JP3304104B2 - ガスタービンブレードの製造方法 - Google Patents
ガスタービンブレードの製造方法Info
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B24—GRINDING; POLISHING
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Description
の製造方法、特にこの種ブレードの先端シールの製造に
関するものである。
ックス中に埋めこまれた研摩粒子を含む先端部分を設け
ることは良く知られている。この先端部分は、研摩粒子
よりも軟かい材料製のシュラウドの表面と接触状態で回
転する。かくして、粒子はシュトラウドに対して摩擦・
研摩作用を行うので、ブレード先端とシュラウドの間に
は極めて小さい隙間が形成される。しかしこの隙間は極
めて小さいのでガス漏れはわずかである。この技術が用
いられるある特定の例によれば、上記マトリクスの大部
分はコバルトであり、残りの部分はクロム、タンタル、
アルミナである。シュラウドのライニング材料の大部分
は、コバルトであり、残りはニッケル、クロム、アルミ
ニウムであり、わずかな量のイットリウムが含まれる。
かような先端の製造法は、極めて費用のかかるものであ
る。ある例によると、マトリクスはデトネーションスプ
レー(爆発溶射)コーティングで作られる。他の例によ
ると、主としてニッケルとコバルトの先端の内側部分が
まず作られるが、この部分には他の成分が単結晶として
キャスティングされる。先端の内側部分は、成形された
あとで、ブレード本体の先端に拡散接合される。次い
で、先端の摩擦・研摩部分が、研摩粒子のまわりにクロ
ムとニッケルとの層を交互に電着させることによって内
側部分上に形成される。形成された外側先端部分は次い
で、アルミニウム処理されて、NiCrAlのマトリク
ス合金を生成する。
に研摩性の先端を、上述の公知方法により安価で且つ簡
単な方法で形成する方法を提供するにある。
タービンブレードの製造方法は、 (a)電着法によりブレード本体の先端に、MCrAl
Y(Mは、鉄、ニッケル及びコバルトのうちの1種ある
いは2種以上)を含む結合コーティングを施す段階と、 (b)前記結合コーティング上に、研摩粒子を懸濁した
メッキ溶液浴を用いての電着法による複合メッキによ
り、研摩粒子の下部を固着した固着コーティングを施す
段階と、 (c)前記固着コーティングにより固着された研摩粒子
の周囲に、MCrAlY(Mは、鉄、ニッケル及びコバ
ルトのうちの1種あるいは2種以上)から形成されそし
て該研摩粒子より小さな寸法の粒子を有する充填物を振
動作用下でメッキする段階とを包含する 。
であり、従って比較的低コストでありそしてコントロー
ルが容易であるから、極めて効果的な研摩性ブレード先
端が効率良く得られる。得られる先端は、(a)MCr
AlYの結合層、(b)固着材料層及び(c)MCrA
lYの追加充填物層より成る。結合層(a)により、酸
化と腐食に対して極めて耐性の高い保護層が形成され、
粒子含有層を固着するベースが形成される。固着層
(b)は出来ればコバルトあるいはMCrAlYで作ら
れ、30μm以下、出来れば20μmあるいは2〜10
μmの好適厚さを有しているので、研摩粒子(固着層の
厚さよりかなり大きな平均粒径をもつ)を結合層に対し
て保持する。層(c)は、研摩粒子の周囲を埋めて、各
粒子をしっかりと保持する。同時に、研摩粒子は必要に
応じて突き出るので、研摩機能が向上する。大部分の場
合、先端層全体が堆積されると、熱処理が施されて、層
の均質化が行なわれ、事実上、均質の単独層(3つの層
がすべてMCrAlYであるときは、MCrAlYの
層)が得られる。この場合、粒子は、単独層に埋め込ま
れ、そして場合によっては層の最上表面部分から突き出
る。
摩材として知られる、ジルコニア、アルミナ、各種窒化
物、ケイ化物、ホウ化物などである。好ましい研摩材料
は、立方晶ボロン窒化物であるが、できれば125〜1
50μmの大きさの粒子がよい。充填物、あるいは少な
くともその上側すなわち外側部が、主たる研摩粒子のサ
イズより実質的に小さいサイズの、たとえば約20μm
の、研摩粒子を含むようにしてもよい。
AlYであるときの固着層、MCrAlYの場合の充填
物は、各種組成のものでよいが、適切例は英国特許明細
書GB−2167446Bに開示されている。電着法は
いろいろな装置で行うことができる。しかし、好適方式
の装置は、英国特許明細書GB−2182055Aとヨ
ーロッパ特許明細書EP−0355051Aに開示され
ている。これらの装置は、電気メッキタンクを有し、こ
のタンクは、底の近くから浴内の溶液の表面のすぐ下に
まで伸びる垂直壁によって2つの区画に分けられる。ガ
スが一方の区画に導入されて、その内部の溶液の上向き
流れを誘起し、溶液は含まれる粒子を連行して分割壁の
上縁によって形成されるに堰から溢れ出る。溢流した溶
液はコーティングされる物品が入っている他方の第2区
画内に下降する。後者の明細書は、ストップ・スタート
若しくは急・遅サイクルで物品を回転することを開示し
ている。
充填物が金属マトリクスにおけるCrAlYの粒子で構
成されているとき、充填物の付着はブレードを振動させ
ることを伴ってなされれば好都合である。この振動の方
向は、ブレードの指向軸方向あるいはこの軸方向を実質
的方向とするのがよい。かような振動により、とくに研
摩粒子のオーバハングによって陰になった区域において
CrAlY粒子は均一分布される。そうしないと当該領
域は粒子が欠乏する。好ましい振動周波数は、10ヘル
ツから1キロヘルツであるが、特に50ヘルツが適して
いる。10Gまでのピーク加速度が望ましい。とくに望
ましい結果は、交互2段階たとえば、約2Gのピークレ
ベルの振動と、約10Gのピークレベルの振動を交互に
行なわせることによって得られる。好ましくは、各下位
レベルの期間は、各高位レベルの期間より長くされ、例
えば下位レベルの期間は、30秒から2分間の時間と約
2Gのピーク加速度を有し、高位レベルの期間は、約5
秒の長さと約10Gのピーク加速度を有するものとされ
うる。
本発明によりガスタービンブレードを製造する方法と、
この方法を実施するのに適した装置とが、添付図面を参
照して以下において例示される。
す上部2と逆ピラミッド形態の下向きにテーパをなす下
部3を有する容器つまりコンテナ1を含む。この逆ピラ
ミッド形下部は、一面4が上部の側面5と連続するよう
にして斜向している。
は、容器の側面4と5に対して平行な垂直面をなしそし
てその側縁7と8において容器の隣りあう垂直面と傾斜
面と接合する。かくして、上記隔壁により、容器は、大
きい方のワーキングゾーン9と小さい方のリターンゾー
ン11に分けられる。隔壁6は、容器の底部において、
水平縁12において終端するが、この水平縁は容器の底
から上方に離れているので、上記ワーキングゾーン9と
リターンゾーン11との間に連通部13が形成される。
隔壁6は、その上端において、容器の頂縁より下側の水
平縁14で終端する。
15が設けられ、これは空気ポンプ(図示せず)に接続
されている。ワーキングゾーン9には、コーティングさ
れる加工片が取付けられる取付具21が担持されてい
る。取付具21は、容器内で加工片を移動するようにな
されている。この移動方法の詳細については後述する。
導線(図示せず)が、ワーキングゾーン内に懸垂されて
いる陽極に対して取付具21に担持されている加工片に
電圧を印加するように設けられている。
るよう装置を使用するために、複数の加工片は、図示の
ように定置された取付具21に担持される。取付具を位
置決めする前あるいはその後で、容器には、同時付着さ
れる粒子を含むメッキ溶液が隔壁6の頂縁14の上のレ
ベル17まで満される。空気が入口15に入ると、空気
はリターンゾーン11を上昇し、溶液も粒子と共に上昇
する。リターンゾーンの頂部から空気は逃げ、溶液と粒
子は、隔壁の頂縁14によって形成される巾広の堤頂堰
を越えて溢流し、取付具21上の加工片を横切って流下
する。ワーキングゾーン9の底部に粒子は沈降する傾向
があり、容器の傾斜側面を滑り降りて、連通部13に向
う。粒子はこの連通部13において、溶液内に再度連行
され、循回されてゆく。
粒子は、加工片に出会うと、加工片に沈着し、そこで同
時に析出しつつある金属材料内に埋めこまれるようにな
る。
付具21は、図4に詳細に、簡略化のために図2、3に
は単純化した形で示される。取付具21は、容器1の頂
部上方に装備されるデッキ22と、一端にある垂下ピラ
ー23および他端にある一対の垂下ガイド24とより成
る。これらのガイド24は、垂直ラック26を支持する
クロスヘッドが間を摺動する対面案内路を形成する。垂
直ラック26は、デッキ22における穴27を貫通して
上向きに伸延し、ピニオン28とかみ合う。ピニオン2
8は、可逆電動モータ29によって駆動される。デッキ
22は第2電動モータ31を支持し、第2電動モータ3
1は、ピラー23内に担持されたスピンドル35の一端
にとりつけられたクラウン歯車34と噛み合うかさ歯車
33を支持する垂直軸32を駆動する。スピンドル35
の他端は、自在接手36により、ジグ52の一端におけ
るトラニオン51に連結される。ジグ52は、図4には
略示されているが、図5と図6に詳しく示されている。
ジグ52の他端には、第2トラニオン53が設けられ、
このトラニオンは、クロスヘッド25内の球状軸受38
内に突入する。
られる。このバネによって、デッキは、図2と図3に示
すように容器1の縁に支持される。デッキ22にはバイ
ブレータ42が設置されているが、このバイブレータの
作動は必要に応じて、コントローラ(図示せず)によっ
て調整されうる。電動モータコントローラ43が、デッ
キ22上に設置され、ライン45によりモータ29、3
1に連結される。コントローラ43は、必要に応じてモ
ータ31が一方向にのみ駆動されて(しかし、ストップ
/スタートつまり2段階作動は出来る)、スピンドル3
5を標準状態で は水平の軸線(X軸)を中心として回転
させるようになされている。コントローラ43は、必要
に応じモータ29を交互に反対向きに駆動して、クロス
ヘッド25を往復動させ、自在接手36における揺動運
動(Y軸)を、X軸を中心としての回転に重ねる。
に箱状のユニットを有する。ジグ52は、トラニオン5
1に接続された第1端54と、他方のトラニオン53に
接続された第2の端55と、上記各端54と55に固定
されてそれらを接続するベース56と、着脱自在の蓋5
7とを有する。各端54と55の上縁には、蓋57の下
面と当接する固定スタッド58が植立されている。ボル
ト59が蓋57内の穴を自由に貫通して、端54と55
の上縁内のねじ穴と係合して、蓋57をスタッド58上
に圧接せしめる。ベース56には先端加工されるタービ
ンブレードの根元を受容する溝61が形成され、そして
蓋57にはブレードの外端を受容するための翼形の穴6
2が形成される。ブレードは、ねじ63によって、溝6
1内の所定位置に保持される。溝61の後端にある背板
64により、ブレードが溝61から脱落するのが防止さ
れる。
形成するように構成された装置の使用法を以下に述べ
る。
neのような専用の脱脂剤内で脱脂される。ジグ52の蓋
を外し、ブレードの根元は、ベース56内の溝61のひ
とつに背板64と係合するまで挿入される。次いでブレ
ードの根元は、ねじ63を根元の下側に当たるまで締め
付けることによって所定位置に固定される。蓋が次いで
元に戻され、ねじ59を締め付けて固定する。この状態
で、ブレードの先端は、蓋64の上面とほぼ同じ高さに
あり、そして穴62の隣接縁とブレードの外周のまわり
全体との間に約1ミリの隙間が残される。ブレードとジ
グは必要に応じてグリットブラストを行い、マスキング
ワックスのための粗面を形成する。次いで、ジグはワッ
クス浴に挿入されて、ジグとブレードの全表面にマスク
が施される。蓋57の上面とブレードの先端は次いで、
50〜100μmのアルミナを用いてグリッドブラスト
される。ジグは内部のブレードと共に、水酸化ナトリウ
ム/グルコネート/チオシアン酸塩より成るクリーニン
グ溶液中で6〜8ボルトで、5秒間の陽極洗浄を施さ
れ、次いで、流動冷水で完全に水洗される。ブレードと
蓋の露出面は次いで、約300グラム/リットルの塩化
鉄、58グラム/リットルの塩酸、および1%のフッ化
水素酸(60%W/W)より成る溶液中で室温にて5分
間エッチングされ、次いで流動冷水で再度完全に水洗さ
れる。次に、ジグは塩化ニッケル浴に入れられ、3.8
7A/dm 2 において4分間ストライクメッキをうけ
る。このストライク浴は、約350グラム/リットル塩
化ニッケルと33グラム/リットル塩化水素酸を含む。
りつけられ、この取付具は図1〜図3に示す装置浴内に
設置される。ジグと取付具を組立て、その後前記予備処
理を行ってもよい。この浴は、2〜5重量%のCrAl
Y粒子を含むコバルトメッキ液を含む。CrAlY粒子
は、67〜68重量部のCr、29〜31重量部のA
l、1.5〜2.4重量部のYを含む。粒子の寸法分布
を以下の表に示す。この表における各寸法範囲は、マイ
クロメートルで測定された各寸法範囲の上限と下限を示
す。溶着されたままのコーティングにおけるサイズ分布
は、メッキプロセスにおける選択に応じて、類似ではあ
るが、いくらか小さい。
平方フィート当り10A)の電流密度で4時間にわたっ
て継続されるが、このときコントローラ43は、1分当
り0.33回転でジグ52が回転するような速度でモー
タ31を回転させるべくセットされる。モータ29はこ
の処理中静止しているが、空気は連続的に流され、溶液
と懸濁CrAlY粒子が循環する。このメッキ加工によ
り、ブレードの先端に25〜50μmの厚さのコーティ
ングが得られる。代りに、図8に示す取付具を用い、く
わしくは後述する振動法を利用してこの結合コーティン
グを実施してもよい。上述の浴からCoCrAlYを付
着することにより、概そ、10重量%Al、23重量%
Cr、0.5重量%Y、および残部Coの組成をもつ層
が得られる。
れ、タンクから出されて、流水で洗われる。ジグは、ウ
ッドニッケル浴つまり1容積%の硫酸浴に入れられ、表
面を再活性化し、次いで取付具は第2浴に入れられる。
この第2の浴は、CrAlY粒子の代りに、100/2
00メッシュ、つまり、125〜150μmの立方晶窒
化ボロン(CBN)粒子を含むことを除いて第1の浴と
同様である。ジグが図4に示す位置、つまりブレード先
端が水平で上向きの状態で、モータ29と31を停止し
てまた空気を入口15から導入しない状態で、メッキ加
工は、12.7A/dm 2 (1平方フィート当り25
A)で始められ、そして空気は5秒間だけ導入に切り替
えられる。窒化ボロン粒子は、循環され始め、ブレード
とジグ上に流れ落とされる。メッキ加工は、空気を流さ
ずに、約40分間にわたって続行さ れて、粒子がブレー
ドの先端全面に付着することを保証する。ブレードの先
端表面上にCBN粒子を均一且つ最大量で分布させるこ
とを保証するために、20分後に、5秒間にわたり空気
を噴出させると良い場合がある。ここで、モータ31は
作動されて、ジグ52をゆっくり180度にわたって回
転させ、過剰のそして付着していない粒子を振り落す。
て、タンク内で洗浄され、静水内で水洗され、最後に流
水中で完全に水洗される。コーティングされた表面は、
ウッドニッケル浴つまり1%硫酸浴内で再活性化され、
取付具はCoCrAlY浴に戻される。モータ31のス
イッチが入り、ジグは0.33rpmで回転し、メッキ
加工は7時間にわたり、1.075A/dm 2 (1平方
フィート当り10A)で続けられるが、この時空気は連
続して導入されて浴液とCrAlYの懸濁粒子の循環運
動が維持され、CBN粒子の下側と周囲の空隙は、Co
CrAlYで、図7に示すような深さまで充填される。
この際、研摩粒子の尖端を周囲のCoCrAlYから僅
かに頭を出す程度に残す。
プロセス中において、ジグは、ヨーロッパ特許出願N
o.89307713.1に開示されるスタート/スト
ップ作用をもって回転されうる。即ち、モータ31はコ
ントロールされて、ジグ52を一方向へそして3分間に
1回転の速度で回転する。その場合、3秒間回転し、1
0秒間停止するよう断続的に回転する。しかし、別法と
して、モータ31を停止して、バイブレータ42を利用
してもよく、この時ジグ52は図4に示す位置に保持さ
れ、ブレードの先端表面は水平且つ上向きになってい
る。バイブレータ42は、50ヘルツの周波数で振動す
るようになされているが、この時振動は交互に強弱に変
化する。強のときは、5秒間つづき、ピーク加速度は1
0Gである。弱のときは、75秒つづき、ピーク加速度
は2Gである。別様には、回転と振動の交互組合せが、
同時あるいは交代で採用される。回転が採用されるとき
は、弱の振動レベルにおいてのみ、望ましいと思われる
振動が必要となる。かような振動と回転により、均質充
填がなされ、CrAlY粒子はCBN粒子によって陰に
なる部分にも達する。
ジグは、脱塩された水入りのタンクで洗浄され、次いで
流水を用いて完全に水洗される。マスク材料は除去さ
れ、ブレードはジグから取出されて脱脂される。ブレー
ドは、検査後、50〜l00ミリバール分圧アルゴン
内、あるいは真空下で、1090℃±10℃において、
1/2〜1時間熱処理され、急速にガス冷却される。ブ
レードは次いで、公知の方法、たとえばパックアルミナ
イジング処理法でアルミナイジング処理される。
に断面で示されており、これは、ブレード本体80、例
えば25〜50μm厚さのMCrAlYの結合コーティ
ング81、125〜150μm粒子寸法の立方晶窒化ボ
ロンの研摩粒子83の底部を固着する、厚さ10〜20
μmのMCrAlYの固着コーティング82及び厚さ7
0〜110μmのMCrAlYの充填物84を含んでい
る。
生成するのに適した単純形態の取付具91が図8に示さ
れるが、これは図4に示す取付具と代えてもよい。取付
具91はジグ92を含む。このジグ92は、ジグ52の
ベース56と同様のベース93とブレード95の根元を
受容する溝94とを有する。これらブレードは、ジグ5
2のねじ63と同様のねじのような手段(図示せず)に
より所定位置に固定される。ベース93は、ビーム99
に担持されるバイブレータ98から垂下するロッド97
の下端にあるベイル(つり枠)96で保持される。取付
具は、図1〜図3に示すように容器1のワーキングゾー
ン9内にビーム99から垂下させることができる。
に示す装置を使用するとき、図4と関連的に記述されて
いる2段階振動が利用される。つまり、ピーク加速度2
Gの低強度での75秒の長期間と、ピーク加速度10G
の5秒の短期間との交互しての振動が行われる。
子の代りに、少なくとも一時的に過剰な酸化を防止する
材料でコーティングされた、この種あるいは他の種類の
研摩粒子を用いることができる。例えば、アルミニウム
酸化物、あるいはニッケルアルニナイドのような金属間
化合物の、殆ど空気を通さないコーティングを形成した
立方晶窒化ボロン粒子を用いることが可能である。
す斜視図である。
す斜視図である。
示す平面図である。
ードの先端領域の一部の拡大断面図である。
ある。
Claims (3)
- 【請求項1】 研摩性先端を有するガスタービンブレー
ドを製造する方法であって、 (a)電着法によりブレード本体の先端に、MCrAl
Y(Mは、鉄、ニッケル及びコバルトのうちの1種ある
いは2種以上)を含む結合コーティングを施す段階と、 (b)前記結合コーティング上に、研摩粒子を懸濁した
メッキ溶液浴を用いての電着法による複合メッキによ
り、研摩粒子の下部を固着した固着コーティングを施す
段階と、 (c)前記固着コーティングにより固着された研摩粒子
の周囲に、MCrAlY(Mは、鉄、ニッケル及びコバ
ルトのうちの1種あるいは2種以上)から形成されそし
て該研摩粒子より小さな寸法の粒子を有する充填物を振
動作用下でメッキする段階とを包含する研摩性先端を有
するガスタービンブレードの製造方法。 - 【請求項2】 固着コーティングの材料は、コバルトま
たはニッケル或いはMCrAlY(Mは、鉄、ニッケル
及びコバルトのうちの1種あるいは2種以上)であるこ
とを特徴とする請求項1の方法。 - 【請求項3】 少なくとも固着コーティングから離れた
表面側の充填物部分は、固着コーティング材料によって
固着された研摩粒子より小さな寸法の研摩粒子を含むこ
とを特徴とする請求項1乃至2の方法。
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