(57)【要約】本発明は、ケーシングと、ケーシング内に回転可能に取り付けられた少なくとも１つのタービンブレードとを備える少なくとも高圧及び低圧のタービンセクションを有するタービンエンジンであって、ケーシングの内面の少なくとも一部は、少なくとも１つのブレードの内面と先端との間にクリアランス制御を提供するために摩耗材としてのシュラウドに覆われ、ブレードの先端が硬質ＰＶＤコーティングで被覆されたタービンエンジンにおいて、少なくとも高圧及び／又は低圧のセクションのシュラウド材料は、多孔質セラミック系材料を含み、ブレード先端の硬質ＰＶＤコーティングは、本質的に液滴を含まない窒化物コーティングからなることを特徴とするタービンエンジンを開示する。
2018535322.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシングと、前記ケーシング内に回転可能に取り付けられた少なくとも１つのタービンブレードとを備える少なくとも高圧及び低圧のタービンセクションを有するタービンエンジンであって、
前記ケーシングの内面の少なくとも一部は、前記少なくとも１つのブレードの内面と先端との間にクリアランス制御を提供するために摩耗材としてのシュラウドに覆われ、
前記ブレードの前記先端が硬質ＰＶＤコーティングで被覆されたタービンエンジンにおいて、
前記少なくとも高圧及び／又は低圧のセクションのシュラウド材料は、多孔質セラミック系材料を含み、前記ブレードの前記先端の硬質ＰＶＤコーティングは、本質的に液滴を含まない窒化物コーティングからなることを特徴とするタービンエンジン。
【請求項２】
本質的に液滴を含まないＰＶＤコーティングは、Ｍｅ１Ｍｅ２Ｘのような複合材料を含むコーティングであり、
ここで、Ｍｅ１は、好ましくはＴｉ、Ｃｒ、Ｚｒ又はそれらの組み合わせによって形成される群の要素であり、Ｍｅ２は、好ましくはＡｌ及び／又はＳｉであり、Ｘは、好ましくはＮ、Ｏ、Ｂ又はそれらの組み合わせによって形成される群の要素であることを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジン。
【請求項３】
本質的に液滴を含まないＰＶＤコーティングは、複合材料Ｍｅ１Ｍｅ２Ｘからなり、
ここで、Ｍｅ２は好ましくはＡｌ及び／又はＳｉであり、Ｍｅ２／（Ｍｅ１＋Ｍｅ２）を計算すると、４０〜７０ａｔ％の範囲であることを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジン。
【請求項４】
本質的に液滴を含まないコーティングは、１〜４０μｍのコーティング厚さを有し、好ましくは５〜２５μｍのコーティング厚さを有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のタービンエンジン。
【請求項５】
前記高圧及び／又は低圧のセクションのシュラウド材料は、少なくともジルコニア系ポリエステルセラミック材料を含み、好ましくはジルコニア系ポリエステルセラミック材料であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のタービンエンジン。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載のタービンエンジンの製造方法であって、
−  前記シュラウド材料を前記ケーシングの内面に溶射する工程と、
−  前記ケーシング内で使用される前記ブレードの少なくとも前記先端をＰＶＤコーティングする工程とを含む製造方法。
【請求項７】
追加の工程として、
−  前記ブレードの前記先端をマスクする工程と、
−  前記ブレードの前記先端コーティングとは異なるコーティングで、前記ブレード本体をＰＶＤコーティングする工程とを含む請求項６に記載の製造方法。
【請求項８】
前記ＰＶＤコーティングの工程は、電力密度パルスが５Ｗ／ｃｍ２以上、好ましくは５０Ｗ／ｃｍ２以下、より好ましくは４０Ｗ／ｃｍ２以下、最も好ましくは３０Ｗ／ｃｍ２以下である高出力インパルスマグネトロンスパッタリングによって行われることを特徴とする請求項６又は７に記載の製造方法。
【請求項９】
電力はＤＣ電力発生器によって供給され、パルスはスパッタリングターゲットを供給するある材料から、別の材料及び／又はダミーターゲットに電力を切り替えることによって実現されることを特徴とする請求項８に記載の製造方法。
【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及びガスタービンエンジンのブレードに関する。本発明の第１の実施形態によれば、開示されたブレードは、タービンシール用途のクリアランス制御コーティングを切断及び成形するための物理的蒸着（ＰＶＤ）薄膜ハードコーティングを含む。このコーティングは、溶射されたＣｏＮｉＣｒＡｌＹ窒化ホウ素、ＮｉＣｒＡｌベントナイト、及びＮｉＣｒＡｌ窒化ホウ素のクリアランス制御コーティングと摩擦接触中に接触するブレードの改善された耐摩耗性をもたらす。
【背景技術】
【０００２】
タービンエンジンは、典型的にタービンケーシング又はハウジングによって円周方向に囲まれた軸上タービンブレードを組み込んでいる。一般に、ブレードの先端に近いタービンケーシングは、例えば、高い耐熱性及び耐侵食性を有する金属／セラミック材料で構成された複数の摩耗性のシュラウド材料（コーティング）で裏打ちされている。多くの場合、摩耗性の表面材料自体は、ある程度粗い。したがって、早期のブレード先端摩耗を引き起こすおそれがある２つの対向する要素間の接触を避けるため、ブレード先端のギャップＧが維持される。
【０００３】
基本的な構成を図１に示し、タービンケーシング１、ブレード根元７及びブレード先端９を含む、ブレード５を有するロータディスク３を示す。摩耗性シール１１、及び摩耗性シール１１とブレード先端９の間の先端ギャップＧも示している。
【０００４】
高圧ブレード側と低圧ブレード側の間で、ブレード先端の気流漏れを最小にするために、ブレード先端のギャップＧは、実際に可能な限り小さく選択されるべきである。
【０００５】
非常に小さいブレード先端ギャップＧを有するこのようなシステムを実現するために、当業界では、いわゆるスキーラ先端を使用することが知られている。特許文献１は、スキーラ先端を有するそのようなブレードを開示している。ランニング目的のために、初めて使用されるとき、これらの先端は、ケーシング又はハウジングの摩耗性コーティングと接触し、それによって最小ギャップＧを実現する。このようなスキーラ先端を形成するために、特許文献１は、タービンブレードの先端を切削工具のように作用させ、摩耗性基材を切削し、それによって成形するように選択される特殊な形状を開示している。残念なことに、摩耗損傷の問題は依然として存在する。特別な形状を有するこれらの先端は、ブレード先端速度と磨耗性シュラウド材料へのブレード先端の侵入速度との特定の組み合わせでしばしば摩耗性基材と接触したときに、先端が摩耗する傾向があるためである。これは例えば、溶射されたＣｏＮｉＣｒＡｌＹ窒化ホウ素、ＮｉＣｒＡｌベントナイト及びＮｉＣｒＡｌ窒化ホウ素のような特殊な摩耗性材料が使用される場合に、特に当てはまる。
【０００６】
非常に類似した別のアプローチが特許文献２に開示されており、上記と同じ目的を目指して、パターン化されたストリップコーティングが、摩耗性コーティングに対する研磨コーティングとして使用されている。利用されるコーティング材料は、ジルコニウム、イットリウム及び／又はアルミニウム酸化物の群から選択され、材料は、被覆される構造表面上に取り付けられた有孔マスクを介して溶射によって適用される。特許文献２は、この手順が堆積後のプロファイリング又は機械加工を回避するだろうと述べているが、提案されたプロセスの取扱う試行量はかなりの量であり、上記の摩耗性材料に対する摩耗損傷は重要な問題として残っている。
【０００７】
特許文献３においてＬｉｎｓｋａらは、電着により製造された、ブレード先端への耐摩耗性コーティングを開示している。これらの電着コーティングは、ブレード先端を強化し、したがって効果的に機能すると思われるが、しかし追加の製造工程を必要とする。摩耗保護層を電着させることの別の欠点は、電気メッキによって導電性材料のみが付着できるということである。これは、そのようなコーティングを比較的厚い（例えば、３００〜５０ミクロン）金属又は合金層に制限し、多くの場合、十分に耐摩耗性でない。
【０００８】
特許文献４において、翼の先端をコーティングする方法が開示されており、その方法は、機械的マスクを使用して翼の先端領域のみをＰＶＤコーティングに露出させる。ステライト、カーバイド又は窒化物コーティングの開示された厚さは、２５．４〜１２７μｍの間で言及されており、それらは、磨耗性に関して翼形部の所望の厚さ公差を保証すべきである。磨耗コーティングの最も好ましい唯一の例として、立方晶窒化ホウ素が、作動中に摩耗せず、翼の構造的完全性を保護する材料として開示されている。立方晶窒化ホウ素の使用は、一般的に知られている非常に高い硬度、耐摩耗性、及び１３００°Ｃまでの耐酸化性により、期待することができる。しかし、六方晶系窒化ホウ素の存在が主に観察されるため、技術的基材への堆積はかなり難易度が高い。また、成長中に生じるＰＶＤコーティングの高い応力は一般に、要求されるコーティング厚をかなり制限し、大部分のＰＶＤ被覆炭化物又は窒化物を翼の耐摩耗層としての用途に使用できないようにする可能性がある。
【０００９】
したがって、当技術分野では、上記した摩耗性基材との接触に対して耐摩耗性を示すブレード先端を有するブレードが必要とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】ＷＯ２０１５／０４１７８７
【特許文献２】ＵＳ５７５６２１７Ａ
【特許文献３】ＵＳ２０１５００７５３２７Ａ１
【特許文献４】ＵＳ２０１５０３６８７８６Ａ１
【特許文献５】ＥＰ０６７４０２０Ｂ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明によれば、ブレード先端は、例えば、切削工具の用途で知られているような、物理蒸着された薄膜コーティングで被覆される。
【００１２】
ガスタービンエンジンの圧縮機に同伴される固体粒子による腐食及び侵食に対して、タービンブレードにＰＶＤコーティングを使用することは既に知られている。例えば、特許文献５は、粒子によるこのような侵食に対する多層耐浸食コーティングを説明している。
【００１３】
しかし、本発明によれば、磨耗性基材との相互作用から生じる摩耗に対してブレード先端を補強するために、ＰＶＤコーティングが使用される。タービンの過酷な摩擦侵入条件下でのブレード材料の過度の摩擦加熱に起因して、及び／又は摩耗性コーティングが過度の高いバルク硬度状態に溶射される場合に生じる、重度の摩耗損傷がある。観察されたメカニズムは、ブレード材の加熱による軟化、極端なバルク塑性変形、及び破砕、並びにブレード材料のステータシュラウドへの移動である。ブレード材料（主にチタン合金に限定される）の燃焼はまた、結果として深刻なエンジン損傷とともに生じ得る。特定値よりも高い硬さを有する摩耗性シュラウドに対し、非効率的な切断で生じる極端なブレード切削力に起因して、ブレード材料の亀裂が生じる。
【００１４】
本開示の焦点は、指定されたＣｏＮｉＣｒＡｌＹ−ｈＢＮ、ＮｉＣｒＡｌ−ベントナイト、ＮｉＣｒＦｅＡｌ−ｈＢＮ及びＮｉＣｒＡｌ−ｈＢＮ摩耗性コーティングでの、１つ以上の金属合金又は金属合金酸化物材料成分による上記ブレード材料の２つの本体研磨摩耗に対する措置に関するものである（なお、ｈＢＮは、六方晶窒化ホウ素の略語として使用される）。
【００１５】
固定子（シュラウド）に対するロータ上のブレード間の侵入摩擦事象は、例えば以下のような多くの原因から生じ得る：
・回転子と固定子部品間の異なる熱膨張効果
・航空機のハードランディングや急上昇といった、エンジン状態又は負荷の急激な変化
・「過熱」運転条件
・急速なエンジン停止
・ケーシングの真円度外れによる歪み関連要因
・ベアリングのクリアランスと不安定性に起因するロータの振動
【００１６】
ブレード先端速度の特定の回転子侵入条件、及びブレードのステータ（シュラウド）への侵入速度の下では、ブレード先端の摩耗損傷が生じる可能性がある。さらに、クリアランス（摩耗性）コーティングが、その特定の硬度以上の硬度又は密度で溶射された場合、さもなければ起こらない広範囲の侵入条件にわたり、増加したブレード摩耗損傷が生じる可能性がある。
【００１７】
上記のような事象の結果としての磨耗の種類は、例えば砂又は汚れのような粒子がガス流内に同伴してタービンに入り、ブレードに衝突するときに生じる腐食衝撃による損傷とは非常に異なることに留意されたい。
【００１８】
したがって、本発明の目的は、例えば、
・チタン合金コンプレッサブレード
・ニッケル合金コンプレッサブレード
・ステンレス鋼コンプレッサブレード
における、上記の事象に起因する摩耗損傷の排除である。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明によれば、これは、タービンエンジンのコンプレッサ部における侵入摩擦事象中に、摩耗性クリアランス制御コーティング（例えば、ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ−ｈＢＮ、ＮｉＣｒＡｌ−ベントナイト、ＮｉＣｒＡｌ−ｈＢＮ、ＮｉＣｒＦｅＡｌ−ｈＢＮ）と接触するブレード表面に、薄膜物理蒸着（ＰＶＤ）ハードコーティングを施すことによって達成される。
【００２０】
言い換えると、本発明によれば、ブレード、特にブレード先端に塗布されたＰＶＤハードコーティングは、ブレード先端と摩耗性基材との相互作用から生じる磨耗から保護する目的を有する。
【００２１】
驚くべきことに、切削工具の用途から知られているＰＶＤコーティングは、特に、低圧・高圧の圧縮機ロータ、エアロエンジンのブリスク、及び産業用ガスタービン圧縮機ロータに使用されるチタン合金、ステンレス鋼及び／又はニッケル合金ブレードに被覆された場合、この文脈で有利に使用され、優れた保護性能を示すであろう。
【００２２】
以下では、この開示を通して、「ティッピング（tipping）」という表現が、コーティングを少なくとも先端に設けること、好ましくは同様にブレード先端の周辺に設けることを指すときに使用される。単語「周辺（periphery）」を定義するために、本発明によれば、ブレード表面上の点は、その点が、（回転軸から見て）取り付けられたブレードの最も外側の部分から、コーティング厚さの１００倍を超えない距離にある場合、ブレード先端の周辺部の一部とみなされる。
【００２３】
これまで、ティッピングの目的のために、ブレード先端にＰＶＤコーティングを適用することは当技術分野では知られていない。ブレードは、（生産に関して）最も経済的な解決として、何らかのティッピングを伴わずに一般に使用される。
【００２４】
一方、ティッピングが使用される場合では、公知の技術は、大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）及び高速酸素燃料（ＨＶＯＦ）溶射などの溶射技術によって堆積されたコーティングのような、より厚いハードコーティングに一般に限定される。これらの技術によって塗布されるコーティングは、一般に１００〜２００マイクロメートルの厚さであり、以下のような欠点を有する：
【００２５】
−ブレード先端材料に対する接着力が不十分である。ＡＰＳ及びＨＶＯＦコーティングは、コーティングされる表面に機械的に接着される。
−特に、高圧エアーコンプレッサーに使用される薄いブレード先端の場合、コーティング寸法（厚さ）と重量は大き過ぎである。
−被覆される材料の調製には、表面粗面化（例えば、グリットブラスト）が必要であり、これは、ブレード部品の機械的完全性を損なうおそれがある。
【００２６】
対照的に、ＰＶＤ技術によって先端に堆積されたコーティングは、主として基材材料に冶金学的に結合され、非常に高い接着強度を有し、ブレード材料に悪影響を与える可能性のある表面前処理技術を必要とせず、非常に硬く、耐酸化性である。本発明によれば、ＰＶＤによって堆積された先端コーティングは、ブレードチップに非常に薄い層として塗布できる。例えば１〜４０ミクロン、好ましくは５〜２５ミクロンの厚さであり、制御された固有のコーティング応力、及び中程度の表面粗さの利点を有する。同時に、ＰＶＤコーティングは高密度及び耐磨耗性を示す。
【００２７】
本発明によるＰＶＤコーティングでブレードをティッピングすることは、例えば、ブレードの先端及び／又は先端周辺に、薄く（例えば１〜４０ミクロンの厚さ）硬質の（例えば、１０００〜３５００ＨＶの真性皮膜硬度）ＰＶＤコーティング、例えば、窒化チタン（ＴｉＮ）、チタンアルミニウム窒化物（ＴｉＡｌＮ）、チタンシリコン窒化物（ＴｉＳｉＮ）、チタン・カーボン・ナイトライド（ＴｉＣＮ）、窒化クロム（ＣｒＮ）又はアルミニウムクロム窒化物（ＡｌＣｒＮ）、並びにこれらの組み合わせなど、を施すことができることを意味する。これらは、切削工具の文脈で典型的に使用されるハードコーティングである。
【００２８】
非常に驚くべきことに、本発明者らは、これらのＰＶＤコーティング、特に切削工具の分野で典型的に使用されるような硬質薄膜ＰＶＤコーティングにより、シュラウド内への広範囲のブレード侵入条件下で、ブレード磨耗損傷が減少及び／又は排除され得ることを見出した。さらに驚くべきことに、上記したように、これらの窒化物ベースのコーティングは、高温での耐酸化性が（例えば、酸化物又は立方晶窒化ホウ素よりも）著しく低いことが知られているが、言及した窒化物ベースのコーティングは早期の酸化を受けない。
【００２９】
なぜこれが機能するのかは完全には分からない。しかし、１つの可能な説明として、ブレード先端と摩耗性表面の相互作用に存在する状態は、高速切削工具が金属合金の加工物に作用しているときの状態とほぼ同様であることが言えるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】産業用又は航空宇宙用タービンの概略図であり、ブレード根元７及びブレード先端９、並びに摩耗性シール１１を有する、ロータディスク３上の少なくとも１つのブレード５を備える。摩耗性シール１１は、ブレード先端９の反対側でタービンケーシング１の内側に配置され、ギャップＧによって隔てられている。
【図２】被覆されたブレード先端領域９上及び周囲の均質なコーティング厚さ分布を模式的に表している。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、実施例を用いて本発明を詳細に説明する。
【００３２】
本発明者らは、広範囲の摩耗性材料についての研究を基礎としている。それらは（例えば、筐体上に）良好に被覆されているが、これらの材料の積層はＰＶＤコーティングと明確に区別するために、被覆シュラウドと命名される。
【００３３】
試験は、次のシュラウドコーティング材料に基づいている。
【００３４】
１．Ｎｉ４Ｃｒ４Ａｌ２１ベントナイト
製品名：Ｄｕｒａｂｒａｄｅ  ２３１３、Ｍｅｔｃｏ  ３１４ＮＳ、Ｍｅｔｃｏ  ３１２ＮＳ、Ｄｕｒａｂｒａｄｅ  ２３１１
【００３５】
これらは、安定化されたベントナイトコアを完全にカプセル化するニッケルクロムアルミニウム合金からなるサーメット粉末である。カプセル化は、化学的クラッド法を用いて達成される。これにより、丈夫で高品質の結合剤を含まない複合粉末が得られる。この粉末は、最終用途に適合するように、様々な耐食性及び摩耗性を有する基材を製造するように設計された。基材は、ニッケルベースの合金又はスチール製のハードウェアに擦れ合うように設計されている。
【００３６】
２．ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ−ｈＢＮ−ポリエステル
【００３７】
これら材料の基材内のＣｏＮｉＣｒＡｌＹ（コバルト−ニッケル−クロム−アルミニウム−イットリウム）マトリックスは、他のニッケル−クロムベースの摩耗性材料と比較して、改善された耐酸化性及び耐食性を提供する。窒化ホウ素成分は固体潤滑を提供し、それにより磨耗性を改善し、擦れ込み時のブレード摩耗を低減する。基材の気孔率は、３５〜６０体積％の範囲で変化し得る。これはコーティング内に封入されたポリエステルの量によって制御される。それは、この制御されたウェブ状の金属構造であり、チタン合金、鋼又は超合金部品に対する優れた破砕性を可能にする。
【００３８】
これらの基材は、最高７５０℃（１３８０°Ｆ）の使用温度で使用できる。しかし、６５０℃（１２００°Ｆ）を超えると、酸化に対する感受性が高まることが予想される。極端な環境条件下で使用する場合や、硬質で耐腐食性の高いコーティングが必要な場合は、ハードティップメイティングブレード又はナイフエッジが推奨される。Ｍｅｔｃｏ２０４２及びＭｅｔｃｏ２０４３のコーティングは、６５０℃（１２００°Ｆ）までの使用温度で、裸の、未処理のニッケル合金及びステンレス鋼部品によって容易に傷付く。裸の、ティップされていない（untipped）チタン部品に使用する場合は、５５０℃（１０２０°Ｆ）までの使用温度でＭｅｔｃｏ２０４２が推奨される。
【００３９】
３．ＮｉＣｒＦｅＡｌ−ｈＢＮ
製品名：Ｍｅｔｃｏ３０１Ｃ−ＮＳ及びＭｅｔｃｏ３０１ＮＳ、すなわちＮｉ１３Ｃｒ８Ｆｅ６．５ＢＮ３．５Ａｌ２．
【００４０】
ニッケルクロム合金／窒化ホウ素溶射粉末は、ニッケルクロム合金、六方晶窒化ホウ素、及びアルミニウムからなるサーメット複合材料であり、機械的クラッディング技術を用いて製造される。この粉末は、最終用途に適合するように、様々な耐食性及び摩耗性を有する基材を製造するように設計された。粉末は、燃料ガスとして水素又はアセチレンのいずれかを使用する燃焼粉末噴霧プロセスを用いて最もよく適用される。
【００４１】
４．アルミニウムブロンズポリエステル
製品名：Ｍｅｔｃｏ６０４ＮＳ、Ｍｅｔｃｏ６０５ＮＳ、Ｍｅｔｃｏ６１０ＮＳ
【００４２】
Ｍｅｔｃｏ６０４ＮＳ、Ｍｅｔｃｏ６０５ＮＳ、及びＭｅｔｃｏ６１０ＮＳは粉末材料であり、塩での腐食が懸念される海洋環境で動作する航空宇宙及び産業用のタービンクリアランス制御アプリケーション用の摩耗性基材を製造するように設計された。これら粉末の金属マトリックスは、予め合金化されたアルミニウムブロンズ材料である。特別に調合されたポリエステル材料をアルミニウムブロンズマトリックス材料と組み合わせて、低密度基材構造を形成する。Ｍｅｔｃｏ６０４ＮＳ及び６０５ＮＳの場合、ポリエステルは金属成分と混合される。Ｍｅｔｃｏ６１０ＮＳは、ポリエステル成分が固体有機バインダーを用いて金属成分に被覆されている複合材料である。
【００４３】
ＮｉＣｒＡｌ−ｈＢＮ−ポリエステルに関しては、米国特許出願：ＷＯ２０１１／０９４２２２Ａ１（Ｄｏｒｆｍａｎ、Ｗｉｌｓｏｎら）に記載されているような基材が参考になる。
【００４４】
本発明の技術的効果を実証するために、Ｏｅｒｌｉｋｏｎ  Ｂａｌｚｅｒｓの物理蒸着（ＰＶＤ）プロセスを用いて、ブレード先端に堆積されたＴｉＡｌＮコーティングの性能を試験したフレームで評価プログラムを実施した。したがって、ＴｉＡｌ６Ｖ４及びＩｎｃｏｎｅｌ７１８ブレードは、ＴｉＡｌで先端が被覆され、特定のＯｅｒｌｉｋｏｎ  Ｍｅｔｃｏ摩耗性基材に対して侵入試験が行われた。
【００４５】
ＴｉＡｌＮで先端が被覆されたＴｉＡｌ６Ｖ４合金ブレードを４５０℃で以下に対して擦り試験した。
１）Ｍ２０４２摩耗性基材：標準及び高硬度レベルＨＲ１５Ｙ  ３９及び６９のそれぞれ、並びに
２）Ｍ３１４ＮＳ摩耗性基材：標準硬度レベルＨＲ１５Ｙ  ５０
【００４６】
さらに、ＴｉＡｌＮで先端が被覆されたＩＮ７１８合金ブレードを７５０℃で以下に対して擦り試験した。
１）Ｍ２０４３摩耗性硬度ＨＲ１５Ｙ  ６７
２）Ｍ３１４摩耗性硬度ＨＲ１５Ｙ  ５０
全ての摩耗性基材は、スイスのＯｅｒｌｉｋｏｎ  Ｍｅｔｃｏ（ＯＭ−ＣＨ）所在地で溶射された。
Ｏｅｒｌｉｋｏｎ  Ｍｅｔｃｏ（ＯＭ）の侵入テスト施設で、一連の１６回の侵入テストを実施した。
試験は２５０及び４１０ｍ／ｓの速度で行われ、試験された侵入速度は５又は５００μｍ／ｓのいずれかであった。到達される侵入深さは１．０ｍｍであった。
【００４７】
与えられた試験条件下で、裸のチタン合金ブレードは、通常、Ｍｅｔｃｏ２０４２及びＭｅｔｃｏ  ２０４３の摩耗材（主に、低いブレード先端速度及び高い侵入率）に対して著しい磨耗を受ける。これとは対照的に、ＴｉＡｌＮティッピングは、磨耗性能の改善が見られ、その結果ブレード摩耗が観察されなかった。すなわちブレード摩耗が０％であった。これは、磨耗性コーティングシュラウド（公称１．０ｍｍ）へのブレード先端の総侵入深さの百分率として測定される。わずかに負のブレード摩耗値（例えば、−１．０％）が得られることもあったが、これはシュラウド材料のブレード先端へのわずかな移動を示すものであり、ブレード先端又は先端コーティングに損傷は観察されない。
【００４８】
Ｍｅｔｃｏ３１４ＮＳはまた、ティッピングの無い裸のＴｉＡｌ６Ｖ４ブレードを使用して摺擦したときのブレード摩耗を示した。しかし、これらのブレードをＴｉＡｌＮでティッピングした後、侵入テストは、ブレード摩耗無しの改善された摩擦性能を示した。
【００４９】
このプログラムは明らかに、ブレード先端部（例えばチタン合金及びニッケル合金ブレード先端など）への薄い硬質ＰＶＤコーティングの適用は、ブレード先端の摩耗損傷の劇的な低減が観察され得ることを示し、少なくとも７０ＨＲ１５Ｙまでの硬さ値に溶射された（ポストポリマーは熱処理状態で燃焼される）特定の摩耗性（クリアランス制御）基材材料における切削性能の改善を示している。
【００５０】
本発明の第２の実施形態は、例えばエアタービン、工業用ガスタービン及びターボチャージャのような高圧圧縮機のクリアランス制御用途に使用される摩耗性コーティングに関する。関係するブレード材料は、例えばチタン合金、ステンレス鋼合金及びニッケル基超合金である。
【００５１】
これらの用途のための最先端の摩耗性材料は、一般に熱安定性の低い金属合金であり、低酸化及び／又は焼結耐性を示す。それらは、ブレードの損傷を軽減するために、意図的により柔らかくより多孔性の状態で製造される。ここで、多くの場合ブレードには防護ティッピングがない。この結果、バルク硬度の低い摩耗性材料が得られる。摩耗性コーティングの多孔性は、金属合金のより大きな露出表面積に起因して、特に高温酸化を受けやすい。さらに、必要とされる、より高い多孔度は、コーティングの引張強さを弱め、耐浸食性を低下させる。特に、高温用途に焦点が当てられている場合、それらの材料は一般に耐熱性ではないという欠点がある。
【００５２】
最新技術によれば、熱的に安定なジルコニア系ポリエステルセラミック溶射粉末がある。これは、航空宇宙産業及び産業用ガスタービンエンジンのタービンセクションにおけるクリアランス制御用途のために、高温摩耗性コーティングとして一般に使用されている。ここでブレード合金は一般に、ニッケルベースの超合金から製造される。さらに、多孔質、耐熱ニッケル及びコバルト合金ベースのコーティングは、航空宇宙産業及び産業用ガスタービンエンジンの高圧圧縮機領域においても使用され、ブレード合金はチタン合金、ステンレス鋼又はニッケルベースの超合金のいずれかから製造される。しかし、より高温のシーリング用途の大部分については、ステンレス鋼合金又はニッケル合金がこれらの硬質セラミック摩耗に対して過度の摩耗を示すため、それぞれのブレード先端は、確立された電気めっき及び裸のチタン合金のような高温ろう付け技術を用いて適用される立方晶窒化ホウ素研磨粒子で覆わなければならない。加えて、特にチタン合金が使用される場合、高硬度摩耗性コーティングに対して摩耗されると、チタン火災の可能性がある。
【００５３】
上記の第１の実施形態は、磨耗物質によって誘発される磨耗から保護するためにブレード先端に適用される硬質薄膜コーティングを開示している。驚くべきことに、本発明者らはさらに、裸のブレード先端が硬質で耐摩耗性の薄膜コーティングで被覆されている場合、耐高温シュラウド材料（溶射された多孔質ジルコニア酸化物、又はアルミン酸マグネシウム（マグネシウムスピネル）といった他の多孔質低密度セラミック）でさえ、ブレード先端を損傷しないシュラウド材料として使用することができることを発見した。これにより、航空機タービン、産業用ガスタービン及びターボチャージャの低圧と高圧のコンプレッサ領域の両方において、熱的に安定な（高融点、高耐酸化性）セラミック又は金属間化合物ベースのクリアランス制御材料を特別に使用可能としている。
【００５４】
高圧圧縮機クリアランス制御（摩耗性）用途の現在の技術水準は、以下のような摩耗性コーティングである：
・セラミック摩耗物質よりもバルク硬度が低い（柔らかい）。
・セラミック摩耗物質よりも多孔質である。
・セラミックよりも低い熱安定性（酸化及び焼結抵抗）を有する一般的な金属合金である。
【００５５】
それらは、ブレード損傷を軽減するために（多くの場合、ブレードには防護ティッピングない）、より柔らかくより多孔性の状態で製造される必要がある。一方、ブレードの損傷（摩耗）をなくすために、ブレードの先端をコーティングすることが知られている。ブレードの先端に堆積されたＴｉＡｌＮ及びＡｌＣｒＮのようなＰＶＤ薄膜コーティングは、ターボ機械で使用される。
【００５６】
ブレード材料の例は次のとおりである。
・チタン合金、例えば、ＴｉＡｌ６Ｖ４、Ｔｉ６２４２、γＴｉＡｌ型（Ｔｉ−４５Ａｌ−８Ｎｂ）。
・ステンレス鋼合金、例えば、１７−４ＰＨ鋼。
・ニッケル基超合金、例えば、インコネル７１８。
【００５７】
薄膜硬質コーティングは摩耗保護効果が非常に高いので、より高い熱安定性（高い融点／耐焼結性、高い耐酸化性）を有する、より硬い摩耗性シュラウド材料（例えば溶射された多孔質ジルコニア酸化物コーティングであり、Ｍｅｔｃｏ２４６０（Ｍ２４６０）など）を有利に使用できることを、今回本発明者らは発見した。
【００５８】
物理蒸着（ＰＶＤ）プロセスを使用して、ＴｉＡｌＮコーティングをブレード先端（インコネル７１８）上に堆積させた。Ｍｅｔｃｏ２４６０ＮＳ摩耗性コーティングの２つの異なるセットに対して試験された侵入物を溶射した。侵入テスト施設で２回の侵入テストを実施した。第１試験は、ＴｉＡｌブレード先端コーティングを硬質版のプラズマ溶射Ｍ２４６０ＮＳコーティングに擦りつけたものであり、第２試験は、標準的な溶射パラメータを用いてプラズマ溶射した別のＭ２４６０ＮＳコーティングのセットを用いて行った。
【００５９】
どちらの試験も以下のように実施された：
・ブレード先端速度４１０ｍ／ｓ。
・侵入率５０μｍ／ｓ。
・シュラウド温度１１００°Ｃ。
・侵入深さは０．２ｍｍ又は０．５ｍｍ。
【００６０】
Ｍ２４６０ＮＳは、ジルコニアベースのポリエステルセラミック溶射粉末である。これは、先に述べたように、航空宇宙産業及び産業用ガスタービンエンジンのタービン部分におけるクリアランス制御用途のための高温摩耗性コーティングとして一般に使用され、従来技術では、立方晶窒化ホウ素がブレード材料として使用される。
【００６１】
このコーティングの以下２つの変形物は溶射により製造され、熱処理してポリエステル多孔性形成剤を燃やした。
【００６２】
高硬度Ｍ２４６０ＮＳ：マクロ硬度は、平均５９ＨＲ１５Ｎ（ポリマー焼き切れ状態）で測定した。このＭ２４６０ＮＳ摩耗性コーティング試料を、ポリマー焼き切れ（５５０℃／６ｈ）後に試験した。ブレード先端速度４１０ｍ／ｓ、及び侵入速度５０μｍ／ｓを用いた試験運転は、ブレード摩耗の無い良好な摩擦性能を示した。
【００６３】
標準硬度Ｍ２４６０ＮＳコーティング：マクロ硬度は、平均３６ＨＲ１５Ｎ（ポリマー焼き切れ状態）で測定した。このＭ２４６０ＮＳ摩耗性コーティング試料は、ポリマー焼き切れ状態（５５０℃／６時間）後に試験した。ブレード先端速度４１０ｍ／ｓ、及び侵入速度５０μｍ／ｓを用いた試験は、ブレード摩耗が無く、表面ブレード高さの増加（侵入深さのパーセンテージとして２．１％のブレード高さの増加）に関連して良好な摩擦性能を示した。
【００６４】
Ｍ２４６０シュラウドに対して侵入試験を行った場合、ノンチップ（非コーティング）のインコネル７１８ブレードで見られる典型的なブレードの摩耗は、侵入深さ全体に対するパーセンテージとして７０〜１００％摩耗の範囲内にある。典型的には、Ｍ２４６０シュラウドに対して侵入試験が行われたときに、最先端の立方晶窒化ホウ素がチップされたインコネル７１８ブレードについて、ゼロブレード摩耗が見られる。
【００６５】
驚くべきことに、ＴｉＡｌＮで被覆されたブレード先端部について見られる領域は、最先端の立方晶窒化ホウ素がチップされたブレードについて見られる領域に類似している。すなわち、全侵入深さのパーセンテージとして、ゼロブレード摩耗である。
【００６６】
これらの結果に基づいて、先端がＡｌＣｒＮでコーティングされている場合、その範囲は、それ以上とは言えない場合でも、少なくとも同等であると推定される。特に、高温範囲では、ＡｌＣｒＮが好ましい場合がある。おそらく、これはこのＰＶＤコーティングの温度安定性の向上に戻るだろう。
【００６７】
ポスト侵入試験（カット）シュラウド表面の表面粗さ測定を行い、市販の標準ブレード先端（摩耗性立方窒化ホウ素）を用いて切断したのと比較した。結果（以下の表１及び２に示す）は、ＰＶＤでチップされたブレードが、より滑らかでより低い表面仕上げを生成することを示した。このような改善は、航空ターボ機械のすべての部分（コンプレッサー及びタービン）における航空宇宙クリアランス制御アプリケーションにとって重要である。
【００６８】
表１は、本発明のＰＶＤがチップされたブレードに対し侵入後のＭ２４６０ＮＳシュラウド粗さを示す。
【表１】
2018535322.tif 000003
【００６９】
表２は、従来技術によるｃＢＮでチップされたブレードに対し侵入後のＭ２４６０ＮＳシュラウド粗さを示す。
【表２】
2018535322.tif 000004
【００７０】
ブレード上のＴｉＡｌＮ及び／又はＡｌＣｒＮのＰＶＤコーティングの使用によって観測される改善：
・チップされていないブレードと比較して、ブレード摩耗をゼロに低減された（典型的に、ブレード摩耗は総侵入深さの７０〜１００％である）。
・従来技術の立方晶窒化ホウ素でチップされたブレードについて観測されたのと同等のブレード摩耗（ゼロ）である。
・シュラウドの表面粗さが、従来技術の立方晶窒化ホウ素でチップされたブレードについて観測されたのと比べ、改善された。
・従来技術の立方晶窒化ホウ素でチップされたブレードで観察されているものよりも、低コスト、低次元（コーティング厚さ）及びより高い製造堅牢性を有する。特に、複雑な先端形状を有する、より薄いブレード先端がＰＶＤ技術によってコーティングされ易いことは、技術水準を超える顕著な利点を提供する。
・硬質の薄膜ＰＶＤコーティングを使用して、ニッケル超合金及びステンレス鋼ブレード材料の成形及びコーティングが容易であるため、これらは、現在、ターボ機械の高圧圧縮機部分で使用するために多孔質セラミック系の摩耗性材料を使用可能とし、
ｉ）耐酸化性
ｉｉ）焼結抵抗
ｉｉｉ）耐食性
の点で、従来技術の高圧圧縮摩耗材（金属合金ベース）を超える大きな性能上の利点を有する。
・硬質の薄膜ＰＶＤコーティングを使用して、チタン合金のような他のブレード材料をコーティングすることが容易であるため、現在では、ターボ機械の低圧圧縮機部分に使用する多孔質セラミックベースの摩耗材を使用する機会が開かれており、次の大きな利点がある。
ｉ）耐食性
ｉｉ）従来技術の低圧圧縮機の摩耗部材（一般に、アルミニウム合金ベース）に比べて、改善された熱膨張の不釣り合い及び残留応力の適合性。
【００７１】
硬質薄膜で被覆されたブレード先端と、磨耗部材としての熱的に安定な多孔質セラミックシュラウドとの組み合わせは、従来技術と比較して有利であることが開示されている。硬質薄膜コーティングは、Ｍｅ１Ｍｅ２Ｘのような複合材料をふくむことが好ましい。Ｍｅ１は、好ましくはＴｉ、Ｃｒ、Ｚｒ又はそれらの組み合わせによって形成される群の要素であり、Ｍｅ２は、好ましくはＡｌ及び／又はＳｉであり、Ｘは、好ましくはＮ、Ｏ、Ｂ又はそれらの組み合わせによって形成される群の要素である。当業者であれば、ブレード先端にこのようなコーティングを効率的に塗布するための多数の方法を知っており、その中でも、陰極アーク蒸着又はスパッタリングのような物理蒸着が好ましい。
【００７２】
本発明の別の態様によれば、硬質薄膜コーティングでブレードを被覆する方法が開示されている。この態様は、ブレードの先端及び磨耗性シュラウドに対するこれら先端の保護だけでなく、侵食粒子（例えば、高速、かつブレード表面への複数の入射角での塵埃の衝突など）に対するブレードの保護にも関連する。
【００７３】
既に上記したように、このような薄膜コーティングをブレード表面に適用するための好ましい方法の１つは、物理蒸着法である。例としては、陰極アーク蒸発及びスパッタリングがある。典型的には、陰極アーク蒸発は、非常に緻密で硬い層を提供し、これは本発明に関連する用途において有利である。
【００７４】
密度は、堆積される粒子が高度に正に帯電しているときに実現できる。基材に負のバイアス電圧を印加することにより、これらのイオンが被覆される表面に加速される。しかし、アーク蒸発中に典型的に生成され、表面上に堆積され、薄膜に組み込まれる、いわゆる液滴（droplet）のために、得られるコーティングは一般に、かなりの表面粗さを有する。
【００７５】
先端をコーティングするという文脈で既に説明したように、そのような粗さは不利であるかもしれない。これとは別に、ブレード表面の表面粗さは、侵食粒子が攻撃可能な複数のセンターを生成し、侵食に対する保護を自然に弱める浸食のセンターを複数生成する。さらに、表面粗さは、偶発的で制御が困難な方法でタービン内の流れに不都合な影響を及ぼす。
【００７６】
陰極アーク蒸発の間に、そのような液滴が薄膜又はその表面へ堆積されたり、取り込まれたりすることをほぼ回避する技術がある。例えば、ろ過されたアークを使用できる。ここで、磁気及び／又は電場が、堆積される荷電粒子の飛行に影響を及ぼすために使用される。液滴は帯電していないか、又は主に巨視的であり、かなり加速されなければならないので、コーティング粒子は、コーティングされる基材に向かう途中で液滴から分離される。
【００７７】
スパッタリングは、物理蒸着に基づいて基材に薄膜を適用する別の好ましい方法である。スパッタリングという文脈では、いわゆる作動ガスのイオン化粒子がスパッタリングターゲットの表面上に加速される。これらのイオンがターゲット表面に衝突すると、ターゲット材料の粒子が飛び出す。
【００７８】
イオン化された作動ガス粒子の加速は、ターゲットに印加された負の電圧に基づく。これららの粒子とともにターゲットの衝撃がそれを加熱するので、ターゲットが一般に動作することができるエネルギー密度は限られている。スパッタされた薄膜は、堆積中に液滴が形成されないので、カソードアーク蒸発によって堆積された薄膜と比較してより小さい表面粗さを示す。しかし、一般に、スパッタされた粒子は帯電しないか、又はイオン化の程度は少なくとも非常に低い。したがって、これらの粒子は、一旦ターゲットを提供する材料の表面を離れると、コーティングされる表面の方向に加速されないことがある。本発明の発明者らは、ブレードにコーティングするための特殊なＰＶＤコーティング方法を見出し、また使用するアイデアを有している。その方法は、膜に液滴を混入させることなく高密度薄膜をもたらす。
【００７９】
それぞれの方法はスパッタリングに基づいているが、スパッタリングプロセスが実行されるエネルギー密度は従来のスパッタリングと比較して劇的に増加する。このような増加は、ターゲット表面から放出された荷電粒子を生じさせ、したがって荷電されたコーティング粒子を基材への方向に加速するために、負のバイアスをコーティングされる基材に印加することができる。ターゲットの加熱は、周期的に、ターゲットへのそれぞれの電圧を高周波で遮断することで回避することができる。
【００８０】
このいわゆるＨＩＰＩＭＳは、上記のようにスパッタリング法であるが、高周波で良好に整形され再現性の高い高出力パルスを提供する複雑な発電機が必要とされる、という欠点を有する。本出願人によって開発された別のスパッタリング法の文脈では、電力はスイッチオフされず、単に異なるターゲット及び／又は電力ダンプに切り替えられる。出願人は、この方法を「Ｓ３ｐ」の商標のもとで提供している。それぞれのスパッタリング方法を実施する一例の詳細な説明は、特許出願ＷＯ２０１３／０６０４１５Ａ１から見出すことができる。
【００８１】
本発明の一態様によれば、コーティング粒子を次のような速度に加速できる。すなわち、コーティング粒子を表面に当てたときに、それらは、ブレードの使用中に表面に衝突するダスト粒子の予想される平均速度と同じオーダーの速度を有する。
【００８２】
好ましくは、硬質薄膜コーティングは、ＨＩＰＩＭＳによって生成され、特にＳ３ｐによるのが好ましく、Ｍｅ１Ｍｅ２Ｘのような複合材料を含む。ここで、Ｍｅ１は、好ましくはＴｉ、Ｃｒ、Ｚｒ又はこれらの組み合わせによって形成される群の要素であり、Ｍｅ２は、好ましくはＡｌ及び／又はＳｉであり、Ｘは、好ましくはＮ、Ｏ、Ｂ又はそれらの組み合わせによって形成される群の要素である。
【００８３】
上記の説明で言及した全てのＰＶＤコーティングは、単層又は多層コーティングであってもよい。それらは、タービンブレード基材の間に接着層でもって塗布できるが、好ましくは基材材料自体の上に直接塗布できる。多層の場合、中間層（例えば、金属中間層）が予見され得る。被覆深さの機能として、材料組成物中に勾配を含む１つ以上の層を有することも可能である。しかし、好ましいのは単層であり、特に好ましくはＡｌＣｒＮ単層である。
【００８４】
ブレード先端と比べてブレード本体表面を別のコーティングで被覆することも可能である。例えば、ブレードの全ての露出した表面部分をブレード先端に使用されるコーティングで被覆することができる。これは、好ましくはＡｌＣｒＮ単層である。この後、先端をマスクし、他の表面部分をコートすることができ、加えて、ダスト粒子が表面に衝突するためのより柔らかい薄膜材料を塗布することも可能である。
【００８５】
タービンエンジンは、ケーシングと、ケーシング内に回転可能に取り付けられた少なくとも１つのタービンブレードとを備え、ケーシング内面の少なくとも一部は、少なくとも１つのブレードの内面と先端との間のクリアランス制御を提供するための磨耗材としてのシュラウドで被覆され、ブレード先端が硬質ＰＶＤコーティングで被覆されている、タービンセクションを開示しており、シュラウド材料は、多孔質セラミック系材料を少なくとも含み、好ましくは多孔質セラミック系材料であることを特徴としている。
【００８６】
ＰＶＤコーティングは、Ｍｅ１Ｍｅ２Ｘなどの複合材料を含むコーティングであってもよい。ここで、Ｍｅ１は、好ましくはＴｉ、Ｃｒ、Ｚｒ又はこれらの組み合わせによって形成される群の要素であり、Ｍｅ２は、好ましくはＡｌ及び／又はＳｉであり、Ｘは、好ましくはＮ、Ｏ、Ｂ又はそれらの組み合わせによって形成される群の要素である。シュラウド材料は、少なくともジルコニア系ポリエステルセラミック材料を含むことができ、好ましくはジルコニア系ポリエステルセラミック材料である。
【００８７】
上記のようなタービンエンジンに係る、タービンエンジンの製造方法が開示されており、この方法は、
−  シュラウド材料をケーシングの内面に溶射する工程と、
−  ケーシング内で使用されるブレードの少なくとも先端をＰＶＤコーティングする工程とを含む。
【００８８】
ＰＶＤコーティングのステップは、電力密度パルスが５Ｗ／ｃｍ２以上の高出力インパルスマグネトロンスパッタリングによって実施することができ、好ましくは５０Ｗ／ｃｍ２以下、より好ましくは４０Ｗ／ｃｍ２以下、最も好ましくは３０Ｗ／ｃｍ２以下である。
【００８９】
電力は、ＤＣ電力発生器によって供給することができ、パルスは、スパッタリングターゲットを供給するある材料から別の材料、及び／又はダミーターゲットに電力を切り替えることによって実現される。
【００９０】
驚くべきことに、高出力インパルスマグネトロンスパッタリングによって製造されたＰＶＤコーティング９５は、ブレード先端９で測定された平均コーティング厚さｔと約１０％の最大偏差を有する均一なコーティング厚さ分布をさらに示している。コーティング厚さ及び特性の高い均一性は、図２に示すように、タービンブレードの周りだけでなく、ブレード先端９とタービンブレードのマントル表面９１との間のコーティングされたコーナに沿っても当てはまる。本質的に液滴を含まないコーティングは、作業中におけるコーティング不良の可能性を低減する非常に高密度な構造を示すことが明らかになった。この特徴は、金属又はセラミックのシュラウド材料に対するＰＶＤコーティングの高い耐久性の原因となり、その細孔容積にほとんど影響を受けないと考えられる。
【００９１】
本発明のＰＶＤコーティングのいくつかの変種、例えばＴｉ５０Ａｌ５０Ｎ、Ｔｉ４０Ａｌ６０Ｎ、Ｔｉ３３Ａｌ６７Ｎ、並びにＡｌ５０Ｃｒ５０Ｎ、Ａｌ６０Ｃｒ４０Ｎ、Ａｌ７０Ｃｒ３０Ｎが堆積され、同様に良好な被覆厚さ分布を達成した。最良の性能結果は、Ｍｅ１Ｍｅ２ＸのＭｅ２／（Ｍｅ１＋Ｍｅ２）（ここで、コーティングの金属成分のみを考慮）から計算したとき、ＰＶＤコーティング９５が４０〜７０ａｔ％のＭｅ２含有量を示す際に達成された。
【００９２】
本発明のＰＶＤコーティングは、薄層（例えば、１〜４０ミクロン、好ましくは５〜２５ミクロンの厚さ）として堆積できることが分かった。
【符号の説明】
【００９３】
１  タービンケーシング
３  ロータディスク
５  ブレード
７  ブレード根元
９  ブレード先端
１１  摩耗性シール
９１  マントル表面
９５  ＰＶＤコーティング
Ｇ  ギャップ
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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2018535322.tif 000008
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