JP3790440B2

JP3790440B2 - Manufacturing method of combustion engine blade

Info

Publication number: JP3790440B2
Application number: JP2001154772A
Authority: JP
Inventors: 稔大原; 雅彦妻鹿
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2001-05-24
Filing date: 2001-05-24
Publication date: 2006-06-28
Anticipated expiration: 2021-05-24
Also published as: JP2002349290A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばガスタービン、ジェットエンジン等の燃焼エンジンに用いられる動翼の製造方法に関する。詳細には、本発明は、動翼の先端に位置する研磨層の形成方法の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンのタービン部の動翼先端と、この動翼先端に対向するシュラウドとの間には、運転中に両者が接触しないように所定寸法のクリアランスが設けられている。このクリアランスが大きすぎると動翼の圧力面側から負圧面側へ燃焼ガスが漏れだし、圧力損失が大きくなって運転効率が低下してしまう。これを防止してガスタービンの性能を向上させる目的で、極限までクリアランスを小さく設定する試みがなされている。
【０００３】
ところが、クリアランスがあまりに小さすぎると、ガスタービンの運転開始初期段階において、動翼の熱膨張、タービンロータの偏心、ガスタービン全体に生じる振動等に起因して、動翼の先端とシュラウドとが摺動してしまうことがある（いわゆる初期摺動）。また、ガスタービンが長期間運転されると、高温ガスに曝されたシュラウドが除々に熱変形を起こし、やはり動翼の先端とシュラウドとが摺動してしまうことがある（いわゆる二次的摺動）。動翼の先端とシュラウドとの激しい摺動は、初期摺動時に起こりうる。これに対し、二次的摺動は、比較的緩やかな摺動である。
【０００４】
一般的にシュラウドは、遮熱又は酸化防止の目的で形成された被覆層をその内周面に備えている。例えば、遮熱の目的でＴＢＣ(Thermal Barrier Coating)が設けられたり、ＭＣｒＡｌＹ（鉄、ニッケル又はコバルトを主成分とし、クロムと、アルミニウムと、イットリウムが含まれる合金、以下ＭＣｒＡｌＹとする）からなる耐酸化被膜が設けられることがある。特にＴＢＣはＺｒＯ₂系の酸化物であるため、高硬度であることが多く、このため、動翼先端とシュラウド内周面とが摺動すると動翼が大きく損傷を受けてしまうことがある。
【０００５】
特開平４−２１８６９８号公報、特開平９−５０４３４０号公報、特開平１０−３０４０３号公報及び米国特許第５７０２５７４号公報には、耐酸化性金属材料（典型的にはＭＣｒＡｌＹ）からなるマトリクス中に研磨粒子が分散した研磨層を先端に備えた動翼が開示されている。この研磨層では、研磨粒子はマトリクスから突出している。研磨粒子としては、例えば立方晶窒化硼素（ＣＢＮ）等が用いられている。立方晶窒化硼素は高硬度な材料であり、従って動翼先端とシュラウド内周面とが摺動すると、この立方晶窒化硼素からなる研磨粒子がシュラウドの内周面を研磨する。これによって、動翼とシュラウドとの間に適度なクリアランスが維持される。
【０００６】
この研磨層は、まず動翼本体に研磨粒子が仮固着され、次にこの研磨粒子の周りに電着メッキ法によってマトリクスが形成されることによって得られる。すなわち、マトリクスはメッキ層の成長によって形成される。この方法では、メッキ層の成長に長時間を要するので、効率が悪い。しかも、電着メッキ法によるマトリクスの形成は、概して高価である。
【０００７】
特開平１０−３０４０３号公報には、溶射法によってマトリクスを形成する耐摩耗層形成方法が開示されている。溶射法は、溶融金属を噴射することによって金属層を成長させる手法である。溶射法は電着メッキ法に比して高効率であり、しかも低コストである。
【０００８】
しかし、溶射法ではマトリクス厚みの正確な制御が困難であり、しかも研磨粒子の表面にも溶融金属が噴射されてしまうので、形成されたマトリクスに一部又は全部の研磨粒子が埋没することがある。研磨粒子が埋没すると、研磨層の研磨能力が低下してしまう。前述の特開平１０−３０４０３号公報に開示された耐摩耗層形成方法では、マトリクスの表面に機械加工を施し、さらにケミカルミーリング加工を施すことによってマトリクスの表面寄り部分を除去し、研磨粒子をマトリクスから突出させている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この形成方法では、機械加工とケミカルミーリング加工との２段階加工でマトリクス表面寄り部分が除去されるので、加工に手間とコストとがかかってしまう。
【００１０】
本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、その先端に研磨層を備えた動翼を効率よくしかも低コストで生産し得ることを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するためになされた発明は、その先端にマトリクスとこのマトリクス中に分散した多数の研磨粒子とを備えた研磨層が形成されている燃焼エンジン動翼の製造方法であって、以下の（１）及び（２）の工程を含む製造方法である。
(1) 動翼本体の先端に、研磨粒子が埋没するようにマトリクスを形成するマトリクス形成工程
及び
(2) このマトリクスに放電加工を施してマトリクスの表面寄り部分を除去し、研磨粒子をマトリクスから突出させる除去工程。
【００１２】
この製造方法では、まず研磨粒子が埋没するようにマトリクスが形成される。従って、マトリクスの厚みの正確な制御が不要である。また、この製造方法では、放電加工によって、マトリクスの表面寄り部分が研磨粒子に優先して除去される。すなわち、この製造方法では、マトリクス形成工程(1)と除去工程(2)とが、ともに簡便且つ低コストでなされる。
【００１３】
好ましくは、弱放電加工によってマトリクスの表面寄り（表面側）部分が除去される。放電加工では、加工時に通電しない研磨粒子が除去されてしまうことがなく、研磨粒子周辺のマトリクスのみが確実に除去される。但し、放電加工は、加工効率に優れるものの研磨粒子の最終突出を精度良く行うには、手間を要す。
【００１４】
好ましくは、マトリクスの材質に対する研磨粒子の材質の電気抵抗値比率は、２００％以上である。これにより、研磨粒子に優先するマトリクスの表面寄り部分の除去がより確実に達成される。すなわち、マトリクスの表面寄り部分の除去の際に研磨粒子が共に除去されてしまうことが抑制される。
【００１５】
好ましいマトリクスと研磨粒子との組み合わせとしては、マトリクスの主成分がＭＣｒＡｌＹであり研磨粒子の主成分が立方晶窒化硼素（ＣＢＮ）又はアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）である場合が挙げられる。
【００１６】
上記の目的を達成するためになされた他の発明は、その先端にマトリクスとこのマトリクス中に分散した多数の研磨粒子とを備えた研磨層が形成されている燃焼エンジン動翼の製造方法であって、以下の（Ａ）及び（Ｂ）の工程を含む製造方法である。
(A) 動翼本体の先端に、研磨粒子が埋没するようにマトリクスを形成するマトリクス形成工程
及び
(B) このマトリクスにブラスト処理を施してマトリクスの表面寄り部分を除去し、研磨粒子をマトリクスから突出させる除去工程。
【００１７】
この製造方法では、まず研磨粒子が埋没するようにマトリクスが形成される。従って、マトリクスの厚みの正確な制御が不要である。また、この製造方法では、加工効率に優れるブラスト処理によって、マトリクスの表面寄り部分が研磨粒子に優先して除去される。すなわち、この製造方法では、マトリクス形成工程(A)と除去工程(B)とが、共に簡便且つ低コストでなされる。また、ブラストによるマトリクスの除去は、最終的な仕上げは目視で確認しながら作業できるため、処理の加減が付けやすく仕上げ向きといえる。この点では、放電加工よりも優れている。
【００１８】
好ましくは、マトリクスのビッカース硬度がＨ１とされ、研磨粒子のビッカース硬度がＨ２とされ、ブラスト処理に用いられるブラスト粒子のビッカース硬度がＨ３とされたとき、Ｈ１，Ｈ２及びＨ３は、下記数式(I)に示される関係を満たす。
Ｈ１＜Ｈ３＜Ｈ２・・・・(I)
これにより、研磨粒子に優先するマトリクスの表面寄り部分の除去が確実に達成される。すなわち、マトリクスの表面寄り部分の除去の際に研磨粒子が共に除去されてしまうことが抑制される。なお、本明細書で用いられる「ビッカース硬度」という用語は、常温（２３℃）で測定されるビッカース硬度（ＨＶ）を意味する。
【００１９】
マトリクス、研磨粒子及びブラスト粒子の好ましい組み合わせの一例としては、マトリクスの主成分がＭＣｒＡｌＹであり、研磨粒子の主成分が立方晶窒化硼素であり、ブラスト粒子の主成分がアルミナである場合が挙げられる。また、好ましい組み合わせの他の例としては、マトリクスの主成分がＭＣｒＡｌＹであり、研磨粒子の主成分がアルミナであり、ブラスト粒子の主成分がジルコニア（ＺｒＯ₂）である場合が挙げられる。
【００２０】
これらの発明において、低コストで効率よくマトリクスが形成されるろう付法又は溶射法がマトリクス形成工程に採用されるのが好ましい。
【００２１】
【発明に実施の形態】
以下、適宜図面が参照されつつ、実施形態に基づいて本発明が詳細に説明される。
【００２２】
図１は、本発明の一実施形態にかかる燃焼エンジン動翼の製造方法が示されたフロー図である。この製造方法では、まずマトリクスの材質と同一材質からなる金属粉末が用意される（ＳＴＰ１）。次に、研磨粒子が用意される（ＳＴＰ２）。次に、この金属粉末と研磨粒子とが所定比率で混合され、混合粉末が得られる（ＳＴＰ３）。次に、燃焼エンジン動翼（以下、単に「動翼」とも称される）の本体の先端に、混合粉末が載置される（ＳＴＰ４）。次に、この混合粉末が加熱され、さらに冷却される（ＳＴＰ５）。加熱により混合粉末中の金属粉末が溶融し、冷却により溶融金属が凝固する。そして、動翼本体に固着する（いわゆるろう付）。こうして、研磨粒子が埋没したマトリクスが形成される。
【００２３】
図２は、ＳＴＰ５の後（すなわちマトリクス３が形成された後）の動翼１の一部が示された拡大断面図である。この図に示されているように、動翼本体２の先端（図２では上側端）に形成されたマトリクス３には、研磨粒子４が分散している。研磨粒子４は、マトリクス３中にほぼ埋没している。
【００２４】
この動翼１に、ブラスト処理が施される（ＳＴＰ６）。ブラスト処理では、ブラスト粒子がマトリクス３の表面に吹きつけられる。このブラスト処理により、動翼１からマトリクス３の表面寄り部分が除去される。こうして、研磨層５（図３参照）が形成される。
【００２５】
図３は、ＳＴＰ６の後（すなわち研磨層が完成した状態）の動翼１の一部が示された拡大断面図である。この図から明らかなように、マトリクス３の厚み（図３において両矢印Ｔで示されている）は、図２に示されたマトリクスの状態の厚みｔよりも薄くなっている。これは、図２のマトリクス３の表面寄り部分がブラスト処理によって除去されたからである。研磨粒子４はブラスト処理によってもほとんど除去されないので、マトリクス３の表面寄り部分の除去に伴い、研磨粒子４がマトリクス３から突出する（いわゆる「目出し」）。この研磨粒子４の突出部分によって、後に詳説されるシュラウド内周面の研磨が行われる。
【００２６】
ブラスト処理によって研磨粒子４に優先してマトリクス３の表面寄り部分を除去するには、研磨粒子４よりも低硬度であり、かつマトリクス３よりも高硬度であるブラスト粒子を用いるのが好ましい。すなわち、マトリクス３のビッカース硬度がＨ１とされ、研磨粒子４のビッカース硬度がＨ２とされ、ブラスト処理に用いられるブラスト粒子のビッカース硬度がＨ３とされたとき、Ｈ１，Ｈ２及びＨ３が下記数式(I)に示される関係を満たすことが好ましい。
Ｈ１＜Ｈ３＜Ｈ２・・・(I)
【００２７】
例えば、マトリクス３のビッカース硬度が１００〜５００であり、研磨粒子４のビッカース硬度が３５００〜７０００である場合、ビッカース硬度が１５００〜２５００であるブラスト粒子が用いられるのが好ましい。このような組み合わせの具体例としては、マトリクス３の主成分がＭＣｒＡｌＹ（ビッカース硬度：約３００）であり、研磨粒子４の主成分が立方晶窒化硼素（ビッカース硬度：約５０００）であり、ブラスト粒子の主成分がアルミナ（ビッカース硬度：約２０００）である場合が挙げられる。この場合のブラスト圧力は４ｋｇ／ｃｍ²〜５ｋｇ／ｃｍ²が好ましく、ブラスト距離は２０ｍｍ程度が好ましく、ブラスト時間は１０秒から２０秒が好ましい。
【００２８】
例えば、マトリクス３のビッカース硬度が１００〜５００であり、研磨粒子４のビッカース硬度が１５００〜３０００である場合、ビッカース硬度が７００〜１２００であるブラスト粒子が用いられるのが好ましい。このような組み合わせの具体例としては、マトリクス３の主成分がＭＣｒＡｌＹ（ビッカース硬度：約３００）であり、研磨粒子４の主成分がアルミナ（ビッカース硬度：約２０００）であり、ブラスト粒子の主成分がジルコニア（ビッカース硬度：約１０００）である場合が挙げられる。この場合のブラスト圧力は５ｋｇ／ｃｍ²〜６ｋｇ／ｃｍ²が好ましく、ブラスト距離は２０ｍｍ程度が好ましく、ブラスト時間は６０秒から１００秒が好ましい。
【００２９】
ブラスト粒子の平均粒子直径が小さすぎる場合は、マトリクス３の表面寄り部分の除去に長時間を要し、図４のＡに示すように、研磨粒子４の周囲を固定している必要なマトリクス３まで、ブラスト粒子８が除去してしまい、研磨粒子４を強固に支えられない。一方、ブラスト粒子８の平均粒子直径が大きすぎる場合は、図４のＢに示すように隣接する研磨粒子４，４同士の間にブラスト粒子８が入り込めず、研磨粒子４に優先するマトリクス３の表面寄り部分の除去が困難となり、研磨粒子４が適度に突出しなくなる。図４のＣに示すように、研磨粒子４の大きさが適度な場合は、研磨粒子４の周囲に研磨粒子４を固定するためのマトリクス３の肉部が残り、研磨粒子４が強固にマトリクス３に固定され、研磨粒子４の突出量も適度になる。
例えば平均粒子直径が１００μｍ程度の研磨粒子４が５０個／ｍｍ²の密度で分散している場合、用いられるブラスト粒子の平均粒子直径は５０μｍ程度が好ましい。
【００３０】
図１に示される製造方法では、ろう付法によって研磨層５を形成しているが、ろう付法に代えて溶射法が採用されてもよい。溶射法では、まず薄肉の電着メッキ層等によって動翼本体２に研磨粒子４が仮固着される。そして、この研磨粒子４の周りに、マトリクス３の材質と同一材質からなる溶融金属が噴射される。この溶融金属が凝固することにより、マトリクス３が形成される。溶射法の場合も研磨粒子４がマトリクス３に埋没する傾向が見られるが、前述のブラスト処理が施されるにより、研磨粒子４の突出が達成される。
【００３１】
ろう付法又は溶射法によって形成されたマトリクス３の表面寄り部分が、ブラスト処理ではなく放電加工によって除去されてもよい。放電加工では、マトリクス３と対向する位置に面状の電極が設けられ、この電極と動翼本体２との間に電圧が印加される。一般に、マトリクス３は導電性であり研磨粒子４は非導電性であるので、電圧印加によって研磨粒子４に優先してマトリクス３の表面寄り部分が除去される。除去により、研磨粒子４がマトリクス３から突出する。
【００３２】
放電加工が採用される場合は、マトリクス３の表面寄り部分とともに研磨粒子自体４もが除去もしくは損傷されてしまうことを防止する観点から、弱放電加工が好ましい。また、同様の観点から、マトリクス３の材質に対する研磨粒子４の材質の電気抵抗値比率は、２００％以上が好ましく１０００％以上が特に好ましい。
【００３３】
マトリクス３の表面寄り部分を除去する効率は、ブラスト処理よりも放電加工もしくは、アルミナペーパー等を用いた機械時除去の方が優れている。一般に、ろう付方よりも溶射法の方が、研磨粒子４の埋没の程度が激しい。従って、溶射法でマトリクス３が形成される場合は、荒仕上げとして機械加工及び放電加工を行い、最終仕上げはブラストによって研磨粒子４の突出が達成されるのが好ましい。ろう付法に対し、溶射法は埋没の程度が激しいため、効率良くマトリクスを除去する方法として、先ずアルミナ系のペーパーにて荒仕上げを行い、ＣＢＮの先端を確認した上でブラストにより最終仕上げを行うと効率良く除去できることを確認している。一方、ろう付法の場合はブラストのみでマトリクスの除去が可能である。
【００３４】
図５は、図１の製造方法によって得られた動翼１が用いられたガスタービンのタービン部の一部が示された断面図である。この図には、動翼１とシュラウド６とが示されている。動翼１の先端には、前述の研磨層５が形成されている。シュラウド６は、その内周面にジルコニアを主成分とする遮熱層７（ＴＢＣ）を備えている。遮熱層７に代えて、ＭＣｒＡｌＹ等からなるコーティング層が形成されてもよい。研磨層５と遮熱層７との間隔（図１において両矢印Ｃで示される）が、クリアランスである。動翼１とシュラウド６とが摺動すると、研磨層５によってシュラウド６の内周面が研磨される。この研磨によって、適切なクリアランスＣが維持される。
【００３５】
研磨粒子４の平均粒子直径は、５０μｍ以上２００μｍ以下が好ましい。平均粒子直径が５０μｍ未満であると、研磨層５の研磨能力が不十分となるおそれがある。この観点から、平均粒子直径は８０μｍ以上が特に好ましい。一方、平均粒子直径が２００μｍを越えると、研磨層５の研磨能力が不十分となったり、研磨粒子４の耐酸化性が不十分となることがある。この観点から、平均粒子直径は１７０μｍ以下が特に好ましい。
【００３６】
マトリクス３の厚みＴは、５０μｍ以上２００μｍ以下が好ましい。マトリクス３の厚みが５０μｍ未満であると、研磨層５の耐久性が不十分となることがある。逆に、マトリクス３の厚みが２００μｍを越えると、研磨粒子４の突出が達成困難となることがある。
【００３７】
図６は、図３の動翼１がさらに拡大された断面図である。前述のように、研磨粒子４はマトリクス３から突出している。この図において両矢印ｐで示されているのは、研磨粒子４の突出寸法である。研磨粒子４の平均粒子直径がＤとされ、マトリクス３から突出しているすべての研磨粒子４における突出寸法ｐの平均値（すなわち平均突出寸法）がＰとされたとき、平均粒子直径Ｄに対する平均突出寸法Ｐの比率は、２５％以上７０％以下が好ましい。この比率が２５％未満であると、研磨層５の研磨能力が不十分となることがある。この観点から、比率は３０％以上がより好ましい。逆に、この比率が７０％を超えると、研磨粒子４がマトリクス３から脱落しやすくなることがある。この観点から、比率は５０％以下がより好ましい。
【００３８】
以上、ガスタービンのタービン部に用いられる動翼が一例とされて本発明の製造方法が詳説されたが、本発明は、ガスタービンの圧縮機、ジェットエンジン等の動翼にも好適に適用されうる。
【００３９】
【発明の効果】
以上、説明されたように、本発明は動翼本体の先端に、マトリクスとこのマトリクス中に分散した多数の研磨粒子とを備えた研磨層が形成されている燃焼エンジン動翼の製造方法であって、動翼本体の先端に、研磨粒子が埋没するようにマトリクスを形成するマトリクス形成工程と、このマトリクスに放電加工若しくはブラスト加工を施してマトリクスの表面寄り部分を除去し、研磨粒子をマトリクスから突出させる除去工程とを含む製造方法を用いたので、動翼本体の先端部に研磨層を効率よく、しかも低コストで動翼が製造されうる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかる燃焼エンジン動翼の製造方法が示されたフロー図である。
【図２】マトリクス層除去前の段階における動翼の一部が示された拡大断面図である。
【図３】マトリクス層の表面側を除去した後の動翼の一部が示された拡大断面図である。
【図４】Ａは、ブラスト粒子の平均粒子が小さすぎる場合の研磨層を示す断面図であり、Ｂはブラスト粒子の平均粒子が大きすぎる場合の研磨層を示す断面図であり、Ｃはブラスト粒子の平均粒子が適度である場合の研磨層を示す断面図である。
【図５】図１の製造方法によって得られた動翼が用いられたガスタービンのタービン部の一部が示された断面図である。
【図６】図３の動翼がさらに拡大された断面図である。
１動翼
２動翼本体
３マトリクス
４研磨粒子
５研磨層
６シュラウド
７遮熱層
８ブラスト粒子[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a moving blade used in a combustion engine such as a gas turbine or a jet engine. Specifically, the present invention relates to an improvement in a method for forming a polishing layer located at the tip of a moving blade.
[0002]
[Prior art]
A clearance of a predetermined dimension is provided between the moving blade tip of the turbine portion of the gas turbine and the shroud facing the moving blade tip so that they do not contact each other during operation. If this clearance is too large, combustion gas leaks from the pressure surface side of the rotor blade to the negative pressure surface side, resulting in a large pressure loss and a decrease in operating efficiency. In order to prevent this and improve the performance of the gas turbine, attempts have been made to set the clearance as small as possible.
[0003]
However, if the clearance is too small, the tip of the rotor blade and the shroud may slide in the initial stage of gas turbine operation due to thermal expansion of the rotor blade, eccentricity of the turbine rotor, vibration generated in the entire gas turbine, and the like. May move (so-called initial sliding). In addition, when the gas turbine is operated for a long period of time, the shroud exposed to high-temperature gas gradually undergoes thermal deformation, and the tip of the rotor blade and the shroud may slide (so-called secondary sliding). Motion). Vigorous sliding between the blade tip and the shroud can occur during initial sliding. On the other hand, the secondary sliding is a relatively gentle sliding.
[0004]
Generally, a shroud has a coating layer formed on the inner peripheral surface for the purpose of heat insulation or oxidation prevention. For example, TBC (Thermal Barrier Coating) is provided for the purpose of heat insulation, or it is made of MCrAlY (an alloy containing iron, nickel or cobalt as a main component and containing chromium, aluminum and yttrium, hereinafter referred to as MCrAlY). A chemical coating may be provided. In particular, since TBC is a ZrO ₂ -based oxide, it is often highly hard. For this reason, if the tip of the blade and the inner peripheral surface of the shroud slide, the blade may be greatly damaged.
[0005]
In JP-A-4-218698, JP-A-9-504340, JP-A-10-30403 and US Pat. No. 5,702,574, a matrix made of an oxidation-resistant metal material (typically MCrAlY) is used. A rotor blade having a polishing layer with abrasive particles dispersed at its tip is disclosed. In this polishing layer, the abrasive particles protrude from the matrix. For example, cubic boron nitride (CBN) is used as the abrasive particles. Cubic boron nitride is a high-hardness material. Therefore, when the tip of the rotor blade and the inner peripheral surface of the shroud slide, the abrasive particles made of cubic boron nitride polish the inner peripheral surface of the shroud. Thereby, an appropriate clearance is maintained between the moving blade and the shroud.
[0006]
This abrasive layer is obtained by first temporarily attaching abrasive particles to the rotor blade body and then forming a matrix around the abrasive particles by an electrodeposition plating method. That is, the matrix is formed by growing the plating layer. This method is inefficient because it takes a long time to grow the plating layer. Moreover, the formation of the matrix by the electrodeposition plating method is generally expensive.
[0007]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-30403 discloses a wear-resistant layer forming method for forming a matrix by a thermal spraying method. Thermal spraying is a technique for growing a metal layer by spraying molten metal. Thermal spraying is more efficient and less costly than electrodeposition plating.
[0008]
However, it is difficult to accurately control the thickness of the matrix by the spraying method, and the molten metal is also injected onto the surface of the abrasive particles, so that some or all of the abrasive particles may be buried in the formed matrix. . When the abrasive particles are buried, the polishing ability of the polishing layer is lowered. In the wear-resistant layer forming method disclosed in the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-30403, the surface of the matrix is machined and further subjected to chemical milling to remove the portion near the surface of the matrix, and the abrasive particles are removed from the matrix. It protrudes from.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, in this forming method, the portion near the surface of the matrix is removed by two-stage processing including mechanical processing and chemical milling processing, so that processing takes time and cost.
[0010]
The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to be able to efficiently and inexpensively produce a moving blade provided with a polishing layer at its tip.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The invention made to achieve the above-mentioned object is a method for manufacturing a combustion engine rotor blade in which an abrasive layer having a matrix and a large number of abrasive particles dispersed in the matrix is formed at the tip thereof. It is a manufacturing method including the following steps (1) and (2).
(1) a matrix forming step of forming a matrix so that abrasive particles are buried at the tip of the rotor blade body;
(2) A removal step of subjecting the matrix to electric discharge machining to remove a portion close to the surface of the matrix and causing abrasive particles to protrude from the matrix.
[0012]
In this manufacturing method, a matrix is first formed so that abrasive particles are buried. Therefore, accurate control of the matrix thickness is not necessary. Further, in this manufacturing method, the portion near the surface of the matrix is removed in preference to the abrasive particles by electric discharge machining. That is, in this manufacturing method, the matrix formation step (1) and the removal step (2) are both simple and inexpensive.
[0013]
Preferably, a portion near the surface (surface side) of the matrix is removed by weak electric discharge machining. In electric discharge machining, abrasive particles that are not energized during machining are not removed, and only the matrix around the abrasive particles is reliably removed. However, although electric discharge machining is excellent in machining efficiency, it takes time and effort to perform final protrusion of abrasive particles with high accuracy.
[0014]
Preferably, the ratio of the electrical resistance value of the material of the abrasive particles to the material of the matrix is 200% or more. As a result, the removal of the portion near the surface of the matrix preferentially over the abrasive particles is achieved more reliably. That is, it is possible to prevent the abrasive particles from being removed together when the portion near the surface of the matrix is removed.
[0015]
A preferred combination of matrix and abrasive particles includes a case where the main component of the matrix is MCrAlY and the main component of the abrasive particles is cubic boron nitride (CBN) or alumina (Al ₂ O ₃ ).
[0016]
Another invention made to achieve the above object is a method of manufacturing a combustion engine rotor blade in which a polishing layer having a matrix and a large number of abrasive particles dispersed in the matrix is formed at the tip thereof. The manufacturing method includes the following steps (A) and (B).
(A) a matrix forming step of forming a matrix so that abrasive particles are buried at the tip of the rotor blade body;
(B) A removal step of subjecting the matrix to blasting to remove a portion near the surface of the matrix and causing abrasive particles to protrude from the matrix.
[0017]
In this manufacturing method, a matrix is first formed so that abrasive particles are buried. Therefore, accurate control of the matrix thickness is not necessary. Further, in this manufacturing method, the portion close to the surface of the matrix is removed in preference to the abrasive particles by blasting with excellent processing efficiency. That is, in this manufacturing method, the matrix forming step (A) and the removing step (B) are both simple and low cost. In addition, the removal of the matrix by blasting can be performed while confirming the final finish visually, so that it can be said that the processing is easy to add and finish. In this respect, it is superior to electric discharge machining.
[0018]
Preferably, when the Vickers hardness of the matrix is H1, the Vickers hardness of the abrasive particles is H2, and the Vickers hardness of the blast particles used for blasting is H3, H1, H2 and H3 are expressed by the following formula (I ) Is satisfied.
H1 <H3 <H2 (I)
This reliably achieves removal of the portion near the surface of the matrix that has priority over the abrasive particles. That is, it is possible to prevent the abrasive particles from being removed together when the portion near the surface of the matrix is removed. As used herein, the term “Vickers hardness” means Vickers hardness (HV) measured at room temperature (23 ° C.).
[0019]
As an example of a preferable combination of the matrix, the abrasive particles, and the blast particles, there is a case where the main component of the matrix is MCrAlY, the main component of the abrasive particles is cubic boron nitride, and the main component of the blast particles is alumina. . Another example of a preferable combination is a case where the main component of the matrix is MCrAlY, the main component of the abrasive particles is alumina, and the main component of the blast particles is zirconia (ZrO ₂ ).
[0020]
In these inventions, it is preferable that a brazing method or a thermal spraying method in which a matrix is efficiently formed at a low cost is employed in the matrix forming step.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments with appropriate reference to the drawings.
[0022]
FIG. 1 is a flowchart illustrating a method for manufacturing a combustion engine rotor blade according to an embodiment of the present invention. In this manufacturing method, first, metal powder made of the same material as that of the matrix is prepared (STP1). Next, abrasive particles are prepared (STP2). Next, this metal powder and abrasive particles are mixed at a predetermined ratio to obtain a mixed powder (STP3). Next, the mixed powder is placed on the tip of the main body of the combustion engine blade (hereinafter also simply referred to as “blade”) (STP4). Next, the mixed powder is heated and further cooled (STP5). The metal powder in the mixed powder is melted by heating, and the molten metal is solidified by cooling. And it adheres to a rotor blade main body (so-called brazing). Thus, a matrix in which the abrasive particles are buried is formed.
[0023]
FIG. 2 is an enlarged sectional view showing a part of the rotor blade 1 after the STP 5 (that is, after the matrix 3 is formed). As shown in this figure, the abrasive particles 4 are dispersed in the matrix 3 formed at the tip (upper end in FIG. 2) of the rotor blade body 2. The abrasive particles 4 are almost buried in the matrix 3.
[0024]
The blade 1 is subjected to blasting (STP6). In the blasting process, blast particles are sprayed on the surface of the matrix 3. By this blasting process, a portion near the surface of the matrix 3 is removed from the rotor blade 1. Thus, the polishing layer 5 (see FIG. 3) is formed.
[0025]
FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view showing a part of the rotor blade 1 after the STP 6 (that is, in a state where the polishing layer is completed). As is clear from this figure, the thickness of the matrix 3 (indicated by the double arrow T in FIG. 3) is thinner than the thickness t in the matrix state shown in FIG. This is because the portion near the surface of the matrix 3 in FIG. 2 has been removed by blasting. Since the abrasive particles 4 are hardly removed even by the blasting process, the abrasive particles 4 protrude from the matrix 3 (so-called “scale”) as the portion near the surface of the matrix 3 is removed. The protruding portion of the abrasive particles 4 polishes the shroud inner peripheral surface, which will be described in detail later.
[0026]
In order to remove the portion closer to the surface of the matrix 3 in preference to the abrasive particles 4 by blasting, it is preferable to use blast particles having a lower hardness than the abrasive particles 4 and a higher hardness than the matrix 3. That is, when the Vickers hardness of the matrix 3 is H1, the Vickers hardness of the abrasive particles 4 is H2, and the Vickers hardness of the blast particles used for blasting is H3, H1, H2 and H3 are expressed by the following formula (I It is preferable to satisfy the relationship indicated by
H1 <H3 <H2 (I)
[0027]
For example, when the matrix 3 has a Vickers hardness of 100 to 500 and the abrasive particles 4 have a Vickers hardness of 3500 to 7000, blast particles having a Vickers hardness of 1500 to 2500 are preferably used. As a specific example of such a combination, the main component of the matrix 3 is MCrAlY (Vickers hardness: about 300), the main component of the abrasive particles 4 is cubic boron nitride (Vickers hardness: about 5000), and blast particles The main component is alumina (Vickers hardness: about 2000). Blasting pressure is preferably 4kg / cm ^² ~5kg / cm ² in this case, blast distance is preferably about 20 mm, blasting time is preferably 20 seconds 10 seconds.
[0028]
For example, when the matrix 3 has a Vickers hardness of 100 to 500 and the abrasive particles 4 have a Vickers hardness of 1500 to 3000, blast particles having a Vickers hardness of 700 to 1200 are preferably used. As a specific example of such a combination, the main component of the matrix 3 is MCrAlY (Vickers hardness: about 300), the main component of the abrasive particles 4 is alumina (Vickers hardness: about 2000), and the main component of the blast particles Is zirconia (Vickers hardness: about 1000). Blasting pressure is preferably 5kg / cm ^² ~6kg / cm ² in this case, blast distance is preferably about 20 mm, blasting time is preferably 100 seconds 60 seconds.
[0029]
When the average particle diameter of the blast particles is too small, it takes a long time to remove the portion near the surface of the matrix 3, and as shown in FIG. 4A, the necessary matrix 3 in which the periphery of the abrasive particles 4 is fixed. Until the blast particles 8 are removed, the abrasive particles 4 cannot be firmly supported. On the other hand, when the average particle diameter of the blast particles 8 is too large, the blast particles 8 cannot enter between the adjacent abrasive particles 4 and 4 as shown in FIG. It becomes difficult to remove the portion near the surface, and the abrasive particles 4 do not protrude appropriately. As shown in FIG. 4C, when the size of the abrasive particles 4 is moderate, the meat part of the matrix 3 for fixing the abrasive particles 4 remains around the abrasive particles 4, and the abrasive particles 4 are firmly matrix. 3 and the protruding amount of the abrasive particles 4 is also moderate.
For example, when the abrasive particles 4 having an average particle diameter of about 100 μm are dispersed at a density of 50 particles / mm ² , the average particle diameter of the blast particles used is preferably about 50 μm.
[0030]
In the manufacturing method shown in FIG. 1, the polishing layer 5 is formed by a brazing method, but a thermal spraying method may be employed instead of the brazing method. In the thermal spraying method, first, the abrasive particles 4 are temporarily fixed to the rotor blade body 2 by a thin electrodeposition plating layer or the like. A molten metal made of the same material as that of the matrix 3 is sprayed around the abrasive particles 4. The matrix 3 is formed by the solidification of the molten metal. In the case of the thermal spraying method, the abrasive particles 4 tend to be buried in the matrix 3, but the protrusion of the abrasive particles 4 is achieved by performing the blasting process described above.
[0031]
A portion near the surface of the matrix 3 formed by the brazing method or the thermal spraying method may be removed by electric discharge machining instead of blasting. In the electric discharge machining, a planar electrode is provided at a position facing the matrix 3, and a voltage is applied between the electrode and the rotor blade body 2. In general, since the matrix 3 is conductive and the abrasive particles 4 are non-conductive, a portion near the surface of the matrix 3 is removed in preference to the abrasive particles 4 by applying a voltage. By removal, the abrasive particles 4 protrude from the matrix 3.
[0032]
When electric discharge machining is employed, weak electric discharge machining is preferable from the viewpoint of preventing the abrasive particles themselves 4 from being removed or damaged together with the portion near the surface of the matrix 3. From the same viewpoint, the ratio of the electrical resistance value of the material of the abrasive particles 4 to the material of the matrix 3 is preferably 200% or more, and particularly preferably 1000% or more.
[0033]
The efficiency of removing the portion near the surface of the matrix 3 is superior to electrical discharge machining or mechanical removal using alumina paper or the like, rather than blasting. In general, the thermal spraying method is more severely buried in the abrasive particles 4 than the brazing method. Therefore, when the matrix 3 is formed by the thermal spraying method, it is preferable that machining and electric discharge machining are performed as rough finishing, and the protrusion of the abrasive particles 4 is achieved by blasting in the final finishing. Compared to the brazing method, the thermal spraying method has a high degree of burial, so as a method to remove the matrix efficiently, first perform rough finishing with alumina-based paper, check the tip of the CBN, and then finish with blasting It has been confirmed that it can be removed efficiently. On the other hand, in the case of the brazing method, the matrix can be removed only by blasting.
[0034]
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a part of a turbine portion of a gas turbine in which the moving blade 1 obtained by the manufacturing method of FIG. 1 is used. In this figure, the moving blade 1 and the shroud 6 are shown. The aforementioned polishing layer 5 is formed at the tip of the rotor blade 1. The shroud 6 includes a thermal barrier layer 7 (TBC) mainly composed of zirconia on its inner peripheral surface. Instead of the heat shielding layer 7, a coating layer made of MCrAlY or the like may be formed. A clearance (indicated by a double arrow C in FIG. 1) between the polishing layer 5 and the heat shielding layer 7 is a clearance. When the moving blade 1 and the shroud 6 slide, the inner peripheral surface of the shroud 6 is polished by the polishing layer 5. By this polishing, an appropriate clearance C is maintained.
[0035]
The average particle diameter of the abrasive particles 4 is preferably 50 μm or more and 200 μm or less. If the average particle diameter is less than 50 μm, the polishing ability of the polishing layer 5 may be insufficient. From this viewpoint, the average particle diameter is particularly preferably 80 μm or more. On the other hand, if the average particle diameter exceeds 200 μm, the polishing ability of the polishing layer 5 may be insufficient, or the oxidation resistance of the abrasive particles 4 may be insufficient. From this viewpoint, the average particle diameter is particularly preferably 170 μm or less.
[0036]
The thickness T of the matrix 3 is preferably 50 μm or more and 200 μm or less. When the thickness of the matrix 3 is less than 50 μm, the durability of the polishing layer 5 may be insufficient. On the contrary, if the thickness of the matrix 3 exceeds 200 μm, the protrusion of the abrasive particles 4 may be difficult to achieve.
[0037]
FIG. 6 is a cross-sectional view in which the rotor blade 1 of FIG. 3 is further enlarged. As described above, the abrasive particles 4 protrude from the matrix 3. What is indicated by a double-headed arrow p in this figure is the protruding dimension of the abrasive particles 4. When the average particle diameter of the abrasive particles 4 is D and the average value of the protrusion dimensions p of all abrasive particles 4 protruding from the matrix 3 (that is, the average protrusion dimension) is P, the average protrusion with respect to the average particle diameter D The ratio of the dimension P is preferably 25% or more and 70% or less. When this ratio is less than 25%, the polishing ability of the polishing layer 5 may be insufficient. From this viewpoint, the ratio is more preferably 30% or more. On the other hand, if this ratio exceeds 70%, the abrasive particles 4 may easily fall off the matrix 3. In this respect, the ratio is more preferably equal to or less than 50%.
[0038]
As described above, the manufacturing method of the present invention has been explained in detail by taking the moving blade used in the turbine section of the gas turbine as an example, but the present invention is also suitably applied to the moving blade of a compressor of a gas turbine, a jet engine or the like. sell.
[0039]
【The invention's effect】
As described above, the present invention is a method for manufacturing a combustion engine rotor blade in which a polishing layer including a matrix and a large number of abrasive particles dispersed in the matrix is formed at the tip of the rotor blade body. The matrix forming step of forming a matrix so that abrasive particles are buried at the tip of the rotor blade body, and the matrix is subjected to electric discharge machining or blasting to remove a portion near the surface of the matrix, and the abrasive particles are removed from the matrix. Since the manufacturing method including the removing step of protruding is used, the moving blade can be manufactured efficiently at a low cost at the tip of the moving blade body.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a flowchart showing a method for manufacturing a combustion engine blade according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view showing a part of a moving blade in a stage before removal of a matrix layer.
FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view showing a part of a rotor blade after removing a surface side of a matrix layer.
4A is a cross-sectional view showing a polishing layer when the average particle size of the blast particles is too small, FIG. 4B is a cross-sectional view showing the polishing layer when the average particle size of the blast particles is too large, and C is a cross-sectional view showing the polishing layer. It is sectional drawing which shows a polishing layer in case the average particle | grains of particle | grains are moderate.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a part of a turbine portion of a gas turbine in which a moving blade obtained by the manufacturing method of FIG. 1 is used.
6 is a cross-sectional view in which the blade of FIG. 3 is further enlarged.
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Rotating blade 2 Rotating blade body 3 Matrix 4 Abrasive particle 5 Abrasive layer 6 Shroud 7 Heat shield layer 8 Blast particle

Claims

A method of manufacturing a combustion engine rotor blade in which a polishing layer comprising a matrix and a large number of abrasive particles dispersed in the matrix is formed at the tip of a rotor blade body,
A matrix forming step of forming a matrix so that abrasive particles are buried at the tip of the rotor blade body;
This matrix is subjected to blasting to remove surface near part of the matrix, it Nde including a removal step of projecting the abrasive particles from the matrix,
When the Vickers hardness of the matrix is H1, the Vickers hardness of the abrasive particles is H2, and the Vickers hardness of the blast particles used for blasting is H3, these Vickers hardnesses satisfy the relationship of H1 <H3 <H2. Manufacturing method to meet .

The manufacturing method according to claim 1 , wherein the main component of the matrix is M-Cr-Al-Y, the main component of the abrasive particles is cubic boron nitride, and the main component of the blast particles is alumina.

The manufacturing method according to claim 1 , wherein the main component of the matrix is M-Cr-Al-Y, the main component of the abrasive particles is alumina, and the main component of the blast particles is zirconia.

The manufacturing method according to any one of claims 1 to 3 , wherein the matrix is formed by a brazing method or a thermal spraying method.