JPH04218698A - ガスタービンブレードの製造方法 - Google Patents
ガスタービンブレードの製造方法Info
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Abstract
め要約のデータは記録されません。
Description
ド、とくにこの種ブレードの先端シールの製造に関する
ものである。
ックス状に埋めこまれた研摩粒子を含む部分を設けるこ
とは良く知られている。この先端は、研摩粒子よりも軟
かい材料のシュラウドの表面と接触する。かくして、粒
子はシュトラウドに対して摩擦作用を行うので、ブレー
ド先端とシュラウドの間には極めて小さい隙間が形成さ
れる。しかしこの隙間は極めて小さいのでガス漏れはわ
ずかである。この技術が用いられるある特定の例によれ
ば、上記マトリクスの大部分はコバルトであり、残りの
部分はクロム、タンタル、アルミナである。シュラウド
のライニング材料の大部分は、コバルトであり、残りは
ニッケル、クロム、アルミであり、わずかな量のイット
リウムが含まれる。かような先端の製造法は、極めて費
用のかかるものである。ある例によると、マトリクスは
デトネーションスプレーコーティングで作られる。他の
例によると、主としてニッケルとコバルトの先端の側部
分がまず作られるが、この部分には他の成分が単結晶と
してキャスティングされる。先端の内側部分は、成形さ
れたあとで、ブレード本体の先端に拡散ボンドされる。 次いで、先端の摩擦部分が、研摩粒子のまわりにクロム
とニッケルとの層を交互に電着させることによって形成
される。外側先端部分は次いで、アルミ処理されて、N
iCrAlのマトリクス合金になされた。
に研摩先端を、上述の公知方法により安価で且つ簡単な
方法で形成する方法を提供するにある。
ービンブレードの製作方法は、電着法によりブレード本
体の先端に接着性のコーティングを形成するステップを
含む。この接着性コーティングはMCrAlYを含むが
、この場合のMは鉄、ニッケル、コバルトのいずれかひ
とつあるいは2種以上であって、研摩材料の接着性コー
ティングの粗粒子に接合される。この接合の方法は、研
摩粒子が懸濁しているメッキ浴を用いる合成電着であり
、各研摩粒子のまわりを埋めるためのメッキ法である。
あるので、比較的低コストであり、コントロールが容易
であるが、極めて効率の良い研摩性ブレード先端が得ら
れる。得られる先端は、(a)MCrAlYの接着層、
(b)固着材料層、(c)出来ればMCrAlYの他の
層より成るが、接着層(a)により、酸化と腐食に対し
て極めて耐性の高い保護層が形成され、ベースが形成さ
れる。このベースには、粒子含有が固着される。固着層
(b)は出来ればコバルトあるいはMCrAlYで作ら
れ、30μm以下、出来れば20μmあるいは2〜10
μmの好適厚さを有しているので、研摩粒子(固着層の
厚さよりかなり大きな平均粒径をもつ)を接着層内に保
持する。層(c)は、研摩粒子のまわりを埋めて、各粒
子をかたく保持する。同時に、研摩粒子は必要に応じて
突き出るので、研摩機能が向上する。大部分の場合、完
全な先端が堆積されると、熱処理が施されて、層の均質
化が行なわれ、事実上、均質の単独層(3つの層がすべ
てMCrAlYであるときは、MCrAlYの層)が得
られる。この単独層の粒子は、層の最上表面に埋込まれ
て、出来るだけ長く突き出る。
摩材として知られる、ジルコニア、アルミナ、各種窒化
物、ケイ化物、ホウ化物などである。好ましい研摩材料
は、立体状のボロン窒化物であるが、できれば125〜
150μmの大きさの粒子をもつものがよい。主たる研
摩粒子のサイズ、たとえば約20μm、より実質的に小
さいサイズの研摩粒子を、充填物、あるい少なくともそ
の上側あるいは外側部が含むようにしていもよい。
AlYであるときの固着層、MCrAlYの場合の充填
物は、各種組成のもでよいが、適切例は英国特許明細書
GB−2167446Bに開示されている。電着法はい
ろいろな装置で行うことができる。しかし、好適方式の
装置は、英国特許明細書GB−2182055Aとヨー
ロッパ特許明細書EP−0355051Aに開示されて
いる。これらの装置は、電気メッキタンクを有するが、
このタンクは、底の近くから浴内の溶液の表面のすぐ下
にまで伸びる垂直かべによって2つの区間に分けられる
。ガスは、ひとつの区画に入るので、内側の溶液は上昇
し、溶液は含まれる粒子と共にせきから溢れ出る。この
せき、上記分割かべの上縁によって形成される。溢流し
た溶液はコーティングされる物品が入っている第2区画
内に下降する。最後の明細書は、ストップ・スタートつ
まり急・緩サイクルで物品を回転することを開示してい
る。
充填物が金属マトリクスにおけるCrAlYの粒子で構
成されているとき、充填物の溶着はブレードを振動させ
ることによってなされれば好都合である。この振動の方
向は、ブレードの軸方向あるいはこの軸方向を実質的方
向とするのがよい。確実に云えることは、かような振動
によりCrAlY粒子は均一分布されるということであ
る。とくに、研摩粒子のオーバハングによって形成され
る区域、つまりそうしないと粒子が存在してない区域に
ついて云える。好ましい振動周波数は、10ヘルツから
1キロヘルツであるが、とくに50ヘルツが適している
。ピークが加速度は10Gまでが望ましい。とくに望ま
しい結果は、交互2段階たとえば、約2Gのピークレベ
ルの振動と、約10Gのピークレベルの振動を交互に行
なわせることによって得られる。好ましくは、各下位レ
ベル位相は、各高位レベル位相より長いので、下位レベ
ルも位相は、30秒から2分間の時間と、約2Gのピー
ク加速度を有する。高位レベル位相は、約5秒の長さと
、約10Gのピーク加速度を有する。
が、本発明によりガスタービンブレードを製作する方法
と、この方法を実施するのに適した装置とが、添付図面
と関連的に以下においてい例示される。
テナ1を含むが、この容器は平行六面体をなす上部2と
下向きにテーパをなす下部3を有するので、倒立ピラミ
ッドをなす。この倒立ピラミッドはゆがんでいるので、
一面4は、上部の側面5とと連続する。
壁は容器の側面4と5に対して平行の垂直面をなし、容
器の隣りの垂直面と傾斜面、および側縁7と8を接合す
る。かくして上記隔壁により、容器は大きめのワーキン
グゾーン9と小さめのリターンゾーン11に分けられる
。隔壁6は容器の底部において、水平縁12で終ってい
るが、この水平縁は容器の底から上方にはなれているの
で、上記ワーキングゾーン9とリターンゾーン11との
間に連結部13が形成される。隔壁6は容器の頂部にお
ける水平縁14で終っているが、この水平縁は容器の頂
縁の下側である。
15があるが、これは空気ポンプ(図示せず)に接続さ
れている。ワーキングゾーン9には取付具21が担持さ
れているが、この取付具にはコーティングされる加工片
がとりつけられる。取付具21は、容器内加工片を動か
すようになされている。この移動方法については、詳細
を後述する。導線(図示せず)が設けられているので、
ワーキングゾーン内に懸垂されている陽極と相対的に取
付具21に担持されている加工片に電圧が供給される。
置を作動させるとき、加工片は、図示のように定置され
た取付具21に担持される。取付具の位置決めする前あ
るいはその後で、容器は、同時溶着される粒子を含むメ
ッキ溶液で、隔壁6の頂縁14の上のレベル17まで満
される。空気が入口15に入ると、リターンゾーン11
は上昇し、溶液も粒子と共に上昇する。リターンゾーン
の頂部から空気は逃げ、溶液と粒子は、隔壁の頂縁14
によって形成される広くて頂上付のせきをこえて溢流し
、取付具21上の加工片をこえて流出する。ワーキング
ゾーン9の底部における粒子は沈澱する傾きがあって、
容器の傾斜側面を下降して、連結部13に向う。粒子は
この連結部13において、溶液内に再度補足され、戻さ
れてゆく。
粒子は、加工片に出会うと、加工片に沈着し、加工片の
金属材料内に埋めこまれ、メッキがなされる。
付具21は、くわしくは図4に示され、図面簡略化のた
めに単純化され取付具は、図2と図3に示される。取付
具21は、容器1の頂部にはめこまれたデッキ22と、
一端にある垂下ピラー23、および他端にある一対の垂
下ガイド24とより成る。これらのガイド24は、対面
ガイドウェイを有するが、このウェイ内をクロスヘッド
25がすべる。クロスヘッド25の有する垂直ラック2
6は、デッキ22内の穴27を通って上向きに貫通して
、ピニオン28とかみ合う。ピニオン28は、可逆電動
モータ29によって駆動される。デッキ22が支持する
第2電動モータ31は、垂直軸32を駆動するが、この
垂直軸は、ピラー23内に担持されたスピンドル35の
一端にとりつけられたクラウン歯車34とかみ合う。 スピンドル35の他端は、自在接手36により、ジグ5
2の一端におけるトラニオン51に連結される。ジグ5
2は、図4には略示されているが、図5と図6にくわし
く示されている。ジグ52の他端には、第2トラニオン
53があるが、このトラニオンは、クロスヘッド25内
の球状軸受38内に入っている。
るが、このバネによってジグは、図2と図3に示すよう
に容器1の縁に支持される。デッキ22にはバイブレー
タ42が担持されているが、このバイブレータの作動は
必要に応じて、コントローラ(図示せず)によって調整
されうる。電動モータコントローラ43は、デッキ22
上に担持され、ライン45によりモータ29、31に連
結される。コントローラ43は、必要に応じてモータ3
1が一方向にのみ駆動され(しかし、ストップ/スター
トつまり2段階作動は出来る)て、スピンドル35を名
目上の水平軸線(X)まわりで回転させるようになされ
ている。コントローラ43は、必要ならモータ29を反
対の2方向に交互に駆動して、クロスヘッド24を往復
動させ、自在接手36(Y軸)における回転軸線のまわ
りの揺動回転運動を、X軸のまわりの回転に重ねる。
れているユニットを有する。ジグ52はさらに、トラニ
オン51に接続された第1端54と、他のトラニオン5
3に接続された第2の端55と、かたく連結されていて
上記各端54と55を接続するベース56と、および着
脱自在のフタ57とを有する。各端54と55には固定
スタッド58がとりつけられているが、これらのスタッ
ドはフタ57とボルト59の下側と衝合する。ボルト5
9はフタ57内の穴を自由に貫通して、端54と55の
上縁内のねじ穴と係合する。かくして、フタ57はスタ
ッド58上にねじ込まれる。ベース56には溝61があ
るが、この溝は先端加工されるタービンブレードの根元
を受容する。フタ57には空力学的形状の穴62があり
、この穴にはブレードの外端が入る。ブレードは、ねじ
63によって、溝61内の所定位置に保持される。溝6
1の後端にあるプレート64により、ブレードが溝61
から脱落するのが防止される。
成するように構成された装置の使用法を以下において述
べる。
kleneのような専用の脱脂剤内で脱脂される。ジグ
52の頂板を外し、ブレードの根元は、底板56内の溝
61のひとつに挿入されて、背板64と係合する。次い
でブレードの根元は、ねじ63を根元の下側に向けてし
めつけることによって所定位置にクランプされる。頂板
は次いで交換され、ねじ59をしめつけて固定する。こ
の状態で、ブレードの頂部は、隙間を残して、プレート
64の頂面と大体同じ高さになる。隙間は約1ミリ厚で
あって、穴62の隣接縁とブレードの外周のまわり全体
にわたってのびる。ブレードとホルダは必要に応じてグ
リットブラスティングを行い、マスキングワックスのた
めのキーを形成する。次いで、ホルダはワックス浴に挿
入されて、ホルダとブレードの全表面にマスクが施され
る。プレート57の上面とブレードの先端は次いで、5
0〜100μmのアルミナを用いてグリッドブラストさ
れる。ジグは内部のブレードと共に、水酸化ナトリウム
/グルコネート/チオシアン酸塩より成るクリーニング
溶液内に、6〜8ボルトで、5秒間の陽極洗浄をうける
。ジグとブレードは次いで、流動冷水で完全にゆすがれ
る。ブレードとプレートの露出面は次いで、溶液中でエ
ッチングされる。この溶液は、約300グラム/リット
ルの塩化鉄、58グラム/リットルの塩酸、および1%
のフッ化水素酸(60%W/W)より成る。エッチング
は、室温で5分間行なわれ、次いで流動冷水で再度完全
にすすがれる。次にジグは、塩化ニッケル浴に入れられ
、4分間、平方デシメートル当り3.87アンペアのス
トライクをうける。このストライク浴は、約350グラ
ム/リットル塩化ニッケルと、33グラム/リットル塩
化水素酸を含む。
りつけられ、この取付具は図1〜図3に示す装置内に入
れられる。ジグと取付具を組立て、その後予備処理を行
ってもよい。この浴は、2〜5重量%のCrAlY粒子
を含むコバルトメッキ液を含む。CrAlY粒子は、6
7〜68重量部のCr、29〜31重量部のAl、1.
5〜2.4重量部のYを含む。この浴のサイズ分布は、
以下の表に示す。この表におけるサイズ範囲に関するた
てのらんは、マイクロメートルで測定されたカットの上
限と下限を示す。溶着されたままのコーティングにおけ
るサイズ分布は、メッキプロセスにおける選択に応じて
、類似ではあるが、いくらか小さい。
表 サイズ範囲
% 118.4
54.9
0 54.9
33.7
0 33.7
23.7
0.3 23.7 1
7.7
1.3 17.7 13
.6
4.3 13.6 10.
5
17.7 10.5 8.2
38.1 8.2 6.4
18.3 6.4 5.0
12.3 5.0 3.0
8.2 3.9 2.
4
0.1 3.0 2
.4
0 2.4
1.9
1.075A(1平方フィート当り10A)の電流密度
で、4時間にわたってつづけられるが、このときコント
ローラ43は、1分当り0.33回転でホルダ52が回
転するような速度で、モータ31を回転させるべくセッ
トされる。モータ29はこの処理加工中静止しているが
、空気は連続的に流され、溶液と懸濁CrAlY粒子が
循環する。このメッキ加工により、ブレードの先端にC
oCrAlYのコーティングがなされて、25〜50μ
mの厚さが得られる。代りに、図8に示す取付具を用い
、くわしくは後述する振動法を利用してこの接合コーテ
ィングを実施してもよい。上述の浴からCoCrAlY
を溶着することにより、概数で、重量%10のAl、2
3のCr、0.5のY、および残量Coの組成をもつ層
がえられる。
れ、タンクから出されて、流水ですすがれる。ホルダは
ウッスニッケル浴つまり1ボリューム%の流酸塩の浴に
入れられ、表面を再活性化し、次いで取付具は第2浴に
入れられる。この第2の浴は、第1の浴と似ているが、
CrAlY粒子の代りに、100/200メッシュ、つ
まり、125〜150μmの立体ボロンニトライド粒子
を含む。ジグが図4に示す位置、つまりブレード先端が
水平で上向きであり、モータ29と31が不活性であり
、空気が入口15から入らないとき、メッキ加工は1デ
シメートル当り2.7A(1平方フィート当り25A)
で始められ、空気は5秒間だけONになされる。ボロン
ニトライド粒子は、循環され、ブレードとホルダ上に滝
のように落とされる。メッキ加工はさらに続けられるが
、約40分間にわたって空気流は阻止されるので、粒子
はブレードの先端から先端まで付着する。20分後に、
5秒間にわたり空気をさらに吹きつけて、ブレードの先
端表面上にCBN(立体ボロンニトライド)粒子を均一
且つ最大量で分布させると良い場合がある。この時、モ
ータ31は、作動されて、ホルダ52をゆっくり180
度にわたって回転させ、過剰且つ非付着の粒子をふり落
す。
、タンク内でリンスされ、スタティク浴内でリンスされ
、最後に流水中で全体がすすがれる。コーティング中の
表面は、ウッドニッケルつまり1%硫酸浴内で不活性化
され、取付具はCoCrAlY浴に戻される。モータ3
1のスイッチが入り、ジグは0.33rpmで回転し、
メッキ加工は7時間にわたり、1デシメートル当り1.
075A(1平方フィート当り10A)でつづけられる
が、この時空気はつづけて進入するので、浴液とCrA
lYの懸濁粒子の循環運動が維持され、CBN粒子の下
側とまわりの空気は、CoCrAlYで、図7に示すよ
うな深さまで満される。この際、研摩粒子はCoCrA
lYのまわりを満してわずかに残る程度になされる。
プロセス中において、ホルダは、ヨーロッパ特許出願N
o.89307713.1に開示されるスタート/スト
ップ作用をもって回転される。かくして、モータ31は
コントロールされてジグ52は一方向回転を行い、3分
間に1回転する速度で、つまり3秒間回転し、10秒間
停止するよう断続的に回転する。しかし、バイブレータ
42はモータ31が不活性のとき利用してもよく、この
時ジグ52は図4に示す位置に保持され、ブレードの先
端表面は水平且つ上向きになっている。バイブレータ4
2は、50ヘルツの周波数で振動するようになされてい
るが、この時振動は交互に強弱に変化する。強のときは
、5秒間つづき、ピーク加速度は10Gである。弱のと
きは、75秒つづき、ピーク加速度は2Gである。回転
と振動の交互組合せが、同時あるいは交代で採用される
。回転が採用されるときは、弱の振動レベルにおいての
み、望ましいと思われる振動が必要となる。かような振
動と回転により、均質充填がなされ、CrAlY粒子は
CBN粒子によってカゲになる部分にも達する。
、ホルダは、脱塩水入りのタンクでリンスされ、次いで
流水を用いて全体がすすがれる。マスク材料は外され、
ブレードはジグからとり出されて脱脂される。ブレード
は検査されてから、50〜100ミリバール半真空アル
ゴン内、あるいは真空下で、1090度プラスマイナス
10度Cで、半時間と1時間の間で熱処理され、急速に
ガス冷却される。ブレードは次いで、公知の方法、たと
えばパックアルミ処理法のようなやり方でアルミ処理さ
れる。
に断面で示されているが、これはブレード本体80、厚
さはたとえば、25〜50μmのMCrAlYの結合コ
ーティング81、厚さ10〜20μmのMCrAlYの
固着コーティング82を含んでいる。固定コーティング
82内には、立体ボロンニトライドの研摩粒子83によ
る底部が固着されるが、このときの粒子のサイズは12
5〜150μmであり、MCrAlYの充填物84の厚
さは70〜110μmである。
製作するのに適した単純形態の取付具91が、図8に示
されるが、これは図4に示す取付具と代えてもよい。取
付具91は、ジグ92を含むが、このジグは、ジグ52
のベース56と似ているベース93と、ブレード95の
根元を受容する溝94とを有する。これらブレードは、
ジグ52のねじ63と似ているねじのような手段(図示
せず)により所定位置に固定される。ベース93は、ベ
イル96で保持されるが、このベイルは、ビーム99に
担持されるバイブレータ98から垂下するロッド97の
底部にある。ビーム99から取付具は、図1〜図3に示
すように容器1のワーキングゾーン9内に垂下させても
よい。
取付具を回転させるための手段がないとき、図4と関連
的に記述されている2段階振動が利用される。つまり、
75秒の長期間は、弱であって、ピーク加速度は2G、
5秒の短期間はピーク加速度、10Gを有し、両期間は
交互に振動する。
に、この種あるいは他の種類の研摩粒子を用いることが
できるが、この粒子は少なくとも一時的に過剰な酸化を
防止する材料でコーティングされる。たとえば、アルミ
酸化物、あるいはニッケルアルニナイドのような中間金
属で、殆ど空気を通さないコーティングを作るため立体
ボロンニトライド粒子を用いることが可能である。
示す斜視図である。
す斜視図である。
示す平面図である。
ードの先端領域の一部を通る拡大断面図である。
る。
Claims (22)
- 【請求項1】 研摩先端を有するガスタービンブレー
ドを製作するため、電着法によりブレード本体の先端に
、MCrAlYより成り、ここにおいてMは、鉄、ニッ
ケル、コバルトのうちのひとつあるいは2以上である電
着コーティングを施し、研摩粒子を懸濁したメッキ溶液
浴を用いて合成電着することにより、研摩粗粒を固着コ
ーティングに固定し、研摩粒子のまわりに充填物をメッ
キ処理する各工程より成る方法。 - 【請求項2】 固着コーティングの材料は、コバルト
がニッケルであることを特徴とする請求項1の方法。 - 【請求項3】 固着コーティングの材料は、MCrA
lYであって、ここにおけるMは、NiかCoかFe、
あるいはこれらのいずれか2つ、あるいは全部であるこ
とを特徴とする請求項1の方法。 - 【請求項4】 固着コーティングの厚さが30μm以
下であることを特徴とする請求項2または3の方法。 - 【請求項5】 固着コーティングの厚さが約2〜10
μmであることを特徴とする請求項4の方法。 - 【請求項6】 充填材料は、MCrAlYより成り、
あるいはこれを含み、ここにおいてMは、NiかCoか
Fe、あるいはこれらの2つあるいはすべて金属である
ことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項記載の
方法。 - 【請求項7】 固着コーティングからはなれた充填物
の少なくとも一部は、固着コーティング材料によって固
定された研摩材料より小さいサイズの研摩材料を含むこ
とを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項記載の方
法。 - 【請求項8】 充填材料の電着のあとで熱処理が行な
われて、研摩材料以外の層の材料が均質化することを特
徴とする請求項1乃至7のいずか1項記載の方法。 - 【請求項9】 熱処理のあとでアルミ化処理が行なわ
れることを特徴とする請求項8の方法。 - 【請求項10】 研摩材料は、ジルコニア、アルミナ
、ニトライド、シリサイド、ボロナイド、あるいはこれ
らの物質の混合物より成ることを特徴とする請求項1乃
至9のいずれか1項記載の方法。 - 【請求項11】 研摩材料は立体ボロンニトライドで
あることを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項記
載の方法。 - 【請求項12】 固着コーティングによって固着され
た研摩粒子のサイズは、125〜150μmであること
を特徴とする請求項10又は11の方法。 - 【請求項13】 充填物の厚さは、70〜100μm
の間であることを特徴とする請求項12の方法。 - 【請求項14】 充填物の溶着は、ブレードの振動に
よってなされることを特徴とする請求項1乃至13のい
ずれか1項記載の方法。 - 【請求項15】 振動はブレードの軸方向か、あるい
は殆どこの方向と同じ成分を含むことを特徴とする請求
項14の方法。 - 【請求項16】 振動中において、ブレードの方向は
殆ど垂直であることを特徴とする請求項15の方法。 - 【請求項17】 振動の周波数は、10ヘルツと、1
キロヘルツの間であることを特徴とする請求項15又は
16の方法。 - 【請求項18】 振動の周波数が、約50ヘルツであ
ることを特徴とする請求項7の方法。 - 【請求項19】 振動が、2つの交互のレベルにおい
て生じることを特徴とする請求項15乃至18のいずれ
か1項記載の方法。 - 【請求項20】 ひとつのレベルにおけるピーク加速
度は、約2Gであり、他のレベルにおいては約10Gで
あることを特徴とする請求項19の方法。 - 【請求項21】 下位レベル位相の期間は、上位レベ
ル位相の期間の数倍であることを特徴とする請求項19
又は20の方法。 - 【請求項22】 下位レベル位相は、30秒から2分
の間の期間であり、上位レベル位相は、約5秒期間であ
ることを特徴とする請求項21の方法。
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