JP4394753B2 - 摩耗性シールの製造方法、摩耗性シールおよびガスタービンエンジンの構成要素 - Google Patents

Description

発明の背景
この発明は、摩耗性シールに関し、より詳しくは、シール材の表面に特有のテクスチャーを付与しその摩耗性を向上させるレーザーの使用に関する。
現在のガスタービンエンジンの効率は、ファン，コンプレッサー及びタービンの回転要素（ブレード）と固定要素（シュラウド）との間の密なシールに依存している。このシールは、ブレードが摩耗性シール材に設けられた溝を切除する（摩耗させる）ことで成り立っているが、これは実質的な量の空気がブレードの翅端を通って漏れることを防止している。従来から、シール材は、織込まれた金属繊維又は焼結金属材から作成され、適当な箇所に鑞付けされて用いられる。これらの材料は、その内部の多孔性が高く強度が低いため容易に摩耗するが、一方では、粒子による侵食摩耗に対する抵抗が弱く、急速に損耗してしまう。材料の損耗は、シール性を落とし、エンジンの効率を急に低下させる。より進んだエンジンに使われるシール材は、溶射コーティング材であり、これは織込んだ摩耗性シール材と同じ機能を有するが、エンジンのオーバーホール時に容易に取付け、交換できる。この溶射シール材の性質は、耐侵食性又は摩耗性のいずれかを最大にするように変更ができる。しかし、これら両者の性質を同時に最大にすることは出来なかった。
摩耗性シール材を作成するための溶射粉体を使用することは、アメリカ合衆国特許第４２９１０８９号に示された技術で知られている。このような粉体は、基材の上にコーティングを形成し摩耗性シールを提供する、即ち、このコーティングは、基材とそれに対して隣接し移動する隣接面との間の空間をシールするが、また、基材及び隣接面との間の相対運動のためある制御された範囲まで摩耗される。このようなシールは、先ず、粉体を基材の上に溶射して、基材と隣接面との間隔よりも僅かに大きな厚さを持ったコーティングを作成し、該コーティングを基材と隣接面との相対運動で摩耗させ、基材と隣接面との間隔に対応する厚さより僅かに薄い厚さにし、それによってこの間隔での効果的なシールを形成する。この様なシールは、例えば、航空機で使用されるような、ガスタービンエンジンのタービン又はコンプレッサーのブレードに対して使われ、ブレードとタービン又はコンプレッサーのハウジングとの間のシールを形成する。
適当な摩耗性シールを提供する上での問題の一つは、形成される溶射コーティングが、一方では、十分な構造上の強度を持ちながらも摩耗性を提供するだけ低くなければならないこと、他方では、粒子が使用中に摩耗性シールコーティングに衝突し侵食してしまうことへの十分に高い抵抗性を持つことである。例えば、ガスタービン又はコンプレッサーのブレードの場合には、シールコーティングは、空気中に同伴されエンジンに吸い込まれた摩耗を起こす粒子の衝突にさらされる。
摩耗性シールコーティングを形成するために使われるあるタイプの粉体において、例えばアメリカ合衆国特許第３９１４５０７号に開示されているように、各粉体粒子は、金属製の材料の層で囲まれている非金属性固体粒子からなる中心核を有している。このような粉体は複合粉体として、また、粉体粒子は複合粉体粒子として知られている。今まで提案されてきたこの種の複合粉体は、粒子を有し、各粒子は、ニッケル又はニッケル合金によって囲まれた核（コア）を備えている。このような粉体を溶射して形成された摩耗性シールコーティングは、航空機ガスタービンエンジンのコンプレッサー及びタービンに適用される摩耗性シールコーティングとして有用であった。
発明の概要
要約すると、この発明は、摩耗性シールと摩耗性シール材の表面の領域に向上した摩耗性を付与するために有効なパターンをレーザーによって刻むことを含む摩耗性シールの作成方法を提供するものである。
【図面の簡単な説明】
この発明の実施例が、例示として、添付の図面を参照して説明される。これらの図において、
図１−図３は、ガスタービンエンジンコンプレッサーのシュラウドリングの図面であり、斜交平行線パターンで示された摩耗性シールコーティングをその上に形成している。図１は平面図であり、図２は側面図であり、また、図３は図２の摩耗性シールを拡大したものである。
図４−図６は、ガスタービンエンジンコンプレッサーのシュラウドリングの図面であり、管状セルパターンで示された摩耗性シールコーティングをその上に形成している。図４は平面図であり、図５は側面図であり、また、図６は図５の摩耗性シールを拡大したものである。
図７−図１０は、他のパターンの実施例であり、図７はストライプ状パターンの平面図を示し、図８は図７の断面図であり、また、図９は傾斜するストライプ状パターンの平面図であり、図１０は図９の断面図である。
図１１は、実施例１で作成されたパターンの平面図を示す。
図１２は、実施例２で作成されたパターンの平面図を示す。
発明の詳細な説明
摩耗性シールは、レーザーを用い、摩耗性シール材の表面にパターンを刻むことでもって作成される。レーザーによって特有のテクスチャーを形成することは、良好な侵食抵抗を持ちながらもその部分の摩耗性を向上させる必要がある摩耗性シール材に対しその表面を変更する手段となる。この変更した表面は、例えば、近接した孔を設けたパターン，斜交平行線パターン，管状セルパターン，ストライプ又は傾斜ストライプパターン，シールに対して垂直又は平行に走る線からなるパターン又は摩耗性を向上させるその他のパターンである。図には、種々のパターンが示されている。テクスチャーの形成は、その部分の摩耗性をさらに向上させるため、シール接触面積の幅に亘って施すこともできる。この発明によれば、侵食抵抗性のある摩耗性シール材に対し、良好な摩耗性を取り込むように変更できる。現存する摩耗性シールは、このような特性を有してはいない。
摩耗性シール材としては、溶射コーティング材、予め作成されたシート（パネル）であって焼結または鑞付けによって部材要素に取付けられたもの、又はこの分野で知られた他の材料である。有効なことには、この発明を用いて、より侵食抵抗のあるシール材に対しレーザーによるテクスチャー形成を付与することができるので、このようなシール材を利用することができるということである。ガスタービンエンジンの部材要素は、代表的には、ニッケル系，コバルト系，鉄系又はチタニュウム系の各合金である。摩耗性シール材としても、アルミニュウム系，チタニュウム系，鉄系，ニッケル系又はコバルト系の各合金とすることができ、又は、侵食抵抗性のある材料から作成することもできる。この侵食抵抗性材には、ＮｉＣｒ合金，ＮｉＣｒＡｌ合金又はＦｅＣｒ，ＣｏＣｒ，ＦｅＣｒＡｌ，ＣｏＣｒＡｌ若しくはＭＣｒＡｌＹの各合金とすることができ、この場合、Ｍとしては、Ｆｅ，Ｎｉ，又はＣｏ，酸化物，窒化物，ホウ化物，硫化物，珪化物そして２種以上の金属からなるものである。部材要素の表面それ自体を摩耗性シール材として利用することも可能である。一例として、摩耗性シール材には、非金属性粒子も含有することができ、このようなものには、窒化ボロン，ベントナイト，酸化物，窒化物，ホウ化物，珪化物，２種以上の金属からなるもの、そしてプラスティック，ポリマーなどの非金属がある。
レーザーによるテクスチャー形成は、摩耗性シール材に向上した摩耗性を付与することになるパターンを、その表面に刻むために用いられる。図１−図１０に示されているような、円形，斜交平行線及びストライプを含む種々のパターンが有効である。図１−図３は、摩耗性シール材に刻まれた斜交平行線パターンの使用を示している。図３−図６は、管状セル（円形）パターンであり、一方、図７−図１０は、表面に刻まれたストライプを示している。あるパターンの選択は、その特定のシール材及び要求される摩耗性の度合いによって定められる。パターンは、また、その材料に対し、ブレードが運転中に切除する（摩耗させる）ことになる深さまで刻まれる。典型的には、パターンの深さは、０．０１から０．１インチであり、その幅はブレードに依存して変更でき、０．１２５から２４インチとすることができる。ある例では、刻まれていない材料（即ち、パターンのない部分）は、パターンの両側即ち予期されるブレード経路の両側に残され、ガスタービンエンジンの運転中における侵食抵抗を増すことになる。図において、摩耗性シール材１は、コンプレッサーのシュラウドリング２の上に、ブレード経路４の領域に刻まれたパターン３として示されている。刻まれていない（パターンのない）摩耗性シール材５である付加領域は、パターン３の両側に示されている。図３及び図６において、パターンの深さ６はブレードの侵入が予想される深さと対応している。
パターン形成には、標準的なレーザーを使うことができる。代表的なレーザーは、約０．５キロワットで運転される５軸移動コントローラーを備えたレイセオン（Ｒａｙｔｈｅｏｎ）ＳＳ５５０ ＹＡＧレーザーである。
実施例１
幅、長さ及び厚さが、それぞれ約１．５インチ、４インチ及び０．１００インチのＳＵＳ３０４ステンレススチール板が、６０メッシュの酸化アルミニュウムを用いて吸引砂吹付けキャビネットの中で機械的にその表面を粗く調製された。スチール板は、Ｎｉ−５重量％Ａｌのボンドコートで０．００４から０．００６インチの厚さまで溶射コーティングされた。このボンドコートの表面は、次いで、ＮｉＣｒＡｌベントナイト（摩耗性コーティング材）でその厚さ約０．１５０インチまで溶射コーティングされた。摩耗性コーティング材の表面は、機械処理され、その表面は、本質的に平坦、かつ均一な表面粗さにされた。
この被覆スチール板は、レーザー装置のコンピュータ制御されたＸ−Ｙ座標台のジョーチャックに搭載された。コンピュータープログラムは、書き込まれコンピューターにロードされ、コンピューターは、図１１に示されているように、角度約４５°及び離間距離約０．０５０インチの対角線状に横切るパターンを形成した。レーザーは、活性化され、摩耗性コーティング材の表面を深さ約０．０５０インチまで切り刻んだ。
実施例２
幅、長さ及び厚さが、それぞれ約１．５インチ、４インチ及び０．１００インチのＳＵＳ３０４ステンレススチール板が、６０メッシュの酸化アルミニュウムを用いて吸引砂吹付けキャビネットの中で機械的にその表面を粗く調製された。スチール板は、Ｎｉ−５重量％Ａｌのボンドコートで０．００４から０．００６インチの厚さまで溶射コーティングされた。このボンドコートの表面は、次いで、ＮｉＣｒＡｌベントナイト（摩耗性コーティング材）でその厚さ約０．１５０インチまで溶射コーティングされた。摩耗性コーティング材の表面は、機械処理され、その表面は、本質的に平坦であり均一な表面粗さにされた。
この被覆スチール板は、レーザー装置のコンピュータ制御されたＸ−Ｙ座標台のクランプ用固定材に搭載された。コンピュータープログラムは、書き込まれコンピューターにロードされ、コンピューターは、被覆スチール板をその表面に亘って直線状に移動させる動きを創出した。その動きは、０．０５０インチ毎に停止し、レーザーを活性化し発射させた。横移動距離の端部で、スチール板は、垂直方向に０．０５０インチの割り出しがなされ、横方向に０．０２５インチのオフセットがとられるが、これは孔からなるその前の行との間に次の行を形成するためである。その表面が完全に横断され、図１２に示されるパターンとして切り刻まれるまで、このパターン形成は繰り返される。作成された孔は、約０．０５０インチの間隔と約０．０５０インチの深さを有していた。

Claims (34)

1. ガスタービンエンジンの部材要素であるシュラウド用の摩耗性シールを製造する方法であって、
   摩耗性シール材の表面の領域に向上した摩耗性を付与するために有効なパターンをレーザーによって刻む工程を有し、
   前記摩耗性シール材は、前記部材要素と当該部材要素と隣接するブレードの隣接面であるブレード面との間の相対移動により摩耗されて前記部材要素とこの部材要素に対して相対移動する前記隣接面との間のスペースをシールし、
   前記パターンは、前記隣接面がシール構造を形成する際に摩耗させる深さを有し、かつ前記隣接面により摩耗される領域に存在することを特徴とする、摩耗性シールの製造方法。
2. 請求項１に記載の摩耗性シールの製造方法において、
   表面にパターンが刻まれた前記摩耗性シール材を前記部材要素に付設することを特徴とする摩耗性シールの製造方法。
3. 請求項２に記載の摩耗性シールの製造方法において、
   前記部材要素と前記摩耗性シール材は金属性材料であることを特徴とする摩耗性シールの製造方法。
4. 請求項３に記載の摩耗性シールの製造方法において、
   前記部材要素は、ガスタービンエンジンの部材要素であり、かつ、ニッケル系，コバルト系，鉄系，アルミニュウム系及びチタニュウム系の各合金からなる群から選択された合金であることを特徴とする摩耗性シールの製造方法。
5. 請求項４に記載の摩耗性シールの製造方法において、
   前記摩耗性シール材は、鉄系合金，アルミニュウム系合金，チタニュウム系合金，ニッケル系合金，コバルト系合金，ＮｉＣｒ合金，ＮｉＣｒＡｌ合金及びＭＣｒＡｌＹ合金からなる群から選択された合金であり、ここでＭは、Ｆｅ，Ｎｉ若しくはＣｏ又はこれらの組合わせからなる群から選択されたものであることを特徴とする摩耗性シールの製造方法。
6. 請求項５に記載の摩耗性シールの製造方法において、
   前記摩耗性シール材は、非金属性粒子を含むことを特徴とする摩耗性シールの製造方法。
7. 請求項６に記載の摩耗性シールの製造方法において、
   前記非金属性粒子は、窒化ボロン，ベントナイト，酸化物，窒化物，ホウ化物，珪化物，金属間化合物，プラスティック及びポリマーからなる群から選択されたものであることを特徴とする摩耗性シールの製造方法。
8. 請求項４に記載の摩耗性シールの製造方法において、
   前記隣接面はブレードであることを特徴とする摩耗性シールの製造方法。
9. 請求項８に記載の摩耗性シールの製造方法において、
   前記パターンの深さが、約０．０１から０．１インチの範囲内であることを特徴とする摩耗性シールの製造方法。
10. 請求項９に記載の摩耗性シールの製造方法において、
    前記パターンは、近接した孔，斜交平行線，ストライプ及びシールに垂直又は平行な線からなる群から選択されたものであることを特徴とする摩耗性シールの製造方法。
11. 請求項４に記載の摩耗性シールの製造方法において、
    前記摩耗性シール材は、金属合金粉体を溶射することで作成されることを特徴とする摩耗性シールの製造方法。
12. 請求項４に記載の摩耗性シールの製造方法において、
    前記摩耗性シール材は、シール材からなるシートを前記部材要素に取付けることで作成されることを特徴とする摩耗性シールの製造方法。
13. 請求項８に記載の摩耗性シールの製造方法において、
    前記パターンの両側に刻まれていないシール材が存在することを特徴とする摩耗性シールの製造方法。
14. ガスタービンエンジンの部材要素であるシュラウド用の摩耗性シールであって、摩耗性シール材の表面の領域に向上した摩耗性を付与するために有効なレーザーによって刻まれたパターンを有し、
    前記摩耗性シール材は、前記部材要素と隣接するブレードの隣接面であるブレード面との間の相対移動により摩耗されて前記部材要素とこの部材要素に対して相対移動する前記隣接面との間のスペースをシールし、前記パターンは、前記隣接面がシール構造を形成する際に摩耗させる深さを有し、かつ前記隣接面により摩耗される領域に存在することを特徴とする摩耗性シール。
15. 請求項１４に記載の摩耗性シールにおいて、
    前記摩耗性シール材が金属性合金であることを特徴とする摩耗性シール。
16. 請求項１５に記載の摩耗性シールにおいて、
    前記金属性合金は、鉄系合金，アルミニュウム系合金，チタニュウム系合金，ニッケル系合金，コバルト系合金，ＮｉＣｒ合金，ＮｉＣｒＡｌ合金及びＭＣｒＡｌＹ合金からなる群から選択された合金であり、ここでＭは、Ｆｅ，Ｎｉ若しくはＣｏからなる群から選択されたものであることを特徴とする摩耗性シール。
17. 請求項１５に記載の摩耗性シールにおいて、
    前記摩耗性シール材は、非金属性粒子を含むことを特徴とする摩耗性シール。
18. 請求項１７に記載の摩耗性シールにおいて、
    前記非金属性粒子は、窒化ボロン，ベントナイト，酸化物，窒化物，ホウ化物，珪化物，金属間化合物，プラスティック及びポリマーからなる群から選択されることを特徴とする摩耗性シール。
19. 請求項１５に記載の摩耗性シールにおいて、
    前記摩耗性シール材は、ガスタービンエンジンの部材要素に取付けられるようにされたシートの形態であることを特徴とする摩耗性シール。
20. 請求項１９に記載の摩耗性シールにおいて、
    前記隣接面は、前記ガスタービンエンジンのブレードであることを特徴とする摩耗性シール。
21. 請求項２０に記載の摩耗性シールにおいて、
    前記パターンの深さが、約０．０１から０．１インチの範囲内であることを特徴とする摩耗性シール。
22. 請求項２０に記載の摩耗性シールにおいて、
    前記パターンの両側に刻まれていないシール材が存在することを特徴とする摩耗性シール。
23. 請求項１４に記載の摩耗性シールにおいて、
    前記パターンが、近接した孔，斜交平行線，ストライプ及びシールに垂直又は平行な線からなる群から選択されたものであることを特徴とする摩耗性シール。
24. ガスタービンエンジンの構成要素であって、
    摩耗性シール材の表面の領域に向上した摩耗性を付与するために有効なレーザーによって刻まれたパターンを有する摩耗性シールが備えられ、
    前記摩耗性シール材は、前記部材要素と当該部材要素と隣接する隣接面であるブレード面との間の相対移動により摩耗されて前記部材要素とこの部材要素に対して相対移動する前記隣接面との間のスペースをシールし、前記パターンは、前記隣接面がシール構造を形成する際に摩耗させる深さを有し、かつ前記隣接面により摩耗される領域に存在するシュラウドであることを特徴とするガスタービンエンジンの構成要素。
25. 請求項２４に記載のガスタービンエンジンの部材要素において、
    前記摩耗性シール材は、金属性合金であることを特徴とするガスタービンエンジンの部材要素。
26. 請求項２５に記載のガスタービンエンジンの部材要素において、
    前記金属性合金は、鉄系合金，アルミニュウム系合金，チタニュウム系合金，ニッケル系合金，コバルト系合金，ＮｉＣｒ合金，ＮｉＣｒＡｌ合金及びＭＣｒＡｌＹ合金からなる群から選択された合金であり、ここでＭは、Ｎｉ，Ｃｏ若しくはＦｅからなる群から選択されたものであることを特徴とするガスタービンエンジンの部材要素。
27. 請求項２６に記載のガスタービンエンジンの部材要素において、
    前記摩耗性シール材は非金属性粒子を含むことを特徴とするガスタービンエンジンの部材要素。
28. 請求項２７に記載のガスタービンエンジンの部材要素において、
    前記非金属性粒子は、窒化ボロン，ベントナイト，酸化物，窒化物，ホウ化物，珪化物，金属間化合物，プラスティック，ポリマー及び他の有機化合物からなる群から選択されることを特徴とするガスタービンエンジンの部材要素。
29. 請求項２５に記載のガスタービンエンジンの部材要素において、
    前記摩耗性シール材は、前記ガスタービンエンジンの前記部材要素に取付けられたシートの形態であることを特徴とするガスタービンエンジンの部材要素。
30. 請求項２５に記載のガスタービンエンジンの部材要素において、
    前記摩耗性シール材は、溶射コーティング材であることを特徴とするガスタービンエンジンの部材要素。
31. 請求項２４に記載のガスタービンエンジンの部材要素において、
    前記隣接面は、前記ガスタービンエンジンのブレードであることを特徴とするガスタービンエンジンの部材要素。
32. 請求項３１に記載のガスタービンエンジンの部材要素において、
    前記パターンの深さが、約０．０１から０．１インチの範囲内であることを特徴とするガスタービンエンジンの部材要素。
33. 請求項３１に記載のガスタービンエンジンの部材要素において、
    前記パターンの両側に刻まれていないシール材が存在することを特徴とするガスタービンエンジンの部材要素。
34. 請求項２４に記載のガスタービンエンジンの部材要素において、
    前記パターンは、近接した孔，斜交平行線，ストライプ及びシールに垂直又は平行な線からなる群から選択されたものであることを特徴とするガスタービンエンジンの部材要素。

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