JPH0347996A - 研摩層をチタン合金製コンプレッサーエアフォイルへ適用する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、ガスタービンエンジンの分野、特に、ター
ビンエンジンのガスシール構造の構成部材を形成する方
法に関する。更に詳しくは、この発明は、電気メッキ技
術を用いて、研摩特性を有ずろ層をチタン合金製のブレ
ード表面にに溶着する方法に関する。。

（従来の技術） ガスタービンエンジンにおけるコンプレッサー及びター
ビンの各部分では、ブレードはエンジンの軸まわりに回
転している。ブレード先端はエンジンケースの内壁に近
接しており、時にはエンジンケースとｒｔ擦４−る。ブ
レード先端の過度なＰＬ耗を防ｌＦ−，するために、エ
ンジンケース内壁面には研摩シールが取り付けられるこ
ともあり、これによりそのような摩擦が生じると、研摩
シールはブレードよりかなり摩耗することになる。

エンジンのタービン＋１＜分において、摩耗したシール
と摩擦するブレード先端の寿命を延ばすために、ブレー
ド先端表面に研摩層を設けることもある。例えば、Ｒｕ
　ｔ　ｓ等による米国特許第４，８０２．８２８号明細
書を参照されたい。Ｒｕ［ｓはブレード先端に研摩層を
設けるための、粉末冶金技術、プラズマスプレー技術、
電気メッキ技術を含む幾つかの技術について言及してい
る。ＲｕＵＳによって述べられたタイプの研摩層基質は
、ニッケル、コバルトをベースと４′ろ高強度の超合金
である。その３１：うな層は一般的に厚さが０．／１〜
２．５ｍｍになる。

ガスタービンエンジン分野では、タービン部分における
上述したタイプの研摩層の有用性が認識され、この技術
をエンジンの他の部分に使用される構成部材に適用する
ことか現在求められている。。

コンプレッサ一部分はその内の１つの部分であって、研
摩層をコンプレッサ一部分に適用する新しい技術が必要
とされている。この発明は、この方法について述べてい
る。

（発明の概要） 本発明によれば、チタン合金製のエンジン部材の先端表
面上には、ニッケル層が溶着されている。

この発明は、厚さ略１２〜１８ミクロンの第１ニッケル
層をブレード先端表面に直接適用する工程、厚さ略１ミ
クロン以下の第２ニッケル層を第１ニッケル層に適用す
る工程、第３ニッケル層を第２ニッケル層に電気メッキ
する工程であって、第３ニッケル層が電気メッキされて
いる際、ブレード先端はメッキ溶液及び電流、メッキ溶
液を透過４゛る薄膜１−に位置した研摩微粒子のスラリ
ー内に浸され、そのなかでスラリー内の微粒子がニッケ
ルの連続電気メッキによって第３ニッケル層内へ埋め込
まれる］二程、第４ニンケル層を第３ニッケル層へ適用
する工程であって、その際第３、第４ニッケル層の結合
厚さが微粒−ｒ−の−＋１均厚さの５０％〜９０％との
間になる工程、メッキ部材を熱処理する工程、で構成さ
れている。

本発明によって形成された構成部材は、優れた研摩特性
を有しており、現在のガスタービンエンジンのコンプレ
ッサ一部分に有用である。本発明の他の特徴及び利点は
、以下に述べる本発明の最良の実施例によって明らかに
されるであろう。

（実施例） 全般的に、この発明は、ターボ機械のコンプレッサ一部
分に用いられている回転構成部材の表面に研摩特性を有
する層を形成する方法に関する。

この発明は、特に、ガスタービン分野に用いられるチタ
ンをベースとしたタイプの合金」―に研摩層を形成する
のに適用される。

この発明の重要な側面は、研摩層を形成するための特別
な工程の結合にある。この工程の結合により、数種類の
層を有する構造が得られる。各層は隣接した層に化学的
に結合されている。この発明の第２の重要な側面は、合
成層が従来のものに比べて薄いことである。この薄い層
により、チタン合金層の高周波疲労特性の低下は最小限
となる。

この発明の第３の重要な側面は、この発明によって形成
された層内の研摩微粒子が電気メッキされた金属層内に
埋め込まれ、電着基盤の頂面上に延びていることである
。この基盤は研摩微粒子を閉じ込めていないで、この微
粒子はより研摩的になる。

研摩層をチタンベースの合金基質に適用する過程には、
多くの相互関連する工程が備えられている。多くの工程
は、その合金基質が化学反応製品と接触することを含ん
でいるので、そのような化学製品で保護されている表面
は、まずワックスあるいは他の着脱できる保護物でシー
ルドされる。

研摩層が適用される表面は第１に、汚れをなくずように
しておかなければならない。媒体の汚れをなくする有効
な方法は従来から知られている。

メッキ表面の汚れを落とす酸エツチングには、７０％塩
酸の５％重！ｉｔ、３７％フッ化水素酸の９５％重債金
倉有する溶液が特に有効であって、このことはこの出願
と同時係属しており、普通にＦｏｒｎｗａｌｔ等に譲渡
された特許出願（代理人Ｄｏｃｋｅｔ　　ＥＨ−８５９
２）に詳しく述べられている。表面の汚れがなくなると
、実質」二線ニッケルの薄い層は電気メッキされる。第
１ニッケル層の厚さは略１２〜１８ミクロンの間で、こ
のニッケル層とチタン表面との間の熱処理結合強度は少
くとも略４７５ｋｇ／ｃｍ’である。

第２ニッケル層にニッケルストライク）は第１ニッケル
層に電気メッキされる。第１ニッケル層の表面は、第２
ニッケル層の適用前に従来の酸エツチングを用いて活性
化すべきである。第２ニッケル層は、厚さ略１ミクロン
以下で適用される。

ニッケルストライクは、完全な状態を有する第３ニッケ
ル層の形成（以下で述べる方法で適用される）を促進す
るためのものである。

第３ニッケル層は、２個の関連した工程で構成される方
法によって溶着される。まずニッケルメッキされたチタ
ン構成部材は、第２ニツケル層−ヒでニッケル電着を始
めるのに十分な時間、ニッケルメッキ溶液間に浸される
１、電着が始まると、チタン構成部材はメッキ溶液及び
微粒子のスラリー内に、好ましくは第１図に示す同様な
メッキ溶液内に浸される。ごの図では、ブレードは参照
番号Ｉ２、微粒子は参照番号２０によって示されている
。

ブレード先端は参照番号１５によって示されている。

微粒子は電気的に非伝導性で、細い砂の大きさであって
、アルミニウム酸化物には限定されないが、立方体状ｉ
ｆう索窒化物、シリコン炭化物を含んでいる。シリコン
アロン（ＳｉＡｌｏｎ）のような電気的に伝導性のある
微粒子は、本発明を実施するのに有効でない。微粒子は
表面が不規則になっており、これにより研摩特性は最大
限に生かせる。ブレード先端端がスラリー内に浸−】で
いる間、ニッケルは微粒子間で、溶着及び形成を続け、
それにより第３ニッケル層内に微粒子が埋め込まれる。

微粒子の不規則な構造により、微粒子はブレード先端に
対し、第３ニッケル層の溶着により物理的に包み込まれ
る。微粒子とブレード先端は化学的結合ではなく、むし
ろｒｌｔにブレード１．のニッケルの電着層内で微粒子
を保持する物理的結合である。

第２図には、第３ニッケル層をブレード先端に溶着し、
微粒子を第３ニッケル層内に埋め込むための好適な装置
が示されている。この分野での従来タイプのメッキタン
クは、参照番号ＩＯによって示されている。メッキされ
ろ構成部材１２は固定具１１によってタンク１０内に吊
り下げられている。メッキ溶液は参照番号２８によって
示されている。

この図に示される如く、固定具１１は第１メッキ位置と
第２メッキ位置との間で、垂直方向に移動ｉ−＋ｆ能で
ある。側壁＋６と１民望１８によ−・て構成されるメッ
キボックス１４は、支持只Ｉ９によりてタンク内に吊り
下げられている。研摩微粒子２０は密度効果により、ボ
ックス１４の底壁１８上に存在している。

微粒子２０とメッキ溶液２８の結合により、ボックスＩ
４内にはスラリーが形成されている。これによりボック
スの下方は透過性となるので、メッキボックス１４の底
壁１８は、メッキ溶液及び電流を通す。

純ニツケル陽極２４はメッキボックス！４の底壁１８下
方に位置している。この陽極２４と構成部材１２は両者
とも、通常の動力源２６に電気的に接続されている。タ
ンク１０内のメッキ溶液は、参照番号２８によって示さ
れている。

第３ニッケル層を適用する過程の初期では、第２図に示
す如く、固定具は第１メッキ位置にある。

この位置で、ブレード先端は微粒子スラリー−１−方に
ある。第３ニッケル層が溶着し始めたのち、固定具は下
方に移動して、第２位置となり、第１図により詳しく示
す如く、ブレード先端は微粒子スラリー内に沈められる
。電流は透過性のある底壁Ｉ８を介して流れるので、ニ
ッケルはブレード先端表面に溶着し、ブレード先端と直
接接触する微粒子を第３ニッケル層内へ埋め込み始める
。第３ニッケル層の最終厚さは、そのなかに埋め込まれ
た微粒子の平均厚さよりは小さく、それゆえ微粒子は、
第３ニッケル層の表面より延出している。

」二連した如く、微粒子は第３ニッケル層内に埋め込ま
れるので、それらは電気的に非伝導性となる。

透過性の底壁により、第３ニッケル層の溶着は効果的に
行われる。特に、適切なサイズで、しかも底壁下方に直
接位置する陽極によって、電流密度が均一となり、その
結果メッキ溶着も均一となる。さらにメッキ溶液内のシ
ーツケルイオンと同じぐらい陽極の分解によって生じる
ニッケルイオンは、ブレード先端に容易に溶着する。微
粒子を適当な位置に固定するのに、十分な厚さの溶着が
第３ニッケル層になされると、ブレード先端はスラリー
から後退し、第３ニッケル層上には、第４ニッケル層が
電着される。できればブレード１２は第１メッキ位置へ
戻した方が良い（第２図参照）。

第４ニッケル層により、微粒子は構成部材にしっかりと
取り付けられる。第３及び第４ニッケル層の結合厚さは
、微粒子の平均厚さの９５％程ではないが、少くともそ
の平均厚さの５０％よりは大きい。好ましくは、第３及
び第４ニッケル層の結合厚さは、微粒子の平均厚さの略
１／２〜１／３間である。

上述した方法で適用される研摩層は、優れた研摩特性を
有することが示され、タービンエンジンのガスシール構
造に有用である。それらの断面では、ブレードにわずか
な市１１【が付加されるが、疲労強度には影響を及ぼさ
ない。

本発明の一実施例として研摩層は、現在のガスタービン
のコンプレッサ一部分に用いられるブレード先端表面に
適用された９、ブレードは重量パーセントヘース、チタ
ン−８アルミニウムー　１バナジウム−１モリブデンで
構成される鋳造品であった。ブレード先端は前縁から後
縁まで略２．５ｃｍの長さであって、平均先端厚さ（凹
壁から凸壁ま■！ ２ で）は、その最大厚さ位置で略１ｍｍである。ブレード
のエアフォイル部分は、メッキ物のワックスで保護され
、それに、Ｌリブレートの先端部分のみが露出されるよ
うになった。露出されたブレード先端は細いシリコン２
酸化物でプラストして、湿ったザラザラ状にし、そして
水で洗い流し、その後略１５秒間、９５％試薬塩酸と７
０％フッ化水素の５％重量を含有する容量の溶液内に浸
された。

ブレードは非イオン化水のなかで略１０秒間洗い流され
、かつ超音波で汚れを落とし、そして１３％フッ化水素
、８３％氷状酢酸、バランス水を含有する容１１１の溶
液内で、！、４Δ／ｍ２（ΔＳＭ）で略６分間、電解で
エツチングされた。別の洗い流し操作は、略２．８ΔＳ
Ｍで３０分間、通常のニッケルサルファ剤溶液のなかに
おけるニッケルの陰極電着で行われた３、そしてブレー
ドは洗い流され、空気が帖環する溶鉱りｌにおいて、４
０　（］　℃で略４時間熱処理がなされた。この熱処理
により、メッキ面とチタン合金基質との間の結合強度が
改善された。

ブレード先端のエアフォイル部分は、重合体ベースのメ
ッキ化合物の結合で再び保護され、そしてブレード先端
部分は軽く砂で覆われ、乾いたあるいは湿った軽石でこ
すられた。軽く蒸気ブラストを行った後、ニッケル層は
通常の酸性塩溶液のなかにおいて、２．８ＡＳＭで略１
５秒間、電解エツチングが成された。そしてブレードは
洗い流され、５０％塩酸溶液内に浸すことにより活性化
された。そして再びブレードが洗い流された後、ブレー
ド先端は通常のニッケルストライク溶液内に浸され、２
分間、略１．２５ボルトで陰極メッキされた。

ブレードは再び洗い流され、そしてニッケルサルファ剤
溶液を含有するメッキタンク内に置かれる。タンク内で
メッキボックスは、ポリ塩化ビニールプラスチックスで
形成された。メッキボックスの底壁はポリウレタンメツ
シュで形成された。

メッキボックスには、立方体状ほう素窒化物微粒子が含
よれており、これがメッキ溶液と結合して、メツシコ−
にで厚さ１〜２ｃｍのスラリーを生成する。この微粒子
の平均厚さは略５０〜１００ミクロンの範囲である。電
流が流れると、ブレードはまず、ニッケルサルファ剤溶
液内に浸され、モして略０．８ボルトで電着が始まる。

略２分後、ブレードはスラリー内に沈められ、メッキが
行なわれる。

略１５分後、ブレード先端表面に埋め込まれたガス気泡
を取り除くため、そして良い砂状接触でブレード先端表
面がメッキできるようにするため、ブレードはスラリー
内をわずかに移動する。メッキを３０分間余分に続け、
その後ブレード先端をニッケルサルファ剤タンクから取
り除いた。メッキ溶液とゆるく粘着した微粒子は、ブレ
ード先端を非イオン化水のなかで洗い流すことによって
取り除かれた。ブレード先端は５０％塩酸内に沈められ
、それによりニッケル表面の活性化が保持され、そして
ブレード先端はニッケルサルファ剤のなかへ再び挿入さ
れ、別に２．８ＡＳＭで４５分間、陰極メッキされた。

」二連の過程が終わると、良好な研摩特性をイｆずろブ
レードが生成された。第３及び第４ニッケル層の結合厚
さは、微粒子の平均厚さの略１／２〜１／３の間であっ
た。すなわち微粒子の大部分は、第４（最終）ニッケル
層表面の上方に延出しており、電気メッキされたニッケ
ルによって閉じ込められてはいなかった。

金属組織学の試験で、微粒子は第３及び第４ニッケル層
内に閉じ込められ、そしていかなる個々のニッケル層の
間でも、あるいは第１ニッケル層とチタン合金基質との
間でも分離しないということがわかった。

本発明は好ましい実施例に関して図示し、述べているが
、特許請求の範囲の精神及び範囲を逸脱しないものであ
れば、形態及び記述の種々の変化がなされることは、理
解されるであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明を実施する際のブレード先端と微粒子
スラリーの好ましい関係を示す簡単な図であり、第２図
は、本発明を実施する際の有用な装置を示す簡ｒ１ｔな
図である。 ５ ６ １０；メッキタンク、１１．固定具、Ｉ２ニブレード、
１４：メッキボックス、１５ニブレード先端、１６；側
壁、１Ｂ、底壁、２０：研摩微粒子、２４；純ニッケル
、２６；動力源、２８；メッキ溶液。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）チタンベース合金で形成されたタービンエンジン
   ブレードの先端部分に研摩層を提供する方法であって、 （ａ）厚さ略１２〜１８ミクロンの第１ニッケル層をブ
   レード先端に電気メッキする工程と、 （ｂ）厚さ略１ミクロンか、あるいはそれ以下の第２ニ
   ッケル層を第１ニッケル層に電気メッキする工程と、 （ｃ）第３ニッケル層を第２ニッケル層上に電気メッキ
   する工程であって、電気的に非伝導の微粒子とメッキ溶
   液のスラリー内にブレード先端を沈め、そのスラリーは
   電流及びメッキ溶液が透過する薄膜上に存在しており、
   第３ニッケル層の電気メッキを続ける工程と、 （ｄ）第４ニッケル層を第３ニッケル層上に電気メッキ
   する工程であって、第３及び第４ニッケル層の結合厚さ
   が、その中に埋め込まれた微粒子の平均厚さの略９５％
   よりは小さいが、該平均厚さの５０％よりは大きくなる
   工程と、 （ｅ）第１ニッケル層とブレード先端との間で放散を生
   じさせる温度でブレードを熱処理する工程と、 で構成されることを特徴とする研摩層をチタン合金製コ
   ンプレッサーエアフォイルへ適用する方法。
2. （２）前記微粒子が不規則な表面を有する立方体状ほう
   素窒化物であることを特徴とする請求項１に記載の方法
   。