(57)【要約】  第１の表面改質層（１４）と第２の表面改質層（１６）とによって覆われたベース材料（１２）から形成される耐疲労性タービン通しボルト（１０）が開示されている。第１の表面改質層（１４）は、ベース材料（１２）に接触していて、タービン通しボルト（１０）の外面（１８）における残留圧縮応力を増大させる低塑性バニシング層である。第２の表面改質層（１６）は、第１の表面改質層（１４）を覆っていて、低塑性バニシング層上のスピネル酸化層である。第１及び第２の表面改質層（１４，１６）はフレッティング疲労破壊の可能性を減じる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービン通しボルト（１０）であって、
第１の表面改質層（１４）と第２の表面改質層（１６）とによって覆われたベース材料（１２）を有しており、
前記第１の表面改質層（１４）は、前記ベース材料（１２）に接触していて、前記タービン通しボルト（１０）の外面（１８）における残留圧縮応力を増大させる低塑性バニシング層であり、
前記第２の表面改質層（１６）は、前記第１の表面改質層（１４）を覆っていて、前記低塑性バニシング層上のスピネル酸化層であることを特徴とする、タービン通しボルト（１０）。
【請求項２】
前記ベース材料（１２）は、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｃｒの組み合わせから少なくとも形成されるインコネル７１８である、請求項１記載のタービン通しボルト（１０）。
【請求項３】
前記ベース材料（１２）は、５０パーセント〜５５パーセントのニッケル、１７パーセント〜２１パーセントのクロム、１パーセントまでのコバルト、０．６５パーセント〜１．１５パーセントのチタン、４．７５パーセント〜５．５パーセントのコロンビウム及びタンタル、０．２パーセント〜０．８パーセントのアルミニウム、２．８パーセント〜３．３パーセントのモリブデン、及び残りの鉄の組み合わせから少なくとも形成される、請求項１記載のタービン通しボルト（１０）。
【請求項４】
前記第２の表面改質層（１６）はインコネル７１８から形成される、請求項１記載のタービン通しボルト（１０）。
【請求項５】
前記第１の表面改質層（１４）は少なくとも０．０４０インチの厚さを有している、請求項１記載のタービン通しボルト（１０）。
【請求項６】
前記第１の表面改質層（１４）は、前記タービン通しボルト（１０）の軸（２４）上に位置する少なくとも１つのタービン通しボルト接触面（２０）上に位置している、請求項１記載のタービン通しボルト（１０）。
【請求項７】
前記第２の表面改質層（１６）は、前記タービン通しボルト（１０）の前記軸（２４）上に位置する前記少なくとも１つのタービン通しボルト接触面（２０）上の前記第１の表面改質層（１４）上に位置している、請求項６記載のタービン通しボルト（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フレッティング疲労亀裂の発生及び伝播を減じるためのタービン通しボルト上の１つ以上の表面改質に関し、特に、フレッティング疲労亀裂の発生及び伝播を減じるために低塑性バニシング層、又はスピネル酸化層、又はその両者を有するタービン通しボルトに関する。
【背景技術】
【０００２】
図１に示すように、インコネル７１８材料から成るタービン通しボルトは、工業用ガスタービンエンジンにおける通しボルトシールディスク接触位置でのフレッティング高サイクル疲労による破壊という問題を有している。亀裂は、フレッティング高サイクル疲労により生じ、亀裂伝播は高サイクル疲労により生じるものであると確定されている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
この出願は、ボルトに関するものであり、このボルトは例えば、第１の表面改質層又は第２の表面改質層又はその両者により被覆されたベース材料から形成される耐疲労性タービン通しボルトであるが、これに限定されるものではない。第１の表面改質層はベース材料に接触していてよく、少なくとも１つの態様では、タービン通しボルトの外面における残留圧縮応力を増大させる低塑性バニシング層であってよい。第２の表面改質層は第１の表面改質層を覆っていてよく、少なくとも１つの態様では、低塑性バニシング層の上のスピネル酸化層であってよい。第１の表面改質層は、タービン通しボルトの軸上に位置する１つ以上のタービン通しボルト接触面上に位置していてよい。第２の表面改質層は、タービン通しボルトの軸上に位置するタービン通しボルト接触面上の第１の表面改質層上に位置していてよい。第１の表面改質層及び第２の表面改質層は、フレッティング疲労破壊の可能性を減じることができる。
【０００４】
タービン通しボルトは、第１の表面改質層と第２の表面改質層とによって覆われたベース材料から形成されてよい。第１の表面改質層はベース材料に接触していてよく、タービン通しボルトの外面における残留圧縮応力を増大させる低塑性バニシング層であってよい。第２の表面改質層は、第１の表面改質層を覆っていてよく、低塑性バニシング層上のスピネル酸化層であってよい。ベース材料は、少なくともＮｉ、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｃｒの組み合わせから形成されるインコネル７１８であってよい。少なくとも１つの態様では、ベース材料は少なくとも、５０パーセント〜５５パーセントのニッケル、１７パーセント〜２１パーセントのクロム、１パーセントまでのコバルト、０．６５パーセント〜１．１５パーセントのチタン、４．７５パーセント〜５．５パーセントのコロンビウム及びタンタル、０．２パーセント〜０．８パーセントのアルミニウム、２．８パーセント〜３．３パーセントのモリブデン、及び残りの鉄の組み合わせから形成されてよい。少なくとも１つの態様では、ベース材料は、１２．２５パーセント〜２３．６パーセントの鉄を含んでいてよい。第１の表面改質層は、タービン通しボルトの軸上に位置する少なくとも１つのタービン通しボルト接触面上に位置していてよい。第１の表面改質層は、少なくとも０．０４０インチの厚さを有していてよい。第２の表面改質層は、タービン通しボルトの軸上に位置する少なくとも１つのタービン通しボルト接触面上の第１の表面改質層上に位置していてよい。第２の表面改質層は、インコネル７１８材料のスピネル酸化物から形成されてよい。少なくとも１つの態様では、スピネル酸化物は、ベース材料の組成に対して好ましい（Ｎｉ、Ｆｅ）酸化物；（Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔｉ）酸化物；（Ｃｒ）酸化物、又はその他のスピネル酸化物から形成されていてよい。
【０００５】
タービン通しボルトは、接触摩擦応力を減じるための低摩擦係数表面改質を伴うタービン通しボルトを形成する方法を使用して形成されてよい。この方法は、少なくとも１つのベース材料から形成されるタービン通しボルトの受容を含んでいてよい。タービン通しボルトは、最終的なフライス加工後又は研削加工後、又はその両者の後に受容されてよい。この方法は、残留圧縮応力を発生させるために、タービン通しボルトの軸上に位置するタービン通しボルト接触面に低塑性バニシング処理することを含んでもよく、これによりタービン通しボルト接触面上に第１の表面改質層を形成することを含んでいる。タービン通しボルト接触面に低塑性バニシング処理を施すことは、少なくとも１００ｋｓｉの残留圧縮応力を発生させるために、タービン通しボルト接触面に低塑性バニシング処理を施すことを含んでもよい。この方法は、第１の表面改質層の上に第２の表面改質層を形成するために、５９３℃以下の温度を有する酸化環境内でタービン通しボルトを低温応力解放プロセスに２時間〜４８時間さらすことも含んでいてよい。ベース材料から形成されるタービン通しボルトを受容するステップは、少なくともＮｉ，Ｆｅ，Ｍｏ及びＣｒの組み合わせから形成されてよいインコネル７１８から成るベース材料から形成されるタービン通しボルトを受容することを含んでいてよい。少なくとも１つの態様では、ベース材料から形成されるタービン通しボルトを受容するステップは、ベース材料インコネル７１８から形成されるタービン通しボルトを受容することを含み、ベース材料は少なくとも、５０パーセント〜５５パーセントのニッケル、１７パーセント〜２１パーセントのクロム、１パーセントまでのコバルト、０．６５パーセント〜１．１５パーセントのチタン、４．７５パーセント〜５．５パーセントのコロンビウム及びタンタル、０．２パーセント〜０．８パーセントのアルミニウム、２．８パーセント〜３．３パーセントのモリブデン、及び残りの鉄の組み合わせから形成されてよい。少なくとも１つの態様では、ベース材料は、１２．２５パーセント〜２３．６パーセントの鉄を含んでいてよい。第１の表面改質層又は第２の表面改質層又はその両者がタービン通しボルトに被着された後、タービン通しボルトを機械加工又は熱処理する必要はない。
【０００６】
低塑性バニシング層から形成される第１の表面改質層を有するタービン通しボルトの利点は、低塑性バニシング層が、タービン通しボルト表面における残留圧縮応力を増大させ、これにより、亀裂開始の可能性が減じられ、機械加工により発生するタービン通しボルト上のあらゆる目下の残留引張表面応力が効果的に除去されることにある。
【０００７】
スピネル酸化表面改質層から形成される第２の表面改質層を有するタービン通しボルトの別の利点は、スピネル酸化表面改質層が低摩擦係数表面改質層を形成し、低摩擦係数表面改質層が、タービン通しボルト接触面がタービンエンジンの露出金属面に対して付着滑り状態となることを阻止し、これによりフレッティング疲労の可能性が減じられることにある。
【０００８】
タービン通しボルトのさらに別の利点は、スピネル酸化表面改質層が付着潤滑剤として機能し、摩擦係数を減じるので、接触面における摩擦応力が減じられることにある。
【０００９】
これらの実施の形態及びその他の実施の形態を以下でさらに詳細に説明する。
【００１０】
明細書の一部に組み込まれ、明細書の一部を形成する添付の図面は、ここに開示される発明の実施の形態を例示し、詳細な説明と共に本発明の原理を開示する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】タービン通しボルト表面が残留圧縮応力又はスピネル酸化層を有していなかったために破壊されたタービン通しボルトを示す斜視図である。
【図２】インコネル７１８のレーザー衝撃処理（ＬＳＰ）、低塑性バニシング層処理（ＬＰＢ）、重力式ピーニング（ＧＰ）、及びショットピーニング（ＳＰ）のそれぞれについて残留応力を圧縮深さと対比して示したグラフである。
【図３】インコネル７１８のレーザー衝撃処理（ＬＳＰ）、低塑性バニシング層処理（ＬＰＢ）、重力式ピーニング（ＧＰ）、及びショットピーニング（ＳＰ）のそれぞれについて冷間加工率対深さの冷間加工率分布を示したグラフである。
【図４】室温及び５００℃以上の温度でのインコネル７１８のフレッティング疲労曲線を示すグラフであり、インコネル７１８上にスピネル酸化物を形成することにより、フレッティング疲労限界が５００℃以上でほぼ３００パーセント向上する様子が示されている。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１〜図４に示すように、本発明はタービン通しボルト１０に関する。このタービン通しボルト１０は例えば、第１の表面改質層１４又は第２の表面改質層１６又はその両者により被覆されたベース材料１２から形成された耐疲労性タービン通しボルト１０であるが、これに限定されるものではない。第１の表面改質層１４はベース材料１２に接触していてよく、少なくとも１つの態様では、タービン通しボルト１０の外面１８における残留圧縮応力を増大させる低塑性バニシング層であってよい。第２の表面改質層１６は第１の表面改質層１４を覆っていてよく、少なくとも１つの態様では、低塑性バニシング層の上のスピネル酸化層であってよい。第１の表面改質層１４は、タービン通しボルト１０の軸２４上に位置する１つ以上のタービン通しボルト接触面２０上に位置していてよい。第２の表面改質層１６は、タービン通しボルト１０の軸２４上に位置するタービン通しボルト接触面２０上の第１の表面改質層１４上に位置していてよい。第１の表面改質層１４及び第２の表面改質層１６は、フレッティング疲労破壊及び接触疲労破壊の可能性を減じることができる。
【００１３】
タービン通しボルト１０は、タービン通しボルトヘッド２２から形成されていてよく、このタービン通しボルトヘッド２２は、タービン通しボルトヘッド２２から横方向に延在する軸２４に結合されている。タービン通しボルトヘッド２２は、軸２４より大きくてよく、軸２４に隣接して位置するボルトヘッド２２の側に１つ以上のタービン通しボルト接触面２０を有していてよい。軸２４、タービン通しボルト長さ、及びその他の態様は、任意の適当なサイズを有することができる。タービン通しボルト１０は、インコネル７１８のようなベース材料１２から形成することができるが、これに限定されるものではない。少なくとも１つの態様では、ベース材料は少なくとも、５０パーセント〜５５パーセントのニッケル、１７パーセント〜２１パーセントのクロム、１パーセントまでのコバルト、０．６５パーセント〜１．１５パーセントのチタン、４．７５パーセント〜５．５パーセントのコロンビウム及びタンタル、０．２パーセント〜０．８パーセントのアルミニウム、２．８パーセント〜３．３パーセントのモリブデン、及び残りの鉄の組み合わせから形成されてよい。少なくとも１つの態様では、ベース材料は、１２．２５パーセント〜２３．６パーセントの鉄を含んでいてよい。少なくとも１つの態様では、インコネル７１８は、６５０℃での長期使用までの極低温用に使用される高強度ニッケル基超合金から形成されていてよい。インコネル７１８は、焼きなまし状態で又は析出（時効）硬化状態で製造されてよく、また溶接されてよい。インコネル７１８は、９２５℃〜１０１０℃で焼き鈍しされてよく、かつ空冷又はより高速な方法で冷却されてよい。次いで、インコネル７１８は７１８℃で８時間時効処理され、さらに６２１℃で約８時間時効処理され、空冷を経て総時効時間は１８時間となる。インコネル７１８は析出硬化後、１インチにつき０．０００８インチの収縮を示す場合がある。
【００１４】
タービン通しボルト１０は、第１の表面改質層１４と第２の表面改質層１６とによって覆われたベース材料１２から形成されてよい。第１の表面改質層１４はベース材料１２に接触してよく、タービン通しボルト１０の外面１８における残留圧縮応力を増大させる低塑性バニシング層から形成されてよい。第１の表面改質層１４は、少なくとも０．０４０インチの厚さを有していてよい。第１の表面改質層１４は、タービン通しボルト１０の軸２４上に位置するタービン通しボルト接触面２０上に位置していてよい。第１の表面改質層１４は、インコネル７１８のような材料から成る低塑性バニシング層から形成されてよいが、これに限定されるものではない。図２及び図３に示したように、低塑性バニシング（ＬＰＢ）層は、インコネル７１８に対するレーザー衝撃処理（ＬＳＰ）、及び重力式ピーニング（ＧＰ）、及びショットピーニング（ＳＰ）のそれぞれと比較して優れた表面改質層１４であることがわかった。
【００１５】
１つの態様では、第２の表面改質層１６はベース材料１２に直接被着されていてよく、第１の表面改質層１４なしに使用されてもよい。別の態様では、第２の表面改質層１６は、ベース材料１２に既に被着された第１の表面改質層１４上に被着されてもよい。特に、第２の表面改質層１６は、タービン通しボルトの軸２４上に位置するタービン通しボルト接触面２０上の第１の表面改質層１４上に位置していてもよい。少なくとも１つの態様では、第２の表面改質層１６は、第１の表面改質層１４を形成する低塑性バニシング層上にあるスピネル酸化層であってもよい。第２の表面改質層１６は、ベース金属の組成に対して好ましい、（Ｎｉ  Ｆｅ）酸化物；（Ｎｉ，Ｃｒ，Ｔｉ；Ｃｒ）酸化物、（Ｃｒ）酸化物、又はその他のスピネル酸化物のうちの１つまたは複数から形成されてもよい。図４に示したように、５００℃以上でのスピネル酸化物の形成により、フレッティング疲労に対するインコネル７１８の疲労限界は３００パーセント改善される結果となった。
【００１６】
タービン通しボルト１０は、接触摩擦応力を減じるための低摩擦係数表面改質を伴うタービン通しボルト１０を形成する方法を使用して形成されてもよい。この方法は、少なくとも１つのベース材料１２から形成されるタービン通しボルト１０の受容を含んでもよい。タービン通しボルト１０は、最終的なフライス加工後又は研削加工後、又はその両者の後に受容されてもよい。この方法は、残留圧縮応力を発生させるために、タービン通しボルト１０の軸２４上に位置するタービン通しボルト接触面２０に低塑性バニシング処理することを含んでもよく、これによりタービン通しボルト接触面２０上に第１の表面改質層１４を形成することを含んでよい。ボルト接触面２０に低塑性バニシング処理を施すことは、少なくとも１００ｋｓｉの残留圧縮応力を発生させることを含んでもよい。この方法はさらに、タービン通しボルト１０の軸２４上に位置するタービン通しボルト接触面２０上の第１の表面改質層１４の上に第２の表面改質層１６を形成するために、５９３℃以下の温度を有する酸化環境内でタービン通しボルト１０を低温応力解放プロセスに２時間〜４８時間さらすことを含んでもよい。ベース材料１２から形成されるタービン通しボルト１０を受容するステップは、少なくともＮｉ，Ｆｅ，Ｍｏ及びＣｒの組み合わせから形成されてよいインコネル７１８から成るベース材料１２から形成されるタービン通しボルト１０を受容することを含んでいてよい。少なくとも１つの態様では、ベース材料１２から形成されるタービン通しボルト１０を受容するステップは、ベース材料インコネル７１８から形成されるタービン通しボルト１０を受容することを含んでおり、この場合、ベース材料１２は少なくとも、５０パーセントのＮｉと、２．８パーセントのＭｏ及び１７パーセントのＣｒの組み合わせから形成されてよい。第１の表面改質層１４又は第２の表面改質層１６又はその両者がタービン通しボルト１０に被着された後、タービン通しボルト１０を機械加工又は熱処理する必要はない。
【００１７】
上記の説明は、本発明の実施の形態を例示、説明及び記述するという目的で提供されている。これらの実施の形態に対する変更及び適応は、当業者には明らかになるであろうし、本発明の範囲又は思想から逸脱することなく成し得るものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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