(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
動翼本体の先端に、マトリクスとこのマトリクス中に分散した多数の研磨粒子とを備えた研磨層が形成されている燃焼エンジン動翼の製造方法であって、
動翼本体の先端に、研磨粒子が埋没するようにマトリクスを形成するマトリクス形成工程と、
このマトリクスにブラスト処理を施してマトリクスの表面寄り部分を除去し、研磨粒子をマトリクスから突出させる除去工程と
を含んでなり、
上記マトリクスのビッカース硬度がＨ１とされ、研磨粒子のビッカース硬度がＨ２とされ、ブラスト処理に用いられるブラスト粒子のビッカース硬度がＨ３とされたとき、これらのビッカース硬度がＨ１＜Ｈ３＜Ｈ２の関係を満たす製造方法。
【請求項２】
上記マトリクスの主成分がＭ−Ｃｒ−Ａｌ−Ｙであり、研磨粒子の主成分が立方晶窒化硼素であり、ブラスト粒子の主成分がアルミナである請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
上記マトリクスの主成分がＭ−Ｃｒ−Ａｌ−Ｙであり、研磨粒子の主成分がアルミナであり、ブラスト粒子の主成分がジルコニアである請求項１に記載の製造方法。
【請求項４】
上記マトリクスが、ろう付方又は溶射法によって形成される請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばガスタービン、ジェットエンジン等の燃焼エンジンに用いられる動翼の製造方法に関する。詳細には、本発明は、動翼の先端に位置する研磨層の形成方法の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンのタービン部の動翼先端と、この動翼先端に対向するシュラウドとの間には、運転中に両者が接触しないように所定寸法のクリアランスが設けられている。このクリアランスが大きすぎると動翼の圧力面側から負圧面側へ燃焼ガスが漏れだし、圧力損失が大きくなって運転効率が低下してしまう。これを防止してガスタービンの性能を向上させる目的で、極限までクリアランスを小さく設定する試みがなされている。
【０００３】
ところが、クリアランスがあまりに小さすぎると、ガスタービンの運転開始初期段階において、動翼の熱膨張、タービンロータの偏心、ガスタービン全体に生じる振動等に起因して、動翼の先端とシュラウドとが摺動してしまうことがある（いわゆる初期摺動）。また、ガスタービンが長期間運転されると、高温ガスに曝されたシュラウドが除々に熱変形を起こし、やはり動翼の先端とシュラウドとが摺動してしまうことがある（いわゆる二次的摺動）。動翼の先端とシュラウドとの激しい摺動は、初期摺動時に起こりうる。これに対し、二次的摺動は、比較的緩やかな摺動である。
【０００４】
一般的にシュラウドは、遮熱又は酸化防止の目的で形成された被覆層をその内周面に備えている。例えば、遮熱の目的でＴＢＣ(Thermal Barrier Coating)が設けられたり、ＭＣｒＡｌＹ（鉄、ニッケル又はコバルトを主成分とし、クロムと、アルミニウムと、イットリウムが含まれる合金、以下ＭＣｒＡｌＹとする）からなる耐酸化被膜が設けられることがある。特にＴＢＣはＺｒＯ2系の酸化物であるため、高硬度であることが多く、このため、動翼先端とシュラウド内周面とが摺動すると動翼が大きく損傷を受けてしまうことがある。
【０００５】
特開平４−２１８６９８号公報、特開平９−５０４３４０号公報、特開平１０−３０４０３号公報及び米国特許第５７０２５７４号公報には、耐酸化性金属材料（典型的にはＭＣｒＡｌＹ）からなるマトリクス中に研磨粒子が分散した研磨層を先端に備えた動翼が開示されている。この研磨層では、研磨粒子はマトリクスから突出している。研磨粒子としては、例えば立方晶窒化硼素（ＣＢＮ）等が用いられている。立方晶窒化硼素は高硬度な材料であり、従って動翼先端とシュラウド内周面とが摺動すると、この立方晶窒化硼素からなる研磨粒子がシュラウドの内周面を研磨する。これによって、動翼とシュラウドとの間に適度なクリアランスが維持される。
【０００６】
この研磨層は、まず動翼本体に研磨粒子が仮固着され、次にこの研磨粒子の周りに電着メッキ法によってマトリクスが形成されることによって得られる。すなわち、マトリクスはメッキ層の成長によって形成される。この方法では、メッキ層の成長に長時間を要するので、効率が悪い。しかも、電着メッキ法によるマトリクスの形成は、概して高価である。
【０００７】
特開平１０−３０４０３号公報には、溶射法によってマトリクスを形成する耐摩耗層形成方法が開示されている。溶射法は、溶融金属を噴射することによって金属層を成長させる手法である。溶射法は電着メッキ法に比して高効率であり、しかも低コストである。
【０００８】
しかし、溶射法ではマトリクス厚みの正確な制御が困難であり、しかも研磨粒子の表面にも溶融金属が噴射されてしまうので、形成されたマトリクスに一部又は全部の研磨粒子が埋没することがある。研磨粒子が埋没すると、研磨層の研磨能力が低下してしまう。前述の特開平１０−３０４０３号公報に開示された耐摩耗層形成方法では、マトリクスの表面に機械加工を施し、さらにケミカルミーリング加工を施すことによってマトリクスの表面寄り部分を除去し、研磨粒子をマトリクスから突出させている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この形成方法では、機械加工とケミカルミーリング加工との２段階加工でマトリクス表面寄り部分が除去されるので、加工に手間とコストとがかかってしまう。
【００１０】
本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、その先端に研磨層を備えた動翼を効率よくしかも低コストで生産し得ることを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するためになされた発明は、その先端にマトリクスとこのマトリクス中に分散した多数の研磨粒子とを備えた研磨層が形成されている燃焼エンジン動翼の製造方法であって、以下の（１）及び（２）の工程を含む製造方法である。
(1)  動翼本体の先端に、研磨粒子が埋没するようにマトリクスを形成するマトリクス形成工程
及び
(2)  このマトリクスに放電加工を施してマトリクスの表面寄り部分を除去し、研磨粒子をマトリクスから突出させる除去工程。
【００１２】
この製造方法では、まず研磨粒子が埋没するようにマトリクスが形成される。従って、マトリクスの厚みの正確な制御が不要である。また、この製造方法では、放電加工によって、マトリクスの表面寄り部分が研磨粒子に優先して除去される。すなわち、この製造方法では、マトリクス形成工程(1)と除去工程(2)とが、ともに簡便且つ低コストでなされる。
【００１３】
好ましくは、弱放電加工によってマトリクスの表面寄り（表面側）部分が除去される。放電加工では、加工時に通電しない研磨粒子が除去されてしまうことがなく、研磨粒子周辺のマトリクスのみが確実に除去される。但し、放電加工は、加工効率に優れるものの研磨粒子の最終突出を精度良く行うには、手間を要す。
【００１４】
好ましくは、マトリクスの材質に対する研磨粒子の材質の電気抵抗値比率は、２００％以上である。これにより、研磨粒子に優先するマトリクスの表面寄り部分の除去がより確実に達成される。すなわち、マトリクスの表面寄り部分の除去の際に研磨粒子が共に除去されてしまうことが抑制される。
【００１５】
好ましいマトリクスと研磨粒子との組み合わせとしては、マトリクスの主成分がＭＣｒＡｌＹであり研磨粒子の主成分が立方晶窒化硼素（ＣＢＮ）又はアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）である場合が挙げられる。
【００１６】
上記の目的を達成するためになされた他の発明は、その先端にマトリクスとこのマトリクス中に分散した多数の研磨粒子とを備えた研磨層が形成されている燃焼エンジン動翼の製造方法であって、以下の（Ａ）及び（Ｂ）の工程を含む製造方法である。
(A)  動翼本体の先端に、研磨粒子が埋没するようにマトリクスを形成するマトリクス形成工程
及び
(B)  このマトリクスにブラスト処理を施してマトリクスの表面寄り部分を除去し、研磨粒子をマトリクスから突出させる除去工程。
【００１７】
この製造方法では、まず研磨粒子が埋没するようにマトリクスが形成される。従って、マトリクスの厚みの正確な制御が不要である。また、この製造方法では、加工効率に優れるブラスト処理によって、マトリクスの表面寄り部分が研磨粒子に優先して除去される。すなわち、この製造方法では、マトリクス形成工程(A)と除去工程(B)とが、共に簡便且つ低コストでなされる。また、ブラストによるマトリクスの除去は、最終的な仕上げは目視で確認しながら作業できるため、処理の加減が付けやすく仕上げ向きといえる。この点では、放電加工よりも優れている。
【００１８】
好ましくは、マトリクスのビッカース硬度がＨ１とされ、研磨粒子のビッカース硬度がＨ２とされ、ブラスト処理に用いられるブラスト粒子のビッカース硬度がＨ３とされたとき、Ｈ１，Ｈ２及びＨ３は、下記数式(I)に示される関係を満たす。
Ｈ１＜Ｈ３＜Ｈ２      ・・・・(I)
これにより、研磨粒子に優先するマトリクスの表面寄り部分の除去が確実に達成される。すなわち、マトリクスの表面寄り部分の除去の際に研磨粒子が共に除去されてしまうことが抑制される。なお、本明細書で用いられる「ビッカース硬度」という用語は、常温（２３℃）で測定されるビッカース硬度（ＨＶ）を意味する。
【００１９】
マトリクス、研磨粒子及びブラスト粒子の好ましい組み合わせの一例としては、マトリクスの主成分がＭＣｒＡｌＹであり、研磨粒子の主成分が立方晶窒化硼素であり、ブラスト粒子の主成分がアルミナである場合が挙げられる。また、好ましい組み合わせの他の例としては、マトリクスの主成分がＭＣｒＡｌＹであり、研磨粒子の主成分がアルミナであり、ブラスト粒子の主成分がジルコニア（ＺｒＯ2）である場合が挙げられる。
【００２０】
これらの発明において、低コストで効率よくマトリクスが形成されるろう付法又は溶射法がマトリクス形成工程に採用されるのが好ましい。
【００２１】
【発明に実施の形態】
以下、適宜図面が参照されつつ、実施形態に基づいて本発明が詳細に説明される。
【００２２】
図１は、本発明の一実施形態にかかる燃焼エンジン動翼の製造方法が示されたフロー図である。この製造方法では、まずマトリクスの材質と同一材質からなる金属粉末が用意される（ＳＴＰ１）。次に、研磨粒子が用意される（ＳＴＰ２）。次に、この金属粉末と研磨粒子とが所定比率で混合され、混合粉末が得られる（ＳＴＰ３）。次に、燃焼エンジン動翼（以下、単に「動翼」とも称される）の本体の先端に、混合粉末が載置される（ＳＴＰ４）。次に、この混合粉末が加熱され、さらに冷却される（ＳＴＰ５）。加熱により混合粉末中の金属粉末が溶融し、冷却により溶融金属が凝固する。そして、動翼本体に固着する（いわゆるろう付）。こうして、研磨粒子が埋没したマトリクスが形成される。
【００２３】
図２は、ＳＴＰ５の後（すなわちマトリクス３が形成された後）の動翼１の一部が示された拡大断面図である。この図に示されているように、動翼本体２の先端（図２では上側端）に形成されたマトリクス３には、研磨粒子４が分散している。研磨粒子４は、マトリクス３中にほぼ埋没している。
【００２４】
この動翼１に、ブラスト処理が施される（ＳＴＰ６）。ブラスト処理では、ブラスト粒子がマトリクス３の表面に吹きつけられる。このブラスト処理により、動翼１からマトリクス３の表面寄り部分が除去される。こうして、研磨層５（図３参照）が形成される。
【００２５】
図３は、ＳＴＰ６の後（すなわち研磨層が完成した状態）の動翼１の一部が示された拡大断面図である。この図から明らかなように、マトリクス３の厚み（図３において両矢印Ｔで示されている）は、図２に示されたマトリクスの状態の厚みｔよりも薄くなっている。これは、図２のマトリクス３の表面寄り部分がブラスト処理によって除去されたからである。研磨粒子４はブラスト処理によってもほとんど除去されないので、マトリクス３の表面寄り部分の除去に伴い、研磨粒子４がマトリクス３から突出する（いわゆる「目出し」）。この研磨粒子４の突出部分によって、後に詳説されるシュラウド内周面の研磨が行われる。
【００２６】
ブラスト処理によって研磨粒子４に優先してマトリクス３の表面寄り部分を除去するには、研磨粒子４よりも低硬度であり、かつマトリクス３よりも高硬度であるブラスト粒子を用いるのが好ましい。すなわち、マトリクス３のビッカース硬度がＨ１とされ、研磨粒子４のビッカース硬度がＨ２とされ、ブラスト処理に用いられるブラスト粒子のビッカース硬度がＨ３とされたとき、Ｈ１，Ｈ２及びＨ３が下記数式(I)に示される関係を満たすことが好ましい。
Ｈ１＜Ｈ３＜Ｈ２    ・・・(I)
【００２７】
例えば、マトリクス３のビッカース硬度が１００〜５００であり、研磨粒子４のビッカース硬度が３５００〜７０００である場合、ビッカース硬度が１５００〜２５００であるブラスト粒子が用いられるのが好ましい。このような組み合わせの具体例としては、マトリクス３の主成分がＭＣｒＡｌＹ（ビッカース硬度：約３００）であり、研磨粒子４の主成分が立方晶窒化硼素（ビッカース硬度：約５０００）であり、ブラスト粒子の主成分がアルミナ（ビッカース硬度：約２０００）である場合が挙げられる。この場合のブラスト圧力は４ｋｇ／ｃｍ2〜５ｋｇ／ｃｍ2が好ましく、ブラスト距離は２０ｍｍ程度が好ましく、ブラスト時間は１０秒から２０秒が好ましい。
【００２８】
例えば、マトリクス３のビッカース硬度が１００〜５００であり、研磨粒子４のビッカース硬度が１５００〜３０００である場合、ビッカース硬度が７００〜１２００であるブラスト粒子が用いられるのが好ましい。このような組み合わせの具体例としては、マトリクス３の主成分がＭＣｒＡｌＹ（ビッカース硬度：約３００）であり、研磨粒子４の主成分がアルミナ（ビッカース硬度：約２０００）であり、ブラスト粒子の主成分がジルコニア（ビッカース硬度：約１０００）である場合が挙げられる。この場合のブラスト圧力は５ｋｇ／ｃｍ2〜６ｋｇ／ｃｍ2が好ましく、ブラスト距離は２０ｍｍ程度が好ましく、ブラスト時間は６０秒から１００秒が好ましい。
【００２９】
ブラスト粒子の平均粒子直径が小さすぎる場合は、マトリクス３の表面寄り部分の除去に長時間を要し、図４のＡに示すように、研磨粒子４の周囲を固定している必要なマトリクス３まで、ブラスト粒子８が除去してしまい、研磨粒子４を強固に支えられない。一方、ブラスト粒子８の平均粒子直径が大きすぎる場合は、図４のＢに示すように隣接する研磨粒子４，４同士の間にブラスト粒子８が入り込めず、研磨粒子４に優先するマトリクス３の表面寄り部分の除去が困難となり、研磨粒子４が適度に突出しなくなる。図４のＣに示すように、研磨粒子４の大きさが適度な場合は、研磨粒子４の周囲に研磨粒子４を固定するためのマトリクス３の肉部が残り、研磨粒子４が強固にマトリクス３に固定され、研磨粒子４の突出量も適度になる。
例えば平均粒子直径が１００μｍ程度の研磨粒子４が５０個／ｍｍ2の密度で分散している場合、用いられるブラスト粒子の平均粒子直径は５０μｍ程度が好ましい。
【００３０】
図１に示される製造方法では、ろう付法によって研磨層５を形成しているが、ろう付法に代えて溶射法が採用されてもよい。溶射法では、まず薄肉の電着メッキ層等によって動翼本体２に研磨粒子４が仮固着される。そして、この研磨粒子４の周りに、マトリクス３の材質と同一材質からなる溶融金属が噴射される。この溶融金属が凝固することにより、マトリクス３が形成される。溶射法の場合も研磨粒子４がマトリクス３に埋没する傾向が見られるが、前述のブラスト処理が施されるにより、研磨粒子４の突出が達成される。
【００３１】
ろう付法又は溶射法によって形成されたマトリクス３の表面寄り部分が、ブラスト処理ではなく放電加工によって除去されてもよい。放電加工では、マトリクス３と対向する位置に面状の電極が設けられ、この電極と動翼本体２との間に電圧が印加される。一般に、マトリクス３は導電性であり研磨粒子４は非導電性であるので、電圧印加によって研磨粒子４に優先してマトリクス３の表面寄り部分が除去される。除去により、研磨粒子４がマトリクス３から突出する。
【００３２】
放電加工が採用される場合は、マトリクス３の表面寄り部分とともに研磨粒子自体４もが除去もしくは損傷されてしまうことを防止する観点から、弱放電加工が好ましい。また、同様の観点から、マトリクス３の材質に対する研磨粒子４の材質の電気抵抗値比率は、２００％以上が好ましく１０００％以上が特に好ましい。
【００３３】
マトリクス３の表面寄り部分を除去する効率は、ブラスト処理よりも放電加工もしくは、アルミナペーパー等を用いた機械時除去の方が優れている。一般に、ろう付方よりも溶射法の方が、研磨粒子４の埋没の程度が激しい。従って、溶射法でマトリクス３が形成される場合は、荒仕上げとして機械加工及び放電加工を行い、最終仕上げはブラストによって研磨粒子４の突出が達成されるのが好ましい。ろう付法に対し、溶射法は埋没の程度が激しいため、効率良くマトリクスを除去する方法として、先ずアルミナ系のペーパーにて荒仕上げを行い、ＣＢＮの先端を確認した上でブラストにより最終仕上げを行うと効率良く除去できることを確認している。一方、ろう付法の場合はブラストのみでマトリクスの除去が可能である。
【００３４】
図５は、図１の製造方法によって得られた動翼１が用いられたガスタービンのタービン部の一部が示された断面図である。この図には、動翼１とシュラウド６とが示されている。動翼１の先端には、前述の研磨層５が形成されている。シュラウド６は、その内周面にジルコニアを主成分とする遮熱層７（ＴＢＣ）を備えている。遮熱層７に代えて、ＭＣｒＡｌＹ等からなるコーティング層が形成されてもよい。研磨層５と遮熱層７との間隔（図１において両矢印Ｃで示される）が、クリアランスである。動翼１とシュラウド６とが摺動すると、研磨層５によってシュラウド６の内周面が研磨される。この研磨によって、適切なクリアランスＣが維持される。
【００３５】
研磨粒子４の平均粒子直径は、５０μｍ以上２００μｍ以下が好ましい。平均粒子直径が５０μｍ未満であると、研磨層５の研磨能力が不十分となるおそれがある。この観点から、平均粒子直径は８０μｍ以上が特に好ましい。一方、平均粒子直径が２００μｍを越えると、研磨層５の研磨能力が不十分となったり、研磨粒子４の耐酸化性が不十分となることがある。この観点から、平均粒子直径は１７０μｍ以下が特に好ましい。
【００３６】
マトリクス３の厚みＴは、５０μｍ以上２００μｍ以下が好ましい。マトリクス３の厚みが５０μｍ未満であると、研磨層５の耐久性が不十分となることがある。逆に、マトリクス３の厚みが２００μｍを越えると、研磨粒子４の突出が達成困難となることがある。
【００３７】
図６は、図３の動翼１がさらに拡大された断面図である。前述のように、研磨粒子４はマトリクス３から突出している。この図において両矢印ｐで示されているのは、研磨粒子４の突出寸法である。研磨粒子４の平均粒子直径がＤとされ、マトリクス３から突出しているすべての研磨粒子４における突出寸法ｐの平均値（すなわち平均突出寸法）がＰとされたとき、平均粒子直径Ｄに対する平均突出寸法Ｐの比率は、２５％以上７０％以下が好ましい。この比率が２５％未満であると、研磨層５の研磨能力が不十分となることがある。この観点から、比率は３０％以上がより好ましい。逆に、この比率が７０％を超えると、研磨粒子４がマトリクス３から脱落しやすくなることがある。この観点から、比率は５０％以下がより好ましい。
【００３８】
以上、ガスタービンのタービン部に用いられる動翼が一例とされて本発明の製造方法が詳説されたが、本発明は、ガスタービンの圧縮機、ジェットエンジン等の動翼にも好適に適用されうる。
【００３９】
【発明の効果】
以上、説明されたように、本発明は動翼本体の先端に、マトリクスとこのマトリクス中に分散した多数の研磨粒子とを備えた研磨層が形成されている燃焼エンジン動翼の製造方法であって、動翼本体の先端に、研磨粒子が埋没するようにマトリクスを形成するマトリクス形成工程と、このマトリクスに放電加工若しくはブラスト加工を施してマトリクスの表面寄り部分を除去し、研磨粒子をマトリクスから突出させる除去工程とを含む製造方法を用いたので、動翼本体の先端部に研磨層を効率よく、しかも低コストで動翼が製造されうる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかる燃焼エンジン動翼の製造方法が示されたフロー図である。
【図２】マトリクス層除去前の段階における動翼の一部が示された拡大断面図である。
【図３】マトリクス層の表面側を除去した後の動翼の一部が示された拡大断面図である。
【図４】Ａは、ブラスト粒子の平均粒子が小さすぎる場合の研磨層を示す断面図であり、Ｂはブラスト粒子の平均粒子が大きすぎる場合の研磨層を示す断面図であり、Ｃはブラスト粒子の平均粒子が適度である場合の研磨層を示す断面図である。
【図５】図１の製造方法によって得られた動翼が用いられたガスタービンのタービン部の一部が示された断面図である。
【図６】図３の動翼がさらに拡大された断面図である。
１  動翼
２  動翼本体
３  マトリクス
４  研磨粒子
５  研磨層
６  シュラウド
７  遮熱層
８  ブラスト粒子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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