Deprecated: The each() function is deprecated. This message will be suppressed on further calls in /home/zhenxiangba/zhenxiangba.com/public_html/phproxy-improved-master/index.php on line 456
JP3564376B2 - Polishing layer, combustion engine, gas turbine, and method of manufacturing the same - Google Patents
[go: Go Back, main page]

JP3564376B2 - Polishing layer, combustion engine, gas turbine, and method of manufacturing the same - Google Patents

Polishing layer, combustion engine, gas turbine, and method of manufacturing the same Download PDF

Info

Publication number
JP3564376B2
JP3564376B2 JP2000295477A JP2000295477A JP3564376B2 JP 3564376 B2 JP3564376 B2 JP 3564376B2 JP 2000295477 A JP2000295477 A JP 2000295477A JP 2000295477 A JP2000295477 A JP 2000295477A JP 3564376 B2 JP3564376 B2 JP 3564376B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
abrasive particles
particles
dispersed
coating material
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2000295477A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2002105666A (en
Inventor
稔 大原
孝二 高橋
雅彦 妻鹿
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Original Assignee
Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Heavy Industries Ltd filed Critical Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority to JP2000295477A priority Critical patent/JP3564376B2/en
Publication of JP2002105666A publication Critical patent/JP2002105666A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP3564376B2 publication Critical patent/JP3564376B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
  • Coating By Spraying Or Casting (AREA)
  • Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、対向する二つの部材が摺動する恐れがある箇所などで、摺動の際に相手側を削ることにより同部材の破壊・焼損等を防止する、いわゆるアブレシシブコーティング等に用いられる研磨層に関する。
例えばガスタービン、ジェットエンジン等の燃焼エンジンに関し、特に動翼とシュラウド等の両者の隙間を詰める必要があるが故に摺動する恐れがある燃焼エンジンに適用される研磨層及びその燃焼エンジンに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
ガスタービンの動翼先端と、この動翼先端に対向するシュラウドとの間には、運転中に両者が接触しないように所定寸法のクリアランスが設けられている。
このクリアランスが大きすぎると動翼の圧力面側から負圧面側へ燃焼ガスが漏れだし、圧力損失が大きくなって運転効率が低下してしまう。
これを防止してガスタービンの性能を向上させる目的で、極限までクリアランスを小さく設定する試みがなされている。
【0003】
ところが、クリアランスがあまりに小さすぎると、ガスタービンの運転開始初期段階において、動翼とシュラウドの熱膨張差、タービンロータの偏心、ガスタービン全体に生じる振動等に起因して、動翼の先端とシュラウドとが摺動してしまうことがあり、これを初期摺動と呼ぶ。
また、ガスタービンが運転されていくと、高温ガスに曝されたシュラウドが徐々に熱変形を起こし、やはり動翼の先端とシュラウドとが摺動してしまうことがあり、これを二次的摺動と呼ぶ。
初期摺動時には、動翼の先端とシュラウドとの激しい摺動が生じる場合があるのに対し、二次的摺動は、一般に比較的緩やかな摺動となる。
【0004】
一般的にシュラウドは、その内周面に、ジルコニア(ZrO↓2)等による遮熱被覆(hermal arrier oating、以下 TBCと呼ぶ。)を備えているか、またはMCrAlYからなる耐酸化被膜を備えている。ジルコニアからなるコーティングの場合、通常は動翼の母材金属よりも高硬度である。
このため、動翼先端とシュラウド内周面とが摺動すると、動翼が大きく損傷を受けてしまうことがあった。
【0005】
この様な摺動の対策として、特開平4−218698号公報には、酸化防止性材料であるMCrAlYからなるマトリクス中に研磨粒子が分散した研磨層を備えたガスタービン動翼が開示されている。
この動翼では、研磨粒子として、例えば立方晶窒化硼素(ubic oron itrido、以下 CBNと呼ぶ。)等が用いられている。
CBNはジルコニアよりも高硬度である。
従って、動翼先端とシュラウド内周面とが摺動すると、このCBNからなる研磨粒子がシュラウドの内周面を研磨する。
これによって、動翼とシュラウドとの間に適度なクリアランスが維持される。また、その製造方法等は、特表平9−504340号、特開平10−30403号や米国特許第5702574号にも記載されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、CBNは、耐熱性が十分ではないので、酸化雰囲気での長期間の運転によって研磨粒子が酸化、溶融又は昇華して、消失してしまうことがある。
また、酸化によるMCrAlYの劣化に伴って、CBNの粒子が徐々に脱落してしまうこともある。
従って、初期摺動時には研磨粒子によるシュラウドの研磨がなされるものの、研磨層が劣化した後の二次的摺動では研磨が不十分となり、動翼が大きく損傷を受けてしまうことがある。
特に近年、エネルギー効率向上の観点からガスタービンにおける燃焼温度が高温化する傾向が見られ、研磨層の熱劣化の問題が顕著となりつつある。
同様の問題は、例えばジェットエンジン等の、ガスタービン以外の燃焼エンジンにも見られる。
【0007】
本発明は、上述のような問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、長期間の使用に亘って、研磨性能が発揮できる研磨層の提供にある。
また、この研磨層を適用することにより、動翼とシュラウドとの適度なクリアランスが維持され、従って動翼の損傷が生じにくいエンジンの提供にある。
更に、上記の問題に鑑みてなされた他の発明は、このような燃焼エンジンに好適な研磨層の形成方法の提供を目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するためになされた発明は、次のとおりである。
【0009】
先ず、研磨層の発明として、第1の研磨粒子が分散されたコーティング材を有する第1層と、第2の研磨粒子が分散されたコーティング材を有する前記第1層の外面側に位置する第2層とを有することを特徴とする研磨層である。
【0010】
また、装置発明として、圧縮機と燃焼器とタービンを備える燃焼エンジンの可動部分と非可動部分とが対向する面の一方に、第1の研磨粒子が分散されたコーティング材を有する第1層と、第2の研磨粒子が分散されたコーティング材を有する前記第1層の外面側に位置する第2層とを有することを特徴とする燃焼エンジンである。
【0011】
更に、製造方法の発明として、被成膜面に金属めっきによって第1の研磨粒子を固定する工程と、該第1の研磨粒子が固定された金属めっき上にコーティング材を成膜する工程と、該コーティング材に金属めっきによって第2の研磨粒子を固定する工程と、該第2の研磨粒子を固定された金属めっき上にコーティング材を成膜する工程とを含むことを特徴とする研磨層の製造方法である。
【0012】
これらの発明により、例えば、初期摺動では外面側の第2層が劣化・消失しても、第1層のコーティング層が残存し、この第1層の第1の研磨粒子によってシュラウドの内周面が研磨される。
従って、長期間の使用に亘って、良好な研磨性能が発揮できる。
また、燃焼エンジンの動翼又はシュラウドのいずれか一方の面に本研磨層を適当することにより、動翼とシュラウドとを近接させて組立てたとしても、動翼とシュラウドとの適度なクリアランスが維持され、燃焼エンジンの性能向上が図れ、また、動翼やシュラウドの損傷も防止される。
尚、研磨層が動翼先端に設けられた場合は、シュラウド内周面が研磨されることになり、研磨層がシュラウドの内周に設けられた場合は、動翼の先端が研磨粒子によって研磨されることになり、これによって動翼とシュラウドとのクリアランスが維持される。
更には、研磨層の製造においては、金属めっきによって耐熱性の研磨粒子を固定するので、各層への研磨粒子の固定・分散が効率よく容易にできる。
【0013】
研磨層の発明として好ましくは、第1層及び第2層の研磨粒子は、シュラウドの内周面よりも高硬度である。これにより、シュラウドの研磨がより確実に達成される。
なお、本明細書で用いられる硬度とは、常温下で測定されるビッカース硬度(HV)等の一般的意味の硬度のことである。
【0014】
研磨層において、好ましくは、第1層の第1の研磨粒子は、その耐熱温度が第2層の第2の研磨粒子の耐熱温度よりも高い粒子とし、第2層の第2の研磨粒子は、その硬度が第1層の第1の研磨粒子よりも高硬度である粒子とする。
これにより、動翼とシュラウドとが激しく摺動する初期摺動では、硬度の高い第2層の第2の研磨粒子によって、比較的短時間でシュラウドが研磨される。
一方、長期間の運転によって第2層が消失した後も、耐熱性に優れる第1層の第1の研磨粒子が残存し、これによって二次的摺動時の研磨が継続される。
【0015】
また、好ましくは、各層は酸化防止材を主成分とすることにより、研磨粒子を酸化から防止することができ、加えて、被成膜面である動翼先端部分の母材の酸化も防止できる。
また、好ましくは、アルミナの粒子、シリコンカーバイトの粒子、焼結ダイヤの粒子等の耐熱性の粒子を第1層に分散させたので、耐熱性に優れ、且つ、比較的硬度のある第1層を形成することができる。
また、好ましくは、CBNの粒子を第2層に分散させたので、高硬度で研磨性能に優れる第2層を形成することができる。
また、好ましくは、第1層の厚さを、研磨粒子の粒子径以上の厚さとしたので、研磨粒子の先端が第1層から突出することがないので、第1層上に施される金属めっきを研磨粒子が阻害してしまうことがない。
また、好ましくは、第2層の厚さを、研磨粒子の粒子径以下の厚さとしたので、動翼先端とシュラウドとが摺動し始める極めて初期の段階から、シュラウドの研磨が行われ、動翼の損傷がより確実に防止される。
【0016】
更には、シュラウドの内周面がジルコニア(ZrO)を主成分とするコーティング層である場合、第1層の研磨粒子の材質としてはアルミナ(Al)、シリコンカーバイド(SiC)及び焼結ダイヤからなる群から選択された1種又は2種以上が好適であり、第2層の研磨粒子の材質としてはCBNが好適である。
【0017】
また、好ましくは、第1コーティング層及び第2コーティング層のマトリックスの空隙率は1%以下である。
これにより、酸化によるマトリックスの劣化がより確実に防止され、研磨粒子の脱落が抑制される。
マトリックスの好ましい主成分は、MCrAlYである。
MCrAlYにおけるMは、鉄、ニッケル及びコバルトからなる群から選択された1種又は2種以上の金属元素を意味する。
すなわち、MCrAlYは、鉄、ニッケル又はコバルトと、クロム(Cr)と、アルミニウム(Al)と、イットリウム(Y)とを主成分とする合金である。
【0018】
装置発明として、好ましくは、ガスタービンのタービンのロータに取り付けられた動翼の先端に研磨層を有するので、最近効率向上の為に燃焼ガス温度が高温化されてきたガスタービンの、高温燃焼ガスに曝される動翼においても、初期摺動、二次摺動の何れの場合でも、良好な研磨性能を発揮することができるので、クリアランスを保つことができ、翼の損壊が防止できる。
【0019】
製造方法の発明として好ましくは、ガスタービンのローターに円周上に取付けられる動翼の先端に円周方向外側向きに突出部分を設け、この突出部分に研磨層を成形するようにしたので、金属めっきや溶射の際の非被成膜面のマスキング等、被成膜面の特定が容易であるとともに、万一、動翼先端とシュラウドが急激に接触し、研磨層の研磨能力を越えた場合でも、突出部分が先ず最初に破壊されるので、動翼本体がダメージを受け、ガスタービン全体に大きなトラブルが発生することを防止できる。
【0020】
製造方法の発明として、好ましくは、第1めっき工程及び第2めっき工程はニッケル電気めっきによって成膜される。
ニッケルめっき層は耐熱性が高く、また、第1のコーティング層及び第2のマトリクスとのなじみも良好である。
【0021】
好ましくは、上記第1成膜工程及び第2成膜工程は酸化防止性材料の溶射によって達成される。溶射は成膜速度が速いので、例えば電気めっき法のみから研磨層が形成される場合に比べて効率的である。
【0022】
好ましくは、第1成膜工程において、第1の研磨粒子が酸化防止性材料によって埋没するまで溶射が行われる。
これにより、第1の研磨粒子の先端が第1のコーティング層から突出することがなく、従って第1のコーティング層上に施される電気めっきを第1の研磨粒子が阻害してしまうことがない。
【0023】
好ましくは、第2成膜工程における溶射は第2の研磨粒子が第2のマトリクスに埋没するまで行われる。
そして、第2の研磨粒子の硬度よりも低くかつ第2のマトリクスの硬度よりも高い硬度を有する研磨材によって、第2の研磨粒子が第2のマトリクスから突出するまで第2のマトリクスが研磨される。
研磨材の硬度は第2の研磨粒子の硬度よりも低いので、第2の研磨粒子が研磨されてしまうことなく、第2のマトリクスが研磨される。
【0024】
【発明の実施の形態】
図1は、ガスタービンの全体を示した模式図である。
このガスタービン1では、圧縮機2の左側から空気が吸気され、圧縮機2にて圧縮され、圧縮された圧縮空気は燃焼器4へ供給され燃料と混合されて連続燃焼される。
そして、燃焼器4での燃焼にて得られた高温高圧の燃焼ガスがタービン6へ送られ、タービンのロータ8に植え込まれた動翼を駆動する。
このガスタービン1においては、タービン6へ供給される燃焼ガスの温度が高くなれば高くなるほど効率が良くなる為、近年は高温化の要請が強まってきている。
例えば、タービン入口温度は、従来の1000℃程度から、1300℃、更には、1500℃へと高温化してきている。
【0025】
図2はガスタービン1のタービン6部分の軸方向部分断面図である。
図面に向って左側より燃焼ガスが供給され、一段静翼101、一段動翼201、二段静翼102、二段動翼202、三段静翼103、と言った順に静翼と動翼が交互に配列されている。
そして、各段において、静翼で整流された燃焼ガスが、その下流側の動翼を駆動する。
この際に、動翼と動翼外周側との隙間を極力詰めるようにし、燃焼ガスが動翼に駆動力を十分に与えるこことなく、この隙間より燃焼ガスが後段側へ流れて、ガスタービンの効率が低下してしまわないように設計されている。
【0026】
図3は、図2のタービン部分の動翼部分の拡大であり、本発明の一実施形態にかかるガスタービン1(又は、燃焼エンジン)の一部が示された部分断面図である。
このガスタービン1は、動翼3と、シュラウド5とを備えており、動翼3は、その先端に研磨層7を備えている。
動翼3の先端部の外周側に位置するシュラウド5は、その内周面にジルコニアを主成分とするTBC層9を備えている。
研磨層7とTBC層9との間隔(図3において両矢印Cで示される)が、クリアランスである。
【0027】
図4は、図3の動翼3の先端の一部が示された拡大断面図である。
図示されていないが、この図4の上方に、クリアランスを隔ててシュラウド5が位置している。この図4では、動翼の母材11と、研磨層7とが示されている。
研磨層7は、第1層13と、第2層15とから構成されている。
第1層13は、第1めっき層17と、第1コーティング層19と、第1の研磨粒子21とから構成されている。
また、第2層15は、第2めっき層23と、第2コーティング層25と、第2の研磨粒子27とから構成されている。
なお、図4では第1めっき層17と第1コーティング層19との境界が明確に画かれているが、実際は拡散によって境界は曖昧となっている。
同様に、第2めっき層23と第2コーティング層25との境界も、拡散によって曖昧となっている。
【0028】
第1めっき層17は、動翼3の母材11の表面に施されている。
後に詳述されるように、この第1めっき層17によって、第1コーティング層19が形成されるまでの間、第1の研磨粒子21が仮固着される。
第1めっき層17の材質は特には制限されないが、例えばニッケル、クロム等が用いられ、特に第1コーティング層19の成分組成の一つであり馴染みのよいニッケルが好ましい。
第1めっき層17の厚み(第1コーティング層19が形成される前の厚み)は特には制限されないが、第1の研磨粒子21の下端部分のみを有効に固着するという観点から、30μm以上100μm以下が好ましい。
また、第1めっき層が、被成膜面である母材表面を覆うので、母材表面の酸化も防止することができる。
【0029】
第1コーティング層19は、第1の研磨粒子21を固着するバインダーとして機能する。
この第1コーティング層19には、酸化防止性材料が用いられている。
これにより、第1コーティング層19の酸化・劣化による第1の研磨粒子21の脱落が抑制される。
好ましい酸化防止性材料としては、MCrAlY(鉄、ニッケル又はコバルトと、クロムと、アルミニウムと、イットリウムとを主成分とする合金)が挙げられる。
酸化防止の観点から、第1コーティング層19の空隙率は1%以下が好ましい。
第1コーティング層19の厚みは、50μm以上200μm以下が好ましい。
厚みが上記範囲未満であると、第1コーティング層19から第1の研磨粒子21が突出し、後に詳述されるように第2めっき層23の形成に不都合が生じることがある。
逆に、厚みが上記範囲を超えると、第1層13が消失した後に第1の研磨粒子21が第1コーティング層19から突出するまでに長時間を要してしまうことがある。
【0030】
第1の研磨粒子21は、シュラウド5のTBC層9(ジルコニアが主成分)よりも高硬度であることが好ましい。
具体的には、第1の研磨粒子21のビッカース硬度は、1000以上が好ましい。
このような材質としては、アルミナ、シリコンカーバイド、焼結ダイヤ、CBNが挙げられる。
第1の研磨粒子21の平均粒子直径は、シュラウド5の研磨が効率よく行われるとの観点から、50μm以上200μm以下が好ましい。
また、同様の理由から、第1層13における第1の研磨粒子21の数は、30個/mm↓2以上50個/mm↓2以下が好ましい。
【0031】
第2めっき層23は、第1コーティング層19の表面に施されている。
後に詳述されるように、この第2めっき層23によって、第2コーティング層25が形成されるまでの間、第2の研磨粒子27が仮固着される。
第2めっき層23の材質は特には制限されないが、第1めっき層17と同様に、ニッケル、クロム等が用いられ、特にニッケルが好適である。
第2めっき層23の厚み(第2コーティング層25が形成される前の厚み)は特には制限されないが、第2の研磨粒子27の下端部分のみを有効に固着するという観点から、30μm以上100μm以下が好ましい。
【0032】
第2コーティング層25は、第2の研磨粒子27を固着するバインダーとして機能する。
この第2コーティング層25には、酸化防止性材料が用いられている。
これにより、第2コーティング層25の酸化・劣化による第2の研磨粒子27の脱落が抑制される。
好ましい酸化防止性材料としては、第1コーティング層19と同様のMCrAlYが挙げられる。
酸化防止の観点から、第2コーティング層25の空隙率は1%以下が好ましい。
第2コーティング層25の厚みは、50μm以上200μm以下が好ましい。
厚みが上記範囲未満であると、第2の研磨粒子27の固着が不十分となってしまうことがある。
逆に、厚みが上記範囲を超えると、第2の研磨粒子27が第2コーティング層25に埋没してしまうことがある。
【0033】
第2の研磨粒子27は、シュラウド5のTBC層9(ジルコニアが主成分)よりも高硬度であることが好ましい。
具体的には、第2の研磨粒子27のビッカース硬度(常温下で測定されるビッカース硬度、以下において同じ)は、1000以上が好ましい。
このような材質としては、アルミナ、シリコンカーバイド、焼結ダイヤ、CBN等が挙げられる。
第2の研磨粒子27の平均粒子直径は、シュラウド5の研磨が効率よく行われるとの観点から、50μm以上200μm以下が好ましい。
また、同様の理由から、第2層15における第2の研磨粒子27の数は、10個/mm↓2以上50個/mm↓2以下が好ましい。
【0034】
この燃焼エンジンが起動され定格運転への移行段階において、タービンの動翼3の方がシュラウド5よりも早く加熱され、また、動翼3には回転による遠心力が作用することもにより、動翼3の方が、シュラウド5を含むケーシング部分よりも早く熱膨張を起こす。
よって、早く熱膨張した動翼3が未だ十分に熱膨張していないシュラウド5に接し、初期摺動が起こる。
この初期摺動時には、動翼3の最先端にある第2層15の第2の研磨粒子27がシュラウド5の内周面にあるTBC層と摺動し、TBC層が切削される。
動翼3が高温燃焼ガスに曝されつつ一定時間運転された後の二次的摺動において、第2層15が消失している場合は、第1の研磨粒子21がシュラウド5と摺動する。
【0035】
第1の研磨粒子21と第2の研磨粒子27とは同一の材質でもよいが、高温環境下でも消失しにくいという理由から第1の研磨粒子21は酸化雰囲気で長時間安定しているものが好ましく、激しい初期摺動に耐えうるという理由から第2の研磨粒子27はより高硬度なものが好ましい。
具体的には、第1の研磨粒子21は使用可能温度が1000℃以上のものが好ましく、また、第2の研磨粒子27はビッカース硬度が1000以上、特には5000以上のものが好ましい。
【0036】
このような研磨粒子の組み合わせとしては、第1の研磨粒子21がアルミナ、シリコンカーバイド又は焼結ダイヤからなり、第2の研磨粒子27がCBNからとする事が好ましい。
特に好適な第1の研磨粒子21の材質は、ビッカース硬度が約2000とさほど高くないものの、約1500℃で長時間安定するアルミナが挙げられる。
なお、第2の研磨粒子27に好適なCBNでは、使用可能温度は約1000℃とさほど高くないが、ビッカース硬度は約5000から7000と、極めて高硬度である。
【0037】
この動翼3では、第1層13及び第2層15から研磨層7が構成されているが、母材11と第1層13との間や、第1層13と第2層15との間等に、他の層が設けられてもよい。
また、第1層と第2層が連続的に形成され、その連続層の下層部分に第1の研磨粒子を分散させ、上層部分に第2の研磨粒子を分散させてもよい。
【0038】
ここで、動翼3の先端に研磨層7を形成する方法の一例を詳述する。
まず、動翼3の母材11のうち研磨層7を形成する部分以外の部分にマスキングを施し、この母材11を電解槽の電解液中に配置する。
次に、電気めっきを施して第1めっき層17を形成する。
電気めっきにより、電解槽の下方に沈められた第1の研磨粒子21が仮固着される。
第1の研磨粒子21の下方部分のみが第1めっき層17に埋没するような厚みまで第1めっき層17が形成された段階で、電気めっきを終了させる(第1めっき工程)。
【0039】
次に、第1めっき層17の上方(すなわち第1の研磨粒子21の外面側、言換えれば、周囲)に酸化防止性材料を溶射して、第1コーティング層19を形成する。
溶射法としては、プラズマ溶射法、高速フレーム溶射法等が採用可能である。溶射は、第1の研磨粒子21が第1コーティング層19に完全に埋没するまで行われる(第1成膜工程)。
なお、溶射に代えて電気めっき等で第1コーティング層19が形成されてもよいが、第1コーティング層19の形成速度が速い溶射の方が電気めっきより効率がよく、また、経済的でもあり、好ましい。
【0040】
次に、第1コーティング層19の表面を洗浄し、酸化等によって生じた汚れを除去する。
そして、第1めっき工程と同様の方法で第2めっき層23を形成し、この第2めっき層23で第2の研磨粒子27を仮固着させる(第2めっき工程)。
なお、第1の研磨粒子21は第1コーティング層19に埋没しているので、第1の研磨粒子21が非導電性であってもこの第1の研磨粒子21によって第2めっき層23の形成が阻害されることがない。
【0041】
次に、第1成膜工程と同様に酸化防止性材料を溶射して、第2コーティング層25を形成する(第2成膜工程)。
溶射によって第2の研磨粒子27が第2コーティング層25に埋没する。
その後、第2コーティング層25の硬度(MCrAlYの場合は約HV400)と第2の研磨粒子27の硬度(CBNの場合は約HV5000)との中間の硬度を有する材料(例えば約HV2000であるアルミナ)からなる研磨材により第2コーティング層25のみを研磨し、第2の研磨粒子27の先端を第2コーティング層25から突出させる(研磨工程)。
なお、溶射に代えて電気めっき等で第2マトリクス25を形成してもよい。
電気めっきでは形成速度が溶射に比べて遅くなるが、第2の研磨粒子27が埋没しない程度に第2マトリクス25の厚みを制御することが容易となる。
【0042】
こうして第1層13と第2層15とが形成された後に、熱処理がなされる。
熱処理によって、各めっき層と各コーティング層との間で拡散が起こって層間の密着力が向上するとともに、層間での成分の均質化が図られる。
熱処理は、特に研磨層のためだけでなく、動翼母材の熱処理として実施し、研磨層の熱処理と兼用させることもできる。
【0043】
ガスタービン動翼において、更に好ましい例を図5に示す。
図5において、動翼33の先端には、翼プロファイルの背面にそって、動翼33の先端より更に外周方向、即ち、円周方向外周向きであって、対向して位置するシュラウド(図示せず。)に近づく方向に、突起部分39が設けられている。
そして、シンニング部分とも呼ぶこの突起部分に、上述の研磨層37が形成される。
研磨層37を動翼先端全面でなく突起部分39に形成したことにより、成膜工程においては、被成膜面部分が突出しているので、その分他の面との区別が明確になり、成膜しない非被成膜部分のマスキング等が容易になる。
また、突起部分39のみに成膜すれば済むので、被成膜面の面積が狭くでき、成膜量が少なくて済み、製造時間の短縮化、費用削減等の効果を図ることができる。
更には、動翼33から突き出した薄い突起部分を有するので、万一、ガスタービン起動時等に動翼の熱伸びが過大になり、シュラウドと予想外の激しい接触を起こし、研磨が接触に追いつかなくなったとしても、動翼33本体よりも、突起部分39が先に破断、摩耗、焼損等を起こして滅失してくれるので、動翼33本体に重大なトラブルが発生することを防止できる。
【0044】
以上、研磨層が動翼の先端に設けられる場合が例とされて本発明が詳述されたが、同様の研磨層がシュラウドの内周側に形成されてもよい。
この場合は、動翼の少なくとも先端が低硬度の材料から構成され、摺動によって動翼が研磨される。
また、通常のガスービンでは、動翼は各段毎にローター上に多数枚(例えば、数十枚)植え込まれているが、その全ての動翼の先端に研磨層を形成しても良いし、逆に、多数枚の内の、一部の動翼のみ(例えば、数枚)が研磨層を施されたものであっても良い。
また、以上の説明ではガスタービンが例とされたが、本発明は、例えばジェットエンジン等の、動翼とシュラウドとが摺動するおそれのある全ての燃焼エンジンに適用され得るし、その他、高温酸化雰囲気中で摺動の恐れのある装置、部品等もの有効に適用され得る。
【0045】
【発明の効果】
以上説明されたように、本発明のエンジンでは、運転開始から長期間にわたって動翼とシュラウドとの適度なクリアランスが維持される。
従って、このエンジンでは動翼の損傷が生じにくく、信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本発明にかかるガスタービンの模式図である。
【図2】図2は、ガスタービンのタービン部分の拡大断面図である。
【図3】図3は、本発明の一実施形態にかかるガスタービンの一部が示された部分断面図である。
【図4】図4は、図5の動翼の先端の一部が示された拡大断面図である。
【図5】図5は、本発明の他の実施形態にかかる動翼の先端の拡大図である。
【符号の説明】
1・・・ガスタービン
2・・・圧縮機
3・・・動翼
4・・・燃焼器
5・・・シュラウド
6・・・タービン
7・・・研磨層
8・・・ロータ
9・・・TBC層
11・・・母材
13・・・第1層
15・・・第2層
17・・・第1めっき層
19・・・第1コーティング層
21・・・第1の研磨粒子
23・・・第2めっき層
25・・・第2コーティング層
27・・・第2の研磨粒子
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention is used in a so-called abrasive coating or the like that prevents the destruction and burning of the opposite member by shaving the other side at the time of sliding at a place where two opposing members may slide. Polishing layer to be used.
For example, the present invention relates to a combustion layer such as a gas turbine and a jet engine, and particularly to a polishing layer applied to a combustion engine which may slide due to a need to fill a gap between a rotor blade and a shroud and the combustion engine and the combustion layer. is there.
[0002]
[Prior art]
A clearance of a predetermined size is provided between the tip of the blade of the gas turbine and the shroud facing the tip of the blade so that they do not come into contact during operation.
If the clearance is too large, combustion gas leaks from the pressure surface side of the rotor blade to the negative pressure surface side, resulting in a large pressure loss and a reduction in operating efficiency.
In order to prevent this and improve the performance of the gas turbine, attempts have been made to set the clearance as small as possible.
[0003]
However, if the clearance is too small, the tip of the moving blade and the shroud may be disturbed in the initial stage of gas turbine operation due to the difference in thermal expansion between the moving blade and the shroud, the eccentricity of the turbine rotor, and vibrations occurring in the entire gas turbine. May slide, and this is called initial sliding.
Further, as the gas turbine is operated, the shroud exposed to the high-temperature gas gradually undergoes thermal deformation, and the tip of the moving blade may also slide on the shroud. Call it movement.
During initial sliding, intense sliding between the tip of the blade and the shroud may occur, whereas secondary sliding is generally relatively gentle sliding.
[0004]
Generally, the shroud has a heat-shielding coating (such as zirconia (ZrO2)) on its inner peripheral surface. T hermal B arrier C oating, hereinafter referred to as TBC. ) Or an oxidation-resistant coating made of MCrAlY. In the case of a coating made of zirconia, the hardness is usually higher than that of the base metal of the rotor blade.
For this reason, if the tip of the moving blade slides on the inner peripheral surface of the shroud, the moving blade may be greatly damaged.
[0005]
As a countermeasure against such sliding, Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-218984 discloses a gas turbine blade provided with a polishing layer in which abrasive particles are dispersed in a matrix made of MCrAlY which is an antioxidant material. .
In this rotor blade, as abrasive particles, for example, cubic boron nitride ( C ubic B oron N itrido, hereafter called CBN. ) Etc. are used.
CBN has a higher hardness than zirconia.
Therefore, when the blade tip slides on the inner peripheral surface of the shroud, the abrasive particles made of the CBN polish the inner peripheral surface of the shroud.
Thereby, an appropriate clearance is maintained between the bucket and the shroud. The manufacturing method and the like are also described in JP-A-9-504340, JP-A-10-30403, and US Pat. No. 5,702,574.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, since CBN does not have sufficient heat resistance, abrasive particles may be oxidized, melted or sublimated and disappear by long-term operation in an oxidizing atmosphere.
Also, with the deterioration of MCrAlY due to oxidation, CBN particles may gradually fall off.
Therefore, although the shroud is polished by the abrasive particles during the initial sliding, the polishing is insufficient in the secondary sliding after the polishing layer is degraded, and the blade may be greatly damaged.
In particular, in recent years, the combustion temperature in the gas turbine has tended to increase from the viewpoint of improving energy efficiency, and the problem of thermal deterioration of the polishing layer has become more prominent.
Similar problems are found in combustion engines other than gas turbines, such as jet engines, for example.
[0007]
The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a polishing layer capable of exhibiting polishing performance over a long period of use.
Further, by applying this polishing layer, an appropriate clearance between the blade and the shroud is maintained, and therefore, there is provided an engine in which damage to the blade is less likely to occur.
Still another object of the present invention is to provide a method for forming a polishing layer suitable for such a combustion engine.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The invention made to achieve the above object is as follows.
[0009]
First, as an invention of a polishing layer, a first layer having a coating material in which first abrasive particles are dispersed and a first layer having a coating material in which second abrasive particles are dispersed are located on the outer surface side of the first layer. It is a polishing layer characterized by having two layers.
[0010]
Further, as an apparatus invention, a first layer having a coating material in which first abrasive particles are dispersed is provided on one of surfaces of a combustion engine including a compressor, a combustor, and a turbine in which a movable portion and a non-movable portion face each other. And a second layer located on the outer surface side of the first layer having a coating material in which second abrasive particles are dispersed.
[0011]
Further, as an invention of the manufacturing method, a step of fixing the first abrasive particles by metal plating on the surface on which the film is to be formed, a step of forming a coating material on the metal plating to which the first abrasive particles are fixed, A step of fixing second abrasive particles to the coating material by metal plating, and a step of forming a coating material on the metal plating to which the second abrasive particles are fixed. It is a manufacturing method.
[0012]
According to these inventions, for example, even if the second layer on the outer surface side deteriorates or disappears in the initial sliding, the first coating layer remains, and the inner peripheral surface of the shroud is formed by the first abrasive particles of the first layer. The surface is polished.
Therefore, good polishing performance can be exhibited over a long period of use.
In addition, by applying the main polishing layer to either the blade or the shroud surface of the combustion engine, even when the blade and the shroud are assembled close to each other, an appropriate clearance between the blade and the shroud is maintained. As a result, the performance of the combustion engine can be improved, and damage to the rotor blades and the shroud can be prevented.
When the polishing layer is provided on the tip of the blade, the inner peripheral surface of the shroud is polished. When the polishing layer is provided on the inner periphery of the shroud, the tip of the blade is polished by abrasive particles. As a result, the clearance between the bucket and the shroud is maintained.
Further, in the production of the polishing layer, since the heat-resistant abrasive particles are fixed by metal plating, the fixing and dispersion of the abrasive particles in each layer can be efficiently and easily performed.
[0013]
As a polishing layer invention, preferably, the abrasive particles of the first and second layers have higher hardness than the inner peripheral surface of the shroud. Thereby, polishing of the shroud is more reliably achieved.
The hardness used in the present specification is a hardness in a general sense such as Vickers hardness (HV) measured at normal temperature.
[0014]
In the polishing layer, preferably, the first abrasive particles of the first layer are particles whose heat-resistant temperature is higher than the heat-resistant temperature of the second abrasive particles of the second layer, and the second abrasive particles of the second layer are And particles whose hardness is higher than the first abrasive particles of the first layer.
Thus, in the initial sliding in which the blade and the shroud slide violently, the shroud is polished in a relatively short time by the second abrasive particles of the second layer having high hardness.
On the other hand, even after the second layer has disappeared due to long-term operation, the first abrasive particles of the first layer having excellent heat resistance remain, thereby continuing polishing during secondary sliding.
[0015]
Further, preferably, each layer contains an antioxidant as a main component, so that the abrasive particles can be prevented from being oxidized, and in addition, the base material at the blade tip portion that is the film-forming surface can be prevented from being oxidized. .
Further, since heat-resistant particles such as alumina particles, silicon carbide particles, and sintered diamond particles are preferably dispersed in the first layer, the first layer having excellent heat resistance and relatively hardness is preferably used. Layers can be formed.
In addition, since the CBN particles are preferably dispersed in the second layer, the second layer having high hardness and excellent polishing performance can be formed.
Preferably, the thickness of the first layer is equal to or greater than the particle diameter of the abrasive particles, so that the tip of the abrasive particles does not protrude from the first layer. Abrasion particles do not hinder plating.
In addition, since the thickness of the second layer is preferably set to be equal to or less than the particle diameter of the abrasive particles, the shroud is polished from an extremely early stage at which the blade tip and the shroud start sliding, and Wing damage is more reliably prevented.
[0016]
Further, the inner peripheral surface of the shroud is made of zirconia (ZrO). 2 ) As the main component, the material of the abrasive particles of the first layer is alumina (Al 2 O 3 ), Silicon carbide (SiC), and one or more selected from the group consisting of sintered diamonds, and CBN is suitable as the material of the abrasive particles of the second layer.
[0017]
Preferably, the porosity of the matrix of the first coating layer and the second coating layer is 1% or less.
Thereby, the deterioration of the matrix due to oxidation is more reliably prevented, and the falling off of the abrasive particles is suppressed.
The preferred main component of the matrix is MCrAlY.
M in MCrAlY means one or more metal elements selected from the group consisting of iron, nickel and cobalt.
That is, MCrAlY is an alloy containing iron, nickel, or cobalt, chromium (Cr), aluminum (Al), and yttrium (Y) as main components.
[0018]
As a device invention, preferably, since a polishing layer is provided at the tip of a moving blade attached to a rotor of a gas turbine, a high-temperature combustion gas of a gas turbine whose combustion gas temperature has recently been raised to improve efficiency has been improved. Even in the case of the moving blade exposed to the water, good polishing performance can be exhibited in any of the initial sliding and the secondary sliding, so that the clearance can be maintained and the blade can be prevented from being damaged.
[0019]
As the invention of the manufacturing method, preferably, a protruding portion is provided at a tip of a rotor blade attached on a circumference to a rotor of a gas turbine in a circumferentially outward direction, and a polishing layer is formed on the protruding portion. When the coating surface is easy to identify, such as masking of the non-deposition surface during plating or thermal spraying, and in the unlikely event that the blade tip and the shroud come into rapid contact and exceed the polishing capability of the polishing layer However, since the protruding portion is destroyed first, it is possible to prevent the rotor blade main body from being damaged and a large trouble from occurring in the entire gas turbine.
[0020]
As a manufacturing method invention, preferably, the first plating step and the second plating step are formed by nickel electroplating.
The nickel plating layer has high heat resistance, and also has good compatibility with the first coating layer and the second matrix.
[0021]
Preferably, the first film forming step and the second film forming step are achieved by thermal spraying of an antioxidant material. Since thermal spraying has a high film forming rate, it is more efficient than, for example, a case where a polishing layer is formed only by electroplating.
[0022]
Preferably, in the first film forming step, thermal spraying is performed until the first abrasive particles are buried by the antioxidant material.
Thereby, the tip of the first abrasive particles does not protrude from the first coating layer, and therefore, the first abrasive particles do not hinder the electroplating performed on the first coating layer. .
[0023]
Preferably, the thermal spraying in the second film forming step is performed until the second abrasive particles are buried in the second matrix.
Then, the second matrix is polished by the abrasive having a hardness lower than the hardness of the second abrasive particles and higher than the hardness of the second matrix until the second abrasive particles protrude from the second matrix. You.
Since the hardness of the abrasive is lower than the hardness of the second abrasive particles, the second matrix is polished without the second abrasive particles being polished.
[0024]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is a schematic diagram showing the entire gas turbine.
In the gas turbine 1, air is sucked in from the left side of the compressor 2, compressed by the compressor 2, and the compressed compressed air is supplied to the combustor 4 and mixed with fuel to be continuously burned.
Then, the high-temperature and high-pressure combustion gas obtained by the combustion in the combustor 4 is sent to the turbine 6 and drives the rotor blades implanted in the rotor 8 of the turbine.
In the gas turbine 1, the higher the temperature of the combustion gas supplied to the turbine 6 is, the higher the efficiency is.
For example, the turbine inlet temperature has been increased from the conventional 1000 ° C. to 1300 ° C., and further to 1500 ° C.
[0025]
FIG. 2 is a partial sectional view in the axial direction of the turbine 6 of the gas turbine 1.
Combustion gas is supplied from the left side toward the drawing, and the stationary blades and the moving blades are arranged alternately in the order of the first stage stationary blade 101, the first stage moving blade 201, the second stage stationary blade 102, the second stage rotating blade 202, and the third stage stationary blade 103. ing.
Then, in each stage, the combustion gas rectified by the stationary blade drives the rotor blade on the downstream side.
At this time, the gap between the moving blade and the outer periphery of the moving blade is reduced as much as possible, and the combustion gas does not sufficiently provide the driving force to the moving blade. It is designed not to reduce the efficiency of the system.
[0026]
FIG. 3 is an enlarged view of a rotor blade portion of the turbine portion of FIG. 2 and is a partial cross-sectional view illustrating a part of the gas turbine 1 (or a combustion engine) according to an embodiment of the present invention.
The gas turbine 1 includes a moving blade 3 and a shroud 5, and the moving blade 3 includes a polishing layer 7 at a tip thereof.
The shroud 5 located on the outer peripheral side of the tip of the rotor blade 3 has a TBC layer 9 mainly composed of zirconia on the inner peripheral surface.
The clearance between the polishing layer 7 and the TBC layer 9 (indicated by a double-headed arrow C in FIG. 3) is a clearance.
[0027]
FIG. 4 is an enlarged sectional view showing a part of the tip of the bucket 3 of FIG.
Although not shown, the shroud 5 is located above the FIG. 4 with a clearance therebetween. FIG. 4 shows the base material 11 of the rotor blade and the polishing layer 7.
The polishing layer 7 includes a first layer 13 and a second layer 15.
The first layer 13 includes a first plating layer 17, a first coating layer 19, and first abrasive particles 21.
The second layer 15 includes a second plating layer 23, a second coating layer 25, and second abrasive particles 27.
In FIG. 4, the boundary between the first plating layer 17 and the first coating layer 19 is clearly drawn, but the boundary is actually ambiguous due to diffusion.
Similarly, the boundary between the second plating layer 23 and the second coating layer 25 is ambiguous due to diffusion.
[0028]
The first plating layer 17 is provided on the surface of the base material 11 of the rotor blade 3.
As will be described later in detail, the first abrasive particles 21 are temporarily fixed by the first plating layer 17 until the first coating layer 19 is formed.
The material of the first plating layer 17 is not particularly limited. For example, nickel, chromium, or the like is used, and nickel, which is one of the component compositions of the first coating layer 19 and is familiar, is preferable.
The thickness of the first plating layer 17 (thickness before the first coating layer 19 is formed) is not particularly limited, but is preferably 30 μm or more and 100 μm from the viewpoint of effectively fixing only the lower end portion of the first abrasive particles 21. The following is preferred.
In addition, since the first plating layer covers the surface of the base material which is the surface on which the film is to be formed, oxidation of the surface of the base material can be prevented.
[0029]
The first coating layer 19 functions as a binder for fixing the first abrasive particles 21.
For the first coating layer 19, an antioxidant material is used.
This suppresses the first abrasive particles 21 from falling off due to oxidation and deterioration of the first coating layer 19.
Preferred antioxidant materials include MCrAlY (an alloy containing iron, nickel, or cobalt, chromium, aluminum, and yttrium as main components).
From the viewpoint of preventing oxidation, the porosity of the first coating layer 19 is preferably 1% or less.
The thickness of the first coating layer 19 is preferably 50 μm or more and 200 μm or less.
If the thickness is less than the above range, the first abrasive particles 21 protrude from the first coating layer 19, which may cause inconvenience in forming the second plating layer 23 as described later in detail.
Conversely, if the thickness exceeds the above range, it may take a long time before the first abrasive particles 21 protrude from the first coating layer 19 after the first layer 13 disappears.
[0030]
The first abrasive particles 21 preferably have a higher hardness than the TBC layer 9 (mainly composed of zirconia) of the shroud 5.
Specifically, the Vickers hardness of the first abrasive particles 21 is preferably 1000 or more.
Examples of such a material include alumina, silicon carbide, sintered diamond, and CBN.
The average particle diameter of the first abrasive particles 21 is preferably 50 μm or more and 200 μm or less from the viewpoint that the polishing of the shroud 5 is efficiently performed.
For the same reason, the number of the first abrasive particles 21 in the first layer 13 is preferably 30 / mm ↓ 2 or more and 50 / mm ↓ 2 or less.
[0031]
The second plating layer 23 is provided on the surface of the first coating layer 19.
As will be described later in detail, the second abrasive particles 27 are temporarily fixed by the second plating layer 23 until the second coating layer 25 is formed.
Although the material of the second plating layer 23 is not particularly limited, nickel, chromium, or the like is used similarly to the first plating layer 17, and nickel is particularly preferable.
The thickness of the second plating layer 23 (thickness before the second coating layer 25 is formed) is not particularly limited, but is preferably 30 μm or more and 100 μm from the viewpoint of effectively fixing only the lower end portion of the second abrasive particles 27. The following is preferred.
[0032]
The second coating layer 25 functions as a binder for fixing the second abrasive particles 27.
An antioxidant material is used for the second coating layer 25.
Thus, the second abrasive particles 27 are prevented from falling off due to oxidation and deterioration of the second coating layer 25.
As a preferable antioxidant material, MCrAlY similar to that of the first coating layer 19 is used.
From the viewpoint of preventing oxidation, the porosity of the second coating layer 25 is preferably 1% or less.
The thickness of the second coating layer 25 is preferably 50 μm or more and 200 μm or less.
If the thickness is less than the above range, the fixation of the second abrasive particles 27 may be insufficient.
Conversely, if the thickness exceeds the above range, the second abrasive particles 27 may be buried in the second coating layer 25.
[0033]
The second abrasive particles 27 preferably have a higher hardness than the TBC layer 9 (mainly composed of zirconia) of the shroud 5.
Specifically, the Vickers hardness of the second abrasive particles 27 (Vickers hardness measured at room temperature, the same applies hereinafter) is preferably 1000 or more.
Examples of such a material include alumina, silicon carbide, sintered diamond, CBN, and the like.
The average particle diameter of the second abrasive particles 27 is preferably 50 μm or more and 200 μm or less from the viewpoint that the polishing of the shroud 5 is efficiently performed.
For the same reason, the number of the second abrasive particles 27 in the second layer 15 is preferably from 10 / mm ↓ 2 to 50 / mm ↓ 2.
[0034]
In the transition stage to the rated operation when the combustion engine is started, the rotor blades 3 of the turbine are heated faster than the shroud 5, and the rotor blades 3 are also subjected to centrifugal force due to rotation. 3 causes thermal expansion faster than the casing portion containing the shroud 5.
Therefore, the moving blade 3 that has rapidly thermally expanded contacts the shroud 5 that has not yet sufficiently thermally expanded, and initial sliding occurs.
During the initial sliding, the second abrasive particles 27 of the second layer 15 at the forefront of the bucket 3 slide on the TBC layer on the inner peripheral surface of the shroud 5, and the TBC layer is cut.
When the second layer 15 has disappeared in the secondary sliding after the rotor blade 3 has been operated for a certain time while being exposed to the high-temperature combustion gas, the first abrasive particles 21 slide with the shroud 5. .
[0035]
The first abrasive particles 21 and the second abrasive particles 27 may be made of the same material. However, the first abrasive particles 21 are preferably those that are stable for a long time in an oxidizing atmosphere because they are difficult to disappear even in a high-temperature environment. Preferably, the second abrasive particles 27 have higher hardness because they can withstand severe initial sliding.
Specifically, the usable temperature of the first abrasive particles 21 is preferably 1000 ° C. or more, and the Vickers hardness of the second abrasive particles 27 is preferably 1000 or more, particularly preferably 5000 or more.
[0036]
As a combination of such abrasive particles, it is preferable that the first abrasive particles 21 be made of alumina, silicon carbide or sintered diamond, and the second abrasive particles 27 be made of CBN.
A particularly suitable material for the first abrasive particles 21 is alumina which has a Vickers hardness of about 2,000, which is not so high, but is stable at about 1500 ° C. for a long time.
The usable temperature of CBN suitable for the second abrasive particles 27 is not so high as about 1000 ° C., but the Vickers hardness is extremely high, about 5000 to 7000.
[0037]
In the rotor blade 3, the polishing layer 7 is constituted by the first layer 13 and the second layer 15, and the polishing layer 7 is formed between the base material 11 and the first layer 13 or between the first layer 13 and the second layer 15. Other layers may be provided between them.
Alternatively, the first layer and the second layer may be formed continuously, and the first abrasive particles may be dispersed in a lower layer portion of the continuous layer, and the second abrasive particles may be dispersed in an upper layer portion.
[0038]
Here, an example of a method of forming the polishing layer 7 on the tip of the bucket 3 will be described in detail.
First, a portion of the base material 11 of the rotor blade 3 other than the portion where the polishing layer 7 is formed is masked, and the base material 11 is arranged in the electrolytic solution of the electrolytic cell.
Next, the first plating layer 17 is formed by performing electroplating.
The first abrasive particles 21 submerged under the electrolytic cell are temporarily fixed by electroplating.
At the stage where the first plating layer 17 is formed to such a thickness that only the lower part of the first abrasive particles 21 is buried in the first plating layer 17, the electroplating is terminated (first plating step).
[0039]
Next, the first coating layer 19 is formed by spraying an antioxidant material above the first plating layer 17 (that is, on the outer surface side of the first abrasive particles 21, in other words, around).
As the thermal spraying method, a plasma spraying method, a high-speed flame spraying method, or the like can be adopted. Thermal spraying is performed until the first abrasive particles 21 are completely buried in the first coating layer 19 (first film forming step).
Although the first coating layer 19 may be formed by electroplating or the like instead of thermal spraying, thermal spraying in which the formation speed of the first coating layer 19 is faster is more efficient and more economical than electroplating. ,preferable.
[0040]
Next, the surface of the first coating layer 19 is washed to remove dirt generated by oxidation or the like.
Then, the second plating layer 23 is formed in the same manner as in the first plating step, and the second abrasive particles 27 are temporarily fixed on the second plating layer 23 (second plating step).
Since the first abrasive particles 21 are buried in the first coating layer 19, even if the first abrasive particles 21 are non-conductive, the first abrasive particles 21 form the second plating layer 23. Is not inhibited.
[0041]
Next, the second coating layer 25 is formed by spraying an antioxidant material in the same manner as in the first film forming step (second film forming step).
The second abrasive particles 27 are buried in the second coating layer 25 by thermal spraying.
Thereafter, a material having a hardness between the hardness of the second coating layer 25 (about HV400 in the case of MCrAlY) and the hardness of the second abrasive particles 27 (about HV5000 in the case of CBN) (for example, alumina which is about HV2000) Only the second coating layer 25 is polished with an abrasive composed of, and the tip of the second abrasive particles 27 is projected from the second coating layer 25 (polishing step).
Note that the second matrix 25 may be formed by electroplating or the like instead of thermal spraying.
In electroplating, the formation speed is slower than in thermal spraying, but it is easy to control the thickness of the second matrix 25 to such an extent that the second abrasive particles 27 are not buried.
[0042]
After the first layer 13 and the second layer 15 are thus formed, a heat treatment is performed.
By the heat treatment, diffusion occurs between each plating layer and each coating layer, thereby improving the adhesion between the layers and homogenizing the components between the layers.
The heat treatment is performed not only for the polishing layer, but also as a heat treatment for the rotor blade base material, and can also be used as a heat treatment for the polishing layer.
[0043]
FIG. 5 shows a more preferable example of the gas turbine blade.
In FIG. 5, a shroud (shown in FIG. 5) is provided at the tip of the moving blade 33 so as to face the outer periphery of the moving blade 33 further along the back surface of the blade profile, that is, toward the outer periphery in the circumferential direction. ) Is provided in the direction approaching the right side.
Then, the above-mentioned polishing layer 37 is formed on the protruding portion which is also called a thinning portion.
Since the polishing layer 37 is formed not on the entire surface of the blade tip but on the protruding portion 39, the film formation surface portion protrudes in the film formation process, so that the distinction from other surfaces is made clearer. Masking and the like of a non-film-forming portion that is not formed becomes easy.
Further, since it is sufficient to form the film only on the protrusion 39, the area of the surface on which the film is to be formed can be reduced, the amount of the film to be formed can be reduced, and effects such as a reduction in manufacturing time and cost can be achieved.
Furthermore, since it has a thin protruding portion protruding from the moving blade 33, the thermal expansion of the moving blade becomes excessive at the time of starting the gas turbine or the like, causing unexpected and severe contact with the shroud, and the polishing catches up with the contact. Even if it disappears, the protruding portion 39 breaks, wears, burns out, etc., and is lost before the main body of the bucket 33, so that it is possible to prevent a serious trouble from occurring in the main body of the bucket 33.
[0044]
As described above, the present invention has been described in detail by taking as an example the case where the polishing layer is provided at the tip of the moving blade. However, a similar polishing layer may be formed on the inner peripheral side of the shroud.
In this case, at least the tip of the moving blade is made of a material having low hardness, and the moving blade is polished by sliding.
Further, in a normal gas turbine, a large number (for example, several tens) of blades are implanted on the rotor for each stage, but a polishing layer may be formed on the tips of all the blades. Conversely, only a part (for example, several) of a number of blades may be provided with a polishing layer.
In the above description, a gas turbine is taken as an example. However, the present invention can be applied to all combustion engines, such as a jet engine, in which a rotor blade and a shroud may slide. The present invention can be effectively applied to devices and parts that may slide in an oxidizing atmosphere.
[0045]
【The invention's effect】
As described above, in the engine of the present invention, an appropriate clearance between the bucket and the shroud is maintained for a long period from the start of operation.
Therefore, in this engine, damage to the rotor blade is less likely to occur, and reliability is improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view of a gas turbine according to the present invention.
FIG. 2 is an enlarged sectional view of a turbine portion of the gas turbine.
FIG. 3 is a partial cross-sectional view showing a part of the gas turbine according to one embodiment of the present invention.
FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view showing a part of the tip of the bucket shown in FIG. 5;
FIG. 5 is an enlarged view of a tip of a moving blade according to another embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 ... Gas turbine
2 ... Compressor
3 ... rotor blade
4 ... combustor
5 Shroud
6 ... turbine
7 ... polishing layer
8 ・ ・ ・ Rotor
9 ... TBC layer
11 ・ ・ ・ Base material
13 First layer
15 ... second layer
17 ... First plating layer
19: First coating layer
21 first abrasive particles
23 ... second plating layer
25 ... second coating layer
27 ... second abrasive particles

Claims (13)

第1の研磨粒子が分散されたコーティング材を有する第1層と、
第2の研磨粒子が分散されたコーティング材を有する前記第1層の外面側に位置する第2層と、
を有することを特徴とする研磨層。
A first layer having a coating material in which first abrasive particles are dispersed;
A second layer located on the outer surface side of the first layer having a coating material in which second abrasive particles are dispersed;
A polishing layer comprising:
第1の研磨粒子が分散されたコーティング材を有する第1層と、
第2の研磨粒子が分散されたコーティング材を有する前記第1層の外面側に位置する第2層を有し、
前記第1の研磨粒子の耐熱温度は前記第2の研磨粒子の耐熱温度よりも高く、
前記第2の研磨粒子の硬度は前記第1の研磨粒子の硬度よりも高い
ことを特徴とする研磨層。
A first layer having a coating material in which first abrasive particles are dispersed;
A second layer located on the outer surface side of the first layer having a coating material in which second abrasive particles are dispersed,
The heat-resistant temperature of the first abrasive particles is higher than the heat-resistant temperature of the second abrasive particles,
The polishing layer, wherein the hardness of the second abrasive particles is higher than the hardness of the first abrasive particles.
第1の研磨粒子が分散された酸化防止材を主成分とする第1層と、
第2の研磨粒子が分散された酸化防止材を主成分とする前記第1層の外面側に位置する第2層と、
を有することを特徴とする研磨層。
A first layer mainly composed of an antioxidant in which first abrasive particles are dispersed,
A second layer located on the outer surface side of the first layer, the second layer mainly comprising an antioxidant in which second abrasive particles are dispersed;
A polishing layer comprising:
アルミナの粒子、シリコンカーバイトの粒子、焼結ダイヤの粒子の内の少なくとも一つが分散されたコーティング材を有する第1層と、
第2の研磨粒子が分散されたコーティング材を有する前記第1層の外面側に位置する第2層と、
を有することを特徴とする研磨層。
A first layer having a coating material in which at least one of alumina particles, silicon carbide particles, and sintered diamond particles is dispersed;
A second layer located on the outer surface side of the first layer having a coating material in which second abrasive particles are dispersed;
A polishing layer comprising:
第1の研磨粒子が分散されたコーティング材を有する第1層と、
立方晶窒化硼素の粒子が分散されたコーティング材を有する前記第1層の外面側に位置する第2層と、
を有することを特徴とする研磨層。
A first layer having a coating material in which first abrasive particles are dispersed;
A second layer located on the outer surface side of the first layer having a coating material in which particles of cubic boron nitride are dispersed;
A polishing layer comprising:
金属めっき層部分と酸化防止材層部分とを有するコーティング材に第1の研磨粒子が分散された第1層と、
金属めっき層部分と酸化防止材層部分と有するコーティング材に第2の研磨粒子が分散された前記第1層の外面側に位置する第2層と、
を有することを特徴とする研磨層。
A first layer in which first abrasive particles are dispersed in a coating material having a metal plating layer portion and an antioxidant layer portion;
A second layer located on the outer surface side of the first layer in which second abrasive particles are dispersed in a coating material having a metal plating layer portion and an antioxidant layer portion;
A polishing layer comprising:
第1の研磨粒子が分散され該第1の研磨粒子の粒子径以上の厚さのコーティング材を有する第1層と、
第2の研磨粒子が分散されたコーティング材を有する前記第1層の外面側に位置する第2層と、
を有することを特徴とする研磨層。
A first layer having a coating material having a thickness greater than or equal to the particle size of the first abrasive particles, wherein the first abrasive particles are dispersed;
A second layer located on the outer surface side of the first layer having a coating material in which second abrasive particles are dispersed;
A polishing layer comprising:
第1の研磨粒子が分散されたコーティング材を有する第1層と、
第2の研磨粒子が分散され該第2の研磨粒子の粒子径以下の厚さのコーティング材を有する前記第1層の外面側に位置する第2層と、
を有することを特徴とする研磨層。
A first layer having a coating material in which first abrasive particles are dispersed;
A second layer located on the outer surface side of the first layer having a coating material having a thickness equal to or less than the particle diameter of the second abrasive particles, wherein the second abrasive particles are dispersed;
A polishing layer comprising:
アルミナの粒子、シリコンカーバイトの粒子、焼結ダイヤの粒子の内の少なくとも一つが分散されたMCrAlYを主成分とする第1層と、
立方晶窒化硼素の粒子が分散されたMCrAlYを主成分とする前記第1層の外面側に位置する第2層と、
を有することを特徴とする研磨層。
A first layer mainly composed of MCrAlY in which at least one of alumina particles, silicon carbide particles, and sintered diamond particles is dispersed;
A second layer located on the outer surface side of the first layer, which is mainly composed of MCrAlY in which particles of cubic boron nitride are dispersed,
A polishing layer comprising:
圧縮機と燃焼器とタービンを備える燃焼エンジンの可動部分と非可動部分とが対向する面の一方に、
第1の研磨粒子が分散されたコーティング材を有する第1層と、
第2の研磨粒子が分散されたコーティング材を有する前記第1層の外面側に位置する第2層と、
を有することを特徴とする燃焼エンジン。
On one of surfaces where a movable part and a non-movable part of a combustion engine including a compressor, a combustor and a turbine face
A first layer having a coating material in which first abrasive particles are dispersed;
A second layer located on the outer surface side of the first layer having a coating material in which second abrasive particles are dispersed;
A combustion engine comprising:
圧縮機と燃焼器とタービンを備えるガスタービンの該タービンのロータに取り付けられた動翼の先端に、
アルミナの粒子、シリコンカーバイトの粒子、焼結ダイヤの粒子の内の少なくとも一つが分散されたMCrAlYを主成分とする第1層と、
立方晶窒化硼素の粒子が分散されたMCrAlYを主成分とする前記第1層の外面側に位置する第2層と、
を有することを特徴とするガスタービン。
At the tip of a moving blade attached to a rotor of a gas turbine including a compressor, a combustor, and a turbine,
A first layer mainly composed of MCrAlY in which at least one of alumina particles, silicon carbide particles, and sintered diamond particles is dispersed;
A second layer located on the outer surface side of the first layer, which is mainly composed of MCrAlY in which particles of cubic boron nitride are dispersed,
A gas turbine comprising:
被成膜面に金属めっきによって第1の研磨粒子を固定する工程と、
該第1の研磨粒子が固定された金属めっき上にコーティング材を成膜する工程と、
該コーティング材に金属めっきによって第2の研磨粒子を固定する工程と、
該第2の研磨粒子を固定された金属めっき上にコーティング材を成膜する工程と、
を含むことを特徴とする研磨層の製造方法。
Fixing the first abrasive particles on the surface on which the film is to be formed by metal plating;
Forming a coating material on the metal plating to which the first abrasive particles are fixed;
Fixing the second abrasive particles to the coating material by metal plating;
Forming a coating material on the metal plating to which the second abrasive particles are fixed;
A method for producing a polishing layer, comprising:
ガスタービンのローターに円周上に取付けられる動翼であって、該動翼の先端に円周方向外側向きに突出部分を備え、
該突出部分に金属めっきによってアルミナの粒子、シリコンカーバイトの粒子、焼結ダイヤの粒子の内の少なくとも一つを固定する工程と、
該耐熱性の研磨粒子が固定された金属めっき上にMCrAlYを溶射する工程と、
該工程にで形成されたコーティングの表面に金属めっきによって立方晶窒化硼素の粒子を固定する工程と、
該高硬度の研磨粒子を固定された金属めっき上にMCrAlYを溶射する工程と、
を含むことを特徴とするガスタービン動翼の製造方法。
A rotor blade circumferentially attached to a rotor of a gas turbine, comprising a protruding portion at a tip of the rotor blade in a circumferentially outward direction,
A step of fixing at least one of particles of alumina, particles of silicon carbide, and particles of sintered diamond by metal plating on the protruding portion,
Spraying MCrAlY on the metal plating on which the heat-resistant abrasive particles are fixed;
Fixing the particles of cubic boron nitride by metal plating on the surface of the coating formed in the step;
Spraying MCrAlY on the metal plating on which the high hardness abrasive particles are fixed;
A method for manufacturing a gas turbine rotor blade, comprising:
JP2000295477A 2000-09-28 2000-09-28 Polishing layer, combustion engine, gas turbine, and method of manufacturing the same Expired - Fee Related JP3564376B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2000295477A JP3564376B2 (en) 2000-09-28 2000-09-28 Polishing layer, combustion engine, gas turbine, and method of manufacturing the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2000295477A JP3564376B2 (en) 2000-09-28 2000-09-28 Polishing layer, combustion engine, gas turbine, and method of manufacturing the same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2002105666A JP2002105666A (en) 2002-04-10
JP3564376B2 true JP3564376B2 (en) 2004-09-08

Family

ID=18777894

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2000295477A Expired - Fee Related JP3564376B2 (en) 2000-09-28 2000-09-28 Polishing layer, combustion engine, gas turbine, and method of manufacturing the same

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP3564376B2 (en)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002256808A (en) * 2001-02-28 2002-09-11 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Combustion engine, gas turbine and grinding layer
JP2002371803A (en) * 2001-06-13 2002-12-26 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Forming method for wear resistance layer for moving blade, wear resistance layer and regenerating method thereof
EP1798302A4 (en) * 2004-08-23 2009-12-02 Toshiba Kk Method and equipment for repairing rotor
JP4774786B2 (en) * 2005-03-31 2011-09-14 Jfeスチール株式会社 Thermal spray coating for furnace structure coating and method for forming the same
JP5031103B2 (en) * 2008-10-30 2012-09-19 三菱重工業株式会社 Turbine blades with tip thinning
JP5456192B1 (en) 2013-02-26 2014-03-26 三菱重工業株式会社 Turbine blade machining method, machining tool, and turbine blade
JP6193302B2 (en) * 2015-05-25 2017-09-06 株式会社名光精機 Method for manufacturing axial compressor member and axial compressor member

Also Published As

Publication number Publication date
JP2002105666A (en) 2002-04-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2002068799A1 (en) Combustion engine, gas turbine, and polishing layer
US9598973B2 (en) Seal systems for use in turbomachines and methods of fabricating the same
US5952110A (en) Abrasive ceramic matrix turbine blade tip and method for forming
RU2229031C2 (en) Gas-turbine engine sealing device (versions), gas-turbine engine blade and gas-turbine engine sharp edge
EP1312760B1 (en) Turbine shroud and blade tip arrangement with abrasive surface and manufacturing method therefor
CN109424369B (en) Turbine blade including coating system and method of forming turbine blade
US10794211B2 (en) Seal geometries for reduced leakage in gas turbines and methods of forming
EP2455589B1 (en) Abrasive cutter formed by thermal spray and post treatment
US20050129511A1 (en) Turbine blade tip with optimized abrasive
US20040208749A1 (en) Method of forming abrasion-resistant layer on rotor blade, an abrasion-resistant layer and a method of regenerating the same, and a gas turbine
EP3061849A1 (en) Method for coating compressor blade tips
JP4130894B2 (en) Gas turbine engine and manufacturing method thereof
JP3564376B2 (en) Polishing layer, combustion engine, gas turbine, and method of manufacturing the same
US20200232333A1 (en) Abrasive coating for high temperature mechanical systems
JP6976406B2 (en) Self-supporting ceramic seals for gas turbines and their forming methods
JPH08303204A (en) Gas turbine rotor blade seal structure
JP2624661B2 (en) Gas turbine engine sealing device
US11486263B1 (en) System for addressing turbine blade tip rail wear in rubbing and cooling
CN121897420A (en) The outermost abrasive layer of turbine blades using gradient ceramics
JP2026075052A (en) Turbine blade outermost polishing layer using gradient ceramic
JPH0861092A (en) Gas turbine rotor blade seal structure

Legal Events

Date Code Title Description
TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20040511

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20040607

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 3564376

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090611

Year of fee payment: 5

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100611

Year of fee payment: 6

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100611

Year of fee payment: 6

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110611

Year of fee payment: 7

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110611

Year of fee payment: 7

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120611

Year of fee payment: 8

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130611

Year of fee payment: 9

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees