JP3710499B2 - 合金の表面保護方法及び耐フレッチング金属構造 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、ニッケル合金、コバルト合金及びチタン合金の高温下での耐フレッチング摩耗性を高めるための方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
フレッチングとは、接触する２面間が相対的繰り返し微小滑りを生じて摩耗する現象をいう。フレッチング摩耗は、相対的に静止しているように設計されてはいるものの、振動のような伝達された力によって、相対的に高周波で低振幅の振動が発生してしまう２つの部材の両接触面において起こる。
【０００３】
各々の表面には互いに接触する多くの微細な突起があるので、フレッチング現象によって、これらの接合点において両者が局部的に接着しやすい。この接着によって破断が生じ、物質移動、摩耗破片又はこれらの両方を引き起こすこともある。
【０００４】
接触している金属が類似のものであるか、又はそれらの構成元素が良い相互溶解度を有している場合には、フレッチング摩耗の大半は接着性のものとなる。大きな荷重及び高い周波数と同様、高温においてもこの過程はたいへん促進される。
【０００５】
もし接触する２面が非常に摩耗して凹凸を生じた場合には、応力集中が摩耗傷をつくり、フレッチング疲労として特に知られている疲労強度の低下が起こり、これが部材を破壊させてしまう。フレッチング摩耗を受ける物質の例としては、ターボファンの翼の根元、摩擦ダンパー、ゆるやかに係合した軸のベアリング及び駆動継手（ドライブカップリング）等が挙げられる。
【０００６】
従来技術において、フレッチングを防止するために接触する物質の表面に耐フレッチング被膜を形成することが考案された。これらの被膜は軟かい金属フィルムとして働き、基材の表面同志が接触することを防止し、被膜内におけるせん断機構によって振動エネルギーを散逸させる。
【０００７】
ニッケル合金、コバルト合金及びチタン合金のための従来技術による耐フレッチング被膜は、Ｃｕ−Ｎｉ又はＣｕ−Ｎｉ−Ｉｎを基礎とするものであった。これらの耐フィルム被膜の有効性はいろいろな文献に示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、約５３８℃（１０００°Ｆ）を越える温度においては、これらの耐フレッチング被膜は、加速された酸化によって劣化し、基材の表面が接触して摩耗してしまう。
【０００９】
さらに、従来の技術では、所望の場所に溶射によって被膜を形成していた。この方法は溶射の照準線（ｌｉｎｅ−ｏｆ−ｓｉｇｈｔ）の性質に由来する欠点を有しており、溶射のような操作は、例えば薄い厚さの物質をそらせたりするという欠点を有している。
【００１０】
この発明が解決しようとする課題は、約６７７℃（１２５０°Ｆ）という高温まで耐フレッチング性を有する被膜を得るためには、どのような手段を講じればよいかという点にある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明は、ニッケル合金、コバルト合金及びチタン合金から構成される群から選択される合金の表面をフレッチング摩耗から保護するための方法において、実質的に約８８から約９６重量％の銅、約４から約８重量％のアルミニウム及び０から約４重量％の珪素から成る被膜によって前記表面を覆うことを、解決手段としている。
【００１２】
更に、この発明は、ニッケルを基礎とした合金の表面をフレッチング疲労から保護するための方法において、実質的に約８８から約９６重量％の銅、約４から約８重量％のアルミニウム及び０から約４重量％の珪素から成る被膜によって前記表面を覆うことを、解決手段としている。
【００１３】
更にまた、この発明は、フレッチングを受ける金属構造であって、ニッケル合金、コバルト合金及びチタン合金から構成される群から選択される基材（substrate）及び該基材上の耐フレッチング被膜を含む構造において、前記被膜が実質的に約８８から約９６重量％の銅、約４から約８重量％のアルミニウム及び０から約４重量％の珪素から成ることを、解決手段としている。
【００１４】
【作用】
ニッケル合金、コバルト合金又はチタン合金の表面を、本願の銅−アルミニウム合金の被膜で覆うことによって、約６７７℃（１２５０°Ｆ）という高温下においても、接触表面の酸化及びフレッチングが防止される。
【００１５】
【実施例】
以下に、本発明の実施例を添付図面を参照して説明する。
【００１６】
本発明の方法によれば、ニッケル、コバルト及びチタンの力を伝導し力を受けるベアリングの表面は、該表面の一方又は両方を銅合金の被膜で覆うことによって、６４９℃（１２００°Ｆ）以下の温度又は６４９℃（１２００°Ｆ）よりも高い温度において、フレッチング摩耗から保護される。
【００１７】
好適には、前記銅合金は、約９２重量％の銅及び約８重量％のアルミニウムを含む。この代わりとして、前記銅合金は、銅、約４から８重量％のアルミニウム及び約４重量％以下の珪素を含んでいてもよい。
【００１８】
約５重量％以下の鉄又はニッケル等の他の元素を添加すると、約５３８℃（１０００°Ｆ）以下の温度においては良好な結果が得られるが、この温度よりも高い温度においては、これらの他の元素の添加によって耐酸化性が低下してしまう。
【００１９】
前記被膜の厚みは、０．００２５ｍｍ（０．１ミル）から約０．１０１６ｍｍ（４．０ミル）までの範囲内であればよく、好適には約０．０１９１ｍｍ（０．７５ミル）から約０．０３８１ｍｍ（１．５ミル）までの範囲内がよい。
【００２０】
前記被膜は、典型的な物理的蒸着によって形成されてもよい。陰極アーク析出は好適な方法であるが、他のイオン蒸着も適当である。
【００２１】
薄いニッケル又はニッケル合金製の被加工物を本発明の被膜で覆うと、被膜で覆っていない被加工物とはまったく異なり、少なくとも６４９℃（１２００°Ｆ）までの温度において、耐久性が著しく向上することが確認された。
【００２２】
本発明の被膜は、コンプレッサの翼の根元のような部材において特に有用であるが、フレッチング摩耗が問題となるブレード及び羽根のダンピングシステムのニッケル又はニッケル合金の表面おいても有用である。
【００２３】
本発明の被膜は約６７７℃（１２５０°Ｆ）以下の温度において有益であるので、フレッチング摩耗を防止するための乾燥フィルムの潤滑剤、銅−ニッケル及び銅−ニッケル−インジウム等の合金の被膜又は銀めっき等の従来技術と比較して、本発明の被膜は利点を有することがわかった。
【００２４】
このような従来技術の被膜は、例えば近年のジェットエンジンにおいてフレッチングが問題になっている温度よりも低い温度である約５３８℃（１０００°Ｆ）以下の温度においてのみ有効であるという欠点を有している。
【００２５】
本発明の被膜中の銅とアルミニウムが、特に珪素の存在下において、本発明の被膜で覆われたニッケルを基礎とする合金の表面がさらされる高温環境下で、接触表面の酸化を防止することがわかった、このことによって、従来の被膜では不可能であった５３８℃（１０００°Ｆ）を越える温度での被膜の保護的性質の維持が本発明により可能となった。このような高い温度においても耐酸化性が維持されるので、従来の被膜では不可能であったニッケルを基礎とする合金の耐フレッチング性の維持が本発明により可能となった。
【００２６】
本発明の方法によれば、重量％でＮｉ−１９．５Ｃｒ−１３．５Ｃｏ−４．２Ｍｏ−３Ｔｉ−１．４Ａｌ−０．０８Ｚｒ−０．０５Ｃという組成からなりＡＭＳ５５４４に該当するニッケルを基礎とする合金の試験試料は、イオン蒸着によって被覆された。
【００２７】
この被覆は、重量％でＣｕ−７．５Ａｌを含む合金を０．０３１８ｍｍ（１．２５ミル）の厚さで形成するために、従来の低圧不活性ガス蒸着チャンバーにおいて行われた。スプリングの形の前記試験試料は、接触表面としてＡＭＳ５５９６の板試料を使って、板の上にスプリングを載置した振動する摩耗試験機上で試験された。
【００２８】
被覆されていないＡＭＳ５５４４及び６２％銅及び３８％ニッケルからなる従来の耐フレッチング被膜で被覆したＡＭＳ５５４４の試験用スプリングが準備され、比較試験結果を得るために同時に試験された。０．３８１ｍｍ（０．０１５インチ）の厚み及び１．２７ｍｍ（０．０５インチ）の接触半径を有する各々の試料の２つのスプリングは、６．８１ｋｇ（１５ポンド）の荷重でもって最大７．５８３ＭＰａ（１１００ｐｓｉ）の接触圧力を生むように、厚さ３．１７５ｍｍ（０．１２５インチ）の２つの被覆していない板に載置した。
【００２９】
前記スプリングは鉛直面において固定され、前記板は３００Ｈｚの周波数、０．１２７ｍｍ（０．００５インチ）の振幅でもって電磁シェーカーによって振動させられた。上記全ての試料は６４９℃（１２００°Ｆ）の温度をつくり出す炉の中に入れられた。
【００３０】
２時間毎に前記スプリングと板試料の厚さを測定し、この試験は１０時間経過するか又は破壊が起こるまでのどちらか早い方が認められるまで続けられた。図１に示されるように、被覆されていない基材及び従来の耐フレッチング性被覆と比較して、本発明の被膜はニッケル基材のフレッチング摩耗割合を著しく低下させた。Ｃｕ−８Ａｌの耐フレッチング性被膜及びＣｕ、４−８Ａｌ、０−４Ｓｉの耐フレッチング性被膜で被覆したニッケル、コバルト、チタンの基材を上記のように試験した場合でも同様な結果が得られる。
【００３１】
本発明の上述の説明は当業者によってかなりの変更及び適合がなされた場合でも、そのような変更及び適合は本発明の特許請求の範囲に含まれるものであると解釈されるべきである。
【００３２】
【発明の効果】
ニッケル合金、コバルト合金又はチタン合金を本発明の銅−アルミニウム合金の被膜で被覆することにより、６７７℃（１２５０°Ｆ）という高温においてもフレッチング摩耗を防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】被膜で覆っていないニッケル基材、従来の耐フレッチング被膜を有するニッケル基材及び本発明の耐フレッチング被膜を有するニッケル基材について行ったフレッチング試験の結果を示すグラフである。

Claims (20)

1. 約５３８℃から約６７７℃の温度において接触表面の間のフレッチング摩耗を低減する方法であって、この方法は、前記接触表面の少なくとも一方を実質的に約８８から約９６重量％の銅、約４から約８重量％のアルミニウム及び０から約４重量％の珪素から成る被膜によって覆い、前記表面を互いに接触させ、前記温度において前記表面間の相対的な移動を生じさせることを含むことを特徴とする方法。
2. 前記接触表面はニッケル合金、コバルト合金及びチタン合金よりなる群から選択される金属であることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記被膜は物理的蒸着によって形成され、約０．００２５ｍｍから約０．１０１６ｍｍの厚さを有することを特徴とする請求項２記載の方法。
4. 前記被膜は約０．０１９１ｍｍから約０．０３８１ｍｍの厚さを有することを特徴とする請求項３記載の方法。
5. 前記表面はニッケルをベースとする合金であることを特徴とする請求項４記載の方法。
6. 前記被膜は実質的に約９２重量％の銅及び約８重量％のアルミニウムから成ることを特徴とする請求項５記載の方法。
7. 前記被膜は陰極アーク析出によって形成されることを特徴とする請求項６記載の方法。
8. 前記被膜は約９２．５重量％の銅及び約７．５重量％のアルミニウムを含むことを特徴とする請求項７記載の方法。
9. ジェットエンジンの接触部材の間で力を伝達する方法であって、この方法は、前記部材の接触表面を実質的に約８８から約９６重量％の銅、約４から約８重量％のアルミニウム及び０から約４重量％の珪素から成る耐フレッチング被膜によって覆い、前記被膜表面を互いに接触させ、約５３８℃から約６７７℃の温度において前記部材の一方に力を加えることを含むことを特徴とする方法。
10. 前記接触部材は、ニッケル合金、コバルト合金及びチタン合金よりなる群から選択される金属であることを特徴とする請求項９記載の方法。
11. 前記被膜は物理的蒸着によって形成され、約０．００２５ｍｍから約０．１０１６ｍｍの厚さを有することを特徴とする請求項１０記載の方法。
12. 前記被膜は約０．０１９１ｍｍから約０．０３８１ｍｍの厚さを有することを特徴とする請求項１１記載の方法。
13. 前記部材はニッケルをベースとする合金であることを特徴とする請求項１２記載の方法。
14. 前記被膜は実質的に約９２重量％の銅及び約８重量％のアルミニウムから成ることを特徴とする請求項１３記載の方法。
15. 前記被膜は実質的に約９２．５重量％の銅及び約７．５重量％のアルミニウムから成ることを特徴とする請求項１２記載の方法。
16. 約５３８℃から約６７７℃の温度において使用するための耐フレッチング疲労性のコンプレッサの翼の根元であって、ニッケル合金、コバルト合金及びチタン合金から構成される群から選択される金属から成る翼の根元を含み、前記翼の根本の表面は、実質的に約８８から約９６重量％の銅、約４から約８重量％のアルミニウム及び０から約４重量％の珪素から成る被膜を有し、前記被膜は、約０．００２５ｍｍから約０．１０１６ｍｍの厚さを有することを特徴とする翼の根元。
17. 前記根本はニッケルをベースとする合金であり、前記被膜は実質的に約９２重量％の銅及び約８重量％のアルミニウムから成ることを特徴とする請求項１６記載の翼の根元。
18. 前記被膜は約０．０１９１ｍｍから約０．０３８１ｍｍの厚さを有することを特徴とする請求項１７記載の翼の根元。
19. 前記被膜は実質的に約９２．５重量％の銅及び約７．５重量％のアルミニウムから成ることを特徴とする請求項１６記載の翼の根元。
20. 前記根元はニッケルをベースとする合金から成り、前記被膜は約０．０１９１ｍｍから約０．０３８１ｍｍの厚さを有することを特徴とする請求項１９記載の翼の根元。

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