JPS59209763A - 砥粒の塗布方法 - 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】 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
を塗布づるための方法に関づる。

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
る目的をもってなされたものであるが他の産業分野に於
りる部品及び構造体に対してし広く応用することができ
る。

互いに摺接づ−ることがある二個のヌ・１向而のうらの
一方に他力を研削し寄る能力をＪｊえるために硯ｆｒｒ
物賀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。このような而の一方が他１）の面を−ぞれらが互
いに干渉づ−ることのイ丁くなるまで研削し尽してしＪ
、うまうにして二個の接触面に於て破壊的な干渉が発生
づるのが防止される。

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（プる［１−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
砥粒層を形成づ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り“るシコラウドを１ｉｔ）削する
。このようにしてシールのし慣し運転〈１゛旧１ｉｎ）
　ｉ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づる。以後［１−夕の運動によって
は更に摩耗が起きることがない。このＪ、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訂第３，９２２゜２０７
号及び同第４．１６９，０２０号明細古←二間示されて
いるものがある。

同様に砥粒層【よＪ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♂ｆ第’ｌ、’１７１　Ｂ、　＝１９４
号明細ｉ訂に開示されているムのは−との、Ｊ、・うな
構造の一つである。

ガスタービンエンジンに於レノ；ｊ、〉（４（粒層の利
用の利益が認識されるにつれ゛Ｃ技術育（ま更に改良さ
れた？￥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りＹに接着
づる技術を求めるようになってさた本発明によれば、砥
粒及び砥粒を基層上に接るづるための金属マトリックス
ＪｒＡ利が、マトリックス月利と砥粒とが同時に基層面
りに入用づるような塗布方法をもって基層」ｌに塗布さ
れる。本発明の成る特徴によれば、プラズマ流がプラズ
マスプレーガンにより発生され、金属製のマトリックス
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砥粒を注入し、目・ｐ プラズマスプレーガンを基層に沿っ−Ｃ移動させるよう
になっている。

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ｌＣ７トリツクス
材料と同時に砥粒が’ｌ　Ｗ面ｌ−に入射されることで
ある。

金属製マトリックス材料の粉末が基層から成る距離をお
いたプラズマ流中に注入され砥粒がマ［−リックス材料
が注入される位買よりも基間に近い位胃でプラズマ流中
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？１ヘワックス材判と接触づる。不発明を
実／ｉｌ！ｉするのに好適な装置に於ては砥粒を汀入り
装置とマトリックス材料を注入づる装置とがプラズマ流
の外周に１００６の間隔をおいて配設されている。

本発明の主な利点ｔｉＬ凪粒砥粒好＜１接者性と尖鋭度
とを伴って経済的に塗布し１ｑることにある良好な接着
性は溶融金属からなるマトリッ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。

ｌｉｔ〜粒の良好な尖鋭度は砥粒を長時間プラズマ流の
ＩＰｌ温部弁部分触させないことにより実現する。不発
明に基く塗布方法は様々な寸法の砥粒な塗布することが
でき旦様々な１４ｆ性を有するマトリックス月利を用い
得る点に於て極めて汎用性が高い。不発明に基く方法に
於’（１；１砥粒層の研削性能が損われることがない。

不発明によれば砥粒は砥粒層の全体に亙って分布づるよ
うにづることもでさＪ、た砥粒の注入を初期の塗布過程
に於て省略づ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（」既に使用された砥粒層を再生ず
るためにも用いることができる。更に不発明に基く方法
によれば極めて複連な幾何学的形状を右づ°る面に対し
ても砥粒層を塗布することがでさる。

以下本発明の好適実施例を添（＝Ｊの図面につい°Ｃ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
一部を示ず断面図である。ロータアセンブリ１２がガス
タービンエンジンの軸線ｌＪ向に沿って延在し且ステー
タアしンブリ１４に収容されている。作動媒体ガスのた
めの流路−１６／ｆｉガスクーピンニＩニンジンの１ｌ
ｌｒ線方向に沿って延在している。複数の（：１−タブ
１ノード１８が［１−タドラム２０　ｈｓ　ｒら流路１
６内に向りＣ外向さし二突出している。同様に複数のス
テータベーン２２が■ンジンクース２４から片持ら式に
流路１Ｇ内に向（りて突出している。外側エアシール２
６が各列のロータブレード１８に外接している。よた１
」−ラドラム２０上に形成された内側、Ｌアシール２８
が各列のステータベーン２２に内接（］ている１、砥粒
層は例えば［１−タグレード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どの間に形成Ｊ−るど良い。

ここで求められているのは過渡的な状態←二於（〕る（
］−夕の運動に伴いこのＪ：うな境界面に於（）る破壊
的な干渉を回避づることである。これらの対向面の一方
に砥粒層を形成りることによりこれらの・何れの側の構
造も破壊づることイ１く一方の面が他グツの面をきれい
に仙削することどなる。

第１図に示されている圧縮機の１層造に於て（よ［ｌ−
タブレード１８の先端及びＩ”ｌ−夕の内側エアシール
２８などに砥粒層がり゛イ１ｊ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
８図に示され（いる。本発明のその他の応用としてｉＪ
第１図に示されているＪ、−うイｆ広幅の通路のｔｃめ
のシール３２に於（］る固体のランド３０或い（ユ第４
図に示されているＪ、うなラビリンスタイプのシールに
於（〕る〕ナイフＪ−ツジ１どが挙げられる。

本発明に基くこのような砥粒層のりｊ′適な応用例とし
ではチタン合金１．ｓ　＋らなる部品に対りる応用１ｆ
ｉ考えられる。このような合金の酸化に伴い人さな反応
熱が発生づるため（のよ−うな材利かＩうなる部品はぞ
のＩｉｉ？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づる部品の一／）に１．１〜１’
：Ｉ　ｆｉ？ｉを塗イ＋ｉ　Ｌ対向面をｆσ（削してお
くこと（こより過大の熱発生が防止される。

本発明に阜く砥粒層を？瘉ｑ　イ１ｉ−４るためのｈ法
が第５図に示されＣいる。プラズマ流３　／Ｉがプラズ
マスプレーガン３６で形成され、砥粒層が塗布されるべ
き基層３ε３の表面に向【〕てｒｆ′１Ｑ、Ｊされる９
、ン１へリックス拐わ１粒子４０は基層から距阿（をお
いてプラズマ流内にとＬ人されこのプラズマ流中に於て
塑性化または溶融化される。Ｔ１１〜粒／ｌ−２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７１−リツクス材料粒子４０は何
１１シ塁層３８の面に沿って移動づるプラズマスプレー
ガン３Ｇの運動方向に平行な向さ゛に？」入されると良
い。塗布されるべき砥粒に対ヅる７１〜リックス月わの
型閉止（ユ広い範囲に亙って調ｊ！１）づることができ
る。一般に１対１から１００λ１１Ｊ：での比が用いら
れる。少くとも成る実施例に於ては？、！（粒及び７ト
リツクス材４゛でｌδ゛１子がプラズマ流の外周（、二
沿って１８０　’の間隔をおいてプラズマ流中にｄ−人
されている。また成る実施例に於ては砥粒及び７トリツ
クス拐斜粒子がプラズマ流の・ｈｌｉ　６！△に対して
概ね直交りる向さ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３
６の両側に設（］られたノズル４６から噴射される冷却
ジェンｌ−４／ｌにより基層３８上で冷却される。ジェ
ット４．４　ｔＪ図示されているように基層の面の上方
の貞Ｐに於て亙いに交差Ｊるように噴射方向が定められ
ている。

基層の表面にス・ｊ７１るマトリックス月利粒子を注入
覆る点及び砥べＩを１大刀る点の間隔は凪オー“１層を
りｆ適に塗布する」−で小鼓＜’ｉミツノックターある
。原即的には７１−リックス４．４オ≧１粒子をン１入
り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１１１るＪ、うに基層の面から十分イ丁距謂を隔て
てい４ｒｉＪればならイ１い。Ｊ、た砥粒を注入ηるべ
き点１Ｊ　、ｊ＋（：拉の鋭利なエツジが溶融り−るこ
となく基層の面」−で７１〜リツクス材オｌ中に１市１
足されるべく基層の１（１１に対して十分近くイｒりね
ば＜ｒら４ｆい。史にＥｌ（’Ｆ◇を注入するべき点を
基層の面の近１方とすることにより（へ粒がプラズマ流
により加速される１哀合を小さ・く保ら砥粒が７１−リ
ックス祠斜中に捕捉される１゛！ｑに基層面ｂｌ　Ｉら
反発する（「１向を減少さ已ることかできる。基層面に
対づる砥粒及び７１ヘリックス月別を注入づるべぎ点の
実際の間隔は選ばれた材わ１の組成及び粒子の人きざに
依ｒＦＪる。１砥粒を注入りるｌ＼き点の位置に門づる
もう一つの重要な７７７クターは砥粒とマトリックス月
利粒子とが交差する位置である。最し好適な交差位置は
基層の表面である。砥粒がマトリックス材Ａ″３１粒子
及び基層の面と同時に接触づるのが好ましい。

砥粒が基層面の」一方でマトリックス材わＩと交差づる
どマトリックス材料が余りに早期に冷却されマトリック
ス材料中に砥粒が捕捉される割合が下がる。何故なら溶
融または塑性化した７トリツクス材１’３＋のみが基層
面上に蓄積覆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り−ると砥粒の鋭利な
−［ツジが失わね−ＣＣ１２うことがある。

砥粒の良りＹな捕捉の確率を高める上で重要なもう一つ
の）ｊ・フタ−（よプラズマ流中へのｌＩ仄粘ンのンー
１人角である。砥粒が基層面の近傍に留Ｊ、る時間を最
大化覆るために注入角が可能イ≧限り９０°に近いのが
好ましい。下流方向に向りて砥粒を注入づると基層によ
って反則されてしまう傾向が増大し逆にプラズマ流の−
Ｌ流り向に向（ブて砥粒が注入されると結局プラズマ流
により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Ｊ：る。

様々な材オ゛３１を用い様々な塗イ１ｉ条（ｉ下に於て
多故の塗布実験を行つＣみた。以下に示づ例はこのよう
な塗布実験のうらで最も良い結果が七］られたしのであ
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１
８の先端にその先端面に沿つ−Ｃプラズマスプレーガン
を一回横切らけることにより０．２５ｍｍのオーダの厚
ざで砥粒層を形成した。プラズマをスプレーするに当っ
て用いられた条イ！ｌは次の通りであった。

プラズマスプレーガン　　タイプＧノズルを１ｌｉｉ“
ｙえるＭＯｔｃｏ　　７Ｍガン 基層からのノズルの距（ｌｉｔ　　　　　６０．３２ｍ
ｍ　　　　　　：ｌｌ基層に対するマトリック　　　　
５８．７４ｍｍス材料注入位置 基層に対Ｊる砥粒の注入　　　　１．！１９１１１１１
１１１γ置 基層に対する冷）、１１用ジエ　　　　　９，５２５＋
１１１１＋ット・の交差位置の距離 プラズマスプレーカン　　　　　　５４０Ａ電流　・ プラズマスプレーガン　　　　　　７（）■電圧 プラズマスプレーガン　　　　　０．９２＋ｎ　７秒ど
基層との間の 相対速度 一次プラズマアークガス　　　　窒素 ３６８１．２ｄｌｌｌ、、′１） ０．３４５　Ｍ　Ｐ　ａ 二次プラズマアークガス　　　　水素 約２８３．１７ｄｎｌ／　ｌｉ Ｏ，３４５Ｍ　Ｐ　ａ マトリックス材料　　　　　　１ｙｌ　ｅｔｃｏ　　４
４３（アルミニラｔ＼を含 むニラクルり１−１ム 合♀） 粒子の直１Ｙ （１！ｉ０／ト３８μ） 流星（２５（１，／分） 砥粒材お１　　　　　　　　　シリ−）ンカーバイド粒
子の直径 （１４０グリツド） 流星（１００ｇ、／分） マド・リツクス材斜　　　　　　窒素 キ・ＶＩクリアス　　　　　　　３１１　、４９　ｄ　
ｎｌ　／ｌ’＋０．３４５　Ｍ　Ｐ　：１ 砥粒キャリアガス　　　　　アルゴン ４２−４．７！）ｄｌｌ／　ｈ ０．３４５　Ｍ　Ｐ　ａ ７１ヘリツクス注入ボート　　１ＶＩｅｔｃＯＪ壬２バ
ウグーポート 砥粒注入ボート　　　　　　外ｉ￥６　、３　！ｉ　ｉ
ｌｌ　ｍのヂコーブ 基層材料　　　　　　　　　ヂタン合金先１層表面処理
　　　　　　　峨ｆｊ’ｌプンスト／Ｍ　ｅｔｃｏ　　
４４３ボンド コープｒング プラズマスプレーＩＩＩＩに 対づる砥粒注入位置の　　　２２．２２！１１１１ｍ間
隔 砥粒の注入方向　　　　　　プラズマのスプレー軸線に
対しノで直角 マ［〜リックス材料注入　　　　１８０゜装置と１ｌｉ
１．粒注入装置と の間の関係 第２例 第４図に示されているようなナイフェツジなどのラビリ
ンスターイブシールのナイフェツジにヌ＝ｔ　Ｌ。

又ブ′ンズマスゾ１）−ガンを基層に沿って一回移動さ
けることに、Ｊ、す０．２５ｍｍのオーダの厚ざで砥粒
を塗イ１１シた。この詩のプラズマスプレーに於ける条
件は次の通りであった。

プラズマスプレーガン　　タイプＧノズルを備えるｔｖ
ｌｅｔｃｏ　　７Ｍガン 基層からのノズルの外削５７．１５ｍ１Ｈ基層に対りる
マトリック　　　　５！ｉ、７０ｍｍス拐利注入位置 基層に対づ゛る砥粒のとＬ人　　　　　６．３　ｂ　ｎ
ｔ　＋ｎ位置 基層に対リーる冷却用ジエ　　　　　０ツトの交差位置
の距離 プラズマスプレーガン　　　　　　４８０△゛電流 プラズマスプレーガン　　　　　　６！ｉＶ電圧 プラズマスプレーガン　　　　　１　、５２４　ｍ　／
’秒と基層との間の 相対速度 一次ブラズンアークガス　　　　窒素 ２８３１．７（＋１１１．、’　ｈ Ｏ、３４，５〜１［）ａ 二次プラズマアークガス　　　　水系 約２８３．１７ｄｍ／　ｈ Ｏ，３４，’）　Ｍ　Ｐ　ａ マトリックス祠オ゛＋ｌ　　　　　　　Ｍｅｔｃｏ　　
４４３（アルミニ【クムを含 むニッケルク１］ｌ＼ 合金） 粒子の直径 （−１５０、／　＋　３８μ） 流量（２５ｊｌ／分） 砥粒月利　　　　　　　　　シリコンノノーバイド粒子
のめ径 （１４０グリツド） マトリツクノ、材料　　　　　　窒素 −１−ヤリアガス３１１．４償１　ｍ　、／′ｂＯ，３
４！ｉ　ＭＰ　：３ （１八粒キＡ・す７ガス　　　　　アルゴン４２４　、
７　！ｉ　ｄ　＋ｎ８７／ｈＯ，３４，５Ｍ　Ｐ　ａ ７１−　’）　ツク７　ｆｆ　人ホード　　Ｍｅｔｃｏ
　　＃２バウグーボー１へ ４Ｋ　杓−？’］Ｅ　入ホー　１・　　　　　　　タロ
￥、１２．７ｍｍのデーＳ−１ 基層材料　　　　　　　　　チタン合金基層表面処理　
　　　　　　砥粒ブラスト／Ｎ’＋ｅｔｃｏ　　ｆ１４
３ポンド フ１−フィング プラスマスブレ−１Ｉｉｌｌに 対Ｊる砥粒注入位置の　　　２２．５５ｍｍ間隔 砥粒の注入方向　　　　　　プラズマのスプレー１’＋
ｉ線にス＝１して直角 ンＩ−リツクス月料注入　　　　１８０′装置と砥粒注
入装置と の間の関係 第７　［１ＫＩは第１例に基いて圧縮を幾のブレードの
先端に４１Ｎ粒層を塗布づるＩ場合や第２例に基いＣナ
イフェツジに砥粒層を塗イ０暇る場合などのように極め
て細幅の基層に対し’Ｃ４１１（粒を塗布Ｊる際の車装
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Ｊ、たブーｒノエッジ
の幅は先端に於て０　、　２５　ｎｔｍのΔ−グの幅を
右するようにチー八がイ」りられている。第７図に示さ
れているも１〜粒を塗イ１１づるべき細幅の基層３ε１
はプラズマ流の軸線へに対して距＋１ｉｌｔ　Ｘだ４Ｊ
　７１フセツトされていることに注意されたい、　ｌｄ
Ｘ粒をスプレーづ−る際にプラズマ流の軸線Ａの領域に
砥粒層の蓄積を制限づるような極めて９触性の強い領域
が形成されることが経験的に光兄された。基層をこのよ
うな９触性の領域に対してオフセラ１〜ざぜることによ
り基層上に於（）る捕捉された（Ｉ［（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か当業者であれば本
光明の概念から逸脱づることな・（様々な変形変更を加
えて本光明を実施し１ｑることは明らかである。

【図面の簡単な説明】 第１図はガスタービンコーンジンに於りるＵいに。 ヌ４向するスデータ及び１コータアセンブリの様子を示
すだめの縦断面図である。 第２Ｎは砥粒層が塗ＴＩＴされた先端を右つるロータブ
レードを示す斜視図ぐある。 第３図は砥粒層が塗布されたロータアレンプリドラムの
一部を示づ斜視図である。 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
のナイフェツジ部分を承り斜視図である。 第５図は砥粒層をスブＬノー　Ｌ塗布りるためのプラズ
マスプレーガン装ばを示づ模式的斜視図である。 第６図は砥粒どマトリックス材本１粒子とが同時に基層
上に衝当Ｖる様子を示す拡大ｉ１Ｅ面図である。 １わ７図は第６図のＶ　ＩＩ　−Ｖ　ＩＩ線についで見
た断面図である。 第８図は第１例の条件下に於て１］−タブレードの先端
に塗布された砥粒層を１００４：：ｊ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
ナイフェツジに塗布された？ｌＩ〜粒層を２００倍に拡
大して示η顕微鏡写真である。 １２・・・ロータアセンブリ、１４・・・スデータア゛
セ　　　坏ンブリ、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、２Ｅ３・・・シール
、３０・・・ランド、３２・・・シール、３／Ｉ・・・
プラズマ流、３６・・・ゾラズ７スプレーカン、３ε３
・・・基層、４０・・・７１゛・リックス拐和１ぺｔ子
、４２・・・凪：ｌ’ｆ＋、　、　４４・・・ジ、ｒツ
１〜，４６・・・ノズル ’ｌｓｊ許出願人出願人１−ナイデッド・テクノ［Ｉシ
ーズ・：］−ボレイシＨン 代　　理　　人　　　　弁　“　１（）１　　　士　　
　　明　　６　　昌　　毅３３４ く方　式）（自　発） 手続補正占 １、事件の表示　昭和５８年特訂願第０８４８８５号２
、発明の名称 砥粒の塗布方法 ３、補正をする各 事ｆ１どの関係　　特８′［出願人 任　所　　アメリカ合衆国コネヂカット州、ハートフォ
ード、フィナンシャル・ブラリ？　１ 名　称　　コナイテッド・テクノ１」シース・−１−ボ
レイシ」ン４、代理人

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
   塗布づるためのｙノ法であって、高ｄ品のプラズマ流を
   発生ザる過程と、前記プラズマ流中にマ（・リックス祠
   料粒子を１．１人づる過程と、前記マトリックス材お１
   粒子を注入する位置よりも手流て・あってしかも塗イ［
   されるべき基層から成る距離を隔てた点のプラズマ流中
   に砥粒を注入覆る過（５１と、前記プラズマスプレーガ
   ン４塗η］されるｌ＼き基層に沿って横り向に移動さぜ
   る過程どを含むことにより前記マし一すツクス材斜粒子
   と前記砥粒とが同０、ｊに塗布されるべき基層に割当覆
   るとバに互いに種ｉ当するようにしてなることを特徴と
   づる方法３．・（２）プラズマスプレーガンを用いて基
   層上に砥粒を塗布するための方法であって、塗イｌ＋さ
   れるぺさＶ層の近傍にてマし一すックス拐斜の粒子を含
   むプラズマ流中に砥粒を注入づることにより砥粒のプラ
   ズマ流にヌ・ｊづる１妾触を制限しくの結果砥粒の陵部
   の尖鋭度を相持することを特徴とづるノ）法。 （３）プラズマスプレーにより砥粒を含む層を闇１幅の
   基層に塗布するための方法（′あって、前記層を塗布づ
   る過程中前記した川幅の基層をブラズー７流に対してＡ
   フヒットざけることによりプラズマ流の中心軸線に侵触
   性の領域が形成されるのを防止づることを特徴とする方
   法。