒素ガスを、冷却／シュラウドガス（ｃｏｏｌｉｎｇ／ｓｈｒｏｕｄｇａｓ）として用いた。他の実施例においては、他の適宜なガス（例えば空気など）を、冷却／シュラウドガスとして使用し、適宜な速度で流した。当業者であれば、コーティングの硬度が、一般的に、粉末の流量の低下、ガンから部品までの距離の減少や酸素の流量の増加によって、増大することを理解し得る。外側用冷却ガスを、部品の温度が超過するのを避けるために用いてもよい。

コーティング１７を溶射堆積する間、シールプレート１６を、約２３．２３〜４６．４６ｓｍｐｍ（ｓｕｒｆａｃｅｍｅｔｅｒｓｐｅｒｍｉｎｕｔｅ）（２５０〜５００ｓｆｐｍ（ｓｕｒｆａｃｅｆｅｅｔｐｅｒｍｉｎｕｔｅ））の表面速度で回転させた。スプレーガンを、シールプレート１６の外径に配置し、０．１５２〜１．０１６ｍ／分（６〜４０インチ／分）の速度、シールプレート面１６Ａに対して４５〜９０°（好ましくは９０°すわなち垂直）で、シールプレート面１６Ａに亘る水平面上を横断させた。スプレーガンと部品との間の距離（すなわちガンから部品までの距離）は、２０．３２〜３０．４８ｃｍ（８〜１２インチ）で変化させることが可能で、この実験例においては、スプレーガンとシールプレート１６との間の距離は、約２６．６７ｃｍ（１０．５インチ）とした。通常、当業者であれば、コンポーネントの回転速度、面速度、ガンの横断速度およびコンポーネントの寸法は、溶射中の部品温度に影響を与えることが理解されよう。外側用冷却ガスは、所望であれば、部品温度の超過を回避するために、用いることができる。

シールプレート面１６Ａをコーティングした後、このシール機構１０に関して磨耗試験を行った。シールプレート１６を（カーボンシール１２に接触させつつ）５段階の速度で回転させ、３段階の負荷レベルをシール機構に適用した。磨耗試験の総時間は、４時間とした。下の表に示されるように、５段階の速度は、約９，９００回転／分（ｒｐｍ）、約１３，６５０ｒｐｍ、約１７，６５０ｒｐｍ、約２１，０５０ｒｐｍおよび約２４，７５０ｒｐｍであり、３段階の負荷レベルは、約５５．１６ｋＰａ（８ポンド／平方インチ（ｐｓｉ））、約１２４．１１ｋＰａ（１８ｐｓｉ）および約１７２．３７ｋＰａ（２５ｐｓｉ）であった。このコーティング１７は、自身に対する摩擦係数約０．５２を示した。約２４，７５０ｒｐｍでシールプレート１６を回転させ、約１７２．３７ｋＰａ（２５ｐｓｉ）の負荷をシール機構に適用した試験の最終段階まで、シール機構１０は、最適な磨耗耐性を示すことがわかった。さらに、シールプレートを２１，０５０ｒｐｍで回転させつつ、約１７２．３７ｋＰａ（２５ｐｓｉ）の負荷をシールプレートに適用した後に、シールプレート１６Ａおよびコーティング１７の表面温度が、約２２５．５６°Ｃ（４３８°Ｆ）となった。また、約１７２．３７ｋＰａ（２５ｐｓｉ）の負荷をシールプレートに適用した後、コーティング１７は、約０．００２２ｃｍ（０．０００９インチ）を示した。

本発明のコーティングの硬度を従来のコーティングと全体として比べた。具体的には、約５０〜９０重量％のチタンクロム炭窒化物および約１０〜５０重量％のニッケルコバルトを含む、チタンクロム炭窒化物およびニッケルコバルトのコーティングは、約７００〜１０００ＨＶ（ビッカース硬度）の範囲の硬度を示した。より具体的には、約６５重量％のチタンクロム炭窒化物および約３５重量％のニッケルコバルトを備えるコーティングは、約８１５ＨＶの硬度を示した。約６０重量％のチタンクロム炭窒化物および約４０％のニッケルコバルトを含むコーティングは、約７２０〜７５０ＨＶの範囲の硬度を示すことがわかった。

本発明のコーティングの硬度を多くの従来のコーティングと比べたが、本発明のコーティングは、従来の耐摩耗性コーティングと比べて、より高速のエンジン速度かつより高い圧力に耐えることが可能となると考えられる。このことは、本発明のコーティングの熱伝導係数（ｔｈｅｒｍａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙｖａｌｕｅ）が改善したことに部分的に帰する。

ここでは、シール機構１０は、磨耗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一般的な例として記載されているが、本発明のコーティングは、磨耗環境に晒されるガスタービンエンジンの他のコンポーネントに適用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機構の断面図の一部。

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

ガスタービンエンジン用コーティングであって、
チタンクロム炭窒化物と、
ニッケルコバルトと、を含むとともに、
上記コーティングが、約７００〜１０００ＨＶ（ビッカース硬度）の範囲の硬度を示す、
ことを特徴とするガスタービンエンジンコンポーネント用コーティング。
上記コーティングが、約５０〜９０重量％のチタンクロム炭窒化物および約１０〜５０重量％のニッケルコバルトを含むことを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジンコンポーネント用コーティング。
上記コーティングが、約２〜２０ｍｉｌの厚みを有することを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジンコンポーネント用コーティング。
上記コーティングが、約８００〜８５０ＨＶの範囲の硬度を示すことを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジンコンポーネント用コーティング。
上記ガスタービンエンジンコンポーネントが、シールプレートであることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジンコンポーネント用コーティング。
上記コーティングが、プラズマ溶射、溶射および蒸着からなる群から選択された方法で、上記ガスタービンエンジンコンポーネントに塗布されることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジンコンポーネント用コーティング。
上記溶射法が、高速酸素燃料（ＨＶＯＦ）法を含むことを特徴とする請求項６に記載のガスタービンエンジンコンポーネント用コーティング。
上記高速酸素燃料法が、
約３０〜５５ｇ／分の粉末供給速度と、
標準条件で、約２５〜３５立方フィート／時間の窒素キャリアガスの流量と、
標準条件で、約３５０〜５５０立方フィート／時間の酸素の流量と、
標準条件で、約１４５０〜１６５０立方フィート／時間の水素ガスの流量と、
ガンから部品までの約８〜１２インチの距離と、
を備えることを特徴とする請求項７に記載のガスタービンエンジンコンポーネント用コーティング。
上記コーティングが、実質的に、
チタンクロム炭窒化物と、
ニッケルコバルトと、
からなることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジンコンポーネント用コーティング。
第１の面を備える第１のシール部材と、
第２の面を備える第２のシール部材と、を備えるとともに、上記第２の面の少なくとも一部が、上記第１の面の少なくとも一部に接するように構成されており、
上記第１の面と、この第１の面の一部と接するように構成された上記第２の面と、の少なくとも一方の少なくとも一部が、チタンクロム炭窒化物およびニッケルコバルトを含みかつ約７００〜１０００ＨＶの範囲の硬度を示す、コーティングを備えることを特徴とするガスタービンエンジン用シールアッセンブリ。
上記第１のシール部材がカーボンシールリングからなり、上記第２のシール部材がシールプレートからな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用シールアッセンブリ。
上記コーティングが、約５０〜９０重量％のチタンクロム炭窒化物と、約１０〜５０重量％のニッケルコバルトと、を含む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用シールアッセンブリ。
上記コーティングが、約２〜２０ｍｉｌの厚みを有す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用シールアッセンブリ。
チタンクロム炭窒化物およびニッケルコバルトを含むコーティングを、約２〜２０ｍｉｌの厚みで、高速酸素燃料システムでガスタービンエンジンコンポーネントの少なくとも一部に塗布することを特徴とするガスタービンエンジンコンポーネントのコーティング方法。
上記コーティングが、約５０〜９０重量％のチタンクロム炭窒化物および約１０〜５０重量％のニッケルコバルトを含むことを特徴とする請求項１４に記載のガスタービンエンジンコンポーネントのコーティング方法。
上記ガスタービンエンジンコンポーネントが、シールプレートであることを特徴とする請求項１４に記載のガスタービンエンジンコンポーネントのコーティング方法。
上記コーティングが、約７００〜１０００ＨＶの範囲の硬度を示すことを特徴とする請求項１４に記載のガスタービンエンジンコンポーネントのコーティング方法。
上記高速酸素燃料システムが、
約３０〜５５ｇ／分の粉末供給速度と、
標準条件で、約２５〜３５立方フィート／時間の窒素キャリアガスの流量と、
標準条件で、約３５０〜５５０立方フィート／時間の酸素の流量と、
標準条件で、約１４５０〜１６５０立方フィート／時間の水素ガスの流量と、
標準条件で、約６５０〜９００立方フィート／時間の冷却ガスの流量と、
を備えることを特徴とする請求項１４に記載のガスタービンエンジンコンポーネントのコーティング方法。
上記ガスタービンエンジンコンポーネントを、約２５０〜５００フィート／分（ｓｆｐｍ）の表面速度で回転させることをさらに含む請求項１４に記載のガスタービンエンジンコンポーネントのコーティング方法。
上記高速酸素燃料システムが、
約６〜４０インチ／分の速度で、水平面において、上記ガスタービンエンジンコンポーネントを横切るように構成されたスプレーガンを備えるとともに、
上記スプレーガンが、上記ガスタービンエンジンコンポーネントから約８〜１２インチに配置される、
ことを特徴とする請求項１４に記載のガスタービンエンジンコンポーネントのコーティング方法。