JPS6014091B2 - 高温用多孔質密封部材 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、高温用密封部材に関し、具体的には、ガスタ
ービン・エンジンの高温部分に特に有用であって、耐酸
化性及び耐ガス侵食性、減少した熱伝導率、そして摩耗
性より適切に表現すると、低い変形抵抗の諸点で改良さ
れた性質を有する高温用密封材料に関する。

発明の背景 ガスタービン・エンジンの開発における重要な要素の１
つが、新しいタービン材料の技術の進歩であった。

タービンの入口温度を高くしたいという絶えまない要望
がこれまであり、一層厳しい条件に耐える改良されたタ
ービン羽根用材料の進歩をもたらした。同時に、タービ
ンの効率を高め且つ改善すると共に、高温に耐えるばか
りでなく、一層厳しい酸化及びガス侵食条件に耐えるよ
うなタービン・シュラウド材料の改良が必要となってい
る。タービン・シュラゥドの初期の形状は、ガス外彼を
形成する比較的簡単な金属リングであった。改良された
形状のものは、開放面ハニコム形の、当該材料を空気が
通過するような放射冷却型材料を含んでいた。そして、
このシュラウドはいるいるな摩耗性且つ破砕性材料を充
填していた。現在市販のガスタービン・エンジン用に使
われているこのようなシユラウドの１つには、プレイダ
ロイ（Ｂｒａｄｅｌｌｏｙ）材料と称する材料が充填さ
れているが、これについては米国特許第３３４２５６３
号に記載されている。この材料により当面の運転温度用
として信用性あるタービン・シュラゥド構造体が生まれ
た。しかし、最新のガスタービン・エンジンに見られる
一層高温で且つ一層厳しい運転条件では、耐酸化性と耐
侵食性が一層良好で、しかも目標の運転温度では実際上
非破砕性であるような改良された高温用シュラウド部材
を必要とすることが認識されてきた。従ってこの部材に
よれば、羽根尖端のような擦過要素との界面において、
高くなった温度で、変形又は摩耗を生じ、なめらかな、
高度に仕上げた、そして空気力学的に望ましい表面がも
たらされる。発明の概要 概略すると、本願発明の一態様は、耐酸化性と耐ガス侵
食性、及び高温で変形抵抗が低い、すなわち高温におい
て材料が実質的に非破砕性であるといった点で改良され
たことを特徴とする材料からなる高温用多孔質密封部村
にある。

この部村は多孔性を有するゆえに熱伝導率が低い。この
部材は、例えば加圧及び暁結によって得られるような、
冶金的に結合した合金粉末粒子の集合体からなり、粒子
は実際的にＪＩＳ標準ふるいによれば約十１０坪乃至約
一５糾（米国（ＡＳＴＭ）標準ふるいによれば約十１４
０乃至約一２７０）の粒度範囲にあり、金属組織学的に
金属粒子として識別しうるものである。この粒子は、基
本的には、重量で、１５〜３５％Ｃｒと、約８〜２０％
Ａ夕と、Ｙ，Ｈｆ及び希土類元素から選ばれた５％まで
の１つ以上の元素と、Ｆｅ，Ｃｏ、及びＮｊから選ばれ
た残部と、不可避的不純物とからなる。この部材の密度
は理論密度の約６５〜９０％の範囲にある。好適な一態
様としては、金属粒子が、基本的に、重量で、約２０〜
２３％Ｃｒと、約９〜１３％Ａそと、０．１〜５のＹ及
びＨｆの一方又は両方と、残部のＮｉと不可避的不純物
からなり、この部材の密度は理論密度の約６５〜８３％
の範囲にある。特に好ましい粒子組成は、重量で、２１
〜２３％Ｃｒと、９〜１１％Ａ夕と、０．８〜１．２％
のＹ又はＨｆあるいは両者と、基本的にＮｉの残部と、
不可避的不純物からなり、その密度は理論密度の約７０
〜８３％である。好ましい具体的態様 密封部村又はシュラゥド材料の重要な機能の１つは、ガ
スタービン・エンジンの効率維持の一端を担うことであ
る。

例えば回転羽根尖端とそれと協働するシュラウドのよう
な回転部品と固定部品との間の隙間を、連続性をもって
最少にすることによって、コンブレッサーやエンジンの
タービン部分の両方における段階間での漏洩を抑制して
上述の機能が果される。タービンにおいては、このよう
な隙間の制御は特に困難であるが、その理由は、始動か
ら停止までのエンジン・サイクルの間にタービン部分が
作動する際の温度の範囲が広いことである。ハニコムの
ような摩耗性シュラウド材料又は摩耗性挿入体又はそれ
らの組合せを使って、隙間と相対膨脹係数を適当に調整
すれば、羽根尖端のような回転部品が摩耗性材料中に通
路を作ることを可能とする。公知のむくの又は多孔質の
摩耗性材料は、或る種の充填材又は「チップ・プレー力
」“ｃｈｉｐかｅａｋｅｒ型材料を含むことによって、
脆い構造を付与することによって又は多孔性を付与する
ことによって、又はそれらの組合せによって、それらの
摩耗性又は破砕性を得ている。ガスタービン・エンジン
のタービン部分が通常作動する酸化的雰囲気下でタービ
ン部分の受ける温度において、摩耗性シュラウド材料を
使用した場合に伴う大きな問題の１つに、シュラウド材
料の酸化がある。

この酸化のためにシュラウド材料は体積膨脹、剥離又は
破砕、そして一層急速な損失を起す。この結果、好まし
くない大きな隙間とガス撹乱を生ずる。他の問題は、回
転羽根のような擦過部材に関連した酸化シュラウド材料
の耐侵食性及び耐摩耗性であり、又、当該材料が酸化さ
れると熱伝導率が非常に小さくて、表面温度が高くなっ
てしまうことやその耐熱衝撃性である。更に、酸化し、
剥離し、摩耗した多孔質構造体は荒いガス流路を作り、
その結果好ましくないガス蝿乱をもたらす。本発明は、
特定寸法の粒子の形態にある特定組成範囲の耐酸化性合
金を使用し、冶金的に結合して臨界密度を有する部材に
改良された、実質的に非破砕性の高温用多孔質密封部村
を提供する。

このような合金組成は、特に高温度で変形抵抗が低くな
るような延性をもたらすように選ばれる。この合金は、
それと協働するタービン回転羽根のような部材によって
擦られ、そして所与のタービン作動温度におけるこのよ
うな接触によって、破砕よりはむしろ変形又は摩耗を生
じうる。この合金から形成した密封部材には擦過屑を受
け入れる多孔性があるので、羽根尖端は、もし密封材料
が破砕性であった場合より深く擦り落されることがない
。このようにして、羽根と密封材料の界面に、滑らかで
しかも空気力学的に利点のある表面をもたらす。更に多
孔性は密封材料の熱伝導率に影響する結果、うしろから
空冷されるシュラウド‘こついて、その擦られる表面は
、それが完全に密な場合より熱くなるが、酸化を促進す
る程には熱くならない。又、多孔性により、タービン羽
根尖端の擦過力を制限するコンブラィアンスがもたらさ
れる。さらに具体的に云うと、Ｎｉに加えてＣｒ，Ａそ
及び好ましくはＹ，Ｈｆ及び希±類元素のような元素の
少なくとも１種で構成する、耐酸化性の改良された基本
合金から本発明の部材が作られる。

三つ組の遷移金属元素Ｆｅ，Ｃｏ及びＮｉの１つ以上を
基とするこのような一般的な元素の組合せは、改良され
た耐酸化性を有すると報告されていた。即ち、構造部材
用合金としては、例えば、米国特許第３０２７２５２号
、被覆材料としては、米国特許第３５４２５３び号及び
同３６７６０８５号、高温用摩耗性材料に関しては、米
国特許第３８１７７１計号がある。これらの合金組成は
各々、選択的に他の合金元素を取り込んで異つた組成範
囲を構成し、本発明の物品とは異つた特定の物品が生産
される。本発明の都村は、構成元素について同じような
一般的組合せを使用しているが、多孔性と高温度で実質
的に非破砕性であることを特徴とする。この部村は、特
定の組成範囲と下記のように特定される構造体とが組み
合さって構成される。すなわち構造体は、それを形成す
る粉末粒子の粒度と、理論密度を基準にして百分率で表
した密度範囲とによって限定されている。この組合せに
より、ガスタービン・エンジンのシュラウドに使用する
密封部材が改良され、著しく改善された耐酸化性及び耐
ガス侵食性と、良好な耐熱衝撃性と、高度のコンブラィ
アンスと、完全に密な部材が示すよりも低い熱伝導率と
を有する密封部材が提供できる。本発明の評価において
は、各種の試料を調整した。

これらのうち典型例は、次表に示す合金粉末組成である
。表 （重量多） 本発明による都材の評価のために、次のようにして試料
を調整した。

即ち、ＪＩＳ標準ふるいによれば約十１０５仏乃至約一
５３仏（米国（ＡＣＴＭ）標準ふるいにより約十１４０
乃至約一２７０）の粒度範囲にある予め合金化された粉
末又は粒子を選定し、合金粉末を支持部及び側部付きシ
ュラウド殻内において合金粉末を保持し、そして非酸化
性雰囲気で充分な熱と圧力を加えて、合金粒子間に金属
組織学的な識別が維持されるように、合金粒子を冶金的
に結合すなわち焼成した。この一連の評価においては、
９８０〜１２００ｑｏ（１８００〜２２０００Ｆ）の温
度で、所望密度に応じて約７．０３〜１７６ｋｇ／汝（
約１００〜２５０蛇ｓｉ）の範囲の圧力を加えた。本発
明は、理論密度の約６５〜９０％、特に６５〜８３％の
範囲にある密度が特に有利であることが認められたが、
理論密度の約６０乃至約９０％の密度について評価を行
った。本発明によれば、粉末粒度の選定によって、熱伝
導率を抑制するために所望の気孔率を維持しそして擦過
屑を捕えるようにできる。これが、合金粉末の延性と連
係して、本発明の部材にコンブライアンスを付与する結
果、ガスタービン・エンジンにおいて相手方として協働
するタービン羽根から受けうるような凝りによりなめら
かな表面が生じることになる。もし粉末の粒度が大きす
ぎれば、その結果として気孔率は過大となる。更に、部
材に圧縮するのに必要な荷重も過度になる。反対に、粉
末の粒度が４・さすぎると、圧縮成形が、本発明の目的
を達成するには密になりすぎ、そして一層容易に酸化を
受ける結果となる。前記表の試料１及び２の合金組成、
重量百分率でＦｅ−２皮ｒ‐１０Ａそ−ＩＹ、及びＮｉ
−２にｒ−８Ａそ−ＩＹの公称組成を有し、あらかじめ
合金化した粉末からなる圧縮成形体を高温プレスした後
、１２００午○（２２０００Ｆ）及び１３１６ｑｏ（２
４０００Ｆ）でサィクリックな動的酸化試験（０．０５
マッハ）により評価を行った。

前記組成について、時間に対してプロットした重量利得
百分率の放物線状曲線が得られた。前述のプレイダロィ
（Ｂｒａｄｅｌｌｏｙ）材料（Ｎｉ−１２％Ａその平均
組成）との比較を第ｌａ及び第ｌｂ図に示してある。試
験片のミクロ組織が次のことを示した。即ち、ブレィダ
ｏイ材料は、１２００℃（２２０００Ｆ）では１１加時
間、１３１６０○（２４０００Ｆ）では３畑時間で、本
質的には全て酸化物に転化したが、ＦｅＣｒＡそ Ｙ構
造体とＮｉＣｒＡ〆 Ｙ構造体は、薄い酸化物の保護層
によって覆われた嫌結金属粒子であった。重量利得は、
金属の酸化物への転化による材料の体積膨脹により明白
であった。

プレイダロイ材料の体積膨張は、ＦｅＣｒＡそ Ｙ及び
ＮｉＣｒＡそ Ｙの圧縮成形体のそれに比べて大きかっ
た。しかし、背後から空冷される実際のエンジン・シュ
ラウド・セグメントでは、酸化及び体積膨張は、高温の
ガス流路表面領域に限られる。金属組織学的研究により
、エンジン稼動のシュラウドーこおけるＮｉＣｒＡ〆
Ｙ粒子の保護酸化物の厚さに変化が生じているのは、空
冷された支持体からガス流路表面にかけてであることが
わかった。ガス流路表面近くでは、酸化物の厚さは７．
６２×１０‐４仇（３×１０‐４インチ）で支持体近く
での酸化物の厚さは１２．７×１０‐５伽（５×１０‐
５インチ）であった。ゆがみは小さかった。同じ試験エ
ンジンにおけるプレイダロイ材料のシュラウドは、空洞
側壁の上に剥離領域と過度の体積膨張を示した。第２ａ
及び第２ｂ図は、プレイダロィ材料（第２ａ図）と、公
称重量百分率Ｎｉ−２次ｒ−１０Ａそ−ＩＹからなる試
料４のＮｉＣｒＡ〆 Ｙ合金を使用した本発明の都材（
第２ｂ図）とを比較しているものである。この比較から
次のことも明白ある。

即ち、このようなシュラウドにおける制御された気孔率
の働きの１つは、ガス流路表面と空冷された支持殻との
間に適当な温度落差を設ることである。支持セグメント
のクリープを防止するのに過剰の冷却空気を必要とする
ことのないように、表面の酸化を促進するような過度に
高いガス流路表面温度を避け、且つ超合金の支持セグメ
ント上の温度が過度に高くなるのを避けるといった条件
の適正化が必要である。冷却空気が増加すると、エンジ
ンの機能は低下するのである。前記表の試料４の合金の
ＮｊＣｒＡそ Ｙ合金粉末粒子は、実質的にＪＩＳ標準
ふるいで約十１０５〆乃至約一５秋（米国（ＡＳＴＭ）
標準ふるいの約十１４０乃至約一２７０）の粒度範囲に
あり、重量で２２％Ｃｒ，１０％Ａ夕，１％Ｙ、残部Ｎ
ｉの公称組成を持ち、そして高温プレスによりニッケル
基超合金シュラウド支持セグメントに成形された。

この超合金は市販されており、ルネ７７（Ｒｅｎｅ′７
７）合金と呼ばれる。このセグメントを適当な寸法に切
断して、マッハ０．８の循環型ガスバーナ装置において
衝突角３０ｏで試験した。比較のためにプレイダロイ材
料の試片と共に、１１５０午Ｃ（２１０００Ｆ）及び１
２００℃（２２０００Ｆ）で試験を行った。１時間に１
度急に約９３℃（２０００Ｆ）に説片を循環させ、次い
で急に試験温度へ加熱した。

金属組織試験での観察によれば、ＮｉＣｒＡ〆 Ｙ材料
の示したガス侵食は無視できるものであったが、プレイ
ダロィ材料の試片はかなり酸化され且つ侵食されていた
。本発明の耐侵食性を一層定量的に評価するために、前
記のものと同様の高温プレス試片を粒子侵食試験におい
て、密度の関数として評価した。この試験は、プレイダ
ロイ材料に対するガスタービン・エンジン侵食損失と関
連づけてみた。それは、又、摂取粒子又は擦過肩から受
ける侵食の結果をも示している。この試験では、４．２
ｋ９／地（６岬ｓｉ）の圧力落差のもとで、０．５１弧
（０．２インチ）径の円形ノズルを通って流れる粒度５
０ミクロンのＡ夕２０３粒子を７５０グラム使用する。
ノズルと謎片の距離は１８枕（６インチ）に維持した。
高温プレスした試片及び高温プレス且つ酸化した謎片に
ついて、密度と比較した侵食による体積損失の変化を第
３図のグラフにまとめてあるが、ここでは前記表の試料
１のＦｅＣｒＡそ Ｙ材料と謙片４のＮｊＣｒＡと Ｙ
材料を使用している。最良の耐侵食性が、ＮｉＣｒＡと
Ｙ合金から調製した都材については約６５％以上の密
度範囲に、そしてＦｅＣｒＡそ Ｙ材料から調製した材
料については約７３％以上の範囲にあることが明白であ
る。第３図のグラフを作成する基礎となった各点はＦｅ
ＣｒＡ〆 Ｙ及びＮｉＣｒＡ〆 Ｙ材料から作った都材
の耐侵食性がいずれも熱暴露により改善されることを示
した。前記のルネ７７合金の超合金シュラウド・セグメ
ントに試料１のＦｅＣｒＡそ Ｙ合金と試料４のＮｉＣ
ｒＡそ Ｙ合金を各々使用して高温プレスにより充填し
て平均密度を理論密度の約７５％とした。

それから模擬暴露として潮時間にわたり試片を９８〆０
（１８０００Ｆ）に暴露した。その後、原物大のシュラ
ゥド支持構造体に試片を取り付け、所定径に機械加工し
、そして原物大のタービン・ロー外こ対してすきまを設
定した。ルネ８０と呼称される市販のニッケル基超合金
の回転羽根を尖端速度４３鋤（１４４０フィート）／秒
で駆動した。そして、ジュラウド支持体全体の半径方向
への液圧作動によって、擦りを生じた。この試験では、
２＆（１ミル）／秒及び５０＆（２０ミル）／秒の速度
で、深さ１２７〜総１山（５〜１５ミル）となるように
押し込みを設定した。この試験では、摩耗のすべてがシ
ュラウドに生じ、タービン羽根は摩耗しなかった。シュ
ラウドの擦られた表面には、摩耗、即ち、塑性変形を生
じている。擦られた表面近くの孔が、変形した金属を捕
獲し、第４図の１００倍に拡大した顕微鏡写真で示した
ように表面はなめらかに空気力学的に好ましい状態にあ
る。同様のシュラウド・セグメントに試料４のＮｉＣｒ
Ａそ Ｙ材料を充填し、市販の航空機用ガスタービン試
験エンジンに取り付けて、当該エンジンを、通常の航空
機運転に較べてエンジンの劣化を促進するとして知られ
る性質の５００サイクルの厳しい試験サイクルで運転し
た。

この試験中に生じた軽い擦りがシュラウドの表面にそれ
の塑性変形によって摩耗を生じた。この擦過物は表面近
くの孔に捕獲され、そして本発明の材料にコンブラィア
ンスがあるから、表面領域の圧縮又は密度化によってタ
ービンの回転羽根は順応できた。羽根の金属がシュラウ
ドーこ移行していないことを分光分析が示した。他のシ
ュラウド材料では、このような移行によって、厚いかさ
ぶた又は塊を生成するのが普通であるが、この厚いかさ
ぶた又は魂の原因は、かさぶたの上を羽根が通過すると
きに、羽根から金属が移行し続けることにある。作業硬
化と酸化によって、かごぶたから「被覆工具」が効果的
に作られ、これが羽根の尖端に溝を作ることになる。Ｎ
ｉＣｒＡそ Ｙシュラウド部村を有する試験エンジンに
は、かごぶたも、羽根尖端からの金属移行も無いことは
明瞭であった。柔らかい擦りを回転羽根に与える本発明
でのコンブラィアンス特性は、完全に密な材料に比べて
弾性率が低いことに帰因する。

本発明の多孔性ＮｉＣｒＡ〆 Ｙシュラウド部材の弾性
率は０．１４一０．２５×１ぴｋ９／係（２一３．５×
１ぴｐｓｉ）の範囲にあって、完全に密な合金よりも約
１桁づ・さし、。本発明では抑制されたこの熱伝導率を
応用して、著しい温度落差を維持するように選定した多
孔質構造体を介して、ガス流路表面の温度をシュラゥド
支持体の温度と釣合わす。第５図のグラフでは、前記表
の試料４の組成をもつ本発明の７５％の密度の競綾部材
に対し、温度の関数として熱伝導率の測定値を示してい
るが、これは空気酸化を受けた後のものであって、又、
プレイダロィ材料の熱伝導率と比較してある。プレイダ
ロィ材料と比較したＮｉＣｒＡと Ｙ部材は、熱伝導率
が高いため、高温においてガス流路表面を冷たく維持で
き、こうして表面における酸化速度を制限し、耐ガス侵
食性を保持する。これらの代表的データから、部材の合
金に使われる一般的な元素群については知られているも
のの、高温密封部材として使用するのに予期しない独得
の特性を有する点で改良された多孔質部材を本発明が提
供するものであることは理解されるだろう。

密度を制御するため合金粒子の寸法が臨界的な組成範囲
と共に限定されている。熱伝導率を抑制するように理論
密度に対する百分率を限定して、擦過肩を捕獲する性能
をもたらし、そしてタービン羽根の尖端への擦過力を制
限するコンブラィアンスが付与される。特に高温におい
て、延性をもたらし且つ低い変形抵抗をもたらすような
合金組成の選定によって、ガスタービン・エンジンのタ
ービン回転羽根のような相手方として協働する部材によ
って擦られる本発明の部材をなめらかで空気力学的に優
れた表面とすることができる。なお、本発明の範囲を逸
脱しないで、種々変更が当業者によって行われうろこと
を理解されたい。

【図面の簡単な説明】

第ｌａ図及び第ｌｂ図は、各々１２００℃（２２０００
Ｆ）と１３１がｏ（２４０００Ｆ）における動的酸化の
デー夕を比較したグラフ。 第２ａ図及び第２ｂ図は、各々プレイダロィ材料と本発
明の範囲にあるＮｉ‐２Ｘｒ−１Ｍそ‐ＩＹ合金部材を
示す５０倍に拡大した顕微鏡写真。第３図は体積損失と
密度の関係を示すグラフ。第４図は、表面に擦りを与え
た後の本発明の部材の１００倍に拡大した顕微鏡写真。
第５図は、比較の対象としての公知材料と本発明の一態
様とについて、温度の関数として熱伝導率を示すグラフ
。モ…亘２山 ｂ重２ｂ 口重３ Ｆ亘４ 干亘百５

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 耐酸化性及び耐侵食性、抑制された熱伝導率及び高
   温における低い変形抵抗を有し、他の部材と擦過接触し
   たときに、コンプライアンの供わったベースと実質的に
   連続的な変形面をもたらす高温用多孔質部材において、
   基本的には重量で、１５〜３５％Ｃｒと、８〜２０％Ａ
   ｌと、Ｙ，Ｈｆ及び希土類元素からなる群から選ばれた
   ５％までの１つ以上の元素と、Ｆｅ，Ｃｏ及びＮｉから
   なる群から選ばれた残部元素と、そして不可避的不純物
   からなる合金粒子の組成を有し、ＪＩＳ標準ふるいによ
   れば約＋１０５μ乃至約−５３μ（米国（ＡＳＴＭ）標
   準ふるいによれば約＋１４０乃至−２７０）の粒度範囲
   に実質的にあって、冶金的に結合し且つ金属組織学的に
   識別しうる複数の合金粉末粒子を含んでなり、孔を包合
   させることによって理論密度の約６５〜９０％の範囲に
   ある密度を有する高温用多孔質部材。 ２ 合金粒子の組成は、基本的には重量で、２０〜２３
   ％Ｃｒと、９〜１３％Ａｌと、Ｙ及びＨｆからなる群か
   ら選ばれた０．１〜５％の１つ以上の元素と、基本的に
   はＮｉの残部とからなり、理論密度の約６５〜８３％の
   範囲にある密度を有する特許請求の範囲第１項記載の部
   材。 ３ 合金粒子の組成は、基本的には重量で、２１〜２３
   ％Ｃｒと、９〜１１％Ａｌと、Ｙ及びＨｆからなる群よ
   り選ばれた０．８〜１．２％の１つ以上の元素と、基本
   的にはＮｉの残部とからなり、理論密度の約７０〜８３
   ％の範囲の密度を有する特許請求の範囲第２項記載の部
   材。 ４ 合金粒子の公称組成は、重量で、２２％Ｃｒと１０
   ％Ａｌと、１％Ｙと基本的にはＮｉの残部とからなる特
   許請求の範囲第３項の部材。 ５ 合金粒子の公称組成は、重量で、２５％Ｃｒと、１
   ０％Ａｌと、１％Ｙと基本的にはＦｅの残部とからなり
   、理論密度の約８５〜７０％の範囲の密度を有する特許
   請求の範囲第１項記載の部材。