JPH0340105B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

技術分野 本発明は、ガスタービンエンジンのエアシール
に係り、また金属及びセラミツクの混合材料のプ
ラズマ溶射に係る。 背景技術 現代のガスタービンエンジンに於ては、2000〓
（1093℃）を越える温度の作動媒体ガスが、該ガ
スより動力を抽出すべく数列のタービンブレード
を横切つて膨張される。アウタエアシールと呼ば
れるシユラウドが各列のタービンブレードを囲繞
しており、これにより作動媒体ガスがブレードの
先端を越えて漏洩することが阻止されるようにな
つている。作動媒体ガスの漏洩の制限はかかるエ
ンジンに於て効率を向上させる上で重要である。
本明細書に記載された組成が徐々に変化するセラ
ミツクシールはガスタービンのアウタエアシール
に適用されるよう開発されたものであるが、この
シールは他の用途に適用されてもよいものであ
る。過酷なタービン環境に於て長期間に亙り信頼
性よく使用し得る耐久性に優れたシールが必要と
されていた。特に耐熱性及び耐熱衝撃性に優れた
シールが求められていた。更にシール材料はシー
ルが囲繞するタービンブレードがシールに摩擦接
触した場合に於ける破壊的な干渉が生じることを
回避するに十分な表面摩耗性を有していなければ
ならない。 米国特許第3091548号、同3879831号、同第
3911891号、同第3918925号、同第3975165号、同
第4109031号はセラミツクフエーシングされたシ
ールに適用可能な公知技術の代表的なものであ
る。 前述の米国特許の幾つか、特に米国特許第
4163071号に詳細に記載されている如く、セラミ
ツク被覆が適用される金属基体の温度は残留応力
又は被覆の密度を制御すべく増大される。一般に
かかる加熱は従来より均一な温度にて行われてい
る。本願出願人と同一の譲受人に譲渡された米国
特許第4481237号には、デイスクリートな層状を
なすタービンシールの製造方法が記載されてお
り、この方法に於ては金属基体の温度を変化させ
つつ基体上に実質的に一定の組成の多数の層をプ
ラズマ溶射することによつてシールが製造され
る。本願出願人と同一の出願人により本願と同日
付にて出願された特願昭60−268241号はこの概念
を拡張するものであり、この特許出願には金属及
びセラミツク材料の組成を連続的に変化させる方
法が記載されている。 上述の各米国特許に記載された材料及び方法の
多くは非常に望ましいものであることが解つてい
るが、これらにより得られる構造体は特に過酷な
環境の用途に於て十分な能力を発揮するものでは
ない。そのため更に改善された材料及び方法に対
する研究が継続的に行われている。 発明の開示 本発明によれば、組成が徐々に変化する部分の
セラミツク材料としてアルミナ、ムライト、
MgO・Al₂O₃スピネルの如く高温度に於ける酸素
透過性の小さい材料を使用することにより、米国
特許第4481237号に記載されたデイスクリートな
組成が徐々に変化する層状のシール及び上述の特
願昭60−268241号明細書に記載された連続的に組
成が変化する金属−セラミツクシールに実質的に
向上された性能が与えられる。 更に耐酸化性に優れた金属材料、特にMCrAY
型（ここにＭはFe、Ni、又はCoである）及びこ
れに関連する材料が使用される。 混合された金属及びセラミツクよりなるシール
系の耐久性を向上させる他の方法も記載される。
かかる方法の一つは、粉末の大きさを比較的粗く
且均一な大きさに制限（即ち表面積の大きい微細
な粒子量を低減）することにより、若しくは金属
成分が衝突する際にもそれが表面積の大きい平坦
な形態になるのではなく丸い形態を維持するよう
金属成分が完全には溶融しないようなプラズマ溶
射条件を採用することにより、金属成分の表面積
を低減することを含んでいる。他の一つの方法は
金属成分を予め酸化することである。 更に他の一つの方法は、金属−セラミツク材料
と共に消失性材料を溶射することによつて材料中
に適度に気孔を発生させることにより、金属成分
の酸化により生じる膨張を最小限に抑えることに
関するものである。 混合された金属−セラミツク層に関連する種々
の特徴に加えて、本発明は酸素の透過に対する抵
抗を与える目的で混合層上に100％アルミナの薄
い層を使用すること、及び運動するタービンブレ
ードと干渉した場合に研摩可能な摩擦接触を与え
また耐熱性を改善すべく、アウタシール成分とし
てジルコニアの如き摩耗性を有するセラミツク層
を使用することを教示するものである。 以下に添付の図を参照しつつ、本発明を実施例
について詳細に説明する。 発明を実施するための最良の形態 組成が徐々に変化する良好な金属−セラミツク
シールを製造する必要性は二つのカテゴリーに分
類される。第一のカテゴリーはシールの物理的要
件、特に組成に関するものである。また第二のカ
テゴリーはプラズマ溶射中に基体の温度を制御す
ることによつてその系に組込まれる残留歪であ
る。本発明は第一のカテゴリー、即ち組成が徐々
に変化する金属−セラミツク層の物理的性質に関
するものである。第二のカテゴリーの種々の局
面、即ち残留歪の制御については、本発明の最良
の実施態様を理解し得るよう必要に応じて説明す
る。かかる歪制御の局面はデイスクリートな層の
場合については米国特許第4481237号に記載され
ており、連続的に組成が変化する層については本
願出願人と同一の出願人により本願と同日付にて
出願された特願昭60−268241号明細書に記載され
ている。 第１図は本願の優先権主張の基礎出願である米
国特許出願第675797号の出願時点に於て本願発明
者等が知つている最良のシールの組成と厚さとの
関係を示してある。第１図に於て、Ｘは基体より
外方へ向けて測定した場合のシールの厚さ（mil
（mm））を示しており、シールの全厚は約150mil
（3.81mm）である。シールはプラズマ溶射により
溶着されるので、実際にはシールの厚さは一つの
層より他の一つの層へ移行する領域に於て階段状
に変化する。しかし各層の厚さは1mil（0.025mm）
程度であるので、第１図の連続的な曲線はシール
の組成を十分に説明している。 基体の側より見ていくと、ニツケル−クロム粉
末とアルミニウム粉末との集合体より形成された
市販の材料であるメトコ（Metco）443として知
られている組成物であつて、プラズマ溶射時にボ
ンド被覆が基体に接着することを補助するものと
思われる発熱反応を生じる組成物よりなる最初の
金属ボンド被覆が存在する。このボンド被覆に隣
接する厚さ20mil（0.51mm）の領域は、−100〜＋
325の米国標準篩の粒子寸法を有する60％の
CoCrAlY（Co−23Cr−13Al−0.65Yの公称組成）
と40％のアルミナとよりなる一定の組成の領域で
ある。この一定の組成の層の上には、20％
CoCrAlY及び80％アルミナの組成になるまで
25mil（0.64mm）程度の範囲に亙り連続的に組成が
変化する層が存在する。20％CoCrAlY及び80％
アルミナの組成は約10mil（0.25mm）の範囲に亙り
一定に維持されており、その上の領域に於ては
100％アルミナの組成になるまで組成が連続的に
変化している。この層の上に100％アルミナの一
つの層（１±0.5mil（0.25±0.013mm）が溶着され
ている。全てアルミナよりなる層が存在しない場
合には耐酸化性が低下するが、全てがアルミナで
ある多数の層が存在する場合には機械的性質が低
下することが解つている。100％アルミナの層上
には、摩耗性及び耐熱性を向上させるべくジルコ
ニアの外層が溶着されている（Al₂O₃は約2000℃
にて溶融するが、ZrO₂は約2700℃にて溶融す
る）。アルミナはジルコニアよりも硬く且高強度
の材料であり、外層とてのアルミナは好ましい摩
耗性を有してはいない。ジルコニアの摩耗性を更
に向上させるべく、適度（約19％程度の有孔度）
の気孔がジルコニアの外方部に形成される。この
ことはセラミツク材料に消失性材料（例えばメト
コ（Metco）600ポリエステルやデユポン（Du
Pont）のルサイト（Lucite）（登録商標））を添
加し、溶射後に高温にて焼成することによつて消
失性材料を蒸発させることにより該消失性材料を
除去することによつて達成される。従つて第１図
は本発明の一つの好ましい実施例の明瞭な物理的
特性を幾分か詳細に示している。また本発明の
種々の詳細は米国特許第4481237号に記載された
デイスクリートな層状系にも容易に適用され得る
ものであることは明らかであろう。 第２図は得られた構造体の顕微鏡写真を模した
図である。金属成分は明るい色彩をなしており、
アルミナは暗灰色であり、ジルコニアは明灰色で
あり、気孔は黒色である。 第３図はタービンエアシールの構造、プラズマ
トーチ、基体の加熱手段を示す解図である。 第４図は所望且所要の基体の予歪（prestrain）
状態を得るべくプラズマ溶射中に採用される基体
の温度制御を示すグラフである。基体の温度はボ
ンド被覆の溶着中には比較的高いレベルに維持さ
れ、しかる後低下される。その後基体の温度はセ
ラミツク含有量にほぼ比例して増大され、ついに
はボンド被覆の溶着中に採用された温度よりも高
いレベルになり、外層の摩耗性を有するセラミツ
ク材料の溶着中には次第に低下する。 本発明の一つの主要な局面は、高温度に於ける
酸素の拡散に対する抵抗を有する材料への置換で
ある。かかる三つの材料がシールの用途用に見出
されている。それらの材料はアルミナ、ムライ
ト、及びMgO・Al₂O₃スピネルである。 第５図は50Torrの酸素分圧に於ける或る温度
範囲に亙る安定化されたジルコニア及びアルミナ
の透過性を示している。第５図より1600℃に於て
は、アルミナ中に於ける酸素の透過率は約10^-10
以下であり、同一温度に於けるジルコニア中の酸
素透過率よりも約３桁小さい値であることが解
る。上述の他の材料、即ちムライト及びスピネル
は高温度に於けるジルコニアの酸素透過率の10％
よりも小さい酸素透過率を有している。 更にクロム含有量が約20〜40％であるMCr材
料、クロム含有量が約15〜45％であり、アルミニ
ウム含有量が約７〜15％であるMCrAl材料、ク
ロム含有量が約15〜45％であり、アルミニウム含
有量が約６〜20％であり、イツトリウム含有量が
約0.1〜５％であるMCrAlY材料、クロム含有量
が約15〜45％であり、アルミニウム含有量が約７
〜15％であり、ハフニウム含有量が約0.5〜７％
であるMCrAlHf材料よりなる群より耐酸化性材
料が選択される。これらの全ての材料に於て、
「Ｍ」はニツケル、コバルト、鉄、及びそれらの
混合物（ニツケルとコバルトとの混合物が特に好
ましい）よりなる群より選択され、イツトリウム
（存在する場合には）ランタン、セリウム、ミツ
シユメタル、及びそれらの混合物にて部分的に又
は完全に置換えられてよく、更にプラチナ、タン
グステン、レニウム、ケイ素、タンタル、マンガ
ンよりなる群より選択された10％までの材料がこ
れらの材料の何れかに添加されてよい。 下記の表１はセラミツク−CoCrAlY材料に基
づく二つの組成物についての酸化のデータを示し
ている。一つの組成物に於ては、セラミツクはジ
ルコニアであり、他の組成物に於てはセラミツク
はアルミナであり、何れの組成物に於ても
CoCrAlYの含有量は同一の体積％であつた。こ
れらの材料は1900〓（1038℃）にて150時間に亙
り試験された。試験の結果が下記の表１に示され
ている。この表１より、ジルコニアをベースとす
る材料は金属成分の酸化に起因して3.3％の重量
増を生じており、また金属成分の酸化により惹起
された材料の膨張に起因して3.4％の長手方向の
膨張を生じていることが解る。同一の条件下に於
て、アルミナをベースとする材料は2.1％の重量
増（ジルコニアをベースとする材料に比して37％
の減少）を生じており、0.5％の長さの収縮を生
じている。表１に示された情報は混合された金属
−セラミツク系に於て一般に使用されているジル
コニア材料に代えてアルミナを使用することによ
りシールの性能が実質的に向上されるという本発
明の基体的前提を支持している。

【表】 下記の表２は微細な粉末を篩によつて除去する
ことにより金属成分の表面積を低減することによ
り得られる効果を示している。表２に於て、両方
の組成物は粗い粒子を使用することにより得られ
る効果を示すための有効なベースラインとして機
能するジルコニアセラミツクをベースとするもの
である。表２は85％ジルコニア、15％CoCrAlY
の同一の組成を有する二つの材料の重量変化の結
果を示している。この二つの材料の間の相違点
は、一方の材料が−100〜＋325メツシユの広い寸
法範囲の金属粉末より製造され、他方の材料が−
100〜＋200メツシユの金属材料より製造されたこ
とである。尚上述の粉末のメツシユ寸法は米国標
準篩シリーズに記載されたものであり、−100は一
辺が0.149mmの正方形の孔を有するワイヤメツシ
ユを通過する粒子を意味し、＋325メツシユは
0.044mmの平均目開き寸法を有するワイヤメツシ
ユ上に材料が残存することを意味し、＋200メツシ
ユは0.074mmの平均目開き寸法を有するワイヤメ
ツシユ上に材料が残存することを意味する。かく
してこれら二つの組成物の間の本質的な差異は、
200メツシユのスクリーンを通過する粒子が第二
の組成物に於ては排除されたが、第一の組成物に
於ては排除されなかつたことである。表２より、
微細な粒子を除去することは酸化に起因する重量
変化を低減することに関し重要な役割を演ずるこ
とが解る。この試験に於ては寸法変化は評価され
なかつた。

【表】 それ以上の酸化を抑制するアルミナ層を粉末の
表面に形成すべく約400〓（204℃）にて約６時間
に亙り適度に予め酸化されたCoCrAlY材料を使
用して非常に予備的な実験が行われた。この非常
に予備的な実験より、上述の方法によれば約20％
酸化を低減し得ることが解つた。 下記の表３はプラズマ溶射により製造されたア
ルミナ−CoCrAlY複合層の性能に与える適度の
気孔の影響に関する基体的な情報を示している。
この表３より、４％のポリエステルを含有し、従
つて或る量（約２％）気孔を有する材料に於て
は、酸化に起因する重量増が僅かであり、しかも
寸法変化が非常に小さいことが解る。従つて適度
の気孔を形成することは熟練した職人による注意
を要する領域である。

【表】 酸化及びこれに起因して生じる膨張を低減する
最後に提案された方法は、金属成分がこれが完全
に溶融した場合に生じる完全に平坦な板の状態に
なるのではなく、組成が徐々に変化する被覆内に
於てより一層球に近い形状を保持するよう、金属
成分を完全には溶融させない条件下にてプラズマ
溶射を行うことである。完全に溶融した材料に於
て観察されたアスペクト比（長さ：厚さ）は約
５：１〜約10：１であり、アスペクト比が約３：
１又はそれ以下の場合に表面積が低減される。か
かる結果は、金属成分がプラズマ領域内に存在す
る時間が短く、完全には溶融しないよう金属成分
が噴射される位置にプラズマ溶射装置のトーチを
調節することによつて達成される。また粗い粒子
を使用することによりアスペクト比を容易に制御
することができる。 第１図及び第２図との関連で上述した組成が
徐々に変化するシールを有効に商業的に製造する
には、当技術分野に於ては知られていない或る程
度洗練されたプラズマ溶射法（本願出願人と同一
の出願人により本願と同日付にて出願された特願
昭60−268240号及び特願昭60−268241号にかかる
発明の客体である）が必要である。特願昭60−
268241号明細書には、組成が連続的に変化する被
覆を形成するための温度制御方法であつて、被覆
が割れを生じることなる高温度に於ける過酷な条
件に耐えることを可能にする所要の予歪を被覆内
に発生させる第１図との関連で上述した温度制御
方法が記載されている。また特願昭60−268243号
明細書には、制御のし易さ及び再現性に優れた態
様にて混合粉末を製造するために使用されるプラ
ズマ溶射粉末処理システムが記載されている。こ
のシステムの本質はキヤリアガスの流量及び圧力
を正確に測定し、ガス及び粉末の混合流の流量が
Ｘ線により測定され、これらの測定結果が制御用
のマイクロコンピユータへ供給され、該マイクロ
コンピユータによりガスの流量及び種々の粉末の
流量を制御するに必要な信号が出力されることで
ある。特願昭60−268240号明細書には、実際の粉
末の流れを測定し、粉末の流量を制御するために
使用される粉末流量測定法が記載されている。端
的に言えば、Ｘ線測定システムはキヤリアガスの
流量を正確に測定すべく流量センサ及び圧力セン
サを使用しており、また粉末とキヤリアガスとの
合計の質量流量を示す値を得るべく通過式Ｘ線装
置を使用している。これらの測定結果より質量流
量が正確に計算される。実際の粉末の質量流量が
解れば、制御回路を使用して粉末の流量を或る予
め定められたスケジユールに従うよう制御し制限
することができる。 以上に於ては本発明を特定の実施例について詳
細に説明したが、本発明はかかる実施例に限定さ
れるものではなく、本発明の範囲内にて他の種々
の実施例が可能であることは当業者にとつて明ら
かであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるシールについての組成曲
線を示している。第２図はタービンの断面を25倍
にて示す顕微鏡写真を模した図である。第３図は
タービンのエアシールを示す解図である。第４図
は第１図に示されたシールを溶着する過程に於け
る基体の温度変化を示すグラフである。第５図は
ジルコニア及びアルミナの酸素透過率を示すグラ
フである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ プラズマ溶射され組織が徐々に変化する金属
   −セラミツク製ガスタービンエンジン用エアシー
   ルにして、 基体に続いて最初の金属ボンド被膜と組成が
   徐々に変化するセラミツク材の層を含み、 前記金属ボンド被腹に続いて配置され、アルミ
   ナとMCrAlY型合金（Ｍは鉄、ニツケル、コバ
   ルト又はそれらの混合物）との混合物からなる一
   定の組成を有する層と、 前記MCrAlY型合金の含有量が減少し同時に
   前記アルミナの含有量が増加し最後に前記
   MCrAlY合金とアルミナとの混合物の組成が一
   定となるよう構成された徐々に組成が変化する層
   と、 アルミナが支配的な層と、 ジルコニアが支配的な最外層と、 を含むガスタービンエンジン用エアシール。 ２ 特許請求の範囲第１項に記載されたガスター
   ビンエンジン用エアシールにして、金属成分の酸
   化による膨張を受け入れるために20％体積％以下
   の細孔を含むことを特徴とするエアシール。 ３ 特許請求の範囲第１項に記載されたガスター
   ビンエンジン用エアシールにして、前記徐々に組
   成が変化する層は実質的に一定の組成を有する非
   連続的な層の形態にて存在することを特徴とする
   エアシール。 ４ 特許請求の範囲第１項に記載されたガスター
   ビンエンジン用エアシールにして、前記溶着され
   た金属粒子は３対１以下のアスペクト比を有する
   ことを特徴とするエアシール。 ５ 特許請求の範囲第１項に記載されたガスター
   ビンエンジン用エアシールにして、前記徐々に組
   成が変化する層は金属からセラミツクまで連続的
   に変化していることを特徴とするエアシール。 ６ 特許請求の範囲第１項に記載されたガスター
   ビンエンジン用エアシールにして、前記セラミツ
   ク材はそのセラミツク成分が1600℃で6666Paの
   酸素分圧下で10^-8ｇｍ・cm^-1sec^-1以下の酸素透
   過定数を有しており、これによつて前記金属成分
   は酸素より剥離され且酸素より保護され、前記
   徐々に組成が変化する構造は酸化条件下で高温に
   てより耐久性が付与されることを特徴とするエア
   シール。 ７ 特許請求の範囲第１項のガスタービンエンジ
   ン用エアシールにして、前記ジルコニアの最外層
   は安定化されたジルコニアの層であることを特徴
   とするエアシール。