(57)【要約】【課題】複数の硬質粒子が分散する金属合金基質を含む硬質裏当て（１１８）と、硬質裏当て（１１８）の上に配置された複数のナノ層（１２０）とを含む耐摩耗コーティング（１１６）を提供する。【解決手段】複数のナノ層（１２０）は互いに異なる特性を有する。耐摩耗コーティング（１１６）を作るための方法も提供される。この方法は、基板を提供するステップと、硬質裏当て（１１８）を配置するステップと、複数のナノ層（１２０）を硬質裏当て（１１８）の上に配置するステップとを含む。【選択図】図６
2008138242.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の硬質粒子が分散する金属合金基質を含む硬質裏当て(１１８)と、
前記硬質裏当て(１１８)の上に配置された、互いに異なる特性を有する複数のナノ層（１２０）と
を含む耐摩耗コーティング（１１６）。
【請求項２】
前記硬質裏当て(１１８)が少なくとも７００ビッカース硬度の硬さ値を有する請求項１記載の耐摩耗コーティング（１１６）。
【請求項３】
前記金属合金基質が、コバルト、またはコバルトクロム合金、またはコバルト合金、またはニッケル合金、または鉄合金、またはニッケルクロムアルミニウム合金、またはコバルトニッケルクロムアルミニウムイットリウム合金、またはニッケルコバルトクロムタングステン合金、またはコバルトモリブデンクロムケイ素合金を含む材料を包含する請求項１記載の耐摩耗コーティング（１１６）。
【請求項４】
前記複数の硬質粒子が、炭化タングステン、または炭化チタン、または炭化クロム、または炭化ケイ素、またはダイヤモンド、または窒化チタン、または窒化ケイ素、または立方晶窒化ホウ素、またはホウ化チタン、または酸化クロム、または酸化アルミニウム、または酸化ジルコニウム、または酸化ケイ素、またはこれらの組合せを含む材料を包含する請求項１記載の耐摩耗コーティング（１１６）。
【請求項５】
前記ナノ層（１２０）が、金属窒化物、または金属ホウ化物、または金属炭化物、またはこれらの組合せを含む材料を包含する請求項１記載の耐摩耗コーティング（１１６）。
【請求項６】
前記硬質裏当て（１１８）が５ミクロンから５００ミクロンまでの範囲にある厚さを有する請求項１記載の耐摩耗コーティング（１１６）。
【請求項７】
炭化タングステンのナノ粒子が分散するコバルトクロム合金を含む硬質裏当て（１１８）と、
前記硬質裏当て（１１８）の上に配置された複数のＴｉＮナノ層とＺｒＮナノ層の交互層と
を含む耐摩耗コーティング（１１６）。
【請求項８】
構成部分と前記構成部分の上に配置された耐摩耗コーティング（１１６）とを有し、
前記耐摩耗コーティング（１１６）は、複数の硬質粒子が分散した金属合金基質を包含する硬質裏当て（１１８）と前記硬質裏あて(１１８)の上に配置された複数のナノ層(１２０)とを含む、物品。
【請求項９】
前記構成部分を有するエンジンを包含する請求項８記載の物品。
【請求項１０】
前記エンジンが、前記構成部分を備える可変静翼を有するタービンエンジンを含む請求項９記載の物品。
【請求項１１】
前記エンジンが、トラニオンとブッシングを含む可変静翼を有するタービンエンジンを包含し、前記ブッシングは前記トラニオンの外表面と接触している内表面を有し、前記ブッシングの内表面と前記可変静翼の外表面は前記耐摩耗コーティング(１１６)によって被覆されている、請求項１０記載の物品。
【請求項１２】
前記構成部分を有する輸送手段を含む請求項１１記載の物品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本技術は、概して耐摩耗コーティングに関する。さらに詳しくは、本技術の実施形態は、摂氏−約４０度から摂氏約９００度までの温度を受けることがあるガスタービン航空機用エンジンなどの高温の用途において安定した低摩擦耐摩耗コーティングに関する。
【背景技術】
【０００２】
耐摩耗コーティングは、切削工具、自動車部品、およびタービン部品を含む多くの構造的適用例における基礎材料の硬度と摩耗挙動を改善するために広く使用されている。しばしば、ガスタービンエンジンを搭載した航空機およびヘリコプタは、高温度、低湿気、および腐食性雰囲気の中で動作する。例えば、ガスタービン航空機エンジンにおいては、圧縮機を通じて空気流を調整するために使用される可変静翼が離陸中に摂氏５００度もの高い温度にさらされる。これらの可変静翼はまた、静翼と静翼を支持するブッシングの間でかなりの荷重を受ける。例えば荷重は、静翼を横切る空気流によって行使される力の結果として、約１５０ｌｂｓ（約６８ｋｇ）までの径方向荷重と約２０ｌｂｓ（約９ｋｇ）までの軸方向荷重を含むことがある。商用エンジンは４０，０００フィート（１２，２００ｍ）台の高度に達し、このようなレベルでは湿気の可用性は非常に低い。適切な量の湿気がない場合、グラファイトなどの従来の潤滑剤はその効力を失い、その結果、構成部分の中でも特に静翼とブッシングの間に望ましくない摩擦と摩耗が生じる。したがって、これらの構成部分を潤滑し、高温、高高度、低湿気などを含むさまざまな動作条件における望ましくない摩耗から保護するための技術が必要である。
【特許文献１】米国特許第６，７９７，３３５号公報
【特許文献２】米国特許第２００３／０１０８７５２号
【特許文献３】米国特許第６，４９２，０１１号公報
【特許文献４】米国特許第５，２６６，３８９号公報
【特許文献５】米国特許第２００５／００５８８５０Ａ１号
【特許文献６】米国特許第２００５／００７９３７０Ａ１号
【特許文献７】ＥＰ０４７１００５Ｂ１号
【特許文献８】ＥＰ０６９５７３１Ｂ１号
【特許文献９】ＷＯ００／０８２３４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
したがって、これらの厳しい条件の下で動作することができる耐摩耗コーティングを改善することが必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
ある態様では、本発明の実施形態は、複数の硬質粒子が分散する金属合金基質を含む硬質裏当てと、硬質裏当ての上に配置された複数のナノ層とを含む耐摩耗コーティングを提供する。複数のナノ層は互いに異なる特性を有している。
【０００５】
別の態様では、本発明の実施形態は、耐摩耗コーティングを作るための方法を提供する。この方法は、基板を提供するステップと、硬質裏当てを配置するステップと、複数のナノ層を硬質裏当ての上に配置するステップとを含む。複数のナノ層は互いに異なる特性を有している。
【０００６】
さらに別の態様では、本発明の実施形態は物品を提供する。この物品は構成部分と、構成部分の上に配置された耐摩耗コーティングとを含む。耐摩耗コーティングは、複数の硬質粒子が分散する金属合金基質を含む硬質裏当てと、硬質裏当ての上に配置された複数のナノ層とを含む。
【０００７】
ある例示的な実施形態では、本発明は、１個のブッシングまたは一対のブッシングからなる可変静翼組立体と、トラニオンと呼ばれる翼ステムとを含むエンジンを提供する。ブッシングは、トラニオンの外表面と接触している内表面を有する。ブッシングの内表面と可変静翼の外表面は、耐摩耗コーティングによって被覆され、この耐摩耗コーティングは、複数の硬質粒子が分散する金属合金基質を含む硬質裏当てと、硬質裏当ての上に配置された複数のナノ層とを含む。
【０００８】
本発明のこれらおよびその他の態様と、利点と、顕著な特性は、下記の詳細な説明と、付随の図面と、添付の特許請求の範囲から明らかになろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
下記の説明において、図面中におけるあるいくつかの図を通じて、同様な参照番号は同様なまたは対応する部分を示す。「頂部」、「底部」、「外向き」、「内向き」、「覆って」などの用語は便宜上の語であって、限定する用語として解釈してはならないことも理解されたい。さらに、本発明の特定の態様が一群の多くの要素およびこれらの組合せの少なくとも１つを含むか、またはそれから構成されると述べられるときは必ず、この態様はこの群の要素のいずれかを、個別にまたはこの群の他の要素のいずれかと組み合わせて含むか、またはそれから構成されることを理解されたい。
【００１０】
本明細書で使用されるように、硬質裏当てとは、少なくとも約７００ビッカース硬度の硬さ値を有する層である。本明細書で使用されるように、ナノ層とは、例えば５００ナノメートル未満の層厚を有する層であると理解されたい。あるいくつかの実施形態では、ナノ層は４００ナノメートル未満、または３００ナノメートル未満、または２００ナノメートル未満、または１００ナノメートル未満の厚さを有することがある。ある実施形態では、あるいくつかのこのようなナノ層を互いに重ねて配置して潜在的に全厚が大きな複数ナノ層の集積層を生成することもある。
【００１１】
タービンエンジンにおいて使用するような圧縮機では、可変静翼が、角作動を実施することによって圧縮機を通る空気流を調整する機能を実施する。これらの可変静翼を、制御システムを通じて作動させ、失速することなく高圧圧縮機の最適動作を保証する。これらのシステムの動作の信頼性と性能は、次の特徴によって改善することができる。すなわちa）微動摩耗や滑り摩耗が少ない、ｂ）作動システムの動作のために十分に低い摩擦で作動する、ｃ）摩損または焼付きを受けない、ｄ）熱的に安定している、およびｅ）湿気レベルが非常に低い高い高度で動作する。本発明のある実施形態は、このような構成部分を保護するための耐摩耗コーティングを対象とする。さらに、開示された実施形態を、遠心圧縮機および往復動圧縮機における、産業用ガスタービンエンジンおよび航転型エンジンの静翼およびステムにおける、ファンブレードダブテールピン組立体、ピストンリング、およびカムロッカアームなどにおける静翼ステムブッシング組立体などの、他の静止および運動構成部分において使用することもできる。
【００１２】
図１は、以下に詳述するようにさまざまな構成部分の上に配置された本発明の１つまたは複数の耐摩耗コーティングを有するガスタービンエンジン１０の概略図である。例えば、耐摩耗コーティングは、複数の硬質粒子が分散する金属合金基質を含む硬質裏当てと、硬質裏当ての上に配置された複数のナノ層とを含んでもよい。図示されたガスタービンエンジン１０は、低圧圧縮機１２と、高圧圧縮機１４と、燃焼器１６を含む。エンジン１０は、高圧タービン１８と低圧タービン２０も含む。圧縮機１２とタービン２０は第１シャフト２４によって結合され、圧縮機１４とタービン１８は第２シャフト２６によって結合されている。運転中は、空気は低圧圧縮機１２を通過し、圧縮空気は低圧圧縮機１２から高圧圧縮機１４へ供給される。高圧に圧縮された空気は燃焼器１６に送られる。燃焼器１６からのガス流はタービン１８および２０を駆動し、その後ガスタービンエンジン１０から出る。さらに、本発明の１つまたは複数の耐摩耗コーティングをさまざまな構成部分の上に配置して、ガスタービンエンジン１０のさまざまな運転条件下での耐摩耗性を改善することもできる。
【００１３】
図２は、図１に示すようなガスタービンエンジン圧縮機１４の一実施形態の部分概念図であり、さまざまな表面を本発明の１つまたは複数の耐摩耗コーティングで被覆してもよい。例えば、耐摩耗コーティングは、複数の硬質粒子が分散する金属合金基質を含む硬質裏当てと、硬質裏当ての上に配置された複数のナノ層とを含んでもよい。圧縮機１４は複数の段を含み、各段は１行の回転翼４０と１行の可変翼組立体４４を含む。例示的な一実施形態では、回転翼４０は回転翼円板４６によって支持され、回転翼シャフト２６に結合されている。回転翼シャフト２６はケーシング５０によって取り囲まれ、ケーシング５０は圧縮機１４の周りに周辺状に延在し、可変翼組立体４４を支持している。可変翼組立体４４の各々は可変翼５２と翼ステム５４を含み、翼ステム５４は翼台５６から実質的に直角に延在している。具体的には、翼台５６は可変翼５２と翼ステム５４の間に延在している。各翼ステム５４は、ケーシング５０の中に画定されたそれぞれの開口部５８を通じて延在している。ケーシング５０は複数の開口部５８を含む。可変翼組立体４４はまたレバーアーム６０も含み、このレバーアーム６０は、各可変翼５２から延在し、圧縮機１４を通る流路に対する翼５２の配置方向を変更して圧縮機１４を通る空気流の制御増加を容易にするために、可変翼５２を選択的に回転させるために利用される。さらに下に詳細に論述するように、とりわけ１つまたは複数のこれらの構成部分は、１つまたは複数の耐摩耗コーティングを含んでもよい。
【００１４】
図３は、本技術のあるいくつかの実施形態による１つまたは複数の耐摩耗コーティングを含む可変静翼組立体４４の分解図である。翼エアフォイル６２が切欠図として示されている。鋳込み式翼ステム６４が翼エアフォイル６２の径方向外端部に位置する。翼ステム６４は、ここではねじ付き連結部として示す取付け機構６６を含むが、スプラインアタッチメントなどのその他の等価の連結方法を使用してもよい。翼ステム６４は、やはり切欠図として示されているケーシング７０の中で開口部６８を通じて延在している。開口部６８は、内部ワッシャ７４を受け入れるカウンタボア７２を含む。ブッシング７６が開口部６８の中に上部翼ステム６４の上を滑って入り、開口部６８における残りの空間を埋め、ケーシング７０と上部翼ステム６４の間の滑動係合を改善する。この内部ワッシャ７４をフランジ付き回転ブッシングのフランジで置き換えることもでき、この場合、ワッシャ（図示せず）がレバーアーム７７をケースから分離することになる。レバーアーム７７の第１端部８０は翼ステム６４の上に組み付けられ、ここではロックナットとして図示されている締付け機構８２によって翼ステム６４に固着されている。締付け機構８２は、上部翼ステム６４のねじ付き端部として図示されている取付け機構６６と協同的に合致し、取付け機構６６を翼ステム６４に固着する。レバーアーム７７は、ウェブ８６によって第１端部８０に一体的に取り付けられた第２端部８４を含む。突出部８８が第２端部８４から延び、作動リングの開口によって受け入れられる。第２ブッシング９０が突出部８８を覆って作動リングの開口の中にはまり、作動リングと突出部８８の間の滑動係合を改善する。
【００１５】
翼組立体４４の径方向内端部において、鋳込み式下部翼シャフト９２が翼エアフォイル６２から径方向内向きに延びている。翼シャフト９２は、第１大径シャフト９４と第２小径シャフト９６を含む。第２ブッシング９８が、任意のシュラウド１００によって受け入れられる下部翼シャフト９４を覆って組み立てられる。シール１０２がシュラウド１００の径方向内向きに組み立てられ、シール１０２は、エンジンの回転装置の上に位置する歯１０４によってシュラウド１００に接触する。歯１０４はシール１０２の中に入り込み、空気漏洩に対する障壁を形成する。ロックピンとして図示されている任意の第３締付け機構１０６が、シール１０２の少なくとも１つの境界を通じて、シュラウド１００を通じて、第２ブッシング９８を通じて、下部翼シャフト９４における開口１０８を通じて延在している。任意の締付け機構１０６を使用すると、例えばねじ付きボルトやロックナットなどの別の締付け機構をロックピンの代りにしてもよい。任意に、ワッシャがステム方向に面する大径部分９２とシュラウド１００の間に置かれる。
【００１６】
図４に、内部ブッシング１１０と外部ブッシング１１２をトラニオン１１３と共に含むエアフォイル６２の断面を分解図で示す。ある実施形態では、エアフォイル６２は、図５に示すようにただ１つのブッシング１１４を含んでもよい。ブッシングとワッシャは、射出成形またはセラミックの高温焼結などのさまざまな技法によって製造することができる。ブッシングは一般に丈夫ですぐれた摩耗特性を有する。あるいくつかの実施形態では、ブッシングは、容易に取替えが可能で消耗品として設計される安価な摩耗材料によって作られる。特定の設計のためのブッシングの形式を決定するために、例えば熱膨張率、動作温度範囲、はめ合い材料の降伏強さおよび弾性係数、はめ合い材料にかかる力、サイクル当り摩耗、耐用年数中のサイクル数などの物理的特性を使用して、ある用途において経験することになる相対的摩耗を決定する。ブッシング１１４、１１０、または１１２の内表面およびトラニオン１１３の外表面に付けられる本発明のある実施形態による耐摩耗コーティングは、摩耗損失を概して防止するか、または実質的に最小限に抑え、構成部分を保護する。
【００１７】
前述のシステムおよび構成部分を、図６および図７を参照して図解したような１つまたは複数の耐摩耗コーティングによって被覆してもよい。先ず図６に移ると、耐摩耗コーティング１１６の一実施形態は、１枚の硬質裏当て１１８と複数のナノ層１２０を含む。詳しくは、硬質裏当て１１８は、複数の硬質粒子が分散する金属合金基質を含み、この硬質裏当ては基板１２１の上に配置されている。次に、複数のナノ層１２０は硬質裏当て１１８の上に配置されている。硬質裏当て１１８はナノ層１２０の耐摩耗性を改善し、基板１２１を摩擦下の破損から実質的に保護する。基板１２１は、図１〜５を参照して上に詳述した構成部分のいずれか１つであってもよく、他の用途またはシステムのためのデバイスまたは構成部分であってもよい。
【００１８】
ある実施形態では、硬質裏当て１１８は約７００ビッカース硬度を超える硬さ値を有し、別の実施形態では硬さ値は約８００ビッカース硬度を超え、また別の実施形態では硬さ値は約９００ビッカース硬度を超え、さらに別の実施形態では硬さ値は約１０００ビッカース硬度を超え、さらにまた別の実施形態では硬さ値は約１２００ビッカース硬度を超える。硬質裏当て１１８は、基板材料の耐腐食性を概して維持または改善するために選択された１つまたは複数の材料を含み、これは被覆された物品の有用性および用途に依存する。硬質裏当て１１８は、適切な靭性および破砕強さ、被覆された物品の動作温度までの安定性、耐酸素性、および頂部ナノ層１２０との両立性を特徴とする。
【００１９】
硬質裏当て１１８は、コバルト、コバルト基超合金、ニッケル基超合金、または鉄基超合金などの、さまざまな適切な金属合金基質を含むことができる。このような超合金は、ニッケル基、鉄基、またはコバルト基合金で形成されてもよく、ニッケル、鉄、またはコバルトは一般に超合金において重量で最大の要素である。例として挙げるニッケル基超合金はニッケルの重量で少なくとも約４０パーセント、コバルト、またはクロム、またはアルミニウム、またはタングステン、またはモリブデン、またはチタン、または鉄、またはこれらの組合せを数パーセント含む。ニッケル基超合金の例として商品名では、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、およびＲｅｎｅ（登録商標）Ｎ５合金）、およびＵｄｉｍｅｔ（登録商標）が挙げられ、方向固化超合金および単結晶超合金を含む。（ＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）、Ｎｉｍｏｎｉｃ（登録商標）、およびＵｄｉｍｅｔ（登録商標）はＳｐｅｃｉａｌ  Ｍｅｔａｌｓ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ企業グループの登録商標であり、Ｒｅｎｅ（登録商標）はＧｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏｍｐａｎｙの登録商標である。）例証的なコバルト基超合金は、コバルトの重量で少なくとも約３０パーセント、ニッケル、またはクロム、またはアルミニウム、またはタングステン、またはモリブデン、またはチタン、または鉄、またはこれらの組合せを数パーセント含む。コバルト基超合金の例として商品名では、Ｈａｙｎｅｓ（登録商標）、Ｎｏｚｚａｌｏｙ（登録商標）、Ｓｔｅｌｌｉｔｅ（登録商標）、およびＵｌｔｉｍｅｔ（登録商標）（Ｈａｙｎｅｓ（登録商標）およびＵｌｔｉｍｅｔ（登録商標）はＨａｙｎｅｓ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，Ｉｎｃの登録商標であり、ＳＴＥＬＬＩＴＥ（登録商標）はＤＥＬＯＲＯ  ＳＴＥＬＬＩＴＥ  ＣＯＭＰＡＮＹ，ＩＮＣの登録商標である）が挙げられる。ある実施形態では、硬質裏当て１１８は、ニッケルクロムアルミニウム合金、またはコバルトニッケルクロムアルミニウムイットリウム合金、またはニッケルコバルトクロムタングステン合金、またはコバルトモリブデンクロムケイ素合金を含み、この合金は固溶体強化コバルト基基質とラーベス相相互貫入網状組織からなり、この組織は約２５％またはそれ以上のモリブデン、６％またはそれ以上のクロム、および２％を超えるケイ素からなる。
【００２０】
上記の実施形態では、硬質裏当て１１８の金属基質には複数の硬質粒子が分散している。硬質粒子は１つまたは複数の金属窒化物、または金属炭化物、または金属ホウ化物、またはこれらの組合せを含んでもよい。あるいくつかの実施形態では、金属基質には炭化タングステン、または炭化チタン、または炭化クロム、または炭化ケイ素、またはダイヤモンド、または窒化チタン、または窒化ケイ素、または立方晶窒化ホウ素、またはホウ化チタン、または酸化クロム、または酸化アルミニウム、または酸化ジルコニウム、または酸化ケイ素、またはこれらの組合せの粒子が分散してもよい。これら複数の硬質粒子は、約１００ナノメートルから約２ミクロンまでの範囲にある平均粒径を有する。ある実施形態では、平均粒径は約１００ナノメートルから約２０００ナノメートルまでの範囲にあり、大部分が約１００ナノメートルから約４００ナノメートルまでの範囲で、残りの粒子が約２０００ナノメートル未満であり、また他の実施形態では約１０００ナノメートル未満である。約１００ナノメートルから約４００ナノメートルまでの間にある粒径の粒子は基質を強化する傾向もあり、約１０００ｎｍ未満の粒子は、コーティングを対向材料に対して摩耗性にすることなく摩耗防止をもたらすことができる。複数の硬質粒子の体積は、硬質裏当て１１８の全体積の約３０容積パーセントから約７０容積パーセントまでの範囲で変動する。ある実施形態では、硬質裏当て１１８の全体積に対する硬質粒子のパーセンテージは、約３５容積パーセントから約６５容積パーセントまでの範囲にあり、別の実施形態では約４０容量パーセントと約６０容量パーセントの間にある。別の実施形態では、約４５容積パーセントから約５５容積パーセントまでの範囲にある。ある実施形態における複数の硬質粒子の間の間隔は、約１００ｎｍから約７００ｎｍまでの範囲にあり、別の実施形態では、約１００ナノメートルから約５００ナノメートルまでの範囲にある。硬質裏当ての厚さは、約５マイクロメートルから約５００マイクロメートルまでの範囲にある。硬質裏当て１１８の厚さは、コーティングの上に行使される負荷に依存するはずである。行使される力が高い用途では、硬質裏当ては、ナノ層のコーティングを支持するためにさらに厚いことが必要であろう。ある例示的な実施形態では、金属基質と金属基質の中に分散した複数の硬質粒子を含む硬質裏当て１１８は、高速酸素燃料熱噴射または高速空気燃料噴射のいずれかによって付着される。高速空気燃料技法によって付着された硬質裏当て１１８は、ナノ層の保持、より少ない脱炭、硬質粒子間のより小さな間隔、付着中に使用されるバインダのより低い脆性をもたらすことができる。
【００２１】
ある実施形態では、硬質裏当て１１８は、リンまたはホウ素の添加物を伴うニッケルコーティングを含む。このようなコーティングは約７００ビッカース硬度から約１０００ビッカース硬度までの範囲にある硬さを有するが、耐摩耗性と硬さを、共堆積によって硬質粒子を基質に加えることによってさらに改善することもできる。添加された硬質粒子は、炭化ケイ素、窒化ケイ素、アルミナ、立方晶窒化ホウ素、またはダイヤモンドを含んでもよい。
【００２２】
一般に、複数のナノ層１２０は互いに異なる特性を有する。例えば、複数のナノ層１２０は、複数の交互に重なり合う第１層１２２と第２層１２４を含んでもよい。第１層１２２は第１材料を含み、第２層１２４は第１材料とは異なる第２材料を含む。第１材料は、金属窒化物、または金属ホウ化物、または金属炭化物、またはこれらの組合せを含む材料を包含する。第２材料は、金属、または金属窒化物、または金属ホウ化物、金属炭化物、またはこれらの組合せを含む材料を包含する。ある例示的な実施形態では、ナノ層１２０はＴｉＣ／ＺｒＣなどの金属炭化物の交互層を含む。別の例示的な実施形態では、ナノ層１２０はＴｉＮ／ＺｒＮなどの金属窒化物の交互層を含む。さらに別の例示的な実施形態では、ナノ層１２０はＴｉＮ／ＴｉＣなどの金属窒化物と金属炭化物の交互層を含む。あるいくつかの実施形態では、窒化物層と炭化物層の間に金属層を含まれることがある。ある例示的な実施形態では、ナノ層１２０はＴｉＮ／Ｔｉ／ＴｉＮなどの金属と金属窒化物の交互層を含む。
【００２３】
一般に、ナノ層１２０、構成部分、および本発明の関連製造方法は、他の方法では混合則によって予測されるはずのものより高い硬さ、よりすぐれた耐摩耗性、耐衝撃性、耐腐食性、およびクリアランス制御を提供する。この理由は、異なる弾性係数と結晶構造の材料の交互層を一緒にすると、構造を通じて転位移動に対する抵抗が全体として増加するからである。
【００２４】
あるいくつかの実施形態では、複数の第１層１２２と第２層１２４の各々の厚さは、約３ナノメートルから約５００ナノメートルまでの範囲にある。別の実施形態では、厚さは約１０ナノメートルから約２００ナノメートルまでの範囲にある。いくつかの実施形態では、厚さは約２０ナノメートルから約１００ナノメートルまでの範囲にある。個別の層１２２、１２４の厚さは、個別に調整されて、加工熱応力を受けたときナノ層コーティングの硬さ、歪許容差、および全体的安定性を制御することもできる。ナノ層１２０の全厚は約１ミクロンから約２５ミクロンまでの範囲にあってもよい。いくつかの実施形態では、全厚は約１ミクロンから約２０ミクロンまでの範囲にある。別の実施形態では、全厚は約５ミクロンから約１０ミクロンまでの範囲にある。利用される第１層１２２と第２層１２４の数は、各層の厚さとナノ層１２０の所望の厚さに応じて変化することもある。コーティングの全厚は、動作されることになっており、接触部分間で利用可能な全空間によって制約され得る構成部分に依存する。
【００２５】
例示的な一実施形態では、耐摩耗コーティング１１６は、ミクロンからサブミクロン寸法の炭化タングステン粒子が分散するコバルトクロム合金を含む硬質裏当て１１８と、硬質裏当て１１８の上に配置された複数のＴｉＮナノ層とＺｒＮナノ層の交互層１２０を含む。例示的な一実施形態では、耐摩耗性コーティング１１６は、複数の金属酸化物粒子が分散する金属合金（金属合金はニッケルまたはコバルトまたは鉄を含む材料を包含する）を含む硬質裏当て１１８と、硬質裏当て１１８の上に配置された複数の金属窒化物ナノ層の交互層１２０を含む。耐摩耗硬質裏当て１１８の上にナノ層１２０を配置することは、漸進的な硬さ勾配を導入し、ナノ層１２０の早まったゆがみを防止し、したがって全コーティング１２６の硬さと耐摩耗性を向上させる。
【００２６】
耐摩耗コーティングは、適度に高い動作温度に適している。ある実施形態では、耐摩耗性コーティング１１６は、少なくとも約５００℃まで、別の実施形態では少なくとも約６００℃まで、さらに別の実施形態では少なくとも約７００℃の温度までは熱的に安定している。ナノ層コーティングは、予期される動作温度範囲よりかなり上の温度において形態的な安定性を保持する。本発明のナノ層は、可変静翼の予期される動作温度範囲よりかなり上の約６５０℃まで適切な耐酸性を維持する。下にある硬質裏当ては約５００℃まで熱的安定性を有する。さらに高い温度範囲においては、硬質裏当ての組成は、炭化クロムまたは酸化アルミニウムなどの熱的にさらに安定した硬質粒子によって強化されたガンマプライム相を有する超合金基質に変化することもある。
【００２７】
図７は、図６に示すように硬質裏当て１１８の上に配置された複数のナノ層１２０を含み、さらにナノ層１２０を覆って配置された潤滑層１２８を図示する、耐摩耗性コーティング１２６の例示的な一実施形態を示す。潤滑層１２８の潤滑材料は、被覆された物品の動作温度まで安定しており低湿気条件下にあるように選択してもよい。潤滑材料は、二硫化タングステン、または二硫化モリブデン、または六方晶窒化ホウ素、またはテルル化タングステン、またはセレン化タングステン、またはテルル化モリブデン、またはこれらの組合せを含んでもよい。例示的な一実施形態では、潤滑材料は二硫化タングステンである。二硫化タングステンは、高い高度（＞３５，０００フィート）（＞１０，６７０ｍ）においては一般的なケースである湿気がない状態でも約５５０℃までの温度において低い摩擦特性を提供する。
【００２８】
本技術の実施形態はまた、上に詳述したような耐摩耗性コーティングを作るための方法も含む。図８は、本発明の一実施形態による方法を示す流れ図である。この方法１３０は、ステップ１３２における基板１２１を準備するステップと、ステップ１３４において硬質裏当て１１８を配置するステップと、ステップ１３６において硬質裏当ての上に複数のナノ層１２０を配置するステップを含む。
【００２９】
コーティングを付着させる過程は、被覆しようとする基板表面を事前処理することによって始まる。最初のステップは基板から屑および酸化物を除去することである。脱脂、グリットブラスト、化学洗浄、および／または電気化学研磨などのよく知られた洗浄技法を使用して、所望の表面洗浄と仕上げを得ることもできる。
【００３０】
ステップ１３４における硬質裏当ての配置は、無電解めっき、または高速酸素燃料熱噴射、または活性燃焼高速空気燃料噴射、または電子ビーム物理蒸着などの方法を含む。いくつかの実施形態では、硬質裏当ては、高速酸素燃料熱噴射または活性燃焼高速空気燃料噴射のいずれかによって付着された金属合金基質である。これらの技法によって付着された硬質裏当てが、ナノ層の保持、より少ない脱炭、硬質粒子間のより小さな間隔、バインダのより低い脆性をもたらすことは有利である。硬質裏当てがホウ素またはリンのドーピングを伴うニッケルコーティングを含むときは、無電解めっきも使用される。摩耗特性をさらに改善するために、硬質裏当てを無電解ニッケル基質の中に分散させてもよい。ステップ１３６における複数のナノ層の配置は物理蒸着を含む。
【００３１】
本発明の別の態様は物品を提供することである。物品は、構成部分、およびこの構成部分の上に配置される耐摩耗コーティングを含む。耐摩耗コーティングは、複数の硬質粒子が分散した金属合金基質を含む硬質裏当て、および硬質裏当てに配置された複数のナノ層を包含する。硬質裏当ては、複数の硬質粒子が分散したあらゆる金属超合金を含む。コーティングは、硬質裏当ての上に配置された複数のナノ層を含む。硬質裏当てとナノ層の特質は上の耐摩耗コーティングの実施形態に記載されている。物品は、本発明の耐摩耗コーティングによって被覆された互いに沿って動く構成部分を有する機械を含む。物品は、本発明の耐摩耗コーティングによって被覆された構成部分を有するエンジンを含む。このエンジンは、前記の構成部分を備える可変静翼を有するタービンエンジンを含む。このエンジンは、トラニオンとブッシングを含む可変静翼を有するタービンエンジンであって、ブッシングはトラニオンの外表面と接触している内表面を有し、ブッシングの内表面と可変静翼の外表面は耐摩耗コーティングによって被覆されている、タービンエンジンを含む。物品は、この構成部分を有する輸送手段を含む。例示的な一実施形態では、輸送手段は航空機である。
【００３２】
ナノ複層コーティングと丈夫であるが延性のある基板の間のバッファとして硬質裏当てを使用することは、高い表面荷重を支えることができるトライボシステムの提供に役立つが、高い耐摩耗性を提供する。したがって、本発明のいくつかの実施形態による耐摩耗コーティングは、あらゆる形式の基板に適しており、比較的高い温度まで安定している。
【００３３】
上述の本発明の実施形態は、外部潤滑が不可能な条件の下で構成部分の微動摩耗、滑動摩耗、および摩擦を防止するための一般的なテンプレートとして役立つ。本発明の実施形態を航空機エンジンの可変静翼およびブッシングに関して説明したが、本発明に記載の概念を、同様な動作条件の下における微動摩耗が論点を残す他の用途に使用することもできる。そのうえ、説明した本発明を滑動摩耗条件の下で同様な材料接触表面のために利用することもできる。
【００３４】
次の実施例は、本発明の実施形態によって提供される特性と利点を示すために役立ち、本発明をこれらの実施形態に限定しようとするものではない。
【実施例１】
【００３５】
可変静翼のステムの外表面を、さまざまな硬質裏当て組成物によって、活性燃焼高速酸素燃料法、活性燃焼高速空気燃料法、および無電界Ｎｉダイヤモンド複合被覆法により被覆した。これらのコーティングをそれぞれ硬質裏当て１、２、３と名づける。硬質裏当て１は、高速酸素燃料法による炭化タングステン熱噴射分散を伴うコバルトであった。硬質裏当て２は、活性燃焼高速空気燃料法による炭化タングステン熱噴射分散を伴うコバルトクロムであった。硬質裏当て３は、無電解ニッケル硬質粒子複合めっきであった。炭化タングステンの粒径は０．２〜５マイクロメートルの間であった。コーティングの厚さは１５０〜２００マイクロメートルであった。次いで硬質裏当て３を有する部分をさらに窒化チタン（ＴｉＮ）および窒化ジルコニウム（ＺｒＮ）の複交互層で、ＰＶＤ陰極アーク技法を用いて被覆し、各層の厚さは１２０ナノメートルであった。ＴｉＮ／ＺｒＮ複層系の全厚は８マイクロメートルであった。被覆された部分の摩耗を、往復動する部品の動作条件を模擬する特注の試験装置を使用して測定した。被覆されたステムをＳｔｅｌｌｉｔｅ６のブッシングに対して動かした。この試験装置で試験を１００時間行い、ブッシングとステムコーティングの両方の摩耗を測定した。
【００３６】
さまざまな硬質裏当てによって被覆された部分について摩耗をプロットした。プロット１３８を図９に示す。棒線１４０および１４２は全くコーティングのないステムとブッシングの摩耗を示し、基準線を形成する。棒線１４４および１４６はそれぞれ、硬質裏当て１を有するステムとブッシングの摩耗を示す。棒線１４８および１５０はそれぞれ、硬質裏当て２を有するステムとブッシングの摩耗を示す。棒線１５２および１５４はそれぞれ、ＴｉＮ／ＺｒＮのナノ層コーティングとともに硬質裏当て３を有するステムとブッシングの摩耗を示す。プロット１３８は、基準線の被覆されていない試料と比較して硬質裏当て１および２はトラニオン上の摩耗より約４〜６倍低いことを示している。
【実施例２】
【００３７】
可変静翼のステムの外表面をＴｉＮとＺｒＮのナノ層で８マイクロメートルの厚さに被覆した。これを、試験装置における模擬試験においてＳｔｅｌｌｉｔｅ６のブッシングに対して８時間動かした。別のステムをまず、厚さ２００ミクロンにした無電解ニッケルダイヤモンド複合めっきである硬質裏当て４で被覆し、この上に全厚が８ミクロンのＴｉＮ／ＺｒＮナノ層の８ミクロンＰＶＤコーティングを付着させた。ＴｉＮとＺｒＮの各々の層厚は１２０ｎｍであった。これもまた実施例１と同様な動作条件の下で動かした。図１０は、被覆されていない試験片と比較した上の２つのコーティングの摩耗比較を図示するプロット１５６を示す。棒線１５８および１６０はそれぞれ、コーティングが全くないステムとブッシングの摩耗を示す。棒線１６２および１６４はそれぞれ、硬質裏当てが全くないＴｉＮ／ＺｒＮのナノ層を有するステムとブッシングの摩耗を示す。棒線１６６および１７０はそれぞれ、ＴｉＮ／ＺｒＮナノ層と共に硬質裏当て４を有するステムとブッシングの摩耗を示す。ＴｉＮ／ＺｒＮ被覆のステム１６２の摩耗は、被覆されていない試験片１５８より４０％低かった。しかし、硬質裏当て４上にＴｉＮ／ＺｒＮを有するステムは８時間の試験で全く摩耗を示さず（棒線１６６）、被覆されていない試験片を超える大幅な改善を示した。
【００３８】
本発明のあるいくつかの特徴のみを本明細書に図示説明したが、多くの変形や変更が当業者には想起されよう。例えば、上記の各節では実施形態は航空機エンジンを参照しているが、機械的、化学的、および熱的応力に同様にさらされるその他の構成部分にも有効である。したがって、添付の特許請求の範囲がこのような変形や変更を本発明の真の精神の中に入るものとして含めるように意図されていることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本技術の実施形態によるガスタービンエンジンの概略図である。
【図２】本技術の実施形態によるガスタービンエンジンの圧縮機の部分概略図である。
【図３】本技術の実施形態による典型的な可変静翼組立体の分解図である。
【図４】本技術の実施形態によるブッシングとシャフトの間に摩耗表面を有するシステムの概略図である。
【図５】本技術の実施形態によるブッシングとシャフトの間に摩耗表面を有するシステムの概略図である。
【図６】本技術の一実施形態による耐摩耗コーティングを有する構造の横断面図である。
【図７】本技術の別の実施形態による耐摩耗コーティングを有する構造の横断面図である。
【図８】本技術の実施形態による耐摩耗コーティングを作る方法の流れ図である。
【図９】本技術の一実施形態によるさまざまな耐摩耗コーティングによって被覆された構成部分における摩耗を示す図である。
【図１０】本技術の別の実施形態によるさまざまな耐摩耗コーティングによって被覆された構成部分における摩耗を示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
１０  タービンエンジン
１２  低圧圧縮機
１４  高圧圧縮機
１６  燃焼器
１８  高圧タービン
２０  低圧タービン
２４  第１シャフト
２６  第２シャフト
４０  回転翼
４４  可変翼組立体
５０  ケーシング
５２  可変翼
５４  翼ステム
５６  翼台
５８  開口部
６０  レバーアーム
６２  エアフォイル
６４  鋳込み式翼ステム
６６  取付け機構
６８  開口部
７０  ケーシング
７２  カウンタボア
７４  内部ワッシャ
７６  ブッシング
７７  レバーアーム
７８  ワッシャ
８０  第１端部
８２  締付け機構
８４  第２端部
８６  ウェブ
８８  突出部
９２  下部翼シャフト
９４  大径シャフト
９６  小径シャフト
９８  第２ブッシング
１００  シュラウド
１０２  シール
１０４  歯
１０６  締付け機構
１０８  開口
１１０  内部ブッシング
１１２  外部ブッシング
１１３  トラニオン
１１４  ブッシング
１１６  耐摩耗コーティング
１１８  硬質裏当て
１２０  ナノ層
１２１  基板
１２２  第１層
１２４  第２層
１２６  耐摩耗コーティング
１２８  潤滑層
１３０  方法
１３２  方法ステップ：基板の準備を提供する
１３４  方法ステップ：硬質裏当ての配置
１３６  方法ステップ：ナノ層の配置
１３８  プロット
１４０  棒線−コーティングがないステムの摩耗
１４２  棒線−コーティングがないブッシングの摩耗
１４４  棒線−硬質裏当て１を有するステムの摩耗
１４６  棒線−硬質裏当て１を有するブッシングの摩耗
１４８  棒線−硬質裏当て２を有するステムの摩耗
１５０  棒線−硬質裏当て２を有するブッシングの摩耗
１５２  棒線−硬質裏当て３を有するステムの摩耗
１５４  棒線−硬質裏当て３を有するブッシングの摩耗
１５６  プロット
１５８  棒線−コーティングがないステムの摩耗
１６０  棒線−コーティングがないブッシングの摩耗
１６２  棒線−ナノ層を有するステムの摩耗
１６４  棒線−ナノ層を有するブッシングの摩耗
１６６  棒線−硬質裏当て４およびナノ層を有するステムの摩耗
１７０  棒線−硬質裏当て４およびナノ層を有するブッシングの摩耗
【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】
2008138242.tif 000009
【図８】
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【図９】
2008138242.tif 000011
【図１０】
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【外国語明細書】
2008138242000001.pdf