(57)【要約】  ＣＭＣ部品と金属部品との間の境界面に挿入するように構成された金属層を含む、ＣＭＣと金属との取付及び境界面の摩耗や摩擦を低減する装置。金属層の境界面は、ＣＭＣ部品の境界面の凹凸に対して対応している。ＣＭＣ部品と金属部品との境界面の摩擦係数は、約３００℃〜約３２５℃の作動温度及び金属部品の制限温度で約１．０以下である。【選択図】図１【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣＭＣと金属との取付及び境界面の摩耗及び摩擦を低減する装置であって、当該装置が、
ＣＭＣ部品と金属部品との間の境界面の間に挿入するように構成された金属層
を備えており、金属層の境界面が、ＣＭＣ部品の境界面の凹凸に関して対応しており、ＣＭＣ部品と金属部品との境界面の摩擦係数が、約３００℃〜約３２５℃の作動温度及び金属部品の制限温度で約０．４以下である、装置。
【請求項２】
ＣＭＣが炭化ケイ素である、請求項１記載の装置。
【請求項３】
金属層が約０．０８ｍｍ〜約０．２５ｍｍである、請求項１記載の装置。
【請求項４】
金属層が約０．１０ｍｍ〜約０．２０ｍｍである、請求項１記載の装置。
【請求項５】
金属層が約０．１３ｍｍ〜約０．１５ｍｍである、請求項１記載の装置。
【請求項６】
金属層が約０．１５ｍｍである、請求項１記載の装置。
【請求項７】
金属層が、鉄合金、ニッケル基合金、コバルト基合金からなる群から選択される、請求項１記載の装置。
【請求項８】
金属層が乾燥膜潤滑剤層を含む、請求項１記載の装置。
【請求項９】
乾燥膜潤滑剤層が、二硫化タングステン、グラファイト系潤滑剤、二硫化モリブデン又はそれらの組合せからなる群から選択される、請求項８記載の装置。
【請求項１０】
加熱環境下で使用するための装置であって、当該装置が、
ＣＭＣ部品と、
ＣＭＣ部品との境界面を含む金属部品と、
ＣＭＣ部品と金属部品との間の境界面の間に挿入するように構成された金属層と
を備えており、金属層の境界面が、ＣＭＣ部品の境界面の凹凸に対して対応しており、ＣＭＣ部品と金属部品との境界面間の摩擦係数が約３００℃〜約３２５℃の作動温度及び金属部品の制限温度で約１．０以下である、装置。
【請求項１１】
金属層が約０．０８ｍｍ〜約０．２５ｍｍである、請求項１０記載の装置。
【請求項１２】
金属層が約０．１０ｍｍ〜約０．２０ｍｍである、請求項１０記載の装置。
【請求項１３】
金属層が約０．１３ｍｍと約０．１５ｍｍの間である、請求項１０記載の装置。
【請求項１４】
金属層が、鉄合金、ニッケル基合金、コバルト基合金からなる群から選択される、請求項１０記載の装置。
【請求項１５】
部品がタービンエンジン部品である、請求項１０記載の装置。
【請求項１６】
部品がタービンブレードである、請求項１０記載の装置。
【請求項１７】
部品がシュラウドである、請求項１０記載の装置。
【請求項１８】
部品が燃焼器ライナである、請求項１０記載の装置。
【請求項１９】
ＣＭＣと金属との取付及び境界面の摩耗及び摩擦を低減する方法であって、
ＣＭＣ部品と金属部品との境界面に挿入するように構成された金属層を用意するステップであって、金属層の境界面が、ＣＭＣ部品の境界面の凹凸に対して対応しており、約３００℃〜約３２５℃の作動温度で、かつ金属部品の制限温度で、ＣＭＣ部品と金属部品との間の摩擦係数が約１．０以下である、金属層を用意するステップと、
ＣＭＣ部品と金属部品との境界面に層を挿入するステップと、
ＣＭＣ部品、層及び金属部品を作動温度で作動させるステップと
を含む方法。
【請求項２０】
層を挿入するステップが、金属層とＣＭＣ部品との間に乾燥膜潤滑剤層を付着するステップを含む、請求項１９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全体的に、金属部品に取り付け、接合するセラミックマトリクス複合材（ＣＭＣ）部品に関し、より詳細には、金属部品に取付け、接合しており、高温での運転中における部品間の摩耗及び摩擦を減少させるために、セラミックマトリックス複合材タービンエンジン部品と、接合する金属部品との間に配置された金属層など、金属層を用いるセラミックマトリクス複合材タービンエンジン部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
セラミックマトリクス複合材（ＣＭＣ）は、例えばタービンブレードを含むタービンエンジン部品など、高温環境で高強度を必要とする用途で使用されることが多い。
【０００３】
一般に、そのようなタービン部品は、ディスクと呼ばれることもある、隣接する金属製品及び／又は金属面への取付けを必要とする。ＣＭＣを金属ハードウェアに取り付けることに関連する欠点には、硬質の摩耗性セラミック材料面による金属製品の摩耗がある。通常、摩耗トラフの形成をもたらすマトリクス割れ及び繊維破断に起因して、高い接触応力下で、セラミック材料表面を損傷する可能性もある。
【０００４】
これに応答して、米国特許出願公開第２０１０／０２８４８１６号公報が、多数の接触面を含む二次金属部材を用いて、ＣＭＣ翼形部のもみの木型ダブテールの取付けを生成する方法を開示している。金属部材は、ＣＭＣを捕捉し、複数の歯状もみの木取り付け部と同様の特徴／軸受面を有する金属部材の中に翼形部の負荷を伝達するように意図されている。これらの面は、負荷を伝達するために設計されており、ディスク取付け境界面における摩擦又は摩耗を低減するために設計されているのではない。摩耗に対する設計は、考察されていない。
【０００５】
米国特許第５４６６９７９号は、摩耗率を少なくするために、接触面上に蓄積するデブリ粒子を除去することを助ける調整された周波数を含む振動源の使用を開示している。
【０００６】
欧州特許第０３５２４７６号公報は、円周方向内側摩耗ポケット及び半径方向スロットを組み込むことを開示するが、しかしその目的は、流体流に起因する強制励振を低減させるためのものである。
【０００７】
必要とされるのは、高温での運転中におけるＣＭＣ面と金属面との間の摩耗を減少させるための装置及び方法である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００８／２９８９７６号明細書
【発明の概要】
【０００９】
製造技術及び材料の改良は、性能向上、並びに多数の物品及び装置に対するコスト低減に対する解決手段である。実施例として、継続的で、相互に関連することが多い工程及び材料の改良が、本発明の改善など、ガスタービンエンジンの性能の大幅な向上をもたらしてきた。一実施形態では、本発明は、ＣＭＣと金属の取付け及び接合が高温で発生する、セラミックマトリクス複合材（ＣＭＣ）から作製された部品を製造するための装置及び方法を対象とする。ＣＭＣ部品面と金属部品面との間の取付け接触面間に低い摩擦係数を有する可撓性金属層を挿入することによって、ＣＭＣと金属の取付け部に沿った摩耗を低減する。
【００１０】
境界面（interface surface又はinterfacing surface）などの用語は、接触面並びに取付け面又は連動面を含むように意図されている。
【００１１】
本発明は、ＣＭＣと金属との取付及び境界面の摩耗及び摩擦を低減する装置を対象とし、ＣＭＣ部品と金属部品との境界面に挿入するように構成された金属層を含む。金属層の境界面は、ＣＭＣ部品の境界面の凹凸に対して対応している。ＣＭＣ部品と金属部品との境界面の摩擦係数は、約３００℃〜約３２５℃の作動温度及び金属部品の制限温度で約１．０以下である。
【００１２】
本発明は、更に、ＣＭＣ部品を含む加熱環境で使用するための装置を対象とする。金属部品は、ＣＭＣ部品との接触面を有している。金属層は、ＣＭＣ部品と金属部品との境界面に挿入するように構成されている。金属層の境界面は、ＣＭＣ部品の境界面の凹凸に対して対応している。ＣＭＣ部品と金属部品との境界面の摩擦係数は、約３００℃〜約３２５℃の作動温度及び金属部品の制限温度で約１．０以下である。
【００１３】
本発明は、ＣＭＣと金属との取付及び境界面間の摩耗及び摩擦を低減する方法を更に対象とする。方法は、ＣＭＣ部品と金属部品との境界面に挿入するように構成された金属層を用意するステップを含む。金属層の境界面は、ＣＭＣ部品の境界面の凹凸に対して対応している。ＣＭＣ部品と金属部品との境界面の摩擦係数は、約３００℃〜約３２５℃の作動温度及び金属部品の制限温度で約１．０以下である。方法は、ＣＭＣ部品と金属部品との境界面に層を挿入するステップを含む。方法は、作動温度でＣＭＣ部品、層及び金属部品を作動させるステップを更に含む。
【００１４】
本発明の原理を実施例として説明する添付の図面と併せて考察すると、本発明の他の特徴及び利点が、好適な実施形態の以下のより詳細な説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】ガスタービンエンジンロータのダブテールスロット内に組み付けられた、本発明の複合材ブレードの例示的な部分断面斜視図である。
【図２】本発明の図１のブレード及びロータの部分断面図である。
【図３】本発明の例示的な境界層の斜視図である。
【図４】本発明の例示的な境界層の端面図である。
【図５】本発明の例示的な境界層の端面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１は、例示的なガスタービンエンジンブレード１０を示している。この図では、タービンブレード１０は、セラミックマトリクス複合（ＣＭＣ）材料から構成されている。タービンブレード１０は、ダブテールスロット１４内でタービンディスク１２に取り付けられている。タービンブレード１０は、高温排気ガスの流れが導かれる翼形部１６、及び翼形部１６から延在し、ダブテールスロット１４と係合する、翼根部又は扇形基部とも呼ばれるダブテール１８を含む。
【００１７】
ここで図２を参照すると、図２は、炭化ケイ素マトリクス中の炭化ケイ素の補強繊維から構成されるなどのようなＣＭＣブレード１０、及びニッケル合金などの金属から構成されるなどのようなディスク１２の拡大断面図の一実施例であり、接触面又は境界面をより詳細に説明する。ブレード１０は、当技術分野で周知の工程などによって、一体に接合された複数のプライ２０及び２２を含む。プライ２２は、翼根部コア２４に接合されている。ブレード１０の下方端は、端面３０及び翼根部面３２によって部分的に画定される。ディスク１２のダブテールスロット１４は、対合面３４によって画定される。集合的な１対の境界面３６は、対向する対応する翼根部面３２と対合面３４との間に形成されている。ＣＭＣブレード１０の翼根部面３２とディスク１２の対合面３４との間の摩耗は、作動中のガスタービンエンジンの高速回転運動中に発生する遠心力に起因する、ＣＭＣブレード１０の翼根部面３２とディスク１２の対合面３４との間に半径方向に向く摺動接触と併せて、ＣＭＣブレード１０を加工する際に固有の凹凸による研磨接触の結果として生じる。一般にフレッチング摩耗として知られているものによって生じる、翼形部の高周波振動に起因する微細動作が重ね合わされる。
【００１８】
ＣＭＣの例示的な実施形態は、炭化ケイ素から構成されているが、しかしアルミナ、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、又はジルコニアなどの工業用セラミックを用いることも可能である。他の利用可能なＣＭＣは、例えば、Ｃ／Ｃ，Ｃ／ＳｉＣ，ＳｉＣ／ＳｉＣ及びＡｌ2Ｏ3／Ａｌ2Ｏ3を含むことができる。炭素（Ｃ）、特殊炭化ケイ素（ＳｉＣ）、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、及びムライト（Ａｌ2Ｏ3・ＳｉＯ2）繊維から構成されたＣＭＣ材料は、ＣＭＣ向けに最も一般的に使用されている。マトリクス材料は、通常、同じであり、すなわちＣ、ＳｉＣ、アルミナ、及びムライトである。
【００１９】
図３はＣＭＣブレード１０とディスク１２（図２）との間に挿入するための境界層３８の斜視図を示し、図４は境界層３８の端面図を示している。境界層３８は、内面４２、外面４４及び対向する層部分４０の間に配置された層部分４６、４８、５０を備える。一実施形態では、層部分４６、４８、５０が対向する層部分４０の互いに対する所定の間隔を維持する限り、層部分４６、４８、５０は、重量節減などのために、その中に形成されている任意の開口部２８を備えることができる。すなわち対向する層部分４０は、他の層部分によって近接して相互接続されているが、しかし単体構造又は一体構造を形成するように構成されている。一実施形態では、一体構造は対称的である。別の言い方をすれば、境界層は、エアフォイルの中心線などを中心として対称的である、対向する層部分４０を備え、翼形部は、対応する層部分４０に接触する境界面３６（図２）など、翼形部の中心軸線を中心にして対称的な境界面を有する。本出願人らは、境界層３８の一体構造、特に対称構造を有する一体の境界層が、向上した剛性を提供すると決定した。そのような剛性は、振動に起因して起こり得る、微動と呼ばれることがある少量の運動に抵抗する。別個のシム（すなわち境界面３６当たり１つのシム（図２））に関連するような、別個の境界面は、境界面３６と４２との間の摩耗を加速させる可能性がある微動に対して特に影響を受けやすいことが示された。図示のように、層部分４０は、別の実施形態では、層部分４６、４８、５０であり、例えば図３の層部分４８など、バンド２９に類似することができ、対向する層部分４０の間に軸方向８０に概ね横断する方向７８に集合的に延在する。境界層３８の複数の層部分４０の各内面４２は、タービンブレード１０の翼根部面３２と集合的な境界面５２を形成している。境界層３８は、タービンブレード１０のダブテール又は翼根部１８上を軸方向に摺動して、タブ７２などの機械的連結、或いは接着剤層又は化学的接着剤などの二次接着部７４のいずれかを用いて半径方向に拘束される。一実施形態において、境界層３８は、半径方向に十分に拘束されて、境界層３８の複数の層部分４０の内面４２とタービンブレード１０の対応する翼根部面３２との間の境界面５２に沿って相対的な半径方向の動きを実質的に防止する。別の実施形態において、境界層３８は、半径方向に十分に拘束されて、境界層３８の複数の層部分４０の内面４２とタービンブレード１０の対応する翼根部面３２との間の境界面５２に沿って相対的な半径方向の運動を減少させる。
【００２０】
代替実施形態では、図５は、ＣＭＣブレード１０（図２）とディスク１２との間に挿入するための境界層５４の端面図を示している。境界層５４は、内面５８、外面６０及び対向する層部分５６の間に配置された層部分６２、６４、６６を備える。一実施形態では、境界層３８の層部分４６、４８、５０（図３）に関して上述したように、層部分６２、６４、６６が互いに対して対向する層部分５６の所定の間隔を維持する限り、重量節減などのために、層部分６２、６４、６６は、その中に形成されている任意の開口部（図示せず）を備えることができる。別の実施形態では、層部分６２、６４、６６は、上述したように、境界層３８の層部分４８（図３）に対して示すバンド（図示せず）に類似しており、対向する層部分５６の間に軸方向に概ね横断する方向に集合的に延在する。境界層５４の複数の層部分５６の各外面６０は、ディスク１２の対合面３４と集合的境界面６８を形成している。境界層５４の複数の層部分５６の各内面５８は、タービンブレード１０（図２）の翼根部面３２と集合的境界面７６を形成する。境界層５４は、ディスク１２の翼根部スロット又はダブテールスロット１４上を軸方向に摺動し、機械的連結（例えば、図３のタブ７２と同様）又は二次接着部（図示せず）のいずれかを用いて半径方向に拘束されている。一実施形態において、境界層５４は、半径方向に十分に拘束されて、境界層５４の複数の層部分５６の外面６０とディスク１２の対応する対合面３４との間の境界面６８に沿った相対的な半径方向の動きを実質的に防止する。別の実施形態において、境界層５４は、半径方向に十分に拘束されて、境界層５４の複数の層部分５６の内面５８とタービンブレード１０の対応する翼根部面３２との間の境界面７６に沿って相対的な半径方向の動きを減少させる。任意で、約０．０２ｍｍ〜約０．０３ｍｍの乾燥膜潤滑剤の層２６は、境界面７６に沿って付着されることができる。乾燥膜潤滑剤の層２６は、硫化タングステン、グラファイト系潤滑剤、二硫化モリブデン、又は任意の適切なそれらの組み合わせを含むことができる。
【００２１】
一実施形態において、境界層３８、５４は、約０．０８ｍｍ〜約０．２５ｍｍの間、約０．１０ｍｍ〜約０．２０ｍｍの間、約０．１０ｍｍ〜約０．１５ｍｍの間、約０．１３ｍｍ〜約０．１５ｍｍの間、又は任意の適当な範囲又はそのサブレンジである。一実施形態において、境界層３８、５４は、約０．０８ｍｍ、約０．１０ｍｍ、約０．１３ｍｍ、約０．１５ｍｍ、約０．１８ｍｍ、約０．２０ｍｍ、約０．２３ｍｍ、約０．２５ｍｍ、又は任意の適切なそのサブレンジである。
【００２２】
境界層３８、５４は、加工されたＣＭＣ部品に固有の凹凸をカバーするために、ＣＭＣと比較して延性又は柔軟性材料で構成されている。加えて、上述したように、境界層３８、５４は薄く、それによって、その幾何学的形状の結果として、境界層３８、５４のディスク突起を支持するためのブレード取付け部の負荷容量の低下に関連する影響を低減する。すなわち、薄く、摩擦学に関して金属ディスクとより良好に適合しており、ＣＭＣ又は上述したディスクとの間の境界面に密接に接触し、及び／又は取り付けられ、そうでない場合はＣＭＣ又は上述したディスクとの間の境界面を提供する境界層３８、５４の結果として、少なくとも部分的に、摩擦係数の減少が達成される。
【００２３】
境界層３８、５４は、作動中の使用温度で、又は部品の周囲温度で使用するために構成された延性合金から構成可能であり、同時に振動又は侵食等に起因するフレッチングを防止するために、１．０以下の摩擦係数を提供することができる。例えば、ガスタービンエンジンについて、使用温度は、典型的には、約３００℃〜約３２５℃の間であり、例えばディスクグレードの合金鋼、又はニッケル基合金など、ディスクの制限温度は、約７６０℃の制限温度を有するが、しかし他のディスク材料の使用は、７６０℃を超過する可能性がある。制限温度という用語は、部品を使用することが可能な最高温度を指すものであると意図する。境界層３８、５４の例示的な組成物は、合金鉄に限定されないが、特に高クロム鋼、合金７０６、合金７１８、合金６２５などのようなニッケル基合金、及びコバルト基合金が含まれる。一実施形態では、利用される金属の種類に応じて、摩擦係数が、約１．０〜０．４の間、約０．９〜０．５の間、約０．８〜０．６の間、約０．７〜０．６の間、又は任意の適切な範囲又はそのサブレンジである。一実施形態では、摩擦係数が約１．０、約０．９、約０．８、約０．７、約０．６、約０．５、約０．４、又は任意の適当な範囲又はそのサブレンジである。
【００２４】
本明細書に記載されるように、境界層３８、５４は、シュラウド、燃焼ライナのようなセラミック複合材の取付け位置、又は、本明細書に記載した利点を有する柔軟性層から利益を得る他の任意の適切な位置にも付着され得ることを理解されたい。加えて、摩耗面は、異なる部品の間の接触面に加えて、構造的ファスナーのため使用されるライニング開口部を含むことができる。
【００２５】
本発明の境界層は、「もみの木」配置を含む翼根部又はダブテール、或いはよく知られている、翼根部面又はダブテール面とディスクスロット面との間で複数の境界面などの配置を含むと理解すべきである。
【００２６】
本発明を好適な実施形態を参照して説明したが、本発明の範囲から逸脱せずに、様々な変形形態が作製可能であり、均等物が本発明の要素の代わりになり得ることを当業者は理解するであろう。加えて、本発明の本質的な範囲から逸脱せずに、本発明の教示に特定の状況又は材料を適合させる多くの修正形態が作製可能である。したがって、本発明は、本発明を実施するために考えられる最良の形態として開示される特定の実施形態に限定されず、本発明は、添付の特許請求の範囲内にあるすべての実施形態を含むと意図するものである。
【符号の説明】
【００２７】
１０  ガスタービンエンジンブレード
１２  タービンディスク
１４  ダブテールスロット
１６  翼形部
１８  ダブテール（または翼根部、扇形基部）
２０  プライ
２２  プライ
２４  翼根部コア
２６  乾燥膜潤滑剤層
２８  開口部
２９  バンド
３０  端面
３２  翼根部面
３４  対合面
３６  境界面
３８  境界層
４０  層部分
４２  内面
４４  外面
４６  層部分
４８  層部分
５０  層部分
５２  境界面
５４  境界層
５６  層部分
５８  内面
６０  外面
６２  層部分
６４  層部分
６６  層部分
６８  集合的境界面
７２  タブ
７４  二次接着部
７６  集合的境界面
７８  方向
８０  軸方向
【図１】
2016501339.tif 000002
【図２】
2016501339.tif 000003
【図３】
2016501339.tif 000004
【図４】
2016501339.tif 000005
【図５】
2016501339.tif 000006
【国際調査報告】
2016501339.tif 000007
2016501339.tif 000008
2016501339.tif 000009