(57)【要約】      （修正有）【課題】ガスタービンエンジンアセンブリの圧縮機アセンブリなどの物品用の摩擦皮膜及び摩擦皮膜の形成方法を提供する。【解決手段】摩擦皮膜１４は、部品の新しい表面２２に最初の皮膜として、またガスタービンエンジンアセンブリの以前に被覆済みの物品１０に適用する補修兼交換耐腐食性摩擦皮膜１４として形成できる。ガスタービンエンジンアセンブリの物品１０を用意し、物品１０はエンジンアセンブリでの運転・使用にふさわしい所定の寸法及び仕様を有する。物品１０は表面２２に、所定の寸法及び使用に適合していない損傷した摩擦皮膜１４を有する。適合していない損傷した摩擦皮膜１４を除去して物品表面２２を露出する。次に、ＭＣｒＡｌＸを含有する補修耐腐食性摩擦皮膜１４をこの表面２２に設ける。最後に、補修耐腐食性摩擦皮膜１４を機械加工し、被覆後の物品１０を所定の寸法と仕様に適合するように修復する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材と、この基材の表面（２２）に形成されたアブレイダブル摩擦皮膜（１４）とを含み、前記摩擦皮膜（１４）がＭＣｒＡｌＸを含有する、ガスタービンエンジンアセンブリの被覆物品（１０）。
【請求項２】
物品（１０）が圧縮機ケーシングである、請求項１記載の被覆物品（１０）。
【請求項３】
摩擦皮膜（１４）がＭＣｒＡｌＸからなる、請求項２記載の被覆物品（１０）。
【請求項４】
摩擦皮膜（１４）がＮｉＣｒＡｌＹを含有する、請求項２記載の被覆物品（１０）。
【請求項５】
摩擦皮膜（１４）がＮｉＣｒＡｌＹからなる、請求項２記載の被覆物品（１０）。
【請求項６】
摩擦皮膜（１４）が少なくとも１つの圧縮機ブレード先端を受けいれる少なくとも1つの溝を有する、請求項３記載の被覆物品（１０）。
【請求項７】
摩擦皮膜（１４）が少なくとも１つの圧縮機ブレード先端を受けいれる少なくとも1つの溝を有する、請求項４記載の被覆物品（１０）。
【請求項８】
摩擦皮膜（１４）が少なくとも１つの圧縮機ブレード先端を受けいれる少なくとも1つの溝を有する、請求項５記載の被覆物品（１０）。
【請求項９】
物品（１０）がガスタービンエンジンアセンブリの補修済み被覆物品（１０）であり、基材表面（２２）が以前に形成された耐腐食性摩擦皮膜を有し、この耐腐食性摩擦皮膜が損傷しているか少なくとも部分的に剥がれており、アブレイダブル摩擦皮膜（１４）が前記表面に形成されて補修済み被覆物品（１０）を生成する、請求項１記載の被覆物品（１０）。
【請求項１０】
物品（１０）が圧縮機ケーシングであり、アブレイダブル摩擦皮膜（１４）がＭＣｒＡｌＸを含有する、請求項９記載の被覆物品（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンエンジンの厳しい熱環境のような高温に曝される部品用のアブレイダブル摩擦皮膜に関する。特に、本発明は、ガスタービンエンジンアセンブリの圧縮機流路表面、特に圧縮機ハウジング上に摩擦皮膜としてＭＣｒＡｌＸ合金、特にＮｉＣｒＡｌＹ合金の皮膜を形成する組成物と方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンでは効率を高めるために運転温度を高くすることが絶えず求められている。しかし、運転温度の上昇に伴って、その分エンジン部品の高温耐久性を高める必要がある。耐熱性能はニッケル基及びコバルト基超合金の組成を調整することで大きく進歩した。それでもなお、ガスタービンエンジンのタービン、燃焼器及びオグメンター部分の部品を形成するのに使用した場合、このような合金単独では、しばしば酸化及び高熱腐食作用による損傷を受けやすく、適切な機械的特性を保てないことがある。このため、これらの部品を耐環境性ボンドコート及び／又は遮熱コーティングによって保護することが多い。後者を遮熱コーティング（ＴＢＣ）系と呼ぶ。しかし、圧縮機では、エンジン運転効率を向上させるために摩擦皮膜を使用し、回転部品と静止ケーシング構造間のクリアランスを最小にする。歴史的に、公知の摩擦皮膜では、摩擦皮膜と圧縮機ケーシングの間の腐食／酸化によって摩擦皮膜が剥離することが問題になっている。例えば、この剥離（スポーリング）問題は、ニッケル−アルミニウム（Ｎｉ−Ａｌ）摩擦皮膜を設けたＩｎｃｏｎｅｌ  ９０Ｘ系金属合金基材を有する圧縮機アセンブリで起きている。
【０００３】
タービンエンジン圧縮機の流路部品、例えば圧縮機ケーシングに設けたＮｉ−Ａｌ摩擦皮膜が、通常運転時のエンジンの熱サイクルに繰り返し曝された場合、クラックしたり、破損したりすることが知られている。本明細書では、「摩擦皮膜」（rub coating）は、高温、例えばタービンエンジンの運転によりもたらされる温度で耐腐食性、密着性及び耐久性であり、さらに皮膜の所望の耐腐食性、密着性及び耐久性を有意に損なうことなく作動中の他のエンジン部品（例えば新しい又は補修後のガスタービンエンジンを最初に始動するときの回転する高圧圧縮機（ＨＰＣ）のブレード先端）との接触で削ることができる（アブレイダブル）皮膜と定義する。このようにして摩擦皮膜を削り、圧縮機ブレード先端と圧縮機ケーシングのクリアランスを最小にし、この最小クリアランスによりブレード先端と流路間の漏れ損失をほとんど又は全くなくし、したがって流路のガス圧を増加するか最大に維持して圧縮機の最高効率での運転を可能にする。しかし、摩擦皮膜が破損したり、摩擦皮膜とＨＰＣブレード先端間の所望の許容差を失うと、この最高効率は維持できなくなる。ＨＰＣブレード先端と圧縮機ケーシング間のギャップが大きいと、エンジンの運転が非効率になり、同じレベルの推力を生成するのにエンジンがより高速高温で運転する必要があり、その過程でより多くの燃料を燃焼し、エンジン部品により大きな応力をかけることになる。
【０００４】
航空機のガスタービンエンジン用の圧縮機流路表面に使用する、Ｎｉ−Ａｌ合金摩擦皮膜としては、アトマイズニッケルアルミニウム金属からなる予合金粉末（皮膜形成時に混合しなければならないニッケル粉末とアルミニウム粉末を別々に供給するのではなくて）を従来のプラズマ溶射法（「フレーム」溶射ともいう）によって付着させたものが知られている。このＮｉ−Ａｌ摩擦皮膜は、初期には望ましい摩擦皮膜特性を示すが、多数回の熱サイクル後には、熱サイクルによるクレーズクラック（自然に乾燥した泥に外観が似ているために「マッドフラットクラック」ともいう）を呈する。クレーズクラック及び界面攻撃は、基材と皮膜の接合境界で酸化及び腐食を起こし、最終的には摩擦皮膜を破損させる。損傷した摩擦皮膜とＨＰＣブレード先端間のギャップの不適合による効率低下に加えて、摩擦皮膜破損は、遊離した皮膜の粒子がタービンエンジン流路に入るので、致命的な損傷を起こす恐れがある。遊離した皮膜の粒子は下流の圧縮機ブレードに甚大な損傷をもたらし、その結果、エンジンが失速したり、排出ガス温度が超過したり、予定外にエンジンの取り外しが必要になったり、飛行中の運転が非効率になったりする。損傷したブレードを交換したり、損傷した摩擦皮膜を補修又は交換するために、エンジンのオーバーホールが必要となり、エンジンを運行系統から外さなければならず、そのため多大な費用がかかり、航空機の利用客に迷惑をかける。このようなオーバーホールでは、エンジンを解体し、機械的、化学的又はウォータージェット剥離により古い皮膜を除去し、次に溶射などにより新しいＮｉ−Ａｌ摩擦皮膜材料を付着させ、その後機械加工して流路の寸法特性を元に戻すことが必要となる。しかし、Ｎｉ−Ａｌ摩擦皮膜を再付着して補修皮膜を形成する方法は単に前述したサイクルを再開するだけである。なぜなら、補修済みエンジンを実用に戻した後、補修Ｎｉ−Ａｌ摩擦皮膜は熱サイクルを重ねるにつれて同様のクレーズクラックを呈するからである。
【０００５】
したがって、ガスタービンエンジンの流路の極限環境に破損することなく耐えることができ、さらに形成も補修も容易な耐腐食性摩擦皮膜が依然として必要とされている。
【０００６】
さらに、タービンブレード、タービンハウジングなどのエンジン部品用の公知の部品被覆系では、セラミック皮膜、特にイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）が、遮熱コーティング（ＴＢＣ）又はＴＢＣ系のトップコートとして広く用いられている。このＴＢＣ系の密着を強化し有効寿命を延ばすために、ボンドコートがしばしば用いられる。ボンドコートは、代表的にはＭＣｒＡｌＸ（Ｍは鉄、コバルト及び／又はニッケルであり、Ｘはイットリウムその他の希土類元素である）などのオーバーレイ皮膜、あるいは拡散アルミナイド皮膜の形態である。セラミックＴＢＣの堆積中やその後のエンジン運転時のような高温への曝露中、これらのボンドコートはＴＢＣをボンドコートに密着させる強い密着性のアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）層、即ち酸化物スケールを形成する。ＭＣｒＡｌＸ皮膜の特性が圧縮機部品アセンブリに有益であると本発明者らは考えた。
【特許文献１】米国特許第６５６２４８３号明細書
【特許文献２】米国特許第６４７５６４７号明細書
【特許文献３】米国特許第６３３５１０５号明細書
【特許文献４】米国特許第５５０７６２３号明細書
【特許文献５】米国特許第５２８１４８７号明細書
【特許文献６】米国特許第５１４７７３１号明細書
【特許文献７】米国特許第４５３２１９１号明細書
【特許文献８】米国特許第４０５５７０５号明細書
【特許文献９】米国特許第３９２８０２６号明細書
【特許文献１０】米国特許第３８７４９０１号明細書
【特許文献１１】米国特許第３５９４２１９号明細書
【特許文献１２】米国特許出願公開第２００４／０１３１８６５号明細書
【特許文献１３】特開平６−２２０６０３号公報
【特許文献１４】国際公開第９７２５１４６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】
【０００７】
したがって、ガスタービンエンジンの圧縮機ケーシングに使用する耐腐食性、耐クラック性の摩耗皮膜であって、基材への優れた密着性及び耐腐食性を示し、しかも密着性、耐腐食性、耐久性その他の望ましい性能特性を損なうことなく、タービンブレード先端の侵入による溝の形成を許容するアブレイダブル性をもつ摩擦皮膜を提供することが望ましい。
【０００８】
さらに、損傷した摩擦皮膜を有するガス流路部品を補修する改良法であって、損傷した摩擦皮膜を、除去し、改良した摩擦皮膜で置き換え、補修後の被覆部品により長い有効寿命を与え、しかも将来の摩擦皮膜の破損を抑制する改良法を提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、ガスタービンエンジンの圧縮機流路部品に適用して摩擦皮膜を形成することができる被覆組成物を提供する。本発明は、さらに、ガスタービンエンジンの圧縮機流路にこの被覆組成を適用して、摩擦皮膜を形成したり、補修したりするための方法を提供する。なお、この部品は、新品であっても、Ｎｉ−Ａｌ摩擦皮膜などの摩擦皮膜で既に被覆してあってもよい。部品としては複数の段を有する圧縮機ケーシングが好ましい。
【００１０】
本発明は、航空機エンジン又は発電及び舶用推進のための航空転用タービンに用いる低圧、中圧及び高圧圧縮機のケーシングなどの、摩擦皮膜を有するガスタービン流路部品に使用できる。発電タービンの場合、局部的に剥離しただけの部品を取り外し、補修し、再び取り付けるために発電を長期間完全に停止する費用を避けることができる。また、部品やタービンを損傷する危険を冒して、剥離した部品が完全に利用できなくなるまでタービンの運転を続けるか否かを決める必要もない。
【００１１】
一実施形態では、本発明は、ガスタービンエンジンアセンブリの以前に被覆済みの部品に耐腐食性及び耐摩耗性を向上した皮膜を設ける方法を提供する。本方法では、ガスタービンエンジンアセンブリの部品を用意する。この部品はエンジンアセンブリでの使用にふさわしい所定の寸法と仕様を有する。部品は表面に摩擦皮膜が設けられ、この摩擦皮膜は所定の寸法と仕様に適合していない。本方法では、適合していない摩擦皮膜を除去し部品表面を露出する。次に、ＭＣｒＡｌＸを含有する耐腐食性摩擦皮膜をこの表面に設ける。最後に、アブレイダブル性、耐腐食性及び耐摩耗性の皮膜を機械加工し、被覆後の部品を所定の寸法と仕様に適合するように修復する。
【００１２】
別の実施形態では、本発明は、耐腐食性摩擦皮膜が設けられたガスタービンエンジンアセンブリの補修済み部品を提供する。耐腐食性摩擦皮膜は部品表面に付着されたＭＣｒＡｌＸを含有する。ＭＣｒＡｌＸとしてはＮｉＣｒＡｌＹが好ましい。
【００１３】
他の実施形態では、本発明は、表面が耐腐食性摩擦皮膜で被覆されたガスタービンエンジンアセンブリ用の圧縮機ケーシングを提供する。耐腐食性摩擦皮膜は、ＭＣｒＡｌＸを含有し、より好ましくはＮｉＣｒＡｌＹを含有する。ＮｉＣｒＡｌＹは皮膜を破損させる２つの主な要因を効果的に解決する。（１）この材料がエンジンの熱サイクルに影響を受けにくく、クレーズクラックを生じない。（２）皮膜の接合境界が酸化／腐食から保護される。クラック又は接合不良を最小限におさえることで、ＮｉＣｒＡｌＹ皮膜の剥離その他の損傷が低減するかなくなる。
【００１４】
本発明の他の目的及び利点は以下の詳細な説明から一層明らかになるであろう。本発明の他の特徴及び利点は、具体例を挙げて本発明の原理を示した図面を参照した好ましい実施形態の詳細な説明から明らかになるであろう。
【００１５】
可能な限り、図面全体を通して同じ又は同様な部品には同じ参照番号を用いる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明は、ガスタービンエンジンアセンブリの圧縮機部分の部品であって、比較的高温であることを特徴とし、したがって過酷な熱応力や熱サイクルに曝される環境で運転できるように、耐環境・腐食性摩擦皮膜によって覆われた部品に関する。その例としては、第一に、航空機及び産業用途で利用されるガスタービンエンジンの圧縮機ケーシングが考えられる。本発明の効果は特にガスタービンエンジンの部品について成り立つが、本発明は、一般に、以下のいかなる部品にも適用できる。このような部品とは、その金属合金基材が、剥離、クラックその他の密着に関する不良に対して皮膜を耐性にする優れた密着性及び熱膨張係数を有する、アブレイダブル性、耐腐食性及び耐熱性の皮膜を必要とするものである。
【００１７】
上述したように、図１に示したような圧縮機ケーシング、並びに他の流路部品は、従来、耐腐食・環境性皮膜で被覆されている。圧縮機ケーシングの場合、この皮膜は、一般にニッケル−アルミニウム合金、例えばＮｉ−Ａｌなどのアブレイダブル材料で製造され、アブレイダブル特性のために「摩擦皮膜」として知られている。このような摩擦皮膜は、一般に溶射によって形成する。しかし、通常運転を通じてタービンエンジンのサイクルの結果として、図２〜３に示したようなクラック生成又は「クレージング」や、皮膜と基材間の接合境界での剥離などが起こり、このような公知の摩擦皮膜は最終的に破損してしまう。このような皮膜の破損は、皮膜によって保護する予定であった基材は勿論、圧縮機ブレード、ステーターベーンなどの下流の部品にも有意な損傷を起こす恐れがある。
【００１８】
上述したように、ニッケル−クロム−アルミニウム−イットリウム（ＮｉＣｒＡｌＹ）皮膜などのＭＣｒＡｌＸ皮膜は、ボンドコートとして用いられ、最も極端なエンジン温度に曝されるタービン部品への遮熱コーティング（ＴＢＣ）の密着を強化することが知られている。しかし、望ましい耐腐食及び耐クラック特性をもつにもかかわらず、ＭＣｒＡｌＸ皮膜はこれまで圧縮機ケーシングなどのタービンエンジン部品の摩擦皮膜として使用されたことがない。本発明は、Ｎｉ−Ａｌ及び同様の高温腐食用途で通常使用する他の公知のアブレイダブル摩擦皮膜の代わりに、タービンエンジン流路部品のアブレイダブル耐環境性摩擦皮膜としてＭＣｒＡｌＸ皮膜を用いる。
【００１９】
本発明者らは、ＭＣｒＡｌＸ、特にＮｉＣｒＡｌＹが、例えば圧縮機ケーシングに適用したとき、摩擦皮膜を破損させる２つの主な要因を効果的に解決することを確かめた。第1に、ＭＣｒＡｌＸはエンジンの熱サイクルの影響を受けにくく、クレーズクラックを低減する。第２にＭＣｒＡｌＸと下側の合金基材との皮膜接合境界を酸化／腐食から保護する。クラック又は接合不良を低減するので、ＮｉＣｒＡｌＹ摩擦皮膜はクラック、剥離その他の密着不良に対して優れた耐性を示す。
【００２０】
図１はガスタービンエンジンアセンブリの圧縮機ケーシングを示す。使用中、圧縮機ケーシング１０などのガスタービンエンジン部品は、高熱の圧縮機ガスに曝され、それによって過酷な熱サイクル、酸化、腐食及び浸食を受ける。上記皮膜は、アブレイダブル摩擦及び摩耗表面として働き、部品の所定の寸法に合致し、下側にある部品の表面２２を直接摩耗から防ぐ。さらに、摩擦皮膜は、エンジンの最初の運転中に、圧縮機ブレード１１の先端が摩擦皮膜に侵入し、摩擦皮膜中に溝を削り、その後の運転のためにブレードと流路間にタイトなクリアランスを作り、最適なエンジン効率を実現するように設計されている。例えば、摩擦皮膜とブレード先端間に得られるギャップは約０．００１インチとなる、そして約０．０１０インチ未満になることが予想される。上述したように、圧縮機ケーシングその他の流路部品１０に設けた公知のアブレイダブル耐腐食性摩擦皮膜１４は、熱によるクラックと界面の腐食／酸化とが組合せられたような損傷を受け、このようなダメージは最終的に皮膜破壊を起こす。剥離などによって皮膜１４が剥がれると、遊離した皮膜の粒子や皮膜の劣化による副生成物によって損傷を受ける下流部品に早期破損が起こる。
【００２１】
従来の摩擦皮膜１４によって保護されている部品１０の表面領域を図２〜３に示す。皮膜系は部品１０の基材表面２２上に摩擦皮膜１４を形成した構成として示す。ガスタービンエンジンの高温部品の場合と同じように、部品１０はニッケル基、コバルト基又は鉄基超合金で形成できる。従来の摩擦皮膜１４はＮｉ−Ａｌのような耐酸化性金属材料で形成するのが好ましい。既存の従来の摩擦皮膜１４は、実用、例えば航空機ガスタービンエンジンの運転に部品を以前に使用したために所定の寸法及び仕様に適合していない。例えば、図２〜３で確認される皮膜１４の剥離によって示されているように、公知の９５％−５％Ｎｉ−Ａｌからなる摩擦皮膜１４は、エンジン運転による数多くの熱サイクルに曝された結果、クラック及び／又は剥離を生じている。
【００２２】
一実施形態では、本発明はガスタービンエンジンアセンブリ用の圧縮機ケーシングなどの新規な部品を提供する。例えば、表面２２がＭＣｒＡｌＸを含有する耐腐食性摩擦皮膜１４で被覆されたケーシングを提供する。ＭＣｒＡｌＸはＮｉＣｒＡｌＹを含むことが好ましい。
【００２３】
別の実施形態では、本発明はガスタービンエンジンアセンブリの補修済み部品１０を提供し、この部品１０はＭＣｒＡｌＸを含有する補修耐腐食性摩擦皮膜１４を有する。ＭＣｒＡｌＸとしてはＮｉＣｒＡｌＹが好ましい。
【００２４】
他の実施形態では、本発明は、ガスタービンエンジンアセンブリの以前に被覆済みの部品１０に補修アブレイダブル耐腐食性摩擦皮膜を設ける方法を提供する。本方法では、ガスタービンエンジンアセンブリの部品１０を用意し、この部品１０はエンジンアセンブリでの運転・使用にふさわしい所定の寸法と仕様を有する。部品は表面２２に既存の皮膜を有し、この既存の皮膜は所定の寸法と仕様に適合していない。本方法では、適合していない皮膜１４を除去し、部品表面２２を露出する。除去はどのような方法で行ってもよく、例えば機械的、化学的又はウォータージェット剥離により古い皮膜１４を除去する。次に、ＭＣｒＡｌＸを含有する補修耐腐食性摩擦皮膜をこの表面２２に設ける。最後に、ＭＣｒＡｌＸを含有する補修耐腐食性摩擦皮膜１４を機械加工し、被覆後の部品１０を所定の寸法と仕様に適合するように修復する。
【００２５】
さらに他の実施形態では、本発明は、以前に使用された圧縮機ケーシングの補修方法を提供する。例えば、補修プロセスでは、まず最初に、部品１０の表面２２に残存する以前に設けた皮膜を除去する。上述したように、除去はどのような方法で行ってもよく、例えば機械的、化学的又はウォータージェット剥離により古い皮膜を除去する。その後、必要ならば、露出したケーシング表面２２を清浄化し、離脱した酸化物及び汚染物質、例えばグリース、オイル及び煤を除去する。したがって、以前に使用されたＮｉ−Ａｌ摩擦皮膜を有するケーシングの場合、補修摩擦皮膜１４が露出表面２２に密着する。摩擦皮膜１４を設けるには、補修耐腐食性摩擦皮膜組成物で表面２２を覆い摩擦皮膜１４を形成する。本発明によれば、摩擦皮膜１４は金属ＭＣｒＡｌＸ合金、好ましくはＮｉＣｒＡｌＹを含有する。形成済み摩擦皮膜１４に堆積後又は使用前の熱処理は必要ない。これは、例えば溶射による堆積時に、補修摩擦皮膜１４は部品１０の基材表面２２及びその上の残留皮膜に密着し、ガスタービンエンジンの運転サイクルに相当する温度に十分耐えるからである。
【００２６】
本発明は、ＭＣｒＡｌＸを含有するアブレイダブル耐腐食性摩擦皮膜１４を提供する。ＮｉＡｌなどの公知の拡散アルミナイド皮膜ではなく、ＭＣｒＡｌＸ摩擦皮膜１４をオーバーレイ皮膜として設ける。ＭＣｒＡｌＸ摩擦皮膜１４は公知の方法のいずれでも形成できるが、溶射によって設けるのが好ましい。
【００２７】
耐腐食性摩擦皮膜１４の化学組成はＭＣｒＡｌＸを含む。より好ましくは、摩擦皮膜１４はＮｉＣｒＡｌＹを含有する。好ましくはＭＣｒＡｌＸは予合金粉末であって、これを従来のエア（大気圧）プラズマ溶射装置及び方法により、基材（例えば圧縮機ケーシング）の表面２２に付着して、比較的厚い摩擦皮膜層を形成することができる。限定するわけではないが、１例では、溶射後の摩擦皮膜１４の厚さは約０．００１インチ〜約０．１００インチである。別の例では、溶射後の皮膜１４の厚さは約０．０１５〜約０．０４０インチである。圧縮機ケーシングに形成する摩擦皮膜１４の例では、溶射後の摩擦皮膜１４の厚さは０．００５〜約０．０１５インチである。別の例では、溶射後の皮膜を所定の厚さまで機械加工で薄くすることができる。例えば、皮膜を所望の厚さ約０．００１〜約０．０８０インチまで機械加工することができる。例えば、皮膜を所望の厚さ約０．００３５〜約０．０４０インチまで機械加工することもできる。しかし、皮膜１４は、特定のエンジン及び圧縮機アセンブリ及び特定の用途の要求を満たすどのような厚さにも形成することができる。本発明のＭＣｒＡｌＸ摩擦皮膜１４は、簡単に機械加工し、削ることができるので、部品の取り付けに適当な望ましい所定の厚さまで機械加工で薄くすることができる。さらに、皮膜１４はアブレイダブル性であるので、最初のタービンエンジン始動後に回転する圧縮機ブレード先端の侵入によって溝が削られ、圧縮機ブレード先端への損傷を防止することができる。
【００２８】
例えば、溶射後の皮膜の厚さが機械加工後の所望の厚さの約０．０２０インチ超えにならないように形成するのが望ましいことがある。このように溶射後の厚さを制限することにより、プラズマ溶射での皮膜の形成によって生じる望ましくない内部応力を弱め、また皮膜は、形成後の機械加工及び運転の応力に耐えやすくなる。他の用途では、摩擦皮膜は、機械加工又はエンジン運転中の皮膜の耐久性を低減することなく、機械加工後に必要な厚さの０．０２０インチ超えの厚さに溶射することができる。
【実施例】
【００２９】
本発明に従って形成した補修耐腐食性摩擦皮膜の実施例を以下にまとめる。
【００３０】
従来の摩擦皮膜は下記の重量％に基づく材料を含有する。
【００３１】
【表１】
2008111425.tif 000003
本発明の代表的な摩擦皮膜は下記の重量％に基づく材料を含有する。
【００３２】
【表２】
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別の実施形態では、本発明の摩擦皮膜は下記の重量％に基づく材料を含有する。
【００３３】
【表３】
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上記の実施例は例示であって限定するものではない。上記以外の成分及び量の組合せや変更も本発明の要旨に入る。
一実施形態の試験
２つの未使用の圧縮機ケース部分に、一方には従来の９５％−５％Ｎｉ−Ａｌ摩擦皮膜を、他方には上記の実施例で示した本発明のＮｉＣｒＡｌＹ摩擦皮膜を従来のプラズマ溶射によってそれぞれ溶射した。本発明の実施例の粉末粒径は-１２０〜＋３２５メッシュ（約−１２５μｍ〜約＋４５μｍ）の範囲であった。溶射によって約０．０６０インチの厚さに被覆した後、皮膜を所定の厚さ、この実施例では約０．０４０インチまで機械加工により薄くした。したがってこれらの試料は堆積した皮膜の厚み及び機械加工した皮膜の厚みとも上限値に設計して、皮膜堆積及び機械加工の応力を最大にした。
【００３４】
得られた被覆ケーシングを炉によるサイクル試験（ＦＣＴ＝ｆｕｒｎａｃｅ  ｃｙｃｌｅ  ｔｅｓｔｉｎｇ）及びブレード摩耗試験にかけ、最初のエンジン作動及びその後の長時間のエンジン運転で遭遇する条件の模擬実験を行った。ＦＣＴ中、ケーシングを室温〜１４００°Ｆの熱サイクルに曝し、また、腐食を加速するために時々塩水浴に浸した。ブレード摩耗試験では、皮膜に高速回転しているディスクのブレードを押しつけ、ブレード及び皮膜両方の摩擦及び摩耗特性を求めた。ＦＣＴ及びブレード摩耗試験の結果を図４〜７に示す。
【００３５】
図４〜５は、従来のＮｉ−Ａｌ摩擦皮膜及び第２の実施例のＮｉＣｒＡｌＹ摩擦皮膜でそれぞれ被覆された基材の炉サイクル試験の結果を示す。図４に見られるように、Ｎｉ−Ａｌ摩擦被覆部品は、２８５６サイクル後に、クラック及び剥離不良、例えば図２〜３に示したものや使用中のエンジンに見られる不良と同様のものを生じた。全く対照的に、図５に示したように、本発明のＮｉＣｒＡｌＹ摩擦皮膜で被覆し同様の条件に曝した部品は、２８５６サイクル後にクラックや剥離を生じなかった。
【００３６】
図６〜７は摩耗試験の結果を示す。図６に示すように、従来のＮｉ−Ａｌ摩擦皮膜付きサンプルの皮膜摩耗傷跡とＮｉＣｒＡｌＹ摩擦皮膜付きサンプルの皮膜摩耗傷跡は、ほとんど同じであるが、ＮｉＣｒＡｌＹ摩擦皮膜の傷跡のほうがわずかに小さかった。ブレード先端摩耗に関しては、図７に示したように、Ｎｉ−Ａｌ摩擦皮膜と本発明のＮｉＣｒＡｌＹ摩擦皮膜両方のブレード先端の摩耗はほとんど同じであった。試験したブレードすべてで先端の摩耗は均一であり、先端の割れの兆候は見られなかった。
【００３７】
現在のところ利用できる試験から、ＮｉＣｒＡｌＹ摩擦皮膜で被覆した流路表面が、Ｎｉ−Ａｌ摩擦皮膜を有するものより、接合境界でのクラック、剥離及び腐食を発生しにくくし、耐久性があること、したがって、従来のＮｉ−Ａｌ摩擦皮膜の現在の能力を超えて部品の有効寿命が長くなりそうであることがわかる。図４〜７に示したように、ＮｉＣｒＡｌＹを含有する形成後の補修皮膜１４の試験では、密着性、耐クラック性及び皮膜層間及び皮膜と基材との間の接合境界での腐食の防止に関して、Ｎｉ−Ａｌ摩擦皮膜よりも優れた性能を示した。本実施形態では、特定の基材に合わせて皮膜組成及び皮膜形成法を最適化したが、ＮｉＣｒＡｌＹを必須成分として含有する摩擦皮膜は、当業者に周知の従来法で形成した場合でも、上記と同様な結果及びＮｉ−Ａｌ皮膜などの他の公知の摩擦皮膜をしのぐ利点をもたらすことが予想される。
【００３８】
以上、本発明を好ましい実施形態について説明したが、本発明の要旨から逸脱することなく、種々の改変が可能であり、また構成要素を均等物に置き換え得ることが当業者に明らかである。さらに、本発明の要旨から逸脱することなく、個別の状況や材料を本発明に適合させる多くの変更が可能である。したがって、本発明はこの発明を実施するうえで考えられる最良の形態として上述した特定の実施形態に限定されず、本発明は特許請求の範囲に入る全ての実施形態を包含する。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】ガスタービンエンジンの圧縮機ケーシングの断面図であり、ニッケルアルミニウム（Ｎｉ−Ａｌ）などの摩擦皮膜によって従来通りに保護した圧縮機の段を示す。
【図２】航空機の運行系統から外した圧縮機ケーシングの写真であり、皮膜／母材金属の接合境界でのＮｉ−Ａｌ摩擦皮膜の剥離及び遊離を示す。
【図３】図２の圧縮機ケーシングの断面の写真であり、第８段における皮膜接合境界での従来のＮｉ−Ａｌ摩擦皮膜の剥離及び遊離を示す。
【図４】溶射で形成した厚さ０．０４０インチの従来のＮｉ−Ａｌ摩擦皮膜で被覆した圧縮機ケーシング部分の写真であり、２８５６サイクルの炉サイクル試験（ＦＣＴ）後のクラック及び剥離を含む結果を示す。
【図５】溶射で形成した本発明のＮｉＣｒＡｌＹ摩擦皮膜で被覆した圧縮機ケーシング部分の写真であり、２８５６サイクルのＦＣＴ後のクラックも剥離も起こっていない結果を示す。
【図６】皮膜摩耗試験の結果を示す、従来のＮｉ−Ａｌ摩擦皮膜と本発明のＮｉＣｒＡｌＹ摩擦皮膜をそれぞれ使用して作製した試験片の顕微鏡写真である。
【図７】従来のＮｉ−Ａｌと本発明のＮｉＣｒＡｌＹ摩擦皮膜とを比較した、ブレード摩耗試験の結果を示す、ブレード先端の一連の顕微鏡写真である。
【符号の説明】
【００４０】
１０  物品（部品）
１１  圧縮機ブレード
１４  摩擦皮膜
２２  １０の表面
【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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【外国語明細書】
2008111425000001.pdf