JPH07501865A - 不透過性・摩耗性シールおよびそれを製造する方法 - 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】 不透過性・摩耗性シールおよびそれを製造する方法皮藩」」 本発明はターボ機械で用いるための摩耗性シール・ライナの製造に関する。ガス 流に対（７て優れた、摩耗性と低い透過性の組み合わせを備えたライ＋′材料は 、高融点金属を含有する液体を剛性骨組構造の細孔に浸透させ、この金属を骨組 構造に結合させることによって製造される。

背−一一景 ガスタービン・エンジンの効率は、回転要素と周囲のケーシングの自由端間の間 隙によってがなりの程度左右される。ロータ・ブレード、ケーシング間の間隙損 失を実質的に減じるために、種々の摩耗性ライニングが使用されており、回転要 素が摩耗性ライニングに溝を切ることによ−）でロータ・プレートの損傷を最小 限に抑えるようにな−〕でいる。低温度用途の場合には、たとえば、ガスタービ ン・エンジンの人［１部で用いる場合には、摩耗性ライニングは所望の緊密な動 作間隙をｈ４．　、＜るように種々の一７゛ム様材料で作ることができる。

しかし、なから、ステーン温度が高まるにつれて、たとえば、エンジンのコンプ レッサやタービン部では、ゴム様材料はもはや使用できない。このような高温用 途（すなわち、３００℃より高いか、一般的には５００℃より高い温度での用途 ）では、高融点材料、たとえば、金属、サーメットあるいはセラミックスを使用 しなければならない。稠密（無孔）金属、サーメットあるいはセラミックスは所 望の摩耗性を提供できない。

というのは、稠密材料へ溝を切り込むのに要するエネルギ量とブレードの摩耗量 が多すぎるがらである。したかって、従来は、一般的には、必要な摩耗性を得る ために、種々の低密度金属あるいはセラミックのライニングに頼っている。

摩耗性金属ライニングは、一般に、（ｉ）ケーシングに吹き付けるか、あるいは 、（ｉｉ）ケーシングにたとえばろう付けによって結合するがしている。後者の 摩耗性ライナ材料は、剛性の骨組状マトリックス材料、すなわち、ハニカムのよ うな細孔を有する構造や焼結粒状金属（粉末または繊維）で作る。

上述したように、低密度の、一般的には多孔性材料を使用して、過度に高い摩擦 エネルギ損失や回転要素の過度に高い摩滅を招くことなく回転要素がライナ材料 の摩耗を行えるようにしなｉノればならない。このような多孔性ライナは、一般 的には、約１５〜約３５％の密度比（構造の密度対この構造で用いられている金 属の絶対密度をパーセントで表わした値）を持つ。残念なことには、多孔性材料 を使用するということは、ガス流に対する透過性が高いため、性能損失、すなゎ ち、プレート先端と摩耗性ライナの細孔との間の漏洩を招くことになる。このよ うな漏洩を減らすべく、従来技術は細孔のうちの少なくとも一部を金属粉末で満 たす試みを行っていた。これらの試みのいくつかの例が米国特許第３，８４４， ０１１号、同第３．５１９，２８２号に示されている。これらの特許の方法で製 造される製品は、いずれも、同様の欠陥を持つ。すなわち、かなり漏洩を抑える には不当に大量な金属粉を用いなければならず、これにより、高密度のライナで はあるが、摩擦特性（摩耗性）が劣るという結果を招くことになる。たとえば、 金属繊維構造（米国特許第３．５１９．２８２号のものに類似ｌ〜Ｃいる）に化 分な金属粉を浸透させて密度比を２１から２５％へ高め、漏洩をやや敗訴（低減 ）しているか、これはまた、摩耗性をかなり低下させることがわかった。

金属粉含浸によって達成された漏洩低減という改善にもかかわらす、それかかな り不充分であるために、この技術は、実用という点で考えると、一般的には、比 較的大きい細孔を有する摩耗性ライナ材料に限られている。ガスタービンで最も 普通に用いられている焼結金属繊維製品は、極めて細い直（’Ｌの繊維で作られ ている。一般には、細孔の直径は４０ミクロンより下である。現在市販されてい る最も小さい金属粒子（約４ミクロン）を分散させたとしても、このような製品 では完全な含浸を行うのは難しい。

発泄ト欠世り示 比較的細かい細孔（この「細孔」という用語は任意の小さい開口、たとえば、ハ ニカム構造のセルなどを含む）でも、所望の金属、好ましくは、遷移金属を含有 する成る種の液体を利用すれば、多孔性金属骨組状構造のほぼ完全な浸透を容易 に達成できることがわかった。この液体は、金属の溶融塩、有効量の金属を含有 する溶液あるいは元素または化合物として有効量の金属を含有するコロイド分散 液の形をしているとよい。

骨組浸透後、骨組構造からの浸透金属の流出を防ぐ。

これを行うには、直後に加熱して安定した誘導体を形成するか、あるいは、より 多くの場合には、液体の粘度を高めるとよい。液体が溶融塩の場合には、液体を 冷却して固化させることによって粘度が高まり、一方、液体が溶液あるいはゾル である場合には、乾燥によって粘度が高まる。いずれにしても、被浸透構造は高 温で空気、窒素ガスなどの中において加熱して浸透した金属を安定した化合物（ 使用する雰囲気に依存する）へ変換し、骨組構造への望ましい結合を行うことに なる。ここで、この技術の好ましい具体例を用いると、その場で形成された少量 の遷移金属酸化物の浸透で細孔が塞がり、ライナ材料において少なくとも成る程 度まで浸透性を低下させることかできることがわかった。

こうして、できたライナ材料は、摩耗性シールとして使用することに加えて、ク ラッチ板、ブレーキバットなどとしても利用できる。

図面の簡単な説明 第１図は、２１％の密度比を持つ繊維金属マトリ・ノクスに存在する多孔性の程 度を示す、従来の未充填繊維金属マトリックスの顕微鏡写真（１９５倍の表面写 真）である。

第２図は、Ｎｉ粉末を充填した同様の繊維金属マトリックスの顕微鏡写真（６５ ３倍の表面写真）である。

第３図は、ニッケル酸化物を充填して相互連絡している細孔を塞いだ繊維金属マ トリックスの顕微鏡写真（６４３倍の表面写真）である。ニッケル酸化物の量は 材料の密度をほんの少し増大させることになった。

第４（ａ）、（ｂ）図は、クロム酸化物微小球体を充填した同様の繊維金属片の 顕微鏡写真である。第４（ａ）図は、この繊維金属片の表面での微小球体被覆の 程度を５５倍の倍率で示しており、第４（ｂ）図は、この繊維金属片の中心を通 る３４４倍の断面図であり、マトリックスの細孔を構成している繊維を球体（細 い円弧状の線）かとのように架橋して細孔を塞いでいるかを示す図である。

ロ　′　ｔ−めの　の１ 第１図は、従来の焼結繊維金属ライナ片の顕微鏡写真であり、このようなライナ に通常存在する多孔度および相互連絡空気通路を示している。このようなライナ における繊維は不規則な形状を示すか、通常５〜２５ミクロンの直径および５０ ：１〜８０：１のアスペクト比を持つ。以下の３つの実施例でより詳しく述べる が、３種類の方法を用いて同様の繊維金属片を充填した。第１の製品（第２図） は、米国特許第３，５１９，２８２号に示唆されているものに類似したものであ り、開放細孔構造に細かいニッケル粉末のスラリを押し込み、乾燥、加熱して粉 末を相互にかつ繊維に結合させている。表に示す結果かられかるように、プロセ ス上の制限により、粉末の浸透はライナ片の表面領域に限られているか、密度は 約４％増大し、ガス漏洩性がほんの少し改善（低減）している。実施例２．３は 、本発明による方法を利用したものであり、所望の金属を含有する液体を用いて 金属マトリックス全体を通じて均一な浸透を達成している。その後、浸透金属を 空気中で加熱した。こうしてできた酸化材料は、（ｉ）相互連絡通路を塞いで、 細孔を完全に満たさずとも透過性をかなり減じることができ、あるいは、（ｉｉ ）細孔を実質的に酸化物微小球体で満たしてかなりの漏洩度低減を達成している 。

透過性あるいは漏洩性は、テスト片を通して圧縮空気を圧送し、閉鎖度を測定す ることによって評価される。６９　ＫＰａ　（ゲージ）の圧縮空気は可撓性プラ スチックのチューブを端に有する開放金属チューブ（０゜６４ｃｍ内径）を通し て１０．　３８Ｌ／ｍｉｎの率で供給し、適度に緊密なシールを行い、材料の表 面を評価する。

不透過性材料の場合でも、プラスチック先端と粗面との不適合により、成る程度 の漏洩は避けられない。閉鎖度は流量ゲージでわかる。こうして、表かられかる ように、従来の材料は平均読取値か１０．２Ｌ／ｍｉｎであり、非常に閉鎖度が 小さいことを示している。

摩耗性は、テスト片を回転するブレード・チップまたはナイフ刃へゆっくりと進 めることによって評価される。テスト装置はブレード・チップ（タービン・エン ジンで遭遇するブレードを模している）を駆動する空気タービンからなる。この タービンは４８．００Ｏｒｐｍで作動でき、これは３０５　ｍ／ｓのロータ要素 の表面速度に相当する。摩耗性テスト片はモータ駆動テーブルに取り付けられ、 このモータ駆動テーブルは制御した速度でロータ要素の制御した深さまで移動す る。このモータ駆動テーブルは摩擦相互作用から生じる面荷重、ロータ速度損失 およびトルクを測定するようになっている。摩擦で生じたトルクはロータ質量慣 性モーメントとロータ減速度の積であり、一方、摩擦エネルギは相互作用中の速 度損失の関数である。

對１０−−金−属」氷１９グ１し透 従来の繊維金属マトリックス（第１図に示すもの）をＣｏｕｌｔｅｒ　Ｐｏｒｏ ｍｅｔｅｒを用いてテストした。ここでは、気孔径分布か約２〜４０ミクロンで 変化し、細孔の大部分が４ミクロンよりも大きいことかわかった。このことは、 ４ミクロンの平均粒径を持つニッケル粉末が利用できるので、Ｏ味がある。Ｎｉ 粉末は繊維金属マトリックスのＮ１ヘース合金（ＨＡＳ置ＬＯＹ　Ｘ）との良好 な適合の可能性を持つ。米国特許第３．５１９．２８２号は、焼結繊維金属マト リックスの透過性が金属粉末の浸透によってかなり低減する可能性があると示唆 しているが、この特許はこのような浸透をどのようにして行うのかについては沈 黙している。浸透は超音波ガンを用いて行った。焼結繊維金属マトリックスのシ ート片を水平に支持しながら水槽内に浸漬した。Ｎｉ粉末スラリ（１００ｍｌの 水内に５０ｇのＮｉ）を浸漬シートの上面に何句し、次いて、超音波ガンでシー ト全面を走査して粉末の浸透を強めた。より大きい浸透度を得るために、シート をひっくり返し、反射面を−にに向け、同じ作業を繰り返した。その結果、屯ｍ がほんの１９％増大した（これは特にンー１−の中間部での不完全な充填による ）。第２図に示す製品は、Ｎ１粉末の浸透によって得た浸透性の低下をｈｐ＋定 した評価した。上述したように、従来の未完！首材料はほんの少しの閉鎖度を示 し、読取値は１０　、　２　Ｌ／ｍｉｎである。同様に、Ｎ；粉末浸透サンプル の最良のものは漏洩性の低下がほんの少しであり、読取値は９　、　７　Ｌ／ｍ ｉｎであった。浸透性の改良か低いために、定量摩耗性テストは行わなかった。

しかしながら、大雑把なテストでは摩耗性の著しい低下か示された。

実ｊＬ例一本−−溶１１塩」フと皮ｊ 粉末で繊維金属マトリックスに浸透する試みにおいて遭遇した困難により、液体 での浸透の研究を行うことになった。多数の低融点塩（「１酸塩、塩化物、水素 化物）を、溶融塩の冷却時におけるマトリックス内へのＤ　ｉＢ、残留の能力に ついてａｆ価した。最も意味のある浸透性低下についての改良は、ＮｉＮｏ３粉 末を多孔性マトリックスの上面に広げ、８０°Ｃで加熱して粉末を溶融させ、そ の結果できたｌｌｋ体を細孔へ浸透させ、マトリックス繊維を湿潤させることに よって達成された。浸透済みの７トリックスは冷却して塩を固化し、構造からの 流出を防ぐ。続いて、空気中で０．５時間５３８°Ｃで加熱し、ＮＯ２を追い出 し、ニッケル酸化物を繊維にしっかりと接合し、マトリックスの相互連絡通路の 一部を塞いだ。水銀多孔度測定器によれば、平均粒径がかなり減じたことがわか った。表を参照してわかるように、閉鎖度は未充填マトリックスの５０％未満ま で漏洩性を低下させるのに充分なものである。

サンプルの重量は約４２％たけ増大し、摩耗度が幾分低下したが、Ｎｉ粉末サン プルの摩耗度と同し程度ではない。酸化物コーティングか成る程度の潤滑性を与 え、密度増大の効果に逆らっていると考えられる。

巧１刈３　、」１＊藩ｊ「℃悲慢」 多孔性マトリックスを金属塩の水様溶ｉｌｌ内に浸漬して溶液を細孔へ浸透させ たとき、細孔の表面張力が大きくて細孔内からの液体の望ましくｌよい流出を防 ぐことが多いことがわかった。成る種の金属溶液および酸化物ゾルを乾燥させて ゲル状物質を形成することができることは知られている（たとえば、米国特許第 ４，３４９．４５６号参照）。このゲル状物質は、高温で燃やしたときに、主と して金属酸化物からなる中空微小球体を形成することができる。クロム酸（Ｈ２ ＣｒＯ４）の溶液が、部分的に乾燥させたときに、繊維金属マトリックスの細孔 内にこのようなゲル状物質を形成することが発見された。

繊維の湿潤を促進し、マトリックスの充填の均一性を高めるために、繊維金属片 は２０分間５２８℃で空気中において酸化させる。次に、このＪｌをクロム酸溶 液（Ｓ、Ｇ、＝１．６４５ｇ／ｃｃ）に浸漬する。完全な浸透の際に、この片を 水槽から取り出して水を切り、４０分間８０℃に設定したオーブン内で乾燥させ 、７分間７２０℃に設定した炉内にそれを置いて燃焼させる。こうしてできた製 品はほぼ完全にクロム酸化物の微小球体を充填されている。第４（ａ）図は繊維 金属片の表面上の微小球体被覆の程度を示し、第４（ｂ）図は充填済みの繊維金 属ハの中心からの切断面であり、いかにして球体がマトリックスの通路を閉鎖し ているかを示している。微小球体の中空度（すなわち、球体直径対壁厚）は、ば らばらの繊維の太さく通常は５〜２５ミクロン内にある）を微小球体の壁厚と比 較することによって第４（ｂ）図で明らかである。こうしてできた製品は、上述 したように、１　、　４　Ｌ／ｍｉｎ未満の漏洩性を示し、これは、主として、 上述したように不一致のプレード・チップとテスト片の不規則な表面との間の漏 洩による。製品は約２８％の重量増大を示しているけれども、微小球体の薄肉性 および脆性が繊維のかなりの部分（こわたるクロム酸化物被覆の潤滑性とあいま って、表（こ示す結果から明らかなように、製品の摩耗性を改善している。

表 摩耗性ライナの透過性および摩耗性 （１）３つの読取値の平均 （１）　これらのサンプルのデータは比較できな０゜種々のプレートを利用した 異なったテスト法の下にサンプルを評価した。Ｎ　ｉ　ｔｊ）末サンプルの摩擦 エネルギは著しく損なわれており、Ｎｉ酸化物被覆サンプルの摩擦エネルギも損 なわれているけれとも、「未充填」サンプルに比較して程度は小さい。

この表に示される結果かられかるように、向上した摩耗性とかなり低下した透過 性との優れた組み合わせは、発泡可能な液体浸透物を利用し、好ましくは、こう して生した気泡か中空微小球体を形成できるということによって達成される。一 般に、主としてブレードがライナ材料をプレートの前方により多く押し込むため に、摩耗性は低下するかライナ材料の密度は高くなる。しかしなから、中空微小 球体に使用により、同時にライナの重量を増大させることなく、マトリックスの 細孔（あるいは、類似するものとして、）＼ニカムの開放セル）の非常に効果的 な充填を行える。種々のゲル状または粘性溶液は急速加熱することによって発泡 可能である。このような物質の発泡能力は、たとえば、溶液またはゾルに発泡剤 を含有させることに基づくものであるかも知れないし、あるいは、クロム酸の場 合におけるように、閉し込められた溶媒（たとえば、水）そのものか発泡剤とし て作用するかも知れない。米国特許第４，３４９．４５６号（第４欄、第６〜５ ４行）は、発泡のみならす、酸化物微小球体も形成する可能性を持つ種々の物質 を載せている。クロム酸は、ＨＡＳ置ＬＯＹＸ繊維の場合に特に好ましい。これ は、ＨＡＳ置ＬＯＹ　Ｘと反応する有効性か高＜、（ｉ）焼結繊維金属マトリッ クスの摩耗性および　（ｉｉ）繊維金属とセラミックフィラーの間の境界結合を 高めるためである。

図　面 ｉ；Ｌ来の未充填焼結繊維 Ｎ１粉末充＋Ｊｒｊ Ｆ／６２ ニッケル酸化物充填 Ｃｒ２Ｏ３微小球体充ｊ首 （表面写真） Ｆ／θ　４σ Ｃｒ２ｏ３微小球体充が （断面写真） ＦＩＧ、　４ｂ 補正書の翻訳文提出書 （特許法第１８４条の８） 平成５年１２月１６日

Claims (21)

【特許請求の範囲】
1. １．ターボ機械で使用するための摩耗性シール・ライナであり、剛性の骨組状マ トリックスを包含し、その細孔が金属または金属化合物で少なくとも部分的に満 たしてあり、高温用途でのライナの透過性をかなり減じるようになっている摩耗 性シール・ライナを製造する方法において、 前記マトリックスの細孔に有効量の金属を含有する液体透過物を浸透させ、前記 液体としてマトリックスの細孔に適切に侵入するに充分な程度に低い粘性を持つ ものを用い、 マトリックスからの透過物の流出を防ぎ、透過済みのマトリックスを加熱する時 間および温度を高温で安定しており、透過物がマトリックス材料に接着する誘導 体を形成するに充分なものとし、この誘導体がライナのガス透過性を著しく低下 させるに充分な程度まで細孔を満たすかあるいはその通路を塞ぐようにした ことを特徴とする方法。
2. ２．請求の範囲第１項記載の方法において、前記液体が金属を含有する溶融塩で あり、透過物の流出を溶融塩の冷却によって阻止することを特徴とする方法。
3. ３．請求の範囲第２項記載の方法において、前記加熱を前記塩のアニオン成分を 追い出すに充分な温度および時間で行うことを特徴とする方法。
4. ４．請求の範囲第３項記載の方法において、前記透過物が実質的に硝酸ニッケル からなることを特徴とする方法。
5. ５．請求の範囲第１項記載の方法において、前記加熱を金属酸化物を形成するに 充分な時間にわたって大気を含む酸素内で行うことを特徴とする方法。
6. ６．請求の範囲第６項記載の方法において、前記金属を遷移元素から選ぶことを 特徴とする方法。
7. ７．剛性の骨組状マトリックスを包含し、その細孔を少なくとも部分的に金属ま たは金属化合物で満たして高温用途でのライナの透過性をかなり減じた摩耗性ラ イナ材料の製造方法において、 前記マトリックスの細孔に元素または化合物の形の少なくとも１つの金属を有効 量含有する溶液または分散液を浸透させ、前記溶液または分散液としてマトリッ クスの細孔に適切に浸透するに充分に低い粘性を持つものを使用し、 マトリックスからの透過物の流出を防ぎ、透過物を発泡させる条件の下に透過済 みのマトリックスを加熱し、（ｉ）この高温で安定しており、（ｉｉ）ライナの ガス透過性を著しく低下させるに充分な程度まで細孔を満たすようにマトリック ス材料に接着する誘導体を形成する ことを特徴とする方法。
8. ８．請求の範囲第７項記載の方法において、透過物の流出を、溶媒の大部分を追 い出すに充分な温度および圧力で透過済みのマトリックスを乾燥させることによ って防ぐことを特徴とする方法。
9. ９．請求の範囲第８項記載の方法において、或る高温まで急速に加熱したときに 発泡できるゲル状物質へ前記透過物を変換するように前記乾燥を行うことを特徴 とする方法。
10. １０．請求の範囲第９項記載の方法において、ゲル状物質を前記構造の細孔を満 たす微小球体または独立気泡へ変換するに充分に急速に前記加熱を行うことを特 徴とする方法。
11. １１．請求の範囲第１０項記載の方法において、前記細孔の大部分が４０ミクロ ンよりも小さい有効直径を持つことを特徴とする方法。
12. １２．請求の範囲第１０項記載の方法において、前記透過物がクロム酸の水様溶 液であることを特徴とする方法。
13. １３．ターボ機械で用いるための摩耗性シール・ライナであり、剛性の骨組状マ トリックスからなる複合材料で作ってあり、その細孔がこのターボ機械のコンプ レッサ部で遭遇する温度で安定する金属化合物でかなりの程度満たしてあること を特徴とする摩耗性ライナ。
14. １４．剛性の骨組状マトリックスからなる複合材料から作った摩耗性ライナであ り、その細孔がゲル状前駆物質からのガスの発生によって形成される発泡金属化 合物をかなりの程度満たしてあることを特徴とする方法。
15. １５．請求の範囲第１４項記載の方法において、前記金属化合物が中空微小球体 の形をしていることを特徴とする方法。
16. １６．請求の範囲第１５項記載の方法において、前記マトリックスが焼結金属粒 子からなることを特徴とする方法。
17. １７．請求の範囲第１４項記載の方法において、細孔が（ｉ）前記細孔および（ ｉｉ）前記微小球体よりもかなり小さい有効直径を有する通路によって相互連絡 していることを特徴とする方法。
18. １８．請求の範囲第１７項記載の方法において、前記マトリックスが焼結粒状金 属からなることを特徴とする方法。
19. １９．請求の範囲第１８項記載の方法において、前記粒状金属の大部分が５〜２ ５ミクロンの直径と５０：１〜８０：１のアスペクト比を有することを特徴とす る方法。
20. ２０．請求の範囲第１９項記載の方法において、前記金属化合物が金属酸化物で あり、この酸化物がガスの流出によって発泡していることを特徴とする方法。
21. ２１．請求の範囲第２０項記載の方法において、前記金属酸化物が中空の微小球 体の形をしていることを特徴とする方法。