JP2017088937A - 耐食性コーティングを有するエンジン用圧縮機翼およびそのコーティング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】同一の素材であってもコーティングの方法によって耐食性が異なる。【解決手段】エンジン用圧縮機翼を被覆するコーティングの方法は、アークイオンプレーティング装置のチャンバに窒素を含む作動ガスを導入し、前記チャンバ内においてチタンアルミニウム合金をカソードとして放電を発生し、前記チャンバ内に導入した前記圧縮機翼の基体に前記カソードに比して−３２乃至−４２Ｖの初期バイアス電圧を印加して被膜を形成する、ことよりなる。【選択図】図１

Description

本発明は、航空機用ジェットエンジンないしガスタービンエンジンのための圧縮機の翼に関し、特にＴｉＡｌＮのごとき耐食性コーティングの施された圧縮機翼およびそのコーティングの方法に関する。

航空機用ジェットエンジンないしガスタービンエンジンにおいては、燃焼器が高速の高温ガスを生み出し、かかる高温ガスからタービンがエネルギを取り出し、そのエネルギの一部をもって圧縮機が駆動される。圧縮機は外気を吸引し、圧縮して燃焼器に供給する。圧縮機において空気が断熱的に圧縮されることにより、例えば４００〜７００℃程度の高温が生じる。

外気には種々の塵埃や砂、また場合により火山灰が含まれており、これらが圧縮機に流入することは避けられない。これらは高速で圧縮機の翼に衝突し、これを侵食し、あるいはこれに付着する。外気には、また、気体ないし微細な液滴の態様で、水分、硫酸塩、亜硫酸塩、塩化物、炭酸塩等が含まれており、これらも圧縮機の翼に付着しうる。

圧縮機の翼は、上述のごとき高温と外来の物質に常に曝されている。苛酷な環境から圧縮機の翼を保護するべく、コーティングの技術が提案されている。特許文献１，２は、関連する技術を開示する。

特開２０１３−０１９０５１号公報 特開２０１１−０８０１４９号公報

いくつかのコーティングの素材、たとえばＴｉＡｌＮは、耐エロージョン性と耐食性の両方の点で優れた性質を有するので、圧縮機翼を保護するに適していると考えられている。ところが本発明者らが検討したところによれば、同一の素材であってもコーティングの方法によって、特に耐食性には相違が生じることが分かった。

本発明は、ＴｉＡｌＮについて、特に優れた耐食性を呈示するコーティングを形成する方法、およびかかる方法により形成されたコーティングを有する圧縮機翼を提供することを目的とする。

エンジン用圧縮機翼を被覆するコーティングの方法は、アークイオンプレーティング装置のチャンバに窒素を含む作動ガスを導入し、前記チャンバ内においてチタンアルミニウム合金をカソードとして放電を発生し、前記チャンバ内に導入した前記圧縮機翼の基体に前記カソードに比して−３２乃至−４２Ｖの初期バイアス電圧を印加して被膜を形成する、ことよりなる。

好ましくは、前記初期バイアス電圧より段階的にバイアス電圧を−４８乃至−８４Ｖに変更して前記被膜を成長せしめる。あるいは好ましくは、前記初期バイアス電圧より段階的にバイアス電圧を−４８乃至−６３Ｖに変更して前記被膜を成長せしめ、−４８乃至−６３Ｖに変更された前記バイアス電圧をさらに−６４乃至−８４Ｖに変更して前記成長した被膜をさらに成長せしめる。より好ましくは、前記放電を発生する段階に先立ち、前記被膜を翼面およびプラットフォーム部に限定するべく、前記基体を前記翼面および前記プラットフォーム部またはインナバンド部およびアウタバンド部を残して前記放電から遮蔽する。さらに好ましくは、前記被膜を形成する段階において、前記作動ガスの圧力は８．５±４．０Ｐａの範囲に維持される。さらにまた好ましくは、前記被膜を形成する段階および前記被膜を成長せしめる段階において、前記基体と前記カソードとの間に流れるカソード電流は１２０乃至１５０Ａの範囲である。

ＴｉＡｌＮよりなるコーティングを備えた圧縮機翼に優れた耐食性が付与される。

図１は、本発明の一実施形態に利用するイオンプレーティング装置の模式図である。 図２は、前記実施形態により形成されたコーティングを有する圧縮機翼の断面の模式図である。 図３は、腐食試験後の圧縮機翼の断面の模式図である。

本発明の幾つかの実施形態を添付の図面を参照して以下に説明する。

本実施形態は、公知のアークイオンプレーティング法およびその装置を利用する。図１を参照するに、アークイオンプレーティング装置１は、概略、チャンバ３と、ガス供給装置５と、真空ポンプ７と、蒸発源９と、チャンバ３内に設置されたホルダ１１と、放電用電源１３と、バイアス用電源１７と、よりなる。

チャンバ３は、その内部を目的の被膜に応じた雰囲気に制御し、また０．１〜１０Ｐａ程度の真空を維持し得るよう、気密に構成されている。内部の雰囲気を制御するべく、ガス供給装置５がチャンバ３に接続されており、作動ガスをチャンバ３に供給する。ガス供給装置５は、それぞれが純ガスを供給するボンベおよびバルブの複数の組よりなるものでもよく、あるいは予め混合したガスを供給するものでもよい。本実施形態においては、例えばアルゴンと窒素との混合ガス雰囲気が利用される。アルゴンは専ら放電の維持のためであり、窒素は窒化物を生成するためである。

チャンバ３にはさらに真空ポンプ７が接続される。ガスの供給量と真空ポンプ７による排気速度とのバランスにより、チャンバ３内が所望の気圧に維持される。

蒸発源９には、チャンバ３内に設置される蒸発原料１５が接続され、またチャンバ３に対して負電位となる向きに外部の放電用電源１３が接続される。好ましくはチャンバ３はアースされる。蒸発源９をカソード（陰極）としてアーク放電が生じ、蒸発原料１５より原料が蒸気となる。またアークイオンプレーティング装置１は、複数組の蒸発源９と蒸発原料１５を備えることができる。

コーティングの対象である基体Ｂは、ホルダ１１に結合される。ホルダ１１は、基体Ｂとの結合に適した構造を有する。例えば基体Ｂが動翼である場合には、そのダブテール部を利用して結合するべく、ホルダ１１はダブテール部と相補的な形状とする。ホルダ１１のシャフトはチャンバ３外に引き出され、チャンバ３に対して負電位となる向きにバイアス用電源１７に接続される。かかるバイアス電圧が基体Ｂに及ぶよう、シャフトも含めてホルダ１１は通常金属よりなる。

ホルダ１１は、通常、回転可能であって、回転Ｒを与えるべく駆動装置１９が結合する。回転Ｒを与えながら被膜を形成することは、被膜の均一化を促す。

図示されていないが、さらに基体Ｂを予熱するためのヒータや、チャンバ内のクリーニングのための放電装置、また放電を開始するためのトリガなどを、アークイオンプレーティング装置１は備えることができる。

本実施形態によれば、以下のようにして被膜が形成される。

基体Ｂは、航空機用ジェットエンジンないしガスタービンエンジンのための圧縮機の翼であり、動翼と静翼の何れでもよい。ガス供給装置５および真空ポンプ７を閉塞した後、チャンバ３を外気に開放し、蒸発原料１５および基体Ｂをチャンバ３内に導入する。

蒸発原料１５は、チタンアルミニウム合金インゴットである。その組成は被膜において所望する組成に応じて選択される。インゴット中のチタンとアルミニウムとの比は、ほぼ被膜中の当該比率に反映される。

既に述べた通り、基体Ｂが動翼である場合には、そのダブテール部をホルダ１１に嵌入することにより、基体Ｂをホルダ１１に結合せしめる。これは電気的結合のためのみならず、ダブテール部をホルダ１１により放電から遮蔽し、以って被膜が形成する部位を限定するのにも役立つ。すなわち被膜の形成は、遮蔽されていない動翼の翼面およびプラットフォーム部の面に限定される。静翼である場合には、アウタバンド部より外側またはインナバンド部より内側の構造を利用する。ホルダによる遮蔽のために、被膜の形成は静翼の翼面、アウタバンド部およびインナバンド部に限定される。被膜の形成を限定することにより、硬質な表面が周囲の部材を意図せずに損傷してしまうことが防止できる。

チャンバ３を気密に閉塞し、真空ポンプ７を稼働させ、これをチャンバ３と連通することにより、チャンバ３内を排気して真空にする。これは不純物の排除に役立ち、例えば０．０１Ｐａ程度の真空度を目安として排気を継続する。

排気を継続しながら駆動装置１９によりホルダ１１を回転せしめ、また基体Ｂの予熱を開始する。回転速度は例えば１〜１０ｒｐｍの程度である。さらに排気を継続しながら、ガス供給装置５のバルブを開いてアルゴンおよび窒素を導入し、バルブの開度および／または真空ポンプ７の能力を調整することにより、チャンバ３内の圧力を調整する。圧力は、例えば２〜１０Ｐａである。

放電用電源１３により蒸発源９とチャンバ３との間に電圧を印加して放電を開始し、同時にバイアス用電源１７により基体Ｂにチャンバ３に対して負電位となるバイアス電圧を印加する。蒸発原料であるチタンアルミニウム合金がカソードとなって放電が発生するとともに、チタンおよびアルミニウムが蒸気となり、一部がイオン化してバイアス電圧により基体Ｂに向けて加速され、気相中の窒素と反応することにより、図２に示すごとく基体Ｂ上にＴｉＡｌＮ被膜１００を生ずる。

成膜の間、バイアス電圧は一定に保持してもよいが、段階的にあるいは連続的に変化させることができる。例えば成膜の初期においては、比較的に小さなバイアス電圧を印加することができる。比較的に小さな初期バイアス電圧を印加することは、成膜速度を犠牲にするものの、基体と被膜との界面における欠陥を少なくすることに寄与する。次いで初期バイアス電圧より段階的にあるいは連続的に、バイアス電圧を増大して被膜を成長させることができる。これは成膜速度の増大に寄与する。一方、カソード電流も一定に保持することができるが、あるいは段階的にまたは連続的に変化させてもよい。

既に述べた通り、ホルダ１１により遮蔽された部位には被膜は生じないが、気相粒子はバイアス電場により誘引されるために、基体Ｂにおいて露出した表面の全体に回り込み、原則においてその全てに被膜１００が形成される。すなわち被膜１００は、遮蔽されなかった全ての面を覆い且つこれらに限定される。

バイアス電圧、カソード電流および成膜時間は、必要とする膜厚に鑑みて適宜に調整される。被膜１００の厚さは基体Ｂの全体を通じて均一になるとは限らない。通常、エッジのごとき凸な面には電場が集中するために、オープンな平面よりも厚い被膜が生じ、逆にブレードとプラットフォームの境界のごとき凹面では被膜はより薄くなる。膜厚は、耐食性の観点からは、経験的には例えば２μｍの程度必要である。すなわち基体Ｂの形状に鑑み、被膜１００が最も薄くなる部位においても２μｍの膜厚が確保できるよう、バイアス電圧、カソード電流および成膜時間は調整される。

被膜形成の条件により耐食性に著しい相違があり、特にバイアス電圧を特定の範囲に制限すると、耐食性に優れた被膜が形成する。幾つかの実施例を参照してその詳細を以下に説明する。

蒸発原料として表１に示す組成のインゴットを採用した。

表２に示す各バイアス電圧、および表３に示す各カソード電流の下に、それぞれＴｉＡｌＮ被膜を形成した。表２に示す一連の例においてカソード電流は表３の符号ｄの例と同一（１５０Ａ）であり、表３に示す一連の例においてバイアス電圧は表２の符号ｄの例と同一である。成膜の初期、中期、後期においてバイアス電圧を３段階に変化させており、例えば符号ｄの例では、初期バイアスは−４０Ｖ、中期バイアスは−６０Ｖ、後記バイアスは−８０Ｖであった。また成膜時間は初期において２０分、中期において９０分、後期において５０分であった。成膜中の基体Ｂの表面温度は３００〜６００℃の範囲であり、圧力は８．５±４．０Ｐａの範囲で制御した。

それぞれの基体より試料を切り出し、外観観察および被膜の成分分析を実施した。外観観察は肉眼および走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により、成分分析は電子プローブ微量分析（ＥＰＭＡ）によった。

肉眼による観察ではいずれの試料の被膜も平滑で均一であるが、ＳＥＭによる観察では詳細に見れば表面のところどころにドロップレットと見られる不均一な部分が見出される。ＳＥＭの試料台の可動範囲の限りで観察して、ドロップレットが殆ど見られなければ「良好」と、数か所から数十か所にドロップレットが見られるものは「ドロップレットが目立つ」と、表２，３には記載した。

さらに、切り出した試料をエタノール洗浄・乾燥し、腐食試験を実施した。腐食試験は、硫酸カルシウムおよび残部不活性物質よりなる粉末で満たした坩堝に各試験片を埋没し、７６０℃に保持して１００時間以上静置することによった。

腐食試験の後、レーザー顕微鏡により各試験片の腐食サイトの有無および数を観察した。また腐食Ｐは、図３に示すごとく、基体Ｂと被膜１００との界面から基体Ｂに向けて侵食するように進行する。界面から腐食Ｐの最も深い点までの距離ｄを最大腐食深さと定義し、レーザー顕微鏡により測定した。結果は表２，３にまとめられている。

表２より理解される通り、バイアス電圧が−８４Ｖを越えない条件で得られた試料ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅは被膜外観が良好であり、さらに初期バイアス電圧が−３２乃至−４０Ｖの範囲で得られた試料ａ，ｂ，ｃ，ｄは最大腐食深さも比較的に小さく、耐食性が良好である。さらに初期バイアス電圧が−３６乃至−４０Ｖの範囲で得られた試料ｂ，ｃ，ｄは、腐食点の数も少なく、耐食性はより良好である。

表３より理解される通り、符号ｄに相当するバイアス電圧条件の下では、カソード電流が１２０乃至１５０Ａの範囲で良好な被膜外観が得られる。特にカソード電流が１３５乃至１５０Ａの範囲では、最大腐食深さはより小さく、耐食性はより良好である。

アークイオンプレーティング法によれば種々の条件の下にＴｉＡｌＮよりなるコーティングが形成される。何れの条件においても、コーティングの構造や、耐食性を除く特性に、明白な相違を見出すことは難しいが、以上より理解される通り耐食性には明瞭な相違が生ずる。本発明はアークイオンプレーティング法に基づき、特定の製造条件の下、優れた耐食性を呈示するコーティングを提供している。

好適な実施形態により本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上記開示内容に基づき、当該技術分野の通常の技術を有する者が、実施形態の修正ないし変形により本発明を実施することが可能である。

高耐食性のエンジン用圧縮機翼が提供される。

１ イオンプレーティング装置
３ チャンバ
５ ガス供給装置
７ 真空ポンプ
９ 蒸発源
１１ ホルダ
１３ 放電用電源
１５ 蒸発原料
１７ バイアス用電源
１９ 駆動装置
１００ 被膜
Ｂ 基体
ｄ 最大孔食深さ
Ｐ 腐食
Ｒ 回転

Claims (6)

1. エンジン用圧縮機翼を被覆するコーティングの方法であって、
   アークイオンプレーティング装置のチャンバに窒素を含む作動ガスを導入し、
   前記チャンバ内においてチタンアルミニウム合金をカソードとして放電を発生し、
   前記チャンバ内に導入した前記圧縮機翼の基体に前記カソードに比して−３２乃至−４２Ｖの初期バイアス電圧を印加して被膜を形成する、
   ことよりなる方法。
2. 請求項１の方法であって、さらに、
   前記初期バイアス電圧より段階的にバイアス電圧を−４８乃至−８４Ｖに変更して前記被膜を成長せしめる、ことを含む方法。
3. 請求項１の方法であって、さらに、
   前記初期バイアス電圧より段階的にバイアス電圧を−４８乃至−６３Ｖに変更して前記被膜を成長せしめ、
   −４８乃至−６３Ｖに変更された前記バイアス電圧をさらに−６４乃至−８４Ｖに変更して前記成長した被膜をさらに成長せしめる、ことを含む方法。
4. 請求項１乃至３の何れか１項の方法であって、さらに、
   前記放電を発生する段階に先立ち、前記被膜を翼面およびプラットフォーム部に限定するべく、前記基体を前記翼面および前記プラットフォーム部またはインナバンド部およびアウタバンド部を残して前記放電から遮蔽する、ことを含む方法。
5. 請求項１乃至４の何れか１項の方法であって、前記被膜を形成する段階において、前記作動ガスの圧力は８．５±４．０Ｐａの範囲に維持される、方法。
6. 請求項１乃至５の何れか１項の方法であって、前記被膜を形成する段階および前記被膜を成長せしめる段階において、前記基体と前記カソードとの間に流れるカソード電流は１２０乃至１５０Ａの範囲である、方法。

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