JP4223935B2 - 摩耗性シール用粉末材料 - Google Patents

Description

本発明は、摩耗性シールを作る粉末材料の一般的な分野に関する。本発明の詳細な応用分野はターボ機械の分野である。

非常に多くの用途で摩耗可能性（ａｂｒａｄａｂｉｌｉｔｙ）の特性を有する材料が一般に使用されており、シール形成用用途について特にそれが言える。摩耗性シールは特に、漏洩が多いとターボ機械の効率に悪影響を及ぼす空気またはガスの漏洩を低減するために、コンプレッサなどのターボ機械の回転部品に関連して使用される。

このようなターボ機械のコンプレッサは、固定リング内に据え付けられた軸に固定された複数の羽根に存在している。運転中、この軸はコンプレッサリング内側の羽根と一緒に回転する。

ターボ機械に対して適切な効率を保証するためには、ターボ機械の圧縮部の空気およびガスの漏洩をできるだけ少なく低減することが重要である。この漏洩の低減は、最初に羽根の先端とコンプレッサリングの内面の間に存在し、二番目にディスク間シュラウドと固定子の外面の間に存在する隙間を最小限にすることによって得られる。しかしながら、コンプレッサ羽根の熱膨張および遠心力膨張のために、羽根の先端とコンプレッサリングの内面の間で小さな隙間を得ることは困難になっている。

このような条件下では、一般に、コンプレッサリングの内面を摩耗性材料の被膜で覆い、羽根の先端が摩耗性被膜にできるだけ近くなるようにコンプレッサの軸をコンプレッサリング内に据え付ける。したがって、このような摩耗性被膜の役割はターボ機械のコンプレッサの静止部と可動部の間にシールを形成することにある。

コンプレッサの静止部と可動部の間で接触が起こる場合は、摩耗性材料のシールによって、接触する回転子の部品を損傷することなく小さな隙間を得ることが可能になる。コンプレッサの静止部と可動部の間の干渉は、このようなコンプレッサ運転中の過渡状態の間に生ずる静止部と可動部の膨張の本質的な差異によるものである。羽根のクリープ、アンバランスおよび振動の各現象もまたこのような干渉を招く可能性がある。

このような干渉がある状況下では、シールが以下の基準を満足することが重要である。

−羽根の先端は過度に摩耗されてはならない。少量の摩耗は許容できるが、万一接触した場合は、損傷するのがこのシール材であることが好ましい。

−羽根先端とガスケットの接触によって羽根が加熱されてはならず、このような加熱によって火事を起こす可能性があるチタン合金で羽根が作られている場合は特にそれが言える。

−シールは、コンプレッサの流路部を移動するガスの流れが引き起こす浸食に耐えなければならない。

−シールはまた、酸化性および腐食性環境中でその摩耗可能性を保持しなければならない。コンプレッサの温度上昇は酸化をもたらし、ターボ機械の燃焼ガスおよび外側の空気は周囲環境の腐食をもたらす。

−万一シールがすりへった場合は、その残留物がコンプレッサ冷却用のオリフィス孔を塞いではならない。

−最後に、シールを形成する摩耗性材料は、その摩食される能力を劣化させる、硬化したり、脆くなったりおよび粉々に砕けたりするなどの変質を呈することなく高温に耐えなければならない。摩耗性材料は、ターボ機械の様々な運転サイクルに劣化せずに耐えることができなければならない。

非常に多くの摩耗性シール形成用粉末材料が提案されてきている。これらの種々の材料は主に２つの範疇、すなわち、珪素ベースの金属粉末を有する材料（たとえば、ＡｌＳｉ合金および有機粉末を含む材料）と、クロムおよびニッケルを主成分とする金属粉末を有する材料（たとえば、ＮｉＣｒＡｌ合金と、セラミック粉末、有機粉末、または粘土粉末とを含有する材料）とに分類することができる。しかしながら、これらの摩耗性材料にはそれらが属する範疇に応じた欠点がある。

珪素を主成分とする材料は満足すべき摩耗可能性および浸食の各特性を有しているが、高温における使用適合性が限定されている。たとえば、米国特許第５４３４２１０号に記述された粉末材料が知られている。その材料は利用温度が約４００℃に限定されている。その温度以上では、材料の金属基材が収縮し、その密度が高くなり、面している羽根先端の摩耗を招く可能性がある。

クロムおよびニッケルを主成分とする材料については、比較的安定で高温にもよく耐えるが、その摩耗可能性および浸食の各特性は十分とは言えず、特に、被覆していないチタン合金で作られたコンプレッサ羽根に面してこの材料を被着させた場合にそのことが言える。たとえば、ＮｉＣｒＡｌ合金は優れた高温挙動を有しているが、比較的硬く、したがって羽根の過度の摩耗を招く。

このような欠点を緩和するために、羽根の先端上に設けた保護被膜に頼ることができる。しかしながら、このような被膜を使用すると特に費用が掛かる。

したがって、本発明の目的は、シール用の摩耗性被膜形成用の粉末材料であり、このシール材料が上に挙げた基準を満足するものである。

本発明の別の目的は、温度が５５０℃ほどの高さになる可能性がある用途に対して満足すべき挙動を示す摩耗性被膜を提供することにある。

本発明のさらに別の目的は、チタン合金製の羽根またはワイパに面して、その先端の保護被膜に頼る必要性もなく使用することができる摩耗性シールを提供することにある。

この目的のために、本発明は、アルミニウムを主成分としマンガンまたはカルシウムを含有する金属粉末を含むことを特徴とする摩耗性被膜形成用粉末材料を提供するものである。

この新規な粉末材料の熱特性は、摩耗性ガスケットを作るのに現在使用されている材料の熱特性より優れている。本出願人は、ＡｌＭｎまたはＡｌＣａ合金はたとえばＡｌＳｉ合金と比較して十分に高い共融停止温度を有し、材料の変質または劣化を伴わずに約５５０℃の温度に到達することができることを確認した。

有利なことに、得られた被膜の多孔性を増加させるために、有機粉末が、可動部と静止部の間の接触に対する摩耗可能性を促進し、被膜の温度を上げることを可能にするように加えられている。

さらにまた、有利なことには、固体セラミックの潤滑性粉末を添加することによって、可動部と静止部の間で接触が起きた場合に羽根の加熱を避けるのに十分な薄片相互剥離を得ることが可能になる。得られた粉末材料はこのように上記の基準を満足している。それは全体的に、特にターボ機械コンプレッサのシール用の摩耗性被膜を形成するのに適している。

有利なことに、このセラミック粉末は次の成分、すなわち、窒化ホウ素、二硫化モリブデン、黒鉛、タルク、ベントナイト、および雲母のうちの１つを含み、また、有機粉末は、次の成分、すなわち、ポリエステル、ポリメチルメタクリレート、およびポリイミドのいずれか１つを含む。

金属粉末は好ましくは材料の合計重量の６５〜９５重量％であり、セラミック粉末は好ましくは３〜２０重量％であり、また有機粉末は好ましくは５〜２０重量％である。

金属粉末は、次の元素、すなわち、クロム、モリブデン、ニッケル、珪素、および鉄の１種または複数種を追加して含むこともできる。金属粉末を形成するマンガンまたはカルシウムは有利なことに金属粉末重量の５〜２０重量％であり、追加元素は金属粉末重量の１０重量％以下である。

本発明の好ましい実施形態においては、金属粉末はＡｌＭｎ５合金であり、セラミック粉末は六方晶系の窒化ホウ素であり、有機粉末はポリエステルである。

本発明の粉末材料は、たとえばタービンコンプレッサまたはタービンリングのシール用被膜などの摩耗性材料を作るためのものである。

この粉末材料は、基本的に、アルミニウムを主成分とする合金の金属粉末を含んでいる。

この合金の第二主要金属元素は、金属粉末の５〜２０重量％の含有率であるマンガンまたはカルシウムである。

（ＡｌＭｎまたはＡｌＣａタイプの）金属粉末はまた、次の追加金属元素、すなわち、クロム、モリブデン、ニッケル、珪素、および鉄の１種または複数種も追加して含むことができる。これら各追加元素の個々の量は金属粉末重量の５％を超えてはならず、これら追加元素の合計量は金属粉末重量の１０％を超えてはならない。

粉末材料は、好ましくは、次の成分、すなわち、ポリエステル、ポリメチルメタクリレート、およびポリイミドの１種または複数種を含有する有機粉末をさらに含む。この有機粉末は、ポリマータイプの他のどのような材料、たとえば、ポリエチレン、ポリ酢酸ビニル、またはポリアラミドで構成されていてもよい。

さらに、セラミック粉末を有利になるように加えることができる。このセラミック粉末は、次の固体セラミック潤滑剤、すなわち、窒化ホウ素、二硫化モリブデン、黒鉛、タルク、ベントナイト、および雲母の群から選択される１種または複数種の成分を含む。この固体セラミック潤滑剤はまた、その他の、たとえば、カオリンおよびその他の粘土などの珪酸塩を主成分とする層状材料で構成されていてもよい。

このようにして作製した金属粉末、潤滑性粉末、および有機粉末は、次の割合、すなわち、金属粉末は材料の合計重量の６５〜９０重量％、セラミック粉末は５〜２０重量％の範囲、有機粉末は５〜１５重量％の範囲で一緒に混合することが好ましい。

これら各粉末は機械的に混合することができる。この方法は、様々な成分を機械的に混合することにあり、また混合器によって生じた圧縮力およびせん断力により、初期成分によってそれぞれ構成される各凝集物を得ることにある。

しかしながら、混合は、凝集−乾燥または溶解−研削などの他の方法によって得ることもできる。

好ましい実施形態において、粉末材料はアルミニウムとマンガンの合金（ＡｌＭｎ５）の金属粉末、六方晶系窒化ホウ素（ｈＢＮ）のセラミック粉末、およびポリエステル（ＰＥ）の有機粉末を含む。有利には、ＡｌＭｎ５合金は材料の合計重量の約７５重量％であり、六方晶系窒化ホウ素は同合計重量の約１５重量％であり、ポリエステルは同合計重量の約１０重量％である。

このようにして得た粉末材料は、摩耗性被膜を形成するために従来の手法（たとえば、プラズマ手法またはフレーム手法）を使用する熱スパッタリング向けのものである。

材料内に空隙を生成するために摩耗性被膜を昇華熱処理にかけ、その多孔度を増加させることが有利である可能性がある。このような昇華処理には、実際に近い使用条件下でテストを行うことができるように有機粉末を取り除く作用があり、そこでは有機成分が必ず取り除かれる。

テスト
ＡｌＭｎ５粉末７５重量％をＰＥ１０重量％およびｈＢＮ１５重量％と機械的に混合することにより、熱スパッタリング用の粉末混合物を作製した。ニッケルベース基板をＮｉＡ１５の下塗り層で被覆した。その後、この方法で得られた粉末を基板上にプラズマスパッタした。このテスト中に用いたスパッタリングパラメータを以下の表にまとめた。

使用したインジェクタのパラメータは以下の通りである。

このようなスパッタリング後に得た被膜は約３ｍｍの厚さを示す摩耗性被膜を形成した。被膜の硬さを示すロックウェルＲ１５Ｙ押込みスケールを用いてこの被膜の硬さを測定した。この場合には、テストした被膜はＲ１５Ｙ押込み値が約７０を示した。

その後、この方法で被覆したような基板サンプルを５００℃で４時間昇華の工程にかけた。この被膜は昇華終了時にＲ１５Ｙ押込み値が約６０を示した。

被膜の評価は、被膜を施していないチタン合金の羽根に面した摩耗性試験ベンチ上で行った。摩耗に対するシールの適合性を以下のテスト条件下で測定した。

実施した種々の測定値は次の点に関するものである。すなわち、３軸に沿った力（半径方向（ペネトレーション）Ｆｒ、円周方向（切断）Ｆｃ、および軸方向（キャリッジ変位）Ｆａ）および羽根の摩耗について測定した。表Ｉにこれらの結果を、ＡｌＳｉ混合物、有機粉末および六方晶系窒化ホウ素で構成された従来技術の被膜に関して得られた結果（表ＩＩ）と比較して示す。

これらの結果を見ると、この方法で得られた摩耗性シールは、表ＩＩの従来のガスケットと比較して良好な耐浸食性を示している。この摩耗性シールは、金属合金、特に被膜を施していないチタン合金で作られた羽根との接触で、羽根の摩耗を引き起こさずにそれ自体摩耗することが可能である。このシールの冶金学的安定性により、約５５０℃の高温には耐えることができない表ＩＩの従来のガスケットと異なり、この高温にも耐えることができるようになる。

Claims (13)

1. アルミニウムを主成分としマンガンまたはカルシウムを含有する金属粉末並びに有機粉末を含み、前記金属粉末のマンガンまたはカルシウムが前記金属粉末の５〜２０重量％であることを特徴とする摩耗性被膜形成用粉末材料。
2. 前記有機粉末が前記材料の合計重量の５〜１５重量％であることを特徴とする請求項１に記載の材料。
3. 前記有機粉末が、次の成分、すなわち、ポリエステル、ポリメチルアクリレート、およびポリイミドのいずれか１つを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の材料。
4. セラミック粉末をさらに含むことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の材料。
5. 前記セラミック粉末が前記材料の合計重量の５〜２０重量％であることを特徴とする請求項４に記載の材料。
6. 前記セラミック粉末が、次の成分、すなわち、窒化ホウ素、二硫化モリブデン、黒鉛、タルク、ベントナイト、および雲母のいずれか１つを含むことを特徴とする請求項４または５に記載の材料。
7. 前記金属粉末が、次の追加元素、すなわち、クロム、モリブデン、ニッケル、珪素、および鉄の１種または複数種をさらに含むことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の材料。
8. 前記金属粉末の追加元素が前記金属粉末の重量の１０重量％以下であることを特徴とする請求項７に記載の材料。
9. 前記金属粉末が前記材料の合計重量の６５〜９０重量％であることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の材料。
10. 前記金属粉末がＡｌＭｎ５合金であることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の材料。
11. 六方晶系窒化ホウ素およびポリエステルをさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載の材料。
12. 前記ＡｌＭｎ５合金が材料の合計重量の７５重量％であり、前記六方晶系窒化ホウ素が材料の合計重量の１５重量％であり、前記ポリエステルが材料の合計重量の１０重量％であることを特徴とする請求項１１に記載の材料。
13. 請求項１から１２のいずれか一項に記載の粉末材料の熱スパッタリングによって得られるものであることを特徴とするシール用摩耗性被膜。