JPH01211604A - ガスタービンエンジンのコーティング処理を施した圧縮機構成部品 - Google Patents

ガスタービンエンジンのコーティング処理を施した圧縮機構成部品

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JPH01211604A
JPH01211604A JP63327522A JP32752288A JPH01211604A JP H01211604 A JPH01211604 A JP H01211604A JP 63327522 A JP63327522 A JP 63327522A JP 32752288 A JP32752288 A JP 32752288A JP H01211604 A JPH01211604 A JP H01211604A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野] 本発明は、ガスタービンエンジンのコーティング処理を
施したチタン合金製圧縮機構成部品に関し、特に高い侵
食抵抗を有し、且つ優れた疲労特性を有する窒化チタン
コーティング処理を施したチタン合金製圧縮機構成部品
に関する。
し従来の技術] 一般に、チタン合金は、その機械的特性により、ガスタ
ービンエンジンの圧縮機構成部品として広く用いられい
るが、この圧縮機構成部品は、推進力を得るために、炭
化水素燃料と共に燃焼される圧縮空気を発生ずるブレー
ド(静翼)とベーン(動R)とから形成されている。一
般に、カスタービンエンジンの圧縮機は、複数の圧縮段
にて導入空気を圧縮する多段式圧縮機構造と成っており
、その段数は5〜20段程ある。近年のガスタービンエ
ンジンにおいては、圧縮機で圧縮された圧縮空気が温度
1,400°F1圧力450psi、流速1,0OOf
t/min程に達ずろために、多段式圧縮機の後段では
、かなり厳しい条件となる。このため、圧縮機の有する
本来の性能を維持するためには、圧縮機構成部品の寸法
・形状が経時的に変化しないように保つことが必要であ
る。圧縮機を形成するブレード及びベーンの形状は、比
較的鋭利なエツジを有するエーロフオイル(翼形)であ
る。カスタービンエンジンは、膨大な空気を摂取するが
、同時に空気中に含まれる微粒子等も導入されてしまう
。特に、エアクラフトの場合、砂粒の外に滑走路から舞
い」二がった比較的大きな粒度の粗砂を含むこともある
。圧縮機の高速回転時、このような砂粒はベーン及びブ
レードに衝撃的に打1′)付けられるために、ベーン及
びブレードの摩耗侵食の原因となる3、この侵食は、極
めて有害であり、本来の翼形の有する寸法・形状の劣化
による圧縮1機の圧縮効率低下を招く。
このような砂塵による侵食摩耗問題を回避するため、圧
縮機構成部品の表面に硬質被覆処理、所謂ハードコーテ
ィング処理が施こされるようになった。
[発明が解決しようとする課題] しかしながら、従来のハードコーティング処理は、侵食
防止に対してはかなり効果的であったが、逆に圧縮機構
成部品の高サイクルの繰り返し動作による疲労寿命に対
しては悪影響を及ぼしていた。
実際、ブレード及びベーンは、高い運動エネルギーを有
する空気流の中で回転され、r−1つ様々な振動の影響
を受ける。そごで、これらの条件やチタン合金固有の特
性により、殆どの圧縮機構成+]<品は、疲労限度に従
った疲労寿命を存する。しかしながら、従来の圧縮機構
成部品では、バートコ−ティング処理により生ずる疲労
限度の低下といった有害な影響に対処することができな
かった。
そこで、高い侵食抵抗を有するコーティング処理を施し
たにも拘わらず、同時に疲労特性の低下を来さない疲労
寿命の高いガスタービンエンジンの圧縮機構成部品が望
まれていた。
「課題を解決するための手段] 上記目的を達成するために、本発明のコーティング処理
を施した圧縮機構成部品においては、残留圧縮応力がそ
の表面に存在する被ショットピーニング処理を施したチ
タン又はチタン合金製圧縮機構成部品と、この構成部品
表面に存在する残留圧縮応力より高い残留圧縮応力が存
在する窒化チタンコーティングとから形成され、非コー
ティング構成部品と略等しい疲労強度を有すると共に高
い侵食抵抗を有するコーティング処理を施した圧縮機構
成部品を提供するものである。また、チタン又はチタン
合金製圧縮機構成部品表面に存在する残留圧縮応力が5
0〜IQOksiであり、窒化チタンコーディングの残
留圧縮応力が100〜150ksiであるのが好ましい
。更に、窒化チタンコーティング内に存在する残留圧縮
応力力筒0〜40ksiだけチタン又はチタン合金製構
成部品表面に存在する残留圧縮応力を上回っているのが
望ましい。コーティング厚さ七しては、】O〜25μが
好ましい。
また、窒素とチタンの重量比は、■、05〜115であ
るのが好ましい。
[作用] 本発明の圧縮機構成部品に施すコーティング処理としは
、チタン合金と化学的に親密な窒化チタン(TiN)コ
ーティングが為されるが、このコーティング処理により
構成部品表面に生ずる圧縮残留応力は、上記した特定応
力範囲内において、従来のコーティング処理で確認され
た疲労限度の低下を来さないことが実験(第2図参照)
にて実証された。
窒化チタンコーティング中には、過剰窒素により圧縮残
留応力が存在する。この過剰窒素(J、侵入型原子とし
て窒化チタンの結晶格子の隙間に入り、金属チタンの面
心立方格子の八面体型穴配位の隙間に入っている侵入型
化合物の窒化チタンの結晶格子に圧力を及ぼす。この結
果、窒化チタンコーティング中に圧縮残留応力が発生す
る。このコーティング処理は、低圧の窒素ガス中でプラ
ズマを発生ずるアーク蒸着工程により実行される。
この電気アークは、チタン製カソードから発生し、イオ
ン化窒素ガス及び蒸気化したチタンイオンから成るプラ
ズマを発生する。これらのイオン化窒素及びイオン化チ
タンは、アーク蒸着コーティングを積極的に果たすため
適当な電気的極性を有する被コーティング基板上で化合
し、窒化チタンコーティングを形成する。上述した過剰
窒素は、比較的長時間コーティング処理を施すことによ
って得られるので、比較的厚いコーティング層の形成に
より得られる。このXO〜25μ厚のコーティング層の
中に存在する過剰窒素により、少なくとも]00ksi
、又は100〜150ksiの残留応力が生ずる。この
ようなコーティング層に一存在する残留応力は、通常の
非コーティングチタン構成部品表面に存在する表面残留
応力よりも大きいので、疲労による亀裂開始や亀裂進行
を防止する効果がある。以下に記載する全ての応力は、
室温で測定したものである。また、チタンには、原子百
分率で50%以上のチタン成分を含むチタン合金も含め
るものとする。チタン合金を形成するのに適する合金元
素としては、シルコニIクム、ハフニラ11、モリブデ
ン、タンタル、コランビウム(col umnbium
)、ノくナジウム、クロム、タングステン、レニウム等
の耐火金属が好ましい。
[実施例] 本発明の圧縮機構成部品のコーティングは、第1図に示
す装置により形成されるか、この装置の詳細に関しては
、1987年4月9日出願のPCT国際出願WO371
02071及び[087102072を開示の一部とし
て援用する。尚、本発明は、この装置を用いて形成され
た圧縮機構成部品表面の残留圧縮応力を有するコーティ
ングに関するものであって、この装置自体は、本発明を
構成するものではない。
第1図において、コー≠イング生成装置は、真空室11
を有するシェル10から成る。この真空室11は、開口
部13を介して真空ポンプ■2と一7= 連通しており、一般に10−1〜sx 10−’tor
r、好ましくは5X10−2〜5X 1O−3torr
の所望の動作圧力に調整される。
この真空室11は、−個以上の固体チタンカソードを蒸
発することにより得られる蒸気化したチタンでコーティ
ングされる一個以上のコーティング対象物14を収容す
るために、所望の形状・寸法で形成するものとする。第
1図のコーティング装置概略図に示すように、シェル1
1は、角型であり、その断面は、土壁部■6、下壁部1
7、側壁部18及び19から形成される。また、シェル
11は、側壁部18から適当寸法だけ突出して配設され
た付設部20を有する。また、側壁部18は、チタンカ
ソード15が真空室11と連通ずる開口部21を有する
チタンカソード15は、カソード支持部22により支持
されている。このカソード支持部22は、絶縁部27を
介してフランジ部25に組み付けられている。このフラ
ンジ部25は、シェル10の付設部20に結合されてい
る。この方ソード支持部22は、入口通路29及び出口
通路30と連通ずる比較的小さな空洞部28を有する。
冷却液として水がタンク(図示せず)から空洞部28を
介して循環されている。この冷却液は、タンクから人口
通路29を介して空洞部28へと流れ、出口通路30を
介して再びタンクへと戻るように循環している。直流マ
グネット33が支持部22の内部に配設されており、カ
ソード15のアーク蒸発端面35全体に渡って電気アー
ク34の付着点を拡散するように作用する。内部延長部
36がチタンカソードI5の周囲を取り囲むように、フ
ランジ部25から絶縁部27を介して真空室11の内部
に向かって延長形成されており、この内部延長部36の
内壁面とチタンカソード15の外壁面との間には比較的
狭い間隙部40が形成されている。
この内部延長部36の断面形状は、その延長部の長さ方
向に渡って略均−であり、その内壁面はチタンカソード
の外壁面に沿うように形成されている。このように内部
延長部36を形成することにより、内部延長部36の開
口端41に至る形状によってプラズマ流が規制されるこ
となく、スムーズに流れる。従って、仮に円筒状又は円
盤状のチタンカソード15が用いられた場合は、この内
部延長部36の断面形状は、チタンカソードI5の外壁
面に沿って円環状間隙部40を画成するように、円環チ
ューブ形状であるのが好ましい。例えば直径6.35c
mのチタンカソード15の場合、円環状間隙部40の寸
法は、0.08〜0.24cmである。また、間隙部4
0は、支持部22のガス導入通路38を介して窒素ガス
供給ライン39と連通している。窒素ガスは、窒素ガス
タンク(図示せず)から窒素ガス供給ライン39を介し
て間隙140へと導かれ、更にカソード室37を介して
真空室11へと供給される。流量調整弁Vが窒素ガス導
入通路に備えられており、供給ライン39からの窒素ガ
スの流れを調整することができる。内部延長部36は、
チタンカソード15の蒸発端面35よりも距離Xだけ余
分に突出しており、これによりカソード室37が画成さ
れている。直径6.35cmのチタンカソード15の場
合、この突出距離Xは、0以上であり、最大で13cm
であるのが望ましい。この突出距離Xは、第3図に示す
ように、チタンカソード15の蒸発端面35から延長部
36の開口端4】まで計られるが、直径6.35cmの
チタンカソード15の場合、その最小距離は、少なくと
も1cmであり、特に2〜6cmが好ましい。カソード
15の蒸発端面35の主要な直径をdとしたとき、縦横
比x / dは、どんなカソード15の形状の場合にも
一定に保つ必要がある。この縦横比は、θ〜2゜0に設
定され、最小縦横比は、少なくとも0.07であり、特
に0,3〜1.0の範囲で設定するのが好ましい。この
カソード室37を画成するために内部延長部36の内部
にカソード15を保持する必要性は、後述するものとす
る。この内部延長部36は、アーク蒸発端面35全体に
渡って電気アーク34の付着点を拡散するためのマグネ
ット33の機能と干渉しない材料から形成されるのが好
ましく、高温真空状態に適した非磁性体、例えば非磁性
ステンレス綱を用いるのが好ましい。
コーティング対象物14は、真空室11内部に配設され
た支持板42上に取り付けられ、チタンカソード15の
蒸発端面35から所定距離だけ離間して設定される。真
空室内でのコーティング対象物14の支持構造又は吊下
構造は、その対象物140寸法・形状及び重量により異
なる。第1図においては、図を簡潔に示すために、対象
物14の形状を四角形とし、カソードの蒸発端面35に
取り付けた状態で示しであるが、明らかに、この対象物
J4は、どのような形状であってもよく、またその支持
構造もどのような支持構造であってもよい。また、この
対象物14は、真空室ll内での真空状態において耐熱
性を有するどのような組成物であってもよく、例えば超
硬合金、ステンレス綱、セラミック複合材料、チタン合
金等の耐火金属から形成される。しかしながら、この支
持板42は、導電性材料から成り、シェル11の下壁部
17に備えられた電気絶縁性高圧貫通端子43の中心孔
を貫通して延びる金属ロッド42Aと結合している。こ
の金属ロッド42Aは、シェル10の外部に配設された
電圧供給源44の陰端子に接続されている。他方、この
電圧供給源44の陽端子は、導線31を介して側壁部1
8に接続されている。
真空室11の内部には、コーティング対象物14及び支
持板42を挟んでカソードの蒸発端面35と反対側に電
気的に絶縁された平板70が配設されている。この平板
70としては、それ自体を電気絶縁材料で形成するか、
又は第1図に示すように絶縁体71を用いてシェル10
から絶縁して保持された導電性材料から形成することも
できる。
電気的絶縁平板70は、この平板70とカソード蒸発端
面35との間の真空空間72にプラズマを閉じ込める機
能を有すると共に、真空室11の内に複数の蒸発面が配
設された場合に複数箇所に発生するプラズマの相互作用
を防止する防護壁としての機能を有する。そこで、コー
ティング対象物14は、その相当する蒸発面から発生し
たプラズマからイオン又は電子を引き付けることができ
る。
アーク電流は、シェルlOの外部に配設されたメイン電
源46から供給される。この電源46は、カソード支持
部22に接続された陰端子と側壁部18に接続された陽
端子とを有する。電気アーク34は、チタンカソード1
5とシェルIOの側壁部18との間に形成される。側壁
部18は、アノードであり、導線49を介して大地電位
45となるようにアースされている。アノードとしては
、側壁部18近傍に電気的に絶縁され組み付けられた別
の導電性部材(図示せず)を用いて形成してもよい。ま
た、アノードの形状は特に重要ではない。
後者の場合、この導電性部材は、シェル10に対して電
気的に絶縁されている。また、側壁部18は、第1図に
参照符号23で示す絶縁材を用いてシェル10のその他
の壁部から電気的に絶縁することもできる。また、この
アノード側壁部18を大地電位45となるようにアース
するのではなく、シェル10のその他の壁部16.17
.19を大地電位45となるようにアー スしてもよい
−船釣な電気アークの場合は、まず最初にチタンカソー
ド15の蒸発端面35にワイヤ電極50を接触する工程
から始まる。このワイヤ電極50は、高い抵抗値の抵抗
Rを介してアノード側壁部18又は側壁部18と分離さ
れたアノード(図示せず)と接続されている。更に、ワ
イヤ電極50は、フランジ部25に付設された絶縁スリ
ーブ51を介してプランジャー53に結合されている。
このプランジャー53は、ワイヤ電極50をカソード蒸
発端面35と接触又接触解除するように動作される。こ
のようなプランジャーに関しては、米国特許第4,44
8,799号に開示されているが、本発明の圧縮型構成
部品を製造するためのコーティング処理を実行するため
に、他のどのようなアーク開始ワイヤ電極動作機構が使
用されてもよい。
或は、このアーク発生開始のために、スパークプラグを
用いる一般的方法を用いてもよい。
ワイヤ電極の接触による電気アーク開始においては、−
旦ワイヤ電極50とカソード蒸発端面35とが接触する
と、電流がカソード15とワイヤ電極50を介して流れ
、メイン電源46からアノード側壁面18へと流れる。
ワイヤ電極50をプランジャー53の動作により、電気
アークを発生するカソード15から引き離すことにより
、ワイヤ電極50とカソード蒸発端面35との接触は解
除される。また、電気アークは、高い抵抗値を有する電
気抵抗Rによって、ワイヤ電極50よりも小さな抵抗値
のアノード側壁部18へと誘導される。
高い電流密度のアークにより発生するプラズマは、チタ
ンカソード蒸発端面35のチタン原子、チタン分子、イ
オン化したチタン原子、及びイオン化したチタン分子、
及びイオン化窒素から成る。
側壁部I8、或は側壁部18及びカソード15の両方に
対してコーティング対象物14を反対の極性に設定する
ことは、コーティングの平滑度、均一性、及び表面組織
に太き(影響する。また、電源電圧は、コーティング動
作を最適状態にするために、調整され得る。窒化チタン
コーティングに関しては、電源電圧が100〜200V
に保持されるのが好ましい。
窒素ガスは、円環状間隙部40を介してカソード蒸発端
面35と内部延長部36の開口端41近傍の内壁部とで
画成されたカソード室37へ噴き出される。この窒素ガ
スは、前述した内部延長部36の突出距離Xにより、カ
ソード室37内部の高い電流密度を有する電気アークの
周囲を覆う役目を果たす。この結果、プラズマの圧力及
び温度が増加する。このプラズマは、カソード室37内
の比較的高い圧力領域を介してカソード蒸発端面35か
ら延び、内部延長部具36の開口端41を介して空室■
1又は真空空間72内の比較的低い圧力領域へと向かう
前述の円環状間隙部40を介しての窒素ガスのカソード
室37への供給により、円環状にカソード15の周囲を
覆うように噴出する窒素ガスがカソード15から内部延
長部36へ向かって生ずる電気アークを防止するための
電気絶縁カーテンとして機能している。
このように、第1図には、チタンコーティング基板に窒
化チタンコーティング処理を施すために使用される電気
アーク蒸着装置を示したが、この蒸着装置は、異なる特
性を有する様々な窒化チタンコーティングに適用されて
おり、殆どの場合、ガスタービンエンジンの構成部品に
対するコーティングのためには使用していない。実際、
この蒸着装置を用いてのガスタービンエンジン構成部品
へのコーティングは、部品表面での亀裂の原因となりむ
しろ有害であった。この蒸着装置の開発者と共に、ガス
タービンエンジンの圧縮機構成部品である翼形のベーン
及びブレードに窒化チタンコーティングを施すことに関
して実験したが、蒸着装置開発者は、1〜5μの出来る
だけ薄いコーティングをするように努めた。しかし、本
発明者のみが厚いコーティング中に存在する残留応力の
重要性を認識した。
一般に、チタン合金製の圧縮機構成部品は、ショットピ
ーニング処理されており、疲労による亀裂開始及び亀裂
進行を阻止する役目を果たず50〜100ksiの残留
圧縮応力が部品表面に存在している。
部品表面に最初から存在する過度の表面残留応力の中で
残留圧縮応力を有するコーティングだけが疲労特性の劣
化を生じないことが解った。この表面残留圧縮応力とし
ては、1ooksi以」二が好ましい。
この表面残留圧縮応力は、コーティング基板に存在する
固有残留応力に対して少なくとも10ksi。
好ましくは少なくとも40ksiだけ大きな応力値であ
るのが好ましい。
周知のように、この残留応力は、X線回折法により測定
される。全ての結晶体は、規111]的に画成された空
間によって分離された原子群から形成される原子面によ
り固有の原子配列を有する。仮に、結晶体に応力が加え
られたならば、固有の原子面間距離が変化する。X線回
折法は、この原子面間距離を測定するために利用される
と共に、応力の存在している状態での被測定物の実際の
原子面間距離と応力の存在しない状態での被測定物の標
準原子面間距離とを比較することにより、被測定物に存
在する応力値を求めるために利用されている。。
本発明の圧縮機構成部品の場合、部品表面に施したコー
ティングに存在する残留応力としては、高い残留圧縮応
力が好ましい。二のような高い圧縮残留応力は、前述し
た製造工程に従って生成された窒化チタンコーティング
の中に存在することが解った。結晶格子の間隙に侵入し
た過剰な窒素原子が窒化チタンの結晶格子を変形する。
この過剰な窒素原子により、高い残留圧縮応力が窒化チ
タンコーティング中に発生する。仮に、コーティング対
象物をアーク蒸着コーティング中、高温下に長時間保持
した場合、より多くの窒素原子をコーティング内に侵入
拡散させることができる。このことは、厚い窒化チタン
コーティング層に高い応力値の残留圧縮応力が存在する
ことに等しい。
第2図は、異なる厚さの窒化チタンコーティングを施し
た様々なチタン基板の高サイクル疲労特性を示す図であ
る。第2図において、垂直軸は、窒化チタンコーティン
グされていない基板に対するコーティングされている基
板の高サイクル疲労強度を示している。コーティング厚
さ10〜25μの基板は、非コーティング基板の高サイ
クル疲労強度にほぼ等しく、疲労強度をまったく劣化し
ていないことが解る。コーティング厚さの比較的薄い場
合は、非コーティング基板より低い疲労強度を示した。
この薄いコーティングの場合は、優れた疲労特性に貢献
する残留応力を十分有していないので、疲労強度が低い
。また、既存の極めて厚いコーティングを施した基板の
場合は、コーティング基板のコーティング境界面からコ
ーチインク層が剥離し易いといった理由により、剥離欠
陥を生ずることが推測できる。従って、コーティング層
は、薄ずぎても厚ずぎても疲労特性に対1.ではよくな
いことが解る。
第3図は、実際に動作している状態を想定して圧縮機構
成部品の摩耗及び侵食状態を模擬実験するために、異物
として1分間につき6gのアルミナ粉末を添加して温度
900〜950°Fてバーナー装置の中で実験した窒化
チタンコーティングを施した場合と施さない場合での圧
縮機構成部品の侵食抵抗を示す。圧縮機構成部品である
ブレード及びベーンの翼弦の侵食は、窒化チタンコーテ
ィングを施した翼弦のほうが非コーティング翼弦と比較
して侵食量が少ないのが解る。特に実験時間が長くなる
につれて非コーティング翼弦に比べて窒化チタンコーテ
ィングを施した翼弦の侵食量が極めて少ないのが解る。
以上より明らかなように、本発明による窒化チタンコー
テインクを施したカスタービンエンジンの圧縮機構成部
品においては、疲労強度を低下するごとなく優れた侵食
抵抗を示す。
「発明の効果」 本発明は、上述のとおり構成されているので、次に記載
する効果を奏する。
適度な厚さに窒化チタンコーティングを施した本発明の
圧縮機構成部品は、ショットピーニング処理を施したチ
タン又はチタン合金製圧縮機構成部品表面に存在する残
留圧縮応力よりも高い値の残留圧縮応力を有する窒化チ
タンコーティング処理が施されているので、高サイクル
疲労特性を低下することなく、非コーティング構成部品
に略等しい高サイクル疲労特性を一有すると共に、優れ
た侵食抵抗を有する。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明のコーティング処理を施した圧縮機構
成部品を形成するための電気アーク蒸着によるコーティ
ング処理を施す装置の概略説明図であり、第2図は、異
なる窒化チタンコーティング厚さと、非コーティング圧
縮機構成部品に対するコーティング処理を施した圧縮機
構成部品の高ザイクル疲労強度割合との関係を示すグラ
フであり、第3図は、侵食試験における非コーティング
圧縮機構成部品とコーティング処理を施した圧縮機構成
部品の侵食量を比較したグラフである。 IO・・・シェル、11・・・真空室、12・・・真空
ポンプ、14・・・コーティング対象物、15・・・チ
タンカソード、34・・・電気アーク、35・・・蒸発
端面、38・・・窒素ガス導入通路、44・・・電源、
46・・・メイン電油、72・・・真空空間。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)残留圧縮応力がその表面に存在する被ショットピ
    ーニング処理を施したチタン又はチタン合金製圧縮機構
    成部品と、この構成部品表面に存在する残留圧縮応力よ
    り高い残留圧縮応力が存在する窒化チタンコーティング
    とから形成され、非コーティング構成部品と略等しい疲
    労強度を有すると共に高い侵食抵抗を有するコーティン
    グ処理を施した圧縮機構成部品。
  2. (2)チタン又はチタン合金製圧縮機構成部品表面に存
    在する残留圧縮応力が50〜100ksiであり、窒化
    チタンコーティングの残留圧縮応力が100〜150k
    siである請求項1記載のコーティング処理を施した圧
    縮機構成部品。
  3. (3)窒化チタンコーティング内に存在する残留圧縮応
    力が10〜40ksiだけチタン又はチタン合金製構成
    部品表面に存在する残留圧縮応力を上回る請求項1記載
    のコーティング処理を施した圧縮機構成部品。
  4. (4)コーティング厚さが10〜25μである請求項1
    記載のコーティング処理を施した圧縮機構成部品。
  5. (5)窒素とチタンの重量比が1.05〜1.15であ
    る請求項1記載のコーティング処理を施した圧縮機構成
    部品。
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