(57)【要約】【課題】溶融した磨耗性材料がエンジンコンポーネントに残留しないような磨耗性材料を提供する。【解決手段】  本発明は、磨耗性有機マイクロバルーン充填（ＡＯＭＦ）材料と、より低濃度の種々の残留物を構成する成分と、１重量％未満の無機充填材と、を有する、磨耗性シリコーンポリマーマトリックス（ＡＳＰＭ）を含む。有機マイクロバルーン分散材は、ＡＳＰＭ含有無機充填材料からなる従来技術のシールと同様の強度および熱酸化による安定性を有するＡＳＰＭの所望の温度での使用を可能とする。有機マイクロバルーン分散材は、ＡＳＰＭ内に配置されるマトリックス強化性成分および熱的に安定な成分の格子を形成する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
磨耗性シリコーンポリマーマトリックス中に、約１．５〜５．０重量％の磨耗性有機マイクロバルーン充填材を含むことを特徴とする磨耗性材料。
【請求項２】
上記磨耗性有機マイクロバルーン充填材粒子が、約３０〜１１０μｍの範囲の寸法を有することを特徴とする請求項１に記載の磨耗性材料。
【請求項３】
上記磨耗性有機マイクロバルーン充填材が、約１重量％未満のシリコーンを含むことを特徴とする請求項１に記載の磨耗性材料。
【請求項４】
上記磨耗性有機マイクロバルーン充填材が、実質的に、フェノール類、エポキシ、ブタジエン、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミド−イミドおよびこれらの混合物からなる群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の磨耗性材料。
【請求項５】
ガスタービンエンジン内で燃焼した場合に、上記磨耗性有機マイクロバルーン充填材が、気体の燃焼生成物のみ生成することを特徴とする請求項１に記載の磨耗性材料。
【請求項６】
上記磨耗性シリコーンポリマーマトリックスが、ジメチルシリコーン、メチルフェニルシリコーンまたはこれらの混合物であることを特徴とする請求項１に記載の磨耗性材料。
【請求項７】
上記磨耗性シリコーンポリマーマトリックスが、少なくとも１つの遷移金属酸化物からなる安定化材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の磨耗性材料。
【請求項８】
上記磨耗性シリコーンポリマーマトリックスが、Ｐｔによって触媒化されていることを特徴とする請求項１に記載の磨耗性材料。
【請求項９】
上記磨耗性シリコーンポリマーマトリックスが、過酸化物によって触媒化されていることを特徴とする請求項１に記載の磨耗性材料。
【請求項１０】
熱で硬化した磨耗性シリコーンポリマーマトリックスの室温での引張強度が、少なくとも３００ポンド／平方インチ（ＰＳＩ）を超えることを特徴とする請求項１に記載の磨耗性材料。
【請求項１１】
熱で硬化した磨耗性シリコーンポリマーマトリックスの室温での破損までの伸張が、少なくとも１００％を超えることを特徴とする請求項１に記載の磨耗性材料。
【請求項１２】
上記磨耗性シリコーンポリマーマトリックスの室温でのショアＡデューロメータの硬度が、約３０〜８５であることを特徴とする請求項１に記載の磨耗性材料。
【請求項１３】
１％未満の無機充填材を含むガスタービンエンジンの磨耗性材料であって、磨耗性シリコーンポリマーマトリックス内に約１．５〜５重量％の磨耗性有機マイクロバルーン充填材を含むことを特徴とするガスタービンエンジンの磨耗性材料。
【請求項１４】
上記磨耗性有機マイクロバルーン充填材粒子が、約３０〜１１０μｍの寸法を有することを特徴とする請求項１３に記載のガスタービンエンジンの磨耗性材料。
【請求項１５】
上記磨耗性有機マイクロバルーン充填材が、約１重量％未満のシリコーンを含むことを特徴とする請求項１３に記載のガスタービンエンジンの磨耗性材料。
【請求項１６】
上記磨耗性有機マイクロバルーン充填材が、実質的に、フェノール類、エポキシ、ブタジエン、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミド−イミドおよびこれらの混合物からなる群から選択されることを特徴とする請求項１３に記載のガスタービンエンジンの磨耗性材料。
【請求項１７】
ガスタービンエンジン内で燃焼した場合、上記磨耗性有機マイクロバルーン充填材が、気体の燃焼生成物のみ生成することを特徴とする請求項１３に記載のガスタービンエンジンの磨耗性材料。
【請求項１８】
上記磨耗性シリコーンポリマーマトリックスが、ジメチルシリコーン、メチルフェニルシリコーンあるいはこれらの混合物からなることを特徴とする請求項１３に記載のガスタービンエンジンの磨耗性材料。
【請求項１９】
磨耗性有機マイクロバルーン充填材を磨耗性シリコーンポリマーマトリックスに加えて、磨耗性材料混合物を製造し、
上記磨耗性材料混合物を硬化させる
ことを特徴とする磨耗性材料の製造方法。
【請求項２０】
上記磨耗性有機マイクロバルーン充填材が、上記磨耗性材料混合物の総量の約１．５〜５重量％であることを特徴とする請求項１９に記載の磨耗性材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、弾性有機マイクロバルーンが含まれる磨耗性材料に関し、より詳しくは、ガスタービンエンジンの圧縮機セクション、特にガスタービンエンジンの低圧圧縮機セクションに使用される磨耗性材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の大型のガスタービンエンジンは、回転ディスクの周囲に取り付けられた、環状に配置されるエアフォイルの複数の列を備える軸流圧縮機を有する。圧縮機の移動するエアフォイルの各々の列に近接して、静止しているエアフォイルの列がある。このような圧縮機の効率は、移動するエアフォイルの端部の周囲から漏出する空気によって、強い影響を受ける。このような漏出を最小限にする通常の方法は、磨耗性空気シールを設け、漏出を最小限にするように、圧縮機のエアフォイルの端部をこのシールと相互作用させることである。磨耗性空気シール材料として、無機充填粒子を混合した中空のガラスミクロスフィアを１５〜５０重量％有するシリコーンゴムマトリックスを含んだ材料をあてがうのは、当分野において一般的である。
【０００３】
ガスタービンエンジンは、より高い作動温度となる方向に発展している。エンジンの圧縮機セクションの温度は、穏やかな上昇であるが、タービンセクションの燃焼器の温度は、過去数１０年にわたり、相当上昇している。
【特許文献１】米国特許第６，３３４，６１７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ガラスマイクロスフィアを含むシールを有するガスタービンエンジンにおいて、磨耗性シールが磨耗した場合、ガラスマイクロスフィアは、エンジンの燃焼器セクションおよびタービンセクションを通過する。さらに、シリコーンマトリックスは、多くの場合、磨耗で生じた異物と融合する虞のある他の無機充填材を含み、下流の機器に損害を与える。これらの無機充填材は、マトリックス強化材や熱酸化に対する安定材として一般に用いられている。近年のエンジンにおいては、燃焼器セクションおよびタービンセクションにおける作動温度は、ガラスマイクロスフィアが軟化あるいは溶融するほど相当の高温となる。シリコーンゴムが磨耗し、タービンを通過する場合、シリコーンは酸化され、水、二酸化炭素およびケイ素を形成する。無機充填材、ガラスマイクロスフィアおよびシリカの混合物は、ともに溶融する場合や融合する場合がある。これらの溶融材料または融合材料は、エンジンコンポーネントに付着したり、空気用の冷却孔を塞ぐことが観察されることがある。冷却孔の閉塞は、エンジンコンポーネントの寿命を縮める。
【０００５】
このような問題に対処する１つの方法は、本発明の出願人に譲渡された特許文献１に記載されている。特許文献１の磨耗性シール材料は、弾性マトリックス材料を含む硬質の有機充填材粒子を備える。ガラスマイクロスフィアをなくし、無機充填粒子を減少させることで、空気冷却孔を閉塞する残留物（ｒｅｓｄｉｕ）が大幅に低減される。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、高温に対応できる有機マイクロバルーンと、より低濃度の種々の残留物を構成する成分と、１重量％未満の無機充填材料と、を含む高温に対応できるシリコーンポリマー材料を有する高温用弾性材料である。有機マイクロバルーン粒子は、少なくとも約４００°Ｆ（約２０４°Ｃ）の温度で安定な材料から選択され、上記シール内に約１．５〜５重量％存在している。
【０００７】
シリコーンポリマーマトリックスは、３００°Ｆ（約１４９°Ｃ）、好ましくは４５０°Ｆ（２３２°Ｃ）、を超える温度で熱的に安定であるように選択される。最も好ましいのは、シリコーンポリマーマトリックスが、過度の劣化を伴わずに約５５０°Ｆ（約２８８°Ｃ）までの短期間の温度ピーク（スパイク）に耐えることができることである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明は、磨耗性有機マイクロバルーン充填（ＡＯＭＦ）材料と、より低濃度の種々の残留物を構成する成分と、１重量％未満の無機充填材と、を含む、磨耗性シリコーンポリマーマトリックス（ＡＳＰＭ）に関する。有機マイクロバルーン分散材は、無機充填材料含有ＡＳＰＭからなる従来技術の各種シールと同様の強度および熱酸化に対する安定性を有するＡＳＰＭの所望の温度での使用を可能とする。有機マイクロバルーン分散材は、ＡＳＰＭ内に構造を有するマトリックス強化性成分および耐熱性成分の格子を形成する。
【０００９】
ＡＳＰＭは、貴金属により触媒化された単一または二液性（ｔｗｏ−ｐａｒｔ）の弾性シリコーンポリマー材料である。貴金属は、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔおよびこれらの混合物からなる群から選択される。さらに触媒は、少なくとも約３００°Ｆで安定なジクミル（ｄｉｃｕｍｙｌ）過酸化物などの過酸化物触媒でもよい。
【００１０】
硬化したＡＳＰＭ材料は、室温引張強度が約３００ＰＳＩより高く、欠損までの伸張率が１００％より大きく、Ｓｈｏｒｅ（ショア）Ａデューロメータ硬度が約３０〜８５である。一実施例においては、ＡＳＰＭ材料は、ジメチルシリコーンである。他の実施例においては、ＡＳＰＭ材料は、例えばメチルフェニルシリコーンなどの他の材料であっても良い。適宜なＡＳＰＭの例は、カリフォルニア州、カーペンテリアにあるＮｕｓｉｌ社によって製造されたＬＳＲ５８６０である。
【００１１】
一実施例においては、ＡＳＰＭ材料は、Ｖ，Ｃｒ，Ｃｅ，Ｍｎ，Ｆｅ，ＣｏおよびＮｉの酸化物からなる群から選択された約１％量の遷移金属酸化物を含む。他の実施例においては、他の遷移金属またはそれらの混合物を使用しても良い。ＡＳＰＭ材料は、約１％までのカーボンブラックを含んでも良い。この実施例においては、遷移金属の酸化物およびカーボンブラックは、熱酸化に対する安定材として作用する。
【００１２】
一実施例においては、ＡＳＰＭ材料は、約１，０００〜１，０００，０００ｇ／ｍｏｌの分子量を有するビニル末端のポリマー、約３００〜１０，０００ｇ／ｍｏｌの分子量を有するシラン架橋材、および例えばＰｔなどの貴金属触媒、の混合物から製造される。この実施例においては、さらに、ＡＳＰＭは、フュームドシリカなどの強化成分を含む。
【００１３】
一実施例においては、硬化したＡＳＰＭは、室温引張強度が約３００ＰＳＩを超え、欠損までの室温伸張率が約２００％を超え、ＳｈｏｒｅＡデューロメータ硬度が約４０〜７０であり、酸化耐性は、約３００〜４００°Ｆの空気に晒され約１００時間後（１インチ×１インチ×１／４インチのサンプルを用いて）約２重量％未満の重量損失を示し、さらに、耐熱性（熱的安定性）は、約３００〜４００°Ｆの空気に晒され約１００時間後の引張強度の低下が約２０％未満となる。
【００１４】
磨耗性有機マイクロバルーン充填（ＡＯＭＦ）材料は、有機マイクロバルーン分散材成分を有する充填材である。ＡＯＭＦは、中空の有機マイクロバルーンであり、約３００°Ｆで約２％より低いシリコーンを含み、熱的に安定であり、製造中に粒子が破裂することが少ない十分な剪断強度を有する、材料である。
【００１５】
ＡＳＰＭに加えられる有機マイクロバルーン分散材成分は、上記マトリックス材料の靭性（ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ）を減少させるように働き、より高い磨耗性となる。所望の磨耗性度合を得るために、適宜な量のマイクロバルーン材料がマトリックスに含むように選択される。一実施例においては、例えば、マイクロバルーンが、マトリックス（ＡＳＰＭ／ＡＯＭＦ）総量の約１．５〜５重量％含まれ、その寸法範囲は約３０〜１１０μｍである。適宜なＡＯＭＦの例としては、マレーシアのセランゴール州にあるアジアパシフィックマイクロスフィア社によって製造された「Ｐｈｅｎｓｅｔ  ＢＪＯ−０８４０」である。
【００１６】
有機マイクロバルーンは、実質的に、フェノール類、エポキシ、ブタジエン、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミド−イミドおよびこれらの組み合わせからなる群から選択される。他の実施例においては、有機マイクロバルーンは、例えば、ガスタービンの圧縮機作動環境において安定な、他の熱可塑性および熱硬化性材料などの別の材料から選択することができる。
【００１７】
一実施例においては、ＡＯＭＦ材料は、マトリックス（ＡＳＰＭ／ＡＯＭＦ）の総量の約３重量％未満であり、ＡＯＭＦの燃焼を介して放出される生成物が、ガスタービンエンジンコンポーネントを腐食せず、あるいは閉塞せず、１重量％未満のシリコーンを含み、通常、あらゆる酸化環境において、約７５０°Ｆを超える温度のガスタービンエンジンにおいて燃焼された場合に、気体の燃焼生成物のみが生じる。
【００１８】
ガスタービンエンジンの圧縮機の実施例においては、通常、磨耗性シールは、移動するエアフォイルの先端部を覆うように、エンジン内に配置されたリングの半径方向内側表面に配置される。他の実施例においては、磨耗性シールは、リングの浅い溝つまり凹み内に配置される。この実施例においては、浅い溝つまり凹みは、約３５〜７５ｍｍの範囲の幅と、約１〜５ｍｍの深さを有する。
【００１９】
一実施例においては、リングは、通常、アルミニウムまたはチタニウムなどの金属であり、セグメントで形成されても良い。ＡＳＰＭ／ＡＯＭＦ混合物は、リングあるいはリングセグメントの浅い溝つまり凹みに段階的な処理によって適用される。第１に、このリングを従来技術を用いて清浄化する。第２に、この清浄化したリングの溝の表面を陽極酸化処理する。他の実施例において、例えば、使用した部品を分解（オーバーホール）する場合には、清浄化した溝表面に、クロメート被膜が適用される。なお、さらに他の実施例として、陽極酸化処理やクロメート被膜を行わなくても良い。第３に、ポリマーマトリックスの接着性を改善するために、プライマ（例えばカリフォルニア州、カーペンテリアにあるＮｕＳｉｌ社製のＳＰ２７０）が、リング表面に塗布される。第４に、リングまたはリングセグメントに、リングの内部表面と対応するマンドレルを設け、溝を密閉し、環状のキャビティを残す。このマンドレルは、ＡＳＰＭ／ＡＯＭＦ混合物が注入される少なくとも１つの開口部を有する。次に、この混合物が環状のキャビティに流されて、充填される。他の実施例においては、マンドレルを使用せずその代わりに、オープンモールドに注ぐこと（ｐｏｕｒｉｎｇ）によって、リングまたはリングセグメントを形成する。第５に、キャビティが充填された後、混合物が注入された（注がれた）開口部およびその他の開口しているいづれの開口部も閉じられ、充填されたリングまたはリングセグメントは、硬化処理のためにオーブンに（マンドレルと一緒に）置かれる。硬化処理は、通常、約１〜４時間の間、約３００〜４００°Ｆの範囲の温度で行われる。第６に、リングおよびマンドレルは、オーブンから取り出され、マンドレルはリングから外され、ＡＳＰＭ／ＡＯＭＦを含む溝のリングまたはリングセグメントが硬化される。他の実施例においては、ＡＳＰＭ／ＡＯＭＦは、さらに熱硬化処理してもよい。
【００２０】
従って、本発明は、次のような利点を示す。本発明は、近年の高温用ガスタービンエンジン、特に燃焼器セクションにおいて使用される磨耗性材料について記載されており、この磨耗性材料は、有機マイクロバルーン充填粒子を含み、無機充填材料が１重量％未満であるが、マトリックス強化性および熱的安定性を有し、その成分は、後の段階において、燃焼器コンポーネントおよびタービンコンポーネントに付着または閉塞することはなく、室温から４００°Ｆまでの温度に亘りより高い抗腐食性を示し、約５５０°Ｆまでの温度で使用可能であり、所望の磨耗特性を示す。
【００２１】
本発明は、例示のみを目的として、次の実験例においてより詳細に記載されており、本発明の範囲内において多数の修正および変更は、当業者にとって自明である。特別な記載がない限り、次の実験例における、全ての部品、パーセンテージおよび比率は、重量を基準としており、記載の供給元から全ての材料は得ることができ、また、現在でも入手可能であり、もしくは、従来技術から合成することができる。
【実施例１】
【００２２】
カリフォルニア州、カーペンテリアにあるＮｕｓｉｌ社によって製造された商標「ＬＳＲ５８５０」として商業的に入手可能な磨耗性シリコーンポリマーマトリックスは、酸化セリウムおよびカーボンブラックとともに熱的に調整した。次に、この調整された磨耗性シリコーンポリマーマトリックスを、平均寸法７０μｍを有する２．５重量％のフェノール類のマイクロバルーンと混合した。この有機フェノール類のマイクロバルーンは、マレーシア、セラゴーン州のアジアパシフィックマイクロスフィア社によって製造された商標「ｐｈｅｎｓｅｔ  ＢＪＯ−０８４０」として商業的に入手可能である。充填されたポリマーマトリックスは、続いて、２時間、３００°Ｆで初期硬化処理してから、２時間、３００°Ｆで後硬化処理した。
【００２３】
最終製品から製造された磨耗性シールは、８００フィート／秒、入射角２０°で、５０〜７０メッシュのオタワサンド（Ｏｔｔａｗａ  ｓａｎｄ）を用いた実験室用エロージョン（腐食）装置において、室温および４００°Ｆで、各々試験した場合、１重量％またはそれ以上の無機充填材材料を含む従来の磨耗性シール材料と比較して同等の磨耗性能となり、エンジン冷却孔の閉塞を減少し、従来の１．５〜２倍の耐腐食寿命を提供する。
【００２４】
本発明は、空気冷却孔を閉塞する可能性のある残留物をよりさらに減少させているので、本発明は、特許文献１よりも改善されている。本発明は、高温に晒された残留物として残留する可能性のある材料をより多く排除することができる。シリコーンポリマーマトリックス自身は、酸化鉄、カーボンブラックおよびアルミナを含み、これらの全ては、高熱に晒されたときに残留物として残留する可能性がある。これらの材料および他の材料を、低濃度、あるいは少なくとも最低限の濃度としたシリコーンポリマーマトリックスを用いることで、残留物濃度を大幅に減少させる。さらに、磨耗性有機マイクロバルーン充填材粒子の使用によって、シール材料全体は、１％またはそれ以上の無機充填材や、より高濃度の他の残留物を生じさせる材料を含んでいる従来技術のシールと同程度の強度および熱酸化に対する安定性を有する。
【００２５】
従って、本発明は、近年の高温用ガスタービンエンジン、特に燃焼器セクションに使用される磨耗性材料に関し、この磨耗性材料は、１重量％未満の無機充填材料を含み、マトリックス強化性および熱酸化性に対する安定性を有し、成分が燃焼器コンポーネントおよびタービンコンポーネントに付着または遮蔽しない有機マイクロバルーン充填粒子を含み、室温から約４００°Ｆに亘ってより高いエロージョン耐性を示し、約５５０°Ｆまでの温度で使用可能であり、所望の磨耗特性を示している。