JP4557326B2 - コーティングされた鋳造部品、その使用法、及びコーティングされた鋳造部品としてのタービンブレード - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、第１の材料にて形成された基体と少なくとも１種類の第２の材料にて形成される皮膜とを含むコーティングされた鋳造部品、該鋳造部品の使用法、及び該鋳造部品の一使用例としてのタービンのブレードに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンや航空機のエンジンの効率を高めるためにはタービンのブレードとハウジングとの間の間隙が非常に小さいことが重要であるが、過酷な作動条件の下ではブレードの先端とハウジングの内面との間において摩耗が生じる場合がある。このためハウジングの表面の皮膜として「アブレーダブル皮膜」が開発されてきた。摩耗が生じる場合、ブレードの先端によりアブレーダブル皮膜から微細な粒子が遊離し、ブレードの先端が傷付くことがない。アブレーダブル皮膜は主としてセラミック粒子を溶射することにより製造される（「ＨＶＦＳ」（高速フレーム溶射）や「ＡＰＳ」（雰囲気プラズマ溶射）など）。セラミック皮膜の熱膨張率は、コーティングが施される金属基体の熱膨張率と比較して大幅に小さいことが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、動作温度は高温であるため、皮膜の剥離を防止するための適当な中間層（結着層）が設けられなければならない。
【０００４】
同様な問題はガスタービンの燃焼室の空気取り入れ部やガイドブレードにおいても存在する。ここではセラミック材料から形成された熱絶縁皮膜が被覆される面に対して適切に固着される必要がある。
【０００５】
セラミックの厚い皮膜は、予め結着コーティングが施されている場合にのみ基体に固着する。こうした結着皮膜は酸化され得る成分を含む場合がある。酸化ジルコニウムのセラミック皮膜は高温状態において酸素イオンに対して透過性を有する。したがって結着皮膜が酸化され、体積の増加が伴う場合には皮膜の剥離につながる。
【０００６】
本発明は上記問題点を解消するためになされたものであり、その目的とするところは、鋳造部品に対してコーティングされる皮膜の熱膨張係数と該鋳造部品の熱膨張係数とが大幅に異なる場合においても、コーティングされる基体に対して皮膜を固着させる手段を含む、コーティングされた鋳造部品を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１に記載の鋳造部品は特殊な構造を有する。すなわち本発明に基づく鋳造部品の本体は、大きな厚みを有するセラミック皮膜のコーティングを可能にするための基体を提供する。この基体は、熱膨張に対して耐久性を有し、かつセラミック皮膜を固定する。
【０００８】
同鋳造部品は第１の材料により形成される基体と、少なくとも１種類の第２の材料にて施されるコーティングを有する。第２の材料は基体の表面上に基体と共に鋳込まれる骨格構造に対してコーティングされ、覆いあるいは被覆層を形成する。
【０００９】
請求項２の発明は特殊なコーティングに関するものである。請求項３及び４の発明はコーティングが施される表面が湾曲しているような場合に特に有利である形状に関するものである。請求項５の発明は、流動発生装置の駆動軸のシールに用いられるラビリンスシールとして適当に使用することが可能な浮き彫り状の表面構造に関するものである。請求項６の発明は多様な装置における機能要素として本発明に基づくコーティングを使用することに関するものである。請求項７の発明はタービンブレードに関するものであり本発明に基づく鋳造部品の更なる一例である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面にしたがって説明する。
本発明に基づく鋳造部品は精密鋳造技術を用いることにより製造される。精密鋳造技術においては、例えば蝋により鋳造部品の模型を作製することにより形成される鋳型を焼成してセラミック製の鋳型を作製する。この技術においては基体の蝋模型上に、やはり蝋にて形成された骨格構造が形成される場合がある。この骨格構造の模型は、開放気孔性のプラスチックフォームにて形成することも可能であり、プラスチックフォームの壁部分は蝋により大きな厚みを有するように形成される。図１にはそうした構成の一例が示されており、立体的なネットワーク状の形状を有する骨格構造３が鋳造部品１の基体２に対して用いられている。網３１を有する骨格構造３は、柱状部３０により基体２の表面２０に連結されている。この鋳型は鋳造が行われる際に、溶融金属が柱状部３０の空洞を通じて網３１の空洞に流入するように構成されている。
【００１１】
図２に示される骨格構造３においては、平面的なネットワーク状に形成された第２の網３１が柱状部３０上に配置されている。柱状部３０はネットワーク５を構成する三角形５０の頂点５１及び５１’上に配置される。任意の頂点５１とその隣の頂点５１’との間の距離はほぼ等しい。１個の柱状部３０から３方向に網３１が分岐する。基体２の上方で、小円５２が付された三角形の上にあたる位置にある合流点３２において３本の網３１が合流する（これは骨格構造３の内側の領域に対してのみ当てはまり、外側の境界領域に対しては当てはまらない。境界領域においては網３１は１個の柱状部から２方向に分岐し合流点３２はない）。図に示されるように一辺を共有する任意の２個の三角形の内、一方のみが小円を付された三角形である。すなわち、一辺を共有する任意の一対の三角形に対して１個のみの合流点３２が存在する。
【００１２】
柱状部３０と合流点３２との間において網３１は直線状に形成されていても湾曲して形成されていてもよい。図に示された骨格構造３は、網３１によって形成される、ほぼ六角形の網目を有するネットワークを有する。曲面２０が平面からそれほど懸隔していなければ、曲面２０に対して骨格構造３の蝋模型を適当に用い得る。曲率が大きい場合、蝋模型の表面を部分的に切り取ることも可能である。図３には、半球を適切に覆うことが可能な平面状蝋模型３’が示されている（下側から見た場合の半分の部分６のみが示されている）。網目のない部分６０が設けられていることにより球形状をほぼ均一に覆うことが可能である。図３に示されるように、境界領域においては１個の柱状部３０’から２本の網３１及び３１’のみが分岐し、網３１’は隣に位置する柱状部３０’’に合流点３２を介さずに直接連結する。
【００１３】
互いに隣り合う頂点５１と頂点５１’との間の距離（図２参照）は通常約２〜５ミリの大きさである。基体２から網３１までの距離の大きさは約１ミリである。
【００１４】
六角形の網目の場合においてはネットワーク５の個々の交点５５は６個の三角形の共通の頂点となっている。しかし例えば交点５５（図３参照）のように５個の三角形が交わるような構成も考えられる。
【００１５】
六角形の網目の替わりに四角形または三角形の網目からなる構成も可能である。しかしこうした別の形状の網目は曲面を覆ううえで六角形の網目ほどには適切ではない。これは特に三角形の網目の場合に明らかである。図２には六角形の網目が部分斜視図にて示されており図４にはこの網目の一般的な実施形態が示されている。図３と同様、図４も基体２（図１参照）の側から眺めた図であり、柱状部３０は断面にて示されている。この網は１個の六角形の網目の約１５〜３０％の大きさの幅を有する。
【００１６】
本発明に基づけば基体２（図５参照）は溶射技術を用いて製造することが可能な覆い４を有する。覆いの形成は鋳造部品１に溶射が施される際に鋳造部品に対して噴射ジェットが噴射される角度４３に応じて変化する。この角度が小さい場合、骨格構造に応じて柱状部３０の間において大きな空洞２１が形成される。鋳造部品１が表面２０に対して直交する回転軸２４を中心として回転する間にコーティングが施される場合、皮膜４２が均一に積層されながら形成される。皮膜４２は鎖線４４にて示されている。基体２の覆い４は最終的には３つの領域から構成される。すなわち、骨格構造３の柱状部３０及び空洞２１を含む領域４０、網３１の網目、コーティング材料、空洞を含む領域４１、及び実際の皮膜であり、中間の領域４１に対して固定される領域４２である。領域４０は覆い４の基部となる領域であり、領域４１は固定を行うための領域であり、領域４２は皮膜である。
【００１７】
図６に示される覆い４の形成工程においては、噴射ジェットの角度４３は表面２０に対して垂直に取られている。この時、骨格構造３が覆い４の皮膜形成に対して基体となるため、隆起部４５と陥入部４６とを有する浮き彫り状の表面が形成される。この種の表面構造は適切に形成されればラビリンスシールのような、流動発生装置における駆動軸のシールとして用いることが可能である。図５及び図６に示された覆いは極端な２つの例を示している。骨格構造３を適切に形成し噴射ジェットの噴射角度を適当に取ることにより、ほぼ平面状の表面を有し、目立った空洞を有さないコーティングを施すことも可能である。
【００１８】
コーティング材料として異なる材料を使用することも可能である。したがって、セラミック粒子に金属粒子を添加し、これを最初に骨格構造に対して使用することで「サーメット」を形成するという有利な構成も考えられる。これにより金属の基体とセラミックの皮膜との間において遷移状態の層が形成される。
【００１９】
図７には、本発明に基づく鋳造部品として形成されたタービンブレード７が示されている。骨格構造に対して固定されたコーティング７１及び７０がそれぞれブレードの先端部とブレードの基端部領域に施されている。ブレードの先端のコーティング７１は、ブレードの先端がアブレーダブル皮膜に接触した場合に損耗することを防止するための防護皮膜として機能する。基端部領域のコーティング７０は熱絶縁材として施されている。すなわちコーティング７０により、ブレードが取り付けられているホイールへの熱の流入量が減少する。コーティング７０においては図５に示されるような空洞を有するコーティングが殊に有利である。
【００２０】
高温の作動温度条件において酸化されない合金が基体として有利に使用される。これにより酸化され得る中間皮膜層の場合に見られる、ここまでで考察したような問題点は解消される。
【００２１】
【発明の効果】
本発明に基づくコーティングされた鋳造部品の使用により、タービンブレードのような鋳造部品の熱膨張率と、これに対してコーティングされるセラミックなどの皮膜の熱膨張率とが大幅に異なる場合において皮膜の剥離が防止される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 骨格構造が立体的なネットワークとして形成された本発明に基づく鋳造部品の、コーティングが施されていない状態を示す部分斜視図。
【図２】 ほぼ平面状の骨格構造を示す部分斜視図。
【図３】 精密鋳造法を用いて骨格構造の製造を行うための蝋鋳型の一部を示す概略図。
【図４】 骨格構造の一般的な六角形のネットワークを示す概略図。
【図５】 皮膜中に空洞が形成されている本発明に基づく鋳型の断面図。
【図６】 骨格構造が浮き彫り状の表面構造に対する基体を構成している本発明に基づく鋳型の断面図。
【図７】 先端部と基端部領域において本発明に基づくコーティングが施されたタービンブレードを示す斜視図。
【符号の説明】
１…鋳造部品、２…基体、３…骨格構造、４…覆い、５…ネットワーク、７…タービンブレード、２０…基体表面、３０…柱状部、３１…網、３２…合流点、３５…網目、４５…表面の浮き彫り状構造の隆起部、４６…表面の浮き彫り状構造の陥入部、５０…三角形、５１…三角形の頂点、５１’…別の三角形の頂点、７０…タービンブレードの基端部のコーティング、７１…タービンブレードの先端部のコーティング。

Claims (7)

1. 第１の材料にて形成された基体（２）と少なくとも１種類の第２の材料にて形成される皮膜とを含み、
   前記第２の材料が骨格構造（３）に対してコーティングされて覆い（４）を形成し、
   前記骨格構造（３）が前記基体（２）の表面（２０）上に共に鋳込まれる鋳造部品において、
   前記第１の材料は精密鋳造技術を使用して形成された合金であり、第２の材料はセラミックであって、溶射技術を用いてコーティングされ、かつ、
   前記骨格構造（３）は、多数の柱状部（３０）により前記基体（２）に連結される平面的な網目あるいは立体的なネットワークとして形成されることを特徴とする鋳造部品。
2. 前記基体（２）の直上に位置する骨格構造（３）の基部領域（４０）において前記コーティング材料によって充填されない空洞（２１）が形成されることを特徴とする請求項１に記載の鋳造部品。
3. 前記柱状部（３０）は三角形（５０）にて構成されるネットワーク（５）の頂点（５１，５１’）に配置されることと、該頂点（５１）の大多数に対し、該頂点（５１）と隣り合う頂点（５１’）との間の距離がほぼ等しい大きさであることと、柱状部（３０）上で、前記基体（２）の表面（２０）から一定の距離にある位置に平面的な網（３１）を構成するように、棒状体により形成される網目が配置され、隣り合う頂点の間の距離は約２〜５ミリメートルの大きさであり、基体と網との間の距離の大きさは約１ミリメートルの大きさであることとを特徴とする請求項１に記載の鋳造部品。
4. 前記棒状体により六角形の網目（３５）が形成され、該棒状体の幅は該六角形の網目（３５）の平均径の約１５〜３０％の大きさの幅を有することを特徴とする請求項３に記載の鋳造部品。
5. 前記骨格構造（３）が前記覆い（４）の浮き彫り状の表面構造（４５，４６）の支持部を形成することを特徴とする請求項１または２に記載の鋳造部品。
6. 前記覆い（４）は、燃焼室において使用される熱絶縁材、ガスタービンにおいて使用されるアブレーダブル皮膜、または流動発生装置の駆動軸において使用されるラビリンスシールとして機能する、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の鋳造部品の壁部分としての使用法。
7. 前記骨格構造（３）に対して固定され、ブレードの先端及びブレードの基端領域の少なくともいずれか一方に対して施されるコーティング（７０，７１）を特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の鋳造部品として製造されるタービンブレード。

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