(57)【要約】シールアッセンブリと、協同して相互に作用するタービンブレードとを含むガスタービンエンジンのアブレイダブルシールシステムを提供する。タービンブレードは立方体の窒化ホウ素研磨材粒子を含む先端部分を有し、シールアッセンブリは超合金、その上の少なくとも３００ＲＡの表面粗度を有する結合皮膜、および結合皮膜上の５から１５容量％の気孔率を有する多孔質セラミックアブレイダブルシール材を有する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
シールアッセンブリと、協同して相互に作用するタービンブレードとを含むガスタービンエンジンのアブレイダブルシールシステムであって、
該タービンブレードが該シールアッセンブリに接触してシールを形成するための立方体の窒化ホウ素研磨材粒子を含む先端部分を有し；
該シールアセンブリが超合金基質、該基質表面上の３００ＲＡを上回る表面粗度を有するＭＣｒＡｌＹ結合皮膜（ここでＭはＣｏ、Ｎｉまたは、ＮｉおよびＣｏからなる群から選ばれる）、および該結合皮膜上の５から１５容量％の気孔率を有する多孔質セラミックアブレイダブルシール材を有する
ガスタービンエンジンのアブレイダブルシールシステム。
【請求項２】
該結合皮膜が３５０ＲＡを上回る表面粗度を有する請求項１記載のシステム。
【請求項３】
該結合皮膜がプラズマ溶射される請求項２記載のシステム。
【請求項４】
該多孔質セラミックアブレイダブルシール材が６−９％のイットリアで安定化されたジルコニアである請求項３記載のシステム。
【請求項５】
該結合皮膜の厚さが約４から１５ミルである請求項３記載のシステム。
【請求項６】
該アブレイダブル多孔質セラミック材の厚さが約１０から８０ミルである請求項４記載のシステム。
【請求項７】
該先端部分の該立方体の窒化ホウ素粒子が、耐酸化性金属マトリックス中の封じ込みメッキ（ｅｎｔｒａｐｍｅｎｔ  ｐｌａｔｉｎｇ）によって該ブレード先端に固着される請求項２記載のシステム。
【請求項８】
該多孔質セラミックアブレイダブルシール材が１０から１５容量％の気孔率を有する請求項６記載のシステム。
【請求項９】
該セラミック材に不安定物質をプラズマ溶射する請求項６記載のシステム。
【請求項１０】
該セラミック材料が約２００ミクロン未満の粒度を有する請求項９記載のシステム。
【請求項１１】
該不安定物質が、該セラミックアブレイダブルシール材の約１から１．５重量％で、粒度が約２０から１２５ミクロンのポリエステルである請求項１０記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【発明の背景】
【０００１】
本発明はアブレイダブル（ａｂｒａｄａｂｌｅ）シールシステムに関し、より詳細にはすぐれた侵食抵抗を有するシールアッセンブリの使用に関する。
最新のガスタービンエンジンの効率はファン、コンプレッサーおよびタービン内の回転部分（ブレード）と固定部分（側板）との間の気密シールによって左右される。このシールは、ブレードがアブレイダブルシール材に溝を刻む（削る）ことができ、それにより多量の空気がブレード先端を越えて漏洩することを防ぐことによって達成される。伝統的にタービンのシール材は金属織布または適所に蝋付けした焼結金属粒子から加工されている。これらの材料はその内部高気孔率および低強度のために容易に削り減らされるので粒子侵食抵抗性に欠け、したがって材料の急速な減少をもたらす。材料のこの減少はシールを劣化させ、エンジンの効率を急激に低下させる。さらに進歩したエンジンのシール材は、網状アブレイダブルシールと同じような機能を果たすが、エンジンをオーバーホールする際の適用及び交換がさらに容易な溶射皮膜を利用する。
【０００２】
アブレイダブルシールを形成させるための溶射粉末の使用は、米国特許第４，２９１，０８９号に示されているように技術的に公知である。該粉末を用いて基質上にアブレイダブルシールを付与するための皮膜、いいかえると基質とそれに対する可動隣接面との空隙をシールし、かつ基質と隣接面との相対運動によって支配される程度にすり減らされる皮膜を形成させる。このようなシールは最初基質上に粉末を溶射することにより形成されて基質と隣接面との間隔よりも少し厚めの皮膜をつくるので、両者間に有効なシールを付与するように、基質と隣接面との間隔に相当するよりも若干薄めの厚さに、基質と隣接面との相対運動によって皮膜を削り減らす。該シールは、たとえば航空機に使用されるようなガスタービンエンジンのタービンまたはコンプレッサーのブレードに用いられて、ブレードとタービンまたはコンプレッサーのハウジングとの間にシールを施す。
【０００３】
適当なアブレイダブルシールを生成させる場合の問題点の１つは、一方では十分とはいってもアブレイダビリティ（ａｂｒａｉｄａｂｉｌｉｔｙ）をもたらす程度の小さな構造強度を示し、かつ他方では使用中アブレイダブルシール皮膜に衝突する粒子に対して十分大きな侵食抵抗性を有する溶射皮膜を生成させることである。たとえば、ガスタービンまたはコンプレッサーのブレードの場合には、シール皮膜は、空気中に同伴されて、エンジンによって吸引される研削材粒子による衝突をうける。
【０００４】
約２０から３５容量％の気孔率を有する多孔質セラミックアブレイダブル層を付与するアブレイダブルセラミックシールが米国特許第４，９３６，７４５号に示されているが、高気孔率は高圧タービンの苛酷な環境下の欠点である侵食抵抗の低下をもたらす。
【本発明の要約】
【０００５】
簡単に言えば、本発明は、シールアッセンブリと、協同して相互に作用するタービンブレードとを含むガスタービンエンジンアブレイダブルシールシステムを提供する。タービンブレードはシールアッセンブリに接触してシールを形成するための立方体の窒化ホウ素研磨材粒子を含む先端部分を有する。シールアッセンブリは超合金基質、その上の少なくとも３００ＲＡの表面粗度を有するＭＣｒＡｌＹ結合皮膜、および結合皮膜上の５から１５容量％の気孔率を有する多孔質セラミックアブレイダブルシール材を有する。
詳細な説明
ガスタービンエンジン用アブレイダブルシールシステムは優れた侵食抵抗性を付与し、さらになおタービンブレードと固定部分との間の有効なシールであることを示す。シールシステムはシールアッセンブリおよび、シールアッセンブリ−と協同して相互に作用してシールアッセンブリーに至る通路を遮断するタービンブレードを含んで、シールを形成する。タービンブレードは、研削材先端部分がシールアッセンブリのアブレイダブル表面に食い込むように、固定アブレイダブルシールアッセンブリとの摩擦状態に研削材先端部分を配設させた回転部材である。
【０００６】
タービンブレードは、シールアッセンブリに食い込むために、立方体の窒化ホウ素（ＣＢＮ）研削材粒子を含む先端部分を有する。ＣＢＮ粒子はアブレイダブルシール材を切断するのに極めて有効である。ＣＢＮ研削材粒子を含む先端部分は耐酸化性金属マトリックス中の封じ込みメッキによって適用することができる。低圧プラズマ溶射によってタービン先端基質に結合皮膜を付加し、次いで金属マトリックス中の封じ込みメッキによって研削材粒子を結合皮膜に固着させる米国特許第５，９３５，４０７号に開示されている方法（該特許は参照として本明細書に組み入れてある）を利用することができる。タービンブレードに対する研削材先端の優れた結合強度のためにこの方法が好ましい。
【０００７】
シールアッセンブリは超合金基質に固着されたアブレイダブルシールをもたらす。通常、基質はタービンまたはコンプレッサーのハウジングもしくはそれらに付着したライナーであり、超合金はコバルトまたはニッケル系超合金である。アブレイダブルシール材を基質に固着させるために表面粗度が３００ＲＡを上回る、好ましくは３５０ＲＡを上回る基質表面に結合皮膜を付加する。結合皮膜はＭＣｒＡｌＹ（ここにＭはＣｏおよび／またはＮｉ）であり、これをＰｔおよび／または拡散アルミナイド皮膜で変性することができる。ブレード先端のＣＢＮ粒子の優れた切削能力と結び付いたアブレイダブル材のすぐれた耐環境性はシールアッセンブリに強い剪断力をもたらす。結合皮膜の大きな表面粗度はアブレイダブル材を固着させるのに必要な強い結合強度を付与する。結合皮膜は低圧または大気圧プラズマ溶射によって約４から１５ミル、好ましくは約５から１０ミルの厚さに適用することができる。この表面粗度を達成するには、粒度が最大約１５０ミクロンのＭＣｒＡｌＹをプラズマ溶射する。結合皮膜は、拡散結合させるためにセラミックの適用前または後に約１９００−２０５０°Ｆで２から５時間、典型的には１９７５°Ｆで４時間熱処理する。
【０００８】
結合皮膜に、気孔率が５から１５容量％、好ましくは１０から１５容量％の多孔質セラミックアブレイダブルシール材を付加する。この材料の低レベルの気孔率は優れた耐環境性をもたらして、シールがタービンエンジンの長い有効寿命を示すことができる。結合皮膜のすぐれた結合強度と結び付いた先端におけるＣＢＮ粒子のすぐれた切削効果は長いシール寿命を有する有効なシールシステムをもたらす。
【０００９】
このセラミックアブレイダブルシール材は６から９％のイットリアで安定化させたジルコニアである。多孔度を生成させるには、不安定物質、好ましくはポリエステルとともにセラミック材をプラズマ溶射する。粒度が約２００ミクロン未満、好ましくは約２０から１２５ミクロンのセラミックに５から１５％程度の気孔率を付与するためには、粒度が４５から１２５ミクロンのポリエステルを最高１．５重量％、好ましくは約１から１．５重量％混合することができる。ついでこの混合物を約１０から８０ミル、好ましくは２０から４０ミルの厚さにプラズマ溶射する。任意に、１３００°Ｆを上回る温度に加熱することによってポリエステルは除かれるが、大半のポリエステルはプラズマ溶射工程中にすでに除去され、残留ポリエステルはシステム中に許容され得ることが認められている。
【実施例】
【００１０】
米国特許第５，９３５，４０７号に記載されている方法により研削剤先端部分でタービンブレード先端を被覆し、この場合に、まずＣｏＮｉＣｒＡｌＹの結合皮膜をタービン先端に４ミルの厚さに低圧プラズマ溶射し、ついでＣＢＮ粒子をニッケルメッキによって封じ込みメッキした後、微細なＣｏＣｒＡｌＨｆ粒子含有溶液で５ミルの公称厚さにニッケルメッキした。１９７５°Ｆで４時間の均質化熱処理後、気相法によってブレード先端をアルミミニウム処理した。
【００１１】
ついで、Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ  Ｘ  超合金の４インチ×１．４インチの試片に、４５から９０ミクロンの粒径範囲と２０から３８ミクロンの粒径範囲との混合物のＣｏＮｉＣｒＡｌＹ粒子の低圧プラズマ溶射によって７ミルの厚さにＣｏＮｉＣｒＡｌＹ結合皮膜を適用して、３６０から４００ＲＡの表面粗度を付与した。９８．７５重量％の粒度が２２から１２５ミクロンのイットリア安定化ジルコニアと１．２５重量％の粒度が４５から１２５ミクロンのポリエステル粒子とを混合することにより、多孔質セラミックアブレイダブルシール材を調製して、気孔率が１２．５％のセラミックを生成させた。このシール材を大気圧プラズマ溶射によって、結合皮膜試片に付加した。
【００１２】
高温のアブレイダブルリグにおいて、先端がＣＢＭのブレードを用い、該リグを侵入深さ２０ミルのターゲットに目標設定して、アブレイダブルシール材付き試片について摩擦試験を行った。下記の試験条件においてすぐれたアブレイダビリティ（ａｂｒａｄａｂｉｌｉｔｙ）を示した。
【００１３】
【表１】
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【００１４】
侵入深さ２０ミルのターゲットについて別の試験を行った。
セラミック皮膜を付与した後１９７５°Ｆで４時間の拡散熱処理を行ったシールアッセンブリ（結合被膜＋気孔度が１２．５％のセラミックトップコート）を有する１つの試料について試験を行った。試験結果は下記の通りであった。
【００１５】
【表２】
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【００１６】
種々の気孔率レベルを有する試料についても試験を行い、類似の結果を得た。
【００１７】
【表３】
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【００１８】
すべての試験においてブレード先端は目に見える摩耗を示さなかった。
【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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