JP3142003B2 - プラズマスプレーにより形成されたガスタービンエンジン用摩耗可能シール - Google Patents

プラズマスプレーにより形成されたガスタービンエンジン用摩耗可能シール

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JP3142003B2 JP07512869A JP51286995A JP3142003B2 JP 3142003 B2 JP3142003 B2 JP 3142003B2 JP 07512869 A JP07512869 A JP 07512869A JP 51286995 A JP51286995 A JP 51286995A JP 3142003 B2 JP3142003 B2 JP 3142003B2
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    • Y10T428/12944—Ni-base component

Description

【発明の詳細な説明】 関連する特許出願 本出願は、Safaiらによって、1990年４月24日に出願
された特許出願第07/572,271号（現在は放棄）の一部継
続出願である。
発明の技術分野 本発明は、ガスタービンエンジン用のプラズマスプレ
ー（plasma spray）により形成された摩耗可能シールに
関する。特に、プラズマスプレーにより形成された窒化
ホウ素（boron nitride）を含む金属マトリックス摩耗
可能シールに関する。
発明の背景 大型のガスタービンエンジンは、航空機の推力や、地
上に設置される発電機用に広く用いられている。このよ
うな大型のタービンエンジンは軸流型で、コンプレッサ
部、燃焼器部、及びタービン部を含んでおり、コンプレ
ッサ部の前には、通常、ファン部が設けられている。フ
ァン部、コンプレッサ部及びタービン部の各々はシャフ
トに取り付けられた複数のディスクを含んでおり、これ
らのディスクからは複数のエアフォイル形状のブレード
が径方向に突出している。これらのエンジン部分は中空
ケースによって覆われている。ディスクとディスクの間
には、ディスクを囲むケースアセンブリから内側に突出
して、複数の固定ベーンが設けられている。ファン部、
コンプレッサ部、及びタービン部が動作するとき、軸方
向に流れるガスは運動するブレードと静止したベーンと
に交互に接触する。ファン部とコンプレッサ部で空気は
圧縮され、圧縮された空気は燃料と混合されて燃焼器部
で燃焼し、高温、高圧のガスが生成される。生成された
ガスはタービン部を通って流れ、そこでブレードが設け
られたタービンディスクが回転されることによってエネ
ルギーが取り出される。取り出されたエネルギーの一部
はコンプレッサ部及びファン部を駆動するのに用いられ
る。
エンジン効率は、ガス流と運動するエアフォイル及び
静止したエアフォイルとの間の相互作用ができるだけ大
きくなるように、ガス流を制御して漏れをできるだけ小
さくすることに大きく依存する。効率低下の主な要因
は、コンプレッサのブレード先端周りのガス漏れ、即ち
ブレード先端とエンジンケースとの間の漏れである。こ
のため、漏れを低減することによって効率向上を図る手
段の重要性が増してきている。相対する部品を非常に狭
い許容誤差範囲で製造することによって精密な適合を得
ることもできるが、そのような製造プロセスは非常にコ
ストが高くつく上、長時間を要する。更に、相対する部
品の膨張係数が異なることがあり、組み合わされたアセ
ンブリが例えば使用時のように高温の環境や強い応力に
曝されると、隙間が増加したり減少したりすることがあ
る。後者の場合、ブレードとハウジングとの間に摩擦接
触が生じ、それによって温度が上昇しこれらの部材の一
方または両方が損傷することがある。一方、隙間が増大
するとコンプレッサのブレードとハウジングとの間から
ガスが抜け出るようになり、効率が低下する。
効率を向上する一つの手段は、コンプレッサハウジン
グの内面に適切な材料からなるコーティングを施し、ブ
レード先端とハウジングとの間の漏れを減少させること
である。コンプレッサのブレード先端はチャネル内を移
動するが、チャネルがブレードとの摩擦接触によって磨
滅して精密に適合することができるように、摩耗可能な
コーティングでコンプレッサハウジングの内径をコーテ
ィングするため、様々なコーティング技術が用いられて
きた。それによって、コーティングされたアセンブリが
高い温度、大きな応力の環境に曝され、ブレード及びケ
ースが膨張または収縮しても、ブレード先端とハウジン
グの間でガスが大量に漏れるのを防止することができ
る。この摩耗可能コーティング技術は、コンプレッサの
効率を向上するためだけでなく、過度に摩耗したタービ
ンエンジン部品を比較的迅速かつ安価に補修するための
方法を提供するためにも用いられてきた。
Rigneyらに付与された米国特許第3,879,831号及びCow
denらに付与された米国特許第3,084,064号明細書に一般
的に示されているように、摩耗可能シールが合わせ持た
なければならない性質は特殊である。このようなシール
は、ときには微粒子状物質を含むこともある高温高速の
ガス流による侵食作用に対し耐性を有していなければな
らない。一方、高速で運動するブレードの先端に接触し
たときにはブレード先端が痛まないように除去（即ち摩
耗）されなければならない。ブレード先端の寸法が減少
するとブレード先端とハウジングとの間の隙間が周囲全
体に渡って広がり、ハウジング内面のコーティングが小
さな円弧状に摩耗した場合に較べてガスの漏れがはるか
に大きくなるため、ブレードの先端を摩耗させるのでは
なくハウジングのコーティングが摩耗することが重要で
ある。通常、ブレード先端は高度な耐侵食性を有する材
料によってコーティングされる。
また、摩耗可能コーティングは、ブレード先端と接触
する点以外では損傷しにくいよう構造的に強固でなけれ
ばならず、使用時に加えられる熱及び振動による応力に
耐えられなければぱならい。また、再生可能でコスト効
率良く容易に製造できなければならない。このような所
望の特性を合わせ持った摩耗可能シールの開発に、多大
な努力が払われてきた。本発明は、このような継続した
努力が反映されたものである。
過去に開発された摩耗可能シールの一形態に、容易に
脱落可能な物質を先駆物質内に使用することによって得
られる多孔質構造がある。従来技術では、プレス、焼
成、及び他の冶金技術をサーマルスプレー（thermal sp
ray）と共に用いて、多孔質構造を生成している。プラ
ズマスプレーを用いると75乃至85％程度の低さの密度で
金属を被着させることができる。しかしながら、これよ
り低い密度（これまでは摩耗可能シールにとって望まし
いと考えられていた）を得るためには、非金属材料を組
み込むことが必要であった。最も好ましいのは、水溶性
塩または熱分解性ポリマーのような容易に脱落させるこ
とのできる材料を金属と共にスプレーし、その後取り除
くことであった。摩耗可能なシール構造は、例えば米国
特許第4,664,973号明細書に開示されている技術に基づ
いて形成することができる。この特許明細書は、ポリメ
タクリル酸メチル樹脂とニクロム金属をスプレーした
後、約315℃の温度で加熱して樹脂を取り除くことが開
示されている。
摩耗可能なシールの別の形態が、Rigneyらに付与され
た米国特許第3,879,831号明細書に開示されている。こ
の特許明細書には、ニッケル60乃至80％、クロム２乃至
12％、コバルト１乃至10％、アルミニウム４乃至20％、
珪藻土、窒化ホウ素、溶融ガラス、マイカのような不活
性材料３乃至15％の組成を有する摩耗可能材料が開示さ
れている。イットリウム、ハフニウム、またはランタン
のような金属が３％程度存在していても良い。この参照
文献に基づいて生成される摩耗可能材料は、多孔度が高
い、耐酸化性に優れている、熱伝導性が低い、局所的な
領域内できれいに摩耗し得るといった特徴を有する。
同様に、米国特許第3,084,064号明細書には、ニクロ
ムと、２乃至20重量％の例えば窒化ホウ素、炭素、黒
鉛、または酸化マグネシウムのような高融点金属を微粉
化して溶射することによるタービン表面への摩耗可能コ
ーティングの形成が開示されている。このコーティング
の摩耗可能であるという特性は、これらの散りばめられ
た材料によって、中実で高密度の強く凝集した金属相の
形成が妨げられることによるものと考えられている。言
い換えると、これらの高融点粉末によって、摩擦力に曝
されたとき表面が比較的均一な粒子として容易に剥がれ
落ちるのが可能となっている。
このような様々な方法によって、タービンなどに用い
ることのできる摩耗可能コーティングを形成することが
できるが、これらの方法は、形成されるコーティングが
摩擦接触によって少しずつ欠落しにくいため、ガスが抜
け出る大きなキャビティのない精度良く形成されたブレ
ード先端チャネルが得にくいという点、或いは互いに繋
がった小孔を多数含む表面層が生成されるためガスが抜
け出て効率が低下してしまうという点に於いて不都合を
有する。
従って、本発明の目的は、摩耗可能であるとともに滑
らかでガス流を通さないコンプレッサシールを提供する
ことにより、エンジン効率に寄与する改善されたシール
システムを提供することである。本発明の更なる目的
は、プラズマスプレーされた金属材料と潤滑を与える程
度の窒化ホウ素を含む第２相と、互いに繋がっていない
多数の小孔を含むコンプレッサシールを提供することで
ある。
発明の要約 本発明によると、耐酸化性を有する金属粒子と窒化ホ
ウ素粒子の混合体をマルチポートインジェクション（mu
ltiple port injection）を用いてプラズマスプレーす
ることによって、改善されたプラズマスプレーによる摩
耗可能シールが提供される。大気条件下では溶融しない
が約2871℃（5200゜F）で昇華する窒化ホウ素は、プラ
ズマスプレープロセスに概ね影響されない。この摩耗可
能な耐酸化性金属・窒化ホウ素混合体の多孔度は約５乃
至約15体積％であり、従来技術の摩耗可能なコンプレッ
サシールの多孔度が通常30％以上であったことと対照的
である。また、本発明によるプラズマスプレーによる金
属シールは、形成時の典型的な表面粗さは約381μｍ（1
50マイクロインチ）であり、エンジン動作後の典型的な
表面粗さは約254μｍ乃至約1524μｍ（約100乃至約600
マイクロインチ）である。従来技術のプラズマスプレー
による多孔質の摩耗可能シールは、典型的には、形成時
に於いて約1524μｍ乃至約2032μｍ（約600乃至約800マ
イクロインチ）の表面粗さを有し、エンジン動作後に於
いて2540μｍ乃至3048μｍ（1000乃至1200マイクロイン
チ）の表面粗さを有していた。このような表面粗さの大
幅な改善及び孔同士の繋がりをなくすことにより、1.0
％以上といったコンプレッサ効率の大幅な改善がなされ
る。本発明に於いて、窒化ホウ素は潤滑剤として働くと
ともに、従来用いられていたスプレー形成された多孔質
金属摩耗可能シールにみられる孔のほとんどを塞ぐよう
に働き得る。それによって、ガスがシールを透過及び逆
漏れするのを防止することができる。透過が防止される
ことによって、シール内面の酸化も軽減され耐久性も向
上する。特に高温に於いてその効果は著しい。
本発明は、摩耗可能なシールだけでなく、そのような
シールの製造方法も含むものである。より詳細には、例
えば内側ケースのようなアセンブリの表面に耐酸化性超
合金からなる高密度低多孔度ボンディング層をプラズマ
スプレーによって形成し、更にこのボンディング層を、
同じ耐酸化性超合金と十分な潤滑用六方晶系窒化ホウ素
粉末からなる混合体をプラズマスプレーすることによっ
て形成される低多孔度層によってコーティングして、20
乃至45体積％の窒化ホウ素を有する摩耗可能シールを形
成する方法を含む。ボンディング層と摩耗可能層のどち
らのプラズマスプレーも、摩耗可能シール層の多孔度が
15体積％より小さくなるように制御しつつ、マルチポー
トプラズマガンによって行う。
上述の及び他の本発明の特徴及び利点は以下の説明か
らろり明らかになるであろう。
図面の簡単な説明 第１図は、典型的なガスタービンエンジンの断面図を
示したものである。
第２図は、侵食リグテスト（erosion rig test）の結
果を示したものである。
第３図は、効率テストの結果を示したものである。
第４図は、透過率の効率に与える影響を示したもので
ある。
発明の詳細な説明 本発明は、ガスタービンエンジン、特に軸流型のガス
タービンエンジンに於いて有用なシールに関する。この
ようなエンジンでは、固定されたベーンと運動するブレ
ードとが交互に配置されており、ブレードはシャフトに
マウントされた回転ディスクの周囲に取り付けられてい
る。
第１図は、近年のガスタービンエンジンの一部の断面
を示している。本発明を理解するのに重要な構成要素
に、外周に複数のブレード２が取り付けられた複数の回
転可能なディスク１がある。ブレードは内側ケース３内
を回転するとともに、それに近接している。ブレードと
内側ケースとの間の漏れの低減は、内側ケース上に設け
られたシール４（外側エアシール）によってなされる。
内側ケース３の内側には複数のベーン５が取り付けら
れており、その内側の遊端６には別のシール７（内側エ
アシール）が、ディスク１の延出部に設けられたナイフ
エッジ８に近接して設けられている。ナイフエッジ８と
内側エアシール７が協同して働くことにより漏れが低減
され効率が向上する。別のエンジン構造ではディスクに
一体的な突出部は設けず、ディスクをスペーサにより分
離し、これらのスペーサにナイフエッジを設けてもよ
い。
本発明に基づく摩耗可能シールは、典型的には、内側
ケース３上に配置されたブレード２の遊端に近接したシ
ール４（外側エアシール）と、ベーン５の遊端６上に配
置されたシール７（内側エアシール）である。本発明の
シールは、好適には運動する部品と係合するように配置
された静止した基板上に配置される。
ガスタービンエンジン用摩耗可能シールに要求される
ことには、摩耗可能であること、砕けにくいこと、及び
耐侵食性を有することなどがある。更に、高い性能、経
済性、及び耐久性に対する要望の高まりにより、ガスに
対する非透過性、表面に滑らかさ、及び高温に於ける耐
酸化性も摩耗可能シールに要求されるようになってい
る。摩耗可能であるという点からはシールは犠牲となる
べき部品であり、ブレードを極力摩耗させないことが望
ましい。内部部品の損傷、即ち内面から分離した材料に
よるブレードその他のエンジン部品の損傷を防ぐため、
砕けにくいことが望ましい。また、エンジンの使用期間
に渡って隙間を維持し性能特性を維持するため、耐侵食
性を有することが望まれる。従来の商用タービンエンジ
ンは、約3000回の飛行の後、シールが侵食されることに
よりブレードの先端周りの空気流が２％増加するという
結果を示している。これは多分に摩耗可能シールとブレ
ードエアフォイル面の侵食、及びブレード先端とシール
との間の摩擦相互作用によるものと思われる。更に、シ
ール自体を通過するガス流が極力少なくなるよう、ガス
に対する非透過性が望まれる。表面が滑らかに仕上げら
れた非透過性シールによって、コンプレッサの全体的な
効率が従来の透過性シールと比べて約１％向上すること
が示された。また、シールの非透過性によって微細粒子
（例えば、ほこりや塵）の捕捉が防止される。捕捉され
た粒子は、ブレード先端に対し研磨剤として働いてそれ
らを不均一に摩耗させ得る。ガスの流路の表面を滑らか
に仕上げることは空気流全体を改善し、効率にも寄与す
る。最後に、耐酸化性はコンプレッサの動作温度の上昇
（将来760℃（1400゜F）乃至871℃（1600゜F）に達する
と予測されている）のために要求される。耐酸化性が長
期に渡って持続することによって、摩耗可能材料の侵食
速度も改善される。
本発明の摩耗可能シールは、プラズマスプレープロセ
スを用いることによって形成されるが、このときプラズ
マスプレーの条件は、多孔度を極力小さくして密度を制
御し概ね透過性をゼロとするため、高エネルギープラズ
マスプレーが得られるように選択されることが好まし
い。好適には、米国特許第4,696,855号明細書（本明細
書に引証として加える）に示されているようなマルチポ
ートプラズマガンが用いられる。このプラズマガンはマ
トリックス金属粉末と窒化ホウ素粉末を異なる点に於い
て注入することができ、それにより金属がプラズマ中に
ある時間は短く、より耐熱性の高い窒化ホウ素がプラズ
マ中にある時間は長くすることができる。高エネルギー
プラズマスガンを用いることにより、コーティングの多
孔度は低下（好ましくは15重量％未満）し、耐侵食性及
び均一性が大幅に向上する。従来技術に於いて摩耗可能
なコーティングを形成するのに用いられていた溶射プロ
セスはよりエネルギーの低いプロセスであり、それによ
って生成されるコーティングの多孔度は通常30乃至60体
積％であった。それに対し、本発明に基づいて形成され
るコーティングの金属含有量は約50乃至約65体積％であ
り、このコーティングは約3.6グラム/ccより大きな、好
ましくは約3.7乃至約5.3グラム/cc、最も好ましくは約
3.8乃至5.2グラム/ccのかさ密度（bulk density）を有
する。
マルチポートプラズマスプレーガンを用いることによ
り、摩耗可能シールの成分を現場（in situ）で混合す
ることが可能であり、シール材料をエンジンの用途や環
境に適合するように調整することができる。例えば、軍
事用エンジンへの応用では、ガスの流速が比較的速く、
耐侵食性が最も重要である。シール密度、従って耐侵食
性及び摩耗性は、プラズマスプレートーチ（plasma spr
ay torch）に送られる成分の比率を変えることによって
現場で調整することができる。プラズマトーチに注入さ
れるパワーもシールの特性を調整するべく現場で変える
ことができる。一般に、耐侵食性はパワーレベルを増加
して粒子間の結合を強めることによって向上することが
できる。しかしながら、これによって摩耗性は低下す
る。各成分用に独立した粉末注入及びキャリアガス流を
用いることにより、各成分材料をそれらの物理的及び熱
的特性に対し最適な位置に注入することができる。耐熱
性の高い材料はプラズマの中心核深くに注入し、耐熱性
の低い材料はより温度の低い領域に注入することがで
き、それによってコーティングに於いて生じる熱応力及
び過度の加熱を極力低減することができる。
プラズマスプレー技術に於いて鍵となるのは、注入さ
れる粉末材料とプラズマ柱との間の相互作用である。こ
れは熱伝達や滞留時間に関する。プラズマスプレーされ
るコーティィングを効率よく被着させるためには、コー
ティングパラメータとインジェクタの構成を最適に選択
しなければならない。プラズマジェット内の粒子分布は
コーティングの密度、質、被着効率、及び再生可能性に
影響するため特に重要である。プラズマスプレー柱への
粒子注入点の数を増やすことによりプラズマの中心核内
の粒子分布が増加し、より均一な粒子の加熱及び滞留時
間が得られることがわかった。このことは、例えば窒化
ホウ素のような比較的熱い強い材料を被着させる場合に
特に重要である。本発明では、この現象を利用するべ
く、注入ポートの実用的な最大数として、金属に対して
３つ及び窒化ホウ素に対し３つの注入ポートを使用す
る。
成分材料の比率を現場で変えることができることによ
り、このプロセスはオートメーション及びインテリジェ
ントプロセッシング（intelligent processing）による
制御に適したものとなっている。ガンマバックスパッタ
（gamma back spatter）または放射の減衰によって現場
で測定されたコーティング密度は比率制御がなされるよ
うに、コンピュータアルゴリズム及びプロセスコントロ
ーラに送られる。例えばキャパシタンス渦電流測定（ca
pacitance eddy current measurement）のような自動化
された厚さ測定により、成分流量の測定とも相俟って、
シール密度を自動測定しそれを合格基準として用いるこ
とができる。
金属及び窒化ホウ素成分のプラズマスプレーによる被
着は、従来の商業的に入手可能なマルチポートプラズマ
スプレートーチを用いることによって行うことができ
る。好ましくは、窒化ホウ素用に３つの入力ポートを有
し、金属成分用に３つの入力ポートを有するマルチイン
ジェクションフェースプレートが使用される。フェース
プレートに自動的クリーニングポートが組み込まれてお
り、周期的に空気または不活性ガスが注入され粉末ポー
トが清浄されるようになっていると更によい。このよう
にして、このプロセスを摩耗可能材料が所望の厚さに被
着するまで続けた。このような装置を用いてスプレープ
ロセスを実行し、生じる熱応力も許容可能なレベルに保
ちシールの破砕も生じることなく、0.254cm（0.100イン
チ）を超える厚さの材料を被着させることができる。こ
うして、適切な構造及び接着強度を有する厚い均一なコ
ーティングを得ることができる。従来のサーマルスプレ
ーされたシールでは初期特性が良好であるのに対し、本
発明のプラズマスプレーによるシールは、エンジンの使
用期間に渡って良好な特性を持続する。上述したように
シール密度は品質合格基準として用いることができる
が、それはプラズマスプレーのパラメータが許容範囲内
にある場合、この特性とシールの性能がよく相関するか
らである。シール密度の測定は、摩耗可能な層を透過し
たガンマ線放射の放射強度の減衰を計測し、それをシー
ル密度の計算に用いる非破壊測定によるのが最も良い。
そのような測定方法は1988年11月８日にJanowskyらに付
与された米国特許第4,783,341号明細書に開示されてい
る。プラズマスプレー過程に於いて試験片を生成して、
例えば“ASTM Ｃ−20"のような破壊法を用いて評価す
ることもできる。好ましくは、窒化ホウ素は約44乃至17
7ミクロンのサイズの粒子からなる粉末として供給さ
れ、耐酸化性金属材料は44乃至150ミクロン、好ましく
は44乃至105ミクロンの大きさの粒子からなる粉末とし
て供給される。窒化ホウ素は摩耗可能な自己潤滑性を有
する安定した充填材であり、比較的柔らかな結晶構造を
有し、容易に剪断され得る六方晶系材料である。ガスタ
ービンエンジンに於いて遭遇する環境に対し耐性を有
し、約871℃（1600゜F）に達する温度に於いて熱的に安
定した永久的な充填材である窒化ホウ素は潤滑を与える
程度に存在し、摩耗可能層の約20乃至45体積％だけ存在
することが好ましい。
耐酸化性マトリックス材料は、高温に於ける機械的特
性と高温に於ける酸化作用に対する耐性を高度に合わせ
持っていなければならない。649℃（1200゜F）に於ける
クリープ強さは、本産業分野に於ける、MarM 200、IN 1
00、Inconel 718、Waspaloy、Astroloy、Udimet 500、H
astaloy X、Inconel 625といった名前の超合金及びその
他の同様な性質及び組成の合金のクリープ強さと同程度
であるべきである。適切なマトリックス金属には、好ま
しくは649℃（1200゜F）に於いてニクロムの耐酸化性を
超える優れた耐酸化性を有するニッケルベースの超合金
が含まれる。特にイットリウムとハフニウムが様々な組
み合わせで加えられた結果として耐酸化性を呈するもの
が含まれる。耐酸化性の利点は、イットリウムが0.001
乃至0.8重量％、ハフニウムが0.10乃至約1.5重量％の範
囲にあるとき得られることがわかった。このような材料
は急速な酸化に対する抵抗性があり、即ち、苛酷な摩擦
が生じるような状態に曝されても発火しない。このよう
な材料からなる摩耗可能シールは、チタン合金から製造
されたブレードと苛酷な条件で相互作用するような場合
にもチタンを発火させない。
649℃（1200゜F）に於いてニクロムより優れた耐酸化
性を示すそのような材料は、以下の表１に示すような合
金を含む。
このように、本発明に適した耐酸化性を有するニッケ
ルベース超合金は、ハフニウムとイットリウムの両方を
含む広い範囲の組成をカバーするものである。広い意味
で、このような合金は、５乃至26％のクロム、３乃至1
3.2％のアルミニウム、0.1乃至1.5％のハフニウム、0.0
01乃至0.80％のイットリウム、０乃至5.0％のチタン、
０乃至24.00％のコバルト、０乃至15.00％のタングステ
ン、０乃至4.0％のモリブデン、０乃至12.0％のタンタ
ル、０乃至0.2％のジルコニウム、０乃至0.2％のホウ
素、０乃至0.25％の炭素、０乃至0.60％のシリコン、０
乃至7.0％のレニウム、０乃至5.0％のコロンビウム、０
乃至0.2％の鉄、０乃至0.1％の銅、０乃至0.05％のリ
ン、硫黄、鉛、ビスマス、マンガンの各元素、及び概ね
ニッケルと微量元素からなる残りを含み得る。
ニッケベースの超合金に適量のイットリウムとハフニ
ウムを加えることによる耐酸化性の向上は、急速凝固
（rapid solidification）を含む粉末冶金技術によって
生成される材料にみられる。急速凝固という用語によっ
て、約104℃／秒より速い冷却速度で材料を冷却するこ
とが意図されている。急速凝固の利点に、偏析を概ね防
ぐことができるということがある。このことが重要なの
は、50または100ppm（0.005乃至0.010％）しかない元素
を扱う場合、元素が合金全体に均一に分布し局所的に偏
析していないということが耐酸化性にとって極めて大切
だからである。従って、プラズマスプレーにとって好適
なマトリックス粉末は、高い耐酸化性が得られるように
適当な濃度でイットリウムとハフニウムの両方を含む急
速凝固されたニッケルベース超合金粉末である。５乃至
18％のCr、３乃至８％のAl、0.1乃至1.0％のHf、0.001
乃至0.09％のＹ、０乃至５％のTi、０乃至20％のCo、０
乃至15％のＷ、０乃至４％のMo、０乃至12％のTa、０乃
至0.2％のZr、０乃至0.2％のＢ、０乃至0.2％のＣ、０
乃至７％のRe、０乃至５％のCb、３乃至９％の（Al＋T
i）、５％を超える（Ｗ＋Ta＋Mo＋Cb＋Re）、及び概ねN
iからなる残りを含む合金が好ましい。摩耗可能シール
に於けるマトリックス金属の窒化ホウ素に対する比は、
金属50乃至65体積％、窒化ホウ素20乃至45体積％、多孔
度５乃至15体積％の範囲に収まるとよく、小孔は互いに
繋がっておらず透過性が制限されていることが望まし
い。本発明によると、上述したように、シールのかさ密
度は約3.6グラム/ccより大きいことが好ましく、より好
ましくは約3.7乃至約5.3グラム/cc、最も好ましくは約
3.8乃至約5.2グラム/ccである。これらのパラメータの
関係を表２に示す。ここで窒化ホウ素の比率は、対応す
るかさ密度及び多孔度に対する体積％で与えられる。
耐酸化性金属を含む非摩耗性のボンディングコート
は、摩耗可能コーティングの形成前に形成される。最も
好ましくは、このボンディングコートは摩耗可能層のマ
トリックス金属と同じ金属を含んでおり、それによって
ボンディングコートと摩耗可能コーティング層との間の
電気化学的腐食作用が低減されるようになっているとよ
く、更にプラズマスプレーによって形成されることが好
ましい。典型的なボンディングコートの厚さは約0.051m
m乃至約0.508mm（約２乃至約20ミル）であり、好ましく
は0.178mm乃至0.305mm（７乃至12ミル）である。ボンデ
ィングコートの密度は、好ましくは理論値の90％よりは
高く、窒化ホウ素を含んでおらず、窒化ホウ素を含む摩
耗可能層と比べると摩耗性がより低いことが好ましい。
一般に、ボンディングコート材料の粒子サイズは、摩耗
可能層の接着強度がより大きくなるようにより粗い面が
提供されるよう、摩耗可能層の粒子サイズと同じか或い
は幾分か大きいサイズとするとよい。耐酸化性を有する
超合金からなる非摩耗性ベース層と、潤滑作用を与える
程度の窒化ホウ素を有する低多孔度コーティングとを組
み合わせて用いることにより、約871℃（1600゜F）に達
する温度でも使用可能なシールが提供される。この温度
は、近い将来進歩したジェットタービンコンプレッサに
要求されるであろう最高温度に見合った温度である。
非摩耗性ボンディングコートは、どの金属基至に用い
ても多くの利点があると考えられるが、特にコーティン
グされる基板がチタンの場合に有用且つ重要である。な
ぜなら、ボンディングコートはバリア層としても働き、
ブレードの貫通を防ぎブレードがチタン内へ侵入するの
を防止するからである。チタン同士が接触する可能性
（大きな摩滅の問題を引き起こすことが知られている）
及び持続的なチタンの燃焼の可能性を小さくすることが
重要である。金属基板は、周知の従来方法によって、プ
ラズマスプレーによるボンディングコート層の形成に対
して準備することができる。
非摩耗性ボンディングコートを形成した後に、摩耗可
能層が形成される。その厚さは約0.254mm乃至約0.508mm
（約10乃至約200ミル）であり、好ましくは約0.508mm乃
至約2.54mm（約20乃至100ミル）である。プラズマデポ
ジションプロセス（plasma deposition process）の終
了後、例えば578℃乃至760℃（1000乃至1400゜F）の温
度で１乃至10時間（好ましくは649℃（1200゜F）の温度
で２乃至６時間）コーティングの応力除去をしてもよ
い。さらに表面粗さが508μｍ（200マイクロインチ）未
満となるように機械加工することもできる。
例１ 本発明に基づくプラズマスプレーによるコーティング
と、溶射によるコーティングの多孔度を評価するべく比
較例を準備した。高温摩耗可能コーティングにも拡張的
に用いられる、Metco 301C−NS粉末を含む、高多孔度ニ
ッケル−クロム−アルミニウム−窒化ホウ素複合材を基
板に溶射してMetco T301コーティングを形成し、多孔度
を測定した。耐酸化性を有するマトリックス材料と窒化
ホウ素からなる同様のコーティングを、本発明に基づ
き、同様の基板にプラズマスプレーにより形成した。こ
れらのコーティングのパラメータ及び多孔度は以下の表
３の通りである。表３は、典型的な体積パーセントを示
している。本発明に基づくコーティングでは大幅に多孔
度が小さくなった。
プラズマスプレーによるコーティングの窒化ホウ素成
分には以下のものが含まれていた（重量％）。
最小値 最大値 窒化ホウ素 98.0 − … 酸素 … − 0.6 炭素 … − 0.2 他の不純物 … − 0.3 窒化ホウ素の粒子サイズの分布（ふるいサイズ）は、
（＋80）のものが最大２％、（−80,＋200）のものが最
小80％、（−200,＋325）のものが最大16％、（−325）
のものが最大２％であった。プラズマスプレー粉末のう
ち47体積％が窒化ホウ素であった。
プラズマスプレーによるコーティングは、Metco 7MB
プラズマスプレーガンを用いて形成された。このとき金
属粉末の供給量は１分当たり150gであり、窒化ホウ素の
供給量は１分当たり45gであった、電流は470アンペア
に、電圧は78乃至80ボルトに設定し、窒素を33±3SLP/M
に於いて一次ガスとして用い、水素を二次ガスとして用
いた。コーティング約2.92mm（0.115インチ）の厚さに
形成した。
示されているように、プラズマスプレーでは多孔度が
より小さくなり、成分の成膜効率も溶射プロセスに比べ
て著しく高くなった。このように、プラズマスプレーを
用いることによって、同じ材料を溶射することによって
得られるのと比べて、より密度が高く多孔度が低い（従
来の30乃至60体積％に対し５乃至15体積％またはそれ未
満）コーティングを得ることができる。また、溶射によ
るコーティングでは金属間結合が弱く多孔度が大きいた
め、通常、溶射された材料はプラズマスプレーされた材
料よりも耐侵食性に劣ることに注意されたい。
例２ 上述したように、従来の摩耗可能コーティングは、高
多孔度、低密度を目指していた。それに対し、本発明の
摩耗可能コーティングでは多孔度によらずに効果的な摩
耗が得られる。例１で示したようにして形成された、異
なる金属含有量の窒化ホウ素充填シールにマトリックス
金属からなるボンディングコートを付加したものに対す
るブレード先端摩擦試験の結果を表４に示す。示されて
いる表面仕上げは摩擦ゾーンのものである。
表４に於いて、摩耗指数はプレードの摩耗の平均を摩
擦深さ（rub depth）とプレードの摩耗の和で割ったも
のであり、従って、小さい値ほど望ましい。指数の値は
0.1未満であることが望ましく、0.05未満であるとさら
によい。基準的な多孔質の摩耗可能シールと比べた場
合、本発明の窒化ホウ素潤滑剤充填シールは、摩耗指数
による測定に於いて同等若しくはより優れた摩耗性を有
することがわかった。また、多孔質の摩耗可能シールは
潤滑性に欠けるため摩擦によって高温となりクラックが
発生するため許容できないことが分かった。
従って、本発明の窒化ホウ素潤滑剤によって、プレー
ド先端とシール表面との間に発生する苛酷な摩擦相互作
用が大幅に緩和されることが理解されよう。エンジンの
動作条件によっては、そのような相互作用によってシー
ル温度が大気に比べて大幅に上昇することがあり、それ
によってシール表面にクラックやガラス化が生じたり、
あるいはブレード先端に材料が移ってシールの剥落が生
じる結果となったりすることがある。例えば、本発明の
プラズマスプレーによる摩耗可能シールでは、同じニッ
ケル合金を同等の体積％だけ用いた多孔質シールに対し
テストした場合、ブレード先端及びシールの温度が167
℃（300゜F）程度低い結果となった。これは、窒化ホウ
素が存在することによる摩擦の減少、高いシール密度に
よる熱伝導性の向上による。
第２図は、本発明の耐侵食性を示している。繊維質の
Haynes 188コバルトベース合金を含むよく使用される多
孔質シール材料であるFelmetal（登録商標）は、通常、
約1.6乃至約2.0グラム/ccの密度に於いて約0.020乃至約
0.065cc/侵食材１グラム（cc/gram−of−erodant）の侵
食速度を呈する。これらのバラメータ値はこのグラフ範
囲から逸脱している。
本発明に用いられる同じマトリックス金属に容易に脱
落可能な粒子としてLucite（登録商標）を用いて形成さ
れた多孔質摩耗可能シールは、典型的には、約2.8乃至
約3.5グラム/ccの密度に於いて約0.020乃至約0.030cc/
侵食材１グラムの侵食速度を呈する。これらの値もグラ
フの範囲から逸脱している。しかしながら、本発明では
侵食速度は0.020cc/侵食材１グラム未満であり、好まし
くは0.010cc/侵食材１グラム未満である。図示されてい
るように、粒子状の窒化ホウ素潤滑剤を含むシールのシ
ール密度の増加すると、多孔質のシールと比較して一層
耐侵食性が向上する。
例３ 本発明のシールに於ける多孔度の大幅な減少は、従来
のシールと比べて表面粗さの低減にも寄与する。更に、
窒化ホウ素を含む金属マトリックス材料の機械加工性の
向上により、スプレーされたシールの表面仕上げが一層
改善される。
例１に示したようにして形成した幾つかのシールの表
面粗さを、商業的に入手可能な多孔質のシール材料の表
面粗さと比較して表５に示す。
例４ 例１に示したようにして更に摩耗可能なシールを形成
し、透過率測定を行った。シール層の透過率を測定した
ところ、3.6グラム/ccより高い密度では０％であること
がわかった。このことは、約75％の透過率を呈する多孔
質のプラズマスプレーされたシールや、約60％の透過率
を示す商業的に使用されているFeltmetal（登録商標）
シールと対照的である。
例５ 更に、本発明に基づいて形成したコンプレッサシール
をガスタービンエンジンに組み込んで試験を行い、滑ら
かな非透過性シールの効果を測定した。同じエンジンに
対する試験により、第３図に示すように、粗い透過性コ
ンプレッサシールを用いた場合と比べて、１％のコンプ
レッサ効率の向上が本発明によるものと示された。第３
図は、本発明の滑らかな非透過性シールの作用により得
られた改善されたHPC効率（高圧コンプレッサ効率）を
従来の最新の多孔質摩耗可能シールと比較して表したも
のである。広いエンジン作動条件に於いて明らかに全点
で効率が改善されている。この効率の差は、0.1％の改
善が大成功と考えられるこの技術では大きな成果であ
る。
例６ 更に、様々な透過率を有するコンプレッサシールを、
フルスケール実験用リグ及び様々な大きさのガスタービ
ンエンジンに於いて試験し、透過率を小さくすることの
エンジン効率に与える効果を測定した。本発明によって
透過率のより高い従来のシールと比べてHPC効率が向上
することが一連のエンジン試験に於いて示された。それ
を第４図に示す。この図は、本発明に基づいて形成され
たシールの透過率を０に近づけながら動作させたとき、
２つの異なるエンジングループ、エンジンＡとエンジン
Ｂの100％ピーク断熱エンジン効率に対する改善が、そ
れぞれ約0.5及び0.75％に達することを示している。こ
の効率の差は、0.1％の改善が大成功と考えられるこの
技術では大きな成果である。
本発明を好適実施例に基づいて詳細に説明してきた
が、当業者には理解されるように、様々な変形変更が本
発明の精神及び範囲を逸脱することなく可能である。
フロントページの続き (72)発明者 アップルビイ、ジョン・ダブリュ アメリカ合衆国フロリダ州33410・パー ムビーチガーデンズ・バニアンストリー ト 11832 (72)発明者 ナルサベイジ、スティーブン・ティー アメリカ合衆国フロリダ州33458・ジュ ピター・レッドメイプルレイン 19646 (72)発明者 アレント、フランシス・エックス アメリカ合衆国フロリダ州34953・ポー トセントルシー・サウスウエストランス アベニュー 2060 (72)発明者 デイビス、チャールズ・ジー アメリカ合衆国フロリダ州33458・ジュ ピター・キースロード 5806 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C23C 30/00 C23C 4/10 F01D 11/02 F01D 7/28

Claims (25)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ガスタービンエンジン用複合材シールであ
    って、 a.金属基板と、 b.前記基板上に形成された接着性ボンディングコートで
    あって、耐酸化性を有する超合金を含み低い摩耗性を示
    す該ボンディングコートと、 c.前記ボンディングコート上にプラズマスプレーされた
    均一な摩耗可能層であって、50乃至65体積％の耐酸化性
    を有する超合金と、20乃至45体積％の六方晶系窒化ホウ
    素と、約25体積％未満の多孔度とを有し、表面粗さが約
    1524mm未満である該摩耗可能層とを含むことを特徴とす
    る複合材シール。
  2. 【請求項２】前記超合金がイットリウムとハフニウムを
    両方とも含むニッケルベースの超合金を含み、649℃（1
    200゜F）に於いてニクロムの耐酸化性を超える耐酸化性
    によって特徴づけられることを特徴とする請求項１に記
    載の複合材シール。
  3. 【請求項３】前記ボンディングコートが0.051mm乃至0.5
    08mm（２乃至20ミル）の厚さを有し、前記基板にプラズ
    マスプレーによって形成され、前記摩耗可能層内にある
    のと概ね同じ超合金を含んでいることを特徴とする請求
    項２に記載の複合材シール。
  4. 【請求項４】前記耐酸化性を有する超合金が、５乃至26
    ％のCrと、３乃至13.2％のAlと、0.1乃至1.5％のHfと、
    0.001乃至0.80％のＹと、０乃至5.0％のTiと、０乃至24
    ％のCoと、０乃至15％のＷと、０乃至４％のMoと、０乃
    至12％のTaと、０乃至0.2％のZrと、０乃至0.2％のＢ
    と、０乃至0.25％のＣと、０乃至0.60％のSiと、０乃至
    7.0％のReと、０乃至5.0％のCbと、０乃至0.2％の鉄
    と、０乃至0.1％の銅と、０乃至0.05％の燐、硫黄、
    鉛、ビスマス、及びマンガンの各々と、概ねNi及び微量
    元素からなる残余とを含むことを特徴とする請求項３に
    記載の複合材シール。
  5. 【請求項５】前記窒化ホウ素のプラズマスプレー前の粒
    子サイズが44乃至177ミクロンであることを特徴とする
    請求項４に記載の複合材シール。
  6. 【請求項６】前記耐酸化性を有する合金のプラズマスプ
    レー前の粒子サイズが44乃至150ミクロンであることを
    特徴とする請求項４に記載の複合材シール。
  7. 【請求項７】前記摩耗可能層の厚さが0.254mm乃至5.08m
    m（10乃至200ミル）であることを特徴とする請求項４に
    記載の複合材シール。
  8. 【請求項８】前記摩耗可能層の多孔度が５乃至15体積％
    であることを特徴とする請求項４に記載の複合材シー
    ル。
  9. 【請求項９】前記超合金が、５乃至18％のCrと、３乃至
    ８％のAlと、0.1乃至1.0％のHfと、0.001乃至0.09％の
    Ｙと、０乃至５％のTiと、０乃至20％のCoと、０乃至15
    ％のＷと、０乃至４％のMoと、０乃至12％のTaと、０乃
    至0.2％のZrと、０乃至0.2％のＢと、０乃至0.2％のＣ
    と、０乃至７％のReと、０乃至５％のCbと、３乃至９％
    の（Al＋Ti）と、５％を超える（Ｗ＋Ta＋Mo＋Cb＋Re）
    と、残りであるNiとを含むことを特徴とする請求項８に
    記載の複合材シール。
  10. 【請求項１０】前記超合金が、8.0乃至10.0％のCrと、
    6.6乃至7.0％のAlと、9.0乃至10.0％のＷと、2.5乃至3.
    5％のTaと、0.1乃至1.2％のMoと、0.1乃至0.2％のHf
    と、0.01乃至0.08％のＹと、0.02％未満のＣと、0.09％
    未満のSiと、0.005％未満のＰと、0.005％未満のＳと、
    2ppm未満のPbと、0.5ppm未満のBiと、0.02％未満のMn
    と、0.1％未満のFeと、0.05％未満のCuと、残りのNiと
    を含むことを特徴とする請求項８に記載の複合材シー
    ル。
  11. 【請求項１１】ガスタービンエンジン用の摩耗可能シー
    ルアセンブリであって、 a.金属基板と、 b.0.051mm乃至0.508mm（２乃至20ミル）の厚さを有し、
    649℃（1200゜F）に於いてニクロムの耐酸化性を超える
    耐酸化性を有するプラズマスプレーされたニッケルベー
    スの超合金から概ねなる前記基板上に形成された接着性
    ボンディングコートと、 c.前記ボンディングコート上にプラズマスプレーされた
    摩耗可能層であって、0.254mm乃至5.08mm（10乃至200ミ
    ル）の厚さを有し、ニクロムを超える耐酸化性を有する
    イットリウムとハフニウムを両方含む50乃至65体積％の
    ニッケルベース超合金と、20乃至45体積％の六方晶系窒
    化ホウ素とを含み、多孔度が約15％より小さく、形成時
    の表面粗さが約1524μｍ（600マイクロインチ）未満で
    ある該摩耗可能層とを含むことを特徴とする摩耗可能シ
    ールアセンブリ。
  12. 【請求項１２】摩耗可能シールアセンブリの製造方法で
    あって、 a.プラズマスプレーコーティングを形成するための基板
    を準備する過程と、 b.649℃（1200゜F）に於いてニクロムの耐酸化性より優
    れた耐酸化性を有するニッケルベースの超合金から概ね
    なる低多孔度ボンディングコート層を前記基板上にプラ
    ズマスプレーにより形成する過程と、 c.前記ボンディング層上に50乃至65体積％の耐酸化性を
    有するニッケルベース超合金と、20乃至45体積％の六方
    晶系窒化ホウ素と、15体積％未満の多孔度とを有する摩
    耗可能層をプラズマスプレーにより形成する過程とを含
    むことを特徴とする方法。
  13. 【請求項１３】前記プラズマスプレー過程がマルチポー
    トプラズマスプレーによることを特徴とする請求項12に
    記載の方法。
  14. 【請求項１４】前記摩耗可能層の各成分に対し独立した
    粉末注入及びキャリアガス流を用いることを特徴とする
    請求項13に記載の方法。
  15. 【請求項１５】前記ボンディングコート層と前記摩耗可
    能層の両方で用いられる前記ニッケルベース超合金が、
    重量％で、５乃至26％のCrと、３乃至13.2％のAlと、0.
    1乃至1.5％のHfと、0.001乃至0.80％のＹと、０乃至5.0
    ％のTiと、０乃至24％のCoと、０乃至15％のＷと、０乃
    至４％のMoと、０乃至12％のTaと、０乃至0.2％のZr
    と、０乃至0.2％のＢと、０乃至0.25％のＣと、０乃至
    0.60％のSiと、０乃至7.0％のReと、０乃至5.0％のCb
    と、０乃至0.2％の鉄と、０乃至0.1％の銅と、０乃至0.
    05％の燐、硫黄、鉛、ビスマス、及びマンガンの各々
    と、概ねNi及び微量元素からなる残余とを含むことを特
    徴とする請求項14に記載の方法。
  16. 【請求項１６】前記ボンディングコート層が0.051mm乃
    至0.508mm（２乃至20ミル）の厚さを有し、前記摩耗可
    能層が0.254mm乃至5.08mm（10乃至200ミル）の厚さと、
    15体積％より小さい多孔度と、約3.7乃至約5.3グラム/c
    cの密度と、約1524μｍ（600マイクロインチ）未満の形
    成時表面粗さとを有することを特徴とする請求項15に記
    載の方法。
  17. 【請求項１７】前記ボンディングコート層及び前記摩耗
    可能層の厚さが、形成過程の間、自動測定手段によって
    制御されることを特徴とする請求項16に記載の方法。
  18. 【請求項１８】スプレー前の前記窒化ホウ素の粒子サイ
    ズが44乃至177ミクロンであり、スプレー前の前記耐酸
    化性を有する超合金の粒子サイズが44乃至150ミクロン
    であり、各々に対し３つの注入ポートが用いられること
    を特徴とする請求項17に記載の方法。
  19. 【請求項１９】前記超合金が、重量％で、8.0乃至10.0
    ％のCrと、6.6乃至7.0％のAlと、9.0乃至10.0％のＷ
    と、2.5乃至3.5％のTaと、0.1乃至1.2％のMoと、0.1乃
    至0.2％のHfと、0.01乃至0.08％のＹと、0.02％未満の
    Ｃと、0.09％未満のSiと、0.005％未満のＰと、0.005％
    未満のＳと、2ppm未満のPbと、0.5ppm未満のBiと、0.02
    ％未満のMnと、0.1％未満のFeと、0.05％未満のCuと、
    残りのNiとを含むことを特徴とする請求項18に記載の方
    法。
  20. 【請求項２０】ガスタービンエンジン用複合材シールで
    あって、 a.金属基板と、 b.前記基板上に形成された接着性ボンディングコートで
    あって、耐酸化性を有する超合金を含み低い摩耗性を示
    す該ボンディングコートと、 c.前記ボンディングコート上にプラズマスプレーされた
    均一な摩耗可能層であって、摩耗指数が0.1未満であ
    り、侵食速度が0.020cc/侵食材１グラム未満であり、64
    9℃（1200゜F）に於いてニクロムの耐酸化性を越える耐
    酸化性を有し、表面粗さが約1524μｍ未満であることに
    よって特徴づけられる超合金を含む該摩耗可能層とを含
    むことを特徴とする複合材シール。
  21. 【請求項２１】前記摩耗可能層の前記超合金が、イット
    リウムとハフニウムを両方とも含むニッケルベース超合
    金を含むことを特徴とする請求項20に記載の複合材シー
    ル。
  22. 【請求項２２】前記ボンディングコートが0.051mm乃至
    0.508mm（２乃至20ミル）の厚さを有し、前記基板上に
    プラズマスプレーによって形成され、前記摩耗可能層内
    に存在するのと同じ超合金から概ねなることを特徴とす
    る請求項21に記載の複合材シール。
  23. 【請求項２３】前記摩耗可能層の厚さが0.254mm乃至5.0
    8mm（10乃至200ミル）であり、その多孔度が５乃至15体
    積％であることを特徴とする請求項22に記載の複合材シ
    ール。
  24. 【請求項２４】ガスタービンエンジン用摩耗可能シール
    アセンブリであって、 a.金属基板と、 b.前記基板上に形成され、0.051mm乃至0.508mm（２乃至
    20ミル）の厚さを有し、649℃（1200゜F）に於いてニク
    ロムの耐酸化性を越える耐酸化性を有するプラズマスプ
    レーされたニッケルベース超合金から概ねなる接着性ボ
    ンディングコートと、 c.前記ボンディングコート上にプラズマスプレーされた
    摩耗可能層であって、0.254mm乃至5.08mm（10乃至200ミ
    ル）の厚さを有し、イットリウムとハフニウムを両方と
    も含みニクロムよりも優れた耐酸化性を有する50乃至65
    体積％のニッケルベース超合金と、20乃至45体積％の六
    方晶系窒化ホウ素と、15体積％未満の多孔度と、約1524
    μｍ（600マイクロインチ）より小さな形成時表面粗さ
    と、約20％未満の透過率と、3.6グラム/ccより大きなか
    さ密度とを有する該摩耗可能層とを含むことを特徴とす
    る摩耗可能シールアセンブリ。
  25. 【請求項２５】前記シールが、20％未満の透過率と、５
    乃至15体積％の多孔度と、3.8乃至5.2グラム/ccのかさ
    密度と、0.1未満の摩耗指数と、0.020cc/侵食材１グラ
    ム未満の侵食速度とによって特徴づけられ、更に前記シ
    ールが金属基板と、ボンディングコートと、プラズマス
    プレーされた摩耗可能層とを含み、前記摩耗可能層が20
    乃至45体積％の六方晶系窒化ホウ素と、イットリウムと
    ハウニウムを両方とも含みニクロムより優れた耐酸化性
    を有する50乃至65体積％のニッケルベース超合金とを含
    み、更に表面粗さが約1524μｍ未満であることを特徴と
    する摩耗可能シールアセンブリ。
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