JPS5920721B2 - 多層金属・セラミツク複合体を金属基材に結合する方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ３０本発明はジェット機に用いられる型の金属・セラミ
ック摩耗性シール（ｓｅａｌ）に関する。

特に本発明ぱ製造後シール構造体の冷却中応力が最小に
なるようにされているそのようなシールの製造法に関す
る。石 高温摩耗性シールの用途に用いられる区分され
た（ｇｒａｄｅｄ）金属・セラミック構造体は米国特許
第３９７５１６５号に記載され、且つその製造方法と共
に特許請求さわている。

この特許の教示に従つて作られたシールは、その複合体
シール部材と、それが融着される基材との間に金属とセ
ラミツクからなる或る適当な組成の混合体が含まれてお
り、それによつて熱膨張の差が少なくなるようにされて
いる。区分された構造の結果として、シールの損傷を起
し易いような剪断応力は著しく減少する。しかし剪断応
力のこの減少にもかかわらず、残留応力は大きいままで
ある。

例えば結合温度から等温的に冷却されたニクロム−Ｚｒ
Ｏ２構造では、残留圧縮及ひ引張ジ応力が夫々セラミツ
ク層及び金属に富む層に発生する。区分された複合体構
造物を堅くてしつかクした基材にとりつけると、そのよ
うな応力が生じ、急速に天きくなることがある。従つて
ほとんどの用途に必要な形状が安定した構造体は、確か
に加工後大きな残留応力を生ずる。従つて本発明の目的
は、摩耗することができ且つ耐熱衝撃性を有する丈夫な
セラミツク・金属複合体構造物を製造することにある。

更に別の目的は最終生成物中の応力を減する簡単で経済
的なやｖ方でそのような構造体を製造することである。
更に他の目的はそのようなやり方で、少なくとも５０℃
／秒の速度での加熱及び冷却循環に耐えることができる
区分された金属・セラミツク構造体を与えることである
。本発明によれば、ジニット機に用いられる型の金属・
セラミツク摩耗性シールが、それらを焼結すると共に変
形可態な基材にろう付け或は結合し、次いでそのろう付
け温度から冷却した後その基材を剛性にすることによつ
て改良される一本発明を実施する場合、未焼成の区分さ
れた金属・セラミツク複合体を形成し、加圧し、次いで
ゆつくう乾燥する。

このようにして形成された複合体を未焼成状態で、好ま
しくはろう付け用テープ或はろう付け用粉末の溶融被覆
をつけてある変形可能な基体上に置き、そしてその複合
体を焼結すると共に複合体の金属に富む表面を基材にろ
う付け叩ち融着するのに充分な温度に加熱する。このろ
う付け操作には約１２００℃の温度が好ましく、充分な
時間、典型的には約１時間維持する。この加熱工程は等
温的又はわずかな温度勾配を維持して行うことができ、
基材の温度が複合体のセノノ ラミツク表面より４５０℃低い温度になる迄勾配をつけ
ることができる。

この加熱工程は真空又は水素の如き非酸化性雰囲気中で
行うのが好ましい。複合体と基材とを一緒に押しつける
のに緩やかな圧力を適用するのが好ましく、約５ｐｓｉ
の圧力で満足できることが判明している。之等の構造体
の温度が約１２００℃のろう付け温度に近い時、圧力は
基材と複合体の界面での接触を改善し、わずかな構造的
欠陥をふさぐために５〜２２５ｐｓｉに上昇させるのが
好ましい。

区分された複合体を基材に融着するのが完了した後、通
常約１時間室温への冷却を開始する。本発明に従つて用
いられる基材は変形可能であり、変形工程を阻害するよ
うな全ての圧力及び機械的歪みが冷却工程のために除去
される。室温へ冷却した後、補強材及びレールフツク（
ＲａｉｌｈＯＯｋ）を基材裏側に溶接し、その部品を剛
性にし、且つタービン室に取りつけ易くする。ニクロム
−ＺｒＯ２層構造の如き区分された金属・セラミックシ
ールでは変形が起きる。

なぜならセラミツク部分と金属部分は冷却する時その収
縮が異なるからである。変契約はずれは基材の剛性さが
増す程少なくなる。基材の合金及び厚さが剛性に影響を
与え、このようにして変形も相殺される。第１図には、
プラツトフオーム１０、助骨材１２及び助骨材１４を有
する助骨材付基材の底部即ち裏側が示されている。縁の
助骨１４は軸の応力を減する溝１６を有するのが好まし
い。第２図は第１図の同じ助骨材付基材の側立面図であ
る。

第３図中、金属・セラミツクシール複合体１８はプラツ
トフオーム１０にろう付けされている。第４図には第３
図の如きブラツトフオーム１０にろう付けされたシール
１８が示されているが、この場合にはレール２０が外周
補強剤として適所に溶接されている。

更に棒２２が縁助骨材１４に溶接されており、構造体を
一層強くしでいる。第５図は第４図の強化構造体の底部
の図で同じ部材が見られる。第６図のグラフには基材合
金とフラツトフオームの厚さの、本発明の構造体の変形
に与える影響を示しておジ、その内容は図から容易に分
るであろう。第７図はシール複合体と基材を焼成操作中
に保持するための本発明による固定装置の一つの型を例
示している。

黒鉛底部板３０は、それに取り付けられ且つ上部黒鉛板
３４を通る四つの黒鉛ボルト３２を有する。黒鉛ナツト
３６が構造体に下向の圧力を加えるためにしめつけてあ
る。第７図に訃いて、基材プラツトフオーム１０をその
助骨材１２を通して支持する基礎的支持体は成形された
ステンレス鋼板３Ｔである。インコ（ＩｎｅＯ）７６０
板の薄い板３８が接着を防ぐため成形ステンレス鋼板３
７の両側に置いてある。金属・セラミツクシール１８の
上には成形された黒鉛圧カパツド４０がある。パツド４
０の上にはインコ７６０板の別の層或は薄板があり、そ
の上に鋼板４２がある。繊維質のフアイバーフラツクス
（Ｆｉｂｅｒｆｒａｘ）４４の薄板が、ろう付け後の複
合体上の付着を防ぎ、圧力を軽減するために用いられて
いる。なぜならそれらの部材はろう付け温度では町塑性
になジ弱くなるからである。第８図の上面図には上部黒
鉛板３４、黒鉛ボルト３２の端及び黒鉛ナツト３６が見
えている。同様ではあるが異なつた圧力装置が第９図に
は示されている。

黒鉛から作られた基板５０はその上に配置された黒鉛ボ
ルト５２を有する。成形された鋼板５４とその下のフア
イバーフラツクス薄板４４は、基材プラツトフオーム５
８と複合体シール６０を支える。複合体６０に圧力を及
ぼすのは区分された黒鉛パツド６２であジ、それらは支
持体ナツト６６の上に支持された黒鉛枠６４中に保持さ
れている。気体袋６８が上部黒鉛板７０と＊区分された
黒鉛パツド６２の間に配置されてお沢気体袋６８の両側
にジルコニアの布の層６９が備えてある。気体導入管７
２が気体袋６８に接続されており、それは上部黒鉛板７
０を通つて伸ひ、外の気体源（図示してない）に接続さ
れている。上部ナツトＴ４は気体袋６８をふくらますこ
とによつて圧力が加えられた時、上部黒鉛板７０を適所
に維持する。実施例 １ ６層に区分された複合体を次の材料から形成した。

八ｎ八 出売 層１を先ず型中に拡げて２．４０×４．０５×０．１５
０厚（Ｉｎ）の層を形成した。

型は１０．９７ｉｎの曲率半径をもつていた。残りの層
を第１の層の上に続けて重ね、全厚体を１００００ｐｓ
ｉで圧搾した。圧搾物を注意深く５℃及び１５％の相対
湿度で乾燥した。用いた基材は４．００×３．１０×０
．１２５厚（Ｉｎ）の大きさの曲つたＭａｒＭ５Ｏ９合
金板であつた。

基材を、０．０９７高さ×０．２００巾（Ｉｎ）の大き
さの断面をもつ７本の助骨材を互に０．３５０１ｎ間隔
にあけたもので軸方向に強化した。そのプラツトフオー
ムの各縁にとｖつけた二本の付加的な助骨材は、０．４
２５高さＸＯ．２ＯＯ巾（Ｉｎ）の断面をもち、ブラツ
トフオームに対する溝で互に０．５００１ｎ離れた溝が
ついていた。ＭａｒＭ５Ｏ９はＰｒａｔｔａｎｄＷｈｉ
ｔｎｅｙ社製のコバルト・クロム合金である。板の凹形
表面はＡＭＩ−４００ろう付けテープで注意深く覆゛つ
た。第７図に示した固定装置中で加圧結合及び焼結を等
温的に行なつた。

層状複合体の金属に富む表面に向いたＭａｒＭ合金板の
ろう付け被覆表面とセラミツクに富む表面とを凹形黒鉛
圧カバツドと接触させた。それらの配列が組立体を通し
て良好になるように特別の注意を払つた。抑制部材上の
黒鉛ナツトを最後に２〜２％Ｉｎ−１ｂ迄均一に締めた
。全組立体を気密なガスマツフル中に人れた。

マツフルに１時間５．４ＣＦＨでアルゴンを流した。ア
ルゴンでバージした後、それを７６０℃に保持した炉中
へ入れた。次に水素ガスを５．０ＣＦＨの流速でマツフ
ル中に流し、アルゴンを０．４ＣＦＨに低下させた。炉
制御機を１２４０℃の内部温度が得られるように調節し
た。温度を７６０℃に低下した後、指示された最高温度
を３時間維持した。炉温が１０００℃に達した時、マツ
フルを取ジ出した。曲つた基材によく結合した多層複合
体を有する丈夫な構造体が得られた。

目で見ても欠陥は見られず、測定すると変形が起きてい
たことが示された。弧と３１ｎの弦との間の径方向の最
大距離について、基材単独の場合（第２図のｙ）と基材
に溶接した後のシールの場合（第３図のｙ）との間では
０．０２５１ｎの変化があつた。軸方向ではシールの操
作性に影響を与えるには不充分なわずかな曲力が起きた
たけであつた。０．５００１ｎ巾と０．１２５１ｎ厚の
断面の二本のハステロイ（ＨａｓｔｅｌｌＯｙ）Ｃ−２
７６（ＣａｂＯｔＣＯｒｐＯｒａｔｌＯｎｆ）Ｓｔｅｌ
ｌｉｔｅＤｉｖｉｓｉＯｎ製コバルト／クロム／ニツケ
ル／モリブデン合金）からつくられたレールを外周補強
材として用いた。

それらレールは基材の曲りに一致するように成形した。
それらを１１ｎ離して基材上に対称的に配置し、レーザ
ーで助骨材に溶接した。溝付端部助骨材も０．３７５巾
×０．１２５厚（Ｉｎ）の平らな棒を溶接することによ
り補強した。基材を複合体の大きさに相当させて２．３
７５１ｎ巾に切つた。この例でつくつた試料はタービン
エンジンの操作条件に似せて熱的サイクルに５０回かけ
た。

そのサイクルはセラミツク表面を室温から１０００℃に
１５秒で加熱し、１２５０℃の最高温度に６０秒維持し
、表面を６００℃に約１５秒で冷却する厳しい操作から
なり、それをくり返した。この試験の後でも試料の一体
性は優れていることが分つた。実施例 ２ ６層に区分された複合体を実施例１に記載の材料及び手
順を用いて形成した。

但し基材は軸方向の助骨剤はもつていなかつたが、４．
０６×２．５０Ｘ０．１２５厚（Ｉｎ）の大きさの曲つ
たＨａ８ｔｅｌｌＯｙＣ−２７６合金板である単に曲つ
た板即ちプラツトフオームであつた。第９図に示した型
の固定装置で加圧結合及び焼結が行われた。

炉操作は実施例１ＶＣ記載の方法に従つた。但し金属袋
は最高温度で３時間保持する間１０ｐｓｉのアルゴンで
加圧した。袋は冷却する前に圧力を除いた。曲つた基材
によく結合した層状複合体を有する丈夫な構造体が得ら
れた。

目で検査しても欠陥は見つからなかつたが、測定により
変形が起きていたことが示された。弧と３１ｎ弦との間
の径方向の最大距離ｙの最人変化は０．０２５１ｎに相
当していた。軸方向ではシールの操作姓Ｑて影響を与え
るには不充分なわずかな曲りが起きているだけであつた
。この例でつくつた試料は実施例１で述べたエンジン操
作条件に似せた条件で５０回熱的サイクルにかけた。

この試験の後でも試料の一体性は優れていることが分つ
た。基材は実施例１の如き試験の前に強化しなかつたの
で、試料はラチエツテイング（Ｒａｔｃｈｅｔｉｎｇ）
を受けた。即ち各熱サイクル毎に変形が起きた。エジン
に使用することを目的としたこのような構造体では、軸
方向の強化用助骨材及び外周レールを基材に溶接するか
叉は他の方法でとりつけ、ラチエツテング或はねじれを
防止するようにする。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による助骨材を付けた基材底部即ち裏側
の、複合体シール部材に結合する前の図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 多層金属・酸化物セラミック摩耗性複合体を変形可
   能な金属基材に結合するための方法において、前記摩耗
   性複合体を未焼成の状態でその金属に富む面を前記基材
   に接触させて置き、前記複合体と基材とにかける温度お
   よび圧力を上げ、充分に複合体を焼結しかつ基材に結合
   させ、このようにして形成された構造体を圧力を除いた
   後室温へ冷却し、次に補強部材を該構造体の裏側に固定
   してそれを剛性にすることからなる多層金属・酸化物セ
   ラミック複合体を金属基材に結合する方法。 ２ 基材の表面を、加熱する前に、ろう付け用粉末で被
   覆しておく特許請求の範囲第１項に記載の方法。 ３ 焼結温度への加熱及び冷却が不活性雰囲気中で行わ
   れる特許請求の範囲第１項に記載の方法。 ４ 不活性雰囲気が少なくとも１０＾−＾４トールの真
   空である前記第３項に記載の方法。 ５ 不活性雰囲気がアルゴン、水素及び窒素からなる群
   から選択される前記第３項に記載の方法。 ６ 複合体と基材とを加熱中一緒に加圧する特許請求の
   範囲第１項に記載の方法。 ７ 加熱中の圧力が少なくとも５Ｉｂ／ｉｎ＾２である
   前記第６項に記載の方法。 ８ 補強部材が金属棒である特許請求の範囲第１項に記
   載の方法。 ９ 金属棒が基材の裏側に溶接される前記第８項に記載
   の方法。 １０ 金属基材がタービンエンジンであり、複合体が実
   質的に全てセラミック材料からなる上部層と、セラミツ
   ク材料混合物からなる少なくとも一つの中間層と、金属
   の底部層とからなり、然も適当な固定装置中で加圧し、
   次に徐々に乾燥して形成された多層複合体である前記第
   １項に記載の方法。 １１ 複合体を金属基材上に置く前に、ろう付け用粉末
   で該金属基材を先ず被覆する前記第１０項に記載の方法
   。 １２ 変形可能な金属基板が、該金属・酸化物セラミッ
   ク複合体を該基板に結合する時の熱的応力によつて該基
   板がその結合後希望の曲率半径をとるように予かじめ定
   められた曲率半径に一方の面に曲つている金属板からな
   る前記第１項に記載の方法。