JPWO2016104303A1 - エンジン用圧縮機翼 - Google Patents

Abstract

豊富な外来物質を含む環境において利用されるエンジン用圧縮機翼は、前記圧縮機翼の基体と、前記基体を被覆する被膜であって、０ａｔ％を超えて１００ａｔ％未満の第１の金属であってチタニウム、ジルコニウム、ハフニウムよりなる群より選択された一以上の第１の金属と残部であるシリコンとよりなる物質の窒化物と、バナジウム、ニオブ、タンタルよりなる群より選択された一以上の第２の金属の窒化物と、よりなる群より選択された何れか一以上よりなる被膜と、を備える。

Description

開示は、航空機用ジェットエンジンないしガスタービンエンジンのための圧縮機の翼に関し、特に翼の面上の堆積物が自然に剥離して良好な空力特性を維持しうる圧縮機翼に関する。

航空機用ジェットエンジンないしガスタービンエンジンにおいては、燃焼器が高速の高温ガスを生み出し、かかる高温ガスからタービンがエネルギを取り出し、そのエネルギの一部をもって圧縮機が駆動される。圧縮機は外気を吸引し、圧縮して燃焼器に供給する。圧縮機において空気が断熱的に圧縮されることにより、例えば４００〜７００℃程度の高温が生じる。

外気には種々の塵埃や砂、また場合により火山灰が含まれており、これらが圧縮機に流入することは避けられない。これらの一部は圧縮気とともに燃焼器を通過して排出されるが、また一部は圧縮機の翼に付着する。外気には、また、気体ないし微細な液滴の態様で、水分、硫酸塩、亜硫酸塩、塩化物、炭酸塩等が含まれており、これらも圧縮機の翼に付着しうる。これらの外来の物質は高温に曝されることにより物理的・化学的に変化し、翼の面に固着する堆積物を生ずる。

固着した堆積物が多くなれば圧縮機翼の空力特性を損なうので、これを除去し、必要ならば翼面を研磨する等をして、原状回復せねばならない。しかしかかる作業には、エンジンを分解し、圧縮機翼を一枚一枚取り出し、個々に原状回復し、再びエンジンを組み上げる諸工程が必要である。これはエンジンのオーバーホールに関するコストを著しく押し上げる要因である。

堆積物の問題に対処するべく、幾つかのコーティングの技術が提案されている。特許文献１，２は、関連する技術を開示する。これらのコーティング技術は、外来の物質が付着することを妨げようとするものである。

米国特許公開ＵＳ２０１０／０２４７３２１号公報 米国特許公開ＵＳ２０１０／００８６３９７号公報

上述の関連技術によれば、外来の物質が翼面に付着しようとする初期の段階において、これを妨げることができるようである。しかしながら、一旦付着して固着性の堆積物の生成が始まってしまえば、被膜面は堆積物に覆われてしまい、後続の外来物質は堆積物上に堆積していく。かかる段階においては最早コーティングの効果を期待することはできず、従来技術におけるのと同様に堆積物が成長するはずである。すなわち、従来技術によれば、堆積の初期段階を遅らせることができるに過ぎず、堆積物の問題を本質的に解決することはできない。本明細書に開示された内容は、豊富な外来物質を含む環境において生じるかかる問題を解決するために創出された技術である。

豊富な外来物質を含む環境において利用されるエンジン用圧縮機翼は、前記圧縮機翼の基体と、前記基体を被覆する被膜であって、０ａｔ％を超えて１００ａｔ％未満の第１の金属であってチタニウム、ジルコニウム、ハフニウムよりなる群より選択された一以上の第１の金属と残部であるシリコンとよりなる物質の窒化物と、バナジウム、ニオブ、タンタルよりなる群より選択された一以上の第２の金属の窒化物と、よりなる群より選択された何れか一以上よりなる被膜と、を備える。

被膜と堆積物との界面に生ずる酸化物が堆積物の剥離を促し、以って長期にわたって堆積物の堆積を妨げる。

図１は、一実施形態による基体および被膜の模式的な断面図である。 図２は、他の実施形態による基体および被膜の模式的な断面図である。 図３Ａは、外来物質が被膜に付着して堆積物を生じた様子を表す、模式的な断面図である。 図３Ｂは、被膜が外来物質に含まれる硫酸塩と反応して剥離層を生じた様子を表す、模式的な断面図である。 図３Ｃは、堆積物と共に剥離層が被膜から剥離する様子を表す、模式的な断面図である。 図４は、バーナーリグ試験機の模式図である。

幾つかの例示的な実施形態を添付の図面を参照して以下に説明する。

既に述べた通り、エンジンに吸入される外来物質は硫酸塩も含んでいる。硫酸塩は酸素以上に強力な酸化力を有し、さらに高温環境が組み合わされれば、ＣｒＡｌＮのごとき高耐食性の物質すら徐々に腐食していく。腐食の結果、金属酸化物が生ずるが、かかる環境で生ずる多くの金属酸化物は緻密な組織を有して強固であり、また場合により堆積物に対してアンカーとして作用しうる。それゆえ堆積物がその上に固着することが妨げられず、むしろこれを促進してしまうこともある。

本発明者らが検討して明らかにしたところによれば、特定の金属は、かかる環境においても粗な組織を有する脆い酸化物を生ずる。そのような金属としては、チタニウムあるいはこれと同種の化学的性質を有するジルコニウム、ハフニウム、およびバナジウムあるいはこれと同種の化学的性質を有するニオブ、タンタルが例示できる。

本発明者らがさらに見出したところによれば、かかる酸化物は堆積物と被膜との界面に生じ、その間の剥離を促す性質（以下、剥離性と称することがある）を有する。堆積物は、厚く成長する前に剥離し、圧縮気の気流により吹き飛ばされる。被膜は繰り返し新鮮な表面を回復でき、従って堆積物の剥離を促す性質は長期にわたり維持し得る。かかる属性は、例えば航空機用ジェットエンジンないしガスタービンエンジンのための圧縮機の翼において、堆積物の堆積を長期にわたり抑止するに利用しうる。

ここに開示された内容の創出は、これらの発見に基づいてなされた。

図１を参照するに、一実施形態によるエンジン用圧縮機翼は、圧縮機翼の基体１と、基体１を被覆する被膜３と、を備える。基体１は、航空機用ジェットエンジンないしガスタービンエンジンのための圧縮機の翼であり、動翼と静翼の何れでもよい。被膜３は、例えばチタニウム−シリコン窒化物（Ｔｉ_ｘＳｉ_１−ｘＮ）よりなる。その膜厚は任意に選択しうるが、厚いほうが寿命を確保するに有利なので、例えば３μｍ以上である。また薄いほうが被膜に欠陥が生じるおそれが少なくなるので、例えば１０μｍ以下である。

被膜３に含まれるチタニウムとシリコンは、硫酸塩と共存することにより高温環境において複合酸化物を生じる。チタニウムを含む複合酸化物は、既に述べた通り堆積物を被膜３から剥離することを促す作用を有するので、堆積物の堆積を長期にわたり抑止する。かかる属性を有する被膜を、本明細書および添付の請求の範囲において、剥離性被膜と称する。

かかる窒化物において、チタニウムとシリコンとの比は任意に選択しうるが、チタニウムが０ａｔ％（ｘ＝０）であっては上述の効果は得られないので、チタニウムは０ａｔ％を超えるべきであり、好ましくは６０ａｔ％以上である。またチタニウムが１００ａｔ％（ｘ＝１）の場合に比べるとシリコンが含まれるほうが耐食性等の性質が優れるので、好ましくはチタニウムは１００ａｔ％未満であって、より好ましくは８０ａｔ％以下である。シリコンは、好ましくは１５ａｔ％以上であって、また好ましくは４０ａｔ％以下である。

既に述べた通り、チタニウムに代えて、これと同種の化学的性質を有するジルコニウム、ハフニウムであってもよく、すなわち被膜３はジルコニウム−シリコン窒化物（Ｚｒ_ｘＳｉ_１−ｘＮ）あるいはハフニウム−シリコン窒化物（Ｈｆ_ｘＳｉ_１−ｘＮ）を含んでもよい。

また既に述べた通り、バナジウムまたはこれと同種の化学的性質を有するニオブ、タンタルも剥離性被膜に利用し得る。すなわち被膜３は、バナジウム、ニオブ、タンタルよりなる群より選択された一以上の金属の窒化物であってもよい。

被膜３の表面は、より滑らかであるほうが堆積物の付着を妨げる点で有利である。そこで被膜３の表面粗さは、好ましくは０．１Ｒａ以下である（Ｒａは、日本工業規格ＪＩＳ−Ｂ−０６０１−２００１に基づく算術平均粗さである）。

上述のごとき被膜３は、表面に露出していればその作用を果たすに十分であり、従って被膜３の下に、これと区別しうる中間被膜５が介在していてもよい。中間被膜５は、被膜３とは異なる成分よりなり、あるいは異なる成分を含み、さらにあるいは同種の成分よりなるものであって異なる組成であってもよい。中間被膜５は、また、互いに区別しうる２層以上を含んでもよい。

中間被膜５の成分は、種々の特性に鑑みて選択することができる。例えば耐食性や耐エロージョン性を向上する観点から、チタニウム−アルミニウム窒化物（Ｔｉ_ｙＡｌ_１−ｙＮ）あるいはクロミウム−アルミニウム窒化物（Ｃｒ_ｚＡｌ_１−ｚＮ）を中間被膜５に適用することができる。あるいは被膜３と基体１との密着性の向上や、その界面に生ずる応力を緩和するに有利な物質を選択し、中間被膜５に適用してもよい。

あるいはまた、被膜３と他の被膜７とを交互に、３組以上積層し、図２に示すごとく多層膜としてもよい。多層膜とすることは、残留応力の緩和等に有利である。

多層膜において、例えば、チタニウム−シリコン窒化物よりなる被膜と、チタニウム−アルミニウム窒化物よりなる被膜とが交互に積層していてもよい。あるいは、チタニウム−シリコン窒化物よりなる被膜と、バナジウム窒化物よりなる被膜とが交互に積層していてもよい。さらにあるいは、双方が共にチタニウム−シリコン窒化物であって、チタニウムとシリコンとの比が異なるものであってもよい。また他の被膜７は、それ自体が互いに区別しうる２層以上を含んでもよい。またかかる多層膜において、好ましくは最表層は被膜３である。多層膜において各層は１０ないし２０ｎｍ程度の厚さとすることができる。

被膜３は、エンジン用圧縮機翼の少なくとも翼面を全面的に覆うが、さらにそのプラットフォーム部（動翼の場合）、またはインナバンド部およびアウタバンド部（静翼の場合）を全面的に覆う。また被膜３による被覆を、これらの部分に限定することができる。エンジン用圧縮機翼において他の部分は、エンジンへの固定に利用される部分であるか、または他の部材に対して擦動する部分である。窒化物のごとき硬質の被膜がこれらの部分を覆っていれば、相手方部材を速やかに損耗してしまう。被膜３による被覆を翼面およびプラットフォーム部またはインナバンド部およびアウタバンド部に限定することは、相手方部材の寿命延長の点で有利である。

被膜３が堆積物の堆積を妨げる機構を、図３Ａ乃至３Ｃを参照して以下に説明する。

堆積物９は、塵埃、砂、火山灰、水分、硫酸塩、亜硫酸塩、塩化物、炭酸塩等を含み、図３Ａに示すごとく被膜３上に付着しうる。硫酸塩等による酸化力と、空気の断熱圧縮によって生じた例えば４００〜７００℃程度の高温とにより、被膜３と堆積物９との界面において、図３Ｂに示すごとく被膜３の酸化物１１が生じる。

かかる酸化物１１は、チタニウムの酸化物等の脆い物質を含むので、酸化物１１ごと堆積物９が剥離する。断面をＴＥＭ等で観察すると、酸化物１１の層はせいぜい数百ｎｍの程度のものしか見出すことができない。すなわち、酸化物１１は、数百ｎｍの程度に成長するまでに剥離するものと考えられる。

剥離した後には図３Ｃに示すごとく被膜３の新鮮な面が露出し、かかる面は次に付着しようとする堆積物に対して再び剥離を促す作用を奏しうる。既に述べた通り、酸化物１１の層はごく薄い段階で剥離するので、剥離のたびに損耗する被膜３の厚さはせいぜい数百ｎｍの程度である。既に述べた通り、被膜３の厚さは３〜１０μｍの程度であるので、数十回の剥離を繰り返してもなお被膜３は残存するのであり、すなわち長期にわたり効果を奏することができる。

基体１上の被膜３は（あるいは被膜５，７も）、例えば公知のアークイオンプレーティング法を利用して形成することができる。あるいはスパッタ法やその他のコーティング法を利用することができる。アークイオンプレーティング法によれば、その製造方法は以下のようである。

まずアークイオンプレーティング装置に基体１と蒸発原料とを導入する。被膜３がチタニウム−シリコン窒化物の場合は、蒸発原料はチタニウムシリコン合金インゴットである。その組成は被膜において所望する組成に応じて選択される。

基体１が動翼である場合には、そのダブテール部をホルダに嵌入することにより、基体１をホルダに結合せしめる。これは電気的結合のためのみならず、ダブテール部をホルダにより放電から遮蔽し、以って被膜が形成する部位を限定するのにも役立つ。すなわち被膜の形成は動翼の翼面およびプラットフォーム部の面に限定するに役立つ。静翼である場合には、アウタバンド部より外側またはインナバンド部より内側の構造を利用する。被膜の形成は静翼の翼面、アウタバンド部およびインナバンド部に限定するに役立つ。

チャンバを気密に閉塞し、真空ポンプを稼働して適宜の真空にする。これは不純物の排除に役立ち、例えば０．０１Ｐａ程度の真空度を目安として排気を継続する。

排気を継続しながら、ガス供給装置のバルブを開いてアルゴンおよび窒素を導入し、チャンバ内の圧力を調整する。圧力は、例えば２〜１０Ｐａである。

放電用電源により蒸発源とチャンバとの間に電圧を印加して放電を開始し、同時にバイアス用電源により基体１にバイアス電圧を印加する。蒸発原料であるチタンシリコン合金がカソードとなって放電が発生するとともに、チタニウムおよびシリコンが蒸気となり、一部がイオン化してバイアス電圧により基体１に向けて加速され、気相中の窒素と反応することにより、被膜３を生ずる。

既に述べた通り、ホルダにより遮蔽された部位には被膜は生じないが、気相粒子はバイアス電場により誘引されるために、基体１において露出した表面の全体に回り込み、被膜３は遮蔽されなかった全ての面を全面的に覆う。

効果を検証する目的で、バーナーリグ試験により堆積物の付着量を比較する試験を行った。

図４を参照するに、バーナーリグ試験機は概して、高温ガスを発生する燃焼器１３と、試験片を支持するホルダ１５と、よりなる。燃焼器１３には、例えば灯油を供給する供給系を備えた燃料ノズル１７と、塩水供給系を備えた塩水ノズル１９とが連結されている。これらから吐出されたガス流がプラグ２１により点火されることにより、高温ガス流Ｆが発生する。ホルダ１５は複数の丸棒状試験片Ｐを支持するように構成されている。またモータ２３によりガス流Ｆと直交する軸の周りにホルダ１５が回転することにより、複数の試験片Ｐは均一に高温ガス流Ｆに曝される。

インコネル７１８（インコネルは当業者に慣用された合金群の名称）よりなる丸棒状試験片に、チタニウム−シリコン窒化物（ＴｉＳｉＮ）被膜を形成したもの、バナジウム窒化物（ＶＮ）被膜を形成したもの、および被膜のないものをそれぞれ作製した。

チタニウム−シリコン窒化物につき、蒸発原料の組成（目標組成）と、生じた被膜の組成との関係を表１に示す。かかる表において、被膜の組成は、ＥＰＭＡによる元素分析による結果であって、ＳＥＭ像において被膜中の適宜の３点を点分析して平均した結果である。

表１より明らかな通り、蒸発原料の組成に比べて被膜の組成に僅かなずれが認められる。しかし被膜の組成を蒸発原料の組成に応じて制御できることは明らかである。以下の説明および添付の特許請求の範囲において、被膜の組成は被膜を元素分析した結果によらず、蒸発原料の組成（目標組成）に基づく。また被膜をその組成と共に表現するため、Ｔｉ_０．７５Ｓｉ_０．２５Ｎのように表記することがある。

上述の試験片をそれぞれバーナーリグ試験に供した。塩水として硫酸カルシウム溶液を燃焼器に供給した。各試験片をホルダに取り付け、ホルダを回転させながら各試験片を高温ガス流に２時間曝露し、取り外して外観観察および重量変化を測定した。その後、各試験片を再びホルダに取り付け、ホルダを回転させながら各試験片を高温ガス流に４０時間曝露し、取り外して外観観察および重量変化を測定した。表２は重量変化の測定結果である。

被膜のない試験片については、高温ガス流に曝露された部位の全体にわたり、灰白色の堆積物が付着していた。被膜を形成したものについても灰白色の堆積物の付着が認められるが、堆積物は部分的に剥離しており、剥離した部分においては金属光沢が認められた。重量変化の測定結果によれば、被膜のない試験片では明らかな重量増大が認められ、これは堆積物の重量に相当するものと考えられるが、被膜を有する試験片ではいずれも重量増大は僅かである。これらの試験結果より明らかな通り、被膜のない試験片に比べ、被膜を有する試験片では堆積物の剥離を促す効果が顕著である。

チタニウム−シリコン窒化物被膜において、その組成が及ぼす影響についても検討した。上述と同様な試験片の作成手順において、蒸発原料における組成に差異をつけることにより、Ｔｉ_０．８５Ｓｉ_０．１５Ｎ被膜，Ｔｉ_０．７５Ｓｉ_０．２５Ｎ被膜，Ｔｉ_０．６０Ｓｉ_０．４０Ｎ被膜をそれぞれ有する試験片を作製し、それぞれバーナーリグ試験に供した。重量変化の測定結果を表３に示す。なお上述の試験と別の機会に試験を実施しているので、必ずしも上述の試験とは比較対照することができず、当該試験の範囲で比較対照するべきである。

重量変化の測定結果より明らかな通り、チタニウム−シリコンの全体に対してチタニウムが６０ａｔ％以上８５ａｔ％以下の範囲で、７５ａｔ％の場合と同様に堆積物の剥離を促す効果が得られる。ただしかかる範囲においてチタニウムの比率が高いほうがその効果はより大きいようである。

単層膜と多層膜の比較も行った。重量変化の測定結果を表４に示す。これもこれまでの試験とは別の機会に試験を実施しているので、これまでの試験とは必ずしも比較対照すべきでない。多層膜においては、チタニウム−シリコン窒化物の層と他の層とを交互に３組積層しており、各層の厚さは約２０ｎｍであった。

重量変化の測定結果より、多層膜であっても同様な効果が得られることが明らかである。特にチタニウム−シリコン窒化物とバナジウム窒化物とを組み合わせた多層膜は効果が高い。

幾つかの実施形態を説明したが、上記開示内容に基づき、当該技術分野の通常の技術を有する者が、実施形態を修正ないし変形することが可能である。

豊富な外来物質を含む環境においても堆積物が堆積しにくいエンジン用圧縮機翼が提供される。

Claims (5)

1. 豊富な外来物質を含む環境において利用されるエンジン用圧縮機翼であって、
   前記圧縮機翼の基体と、
   前記基体を被覆する被膜であって、０ａｔ％を超えて１００ａｔ％未満の第１の金属であってチタニウム、ジルコニウム、ハフニウムよりなる群より選択された一以上の第１の金属と残部であるシリコンとよりなる物質の窒化物と、バナジウム、ニオブ、タンタルよりなる群より選択された一以上の第２の金属の窒化物と、よりなる群より選択された何れか一以上よりなる被膜と、
   を備えたエンジン用圧縮機翼。
2. 請求項１のエンジン用圧縮機翼において、
   前記被膜は翼面およびプラットフォーム部またはインナバンド部およびアウタバンド部に限定され且つこれらを全面的に覆うことを特徴とするエンジン用圧縮機翼。
3. 請求項１または２のエンジン用圧縮機翼であって、
   前記被膜と前記基体との間に介在した中間被膜をさらに備えることを特徴とするエンジン用圧縮機翼。
4. 請求項３のエンジン用圧縮機翼において、前記被膜と前記中間被膜とは交互に積層された３組以上の多層膜を成すことを特徴とするエンジン用圧縮機翼。
5. 請求項３のエンジン用圧縮機翼において、前記中間被膜は、チタニウム−アルミニウム窒化物、クロミウム−アルミニウム窒化物よりなる群より選択された一以上よりなることを特徴とするエンジン用圧縮機翼。

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