(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体と、
基体に付着させた拡散制御層であって、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａ及びＺｒから選択される材料からなる拡散制御層と、
拡散制御層に付着させた耐エロージョン性保護構造体であって、形状記憶合金からなる耐エロージョン性保護構造体と
を備えるタービンエンジン部品であって、前記形状記憶合金が、ニッケル−チタン基合金からなる、タービンエンジン部品。
【請求項２】
前記拡散制御層が、耐エロージョン性保護構造体又は基体との相互作用による脆性又は低融点相を形成しない、請求項１記載のタービンエンジン部品。
【請求項３】
前記形状記憶合金が、当該タービンエンジン部品の作動温度においてオーステナイト相を呈し、作動温度未満の温度でマルテンサイト相を呈するように選択された組成からなる、請求項１又は請求項２記載のタービンエンジン部品。
【請求項４】
前記形状記憶合金が、当該タービンエンジン部品の作動温度において超弾性相を呈し、作動温度未満の温度でマルテンサイト相を呈するように選択された組成からなる、請求項１又は請求項２記載のタービンエンジン部品。
【請求項５】
前記基体が、タービンノズル、シュラウド、シュラウドハンガ、バケット、翼形部、ファンブレード、圧力バランスシール又は燃焼器からなる、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のタービンエンジン部品。
【請求項６】
前記基体が超合金を含む、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のタービンエンジン部品。
【請求項７】
前記基体がチタン基合金からなり、前記形状記憶合金がＮｉＴｉＣｒ又はＮｉＴｉＦｅ合金からなる、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載のタービンエンジン部品。
【請求項８】
前記拡散制御層の厚さが０．５ミル（１３μｍ）〜１００ミル（２．５ｍｍ）である、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載のタービンエンジン部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広義には、タービンエンジン部品用の皮膜又はシールドの形態の耐エロージョン・耐摩耗性保護構造体に関し、さらに具体的には、タービンエンジン部品に耐エロージョン性を付与するための形状記憶合金保護構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
皮膜及びシールドの形態の耐エロージョン性及び耐摩耗性保護構造体は、タービンエンジンに様々な用途が見出されている。例えば、タービンブレードの外側先端には、耐摩損・耐摩耗性皮膜が設けられることが多い。かかる皮膜は、一般にブレードとその周囲のシュラウドとの接触によるブレードの摩耗／エロージョン速度を下げるために用いられる。他の耐摩耗性皮膜はタービンブレードの前縁に設けられ、運転中にタービンエンジンに侵入する環境粒状（例えば、泥、砂など）との接触による摩耗（エロージョンによる）の低減が図られている。さらに別のタイプの耐摩耗皮膜は、運転中に部品同士の接触による摩耗を受けやすいタービンエンジン部品に設けられる。例えば、エンジンの高圧タービン（ＨＰＴ）及び低圧タービン（ＬＰＴ）セクションでは、シュラウドハンガ又は圧力バランスシールのような隣接構造体と擦れ合うノズル摩耗パッドに耐摩耗性皮膜が設けられる。
【０００３】
摩損及び摩擦摩耗に加えて、皮膜及びシールドの形態の耐エロージョン性保護構造体が、水その他の液滴エロージョンによる損傷を呈するタービン部品に設けられてきた。蒸気タービンの技術分野で周知の通り、低圧蒸気タービンの最低圧力部を流れる蒸気中で水滴が形成される傾向がある。水滴は静止バケット（つまりノズル）上に付着し、水滴同士が合体して薄膜又は小さな流れとなり、ノズルの後縁にゆっくりと移動する。薄膜及び／又は小さな流れは最終的には蒸気流によって大粒の水滴の形態で静止バケットから離脱する。こうした大粒の水滴は、回転バケットの周速にほぼ等しい速度で回転バケットの後段に衝突する。水滴の衝突はブレード材料表面に衝撃接触圧を生じ、バケット材料の漸進的減損つまりエロージョンを引き起こす。蒸気タービンエンジン部品のエロージョンは、特に、出力損失を生じ、またタービン効率及びバケット寿命に悪影響を与えかねない。
【０００４】
通例、低圧蒸気タービンにおける最後の数列のブレードは、クロム含有量の比較的高い鉄合金の鍛造によって形成される。かかる合金の一例は、約１５．５〜１７．５％のクロム及び３．０〜５．０％のニッケルを含有する。別の合金は、１１．５〜１３．０％のクロムを含有する。皮膜及びシールドの形態のさらに別の保護構造体は、Ｄｅｌｏｒｏ  Ｓｔｅｌｌｉｔｅ社からＳｔｅｌｌｉｔｅ（登録商標）という商標で市販されている合金のようなコバルト基合金からなる。こうした保護構造体はベース金属よりも優れた耐エロージョン性を示すが、それらの耐エロージョン性は最適ではなく、依然として回復不能な多大な効率損失を生じる。さらに、タービンブレードへの保護構造体の付着も、一体形ブレード構造のボイド又は割れの形態の製造欠陥だけでなく、応力腐食割れのような信頼性の問題を生じる。
【特許文献１】米国特許第５５３１３６９号明細書
【特許文献２】米国特許第６１２７０４４号明細書
【特許文献３】米国特許第６４５１４５４号明細書
【特許文献４】米国特許第６４５８３１７号明細書
【特許文献５】米国特許出願公開第２００１／００２１３４６号
【特許文献６】欧州特許第０５１５０７８号
【特許文献７】欧州特許第０５０８４１４号
【特許文献８】欧州特許第０６４２８７６号
【特許文献９】国際公開第９９／６６１０２号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、当技術分野では、耐エロージョン性及び耐摩耗性の向上した保護構造体に対するニーズが依然として存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本明細書では、基体と、基体上に形成された形状記憶合金からなる耐エロージョン性保護構造体とを備えるタービンエンジン部品について開示する。形状記憶合金は、ニッケル−チタン基合金、インジウム−チタン基合金、ニッケル−アルミニウム基合金、ニッケル−ガリウム基合金、銅基合金、金−カドミウム基合金、鉄−白金基合金、鉄−パラジウム基合金、銀−カドミウム基合金、インジウム−カドミウム基合金、マンガン−銅基合金、ルテニウム−ニオブ基合金、ルテニウム−タンタル基合金、チタン基合金、鉄基合金、又はこれらの合金の１種以上を含む組合せからなる。
【０００７】
別の実施形態では、タービンエンジン部品は、基体と、基体に付着させた拡散制御層と、拡散層に付着させた形状記憶合金からなる耐エロージョン性保護構造体とを備える。
【０００８】
タービン部品に耐エロージョン性保護構造体を設ける方法は、耐エロージョン性保護構造体で保護すべきタービン部品の領域に、耐エロージョン性構造体及び／又は基体との相互作用で脆性及び／又は低融点相を形成しない純金属又は合金からなる群から選択される拡散制御層を付着させる段階と、拡散制御層に形状記憶合金を付着させる段階とを含み、拡散制御層及び形状記憶合金を付着させる段階は、約９５０℃未満の温度及び約２０ｋｓｉを上回る圧力での熱間等方圧加圧プロセスを含む。
【０００９】
さらに別の実施形態では、タービン部品に耐エロージョン性保護構造体を設ける方法は、耐エロージョン性保護構造体で保護すべきタービン部品の領域に、耐エロージョン性構造体及び／又は基体との相互作用で脆性及び／又は低融点相を形成しない純金属又は合金からなる群から選択される拡散制御層を付着させる段階と、拡散制御層に形状記憶合金を付着させる段階とを含み、拡散制御層及び形状記憶合金を付着させる段階は、約９５０℃未満の温度及び２：１以上の減面率で同時押出することを含む。
【００１０】
さらに別の実施形態では、タービン部品に耐エロージョン性保護構造体を設ける方法は、耐エロージョン性保護構造体で保護すべきタービン部品の領域に、耐エロージョン性構造体及び／又は基体との相互作用で脆性及び／又は低融点相を形成しない純金属又は合金からなる群から選択される拡散制御層を付着させる段階と、拡散制御層に形状記憶合金を付着させる段階を含み、拡散制御層及び形状記憶合金を付着させる段階は、ろう付け、溶接、溶射、レーザーコンソリデーション、プラズマ移行型アーク溶接、熱間圧延、冷間圧延、イオンプラズマ堆積、鍛造、爆発圧接、融接、摩擦攪拌接合及びクラッディングからなる群から選択されるプロセスを含む。
【００１１】
タービン部品を補修するためのインサートは、タービン部品に形成された凹部内に挿入される寸法の基体と、基体の表面に形成された形状記憶合金からなる耐エロージョン性保護構造体とを備える。
【００１２】
上記その他の特徴については、添付図面及び以下の詳細な説明で説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本明細書では、粒子及び／又は水エロージョンを受けやすいタービンエンジン部品の表面に対する皮膜又はシールドの形態の保護構造体について開示する。皮膜は一般に形状記憶合金を含み、耐エロージョン性及び／又は耐摩耗性を与える。本明細書で用いる「耐エロージョン性」及び「耐摩耗性」という用語は互換的であり、同じ現象、すなわち粒状物質及び／又は液体衝突時のタービン部品のような基材の減損を低下させることをいう。従って、形状記憶合金保護構造体は、タービンエンジン部品エロージョン及び摩耗を受けやすい領域に選択的に設けてもよいし、或いは部品又は基体の全表面に設けてもよい。例えば、形状記憶合金保護構造体は、タービンノズル、シュラウド、シュラウドハンガ、静止バケット、翼形部、ファンブレード、圧力バランスシール、燃焼器部品などに設けることができる。形状記憶合金保護構造体は、液体及び／又は粒子の衝突による応力波を好適に吸収し、他の従来技術の皮膜と異なり高サイクル疲労に耐えることが判明した。
【００１４】
タービンエンジン部品は概して耐熱合金及び／又は超合金から形成され、例えばニッケル基合金、コバルト基合金、チタン基合金など、引張強度、耐クリープ性、耐酸化性及び耐エロージョン性に関して高温性能をもつことが知られている。蒸気タービンエンジンの低圧段を始めとする低温環境で用いられるフェライト系合金（例えば１２Ｃｒ鋼）のような他の耐熱合金も、本発明の様々な実施形態に従って処理することができる。液体及び／又は粒子エロージョン及び摩耗を最小限に抑制すべく、形状記憶合金保護構造体はタービン部品の表面に金属接合される。
【００１５】
超合金材料からなるタービン部品の場合、超合金は通例ニッケル基又はコバルト基合金であり、超合金中のニッケル又はコバルトの量は重量基準で最大の単一元素である。例示的なニッケル基超合金は、約４０重量パーセント（ｗｔ％）以上のニッケル（Ｎｉ）と、コバルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、チタン（Ｔｉ）及び鉄（Ｆｅ）からなる群から選択される１以上の成分を含む。ニッケル基超合金の例としては、Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）、Ｎｉｍｏｎｉｃ（登録商標）、Ｒｅｎｅ（登録商標）（例えば、Ｒｅｎｅ（登録商標）８０−、Ｒｅｎｅ（登録商標）９５、Ｒｅｎｅ（登録商標）１４２及びＲｅｎｅ（登録商標）Ｎ５合金）及びＵｄｉｍｅｔ（登録商標）という商品名で呼ばれるものがあり、方向性凝固及び単結晶超合金が包含される。例示的なコバルト基超合金は、約３０ｗｔ％以上のコバルトと、ニッケル、クロム、アルミニウム、タングステン、モリブデン、チタン及び鉄からなる群から選択される１以上の成分とを含む。コバルト基超合金の例としては、Ｈａｙｎｅｓ（登録商標）、Ｎｏｚｚａｌｏｙ（登録商標）、Ｓｔｅｌｌｉｔｅ（登録商標）及びＵｌｔｉｍｅｔ（登録商標）という商品名で呼ばれるものがある。
【００１６】
図１に、本発明の耐エロージョン性保護構造体で処理することができる例示的なタービン部品を斜視図で示す。タービンエンジンの作動原理及び全体的構造は、当技術分野で公知であり、本明細書では繰り返さない。図に示す通り、例示的なタービン部品は、蒸気タービンの低圧タービンの最終段で常用されるタイプの蒸気タービンバケット１０である。バケット１０は概してダブテール部１２とブレード部１４とを含む。ダブテール部は、ピンその他によって回転シャフト（図示せず）に取付けられる。図には一枚のブレードしか示していないが、エンジンは通例回転シャフトに取付けられた複数のブレードを有する。ブレードはシュラウドによって画成される空間内を回転し、シュラウドは一般にシュラウドハンガによって支持される。形状記憶合金保護構造体は、ノズル、ブレード、シュラウド及びシュラウドハンガのいずれか又はその任意の組合せに設けることができる。一実施形態では、耐エロージョン性保護構造体は、タービン部品の液体エロージョンを受けやすい領域、例えば運転中に水滴などの衝突を受けやすい領域に設けられる。好ましい実施形態では、形状記憶合金は好ましくはブレード部１４の前縁１６周辺に施工される。前縁１６が液体エロージョンを最も受けやすいことが判明した。図２は、バケット作動中に水エロージョンによる有害な影響を呈する従来技術のバケットの前縁を示す写真である。このバケットは形状記憶合金保護構造体を含んでいない。
【００１７】
有益なことに、タービン部品表面に形状記憶合金保護構造体を設けると、液体及び粒子エロージョンに対する耐性が得られる。例えば、タービンエンジンの運転中、粒子及び／又は液滴がタービンエンジンを構成する様々な部品の表面に衝突し、表面の浸食を起こす。かかる表面に形状記憶合金保護構造体を付着させると、衝突粒子及び／又は液滴による変形が保護構造体によって吸収され、エロージョン及び／又は摩耗が最小限に抑制される。粒子又は液滴の衝突による変形は、表面がその元の形状（つまり変形のないもの）に戻るように形状記憶合金の変態相を変えることによって、除去することができる。理論に束縛されるものではないが、形状記憶合金の特に超弾性特性が、粒子及び／又は液体の衝突によるエロージョン及び摩耗に対する耐性を与えると考えられる。
【００１８】
形状記憶合金は通例幾つかの異なる温度依存相で存在する。こうした相のうち最も一般的に利用されているのはいわゆるマルテンサイト相とオーステナイト相である。以下の説明において、マルテンサイト相とは一般に変形性が大きく低温の相をいうのに対して、オーステナイト相とは一般剛性が高く高温の相をいう。形状構成合金がマルテンサイト相にあってこれを加熱すると、マルテンサイト相はオーステナイト相に変化し始める。この現象が開始する温度はオーステナイト開始温度（Ａｓ）と呼ばれることが多い。この現象が完了する温度はオーステナイト終了温度（Ａｆ）と呼ばれる。形状記憶合金がオーステナイト相にあってこれを冷却すると、オーステナイト相はマルテンサイト相に変わり始めるが、この現象が開始する温度はマルテンサイト開始温度（Ｍｓ）と呼ばれる。オーステナイト相からマルテンサイト相への変態が完了する温度はマルテンサイト終了温度（Ｍｆ）と呼ばれる。一般に、形状記憶合金はマルテンサイト相では柔らかく容易に変形可能であり、オーステナイト相では硬く、剛性があり、及び／又は変形しにくい。
【００１９】
形状記憶合金は、合金組成及び処理履歴に応じて、一方向形状記憶効果、固有二方向形状記憶効果又は外因性二方向形状記憶効果を呈し得る。焼鈍形状記憶合金は、一般に一方向形状記憶効果しか呈さない。形状記憶材料を低温（Ｍｆ未満）変形後に充分に加熱すると、マルテンサイ→オーステナイト型遷移が誘起され、材料は元の高温（Ａｆ以上）形状を回復する。このように、一方向形状記憶効果は加熱した時だけ観察される。
【００２０】
固有及び外因性二方向形状記憶材料は、マルテンサイト相からオーステナイト相に加熱した時の形状変化だけでなく、オーステナイト相からマルテンサイト相に戻る冷却時の付加的な形状変化を伴うことを特徴とする。固有形状記憶効果を示す形状記憶合金保護構造体は、上述の相変態の結果それ自体が自動的に形状を変える形状記憶合金組成から製造される。固有二方向形状記憶挙動は、処理によって形状記憶材料に誘導する必要がある。こうした処理としては、マルテンサイト相での材料の極度の変形、拘束又は負荷の下での加熱・冷却、或いはレーザー焼鈍、研磨又はショットピーニングのような表面改質が挙げられる。材料が二方向形状記憶効果を示すように材料をいったん処理すれば、低温状態と高温状態との間の形状変化は一般に可逆的になり、多数の熱サイクルを通して維持される。対照的に、外因性二方向形状記憶効果を示す保護構造体は、一方向作用を示す形状記憶合金組成を、保護構造体に復元力を与えて形状を元に戻す別の要素と組合せた複合材料又は多成分材料である。
【００２１】
上述の通り、形状記憶合金は超弾性挙動を示すことができる。超弾性挙動は、形状記憶合金をその変態温度Ａｓをわずかに上回る温度において応力／歪レベルがその回復可能な範囲を超えない状態で変形させると得られる。超弾性効果は、その常温Ｍｓを超える温度での若干の応力誘起マルテンサイト相の形成によって起こる。マルテンサイトはその常温を超える温度で形成されているので、マルテンサイトは、応力が除去されると瞬時に変形前のオーステナイトに復元する。従って、形状記憶合金皮膜は極めて弾力のある「ゴム状」弾性を与えることができ、粒状物質及び液体の衝撃を吸収する。
【００２２】
上述の非線形弾性特性に加えて、超弾性形状記憶合金は、そのゴムのような挙動を反映して、塑性変形を起こさずに通常の金属合金よりも数倍歪ませることができる。ただし、この挙動は特定の温度域でのみ観察される。マルテンサイトを応力誘発することができなくなる最高温度は一般にＭｄと呼ばれる。Ｍｄを超えると、形状記憶合金は転位増殖又は滑りによって通常の材料と同様に変形し硬化する。Ａｓ未満では、材料はマルテンサイトであり、回復しない。従って、超弾性はＡｆ付近から最高Ｍｄまでの温度域でみられる。最大の回復能力はＡｆ近くで起こる。
【００２３】
除荷及び加熱によって約８％の歪みを回復できることが判明した。この限界値を超える歪みは永久塑性変形として残る。形状記憶素子に対する作動温度はこの変態範囲から大きく離れてはならず、さもないと形状記憶特性が変わる。図３は、Ｔｉ基合金からなるタービン部品についての圧縮応力と圧縮歪みの関係を、ＮｉＴｉＣｒ形状記憶合金と対比して示したグラフである。ＮｉＴｉＣｒ形状記憶合金は５６ｗｔ％のＮｉと４３％ｗｔのＴｉと１ｗｔ％のＣｒからなるものであった。このグラフから、形状記憶合金はＴｉ基合金よりも大きいエネルギー吸収性と超弾性特性を与えることが分かるが、このことは基材に比して耐エロージョン性が向上すると直接解釈できることが判明した。形状記憶合金は、衝突する粒子又は液滴による応力波を吸収し、図３に示すように、その超弾性によって本質的にエロージョン損傷に耐性をもつと思料される。
【００２４】
マルテンサイト形状記憶合金は、２つの境界面の内部摩擦により本質的に優れた減衰能力を有する。さらに、形状記憶効果の存在する歪み／応力レベルにおいて、マルテンサイト材料は、そのオーステナイト型又は一般的金属材料に比べ、降伏点を超えた時の加工硬化が格段に小さい。これらの効果も、良好な耐エロージョン性をもつマルテンサイト形状記憶合金を与えることができる。
【００２５】
タービン部品の表面に耐エロージョン性を付与するための好適な形状記憶合金材料としては、特に限定されないが、ニッケル−チタン基合金、インジウム−チタン基合金、ニッケル−アルミニウム基合金、ニッケル−ガリウム基合金、銅基合金（例えば、銅−亜鉛合金、銅−アルミニウム合金、銅−金合金及び銅−錫合金）、金−カドミウム基合金、銀−カドミウム基合金、インジウム−カドミウム基合金、マンガン−銅基合金、鉄−白金基合金、鉄−パラジウム基合金、ルテニウム−ニオブ基合金、ルテニウム−タンタル基合金、チタン基合金、鉄基合金などが挙げられる。これらの合金は、合金組成物が相転移温度を超えて加熱又は冷却した時或いは応力又は歪み誘起相転移時に形状記憶効果、例えば形状配向の変化、降伏強度及び／又は曲げ弾性率特性の変化、減衰能力、超弾性などを示す限り、二元、三元又はそれ以上の多元合金であってもよい。好ましい形状記憶合金は、ＮＩＴＩＮＯＬという商標でＳｈａｐｅ  Ｍｅｍｏｒｙ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ社から市販されているニッケル−チタン基合金である。好適な形状記憶合金組成の選択は部品の作動温度域に応じて決まる。
【００２６】
「形状記憶合金」という用語は、形状記憶合金複合体も包含するものであり、形状記憶合金系複合体は形状記憶合金のマトリックスと１種以上の硬質粒状相を含む。硬質粒状相は、ホウ化物、酸化物、窒化物、炭化物又はこれらの粒状物の１種以上を含む組合せを含む。別の実施形態では、形状記憶合金複合体は、形状記憶合金層と同一又は異なる厚さの金属又はセラミック層と形状記憶合金層とが交互に設けられた多層構造体からなる。セラミック層は好ましくはホウ化物、酸化物、窒化物、炭化物、ＴｉＮ、Ｙ２Ｏ３及びＴａＣからなる群から選択される。金属層は、好ましくはＴｉ、Ｎｉ、Ｃｏ、チタン基合金、ニッケル基合金、コバルト基合金、鉄基合金などからなる群から選択される。さらに別の実施形態では、複合体はさらに、当業者に公知の過酷な塑性変形プロセスで形成できるような超微細結晶粒材料を含んでいてもよい。例えば、所要の結晶粒度を得るための好適な過酷な塑性変形プロセスとしては、特に限定されないが、ボールミリング、衝撃変形加工、ショットピーニング、高圧捩り加工などが挙げられる。好ましい結晶粒度は２μｍ未満であり、１μｍ未満の結晶粒度がさらに好ましく、１００ｎｍ未満の結晶粒度がさらに一段と好ましい。好適な超微細結晶粒材料は、硬度が高く、再結晶がなく、焼鈍時の結晶粒成長が遅く、結晶粒内部での転位密度が低いことを特徴とする。理論に束縛されるものではないが、複合体内の超微細結晶粒材料は、皮膜内部の割れの伝搬を防止及び／又は偏向させると思われる。
【００２７】
形状記憶合金は、金属接合によってタービン部品に付着させることができる。金属接合の具体的な方法は、形状記憶合金の組成、タービン部品の合金組成その他のパラメータに応じて決まる。好適な方法としては、特に限定されないが、ろう付け、押出、爆発圧接、熱間等方圧加圧（ＨＩＰ）、クラッディング、レーザープロセス、プラズマ移行型アーク溶接法、イオンプラズマ堆積、鍛造、融接、真空プラズマ溶射、溶射、摩擦攪拌接合などが挙げられる。適宜、形状記憶合金保護構造体をインサート及び／又はクーポンの形態に形成し、後でタービン部品に取付けてもよい。
【００２８】
形状記憶合金の合金化元素及び組成は、所要の超弾性特性及び変態温度に基づいて選択される。好ましい実施形態では、金属接合の形成プロセスは、基体合金と形状記憶合金との相互拡散が最小限となるように選択される。相互拡散は、両材料間に形成された接合部を弱めかねない脆性Ｔｉ−Ｆｅ金属間化合物の形成を招くおそれがあることが判明した。
【００２９】
機械的強度、耐摩耗性及び耐エロージョン性を向上させるために、形状記憶合金保護構造体を付着させる前に、適宜、拡散制御層を付着させてもよい。拡散制御層は、脆性金属間合成物の形成が限られ及び／又はＴｉ又はＮｉ又はＦｅとの低融点相を形成せずに、チタン及びＮｉ／Ｆｅに対する溶解性が高いことを特徴とする。拡散制御層は、付着すべき表面がチタン合金からなる場合に特に好ましい。形状記憶合金保護構造体によっては、基材と形状記憶合金との接合面に望ましくない相を形成するものもあることが判明した。拡散制御層の使用は、相互拡散及び望ましくない相の形成を実質的に防止する。
【００３０】
好ましくは、拡散制御層は、タービン部品への形状記憶合金の金属接合特性を高める純金属又は金属合金である。好適な金属は、耐エロージョン性構造体及び／又は基体との相互作用による脆性及び／又は低融点相を形成しない純金属又は合金からなる群から選択される。好適な金属としては、特に限定されないが、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａ及びＺｒが挙げられる。こうして、形状記憶合金は、例えばチタン合金、鉄合金などの基材と直接接触しないように隔離される。その結果、より広範な形状記憶材料を用いることができる。拡散制御層の厚さは、形状記憶合金のタービン部品合金組成との相互拡散を実質的に防止するように選択される。好ましい厚さは約０．５ミル〜約１００ミルであり、約１ミル〜約５ミルがさらに好ましい。
【００３１】
以下、形状記憶合金をタービン部品に付着させる例示的な方法を説明する。各種の方法としては、一般に形状記憶合金を基材又は拡散制御層に被覆、接合又は固着することが挙げられる。例えば、形状記憶合金は、熱間等方圧加圧（ＨＩＰ）プロセスのような拡散接合プロセスによってタービン部品に付着させることができる。鋼又はチタン基合金からなるタービン部品にＮｉＴｉ基合金を付着させる例示的なＨＩＰプロセスでは、好ましくは９５０℃未満の温度及び２０ｋｓｉを超える圧力が用いられる。さらに好ましいＨＩＰプロセスでは、約７００℃〜約９００℃の温度及び２０ｋｓｉ〜約４０ｋｓｉの圧力が用いられる。
【００３２】
例示的な同時押出プロセスでは、好ましい温度及び減面率は、温度９５０℃未満及び減面率２：１以上である。さらに好ましい押出プロセスでは、約７００℃〜約９００℃の温度及び２：１〜８：１の減面率が用いられる。
【００３３】
別法として、タービンエンジン部品の表面に気相から気相成長形状記憶合金皮膜を直接堆積させて一体皮膜を形成してもよい。
【００３４】
形状記憶合金保護構造体の厚さは、粒子及び／又は液体によるエロージョンを受けやすい表面に弾性及び柔軟性を与えるように選択される。形状記憶合金皮膜の厚さは、所要の形状記憶効果を与えるのに有効な厚さにすべきである。好適な厚さは約０．５ミル〜約２インチであり、約２００ミル〜約１インチがさらに好ましい。
【００３５】
形状記憶合金保護構造体は、イオン又はレーザー源からの高エネルギービームの適用或いはショットピーニングや研磨のような他の機械的手段のような表面処理を適宜施してもよい。形状記憶合金皮膜は、適宜、熱処理プロセスに付してもよいし、時効プロセスを用いてもよい。熱処理プロセスでは、好ましくはタービン部品を約８１５℃〜約１０１０℃の温度に最大約４時間付す。時効プロセスでは、好ましくは部品を約４８０℃〜約８１５℃で最大約１２時間加熱する。本発明では、熱処理プロセスと時効プロセスとの組合せも可能である。
【００３６】
拡散制御層の存在下又は非存在下で、タービン部品に形状記憶合金を付着させることについて説明してきたが、さらに、形状記憶合金でインサートを作ることもできる。こうして、タービン部品にインサートを従来法で固着することによって、補修タービン部品に都合よく耐エロージョン性表面を形成しながらタービン部品の補修を行うことができる。
【実施例】
【００３７】
単なる例示であり限定するものではない以下の非限定的な実施例を参照して、本発明をさらに詳細に説明する。
【００３８】
実施例１
本実施例では、ＨＩＰ装置を用いて９００℃の温度及び約３０ｋｓｉの圧力でＮｉＴｉ形状記憶合金（５６ｗｔ％Ｎｉ、４４ｗｔ％Ｔｉ）をＦｅ基合金に結合した。こうして形成した結合部の断面を図４に示す。
【００３９】
実施例２
本実施例では、ＮｉＴｉＣｒ形状記憶合金をＮｂ拡散制御層を介してＴｉ基合金に結合した。こうして形成した結合部の断面図を図５に示す。光学顕微鏡及び走査電子顕微鏡による観察で割れは全く認められず、形成した結合部はしっかりと接合していた。
【００４０】
実施例３
本実施例では、ＮｉＴｉＦｅ合金（５２ｗｔ％Ｎｉ、４５ｗｔ％Ｔｉ及び３ｗｔ％Ｆｅ）とＮｂ拡散制御層とＴｉ基合金を、温度９００℃及び減面率４：１で押出プロセスを用いて同時押出した。ＮｉＴｉ基合金及びＴｉ基合金は９００℃の温度で２時間予熱した。こうして形成した結合部の断面を図６に示す。Ｎｂ拡散制御層を備えたＮｉＴｉＦｅ合金とＴｉ基合金との接合面は、亀裂がなく、しっかりと接合していた。
【００４１】
実施例４
本実施例では、液体衝突エロージョン試験を用いて経時的な体積損失を測定した。試験サンプルを、衝突速度毎秒７５０フィートの水柱に室温で暴露した。水柱の直径は０．０３２インチであった。図７は、タービン部品の製作に常用されている各種材料についての結果を示すグラフである。図８は、形状記憶合金についての結果を、エロージョンシールド及びタービン部品の製造にそれぞれ常用されているＳｔｅｌｌｉｔｅ  ６Ｂ合金及びＴｉ基合金と対比して示したグラフである。図９は、水エロージョン試験に１０分間暴露した後のＮｉＴｉＣｒ合金のエロージョンをＴｉ基合金のエロージョンと対比して示した写真である。Ｔｉ基合金の平均エロージョン深さは約１６ミルであり、ＮｉＴｉＣｒ形状記憶合金の平均エロージョン深さは約５ミルであった。タービン部品に形状記憶合金を使用すると、タービン部品の製造に用いられている最先端材料に比して、長期間にわたって耐エロージョン性が向上することが明瞭に認められる。
【００４２】
例示的な実施形態を参照して本発明を説明してきたが、本発明の技術的範囲から逸脱することなく本発明の構成要素に様々な変更を加えることができ、本発明の構成要素を均等物で置き換えることができることは、当業者には自明であろう。さらに、本発明の本質的な技術的範囲から逸脱することなく特定の状況又は材料を本発明の教示に適合すべく多くの修正を行うことができる。従って、本発明は、本発明の最良の実施形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は、特許請求の範囲の技術的範囲に属するあらゆる実施形態を包含する。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】蒸気タービンバケットの斜視図。
【図２】運転時の水エロージョンの影響を示す従来技術の蒸気タービンバケットの写真。
【図３】ＮｉＴｉＣｒ形状記憶合金及びＴｉ基合金についての圧縮応力を圧縮歪みの関数として示すグラフ。
【図４】Ｆｅ基合金にニッケル−チタン形状記憶合金を熱間等方圧処理したものの光学顕微鏡写真。
【図５】Ｎｂ拡散制御層を有するＴｉ基合金にニッケル−チタンクロム形状記憶合金を熱間等方圧処理したものの光学顕微鏡写真。
【図６】Ｔｉ基合金にニッケル−チタン鉄形状記憶合金を押出接合したものの光学顕微鏡写真。
【図７】従来の各種バケット材料について時間の関数としての体積損失のエロージョン試験結果を示すグラフ。
【図８】各種形状記憶合金について時間の関数としての体積損失のエロージョン試験結果を従来のバケット材料と対比して示すグラフ。
【図９】水エロージョン試験に付した後のＴｉ基合金及びＮｉＴｉＣｒ形状記憶合金の端面の写真。
【符号の説明】
【００４４】
１０  蒸気タービンバケット
１２  ダブテール部
１４  ブレード部
１６  翼形部前縁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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