JP2008082331A - アブレイダブルシール - Google Patents

Abstract

【課題】軽量で、耐久性の高いガスタービンエンジン用アブレイダブルシールを提供する。。
【解決手段】アブレイダブルシールのコーティング部分をマトリクス材と充填材とから構成する。アブレイダブルシールのマトリクス材は金属特性とセラミック特性の両方をアブレイダブルシールに付与し、耐食性と被削性のバランスを取っている。アブレイダブルシールの有する金属特性は、衝撃損傷に対する高い耐久性と耐食性とをもたらす。アブレイダブルシールの有するセラミックの機械的に脆弱で磨耗性の特性は、スミアリングを抑制し、バリ形成を抑制し、摩擦力を低下させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、概して、ガスタービンエンジンの分野に関し、詳しくは、ガスタービンエンジン用アブレイダブルシール（ａｂｒａｄａｂｌｅ ｓｅａｌ）に関する。

アブレイダブルシールは、多くの場合、稼動時に相対運動に伴って生じる表面間の隙間（クリアランス）を小さくするのを助ける目的で使用される。例えば、アブレイダブルシールをガスタービンエンジンに使用すると、エンジン効率向上とストールマージン向上に役立つ。アブレイダブルシールは、通常、回転部材とこれに向き合う固定部材との間に配置される。例えば、固定部材はエンジンの外部ケーシングまたはシュラウドであり、回転部材は動翼先端、シールリング、ナイフエッジシールおよびこれらに類するものである。運転時に、動翼は最初のうちはアブレイダブルシールとかみ合うように位置しているが、アブレイダブルシールをこすったり切り込んだりするようになる。アブレイダブルシールは動翼先端が外部ケーシングと絶対に接することのないように補助しており、磨耗していくのは動翼先端ではなくシールの被削性材料である。従って、アブレイダブルシールは固定部材と回転部材との間の隙間を小さくし、こすれる場合でもガスタービンエンジン部品の損傷を防いでいる。アブレイダブルシールと回転部材との間に好ましいシーリングをすることで漏れが抑制され、結果的に効率および出力が高まる。

ガスタービンエンジンのおかれる環境は過酷なので、エンジン部品は抗酸化性および耐食性であることが望ましい。アブレイダブルシールは、ガスタービンエンジンを通過する気流中の粒子や、動翼先端が削りとった材料が超高速で飛沫同伴されるために起きる浸食性の環境にも耐えることができなくてはならない。ニッケル合金は抗酸化性および耐食性を示すので、この分野で最近用いられているアブレイダブルシールは、ニッケルベースのコーティングかニッケルベースのコーティングを含有するものである。ニッケル合金は耐久性のアブレイダブルシールによく用いられるが、ニッケルはガスタービンエンジン全体の重さを増加させてしまう。ニッケルベースのアブレイダブルシールを用いる際の別の問題点は、ニッケルが比較的高い熱膨張係数を示すことであり、このためにガスタービンエンジンの熱サイクルに係る耐久性は低下する。被削性材料がシールから剥がれてガスタービンエンジンを通過する際に被削性材料がガスタービンエンジンの下流に配置された部材へ及ぼす影響についても考慮すべきである。

回転要素付近に配置されたアブレイダブルシールは、回転要素に向き合う表面を有する基材と、基材表面に施されたコーティングと、を有する。コーティングはマトリクス材と充填材からなる。マトリクス材はコーティングの約３０体積％〜約８０体積％を占める。

図１は、回転要素付近に配置されたアブレイダブルシールの側面図である。

図１は、ガスタービンエンジンの回転要素１２付近に配置されたアブレイダブルシール１０の側面図である。アブレイダブルシール１０は、ガスタービンエンジンの重量を軽減し、ガスタービンの空力効率および安定性を高めることにより、ガスタービンエンジンの効率と耐久性とを向上させる。このことは、低密度コーティング材料や熱安定性のより高いコーティング材料を用いることにより、ある程度まで達成できる。さらに、アブレイダブルシール１０は、磨耗時の相互作用エネルギーが低い。材料の被削性は回転要素１２がアブレイダブルシール１０を磨耗させるのに必要なエネルギーから測定できる。アブレイダブルシール１０はまた、約１２００℃を越えない温度で脆性破壊状態となり微粒子へ変化するので、回転要素１２および下流に配置された部材の損傷を軽減する。

アブレイダブルシール１０は、基材１４とコーティング１６とを含む。基材１４はコーティングの土台となるもので、回転要素１２に面している。実施例では、基材１４は金属、セラミック、または複合材料からなるものでよい。コーティング１６は、ボンディングコート１８と被削性複合層２０とからなる２層系であってよい。被削性複合層２０は三成分炭化物または三成分窒化物からなるマトリクス材２２と充填材２４とを含む。ボンディングコート１８は、基材１４と被削性複合層２０の間に付加的な接着が必要とされる場合にのみ使用される。

コーティング１６のマトリクス材２２は、高密度単相層、多孔単相層、または複合層として、基材１４およびボンディングコート１８表面に施されてよい。マトリクス材２２は、原子規模の層状構造をしており、金属とセラミックの両方の特性を有するので、耐久性と被削性を併せ持つ。三成分炭化物または三成分窒化物からなるマトリクス材２２の性能も優れており、その性能は三成分炭化物または三成分窒化物材料の純度に左右されない。従って、ある程度の熱分解および酸化に対して耐性であると考えられる。

好適なマトリクス材の例として：三成分炭化物および三成分窒化物が挙げられるが、これに限定しない。特に好適なマトリクス材の例には：
式 Ｍ₂Ｘ₁Ｚ₁
［ここで、Ｍは、少なくとも１種の遷移金属であり、Ｘは、Ａｌ、Ｇｅ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｇａ、Ｐ、Ｓ、Ｉｎ、Ａｓ、ＴｌおよびＣｄからなる群から選択される元素であり、Ｚは、ＣおよびＮからなる群から選択される非金属である］；
式 Ｍ₃Ｘ₁Ｚ₂
［ここで、Ｍは、少なくとも１種の遷移金属であり、Ｘは、Ｓｉ、ＡｌおよびＧｅの少なくとも１種であり、Ｚは、ＣおよびＮからなる群から選択される非金属である］；ならびに、
式 Ｍ₄Ｘ₁Ｚ₃
［ここで、Ｍは、少なくとも１種の遷移金属であり、Ｘは、Ｓｉであり、Ｚは、Ｎである］；
が含まれるが、これに限定しない。特に好適な金属性マトリクス材複合材の例は、Ｔｉ₃ＳｉＣ₂である。上記のマトリクス材に関して、Ｚ．Ｍ．Ｓｕｎ、Ａ．Ｍｕｒｕｇａｉａｈ、Ｔ．Ｚｈｅｎ、Ａ．ＺｈｏｕおよびＭ．Ｗ．Ｂａｒｓｏｕｍにより２００５年７月１４日にオンライン発表された“Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｐｏｒｏｕｓ Ｔｉ₃ＳｉＣ₂”；Ｂｕｓｃｈｏｗ、Ｃａｈｎ、Ｆｌｅｍｉｎｇｓ、Ｋｒａｍｅｒ、ＭａｈａｊａｎおよびＶｅｙｓｓｉｅｒｅ、Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅにより編集され２００４年にＥｎｃｈｙｃｌｏｐｅｄｉａ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙに発表された“Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ＭＡＸ Ｐｈａｓｅ”およびＭｉｃｈｅｌ Ｗ．ＢａｒｓｏｕｍおよびＴａｍｅｒ Ｅｌ−Ｒａｇｈｙにより２００１年７月〜８月期に発表された“Ｔｈｅ ＭＡＸ Ｐｈａｓｅ：Ｕｎｉｑｕｅ Ｎｅｗ Ｃａｒｂｉｄｅ ａｎｄ Ｎｉｔｒｉｄｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ”に詳細が開示され記載されている。

マトリクス材２２内の原子層は硬質で頑丈な高弾性炭化物である。原子も層状に存在するので、非常に脆弱な結晶面が形成される。従って、高弾性の頑丈な面と非常に脆弱な面との両方がマトリクス材２２中に存在する。その結果、キンクバンド（ｋｉｎｋ ｂａｎｄ）が形成される傾向があり、そのためセラミックと金属の両方の特性が見られる。マトリクス材２２が変形する際に分子の原子面間でずれが生じてキンクバンドが形成される。キンクバンドは金属に似た強度をもたらすので、マトリクス材２２は衝撃損傷に耐性となり得て、他方で、炭化物層の高弾性および高強度がマトリクス材２２を微粒子浸食から守り得る。同時に、ずれ面は強度が低いので、マトリクス材２２は鋭い切刃で削られる。

コーティング１６の充填材２４は不活性材料として働き、これもコーティング１６に所望の特性を与えている。例えば、充填材２４は、空力学的観点から孔を充填するために、あるいは、コーティング１６の強度または靭性を変化させるために、あるいはマトリクス材２２の被削性を変化させるために、使用されてよい。実施例では、コーティング１６の充填材２４は、加工時または稼動時にマトリクス材２２と反応しない増孔材（ｐｏｒｅ−ｆｏｒｍｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ）または任意の充填材であってよく：セラミック材料、金属材料またはガラスが含まれるが、これに限定しない。例えば、ベントナイトクレーまたは六方晶系窒化ホウ素が含まれるが、これに限定しない。また、充填材２４は、損傷を与えずに燃焼、蒸発、または浸出してコーティング１６に多孔性をもたらす一過性の充填材でもよい。一過性材料の例には：メチルメタクリレート、ポリエステル、グラファイト、塩化ナトリウム、またはその他の有機材料が含まれるが、これに限定しない。

実施例では、マトリクス材２２は、コーティング１６の約３０体積％〜約８０体積％を占めるのが好ましい。マトリクス材２２は、コーティング１６の約３５体積％〜約７０体積％を占めるのがより好ましい。マトリクス材２２は、コーティング１６の約４０体積％〜約６０体積％を占めるのが最も好ましい。

アブレイダブルシール１０の被削性複合層２０は、従来公知の好適な方法で、基材１４およびボンディングコート１８に施されてよい。好適な方法の例には：プラズマ溶射、ワイヤーアーク溶射、フレーム溶射、および高速酸素炎溶射が含まれるが、これに限定しない。実施例では、被削性複合層２０は、マトリクス材２２のボンディングコート１８に、約０.５ミリメートル〜約５.０ミリメートルの厚さとなるように施される。実施例では、マトリクス材２２はプラズマ溶射でボンディングコート１８に施され、充填材２４は別の粉体噴射ノズルを通してプラズマ溶射プルームへ導入されることにより同時にボンディングコート１８へ施される。別の実施例では、マトリクス材２２と充填材２４を混合して混合物とし、これを単一ノズルから噴射させる。別の実施例では、マトリクス材２２と充填材２４とを含む複合粉末粒子を供給原料とする。

強度および靭性のようなその金属の特性のおかげで、アブレイダブルシール１０は過酷な環境に置かれても浸食されないと考えられる。実施例では、回転要素１２は複数の動翼先端であり、アブレイダブルシール複合層２０は、動翼先端付近にあるガスタービンエンジンの基材１４上、または外部ケーシング１５上に配置されている。アブレイダブルシール１０は外部ケーシング１５と回転動翼先端１２の間に位置し、外部ケーシング１５と動翼先端１２の間の隙間を調節する。外部ケーシング１５はコーティング１６の基材１４と成り得るので、アブレイダブルシール１０と一体である。外部ケーシング１５およびアブレイダブルシール１０はエンジンの動翼１２に対して定位置にある。動翼先端１２はアブレイダブルブレードアウターエアシール表面と僅かな隙間を保って稼動し、通常、アブレイダブルシール１０に直接接触することはない。しかし、膨張または縮小のような熱がもたらす変化により、あるいは荷重負荷（ｇ−ｌｏａｄｓ）または操縦負荷（ｍａｎｅｕｖｅｒ ｌｏａｄｓ）のような負荷の変化により、外部ケーシング１５の位置は、時々、動翼先端側へ移動する。

アブレイダブルシール１０は所望の金属特性を示すとともに、アブレイダブルシール１０は所望のセラミック特性も示す。従って、動翼先端１２がアブレイダブルシール１０と接触した場合でも、動翼先端１２は最小限の損傷に留まるか、あるいは損傷しない。マトリクス材２２がセラミックの特性である脆弱性を有するので、コーティング１６は基材１４から容易に剥がれ、動翼先端１２がアブレイダブルシール１０と接触しても動翼先端１２に損傷を与えない。これは有利である。なぜならファンブレードを修理したり取り替えることは、アブレイダブルシール１０を交換するよりコストも時間もかかるからである。さらに、その脆性破壊状態と相互作用エネルギーの低さのおかげで、被削性複合層２０が基材１４から剥がれても剥がれた材料は微粒子となり、下流のいかなる部材にも損傷を与えない。加えて、摩擦力が低く、発熱が少なく、コーティングにスミアリング（ｓｍｅａｒｉｎｇ）や摩損（ｇａｌｌｉｎｇ）を起こさないので、動翼先端やケーシングに損傷を与えない。剥がれた材料はクロムを全く含まないので環境にも優しい。

アブレイダブルシールはガスタービンエンジン内の回転要素付近に存在し、基材と基材の最表面に施された複合コーティングとを含む。複合コーティングは三成分炭化物または三成分窒化物からなるマトリクス材と、マトリクス材と反応しない充填材と、を含む。ニッケルベースの合金ではなくマトリクス材を使用することにより、アブレイダブルシールの全量が軽減され、アブレイダブルシールの熱サイクルに係る耐久性が向上する。これは、複合材の材料密度が低く、熱膨張効率が低く、靭性が高いためである。アブレイダブルシールはまた、ガスタービンエンジンの摩擦力を低下させ、アブレイダブルシールと回転要素との隙間を小さくし、ガスタービンエンジンの全体的な効率を高めている。更に、マトリクス材が高い耐衝撃性および靭性を有するので、マトリクス材は微細な小片となる必要がある。アブレイダブルシールのマトリクス材は金属特性とセラミック特性の両方をアブレイダブルシールに付与し、耐食性と被削性のバランスを取っている。アブレイダブルシールの有する金属特性は、衝撃損傷に対する高い耐久性と耐食性とをもたらす。アブレイダブルシールの有するセラミックの機械的に脆弱で磨耗性の特性は、スミアリングを抑制し、バリ形成を抑制し、摩擦力を低下させる。

好ましい実施例を参照して本発明を記載したが、当業者であれば、本発明の趣旨および範囲を逸脱することなく、全体的なあるいは細部的な変更がなされ得ることを理解されるであろう。

回転要素付近に配置されたアブレイダブルシールの側面図。

符号の説明

１０…アブレイダブルシール
１２…回転要素
１４…基材
１５…外部ケーシング
１６…コーティング
１８…ボンディングコート
２０…複合層
２２…マトリクス材
２４…充填材

Claims (20)

1. 回転要素付近に配置されたアブレイダブルシールであって、
   上記回転要素に面した表面を有する基材と、
   上記基材表面上に施されたコーティングと、
   を備え、
   上記コーティングがマトリクス材と充填材とを含み、上記マトリクス材が上記コーティングの約３０体積％〜約８０体積％を占めることを特徴とするアブレイダブルシール。
2. 上記充填材が増孔材であることを特徴とする請求項１に記載のアブレイダブルシール。
3. プラズマ溶射、ワイヤーアーク溶射、フレーム溶射、および高速酸素炎溶射からなる群からいずれか１つの手段を用いて、上記アブレイダブルシールへ上記コーティングを施すことを特徴とする請求項１に記載のアブレイダブルシール。
4. 上記コーティングが、約０.５ミリメートル〜約５ミリメートルの厚さであることを特徴とする請求項１に記載のアブレイダブルシール。
5. 上記マトリクス材が、上記コーティングの約４０体積％〜約６０体積％を占めることを特徴とする請求項１に記載のアブレイダブルシール。
6. 上記マトリクス材が、三成分炭化物および三成分窒化物からなる群から選択されることを特徴とする請求項１に記載のアブレイダブルシール。
7. 上記マトリクス材が：
   式 Ｍ₂Ｘ₁Ｚ₁
   ［ここで、Ｍは、少なくとも１種の遷移金属であり、Ｘは、Ａｌ、Ｇｅ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｇａ、Ｐ、Ｓ、Ｉｎ、Ａｓ、ＴｌおよびＣｄからなる群から選択される元素であり、Ｚは、ＣおよびＮからなる群から選択される非金属である］；
   式 Ｍ₃Ｘ₁Ｚ₂
   ［ここで、Ｍは、少なくとも１種の遷移金属であり、Ｘは、Ｓｉ、ＡｌおよびＧｅの少なくとも１種であり、Ｚは、ＣおよびＮからなる群から選択される非金属である］；ならびに、
   式 Ｍ₄Ｘ₁Ｚ₃
   ［ここで、Ｍは、少なくとも１種の遷移金属であり、Ｘは、Ｓｉであり、Ｚは、Ｎである］；
   で表される群のうち少なくとも１つからなることを特徴とする請求項６に記載のアブレイダブルシール
8. 上記マトリクス材が、Ｔｉ₃ＳｉＣ₂であることを特徴とする請求項７に記載のアブレイダブルシール。
9. 改善された抗酸化性を有し、回転要素にかみ合うように配置されたアブレイダブルシールであって、
   基材と、
   上記基材上のコーティングと、
   を備え、
   上記コーティングが
   マトリクス材と、
   充填材と、
   を含み、
   上記マトリクス材が、
   式 Ｍ₂Ｘ₁Ｚ₁
   ［ここで、Ｍは、少なくとも１種の遷移金属であり、Ｘは、Ａｌ、Ｇｅ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｇａ、Ｐ、Ｓ、Ｉｎ、Ａｓ、ＴｌおよびＣｄからなる群から選択される元素であり、
   Ｚは、ＣおよびＮからなる群から選択される非金属である］；
   式 Ｍ₃Ｘ₁Ｚ₂
   ［ここで、Ｍは、少なくとも１種の遷移金属であり、Ｘは、Ｓｉ、ＡｌおよびＧｅの少なくとも１種であり、Ｚは、ＣおよびＮからなる群から選択される非金属である］；ならびに、
   式 Ｍ₄Ｘ₁Ｚ₃
   ［ここで、Ｍは、少なくとも１種の遷移金属であり、Ｘは、Ｓｉであり、Ｚは、Ｎである］；
   のうち少なくとも１つからなることを特徴とするアブレイダブルシール。
10. 上記マトリクス材が、上記コーティングの約４０体積％〜約６０体積％を占めることを特徴とする請求項９に記載のアブレイダブルシール。
11. 上記コーティングが、約０.５ミリメートル〜約５ミリメートルの厚さであることを特徴とする請求項９に記載のアブレイダブルシール。
12. 上記コーティングが、高密度単相コーティングであることを特徴とする請求項８に記載のアブレイダブルシール。
13. 上記コーティングが、多孔単相コーティングであることを特徴とする請求項８に記載のアブレイダブルシール。
14. 上記マトリクス材が、Ｔｉ₃ＳｉＣ₂であることを特徴とする請求項８記載のアブレイダブルシール。
15. 改善された耐食性および被削性を有するアブレイダブルシールであって、
    ガスタービンの回転要素にかみ合うように配置された基材と、
    上記基材上に施したコーティングと、
    を備え、
    上記コーティングがマトリクス材と充填材とを含み、上記コーティングが上記基材上に溶射され、上記コーティングの性能が上記マトリクス材の純度に依存しないことを特徴とするアブレイダブルシール。
16. 上記マトリクス材が、
    式 Ｍ₂Ｘ₁Ｚ₁
    ［ここで、Ｍは、少なくとも１種の遷移金属であり、Ｘは、Ａｌ、Ｇｅ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｇａ、Ｐ、Ｓ、Ｉｎ、Ａｓ、ＴｌおよびＣｄからなる群から選択される元素であり、Ｚは、ＣおよびＮからなる群から選択される非金属である］；
    式 Ｍ₃Ｘ₁Ｚ₂
    ［ここで、Ｍは、少なくとも１種の遷移金属であり、Ｘは、Ｓｉ、ＡｌおよびＧｅの少なくとも１種であり、Ｚは、ＣおよびＮからなる群から選択される非金属である］；ならびに
    式 Ｍ₄Ｘ₁Ｚ₃
    ［ここで、Ｍは、少なくとも１種の遷移金属であり、Ｘは、Ｓｉであり、Ｚは、Ｎである］
    のうち少なくとも１つからなることを特徴とする請求項１５に記載のアブレイダブルシール。
17. 上記マトリクス材が、三成分炭化物および三成分窒化物からなる群から選択されることを特徴とする請求項１５に記載のアブレイダブルシール。
18. 上記マトリクス材が、Ｔｉ₃ＳｉＣ₂であることを特徴とする請求項１７に記載のアブレイダブルシール。
19. 上記マトリクス材が、上記コーティングの約４０体積％〜約６０体積％を占めることを特徴とする請求項１６に記載のアブレイダブルシール。
20. ワイヤーアーク溶射、フレーム溶射、プラズマ溶射および高速酸素炎溶射からなる群のうち少なくとも１つの手段を用いて上記基材表面に上記コーティングを溶射することを特徴とする請求項１６に記載のアブレイダブルシール。

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