JPS6228282B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、ターボ機械の羽根に関し、特に、翼
形部突起、例えば、シユラウド、翼台、減衰部材
として役立つような突起を有する型の羽根に関す
る。 軸流圧縮機またはフアンあるいはバイパス装置
を有するガスタービンエンジンのような様々のタ
ーボ機械は、羽根の翼形部にかかる振動荷重を減
らすために、突起、えば、翼幅中間シユラウドま
たは翼端シユラウド、あるいは他の減衰手段を利
用する。かような突起またはシユラウドの隣合う
表面はエンジン運転中直接接触しているので、衝
撃と、時々接着摩耗（adhesive wear）と呼ばれ
る一種の滑り摩耗とが接触点に生ずる。接着摩耗
は、ガスタービンエンジンの運転中に振動荷重に
よつて発生する種類の繰返しスカツフイング
（scuffing）作用を生ずる衝撃と摩擦の組合せか
ら起こるものと一般に信じられている。このよう
な接着摩耗は上述の突起相互間に発生し得るもの
で、本明細書における「突起」という用語は、翼
形部から突出してシユラウド、翼台または減衰部
材の少なくとも一部分をなす様々な突起を包含す
るものである。 従来、かような突出部材相互間の接触面には例
えば、溶射付着法によつて付着された被覆が表面
手段として設けられ、この被覆の典型的なものは
タングステン炭化物をコバルトのような結合剤と
混合したものである。しかし、このような被覆を
有するガスタービンエンジンの運転中、被覆のス
ポーリング（はがれ）、削り取りおよび摩耗の結
果、被覆された突起に過早損傷が生じ得ることが
認められてきた。 本発明は、翼幅中間シユラウド、翼台、減衰手
段等をなすように翼形部に沿つて配置された実質
的に横方向の突起を含むターボ機械羽根（多種の
羽根）に特に有用である。このようなターボ機械
羽根の代表例は、1973年５月22日にパーキンス
（Perkins）に付与された米国特許第3734646号、
1976年２月３日にタツカー（Tucker）等に付与
された米国特許第3936234号に示されている、通
例、このような翼幅中間突起を有する羽根は、ガ
スタービンエンジンのフアン部、圧縮機部、ター
ビン部のような部分に存在する。 ターボ機械の運転中に上記のような突起の相互
接触による摩擦と衝撃から生じ得る接着摩耗を防
ぐために、従来、市販のタングステン炭化物
（WC）の粉末をコバルト結合剤と混合したもの
が突起またはシユラウドの接触面に火炎溶射され
てきた。このような摩耗保護は、ある種のガスタ
ービンエンジンのフアン部と圧縮機部において用
いられるチタン合金翼シユラウドの接合面に特に
必要である。しかし、既にわかつているように、
摩耗材料の組成と構造は、溶射付着によつては、
再現可能な摩耗特性を保つように調整し難い場合
がある。その上、厚さと表面仕上げの調整も困難
なことがある。 第１図の斜視図と、第１図の線２−２から見た
第２図の上面図と、第３図の部分図は、翼形部１
２から突出する１対の翼幅中間シユラウド１０を
備えた代表的なガスタービンエンジンの羽根を示
す。運転中、このようなシユラウドまたは突起
は、隣接羽根からの同様の突起と第１図における
表面１４において、例えば、前述の米国特許第
3734646号に示す一般的な態様で、協働、当接ま
たは係合するようになつている。 ある種のガスタービンエンジンに使用される翼
幅中間シユラウドに火炎溶射されるWC基摩耗保
護系を改良するために、様々な材料、例えば、別
の火炎溶射される材料とWC−Coの焼結パツドの
評価を行つた。実際のエンジンと関連する評価の
前に試料に関する最初の試験が次のような装置、
すなわち、与えられた回数の衝撃／摩擦サイクル
に対して衝撃速度、摩擦変位、公称接触圧力およ
び試料本体温度を調整可能な変数として、供試表
面に衝撃と摩擦とを施し、繰返しスカツフイング
作用を発生させる装置を用いて行われた。最初の
評価において、WC−Coの実質的に充分な密度
の、圧縮成形され、焼結されたパツドが、現在使
用されているWC火炎溶射面に比べて接着摩耗耐
性と衝撃粘さとの組合せをかなり改善することが
認められた。これは第４図の実線のデータによつ
て示されている。上記の焼結パツドによる上記特
性の著しい向上を確認した結果、WC−Coの組成
の別の評価がなされた。次表はこのような評価で
得たデータの一部をまとめたものである。

【表】 前表のデータ源となつた圧縮成形され焼結され
たWC−Coの試料は14.2〜15.0ｇ／c.c.の範囲内の
密度を有するものであつた。これは実質的に十分
な密度である。さらに、400〓（204℃）までの意
図された運転温度範囲にわたる各試料の熱膨張率
（∝）は2.7〜3.0の範囲にあり、試料が接合され
た母材（約4.7）との相容性を示す。この一連の
例において、公称重量百分率で６％のAlと４％
のＶを含有し、残りがTiであるTi基合金（Ti−
６−４合金）が、各試料をろう付けした母材であ
つた。前表において「RA」はロツクウエルＡ、
「UCS Kpsi」は1000ポンド毎平方インチを単位
とする極限圧縮強さ、「Ｅ」は弾性率を意味す
る。 例３と例５は、組成は同じであるが粒度と分布
ならびに加工法が相異なるものであり、両例と関
連するデータを比較するとわかるように91重量％
乃至約95重量％がWC、残部がCoという本発明の
好適組成によつて耐摩耗性はかなり向上する。
WC−Co材料の試料パツド、チタン基のろう付け
合金を用いて、Ti−６−４合金の母材に誘導ろ
う付けされたものである。 94重量％がWC、残部がCoという好適公称組成
が接着摩耗耐性と衝撃粘さとを共に高める能力を
もつものと確定したのち、改変された火炎溶射
WC−Coとの比較をさらに行つた。第４図におけ
る特性比較によつて示されているように、２つの
火炎溶射された改変例（ＢとＣ）はガスタービン
に現在適用されているもの(A)より劣つており、一
改変例(D)は例３のWC−Coパツドよりわずかに優
れており、また、一改変例(E)はＡより優れていた
が、圧縮成形され焼結されたパツドより劣つてい
た。火炎溶射被覆Ｄは、良好な耐摩耗性を示し、
本発明のパツドに匹敵するものであつたが、割れ
と被覆片の消失を示した。これは耐衝撃性または
衝撃粘さに欠けることを示すものである。従つ
て、このような被覆は、ターボ機械の羽根におけ
る接触面手段として、接着摩耗と衝撃とに耐える
には不適当と判断された。 炭化物、窒化物およびほう化物を基材として、
圧縮成形され焼結された、実質的に充分な密度の
様々な部材が、例えば、バイト用として市販され
ている。しかし、このような部材をターボ機械の
チタン合金製の羽根にろう付けすることは、いく
つかの重大な問題を生じた。これらの問題は、チ
タン合金、例えば、Ti−６−４合金をそのベー
タ変態温度、例えば、約1750〜1800〓（954〜982
℃）以上に加熱する結果として生ずる機械特性の
変化に少なくとも部分的に基因するものであつ
た。通常のろう付け方法は、たとえ上記のような
高い温度を接合部でしか必要としなくても、羽根
全体をベータ変態温度以上に加熱するのが常であ
つた。本発明の方法によれば、ろう付け加熱を所
望区域に的確に局限するために精密真空誘導加熱
のような局限加熱法を代りに使用すると、チタン
基合金をそのベータ変態温度以上に加熱すること
の影響が極めて少なくなることがわかつた。 本発明に有用な、ただし幾分異なる態様で適用
される誘導加熱装置は、米国特許第4012616号の
明細書に開示されている。第２図に示す実質的に
充分な密度の、圧縮成形され焼結されたWC−Co
パツド１６を、第１図と第２図に示す翼幅中間シ
ユラウドの表面１４に配置し、第２図におけるろ
う付け合金１８をパツド１６と表面１４との間に
設けることによつて、誘導加熱コイル２０を翼幅
中間シユラウド１０の周囲に、例えば、第２図に
示す位置に配置することができ、こうして適当な
熱をパツド１６の存在箇所に局所的に加えてパツ
ド１６の表面１４にろう付けし得る。このような
局限加熱方法の実施によつて、パツド１６を表面
１４にろう付けするためにチタン合金のベータ変
態温度以上の加熱によつて生ずるベータ組織の形
成は、破線２２のあたりの境界によつて限定され
る翼幅中間シユラウド１０の先端箇所に制限され
得る。加熱温度は接合用のろう付け合金の選択に
よつて変わる。ろう付け合金は多種のものが市販
されている。こうして、接着摩耗耐性と衝撃粘さ
とを兼ね備えた摩耗パツドがターボ機械羽根突起
の接触面に、接触面を有する突起が取付けられて
いるかまたは一体となつている翼形部の機械的性
質に悪影響を与えることなく固定された。 一特定例において、例３の材料から第２図と第
３図に概略的に１６で示すように形成されたパツ
ドが、Ti−６−４合金の翼幅中間シユラウド表
面に、チタン基ろう付け合金を用いて真空中で約
1750〓（954℃）の温度でろう付けされた。この
パツドは保持手段（図示せず）によつて適所に保
持され、そして誘導コイル２０がほぼ第２図に示
すように配置された。その結果、WC−Coパツド
が第３図に示すように翼形部突起にろう付けによ
つて固着された。 本発明の実質的に充分な密度の、圧縮成形され
焼結された部材は取扱い中の破損を防ぐため少な
くとも約0.01インチ（0.25mm）の厚さを要するも
のと信じられる。0.06インチ（1.5mm）より厚い
材料は、本発明のパツドの接着摩耗と衝撃とに対
する耐性から見て不要である。本発明と関連して
評価されたパツドのほとんどのものは厚さが約
0.02インチ（0.51mm）であつた。 例３の材料からなる摩耗パツドは、前述のよう
に、ガスタービンエンジンにおける試験用として
作られ且つ翼形部の翼幅中間シユラウドに接合さ
れた。最初のエンジン運転後に目視検査を行い、
さらにその後25および50時間置きに目視検査をし
た。分解後検査したところ、優れた外観が認めら
れた。すなわち、パツド接触面部はただみがかれ
て輝く滑らかな仕上面になつていた。10Xの倍率
の観察ではろうまたはパツドの割れは認められな
かつた。 上述のように、本発明はターボ機械羽根の突起
の接触面に接合された別個の部材として摩耗パツ
ドを提供し、このパツドは前記接触面に優れた接
着摩耗耐性と衝撃粘さとを与えるものである。こ
のような部材と共に局限加熱、例えば、真空誘導
ろう付けを利用することは、パツドを前記接触面
に固着する改良方法となり、突起を備えた羽根翼
形部を翼形部の機械特性を損ねるおそれのあるよ
うに加熱することを防止する。他の局限加熱方
法、例えば、トーチろう付け、抵抗ろう付け、レ
ーザ加熱、電子線加熱等も、適当に制御すれば、
本発明の実施に用い得ることを認識されたい。 以上、本発明を特定例に関して説明したが、当
業者に明らかなように、幾多の改変が可能であ
る。例えば、粉末、はく等の形態の様々なろう付
け合金を真空誘導ろう付け方法の実施に用い得
る。なお、このろう付け法ではろう付け合金を所
定位置に保持する様々な公知の方法が用いられ、
例えば、アクリル系セメントがしばしば用いられ
る。また、ろう付け合金とパツドの特定材料は、
用途の条件とパツドを固着する羽根の材料とに応
じて選択し得る。

【図面の簡単な説明】

第１図はガスタービンエンジンの翼幅中間シユ
ラウドを有する羽根の斜視図、第２図は線２−２
から見た第１図の羽根の拡大上面図、第３図は第
２図の羽根の部分図、第４図は本発明において採
用した摩耗パツドと接着摩耗を防ぐ他の表面手段
とを比較したグラフで、ＡはWC（火炎溶射）、
ＦはWC，Co（パツド）である。 １０……翼幅中間シユラウド（突起）、１２…
…羽根の翼形部、１４……接触面、１６……パツ
ド、１８……ろう付け合金、２０……誘導加熱コ
イル。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 翼形部とこの翼形部からの突起とを備え、前
   記突起が隣接部材の表面と当接する接触面を有
   し、この接触面が接着摩耗を防ぐ表面手段を備え
   るようなターボ機械羽根において、前記接触面
   に、前記表面手段として、接着摩耗耐性と衝撃粘
   さとが共に優れた別個の摩耗パツドが固着され、
   このパツドは、(a)炭化物、窒化物およびほう化物
   で作られた充分な密度の圧縮成形され焼結された
   部材から成り、(b)厚さが少なくとも0.01インチ
   （0.25mm）であり、(c)意図された運転温度範囲に
   わたつて、前記突起と両立し得る熱膨張特性を有
   することを特徴とするターボ機械羽根。 ２ 前記摩耗パツドが、91重量％乃至約95重量％
   のWCを含有し、残部がCoである、特許請求の範
   囲第１項記載のターボ機械羽根。 ３ 前記摩耗パツドが、公称約94重量％のWCを
   含有し、残部がCoである、特許請求の範囲第２
   項記載のターボ機械羽根。 ４ ターボ機械の羽根の翼形部からの突起の接触
   面に、圧縮成形され焼結された別個の摩耗パツド
   を固着する方法において、炭化物、窒化物および
   ほう化物で作られた充分な密度の、圧縮成形され
   焼結された部材を設けることと、前記摩耗パツド
   と前記接触面との間にろう付け合金を配設した状
   態で前記摩耗パツドを前記接触面上の適所に保持
   することと、その後前記摩耗パツドと前記接触面
   との周辺に局限された加熱によつて前記摩耗パツ
   ドを前記接触面に接合することを特徴とするター
   ボ機械羽根製造方法。 ５ 前記局限加熱が真空誘導ろう付けによるもの
   である特許請求の範囲第４項記載の方法。 ６ 誘導加熱コイルが前記接触面と前記摩耗パツ
   ドの近辺において前記突起の周囲に配置される特
   許請求の範囲第５項記載の方法。