JPH0447025B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はプラズマスプレーガンを用いて基層上
に砥粒層を塗布するための方法に関する。

本発明はガスタービンエンジンの部品に砥粒層
を塗布する目的をもつてなされたものであるが他
の産業分野に於ける部品及び構造体に対しても広
く応用することができる。

互いに摺接することがある二個の対向面のうち
の一方に他方を研削し得る能力を与えるために砥
粒物質がガスタービンエンジンの製造に際して用
いられている。このような面の一方が他方の面を
それらが互いに干渉することのなくなるまで研削
し尽してしまうようにして二個の接触面に於て破
壊的な干渉が発生するのが防止される。

このような手法は特にガスタービンエンジンの
中間段に於けるロータアセンブリとステータアセ
ンブリとの間のガス通路のシール部分に適用され
ている。この手法は内径シール及び外径シールに
等しく応用可能なものである。外径エアシールに
於てはロータブレードの先端に砥粒層を形成する
ことによりロータがそれを囲繞するステータより
も大きな直径を有する状態で運動した時にロータ
ブレードが対向するシユラウドを研削する。この
ようにしてシールの「慣し運転（run in）」がな
されると、ロータの最大運動範囲に於て最少また
は零の隙間が実現する。以後ロータの運動によつ
ては更に摩耗が起きることがない。このようなロ
ータブレードの先端に砥粒層を形成することに関
する公知の方法としては米国特許第3922207号及
び同第4169020号明細書に開示されているものが
ある。

同様に砥粒層はエンジン内部に用いられるラビ
リンスシール等の他のシールに関する応用にも用
いられている。例えば米国特許第4148494号明細
書に開示されているものはそのような構造の一つ
である。

ガスタービンエンジンに於ける砥粒層の利用の
利益が認識されるにつれて技術者は更に改良され
た構造及び塗布技術、特に砥粒の稜部の尖鋭度を
制御し且砥粒が塗布されるべき表面に砥粒を良好
に接着する技術を求めるようになつてきた。

本発明によれば、砥粒及び砥粒を基層上に接着
するための金属マトリツクス材料が、マトリツク
ス材料と砥粒とが同時に基層面上に入射するよう
な塗布方法をもつて基層上に塗布される。本発明
の或る特徴によれば、プラズマ流がプラズマスプ
レーガンにより発生され、金属製のマトリツクス
材料粒子がプラズマ流中に注入され、次いでプラ
ズマ流が基層面に入射する点にて砥粒がプラズマ
流中に注入され、プラズマスプレーガンが基層に
沿つて移動されるようになつている。

本発明の主な特徴は砥粒が塗布されるべき基層
面上に於てプラズマ流により運ばれる加熱された
マトリツクス材料と同時に砥粒が基層面上に入射
されることである。

金属製マトリツクス材料の粉末が基層から或る
距離をおいたプラズマ流中に注入され砥粒がマト
リツクス材料に注入される位置よりも基層に近い
位置でプラズマ流中に注入される。プラズマ流中
に注入された砥粒は基層面上で金属製のマトリツ
クス材料と接触する。本発明を実施するのに好適
な装置に於ては砥粒を注入する装置とマトリツク
ス材料を注入する装置とがプラズマ流の外周に
180゜の間隔をおいて配設されている。

本発明の主な利点は砥粒を良好な接着性と尖鋭
度とを伴つて経済的に塗布し得ることにある 良好な接着性は溶融金属からなるマトリツクス
材料が基層面上で固化するに伴い砥粒を捕捉する
ことにより達成される。砥粒の良好な尖鋭度は砥
粒を長時間プラズマ流の高温部分と接触させない
ことにより実現する。本発明に基く塗布方法は
様々な寸法の砥粒を塗布することができ且様々な
特性を有するマトリツクス材料を用い得る点に於
て極めて汎用性が高い。本発明に基く方法に於て
は砥粒層の研削性能が損われることがない。本発
明によれば砥粒は砥粒層の全体に亙つて分布する
ようにすることもできまた砥粒の注入を初期の塗
布過程に於て省略することにより砥粒層の表面に
のみ集中して分布させるようにすることもでき
る。本発明に基く方法には既に使用された砥粒層
を再生するためにも用いることができる。更に本
発明に基く方法によれば極めて複雑な幾何学的形
状を有する面に対しても砥粒層を塗布することが
できる。

以下本発明の好適実施例の添付の図面について
詳しく説明する。

本発明に基く塗布方法はガスタービンエンジン
の製造に有用である。第１図はガスタービンエン
ジンの圧縮段の一部を示す断面図である。ロータ
アセンブリ１２がガスタービンエンジンの軸線方
向に沿つて延在し且ステータアセンブリ１４に収
容されている。作動媒体ガスのための流路１６が
ガスタービンエンジンの軸線方向に沿つて延在し
ている。複数のロータブレード１８がロータドラ
ム２０から流路１６内に向けて外向きに突出して
いる。同様に複数のステータベーン２２がエンジ
ンケース２４から片持ち式に流路１６内に向けて
突出している。外側エアシール２６が各列のロー
タブレード１８に外接している。またロータドラ
ム２０上に形成された内側エアシール２８が各列
のステータベーン２２に内接している。砥粒層は
例えばロータブレード１８の先端と外側エアシー
ル２６との間に或いはステータベーン２２の先端
と内側エアシール２８との間に形成すると良い。
ここで求められているのは過渡的な状態に於ける
ロータの運動に伴いこのような境界面に於ける破
壊的な干渉を回避することである。これらの対向
面の一方に砥粒層を形成することによりこれらの
何れの側の構造も破壊することなく一方の面が他
方の面をきれいに研削することとなる。

第１図に示されている圧縮機の構造に於てはロ
ータブレード１８の先端及びロータの内側エアシ
ール２８などに砥粒層が塗布されている。これら
の部品及びこれらに塗布された砥粒層の状態が第
２図及び第３図に示されている。本発明のその他
の応用としては第１図に示されているような広幅
の通路のためのシール３２に於ける固体のランド
３０或いは第４図に示されているようなラビリン
スタイプのシールに於けるナイフエツジなどが挙
げられる。

本発明に基くこのような砥粒層の好適な応用例
としてはチタン合金からなる部品に対する応用が
考えられる。このような合金の酸化に伴い大きな
反応熱が発生するためそのような材料からなる部
品はその摺接部分から火災を発生する虞れがあ
る。このように互いに摺接する部品の一方に砥粒
層を塗布し対向面を研削しておくことにより過大
な熱発生が防止される。

本発明に基く砥粒層を塗布するための方法が第
５図に示されている。プラズマ流３４がプラズマ
スプレーガン３６で形成され、基層３８の表面に
向けて噴射される。マトリツクス材料粒子４０は
基層から距離をおいてプラズマ流内に注入されこ
のプラズマ流内に於て可塑化または溶融化され
る。砥粒４２は基層の面に対してより近い位置か
らプラズマ流３４内に注入される。砥粒４２及び
マトリツクス材料粒子４０は何れも基層３８の面
に沿つて移動するプラズマスプレーガン３６の運
動方向に平行な向きに注入されると良い。塗布さ
れるべき砥粒に対するマトリツクス材料の重量比
は広い範囲に亙つて調節することができる。一般
に１対１から100対１までの比が用いられる。少
くとも或る実施例に於ては砥粒及びマトリツクス
材料粒子がプラズマ流の外周に沿つて180゜の角度
をもつてプラズマ流中に注入されている。また或
る実施例に於ては砥粒及びマトリツクス材料粒子
がプラズマ流の軸線Ａに対して概ね直交する向き
にプラズマ流中に注入される。

プラズマにより塗布された層はプラズマスプレ
ーガン３６の両側に設けられたノズル４６から噴
射される冷却ジエツト４４により基層３８上で冷
却される。ジエツト４４は図示されているように
基層の面の上方の点Ｐに於て互いに交差するよう
に噴射方向が定められている。

基層の表面に対するマトリツクス材料粒子を注
入する点及び砥粒を注入する点の間隔は砥粒層を
好適に塗布する上で重要なフアクターである。原
理的にはマトリツクス材料粒子を注入する点がプ
ラズマ流中に注入された粒子が軟化または溶融し
得るように基層の面から十分な距離を隔てていな
ければならない。また砥粒を注入するべき点は砥
粒の鋭利なエツジが溶融することなく基層の面上
でマトリツクス材料中に捕捉されるべく基層の面
に対して十分近くなければならない。更に砥粒を
注入するべき点を基層の面の近傍とすることによ
り砥粒がプラズマ流により加速される度合を小さ
く保ち砥粒がマトリツクス材料中に捕捉される前
に基層面から反発する傾向を減少させることがで
きる。基層面に対する砥粒及びマトリツクス材料
を注入するべき点の実際の間隔は選ばれた材料の
組成及び粒子の大きさに依存する。

砥粒を注入するべき点の位置に関するもう一つ
の重要なフアクターは砥粒とマトリツクス材料粒
子とが交差する位置である。最も好適な交差位置
は基層の表面である。砥粒がマトリツクス材料粒
子及び基層の面と同時に接触するのが好ましい。
砥粒が基層面の上方でマトリツクス材料と交差す
るとマトリツクス材料が余りに早期に冷却されマ
トリツクス材料中に砥粒が捕捉される割合が下が
る。何故なら溶融または可塑化したマトリツクス
材料のみが基層面上に蓄積することとなるからで
ある。更に砥粒が高温のプラズマに余りに長い時
間接触すると砥粒の鋭利なエツジが失われてしま
うことがある。

砥粒の良好な捕捉の確率を高める上で重要なも
う一つのフアクターはプラズマ流中への砥粒の注
入角である。砥粒が基層面の近傍に留まる時間を
最大化するために注入角が可能な限り90゜に近い
のが好ましい。下流方向に向けて砥粒を注入する
と基層によつて反射されてしまう傾向が増大し逆
にプラズマ流の上流方向に向けて砥粒が注入され
ると結局プラズマ流に砥粒が加速され同じく基層
面により反射される傾向が強まる。

様々な材料を用い様々な塗布条件下に於て多数
の塗布実験を行つてみた。以下に示す例はこのよ
うな塗布実験のうちで最も良い結果が得られたも
のである。

第１例 第２図に示されているような圧縮機のロータブ
レード１８の先端にその先端面に沿つてプラズマ
スプレーガンをを一回横切らせることにより約
0.25mmの厚さで砥粒層を形成した。プラズマをス
プレーするに当つて用いられた条件は次の通りで
あつた。

プラズマスプレーガン
タイプＧノズルを備えるMetco7Mガン 基層からのノズルの距離 60.32mm 基層に対するマトリツクス材料注入位置
58.74mm 基層に対する砥粒の注入位置 1.59mm 基層に対する冷却用ジエツトの交差位置の距離
9.525mm プラズマスプレーガン電流 540A プラズマスプレーガン電圧 70V プラズマスプレーガンと基層との間の相対速度
0.92ｍ／秒 一次プラズマアークガス 窒素 3681.2dm³／ｈ 0.345MPa 二次プラズアークガス 水素 約283.17dm³／ｈ 0.345MPa マトリツクス材料 Metco443 （アルミニウムを含むニツケルクロム合金） 粒子の直径 （−150／＋38μ） （流量（25ｇ／分） 砥粒材料 シリコンカーバイド 粒子の直径 （140グリツト） 流量（100ｇ／分） マトリツクス材料キヤリアガス 窒素 311.49dm³／ｈ 0.345MPa 砥粒キヤリアガス アルゴン 424.75dm³／ｈ 0.345MPa マトリツクス注入ポート Metco＃２ パウダーポート 砥粒注入ポート 外径6.35mmのチユーブ 基層材料 チタン合金 基層表面処理
砥粒ブラスト／Metco443ポンドコーテイング プラズマスプレー軸に対する基層の軸線のずれ
1.59mm プラズマスプレー軸に対する砥粒注入位置の間
隔 22.225mm 砥粒の注入方向
プラズマのスプレー軸線に対して直角 マトリツクス材料注入装置と砥粒注入装置との
間の関係 180゜ 第２例 第４図に示されているようなナイフエツジなど
のラビリンスタイプシールのナイフエツジに対し
てプラズマスプレーガンを基層に沿つて一回移動
させることにより約0.25mmの厚さで砥粒を塗布し
た。この時のプラズマスプレーに於ける条件は次
の通りであつた。

プラズマスプレーガン
タイプＧノズルを備えるMetco7Mガン 基層からのノズルの距離 57.15mm 基層に対するマトリツクス材料注入位置
55.76mm 基層に対する砥粒の注入位置 6.35mm 基層に対する冷却用ジエツトの交差位置の距離
Ｏ プラズマスプレーガン電流 480A プラズマスプレーガン電圧 65V プラズマスプレーガンと基層との間の相対速度
1.524ｍ／秒 一次プラズマアークガス 窒素 2831.7dm³／ｈ 0.345MPa 二次プラズマアークガス 水素 283.17dm³／ｈ 0.345MPa マトリツクス材料 Metco443 （アルミニウムを含むニツケルクロム合金） 粒子の直径 （−150／＋38μ） 流量（25ｇ／分） 砥粒材料 シリコンカーバイド 粒子の直径 （320グリツト） マトリツクス材料 窒素 キヤリアガス 311.49dm³／ｈ 0.345MPa 砥粒キヤリアガス アルゴン 424.75dm³／ｈ 0.345MPa マトリツクス注入ポート Metco＃２ パウダーポート 砥粒注入ポート 外径12.7mmのチユーブ 基層材料 チタン合金 基層表面処理
砥粒ブラスト／Metco443ボンドコーテイング プラズマスプレー軸に対する基層の軸線のずれ
1.587mm プラズマスプレー軸に対する砥粒注入位置の間
隔 22.225mm 砥粒の注入方向
プラズマのスプレー軸線に対して直角 マトリツクス材料注入装置と砥粒注入装置との
間の関係 180゜ 第７図は第１例に基いて圧縮機のブレードの先
端に砥粒層を塗布する場合や第２例に基いてナイ
フエツジに砥粒層を塗布する場合などのように極
めて細幅の基層に対して砥粒を塗布する際の重要
な概念を示している。一般に圧縮機のブレードの
先端は僅かに約1.01mmの幅であり、またナイフエ
ツジの幅は先端に於て0.25mm程度の幅を有するよ
うにテーパーを付されている。第７図に示されて
いる細幅の基層３８は、その表面に直交するその
中心軸線がプラズマ流の中心軸線Ａに対して横方
向に距離Ｘだけずらされた状態にて砥粒を塗布さ
れる。これは、砥粒をスプレーする際にプラズマ
流の軸線Ａの極く近傍の領域に砥粒層の蓄積を制
限するような極めて浸蝕性の強い領域が形成され
ることが経験的に発見されたためである。従つ
て、第７図に示されている如く、基層への塗布を
このような浸蝕性の領域から外れた位置にて行う
ことにより基層上に補足される砥粒の蓄積の度合
が大幅に改善される。

以上本発明の好適実施例を説明したが当業者で
あれば本発明の概念から逸脱することなく様々な
変形変更を加えて本発明を実施し得ることは明ら
かである。

【図面の簡単な説明】

第１図はガスタービンエンジンに於ける互いに
対向するステータ及びロータアセンブリの様子を
示すための縦断面図である。第２図は砥粒層が塗
布された先端を有するロータブレードを示す斜視
図である。第３図は砥粒層が塗布されたロータア
センブリドラムの一部を示す斜視図である。第４
図は砥粒層が形成されたラビリンスタイプのシー
ルのナイフエツジ部分を示す斜視図である。第５
図は砥粒層をスプレーし塗布するためのプラズマ
スプレーガン装置を示す模式的斜視図である。第
６図は砥粒とマトリツクス材料粒子とが同時に基
層上に衡当する様子を示す拡大正面図である。第
７図は第６図の−線について見た断面図であ
り、細幅の基層に塗布する場合のプラズマ流の軸
線と基層の中心軸線との水平方向の位置関係を示
す。第８図は第１例の条件下に於てロータブレー
ドの先端に塗布された砥粒層を100倍に拡大して
示す顕微鏡写真である。第９図は第２例の条件下
でラビリンスタイプのシールのナイフエツジに塗
布された砥粒層を200倍に拡大して示す顕微鏡写
真である。 １２…ロータアセンブリ、１４…ステータアセ
ンブリ、１６…流路、１８…ブレード、２０…ロ
ータドラム、２２…ベーン、２４…ケース、２６
…シール、２８…シール、３０…ランド、３２…
シール、３４…プラズマ流、３６…プラズマスプ
レーガン、３８…基層、４０…マトリツクス材料
粒子、４２…砥粒、４４…ジエツト、４６…ノズ
ル。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ プラズマスプレーガンを用いて基層上に砥粒
   層を塗布するための方法であつて、高温のプラズ
   マ流を発生する過程と、前記プラズマ流中にマト
   リツクス材料粒子を注入する過程と、前記マトリ
   ツクス材料粒子を注入する位置よりも下流にて前
   記プラズマ流中に砥粒を注入する過程と、前記プ
   ラズマスプレーガンを塗布されるべき基層に沿つ
   て横方向に移動させる過程とを含み、前記砥粒を
   注入する過程に於て前記砥粒は前記砥粒と前記マ
   トリツクス材料粒子と前記基層とが三者同時に接
   触するような位置にて注入されることを特徴とす
   る砥粒の塗布方法。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の砥粒の塗布方法
   であつて、塗布される基層表面の幅が前記基層表
   面に於けるプラズマ流の広がりより小さい場合
   に、前記基層の中心軸線を前記プラズマ流の中心
   軸線に対して横方向にずらした状態にて塗布を行
   うことを特徴とする砥粒の塗布方法。