JP5990377B2

JP5990377B2 - 耐摩耗性皮膜システムに用いられる組立体

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Publication number: JP5990377B2
Application number: JP2011281128A
Authority: JP
Inventors: ロバート・ウィリアム・ブルース; カレン・マリー・マーヴィック; ダニー・リー・フェンウィック
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2010-12-27
Filing date: 2011-12-22
Publication date: 2016-09-14
Anticipated expiration: 2031-12-22
Also published as: JP2012141057A; EP2468916A1; CA2762692A1; US8196600B1; US20120160348A1

Description

本発明は、総括的にはガスタービンエンジンのような高温用途で使用するのに適した構成要素及び材料に関する。より具体的には、本発明は、高温を受ける接合部（継手）及びそのような継手（接合部）のための耐摩耗性皮膜システムを備えた組立体を対象とする。

それらの効率を高めるために、ガスタービンエンジンにおけるより高い作動温度が継続して求められている。高温特性における大きな進歩は、その高温特性により構成要素が高性能ガスタービンエンジンの圧縮機、タービン、燃焼器及びオーグメンタセクション内の作動温度に長時間露出されるのに耐えることが可能になる鉄、ニッケル及びコバルト基超合金の調合物により、達成されてきた。関節継手で取付けることを必要とする一部の構成要素は、ガスタービンエンジン内の高温、振動及び腐食環境の観点で設計課題を発生させている。例えば、他の構成要素をピボット固定するために使用されるピン、トラニオン及びその他の構成要素は、隣接する構成要素に匹敵しかつ高温において長時間にわたり接触摩耗及び腐食に対する耐性（耐接触摩耗性及び耐食性）を示す物理特性を有していなければならない。

図１は、構成要素１４（断面で示す）をピボット支持して、該構成要素１４がピン１２の軸線の周りで枢動するのを可能にするピン１２によって形成された関節継手を含む組立体１０を示している。一例として、ピン１２は、ガスタービンエンジンで使用して空気冷却式タービン構成要素への冷却空気流れを調整するタイプのようなフラッパバルブのためのヒンジピンとすることができる。ピン１２及び構成要素１４間の直径間隙は、例示目的のために誇張している。図１に概略的に示すように、ピン１２のシャンク１６は、ピン１２に対する構成要素１４の枢動及び振動の結果として激しく摩耗している。摩耗は主として、ピン１２のシャンク１６上に発生しているが、逆の状況も存在する可能性があることが予見される。ピン１２及び構成要素１４の摩耗表面に対する局所的損傷は、タービンエンジンの過酷な環境内での腐食の作用によって加速されるおそれがある。

１つの特定の用途では、ニッケル基合金インコネル（ＩＮ）６２５（重量で、約２１．５％のクロム、約９．０％のモリブデン、約３．６％のニオブ、約２．５％の鉄、約０．２％のアルミニウム、約０．２％のチタン、約０．２％のマンガン、約０．２％のケイ素、約０．０５％の炭素、残部のニッケル及び随伴不純物の公称組成）は、コバルト基合金Ｌ−６０５（ＨＡ２５）（重量で、約２０．０％のクロム、約１０．０％のニッケル、約１５．０％のタングステン、約０．５％の炭素、残部のコバルト及び随伴不純物の公称組成）で形成されたヒンジで固定した場合に、急速に摩耗することが観察された。この材料の組合せはガスタービンエンジン用途では非常に高い信頼性を有するが、より厳しい作動条件では、一層急速な摩耗率を生じることになり、同時にこの組立体に対してより長い摩耗寿命が求められている。

窒化物及び炭化物のような耐過激衝突及び侵食性被膜材料を含む多種多様な被膜材料が、公知でありかつガスタービンエンジンの構成要素を保護するために広く使用されている。例えば、Ｇｕｐｔａ外に対する米国特許第４，９０４，５２８号（窒化チタン（ＴｉＮ）被膜）、Ｓｕｅ外に対する米国特許第４，８３９，２４５号（窒化ジルコニウム（ＴｉＮ）被膜）、Ｎａｉｋ外に対する米国特許第４，７４１，９７５号（炭化タングステン（ＷＣ）及び炭化タングステン／タングステン（ＷＣ／Ｗ）被膜）、Ｂｒｕｃｅ外に対する米国特許第７，１８６，０９２号（炭化タンタル（ＴａＣ）、炭化ニオビウム（ＮｂＣ）、炭化チタン（ＴｉＣ）、炭化チタンアルミニウムクロム（ＴｉＡｌＣｒＣ）、窒化チタンアルミニウムクロム（ＴｉＡｌＣｒＮ）、窒化チタンアルミニウム（ＴｉＡｌＮ）、炭化チタンアルミニウム（ＴｉＡｌＣ）、及び炭化ボロン（Ｂ₄Ｃ）の組合せ）、並びにＢｒｕｃｅ外に対する米国公開特許出願第２００９／００１１１９５号及び第２０１０／００７８３０８号（ＴｉＡｌＮ、窒化クロム（ＣｒＮ）及び炭窒化チタンケイ素（ＴｉＳｉＣＮ）の組合せ）を参照されたい。しかしながら、これらの被膜材料は主として、連続して接触摩耗を受ける表面とは対照的に、ブレードの耐衝突及び侵食性を促進させることを意図している。

接触摩耗を受ける表面に対して意図した耐摩耗性被膜はまた、ガスタービンエンジンの高温環境内で使用することも提案されている。実施例は、市場購入可能なＴＲＩＢＡＬＯＹ（登録商標）Ｔ４００及びＴ８００合金のような、炭化クロム及びＣｏ−Ｍｏ−Ｃｒ−Ｓｉ合金の溶射被膜を含む。これらの耐摩耗性材料はまた、Ｈａｓｚ外に対する米国特許第６，３９８，１０３号に教示されているようにフォイルとして施工されている。

米国特許第７，１８６，０９２号明細書

それにも拘わらず、ピボット継手組立体がガスタービンエンジンの過酷な環境内でより長い実働寿命を示すことができるようになる材料組合せの改良に対する継続的な必要性が存在する。

本発明は、ガスタービンエンジンの高温構成要素によって形成された関節継手の表面のような、高温における接触摩耗を受ける表面を保護するのに適した耐摩耗性皮膜を提供する。

本発明の１つの態様によると、組立体を提供し、本組立体は、互いに摩耗接触状態になった表面を有する第１及び第２の構成要素を含む。表面の１つは、他方の構成要素の表面と摩耗接触状態になるようになった耐摩耗性皮膜システムをその上に有する。耐摩耗性皮膜システムは、ＴｉＡｌＮ及びＣｒＮの交互層からなる。

本発明の別の態様は、物理蒸着法を使用してＴｉＡｌＮ及びＣｒＮの交互層を堆積させることによって、上記した本組立体を形成する方法である。

本発明の別の態様は、本組立体が第１及び第２の構成要素によって形成されたピボット継手を含み、このピボット継手において、第１の構成要素がピボット軸線を形成し、また第２の構成要素が、第１の構成要素にピボット結合されて、該第１の構成要素のピボット軸線の周りで枢動するようになる。

本発明の技術的効果は、高温において摩耗接触状態になった表面の耐摩耗性を大幅に向上させることができることである。本発明は、第１及び第２の構成要素に対して同一の母材を使用することに基づいて、およそ５０倍ほど摩耗を減少させることができる。母材の異なる組合せを使用することにより、更なる改良を達成することができる。

本発明のその他の態様及び利点は、以下の詳細な説明から一層良好に分かるであろう。

ピボット継手を形成した２つの構成要素を含みかつ枢動運動及び振動の結果として継手が摩耗状態になった組立体の部分断面図。本発明の実施形態により構成要素の１つに耐摩耗性皮膜システムが設けられた、図１と同様な組立体の部分断面図。本発明の実施形態による耐摩耗性皮膜システムの走査イメージを示す図。本発明の耐摩耗性皮膜システムを含む、皮膜組成物に対して行った比較摩耗テストによるデータを示す棒グラフ。本発明の耐摩耗性皮膜システムを含む、皮膜組成物に対して行った比較摩耗テストによるデータを示す棒グラフ。本発明の耐摩耗性皮膜システムを含む、皮膜組成物に対して行った比較摩耗テストによるデータを示す棒グラフ。本発明の耐摩耗性皮膜システムを含む、皮膜組成物に対して行った比較摩耗テストによるデータを示す棒グラフ。

図２は、２つの構成要素２２及び２４が互いにピボット結合されてピボット継手を形成しているものとして示している点で、図１に示したものと同様である組立体２０を示している。特定の実施形態ではまた本発明を説明する目的で、第１及び第２の構成要素２２及び２４はそれぞれ、タービンエンジンの空気冷却式構成要素への冷却空気流れを調整するために使用するフラッパバルブのようなヒンジピン２２及びフラッパバルブ２４であるが、その他の用途も予見されかつそれらもまた本発明の技術的範囲内に含まれる。そのような用途では、ピン２２はフラッパバルブ２４をピボット支持して、バルブ２４が該ピンの軸線の周りで枢動（ピボット動）するのを可能にする。図１の激しく摩耗したシャンク１６とは対照的に、ピン２２の円筒形状シャンク２６は、該ピン２２の母材２８上に位置した皮膜システム３０を備えたものとして概略的に断面で示している。本発明の好ましい形態によると、皮膜システム３０は、ガスタービンエンジンの作動環境内における高温及び振動により生じる可能性がある厳しい摩耗条件を含む、ピン２２及びバルブ２４間の接触の結果引き起こされる摩耗に対して耐性を有する。皮膜システム３０は、ピン２２のシャンク２６のみに施工されたものとして示しているが皮膜３０は、バルブ２４の対向する表面３０上に堆積させることができることを理解されたい。ピン２２及びバルブ２４間の直径間隙は、図２では例示の目的で誇張されていることに留意されたい。ガスタービンエンジン内でのフラッパバルブ用途における直径間隙は一般的に、約７５〜約３００マイクロメートルの範囲となり、またシャンク２６及びバルブ２４の対向する表面３２間の接触は一般的に、シャンク２６の軸方向長さに沿って約１０〜約３００ミリメートルの範囲となるが、より小さい及びより大きい間隙並びに接触長さもまた、本発明の技術的範囲内にある。

図１に関して前述したように、図２に示すタイプの組立体における１つの特定の用途では、フラッパバルブ２４はニッケル基合金インコネル（ＩＮ）６２５で形成され、またヒンジピン２２はコバルト基合金Ｌ−６０５で形成される。この材料の組合せは、ますます過酷になったエンジン作動条件において高い摩耗率を示すので、本発明の皮膜システム３０が、摩耗を減少させかつ組立体２０のより長い寿命を促進させるのに役立つ。

本発明の好ましい実施形態では、皮膜システム３０は、セラミック材料の多層、より具体的にはそれらの間にいかなる介在セラミック又は金属層も備えていない状態での窒化チタンアルミニウム（ＴｉＡｌＮ）及び窒化クロム（ＣｒＮ）の組合せの多層（例えば、交互層）を含む。図３にＴｉＡｌＮ−ＣｒＮ皮膜システム３０の実施例を示しており、この図では、ＴｉＡｌＮ及びＣｒＮの個々の交互層は、それぞれ交互した明及び暗層として見ることができる。皮膜システム３０の各個々の層は、少なくとも０．２０マイクロメートルの厚さまた約０．８０マイクロメートルの最大厚さを有しており、好適な範囲は約０．３０〜０．５０マイクロメートルである。ＴｉＡｌＮ及びＣｒＮの厚さは、同一であるのが好ましいが、ＴｉＡｌＮ又はＣｒＮ層は、意図的に他方よりも厚くなるように堆積させることができると予見される。個々の層は、適切な数及び厚さで堆積させて皮膜システム３０の所望の厚さを得る。皮膜システム３０全体は、少なくとも６マイクロメートル、例えば約３０〜約５０マイクロメートルの厚さを有するのが好ましい。８０マイクロメートルを超える皮膜厚さは、耐摩耗性に関しては不必要であると思われる。ボンディングコート（図示せず）を使用してピン２２の母材２８に対する皮膜システム３０の付着を促進させることができる。ボンディングコートは、例えば１つ又はそれ以上のチタン層のような１つ又はそれ以上の金属層で構成することができる。

本発明の皮膜は、物理蒸着（ＰＶＤ）法によって堆積させるのが好ましく、従って一般的に溶射法によって皮膜を堆積させた場合に生じることになる非円柱状、不規則性かつ多孔質微細組織と対照的に円柱状かつ／又は緻密微細組織を有することになる。特に好適なＰＶＤ法には、ＥＢ−ＰＶＤ、陰極アークＰＶＤ及びスパッタリングが含まれ、とりわけ陰極アークが好ましいと思われる。好適なスパッタリング法には、それに限定されないが直流ダイオードスパッタリング、無線周波数スパッタリング、イオンビームスパッタリング、反応性スパッタリング、マグネトロンスパッタリング、プラズマ強化マグネトロンスパッタリング及びステアードアークスパッタリングが含まれる。陰極アークＰＶＤ及びプラズマ強化マグネトロンスパッタリングは、それらの高い被覆率により皮膜を形成するのに特に好ましい。堆積は、窒素源（例えば、窒素ガス）を含む雰囲気内で実行して堆積皮膜システム３０の窒化物成分を形成することができる。皮膜システム３０で使用するあらゆる金属ボンディングコートは、例えばアルゴンのような不活性雰囲気内で堆積させるのが好ましい。

皮膜システム３０は、約５０マイクロインチ（約１．２マイクロメートル）Ｒａ又はそれ以下の表面粗さを有するのが好ましい。ピンの母材２８及び／又は皮膜システム３０は、研磨加工を行なってこの表面仕上げを達成することができる。皮膜堆積の前に母材２８の研磨加工を行なって滑らかな皮膜システム３０の堆積を促進させて、皮膜堆積の後に付加的な研磨加工を行なって所望の皮膜表面粗さを得るのを保証するようにすることができる。研磨加工はまた、被覆プロセスの中間ステップとして実行することができる。

本発明に到る予備的研究において、約７５°Ｆ、４００°Ｆ及び７５０°Ｆ（約７５℃、２００℃及び４００℃）の温度において試料に対して摩耗テストを行なった。摩耗テストは、約２５×３．７５ｍｍの接触ゾーンを使用した往復摺動摩耗テストであり、摺動運動が、接触ゾーンのより小さい寸法に平行な方向に約１．５ｍｍの距離にわたり行われるようになっていた。テスト試料は、Ｍ−１５２、合金１７−４ＰＨ、Ａ−２８６、ＩＮ−７１８、Ｎｉｔｒｏｎｉｃ６０（登録商標）及びアルミニウム２２１９を含む、チタン、鋼、ニッケル及びアルミニウム合金で形成された。評価皮膜には、５つの窒化物皮膜、つまりＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＳｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ及びＣｒＮの交互層、並びにＴｉＳｉＡｌＮ及びＣｒＮの交互層が含まれた。比較のために、付加的テスト試料がＷＣ／Ｃｏサーメット及びＴＲＩＢＡＬＯＹＴ４００で被覆され、ここで、ＴＲＩＢＡＬＯＹＴ４００は、ＤｅｌｏｒｏＳｔｅｌｌｉｔｅＩｎｃ．から入手可能であるコバルト基ハードウェア合金であった。優れた耐摩耗性皮膜材料として公知であるが、ＷＣ／Ｃｏ及びＴＲＩＢＡＬＯＹＴ４００皮膜は、それらがＨＶＯＦによって堆積されてそれらの皮膜を小直径ピン上に堆積させるのが困難になりまたフラッパバルブに望ましい表面仕上げを達成するための高価な表面仕上げを必要とすることになるので、フラッパバルブ及び同様の用途における許容可能な対象であるとは考えられなかった。実験皮膜組成物の中で、ＴｉＡｌＮ及びＣｒＮの交互層で形成された皮膜は、最良の性能でありかつＷＣ／Ｃｏの耐摩耗性に近い耐摩耗性を示した。

予備的研究の結果に基づいて、ＴｉＡｌＮ及びＣｒＮの交互層で形成された皮膜について、第２の研究を行なった。図４〜図７は、第２の研究で得られたデータを要約したグラフを含んでいる。評価テスト試料は、アンビル及びストラカを含むように構成された。摩耗テスト試料は、アンビル上の約４×１２ｍｍの接触表面を使用しており、ストラカの初期運動及びアンビルの接触表面に垂直な方向に生じる衝突に接触表面の長さ方向へのストラカの摺動運動が後続するようになっていた。テストは、約２．５ｋｓｉ（約１７ＭＰａ）の負荷、約１７ミル（約０．４３ｍｍ）のストローク及び約３５Ｈｚの周波数で実行された。全てのテスト試料は、約８００°Ｆ（約４２５℃）に過熱された空気を供給されて約６５０°Ｆ（約３４５℃）の試料温度を得るようになったリグにおいて評価された。

基準試料と共に、２つの組の非被覆試料を４つの組の被覆試料と共に評価した。基準試料は、上述したように既存のガスタービンエンジン用途で現在使用されているフラッパバルブのためのバルブ及びピン材料である、ＩＮ−６２５で形成されたアンビル及びＬ−６０５で形成されたストライカを使用した。非被覆試料の組の１つでは、アンビル及びストライカの両方はＬ−６０５で形成された。非被覆試料の第２の組では、アンビル及びストライカの両方はＳｔｅｌｌｉｔｅ６Ｂ（Ｈａｙｎｅｓ６Ｂ）、つまりＤｅｌｏｒｏＳｔｅｌｌｉｔｅＩｎｃ．から入手可能でありかつ重量で、３．０％のニッケル、３０．０％のクロム、１．０％の鉄、１．０％の炭素、１．４％のマンガン、１．５％のモリブデン、４．０％のタングステン、残部のコバルト及び随伴不純物の公称組成を有するコバルト基合金で形成された。ＴｉＡｌＮ及びＣｒＮの交互層を含む４つの皮膜システムは、４つの異なるアンビル−ストライカ組合せ、つまりＭ−１５２アンビル及びＬ−６０５ストライカ、ＩＮ−６２５アンビル及びＬ−６０５ストライカ、Ｌ−６０５アンビル及びＬ−６０５ストライカ、並びにＳｔｅｌｌｉｔｅ６Ｂアンビル及びＬ−６０５ストライカで評価された。皮膜システムは、ＰＶＤによってストライカ上に約５０マイクロメートルの厚さに堆積されかつ約０．５マイクロメートルの厚さを有するＴｉＡｌＮの層及び約０．５マイクロメートルの厚さを有するＣｒＮの層を含んでいた。

図４及び図５は、基準及び非被覆試料並びにＴｉＡｌＮ−ＣｒＮ被覆試料についての最深ピット及び平均摩耗結果を表している。図６及び図７は、窒化物テスト試料のみについてのピット及び平均摩耗結果を表している。全ての結果は、１００，０００サイクルに正規化されている。これらの結果から、Ｍ−１５２アンビル及び被覆Ｌ−６０５ストライカを組合せた試料が最良の性能でありまたＩＮ―６２５アンビル及び被覆Ｌ−６０５ストライカを組合せた試料もまた極めて良好な性能であることを理解することができる。Ｍ−１５２アンビル及び被覆Ｌ−６０５ストライカを有する試料は、基準ＩＮ―６２５アンビル及び非被覆Ｌ−６０５ストライカよりもほぼ１００倍少ない平均摩耗を示し、またＩＮ―６２５アンビル及び被覆Ｌ−６０５ストライカを組合せた試料は、基準ＩＮ―６２５アンビル及び非被覆Ｌ−６０５ストライカよりもほぼ５０倍少ない平均摩耗を示した。

これらの結果から、ＴｉＡｌＮ−ＣｒＮ被覆システムは、コバルト基Ｌ−６０５合金の母材に施工されかつＩＮ―６２５又はＭ−１５２で形成された部材による摩耗を受けた時に非常に良好な性能であると結論付けた。従って、本発明はその中でＬ−６０５並びにＩＮ―６２５又はＭ−１５２のいずれかで形成された構成要素が高温、特に約４２５℃及びそれ以上の作動温度において互いに接触状態になる組立体（フラッパバルブ組立体を含む）を包含する。Ｌ−６０５は、重量で約２０．０％のクロム、約１０．０％のニッケル、約１５．０％のタングステン、約０．５％の炭素、残部のコバルト及び随伴不純物の公称組成を有するコバルト基合金Ｌ−６０５である。ＩＮ―６２５は、重量で約２１．５％のクロム、約９．０％のモリブデン、約３．６％のニオブ、約２．５％の鉄、約０．２％のアルミニウム、約０．２％のチタン、約０．２％のマンガン、約０．２％のケイ素、約０．０５％の炭素、残部のニッケル及び随伴不純物の公称組成を有する固溶体強化ニッケル基合金である。Ｍ−１５２は、重量で約２．５％のニッケル、約１２％のクロム、約１．７％のモリブデン、約０．３％のバナジウム、約０．１２％の炭素、残部の鉄及び随伴不純物の公称組成を有するクロム含有マルテンサイトステンレス鋼合金である。フラッパバルブ２４がＩＮ―６２５と同様の固溶体強化ニッケル基合金又はＭ−１５２と同様のクロム含有マルテンサイトステンレス鋼で形成されることになる場合にも、同様の結果を予測することができると思われる。Ｍ−１５２は一般的に、遠心鋳造法によって製造された鍛造品又は鋳造品として入手可能であるので、ＩＮ―６２５は、図２のフラッパバルブのような用途においてより実用的な材料であると思われる。

特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、当業者がその他の形態を採用することができることは、明らかであろう。従って、本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲によってのみ限定されることになる。

１０組立体
１２ピン
１４構成要素
１６シャンク
２０組立体
２２構成要素、ヒンジピン
２４構成要素、フラッパバルブ
２６（円筒形状）シャンク
２８（ピン２２の）母材
３０皮膜システム
３２（バルブ２４の）対向する表面

Claims

組立体（２０）であって、
互いに摩耗接触状態になった表面（２６、３２）を有する第１及び第２の構成要素（２２、２４）、を含み、
前記第１の構成要素（２２）が、コバルト基合金で形成され、
前記第２の構成要素（２４）が、固溶体強化ニッケル基合金又はクロム含有マルテンサイトステンレス鋼のいずれかで形成され、
前記第１の構成要素（２２）の表面（２６）が、前記第２の構成要素（２４）の表面（３２）と摩耗接触状態になるようになった耐摩耗性皮膜システム（３０）をその上に有し、
前記耐摩耗性皮膜システム（３０）が、ＴｉＡｌＮ及びＣｒＮの交互層からなる、
組立体（２０）。
前記ＴｉＡｌＮ及びＣｒＮの個々の層が、少なくとも０．２マイクロメートルから最大約０．８マイクロメートルまでの厚さを有することを特徴とする、請求項１記載の組立体（２０）。
前記ＴｉＡｌＮ及びＣｒＮの個々の層が、約０．３〜約０．５マイクロメートルの厚さを有することを特徴とする、請求項１記載の組立体（２０）。
前記耐摩耗性皮膜システム（３０）が、少なくとも６マイクロメートルの厚さを有することを特徴とする、請求項１〜請求項３のいずれか１項記載の組立体（２０）。
前記耐摩耗性皮膜システム（３０）が、最大約８０マイクロメートルまでの厚さを有することを特徴とする、請求項１〜請求項４のいずれか１項記載の組立体（２０）。
前記耐摩耗性皮膜システム（３０）が、約３０〜約５０マイクロメートルの厚さを有することを特徴とする、請求項１〜請求項３のいずれか１項記載の組立体（２０）。
前記第１及び第２の構成要素（２２、２４）が、枢軸継手を形成し、
前記第１の構成要素（２２）が、枢軸線を形成し、また
前記第２の構成要素（２４）が、前記第１の構成要素（２２）に枢動可能に結合されて、該第１の構成要素（２２）の枢軸線の周りで枢動するようになる、
ことを特徴とする、請求項１〜請求項６のいずれか１項記載の組立体（２０）。
前記第１の構成要素の表面が、その形状が円筒形である、
ことを特徴とする、請求項１〜請求項７のいずれか１項記載の組立体（２０）。
該組立体（２０）が、フラッパバルブ組立体（２０）であり、
前記第１の構成要素（２２）が、ヒンジピンであり、また
前記第２の構成要素（２４）が、フラッパバルブである、
ことを特徴とする、請求項１〜請求項８のいずれか１項記載の組立体（２０）。