JPH10183378A - ブラシシール用のコーティング - Google Patents

ブラシシール用のコーティング

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JPH10183378A
JPH10183378A JP9325843A JP32584397A JPH10183378A JP H10183378 A JPH10183378 A JP H10183378A JP 9325843 A JP9325843 A JP 9325843A JP 32584397 A JP32584397 A JP 32584397A JP H10183378 A JPH10183378 A JP H10183378A
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coating
chromium
carbide
brush seal
nickel
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Application number
JP9325843A
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Inventor
Paul H Zajchowski
エイチ．ザジコウスキー ポール
Melvin Freling
フレリング メルヴィン
Susan M Meier
エム．メイアー スーザン
R Donovan Roy
アール．ドノヴァン ロイ
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RTX Corp
Original Assignee
United Technologies Corp
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Publication date
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    • F16J15/16—Sealings between relatively-moving surfaces
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    • F16J15/3284—Sealings between relatively-moving surfaces with elastic sealings, e.g. O-rings characterised by their structure; Selection of materials
    • F16J15/3288—Filamentary structures, e.g. brush seals
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ブラシシールに使用可能で、寿命が長く、ク
ラックフリーな厚いコーティングを提供する。 【解決手段】 ブラシブリサルが超合金で形成されたブ
ラシシール用のコーティングであって、標準粒径サイズ
が約４４〜１５μで、主にクロムカーバイドよりなる約
４０〜約６０vol％の硬質カーバイド相を含んだニッケ
ル−クロムマトリクスを有し、このニッケル−クロムマ
トリクスは、公称組成で約８０％のニッケルと約２０％
のクロムを含むことを特徴とするコーティングである。
好ましくは、前記クロムカーバイド相には、チタンカー
バイド、タングステンカーバイド、バナジウムカーバイ
ド、及びこれらの任意混合物のいずれかが更に含まれる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ブラシシールに関
し、主に、回転機器に用いられるブラシシールに関す
る。特に、本発明は、ガスタービンエンジンに用いられ
るブラシシールに関する。本発明は、ブラシと摩擦する
表面に対する硬いコーティングを提供する。このコーテ
ィングは、耐摩耗性及び耐久性ともに優れており、か
つ、クラッキングに耐性を有するとともに過剰なブリサ
ル摩耗（bristle wear）を引き起こすことのないコーテ
ィングである。本発明は、また、コーティング方法も提
供する。
【０００２】
【従来の技術】従来、多くの機械設計において、相対的
に移動する二つのパーツ間での流体シーリングが要求さ
れており、また、多くのシーリング設計が知られてい
る。ガスタービンエンジンにおいて特に用いられている
ものは、ブラシシールとして知られている。このような
ブラシシールは、例えば米国特許第３，９１７，１５０
号、第４，２０２，５５４号、第５，１１０，０３３号
に開示されている。ガスタービンエンジンのブラシシー
ルは、通常、複数の近接して設けられた固定ブリサル、
即ちブラシシールの刺毛状部位、を回転シャフトを囲む
ように設けた構成となっている。
【０００３】これらのブリサルは、実質的にシャフト表
面に垂直となる向きに配置され、かつ、その長さは、ブ
リサルがシャフトと摩擦して、シャフト回転方向にわず
かに曲がる、あるいは、たわむ状態となるに十分なもの
となっている。現在のガスタービンエンジンにおいて
は、数千時間にわたってメンテナンスフリーな動作が求
められており、結局、ガスタービンエンジンの寿命を長
くすることが本質的に求められている。
【０００４】ブラシシールの製造に用いられるファイバ
は、通常、金属製であり、多くはニッケルとコバルトベ
ースの超合金材質よりなり、特に高温にさらされる場合
に用いられる。
【０００５】ブリサルの自由端は、移動するシャフト面
と摩擦し、このスライドによる相互作用がブリサルの摩
耗の原因となる。
【０００６】米国特許第５，４４９，５３６号には、レ
ーザスプレーにより塗布される、酸化物の分散により強
化された金属コーティングを用いたブラシシールが開示
されている。米国特許第５，３５０，２７８号には、ア
ルミナ層が示唆されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】従来から、ブラシシー
ルのブリサルと相互作用する硬い表面を得るために、ハ
ードフェーシングタイプ、即ち表面を硬くするためのコ
ーティングが提案され、用いられている。本発明の譲受
人は、このような、表面を硬くするという従来のコーテ
ィングは、全面的に成功したとは言い難いと考える。特
に、当業界で標準的に用いられているコーティングで、
（重量部で）７５体積％（７５volumue percent）のク
ロムカーバイド（Ｃｒ3Ｃ2）及び２５％のニッケル−ク
ロムバインダ（公称８０％ニッケル−２０％クロム）
を、通常のプラズマスプレー法によりコーティングを行
った。通常のプラズマスプレー法を用いた場合、クラッ
キングやスポーリング（破砕）を起こすことなしにコー
ティングを６−８ｍｉｌ（０．１５２４〜０．２０３２
ｍｍ）以上とすることはできなかった。この場合、過剰
なブリサル摩耗が観察され、コーティングクラックが問
題となった。シャフトの回転によって、コーティングク
ラックの硬いクラックエッジが一回転ごとにブリサルに
接触することから、コーティングクラックは、ブリサル
による摩耗を進行させてしまう。
【０００８】ガスタービンエンジンにおいてコーティン
グを行う場合、コーティングをより厚く[30〜50mil(0.7
62〜1.27mm)程度］して、が望まれる場合がある。例え
ば、コーティングを厚くすることで寿命をのばす場合
や、シールシステムにおいて、シールブラシのブラシセ
ットを交換し、上述した硬い面の表面を研磨することで
接触面を平滑にして、改修を行う場合等がある。従来の
組成のプラズマスプレーコーティングでは、このような
ことは不可能であった。
【０００９】従って、本発明は、ブラシシールに使用可
能で、寿命が長く、クラックフリーな厚いコーティング
を提供することを目的とする。また、本発明は、ブラシ
シールとの使用に適した、面の硬いコーティングを形成
することを目的とする。更に、容易にオーバーホール時
や改修時に、容易に再機械加工できる、厚いコーティン
グを提供することを目的とする。
【００１０】本発明の更に他の目的は、ブリサル及びこ
のブリサルと摩擦するコーティングを含んだブラシシー
ルシステムを提供すること、及びこのようなコーティン
グを形成する方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、クロム
カーバイド粒子が混入されたニッケル−クロムバインダ
を有した、硬面コーティングシステムが提供される。ま
た、クロムカーバイド粒子とコーティングの硬さとが、
ブラシシールのパフォーマンスを良好とするために、最
適化されている。このような結果を得るためには、コー
ティング方法が重要となる。
【００１２】本発明は、ブラシシールに用いられている
従来のプラズマスプレーによる硬面コーティングとは、
幾つかの点で異なる。
【００１３】コーティングを行うために、従来とは異な
るプロセスが用いられる。従来技術に係るコーティング
は、プラズマスプレープロセスによってなされる。本発
明に係るプロセスでは、ＨＶＯＦ（high velocity oxyf
uel）として知られているプロセスを用いる。ＨＶＯＦ
システムは、米国特許第５，１２０，５８２号及び５，
４０５，０８５号に記載されている。ＨＶＯＦシステム
は、塗布されるパウダーに、実質的により大きなエネル
ギーを与え、その結果、ＨＶＯＦにより形成されたコー
ティングは、他のタイプのコーティングよりも、残留張
力（residual trensile）が相当低くなっている。
【００１４】殆どの条件下において、本発明のコーティ
ングにおける残留応力は、引っ張り方向ではなく、むし
ろ圧縮方向にはたらく。残留する引っ張り方向の応力が
減少することで、コーティングにクラッキングが生じる
おそれも小さくなる。引っ張り応力が小さく、かつその
結果クラッキングし難くなっていることで、クラッキン
グや破砕を生じる事なく実質的に厚いコーティングを形
成することが可能となる。従って、従来のプラズマデポ
ジットコーティングでは、クラッキングを起こす事なく
約６〜８ｍｉｌ以上の厚さのコーティング行うことはで
きなかったが、本発明に係るコーティングによれば、ク
ラッキングをおこすことなく４０ｍｉｌ以上の厚さとす
ることも可能である。本発明のコーティングは、従来の
プラズマスプレーによるコーティングよりも、密度が高
く、多孔性がより小さく、基体との結合強度が高く、粒
子間の結合強度が高い。これらの改良された特性は、ブ
ラシシールの寿命の向上に、いずれも重要である。
【００１５】本発明に係るコーティングは、その組成も
また従来とは異なる。従来用いられているコーティング
の組成は、７５wt%のクロムカーバイド、２５wt%のニッ
ケルクロムバインダまたはマトリクス、合金を有する。
一方、本発明に係るコーティングの中心となる組成で
は、クロムカーバイドが５０％、８０ニッケル−２０ク
ロム組成物（クロムが１５〜３０％、残部がニッケルの
組成物）が５０％となっている。
【００１６】このようにコーティング組成を変更したこ
とで、形成されたコーティングの延性が向上し、これに
より、クラッキングが起こりにくくなる。また、従来の
７５−２５クロムカーバイド−ニッケルクロムコーティ
ングは、約０．４％の歪み（室温において）でクラック
が生じるのに対し、本発明に係るコーティングでは、室
温で、初期クラックが生じるのは約０．６５〜０．７５
％である。
【００１７】また、ブラシシールシステムの寿命を向上
させると思われる硬度の相関に関しても確認した。現在
用いられている超合金ベースブリサルに関して、コーテ
ィングの寿命が最大となるのは、コーティングの硬さが
約４５０〜６５０、好ましくは約５００〜６００ＶＨＮ
の範囲であった。また、超合金ブリサルの硬度とコーテ
ィングの硬度との相関を求めた結果、コーティングとブ
リサルとの硬度の差が互いに１５０ＶＨＮ内であること
が好ましいことをみいだした。最も好ましくは、ブリサ
ルをコーティングよりも柔らかくする。
【００１８】本発明に係るハードベースコーティングの
スプレーに用いられるパウダーサイズは、従来のプラズ
マスプレープロセスで用いられているサイズよりも小さ
い。一般に、ＨＶＯＦプロセスでは、プラズマスプレー
プロセスよりも、パウダーサイズを小さくしている。パ
ウダーサイズを小さくすることで、コーティング内のク
ロムカーバイド相が一層細かく分散され、より均質な微
小構造がえられる。これにより、ブリサルの寿命が向上
すると考えられる。
【００１９】我々は、サイズ−３２５メッシュの米国標
準シーブ＋１５ミクロンのパウダー（約４４〜約１５ミ
クロン）を用いた。用いたパウダーは、８０ニッケル−
２０クロムパウダーと、７５％クロムカーバイド−２５
％ニクロム組成物と、の混合物である。これらのパウダ
ーの混合比は、全体の所望の重量比が、５０％クロムカ
ーバイドと５０％のニクロムと、になるように調整され
た。しかし、その他のパウダーの組み合わせ、例えば、
ニクロムパウダー５０wt%、クロムカーバイド５０wt%を
所望のパーティクルレンジ及びサイズレンジとした混合
物も、同様に、満足しうる特性が得られると信じる。
【００２０】このコーティングを、標準的なＨＶＯＦプ
ロセスパラメータを用いて、中心線パラメータ供給（ce
nterline powder feed）により、燃焼コーティングシス
テム装置によりおこなった。概略すると、最初に塗布を
行う際には、１０ｍｉｌ（0.254mm）以上の厚さでコー
ティングを行い、その後、このコーティングを研磨し
て、その粗さが１６マイクロインチＡＡ(16 micro inch
es AA)未満の滑らかな表面として、標準的な保護コーテ
ィングを形成した。改修を可能とするために、クラッキ
ングや破砕を生じることなく、コーティングの厚さを４
０〜５０ｍｉｌとした。本発明に係るコーティングは、
好ましくは孔げき率が３vol%未満であるが、用途によっ
ては、孔げき率が５vol%程度、あるいは１０vol%程度で
あっても使用かのうである。
【００２１】本発明に係るコーティングは、ブラシシー
ルにおいて、我々が知る限りでは、最も長い寿命を示し
た。
【００２２】
【発明の実施の形態】本実施形態では、７５％のクロム
カーバイドと２０％のニッケル−クロム、６０％のクロ
ムカーバイドと４０％のニッケル−クロム、５０％のク
ロムカーバイドと５０％のニクロム、及び４０％のクロ
ムカーバイドと６０％のニクロムの、各組成を有するコ
ーティングに関して試験を行った。その結果、５０％ク
ロムカーバイドと５０％のニクロムを有する組成が最も
特性がよかった。しかし、クロムカーバイドが４０％で
ニクロムが６０％という組成から、クロムカーバイドが
６０％でニクロムが４０％という組成範囲でも、満足で
きる特性が得られた。しかし、我々は、クロムカーバイ
ドが４５〜５５％で残部が８０％ニッケル−２０％クロ
ムという組成が好適であるとして、この組成を用いた。
【００２３】我々は、好適には、コーティングの活性硬
化相（active hard phase）としてクロムカーバイドを
用いるが、その他のカーバイド、例えばチタンカーバイ
ド、タングステンカーバイド、バナジウムカーバイド、
及びこれらの任意混合物によって、クロムカーバイドの
全部あるいは一部を置換することも可能である。ただ
し、この際には、以下の硬度の相関を満たす必要があ
る。好ましくは、少なくとも５０vol%のクロムカーバイ
ドを研磨（カーバイド）混合物組成中に用いる。
【００２４】同様に、我々は、８０ニッケル−２０クロ
ムバインダ材を用いたが、ニッケル−クロム組成物に、
そのコーティングバインダとしての性能に悪影響を与え
ることなく、種々の成分を添加することができる。例え
ば、鉄及びコバルトは、上述のような悪影響を与えるこ
となく、ニッケルの約１０％までを置換することができ
る。また、コーティングの厚みを増すことが要求される
場合等においては、少量（それぞれ５％以下で、総重量
がバインダの重量の１０％まで）の固溶体硬化成分、例
えばタングステン、タンタル、ニオブ、モリブデンをニ
ックロムに加えることができる。
【００２５】塗布されたコーティングは、硬度が約４５
０〜６５０ＶＨＮが望ましく、好ましくは５００〜６０
０ＶＨＮとする。このコーティング硬度範囲は、現在用
いられているブリサル材に対して最適化されたものであ
り、このブリサル材の硬度は、約４５０ＶＨＮ（Haynes
25合金、公称組成２０％Ｃｒ，１５％Ｗ，１０％Ｎ
ｉ，１．５％Ｍｎ，０．１％Ｃ，残部Ｃｏ）である。ブ
ラシシールに用いる場合、実用的には、コーティング組
成の硬度とブリサル材、特に金属ブリサルの硬度との差
は、１００ＶＨＮとすることが必要であり、ブリサルの
硬度は、コーティングの硬度よりも低くすべきである。
【００２６】上述した硬度に関する要件に加えて、コー
ティングには、室温においてクラックが現れる歪みの値
が約０．５％より大きい値、好ましくは約０．６％より
大きいことが要求される。
【００２７】また、コーティングには、厚さ２０ミル以
上、好ましくは４０ミル以上においてクラックフリー、
即ちクラックが発生しないものであることが要求され
る。
【００２８】また、コーティングの残留応力は、圧縮性
であることが好ましい。
【００２９】我々は、ＨＶＯＦデポジションプロセスを
用い、かつ、サイズが約３２５メッシュよりも細かいパ
ウダーパーティクルを用いることで、上記要件を満足す
る結果を得た。好適には、形成されたコーティングの表
面は、約２５マイクロインチＡＡより平滑であり、より
好ましくは、１６マイクロインチＡＡよりも平滑とす
る。
【００３０】試験例 当業者であれば、用いられるスプレーガン／システムに
よってパラメータが変化することが理解されよう。従っ
て、ここに記載するパラメータは、条件を変えてコーテ
ィングを行う際には、他の適切なパラメータを決定する
ためのガイドとして用いられる。
【００３１】ブラシシールコーティングを、高速酸素燃
料プロセス(high velocity oxyfuelprocess)によって形
成した。このプロセスでは、スプレートーチが用いら
れ、ガスまたは液体燃料が酸素と燃焼して高速ガススト
リームが形成され、このガスストリームに、パウダー化
された材料が、コーティングされるパーツに対して射
出、加熱及び噴射されてコーティングが形成される。
【００３２】本発明にかかる処理パラメータは、上述し
たような特性を有したクロムカーバイド８０％ニッケル
−２０％クロムコーティングが得られるように調整され
る。ここで用いるパラメータは、特に、水素を燃料ガス
として用いたサルザー・メトコ・ダイヤモンド・ジェッ
ト・ハイブリッドＨＶＯＦスプレー(Sulzer Metco Diam
ond Jet Hybrid HVOF spray)で用いられるように調整さ
れたものである（このコーティング形成処理で用いられ
たＨＶＯＦプロセスでは水素を用いたが、他の物質を燃
料として用いる他のＨＶＯＦシステムに対しても、ある
程度のパラメータ調整を行うだけで、コーティングの形
成処理を行うことが可能であると我々は信じている）。
以下の説明は、シャフトの外径面のコーティングに関し
て説明したものである。
【００３３】コーティングされるパーツを適切に清浄化
した後、コーティングしない部位をマスキングして保護
し、コーティングされる領域のグリットブラストを行う
ことで、コーティングの接着のために表面を粗面化し、
コーティングをパーツに形成した。
【００３４】コーティングのスプレー形成の間、パーツ
を回転させて、表面速度を約４００〜約６００sfpm（約
１３０smpm〜１９５smpm）とした。このスプレーガン
は、典型的には、パーツの外径面に配置され、垂直面内
で、コーティングされる領域を８−５０インチ毎分で横
切らせる。この際の角度は、パーツの形状に応じて、コ
ーティングされる面に対して４５〜９０度（好適には９
０度即ち垂直）となるようにする。パーツの表面速度、
スプレーガンの移動レート及びパーツのサイズは、スプ
レーが行われている間のパーツの温度に影響を与える。
外部ガス冷却を用いて、パーツの温度が高くなり過ぎる
のを防ぐこともできる。スプレーガンとパーツとの距離
は、約７〜９インチの間で変動可能である。パウダーの
供給レートは、約７５グラム／分〜約１００グラム／分
である。窒素キャリアガスフローは、２５〜３５ｓｃｆ
ｈで、プルームセンターラインにパウダーの粒子が適切
に射出されるようにする。標準的な条件としては、約室
温（２５℃程度）、約１気圧（１０１ｋＰａ）である。
【００３５】スプレーガンへの酸素ガスフローは、約２
７５〜４５０ｓｃｆｈであり、水素ガスフロー範囲は、
１４５０〜１６５０ｓｃｆｈであった。窒素は、スプレ
ーガンの冷却ガスとして用いられ、そのフローレンジ
は、９００〜１０００ｓｃｆｈであった。上述したパラ
メータは、サルザー・メトコ・ダイヤモンド・ジェット
・ウォーター・クールド・ハイブリッド・スプレー・ガ
ン（水素−酸素燃焼用の標準的なノズルを使用）用に最
適化したものであるが、当業者であれば、これらのパラ
メータは、パウダーの種類やサイズ、燃料ガスの種類、
ガンの種類、パーツの形状等の変化に応じて変動可能で
あることが理解されるであろう。
【００３６】コーティング硬さに関しては、カーバイド
相の体積の増加、ニッケルクロムマトリクスへの硬化材
（Ｔａ，Ｎｂ，Ｗ，Ｍｏ）の添加、スプレーガンからコ
ーティングされる表面までの距離の短縮化、及び／又は
酸素フローレートの増加等を行うことで、コーティング
の硬さが増す。一方、上述の操作を逆にすることで、コ
ーティングの硬さが低下する。
【００３７】上述のガンと動作パラメータとの組み合わ
せによって、スプレースポットサイズが約０．５〜０．
７５インチ（１２．７〜１９ｍｍ）になる。厚さ４０ミ
ル（1.016mm）のコーティングを直径１８インチのパー
ツに形成するには、上述したパラメータを用いて、３０
分〜４０分を要する。
【００３８】このようにして、ブラシシール用の耐摩耗
性コーティングが得られる。
【００３９】以上、本発明を詳細な実施形態に基づいて
説明したが、本発明の趣旨及び範囲を離れることなく、
当業者により、この実施形態に対して種々の変更、変
形、付加等が可能である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 メルヴィン フレリング アメリカ合衆国，コネチカット，ウエスト ハートフォード，オールド メドウ ロ ード 40 (72)発明者 スーザン エム．メイアー アメリカ合衆国，コネチカット，ヴァーノ ン，ボックスマウンテン ドライヴ 124 (72)発明者 ロイ アール．ドノヴァン アメリカ合衆国，コネチカット，ヴァーノ ン，メドウラーク ロード 115

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ブラシブリサルが超合金で形成されたブ
    ラシシール用のコーティングであって、 標準粒径サイズが約４４〜１５μで、主にクロムカーバ
    イドよりなる約４０〜約６０ｖｏｌ％の硬質カーバイド
    相を含んだニッケル−クロムマトリクスを有し、このニ
    ッケル−クロムマトリクスは、公称組成で約８０％のニ
    ッケルと約２０％のクロムを含むことを特徴とするコー
    ティング。
  2. 【請求項２】 前記クロムカーバイド相には、チタンカ
    ーバイド、タングステンカーバイド、バナジウムカーバ
    イド、及びこれらの任意混合物のいずれかが更に含まれ
    ることを特徴とする請求項１記載のコーティング。
  3. 【請求項３】 前記カーバイド相には、少なくとも５０
    vol％のクロムカーバイドが含まれることを特徴とする
    請求項２記載のコーティング。
  4. 【請求項４】 前記ニッケル−クロムマトリクス相は、
    鉄、コバルト、タングステン、タンタル、ニオブ、モリ
    ブデン、及びこれらの任意混合物のいずれかを、総量で
    約１０％以下の範囲で含有することを特徴とする請求項
    １記載のコーティング。
  5. 【請求項５】 残留応力が圧縮力となっていることを特
    徴とする請求項１記載のコーティング。
  6. 【請求項６】 ニッケル−クロムマトリクス内に分散さ
    れたクロムカーバイド相を含有し、厚さが0.2032ｍｍよ
    り大きいクラックフリーコーティング。
  7. 【請求項７】 ブラシシールコーティングの形成方法で
    あって、 ＨＶＯＦプロセスによって、４０〜６０vol％のカーバ
    イド相を含有したニッケル−クロムマトリクスを含んだ
    コーティングを形成し、前記コーティングの厚みは約0.
    2032mmより厚く、かつクラックフリーであることを特徴
    とする方法。
  8. 【請求項８】 移動する面と相互作用する複数の固定ブ
    リサルを備えたブラシシールシステムであって、 前記移動面の硬度との差が１５０ＶＨＮ以下である硬度
    を有する超合金ブリサルを有し、前記移動面は、平均粒
    径サイズが約４４〜１５μであるクロムカーバイドが４
    ０〜６０ｖｏｌ％を含有したニッケル−クロムマトリク
    スにより形成される面を有し、この面は、実質的にクラ
    ックフリーであることを特徴とするブラシシールシステ
    ム。
  9. 【請求項９】 前記面は、室温での破断歪みが約0.5％
    以上であることを特徴とする請求項８記載のブラシシー
    ルシステム。
  10. 【請求項１０】 前記移動する面の硬度は、約４５０〜
    ６５０ＶＨＮであることを特徴とする請求項８記載のブ
    ラシシールシステム。
  11. 【請求項１１】 前記ブリサルの硬度は、前記移動する
    面の硬度よりも低いことを特徴とする請求項８記載のブ
    ラシシールシステム。
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