JPH04285198A

JPH04285198A - 金属基体、特にタービン翼端に研磨層を付着する方法

Info

Publication number: JPH04285198A
Application number: JP30724691A
Authority: JP
Inventors: Roger Johnson Perkins; ロジャー・ジョンソン・パーキンス; Howard John Farr; ハワード・ジョン・ファー; Robert Victor Hillery; ロバート・ヴィクター・ヒレリー
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1990-11-01
Filing date: 1991-10-28
Publication date: 1992-10-09
Also published as: CA2048804A1; EP0484115A1

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は金属基体、特にタービン
翼端に研磨層を付着する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】航空機ガスタービンエンジンの性能と効
率は、タービンの回転部と静止部との間に存在する間隙
により重大な影響を受ける。燃焼器内の燃料の燃焼で生
じる熱エネルギーは、高温燃焼ガスを翼付きロータに衝
突させることによる膨張過程で機械エネルギーに変換さ
れる。回転中の翼付きロータと、静止した隣接組立体、
例えばシュラウドとの間の間隙が増加するにつれ、ター
ビンの効率は低下する。従って、ロータの回転を妨げる
ことなくロータの動翼とシュラウドとの間の間隙を最小
に保つことが望ましい。

【０００３】動翼とシュラウドとの間の間隙に影響する
因子として、例えば、高温燃焼ガスの衝突による動翼の
壊食と、エンジン運転中のシュラウドとの接触による翼
端材料の除去がある。

【０００４】翼端とシュラウドまたはステータとの接触
はしばしば摩擦（ｒｕｂｂｉｎｇ）と呼ばれ、エンジン
寿命の初期に最も頻繁に発生する。このような摩擦の主
因は過渡的な熱ひずみと機械的ひずみであり、これらの
ひずみは、急速な加熱と、リバースト（ｒｅｂｕｒｓｔ
）サイクルとも呼ばれる急速冷却とによる推力の急変中
および再熱中に起こるものである。

【０００５】ロータはシュラウドより少なく冷却される
ので熱膨張が起こる。推力の急増中は、追加燃焼の発生
時で、ロータはシュラウドより速く熱膨張する。従って
、全膨張の一部分は、ロータの熱膨張がステータまたは
シュラウドより多いことによるものである。

【０００６】ロータの回転も幾らかの膨張を引起こす。この膨張も機械的ひずみを誘起し、ロータの全膨張の他
の部分をなす。急速な加熱とリバーストサイクル中、熱
膨張と機械的ひずみとの組合せによるロータの膨張がロ
ータとステータ間の間隙より大きくなると、摩擦が発生
する。もしシュラウドが翼端を摩滅して動翼を短くする
ことに加えてシュラウドの一部分も摩滅すれば、望まし
くない追加的な間隙増大が起こり、これは、エンジンが
加熱またはリバースト過程後に通常の運転状態に戻った
後、エンジンの効率をさらに減らす。

【０００７】摩擦の他の原因は操縦荷重（運動荷重）で
あり、これは高加速度旋回、着陸、苛酷な乱流等の荷重
から生じる機械的な力である。熱サイクルの結果として
エンジンの初期運転中に最も頻繁に発生する摩擦と異な
り、この摩擦はエンジン寿命の全期にわたって発生する
。

【０００８】全ての好適なタービン先端は、エンジンの
初期運転中に協働タービンシュラウドへの侵入（ｉｎｃ
ｕｒｓｉｏｎ）が起こるにつれて同シュラウドを研磨す
る能力を有する。このような翼端の例は、イートン（Ｅ
ａｔｏｎ）等の米国特許第４７４４７２５号と、ストー
カー（Ｓｔａｌｋｅｒ）等の米国特許第４２３２９９５
号と、モイア（Ｍｏｙｅｒ）の米国特許第３１９９８３
６号に記載されている。

【０００９】研磨材料は構造材ではないので、またその
重量は動翼が高速で回転するにつれ動翼基体に応力を発
生させるので、研磨層を研磨性を保有する限り最小限の
厚さに保つことが望ましい。従って、前述のストーカー
等の米国特許第４２３２９９５号とイートン等の米国特
許第４７４４７２５号とに記載されているような構造体
、すなわち、マトリックスに埋め込んだ単層の砥粒を含
有する構造体が、モイアの米国特許第３１９９８３６号
に記載されているような多層先端より好ましい。

【００１０】研磨材料の薄層をタービン動翼の先端に付
着する新規改良方法が必要であり、研磨材料の薄層をタ
ービン動翼に付着する様々な方法が既に提案されている
。

【００１１】このような方法の一例はイートン等の米国
特許第４７４４７２５号に記載されている。この方法で
は、セラミック粒子を金属例えばニッケルで覆いそして
被覆ずみの粒子を研磨材料を要する表面に接着剤で接着
する必要がある。ニッケル被覆粒子を高温で基体に接着
または焼結する際、粒子を保持する接着剤を高温で除去
する。粒子の不規則形状と粒子の金属被覆の厚さの故に
、粒子の結合は比較的弱い。また、焼結または接着温度
を注意深く制御する必要がある。というのは、基体であ
る動翼を高過ぎる温度にさらすことは望ましくないから
である。温度が高過ぎると、ミクロ構造と機械特性が変
化するおそれがある。接着後、粒子をプラズマアーク溶
射によって溶着される一層のマトリックス材料で覆う。

【００１２】研磨材料の薄層を付着する方法の他の例は
、ストーカー（Ｓｔａｌｋｅｒ）等の米国特許第４１６
９０２０号に記載されている。この方法は、基体材料に
耐酸化性耐硫化性耐熱疲労性合金からなる内側先端部の
高温拡散接着をなす必要がある。次いで、複数の突出砥
粒を捕捉する金属マトリックスからなる外側先端部を電
着する。

【００１３】パイク（Ｐｉｋｅ）の米国特許第４６８９
２４２号は金属被覆セラミック粒子を金属基体に付着す
る他の方法を開示する。この方法では各粒子に多層被覆
を施す必要があり、これらの層は第１酸化物層と、当該
物品表面内に拡散し得る第２金属層とを包含する。基体
は、低粘度担体液と、熱可塑性樹脂と、セラミック粒子
より実質的に細かい金属粉粒とで実質的に構成された接
着剤溶液を塗布される。次いで、セラミック粒子の単層
を接着剤被覆を施した基体上に配設する。その後、物品
を加熱して各セラミック粒子上の金属被覆の一部分を拡
散させるとともに接触域における金属粉粒を金属被覆内
と物品表面内に拡散させ、こうして各粒子を物品表面に
固着する。この方法では、毛管作用により金属被覆セラ
ミック粒子を基体表面に引き付けるとともに、焼結によ
り金属を金属被覆粒子からと被覆から基体表面内に拡散
させ、その間に熱可塑性接着剤を除去する。焼結後、マ
トリックス金属が焼結したセラミック粒子に被着され粒
子間の空間を充填する。次いで、このマトリックスを加
熱すると同時に押圧して、存在するおそれのあるボイド
を除去しそしてマトリックスを基体に相互拡散により固
着する。

【００１４】メハン（Ｍｅｈａｎ）の米国特許第４８５
４１９６号に記載の他の方法は、酸化アルミニウム研磨
材をタービン動翼の先端に付着する方法で、この付着に
当たり、まず酸化アルミニウム粒子に白金を被せる。次
いで、被覆ずみの粒子を、翼端の一部分をレーザで溶融
することにより形成した溶融プール内に導入することに
より、翼端内に捕捉する。この方法の問題点は白金の費
用である。

【００１５】金属マトリックス内に耐環境性砥粒を保持
する材料の薄層を基体の表面に付着することにより、砥
粒を基体表面に接触させる前に砥粒に予め被覆を施す必
要をなくするような簡単な方法が必要である。また、研
磨先端部付着中の熱処理可能な基体の高温処理を最少に
するか皆無にすることが極めて望ましい。なぜなら、こ
のような処理は、慎重な制御と監視を受けなければ、基
体のミクロ構造を変えてその機械的特性と関連性能に影
響を与えるおそれがあるからである。

【００１６】

【発明の概要】本発明の方法の利点は、最初に砥粒に被
覆を施すことなく、砥粒を保持する材料の薄い被覆を金
属基体の表面に施し得ることである。従って、砥粒を基
体の表面に接触させる前に砥粒に被覆を施す、費用と時
間のかかる段階を排除することができる。

【００１７】本発明の他の利点は、タービンのステータ
またはシュラウドを切削するための硬質セラミック粒子
を非常に高い体積割合で含有する薄い研磨先端部をター
ビン翼端に付着し得るので、動翼の研磨先端部の全厚さ
を減らすことができ、、またこの研磨先端部は付着後酸
化しないので、ロータ直径をさらに減らすことができる
ことである。

【００１８】本発明の方法の他の利点は、砥粒の単層ま
たは多層を各層が他の面または層と基体表面とに平行な
個別面をなすように保持する薄い被覆材料を所望に応じ
て施し得ることである。

【００１９】本発明の他の利点は、砥粒を保持する材料
の薄い被覆を、熱処理可能な基体、例えば、ニッケル基
超合金製タービン翼端に施すことができ、しかも基体を
熱処理にさらすことを最少にし得ることである。

【００２０】本発明によれば、研磨層を金属基体に付着
する改良方法が提供される。研磨層は金属合金マトリッ
クス材内に優れた耐環境性をもつ砥粒を設けて構成する
ものである。砥粒はほぼ共面的でありそしてほぼ同じア
スペクト比をもつべきであるが、異なるアスペクト比を
用いてもよい。

【００２１】研磨層を金属基体に付着する本方法は、ま
ず、ほぼ同じ寸法と形状をもつ砥粒を選択することを包
含する。次いで、砥粒を基体表面と物理的に接触させ、
その際基体表面上の砥粒の体積割合が最大になるように
する。被覆すべき基体と砥粒とを接触させたまま、第１
金属の薄層を基体表面上に冶金的に付着する。この薄層
の金属は金属基体表面に結合すると同時に、砥粒を基体
表面との接触位置に捕捉し、こうして砥粒を基体表面に
固着する。第１金属のこの薄層の厚さは砥粒の寸法に比
べて小さいので、本付着方法によって砥粒が金属薄層内
に完全に埋め込まれることはない。最後に、第１金属層
と同じ金属で構成し得るかあるいは第１層の金属とは異
なる第２金属で構成し得る第２金属層を第１金属薄層と
砥粒とに付着する。この第２金属層はさらに、その中に
分布する微細な合金化粒子または粉末を有することによ
り、熱処理後、実質的に均質なまたは均質に近い合金金
属マトリックス内に埋め込まれた砥粒を有する研磨層を
金属基体上に形成する。

【００２２】本発明の他の特徴と利点は、本発明の原理
を例示する添付図面と関連する以下の好適実施例の詳述
から明らかとなろう。

【００２３】

【実施例の記載】研磨先端部をタービン動翼、例えば、
航空機エンジン用のタービン動翼の先端に付着する。研
磨先端部は動翼と隣接シュラウドまたはステータとの間
に最小間隙を保つために用いられる。エンジン寿命の初
期、特に、急速加熱とリバーストサイクル中、研磨先端
部はシュラウドを摩擦する。エンジン寿命中のその後の
時期では、摩擦は主として操縦荷重の結果として生じる
。従って、研磨先端部は切削能力をもつとともに実際の
厚さが最小であることが望ましい。また、環境が厳しい
ので、翼端が良好な耐環境性をもつことが望ましい。

【００２４】エンジン運転中のタービン翼端による隣接
シュラウド材料の除去と関連する金属除去機構は、エン
ジン運転と関連する高い温度と高い表面速度と低い侵入
速度（ｉｎｃｕｒｓｉｏｎ　ｒａｔｅ）の故に独特のも
のである。このような状態では、従来の機械加工技術に
おいて最適な素材除去方法である切りくずの機械加工が
できない。

【００２５】様々なエンジン温度と先端速度と機械加工
速度での研磨先端部と金属シュラウドとの相互作用の解
析によって示された目的とすべきことは、耐摩耗性研磨
材を次のような形状、すなわち、シュラウドと摩擦し合
う時、アブレシブ摩耗によりシュラウド材料の翼端部へ
の制御された移動を引起こすような形状にして付着する
ことである。翼端速度は毎秒約１４００フィートの高さ
になり得る。また、シュラウドへの動翼の侵入は、侵入
毎に２ミル（ｍｉｌ）ほどになり得る。１回の侵入中、
翼付きロータの１回転毎の動翼のシュラウド内への侵入
は約４×１０−９〜８×１０−９インチとなり得る。こ
のような先端速度と侵入速度では、大きな金属切りくず
は形成されない。

【００２６】エンジンの初期運転中、翼端がシュラウド
に接触するにつれ、砥粒により金属が削り取られるが、
シュラウドから実際に離脱する金属はわずかである。こ
うして削除された金属は翼端とシュラウドとの間に捕捉
される。翼端によるこのシュラウド材料の除去と、その
後の翼端とシュラウド間の除去金属の捕捉（および削除
作用によるシュラウド材料の除去の継続）はアブレシブ
摩耗として知られている。大きな角張った砥粒が金属マ
トリックスから顕著に浮き彫りになっていることが、こ
の段階では望ましい。

【００２７】この初期摩擦後、２次接着摩耗、すなわち
、接触し合う粗面部の溶接による摩耗によりシュラウド
からの金属除去が起こり得る。

【００２８】図１はダブテール端部１２と先端１４とを
もつタービン動翼１０を示す。金属マトリックス材１８
と、好ましくは単層のほぼ同寸法の砥粒２０とからなる
研磨先端部１６が、基体をなす先端１４に付着している
。

【００２９】砥粒２０は耐酸化性、耐食性、そして好ま
しくは非伝導性である。この砥粒は好ましくはアルミナ
、シアロン（Ｓｉａｌｏｎ）、Ｓｉ３Ｎ４　または耐火
金属炭化物、例えば、炭化クロム、炭化タンタル、炭化
ニオブ、炭化タングステンである。

【００３０】砥粒２０は概して立方体形または直方体形
で、約１のアスペクト比をもつべきであるが、他の形状
を用いてもよい。他の形状を用いた場合、砥粒は同じア
スペクト比をもつべきである。立方体形砥粒が好ましい
。なぜなら、この形状は翼端上の粒子の充填密度を最適
にし砥粒の体積割合を最大にするからである。砥粒の寸
法は一辺において約２ミルから約１５ミルまで変わり得
る。この辺寸法は選択された寸法内でほぼ同じ（すなわ
ち約±１ミル）である。ただし、約５〜６ミルの辺寸法
が最適である。

【００３１】立方体形または直方体形粒子の製造には任
意の有効な方法を用い得るが、ゾルゲル方式が所望寸法
の立方体形または直方体形粒子を高い密度で生成するこ
とがわかった。この適切な方式で製造された材料はスリ
ーエム社（３−Ｍ　Ｃｏ．）またはノートン社（Ｎｏｒ
ｔｏｎ　Ｃｏ．）から得られる。

【００３２】適当な寸法と形状の粒子を選択した後、粒
子を金属基体と物理的に接触させる。図２に示すように
、一表面３４に接着層３２を有する一片のフェルト３０
を、選択した砥粒２０と接触させる。砥粒２０はフェル
ト３０の表面３４上の接着層３２に接着する。砥粒２０
は図２に示すように、接着層３２上に１層より多い層を
形成し得る。単層の粒子が好適であるから、余分な粒子
をフェルトから任意の公知方法、例えば、振動、あるい
は接着剤と接触している砥粒に影響を与えずに接着剤に
接触していない砥粒を除くのに充分な空気流を吹き付け
ることにより除去され得る。その結果、図３に示すよう
に接着層３２に接着した単層の砥粒２０が得られる。図４に示すように、砥粒２０を動翼１０の先端１４に物
理的に接触させる。

【００３３】フェルト層３０の接着層３２に接着した砥
粒２０を、図５に動翼１０の先端１４として示した基体
と物理的に接触させたまま、薄層の金属３６を先端１４
に冶金的に付着する。先端１４と砥粒２０との接触を保
つために任意の公知方法を用い得るが、取付具（図示せ
ず）を用いることが好ましい。取付具は、金属層３６の
付着中、動翼を、フェルト層３０に接着した砥粒と接触
した状態に保つ。先端１４と砥粒２０との堅固な接触を
確保するために加える力は、重力、ばね荷重、締結、ま
たは他の任意の手段により供給され得る。

【００３４】金属層３６は、図５の先端１４である基体
に付着するもので、先端１４と、フェルト層３０に付け
た接着層３２との間で、先端１４に冶金的に付着される
。薄い金属層３６は砥粒２０を少なくとも部分的に捕捉
することにより、本例ではフェルトとして示した接着剤
保持層の除去後、砥粒を先端１４に固着する。

【００３５】薄い金属層３６の付着は、砥粒２０と先端
１４との物理的接触に影響することなく金属を基体先端
１４に接触させ得る任意の付着方法により達成され得る
。金属層３６を付着する一方法は、金属を先端１４と接
着層３２との間の区域で無電解めっきすることである。しかし、好適付着方法は翼端１４を電気めっき槽に浸す
ことである。次いで、動翼１０の先端１４に、好ましく
はニッケルとコバルトからなる群から選んだ一種の金属
を電気めっきする。電気めっき後の金属層３６の厚さは
約０．１ないし約０．６ミルである。砥粒２０は好適実
施例では非伝導性であるから、電気めっきの結果として
金属が砥粒に付着することはない。

【００３６】図６を参照するに、金属層３６の付着後、
接着層３２を有するフェルト層３０を砥粒２０との接触
から離し得る。砥粒２０は金属層３６に機械的に捕捉さ
れているので、フェルト層３０をはがすことができる。しかし、砥粒２０を接着層３２から離す他の方法も、砥
粒２０と金属層３６との結合を妨げない限り利用できる
。例えば、適当な溶剤をフェルト層３０と金属層３６と
の間に導入して接着層３２を溶解することによりフェル
ト層３０を除去できる。

【００３７】フェルト層３０とそれに付けた接着層３２
を除去した後、砥粒２０は、図７に示すように、先端１
４に被着した薄い金属層３６から高浮き彫りの状態にあ
る。砥粒２０と金属層３６との結合は所望用途には不十
分であるから、砥粒２０上にマトリックス材料を施さな
ければ、研磨先端は接触時に有効に作用し得ない。この
金属マトリックスは任意の金属または合金でよいが、予
め合金化した粉末または粒子を含む金属または合金であ
ることが好ましい。金属マトリックス材料を付着するた
め、予合金化粉末の微細粒を金属または合金の電気めっ
き溶液に混入する。微細な予合金化粉粒と溶液は砥粒間
の空間に容易に流入する。予合金化粉粒を選択しそして
電気めっき溶液とともに適当な体積割合で施すと、金属
マトリックスは、適当な熱処理の後、所望の化学的組成
を有するようになる。例えば、約６０％までの適当な体
積割合のＮｉＣｒＡｌＹまたはＣｏＮｉＣｒＡｌＹ粉粒
がコバルトの溶液に混入され、その後コバルトのマトリ
ックス内に捕捉される。代替的に、ＣｏＣｒＡｌＹ粉粒
がニッケルの溶液に混入され、その後ニッケルのマトリ
ックス内に捕捉される。タービン翼端を熱処理して捕捉
粉粒を拡散熱処理により均質化することにより、所望の
化学組成をもつ均質マトリックスが形成される。

【００３８】微細な予合金化粉粒を有する第２金属また
は合金は薄い金属層３６と砥粒２０上に付着されて、砥
粒２０を囲む微細な予合金化粉粒を含有する金属を構成
する。この付着には共電着（ｃｏ−ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ
ｐｏｓｉｔｉｏｎ）を用いることが好ましい。共電着は
ブリストル・エーロジェット社（Ｂｒｉｓｔｏｌ　Ａｅ
ｒｏｊｅｔ　Ｌｉｍｉｔｅｄ）によって開発されたもの
で、参照により本明細書に包含される米国特許第４３０
５７９２号に記載されている。この方法では、被覆すべ
き物品を粉粒と共にバレルに入れ、そしてバレルをめっ
き槽に入れてその中で回転させる。バレルはカバーによ
って覆われる開口を有し、このカバーはめっき溶液は通
すが粉粒は通さない。従って、物品は、高濃度の粉粒を
有し得るバレル内を流れる溶液に浸されるが、バレル外
のめっき槽部には粉粒が存在しない。この方法は無電解
式か電解式でよい。本願発明のマトリックスの付着は任
意の共電着技術により達成できるものである。

【００３９】この第２金属は浮き彫り状態の砥粒と第１
金属薄層３６上に、微細粉粒を含有するめっき溶液とし
て施され、この溶液の金属は好ましくはＣｏとＮｉから
なる群から選ばれ、通常、第１薄層と同じ金属である。めっき溶液内の微細な予合金化粉末はＭＣｒＡｌＹ粉末
である。ただしＭはＣｏとＮｉおよびそれらの組合せか
らなる群から選んだ元素である。

【００４０】微細な予合金化粉末を含有する第２金属の
付着後、第２金属と粉粒は砥粒２０を完全に包むかまた
は図１に示したように砥粒２０をわずかに浮き彫りにな
った状態にし得る。第２金属マトリックス１８の好適厚
さは砥粒２０の平均寸法の約６０〜７０％である。例え
ば、約５〜６ミルの好適粒子寸法を選んだ場合、好適な
第２金属付着厚さは約３〜約４．５ミルである。微細な
予合金化粉粒（図示せず）を含有する第２金属を砥粒２
０と薄層３６上に付着して研磨先端部１６を形成する好
適方法は共電着である。

【００４１】単層の砥粒２０が第１金属薄層３６に埋め
込まれ、この層上に、微細な予合金化粉末または粒子（
図示せず）を有する第２金属マトリックス１８が付着さ
れる。タービン動翼１０の先端１４に均一な金属マトリ
ックス材１８に埋め込まれた砥粒を有する研磨先端部１
６を形成するために、第１金属薄層３６と、微細な合金
化粉末を含有する第２金属層とを均質化する必要がある
。均質化は均質化熱処理により達成され、この熱処理は
、基体材料に悪影響を与えることなく、金属マトリック
ス１８と、先端１４に付着した薄い金属層３６の全体に
わたって実質的に均等な合金組成が生じるのに充分な時
間、充分な温度でなされなければならない。

【００４２】以下の各例において、予合金化粉末の体積
割合の代表的な値は、共電着材料の約６０％であり、残
りは金属溶体である。この体積割合は、金属マトリック
スの最終所望組成と金属溶体組成と合金粉末組成によっ
て変わる。

【００４３】好適実施例において、第２金属マトリック
ス１８はＮｉかＣｏでよく、ＭＣｒＡｌＹ粉末を含み、
これらの金属と粉末は薄い金属層３６と両立し得るよう
に選ばれる。すなわち、薄い金属層３６がＮｉとＣｏか
らなる群から選ばれる時、第２金属マトリックスの金属
もＮｉとＣｏからなる群から選ばれ、そしてＭＣｒＡｌ
Ｙ合金粉末は、ＭがＣｏとＮｉからなる元素の群から選
ばれるように選択される。最も好ましい場合、第１金属
層３６と第２金属は同じ元素であり、両方ともＮｉある
いは両方ともＣｏであり、そしてＭＣｒＡｌＹのＭは残
りの元素（すなわち、第２金属がＣｏである時、粉末は
ＮｉＣｒＡｌＹ）またはＮｉとＣｏの組合せ（すなわち
粉末はＮｉＣｏＣｒＡｌＹ）である。

【００４４】例１第１コバルト薄層３６を電着しそして微細なＣｏＮｉＣ
ｒＡｌＹ粉末を含有する第２コバルト層を第１薄層上に
共電着によって付着することによりＲｅｎｅ’８０ター
ビン動翼の先端で砥粒２０を包囲した後、動翼を不活性
ガス雰囲気または真空において約４〜８時間約１９２５
〜１９５０゜Ｆで熱処理する。金属組成は最初実質的に
１００％のＣｏと、組成に悪影響を及ぼさない付随元素
であり、予め合金化したＣｏＮｉＣｒＡｌＹ粉末の重量
組成は、約５４％のＮｉと、約３２％のＣｒと、約１３
．５％のＡｌと、約０．８％のＹのほか、残部がＣｏと
、合金粉末に悪影響を及ぼさない付随元素である。熱処
理は砥粒２０を囲む金属マトリックス１８を実質的に均
質化し、熱処理後の金属マトリックス１８の重量組成は
、約３１〜３３％のＮｉと、約１９〜２２％のＣｒと、
約７〜９％のＡｌと、約０．３５〜０．６５％のＹのほ
か、残部がＣｏと、合金に悪影響を及ぼさない少量の付
随元素である。

【００４５】例２第１コバルト薄層３６を電着しそして微細なＣｏＮｉＣ
ｒＡｌＹ粉末を含有する第２コバルト層を第１薄層上に
共電着によって付着することによりＲｅｎｅ’Ｎ５ター
ビン動翼の先端で砥粒２０を包囲した後、動翼を不活性
ガス雰囲気または真空において約２〜４時間約１９７５
〜２０５０゜Ｆで熱処理する。金属組成は最初実質的に
１００％のＣｏと、合金に悪影響を及ぼさない付随元素
であり、微細な予合金化粉末の重量組成は、約５４％の
Ｎｉと、約３２％のＣｒと、約１３．５％のＡｌと、約
０．８％のＹのほか、残部がＣｏと、合金粉末に悪影響
を及ぼさない付随元素である。熱処理は砥粒を囲む金属
マトリックス１８を実質的に均質化し、熱処理後の金属
マトリックス１８の重量組成は、約３１〜３３％のＮｉ
と、約１９〜２２％のＣｒと、約７〜９％のＡｌと、約
０．３５〜０．６５％のＹのほか、残部がＣｏと、合金
に悪影響を及ぼさない少量の付随元素である。

【００４６】例３第１コバルト薄層３６を電着し、そして約２０％のＣｏ
、１０．２％のＡｌ、１０．７％のＴａ、１１．３％の
Ｃｒ、２．５％のＨｆ、４．７％のＲｅ、０．２％のＣ
、８．３％のＷのほか、残部がＮｉと付随不純物である
ような重量組成を有する微細粉末を含有する第２ニッケ
ル層を第１薄層上に共電着によって付着することにより
Ｒｅｎｅ’Ｎ５タービン動翼の先端で砥粒２０を包囲し
た後、動翼を不活性ガス雰囲気または真空において約２
〜４時間約２０００〜２０７５゜Ｆで熱処理する。この
熱処理は金属マトリックス１８と薄層３６と微細粉末と
を実質的に均質化し、熱処理後の金属マトリックスの組
成は、表１内のＲｅｎｅ’１４２の組成である。

【００４７】例４第１コバルト薄層３６を電着し、そして約６．７％のＣ
ｏ、１０％のＡｌ、８．３％のＴａ、１５％のＣｒ、１
．５％のＨｆ、２．５％のＭｏ、２．３％のＲｅ、０．
０３％のＺｒのほか、残部がＮｉと付随不純物であるよ
うな重量組成を有する微細粉末を含有する第２ニッケル
層を第１薄層上に共電着によって付着することによりＲ
ｅｎｅ’Ｎ５タービン動翼の先端で砥粒２０を包囲した
後、動翼を不活性ガス雰囲気または真空において約２〜
４時間約２０００〜２０７５゜Ｆで熱処理する。この熱
処理は金属マトリックス１８と薄層３６と微細粉末とを
実質的に均質化し、熱処理後の金属マトリックスの組成
は、表１内のＰＳ６ＭＹの組成である。

【００４８】例５第１コバルト薄層３６を電着し、そして約１６．７％の
Ｃｏ、１０．８％のＡｌ、１０％のＴａ、３０％のＣｒ
、０．８３％のＨｆ、３．３％のＲｅ、０．０７％のＣ
、０．０２％のＺｒのほか、残部がＮｉと付随不純物で
あるような重量組成を有する微細粉末を含有する第２ニ
ッケル層を第１薄層上に共電着によって付着することに
よりＲｅｎｅ’Ｎ５タービン動翼の先端で砥粒２０を包
囲した後、動翼を不活性ガス雰囲気または真空において
約２〜４時間約２０００〜２０７５゜Ｆで熱処理する。この熱処理は金属マトリックス１８と薄層３６と微細粉
末とを実質的に均質化し、熱処理後の金属マトリックス
の組成は、表１内のＢＣ−５３の組成である。

【００４９】

【表１】　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表
１　　　　公称組成　　　　　　　　　　ＰＳ６ＭＹ　
　　　　　　　Ｒｅｎｅ’１４２　　　　　　　　ＢＣ
−５３　　　　Ｎｉ　　　　　　残部　　　　　　　　
　　　　　　　　残部　　　　　　　　　　　　　　　
　　　残部　　　　Ｃｏ　　　　　　４　　　　　　　
　　　　　　　　　　　１２　　　　　　　　　　　　
　　　　　　１０　　　　Ａｌ　　　　　　６　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　６．１　　　　　　
　　　　　　　　　　６．５　　　　Ｔａ　　　　　　
５　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　６．４　
　　　　　　　　　　　　　　　６　　　　Ｃｒ　　　
　　　９　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　６
．７６　　　　　　　　　　　　１８　　　　Ｈｆ　　
　　　　０．９　　　　　　　　　　　　　　　　１．
４９　　　　　　　　　　　　　　０．５　　　　Ｍｏ
　　　　　　１．５　　　　　　　　　　　　　　　　
−−−　　　　　　　　　　　　　　　　０　　　　Ｒ
ｅ　　　　　　１．４　　　　　　　　　　　　　　　
　２．８４　　　　　　　　　　　　　　２．０　　　
　Ｃ　　　　　　　　０　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　０．１１　　　　　　　　　　　　　　０
．０５　　　　Ｚｒ　　　　　　０．０２　　　　　　
　　　　　　　　−−−　　　　　　　　　　　　　　
　　０．０１　　　　Ｗ　　　　　　　　−−−　　　
　　　　　　　　　　　　　５　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　−−−　　本発明の方法は被覆した砥粒を設ける必要をなくするが
、所望に応じ、砥粒を接着層３２に接触させる前に砥粒
２０に被覆、例えば拡散阻止被覆を任意に施し得る。しかし、けい素を持たない非伝導性粒子、例えばアルミ
ナ（Ａｌ２　Ｏ３　）の使用が好適である。

【００５０】図１に示した本発明の実施例は金属マトリ
ックス１８に単層の砥粒２０を埋め込んだ薄いものであ
るから、動翼の全寿命に比べて比較的短い時間に研磨先
端部１６が動翼１０の先端１４から除去される可能性が
ある。このような場合、研磨先端部の付着の前に先端１
４を耐環境性材料で随意に被覆することが望ましいかも
しれない。このような場合、研磨先端部は本発明の方法
により耐環境性材料に被着され、その際耐環境性材料は
本発明の以上の説明における基体の代りに用いられる。普通用いられる耐環境性材料の公称重量組成は、Ｎｉ約
３３％、Ｃｒ約２３％、Ａｌ約４％、Ｃ約０．５％、Ｗ
約３％、Ｃｏ約３３％、Ｔａ約３％、Ｓｉ約０．７５％
で、残りは付随不純物である。この組成は１９８０年１
０月１４日付の米国特許第４２２７７０３号に記載され
ており、この引例は参照によりここに包含される。しか
し、この耐環境性下層は一例に過ぎず、本発明の長寿命
研磨先端部をこの耐環境性下層だけに付着すると限定す
るものではない。先端１４を覆った耐環境層４４を有す
るタービン動翼を図８に示す。

【００５１】もし薄い研磨先端部がエンジン運転中に早
く除去されることが望ましくなければ、本発明の方法に
より多層の砥粒を付着すればよい。そうすれば、たとえ
最初の層の砥粒が先端部で摩滅しても、追加層の砥粒が
残っているので、必要に応じてシュラウドの材料をさら
にすり減らすことができる。図９には金属マトリックス
８８に２列の砥粒８４、８６を埋め込んだ研磨先端部８
２を有するタービン動翼８０を示す。翼端９０に最も近
い層の砥粒８４は共面的であり（すなわち同一平面上に
あり）、そして翼端９０から最も遠い層を形成する砥粒
８６の面に平行である。砥粒８４、８６はほぼ同じ寸法
のものとして示してあるが、砥粒８６の方が大きいよう
に砥粒の寸法を定めることが望ましいかもしれない。砥
粒８６が比較的大きいことは、エンジン運転の初期に起
こる三体アブレシブ摩耗中に望ましい。他方、比較的小
さな砥粒８４は、砥粒８６を含有する層が摩滅した後に
残存する。先端に近い層の比較的小さな砥粒は、エンジ
ン運転の後期中に起こり得る接着摩耗時にいっそう有効
に作用する。

【００５２】以上の説明から当業者には明らかなように
、本発明はここに記載した実施例と方法と組成に限定さ
れるものではなく、様々な改変と代替が本発明の範囲内
で可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】単層の実質的に立方体形の砥粒を金属マトリッ
クスに埋め込んで形成した先端部を有するタービン動翼
の断面図である。

【図２】砥粒を付けた接着層を有する一片のフェルトの
、余分な砥粒を除去する前の断面図である。

【図３】砥粒を付けた接着層を有する一片のフェルトの
、余分な砥粒を除去した後の断面図である。

【図４】タービン翼端と物理的に接触した砥粒担持フェ
ルトの断面図である。

【図５】薄い金属層を動翼と砥粒との境界に施した後の
、タービン翼端と接触した砥粒担持フェルトの断面図で
ある。

【図６】砥粒が薄い金属層に埋め込まれてタービン翼端
に固着するように薄い金属層を付着したタービン翼端の
断面図で、接着層付きフェルトが翼端からはがされる状
態を示す。

【図７】接着層付きフェルトをタービン翼端から除去し
た後の、ただし金属マトリックス付着前のタービン翼端
の断面図である。

【図８】研磨先端部の下に耐環境性材料を設けたタービ
ン動翼の断面図である。

【図９】２層のほぼ同じ寸法の実質的に立方体形の砥粒
を金属マトリックスに埋め込んで形成した先端部を有す
るタービン動翼の断面図である。

【符号の説明】

１４　　タービン翼端１６　　研磨先端部１８　　金属マトリックス２０　　砥粒３０　　フェルト層３２　　接着層３６　　薄い金属層４４　　耐環境層８２　　研磨先端部８４、８６　　砥粒８８　　金属マトリックス９０　　タービン翼端

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　砥粒を金属合金マトリックス内に設け
て構成した研磨層を金属基体に付着する方法であって、
（ａ）砥粒の体積含有量を最大にするためにほぼ同じ寸
法と形状の砥粒を選択する段階と、（ｂ）前記砥粒を基
体表面に物理的に接触させる段階と、（ｃ）前記砥粒を
前記基体表面に接触させたまま、第１薄層の金属を前記
基体表面上に付着し、これにより前記砥粒を前記基体表
面に固着する段階と、（ｄ）微細な予め合金化した粉末
を含有する第２金属を、共電着により、前記砥粒と前記
第１金属薄層上に付着する段階と、（ｅ）こうして研磨
層を設けた基体を熱処理して前記第１薄層の金属と前記
予合金化粉末を含有する前記第２金属とを均質にして実
質的に均質な金属合金マトリックスを形成する熱処理段
階とからなる方法。
【請求項２】　　耐環境性砥粒の少なくとも一つの個別
層を金属マトリックス内に設けそして一個別層の砥粒が
共面的であるように構成した研磨層を基体に付着する方
法であって、（ａ）ほぼ同じ寸法と形状の砥粒を選択す
る段階と、（ｂ）前記砥粒を基体表面に物理的に接触さ
せる段階と、（ｃ）前記砥粒を前記基体表面と物理的に
接触させたまま、第１薄層の金属を前記基体表面上に付
着し、これにより前記砥粒を前記基体表面に固着する段
階と、（ｄ）微細な予合金化粉末を含有する第２金属を
、共電着により、前記砥粒と前記第１金属薄層上に付着
する段階と、（ｅ）前記基体を熱処理して前記第１薄層
の金属と前記予合金化粉末を含有する前記第２金属とを
均質にして均質な金属マトリックスを形成する熱処理段
階とからなる方法。
【請求項３】　　前記砥粒を前記基体表面に物理的に接
触させる前記段階は、前記砥粒を接着層を有する材料の
表面に付着することと、前記接着層から余分な砥粒を除
去することと、前記砥粒保持接着層を前記砥粒が前記基
体表面に接触するように前記基体表面に接触させること
と、前記砥粒を前記基体表面と接触した状態に保つこと
とをさらに包含する、請求項２記載の方法。
【請求項４】　　前記砥粒選択段階は、辺の最小寸法が
約２ミルでありそして辺の最大寸法が約１５ミルである
ほぼ立方体形の砥粒を選択することをさらに含む、請求
項２記載の方法。
【請求項５】　　砥粒のアスペクト比が約１である請求
項４記載の方法。
【請求項６】　　辺の寸法が約５ないし約６ミルである
ほぼ立方体形の砥粒を選択することをさらに含む請求項
５記載の方法。
【請求項７】　　前記砥粒選択段階は、ゾルゲル方式に
より製造した砥粒を選択することをさらに含む、請求項
５記載の方法。
【請求項８】　　第１金属薄層を付着する前記段階は前
記第１金属薄層を前記基体表面上に電気めっきすること
を含む、請求項２記載の方法。
【請求項９】　　第１金属薄層を付着する前記段階は前
記第１金属薄層を前記基体表面上に無電解めっきするこ
とを含む、請求項２記載の方法。
【請求項１０】　　第１金属薄層を付着する前記段階は
、ＮｉとＣｏからなる群から選んだ金属の第１薄層を前
記基体表面上に約０．１ないし約０．６ミルの厚さに付
着することをさらに含む、請求項２記載の方法。
【請求項１１】　　前記砥粒選択段階は、辺の寸法が約
０．００５ないし約０．００６インチであるほぼ直方体
形のアルミナ粒子を選択することを含む、請求項３記載
の方法。
【請求項１２】　　前記砥粒選択段階後かつ前記砥粒を
前記基体表面に接触させる前記段階の前に前記砥粒を拡
散阻止被覆で包む段階をさらに含む請求項２記載の方法
。
【請求項１３】　　第２金属を付着する前記段階は、微
細な予合金化粉粒を有する第２金属溶体の共電着をさら
に含む、請求項２記載の方法。
【請求項１４】　　前記共電着段階は、ニッケルとコバ
ルトからなる群から選んだ第２金属の共電着を含み、そ
して前記微細予合金化粉末はＮｉＣｒＡｌＹとＣｏＮｉ
ＣｒＡｌＹとＣｏＣｒＡｌＹとからなる群から選んだも
のである、請求項１２記載の方法。
【請求項１５】　　タービンディスクに取付ける第１端
と、先端である第２端とを有するタービン動翼に、耐酸
化性耐食性砥粒の少なくとも一つの個別層を金属合金マ
トリックス内に設けそして一個別層の砥粒が共面的であ
るように構成した研磨先端部を付着する方法であって、
（ａ）ほぼ同じ寸法と形状の砥粒を選択する段階と、（
ｂ）前記砥粒を、接着剤を有するフェルト層の表面に付
着する段階と、（ｃ）前記接着剤付きフェルト層の前記
表面から余分な砥粒を除去する段階と、（ｄ）前記ター
ビン動翼先端を前記接着剤付きフェルト層に接着した前
記砥粒と物理的に接触させる段階と、（ｅ）前記フェル
トを前記タービン動翼先端に固定する段階と、（ｆ）前
記タービン動翼先端を電気めっき槽内に浸す段階と、（
ｇ）前記砥粒を前記タービン動翼先端と機械的に接触さ
せたまま、第１薄層の金属を前記タービン動翼先端に電
気めっきし、これにより前記砥粒を前記タービン動翼先
端に固着する段階と、（ｈ）前記フェルト層を除去する
段階と、（ｉ）微細な予合金化粉粒を含有する第２金属
の溶体を、共電着により、前記砥粒と、基体表面（翼端
面）上の前記第１金属薄層上に付着する段階と、（ｊ）
前記動翼を熱処理して前記第１薄層の金属と前記の微細
予合金化粉粒を含有する第２金属とを均質にして実質的
に均質な金属マトリックスを形成する熱処理段階とから
なる方法。
【請求項１６】　　前記砥粒選択段階後かつ砥粒をフェ
ルト層表面に付着する前記段階の前に前記砥粒を拡散阻
止被覆で包む段階をさらに含む請求項１５記載の方法。
【請求項１７】　　前記タービン動翼先端を前記砥粒に
接触させる前記段階の前に前記動翼先端を耐環境性材料
で覆う段階をさらに含む請求項１５記載の方法。
【請求項１８】　　前記砥粒選択段階は、辺の最小寸法
が約５ないし約６ミルであるほぼ直方体形の砥粒を選択
することを含み、そして前記砥粒をゾルゲル方式により
製造する請求項１５記載の方法。
【請求項１９】　　前記電気めっき段階は、コバルトと
ニッケルからなる群から選んだ金属の電気めっきを含む
、請求項１５記載の方法。
【請求項２０】　　第２金属を付着する前記段階は、電
気めっきした第１金属と両立する第２金属の付着を含む
、請求項１５記載の方法。
【請求項２１】　　第２金属を付着する前記段階は、Ｎ
ｉとＣｏからなる群から選んだ金属の付着を含み、そし
て前記微細予合金化粉粒はＮｉＣｒＡｌＹとＣｏＮｉＣ
ｒＡｌＹとＣｏＣｒＡｌＹとからなる群から選んだもの
である、請求項１５記載の方法。
【請求項２２】　　先端を有するタービン動翼に、耐環
境性砥粒の少なくとも一つの個別層をＲｅｎｅ’１４２
金属マトリックス内に設けそして一個別層の砥粒が共面
的であるように構成した研磨先端部を付着する方法であ
って、（ａ）ほぼ同じアスペクト比を有する砥粒を選択
する段階と、（ｂ）前記砥粒を前記タービン動翼先端と
物理的に接触させる段階と、（ｃ）前記砥粒を前記ター
ビン動翼先端と物理的に接触させたまま、Ｃｏの薄層を
前記動翼先端に付着し、これにより前記砥粒を先端表面
に固着する段階と、（ｄ）Ｎｉの溶体と微細な予合金化
粉末を前記砥粒と前記Ｃｏ層とに共電着し、この共電着
に当たり、前記微細予合金化粉末を、実質的な均質化後
の金属マトリックスがＲｅｎｅ’１４２となるように選
ぶ共電着段階と、（ｅ）前記動翼を熱処理して前記予合
金化粉末とＮｉとを実質的に均質化してＲｅｎｅ’１４
２マトリックスを形成する熱処理段階とからなる方法。
【請求項２３】　　先端を有するタービン動翼に、耐環
境性砥粒の少なくとも一つの個別層をＰＳ６ＭＹ金属マ
トリックス内に設けそして一個別層の砥粒が共面的であ
るように構成した研磨先端部を付着する方法であって、
（ａ）ほぼ同じアスペクト比を有する砥粒を選択する段
階と、（ｂ）前記砥粒を前記タービン動翼先端と物理的
に接触させる段階と、（ｃ）前記砥粒を前記タービン動
翼先端と物理的に接触させたまま、Ｃｏの薄層を前記動
翼先端に付着し、これにより前記砥粒を先端表面に固着
する段階と、（ｄ）Ｎｉの溶体と微細な予合金化粉末を
前記砥粒と前記Ｃｏ層とに共電着し、この共電着に当た
り、前記微細予合金化粉末を、実質的な均質化後の金属
マトリックスがＰＳ６ＭＹとなるように選ぶ共電着段階
と、（ｅ）前記動翼を熱処理して前記予合金化粉末とＮ
ｉとを実質的に均質化してＰＳ６ＭＹマトリックスを形
成する熱処理段階とからなる方法。
【請求項２４】　　先端を有するタービン動翼に、耐環
境性砥粒の少なくとも一つの個別層をＢＣ−５３金属マ
トリックス内に設けそして一個別層の砥粒が共面的であ
るように構成した研磨先端部を付着する方法であって、
（ａ）ほぼ同じアスペクト比を有する砥粒を選択する段
階と、（ｂ）前記砥粒を前記タービン動翼先端と物理的
に接触させる段階と、（ｃ）前記砥粒を前記タービン動
翼先端と物理的に接触させたまま、Ｃｏの薄層を前記動
翼先端に付着し、これにより前記砥粒を先端表面に固着
する段階と、（ｄ）Ｎｉの溶体と微細な予合金化粉末を
前記砥粒と前記Ｃｏ層とに共電着し、この共電着に当た
り、前記微細予合金化粉末を、実質的な均質化後の金属
マトリックスがＢＣ−５３となるように選ぶ共電着段階
と、（ｅ）前記動翼を熱処理して前記予合金化粉末とＮ
ｉとを実質的に均質化してＢＣ−５３マトリックスを形
成する熱処理段階とからなる方法。