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JPH0555295B2 - - Google Patents

Info

Publication number
JPH0555295B2
JPH0555295B2 JP85138841A JP13884185A JPH0555295B2 JP H0555295 B2 JPH0555295 B2 JP H0555295B2 JP 85138841 A JP85138841 A JP 85138841A JP 13884185 A JP13884185 A JP 13884185A JP H0555295 B2 JPH0555295 B2 JP H0555295B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
particles
abrasive
ceramic particles
substrate
metal
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 - Lifetime
Application number
JP85138841A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPS6119351A (en
Inventor
Pio Matareezu Arufuretsudo
Edoin Iiton Harii
Chaaruzu Noaku Richaado
Maikeru Gutsudoman Jeemusu
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.)
RTX Corp
Original Assignee
United Technologies Corp
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
Priority claimed from US06/624,446 external-priority patent/US4610698A/en
Priority claimed from US06/624,421 external-priority patent/US4744725A/en
Application filed by United Technologies Corp filed Critical United Technologies Corp
Publication of JPS6119351A publication Critical patent/JPS6119351A/en
Publication of JPH0555295B2 publication Critical patent/JPH0555295B2/ja
Granted legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24GRINDING; POLISHING
    • B24DTOOLS FOR GRINDING, BUFFING OR SHARPENING
    • B24D3/00Physical features of abrasive bodies, or sheets, e.g. abrasive surfaces of special nature; Abrasive bodies or sheets characterised by their constituents
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/08Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator
    • F01D11/12Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator using a rubstrip, e.g. erodible. deformable or resiliently-biased part
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/18After-treatment

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
  • Laminated Bodies (AREA)
  • Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
  • Polishing Bodies And Polishing Tools (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は研摩性シールに於ける研摩体(以下ア
ブレイシブという)に係り、詳細には、高められ
た温度で使用される超合金に付着される薄層アブ
レイシブに係る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION TECHNICAL FIELD The present invention relates to abrasive bodies (hereinafter referred to as abrasives) in abrasive seals, and in particular to thin layer abrasive bodies deposited on superalloys used at elevated temperatures. Related.

背景技術 ガスタービンエンジン及び他の軸流ターボ機械
はほぼ円筒状のケース内に収容されている回転ブ
レードの列を有する。ケースに近いブレード先端
の周りのガスまたは他の作動流体の漏洩を最小化
することが非常に望ましい。エンジンケースの内
面に取付けられたシールとブレード先端が擦り合
うブレード及びシーリングシステムによりこの漏
洩が最小化されることは知られている。一般に、
ブレード先端はシールよりも硬く且つ一層研摩性
にされており、従つてブレード先端はエンジンの
これらの部品の作動中に互いに接触する時にシー
ル内へカツトインする。
BACKGROUND OF THE INVENTION Gas turbine engines and other axial flow turbomachines have rows of rotating blades contained within a generally cylindrical case. It is highly desirable to minimize leakage of gas or other working fluid around the blade tips close to the case. It is known that this leakage is minimized by blade and sealing systems in which the blade tips rub against seals mounted on the interior surface of the engine case. in general,
The blade tips are made harder and more abrasive than the seals, so that the blade tips cut into the seals as they contact each other during operation of these parts of the engine.

上記の形式の以前のシステムでは、ブレード先
端はたいてい硬い面を有する超合金材料であり、
シールは適当な摩耗傾向を有する金属であつた。
たとえば、多孔性粉末金属が使用された。今で
は、しかし、米国特許第3975165号、第4269903号
及び第4273824号明細書に示されているようにセ
ラミツクを含むシールが望ましいことが見出され
ている。セラミツク被覆されたシールは従来の金
属シールよりもかなり硬く、その結果、従来のブ
レード先端はシールを摩耗により除去する能力に
不足していた。
In previous systems of the type described above, the blade tip was often a superalloy material with a hard surface;
The seal was a metal with a reasonable tendency to wear.
For example, porous powdered metals were used. Now, however, seals comprising ceramics have been found desirable, as shown in U.S. Pat. Nos. 3,975,165, 4,269,903 and 4,273,824. Ceramic coated seals are considerably harder than conventional metal seals, and as a result, conventional blade tips lack the ability to abrade the seals.

従つて、改良されたブレード先端、最も詳細に
は、本願の譲受人と同一の譲受人に譲渡された
“アルミナ被覆されたシリコンカーバイド・アブ
レイシブ”という名称の米国特許第4249913号明
細書に記載されている形式のブレード先端が開発
されてきた。この特許による0.20〜0.76mmの平均
標準直径のシリコンカーバイド粒子はアルミナの
ような金属酸化物により被覆されており、また粉
末金属または鋳造技術によりニツケルまたはコバ
ルト基合金内に組み入れられている。粉末金属を
コンパクトに含む30〜45%の体積百分率の粒子が
製造され、ブレードの先端に拡散ボンデイング、
液相ボンデイングまたはろー付けによりボンドさ
れる。
Accordingly, an improved blade tip is described, most particularly in U.S. Pat. A type of blade tip has been developed. Silicon carbide particles of average standard diameter of 0.20 to 0.76 mm according to this patent are coated with metal oxides such as alumina and incorporated into nickel or cobalt based alloys by powder metal or casting techniques. Particles with a volume percentage of 30-45% containing powdered metal compactly are manufactured and diffuse bonded to the tip of the blade,
Bonded by liquid phase bonding or brazing.

しかし、上記の方法により製造されたアブレイ
シブにはいくつかの本来的な性質がある。特に、
金属部品は実際的な最小の厚み、典型的には1〜
2mmの厚みにのみ製造され得る。通常、アブレイ
シブ先端部はタービンブレード基体の先端の断面
形状に製造され、コンパクト化または鋳造の後に
平らな表面に機械加工される。同様に、ブレード
先端がアブレイシブを受け入れるべく平らな表面
に機械加工される。このような平らな機械加工
は、良好な密嵌合及び0.05mmのオーダーの最小溶
接厚みを得るために必要な実際的制限である。こ
れが行われなければ、1100℃の作動温度での適当
なボンド強度は得られない。ブレード先端上にア
ブレイシブをボンドした後、複数個のブレードが
エンジンのデイスクと共に回転するべく構成され
た取付具内に組み立てられる。それらは次いでエ
ンジンケースシールの内面と一致する円筒状また
は円錐状表面に研削される。この過程の結果とし
て、アブレイシブは最初に、実質的な度合に研削
されなければならない実質的な厚みを有する。粒
子はしばしば高価であり、従つてまたこの方法は
高価である。第二に、接合面が平らであり、アブ
レイシブ先端付きブレードの最終仕上がり形状が
円筒状または円錐状であるので、第9図に示され
ているように、ブレード先端を横切つてアブレイ
シブの厚みに変化が存在する。公知のブレードは
有用であるけれども、先端のアブレイシブ部分が
局面を横切つて均等な厚みを有することが一層望
ましい。また、製造過程で使用されなければなら
ないグリツトの量を最小化することが非常に望ま
しい。なぜならば、グリツトは高品質でなければ
ならず、酸化物被覆過程を含めてそれらの製造に
費用がかさむからである。
However, abrasives produced by the above method have some inherent properties. especially,
Metal parts have a minimum practical thickness, typically 1 to
It can only be manufactured in a thickness of 2 mm. Typically, abrasive tips are manufactured to the cross-sectional shape of the tip of a turbine blade body and machined into a flat surface after compaction or casting. Similarly, the blade tip is machined into a flat surface to accept the abrasive. Such flat machining is a necessary practical limitation to obtain a good close fit and minimum weld thickness on the order of 0.05 mm. If this is not done, adequate bond strength at operating temperatures of 1100°C will not be achieved. After bonding the abrasive onto the blade tips, the plurality of blades are assembled into a fixture configured to rotate with the engine disk. They are then ground to a cylindrical or conical surface that matches the inner surface of the engine case seal. As a result of this process, the abrasive initially has a substantial thickness that must be ground to a substantial degree. Particles are often expensive and therefore the method is also expensive. Second, because the mating surface is flat and the final finished shape of the abrasive-tipped blade is cylindrical or conical, the thickness of the abrasive can be reduced across the blade tip, as shown in Figure 9. Change exists. Although known blades are useful, it is more desirable for the abrasive portion of the tip to have a uniform thickness across the curve. It is also highly desirable to minimize the amount of grit that must be used during the manufacturing process. This is because the grits must be of high quality and their manufacture, including the oxide coating process, is expensive.

本発明の目的は、1100℃付近及びそれ以上の温
度で使用するのに適したアブレイシブの薄い均等
な層をブレードの先端に形成することである。粒
子を担持するアブレイシブの薄い層は、このよう
な高い温度での使用には適していないが、知られ
ている。たとえば、アルミナ、シリカ及びシリコ
ンカーバイドから製造された被覆されたアブレイ
シブは、金属ボンドされたダイアモンド及びキユ
ービツク窒化ほう素研削車のように通常の製品で
ある。スプレイされた金属の溶融または非溶融層
は金属化の分野で良く知られている。たとえば米
国特許第3248189号及び第4386112号明細書参照。
しかし、金属スプレイイング・グリツト及び母材
金属のどの過程も、スプレイされた材料の一部分
しか実際に表面に衝突して付着しない点で本来的
に不適当である。これらのことは特に、比較的小
さい、たとえば約6/50mmのサイズの典型的なター
ビンブレード先端のアブレイシブの形成を困難に
する。
It is an object of the present invention to form a thin, uniform layer of abrasive on the tip of the blade that is suitable for use at temperatures near and above 1100°C. Abrasive thin layers carrying particles are known, although they are not suitable for use at such high temperatures. For example, coated abrasives made from alumina, silica and silicon carbide are common products, as are metal bonded diamond and cubic boron nitride grinding wheels. Sprayed molten or unfused layers of metal are well known in the metallization art. See, eg, US Pat. Nos. 3,248,189 and 4,386,112.
However, both metal spraying grit and base metal processes are inherently inadequate in that only a portion of the sprayed material actually impacts and adheres to the surface. These particularly make the abrasive formation of typical turbine blade tips of relatively small size, for example about 6/50 mm, difficult.

本発明に特に関連のある従来技術は下記のもの
である。シリコンカーバイド粒子は、米国特許第
3508890号及び第3377624号に従つて、有機接着剤
を用いて部品にボンドされ、次いでアルミニユー
ムまたは他の金属で表面被覆される。米国特許第
3779726号明細書には、シリコンカーバイド及び
他のグリツトを含む金属・アブレイシブ工具を製
造する方法として、グリツトを多孔性金属被覆内
に封入し、次いで粒子を一体化するため封入層を
他の金属で含浸する方法が記載されている。米国
特許第4029852号明細書には、グリツトを表面上
に置き、その上に溶融金属小滴をスプレイするこ
とにりノン・スキツド表面を製造する方法が記載
されている。この米国特許第4029852号の発明は、
金属ボンドされたアブレイシブ及び本発明を特徴
付ける細かい製品と対照的に、階段の踏み台のよ
うに比較的大形の製品を対象としている。米国特
許第3871840号明細書には、純粋金属エンベロー
プ内にグリツトを封入することにより種々の仕方
で製造された金属ボンドされたアブレイシブの性
質がどのように改善されるかが記載されている。
The prior art particularly relevant to the present invention is as follows. Silicon carbide particles are described in U.S. Patent No.
According to Nos. 3,508,890 and 3,377,624, parts are bonded using organic adhesives and then surface coated with aluminum or other metals. US Patent No.
No. 3,779,726 discloses a method of manufacturing metal abrasive tools containing silicon carbide and other grits by encapsulating the grit in a porous metal coating and then using an encapsulation layer with another metal to integrate the particles. A method of impregnation is described. U.S. Pat. No. 4,029,852 describes a method for producing a non-skid surface by placing grit on the surface and spraying droplets of molten metal thereon. The invention of this US Patent No. 4,029,852 is
In contrast to the metal bonded abrasives and the fine products that characterize this invention, relatively large products such as stair treads are targeted. U.S. Pat. No. 3,871,840 describes how the properties of metal bonded abrasives made in various ways are improved by encapsulating grit within a pure metal envelope.

先に製造された粒子及び金属構造から成り溶接
過程によりタービンブレード先端に取付けられる
前記のアブレイシブは有用なアブレイシブの特性
を示した。しかし、アブレイシブの厚みを堅牢な
先端に対して必要な最小厚みに減ずることが望ま
しいけれども、このような最小厚みはボンドされ
たアブレイシブ先端によつては前記の製造上の実
際的な問題のために達成され得ない。同時に、過
去の経験から、前記米国特許に記載されているも
のも含めて他の用途に通常入手可能な材料は所望
の最小厚みを得られるにしても堅牢性の点で不十
分である。従つて、所望のアブレイシブ先端を有
する超合金タービンブレードを製造するための研
究及び開発を行う必要があつた。
The previously described abrasives, which are comprised of particles and metal structures and are attached to turbine blade tips by a welding process, have exhibited useful abrasive properties. However, although it is desirable to reduce the abrasive thickness to the minimum thickness required for a robust tip, such minimum thickness may be limited for some bonded abrasive tips due to manufacturing practical issues discussed above. cannot be achieved. At the same time, past experience has shown that materials commonly available for other applications, including those described in the aforementioned U.S. patents, are insufficiently robust, even though they may provide the desired minimum thickness. Therefore, there was a need for research and development to produce superalloy turbine blades with the desired abrasive tips.

発明の開示 本発明の目的は、金属対象物の表面上に薄層ア
ブレイシブを形成することである。特に、本発明
の目的は、ターボ機械用のエーロフオイル上に非
常に軽量でしかも堅牢なアブレイシブ材料を形成
することである。すなわち、できるかぎり少数の
粒子を使用してセラミツク粒子及び金属のアブレ
イシブを製造することが望ましい。高温用として
はアブレイシブは耐酸化性材料、特に超合金母材
金属から成つていなければならず、またアブレイ
シブは熱的及び機械的応力に耐えるように超合金
基体に良好にボンドされていなければならない。
DISCLOSURE OF THE INVENTION An object of the present invention is to form a thin abrasive layer on the surface of a metal object. In particular, it is an object of the present invention to form a very lightweight yet robust abrasive material on airfoil for turbomachinery. That is, it is desirable to produce ceramic particles and metal abrasives using as few particles as possible. For high temperature applications, the abrasive must be made of oxidation-resistant materials, especially superalloy base metals, and the abrasive must be well bonded to the superalloy substrate to withstand thermal and mechanical stresses. It won't happen.

本発明によれば、物品はその表面上にセラミツ
ク粒子の単一の層を有する。粒子は基体の表面と
接触しており、また優勢に周囲の母材金属を通じ
て自由な機械加工された表面に延びている。ま
た、機械加工された表面がアブレイシブが置かれ
ている表面に平行である時、粒子は等しい長さを
有し、また最も有効な仕方で表面に配置されてい
る。アブレイシブから最適な性能を得るため、粒
子は密に、しかし均等に間隔をおかれている。し
かし、粒子は少なくとも80%が互いに接触しない
ように注意深く寸法及び配置を選択されている。
こうして、周囲母材の存在は、粒子がアブレイシ
ブ内に良好にボンドされること、またアブレイシ
ブが基体に良好にボンドされるとを意味する。本
発明によるアブレイシブは1.9対1以下、好まし
くは1.5対1付近の粒子縦横比を有するセラミツ
クから製造される。このことは、粒子が粒子表面
の1cm2あたり33〜62、好ましくは42〜53の密度で
ほぼ均等な間隔で、また10〜20(体積百分率)で
存在することを可能にする。
According to the invention, the article has a single layer of ceramic particles on its surface. The particles are in contact with the surface of the substrate and extend predominantly through the surrounding base metal to the free machined surface. Also, when the machined surface is parallel to the surface on which the abrasive is placed, the particles have equal lengths and are placed on the surface in the most effective manner. To obtain optimal performance from the abrasive, the particles are closely but evenly spaced. However, the particles are carefully sized and arranged so that at least 80% do not touch each other.
Thus, the presence of a surrounding matrix means that the particles are better bonded within the abrasive, and the abrasive is better bonded to the substrate. Abrasives according to the invention are made from ceramics having a particle aspect ratio of less than 1.9:1, preferably around 1.5:1. This allows the particles to be present at approximately even spacing with a density of 33 to 62, preferably 42 to 53 per cm 2 of the particle surface, and also in 10 to 20 (volume percentage).

本発明の好ましい実施態様では、アブレイシブ
材料はシンタリング、プラズマアークスプレイイ
ング及び機械加工を用いて超合金タービンブレー
ドの先端に付着される。セラミツク粒子は高めら
れた温度で母材材料と相互作用しないものであ
る。たとえば、アルミナ被覆されたシリコンカー
バイド粒子が使用された。粒子はさらにシンタリ
ング可能な材料、たとえばニツケルでクラツドさ
れた。粒子は表面上に置かれて、シンタリング温
度に加熱され、それによりニツケル層を基体に合
金的に付着させる。次いで、超合金母材が通常
“ライン・オブ・サイト”プロセス(デポジツト
された材料が表面に向かつて直線的に移動する)
により粒子の上にデポジツトされる。表面上の不
規則な形状の粒子の付近に空所が生成し、続いて
ホツト・スタテイツク・プレツシングのような処
理が粒子の周りに母材を稠密化させるのに用いら
れる。その結果、周囲に相互拡散された金属の領
域(母材材料の組成に比較的不足しまたクラツデ
イング材料の組成に比較的富んでいる領域)を有
するセラミツク粒子を含む稠密な超合金母材によ
り特徴付けられる金属学的構造が得られる。
In a preferred embodiment of the invention, abrasive materials are applied to the tips of superalloy turbine blades using sintering, plasma arc spraying, and machining. Ceramic particles do not interact with the matrix material at elevated temperatures. For example, alumina-coated silicon carbide particles have been used. The particles were further clad with a sinterable material, such as nickel. The particles are placed on the surface and heated to a sintering temperature, thereby alloyingly adhering the nickel layer to the substrate. The superalloy matrix is then typically deposited in a “line of sight” process (where the deposited material moves in a straight line towards the surface).
deposited onto the particles by Cavities are created near the irregularly shaped particles on the surface and a process such as hot static pressing is then used to densify the matrix around the particles. The result is a dense superalloy matrix containing ceramic particles with regions of interdiffused metal at the periphery (relatively deficient in the composition of the matrix material and regions relatively rich in the composition of the cladding material). A metallurgical structure is obtained which can be attached.

アブレイシブがセラミツクシールと相互作用す
るブレードの先端上に置かれた時、母材材料は、
基体から測つて粒子長さの10〜50%を露出するよ
うに、アブレイシブの自由な機械加工された表面
から部分的に除去される。このことは、アブレイ
シブがセラミツクシールをカツトする能力を改善
する。
When the abrasive is placed on the tip of the blade that interacts with the ceramic seal, the base material
The free machined surface of the abrasive is partially removed to expose 10-50% of the particle length as measured from the substrate. This improves the abrasive's ability to cut ceramic seals.

本発明は、エーロフオイル先端の比較的小さい
カンバーされた表面の上に、ブレード先端を摩耗
から保護し、セラミツクの減摩可能なシールにカ
ツトインし、高い温度及び熱応力に耐えるなど本
発明の目的を達成するアブレイシブ材料を付着す
るのに有効である。
The present invention utilizes a relatively small cambered surface on the airfoil tip to protect the blade tip from wear, cut into a ceramic anti-friction seal, and withstand high temperatures and thermal stresses. It is effective in depositing abrasive materials to achieve this goal.

本発明の上記及び他の目的、特徴及び利点は以
下にその好ましい実施例を図面により詳細に説明
するなかで一層明らかになろう。
The above and other objects, features and advantages of the present invention will become more apparent as preferred embodiments thereof are described in detail below with reference to the drawings.

発明を実施するための最良の形態 本発明は、米国特許第4209348号明細書に記載
されている単結晶ニツケル合金から成る典型的な
進歩したガスタービンエンジン・タービンブレー
ドの先端への、ここでは簡単に“アブレイシブ
(abrasive)”と呼ばれるシリコンカーバイド粒子
及び超合金母材アブレイシブのボンデイングに関
して記載されている。米国特許第4249913号明細
書に開示されている形式のアルミナ被覆されたシ
リコンカーバイド粒子が本発明に使用されること
は好ましい。上記両特許の開示内容を参照により
ここに組み入れたものとする。本発明は他の材料
にも同様に応用可能である。上記米国特許第
4249913号明細書に示されているように、シリコ
ンカーバイド粒子上のアルミナ被覆は、シリコン
カーバイドと周囲の母材金属との間の相互作用を
阻止するので、特に有用である。このような相互
作用は製造中及び高温使用中に生起する可能性が
あり、またアブレイシブ機能を遂行するシリコン
カーバイド粒子の能力を低下させる可能性があ
る。好ましくは、アルミナ被覆は0.010〜0.020mm
の厚みであり、また商業的な化学的蒸着プロセス
により付着されている。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention provides a simple introduction to the tips of a typical advanced gas turbine engine turbine blade consisting of a single crystal nickel alloy as described in U.S. Pat. No. 4,209,348. describes the bonding of silicon carbide particles called "abrasives" and superalloy matrix abrasives. Preferably, alumina-coated silicon carbide particles of the type disclosed in US Pat. No. 4,249,913 are used in the present invention. The disclosures of both of the above patents are incorporated herein by reference. The invention is equally applicable to other materials. The above U.S. patent no.
Alumina coatings on silicon carbide particles, as shown in US Pat. No. 4,249,913, are particularly useful because they prevent interaction between the silicon carbide and the surrounding base metal. Such interactions can occur during manufacturing and high temperature use and can reduce the ability of the silicon carbide particles to perform abrasive functions. Preferably the alumina coating is 0.010-0.020mm
thickness and is deposited by a commercial chemical vapor deposition process.

母材は粒子及び基体に接着され得る金属であ
る。母材は、本発明の最良の実施態様では、耐熱
合金、すなわち商業的な合金であるインコネル
600、インコネル625、ハステロイX、ヘイネス
188及びMCrAlYのように600℃又はそれ以上の
温度で使用するのに適した合金、若しくは超合
金、すなわち商業的なニツケル基合金であるワス
パロイ、IN100,U700,MAR−M200,インコ
ネル718のようにガンマプライム析出により強化
されたNi,CoまたはFeを母材とする合金であ
る。いずれの形式の合金も、性質が変化する多数
の組成、すなわちNi,Co,Fe,Cr及びFeを有す
る傾向があり、後二者の元素が特にそれらを特徴
付けて、酸化耐性を生ずる。
The matrix is a metal that can be bonded to the particles and the substrate. The base material, in the best embodiment of the invention, is a high-temperature alloy, i.e., Inconel, a commercial alloy.
600, Inconel 625, Hastelloy X, Haynes
Alloys or superalloys suitable for use at temperatures of 600°C or above, such as 188 and MCrAlY, i.e. commercial nickel-based alloys such as Waspaloy, IN100, U700, MAR-M200, Inconel 718. This is an alloy with a base material of Ni, Co or Fe that has been strengthened by gamma prime precipitation. Alloys of either type tend to have a number of compositions with varying properties, namely Ni, Co, Fe, Cr and Fe, with the latter two elements particularly distinguishing them and resulting in oxidation resistance.

好ましくは、超合金母材は重量百分率で21〜
25Cr,4.5〜7Al,4〜10W,2.5〜7Ta,0.02〜
0.15Y,0.1〜0.3C、残余Niの標準組成を有する。
他の有用な材料は重量百分率で18〜30Cr,10〜
30Ni+Fe,5〜15W+Mo,1〜5Ta+Cb,0.05
〜0.6C,3.5〜80Al,0.5〜20Hf及び0.02〜0.1Y、
残余Coの標準組成を有するコバルト基合金であ
る。
Preferably, the superalloy matrix has a weight percentage of 21 to
25Cr, 4.5~7Al, 4~10W, 2.5~7Ta, 0.02~
It has a standard composition of 0.15Y, 0.1~0.3C, and residual Ni.
Other useful materials are 18~30Cr, 10~
30Ni+Fe, 5~15W+Mo, 1~5Ta+Cb, 0.05
~0.6C, 3.5~80Al, 0.5~20Hf and 0.02~0.1Y,
It is a cobalt-based alloy with a standard composition of residual Co.

典型的なタービンブレードの形態が第8図中に
示されている。ブレード20は根元部分22及び
エーロフオイル部分24から成つている。ブレー
ドの先端28にアブレイシブ層26が本発明の方
法により付着されている。アブレイシブ先端の表
面30は標準半径R及び周縁Dを有する回転の円
筒状表面に仕上げられている。半径Rはブレード
付きタービン車の半径であり、また標準的にブレ
ード付きタービン車が含まれているエンジンケー
スの内側半径でもある。半径方向と一致するブレ
ード軸線をそのz軸と定義する。ブレードの先端
はエーロフオイル先端断面の標準中心線である平
均カンバー線Cを有する。第9図及び第10図に
は、線Cがz平面内へ広げられている時に線Dに
沿つて線Cの方に見た時に現れるブレード先端の
側面図が示されている。第10図には第8図の一
定厚みの層26の外観が示されている。ブレード
基体28の最も外側の表面32及びアブレイシブ
の表面30はいずれも曲面を描いている。これら
の曲面は、延ばされた時に、カンバー形状及び円
筒状表面の相互作用により郭定される表面のため
に、複雑である。背景技術のところに記載した仕
方で構成された公知のブレード先端の同様の図が
第9図に示されている。アブレイシブの最も外側
の表面30aは第10図中に示されている曲面3
0と同一であり、ブレード基体28aの表面32
aは平らである。従つて、半径方向またはz軸方
向のアブレイシブの厚みはエーロフオイルのカン
バー長さCを横切つて変化する。また、前縁及び
後縁に金属不足グリツトが存在する明白な傾向が
ある。また、本発明による第10図ではアブレイ
シブは粒子の単一の層から成つているが、公知の
層ではカンバー線長さの中心部分35aの付近に
多数のグリツトを必要とする。また、公知のアブ
レイシブは典型的に接着継目31を有する。
A typical turbine blade configuration is shown in FIG. The blade 20 consists of a root section 22 and an airfoil section 24. An abrasive layer 26 is applied to the blade tip 28 by the method of the present invention. The surface 30 of the abrasive tip is finished as a rotating cylindrical surface with a standard radius R and a circumference D. Radius R is the radius of the bladed turbine wheel and is also the inner radius of the engine case that typically contains the bladed turbine wheel. The blade axis that coincides with the radial direction is defined as its z-axis. The tip of the blade has an average camber line C, which is the standard centerline of the Aerofoil tip cross section. 9 and 10 show a side view of the blade tip as it appears when looking along line D towards line C when line C is expanded into the z-plane. FIG. 10 shows the appearance of the constant thickness layer 26 of FIG. Both the outermost surface 32 of the blade substrate 28 and the abrasive surface 30 are curved. These curved surfaces are complex due to the surface defined by the interaction of the cambered and cylindrical surfaces when stretched. A similar view of a known blade tip constructed in the manner described in the background section is shown in FIG. The outermost surface 30a of the abrasive is the curved surface 3 shown in FIG.
0, and the surface 32 of the blade base 28a
a is flat. Therefore, the radial or z-axis abrasive thickness varies across the camber length C of the airfoil. There is also a clear tendency for metal-poor grit to be present at the leading and trailing edges. Also, in accordance with the present invention, in FIG. 10, the abrasive consists of a single layer of particles, whereas the known layer requires a large number of grits near the central portion 35a of the camber line length. Also, known abrasives typically have adhesive seams 31.

薄いアブレイシブ先端を形成するためのプロセ
ス段階は部分的に概要を第1〜7図により示され
ており、またさらに以下に説明される。いずれも
線Dに沿つて見て、第1〜4図にはガスタービン
ブレードの先端のプロフイルが示されており、ま
た第5〜7図には先端の一部分が一層詳細に示さ
れている。
The process steps for forming a thin abrasive tip are partially outlined in FIGS. 1-7 and described further below. 1-4 show the profile of the tip of a gas turbine blade, and FIGS. 5-7 show a portion of the tip in more detail, both viewed along line D.

本発明のアブレイシブ先端は、背景技術のとこ
ろで述べた米国特許に二、三開示されているよう
に、セラミツクスの研摩によつて摩耗可能なシー
ルと相互作用するべく意図されている。良好な性
能を得るために必要であることが発見されてお
り、また公知の先端アブレイシブと異なるアブレ
イシブにはいくつかの独特な局面がある。これら
の局面は粒子及び母材の組成と、粒子の寸法と、
ブレードの先端に置かれる密度(いずれも母材内
に含まれる時の間隔及び体積百分率に関する)
と、アブレイシブ層の全厚みと、粒子が実際に母
材により包まれてその中に置かれる度合とを含ん
でいる。ここで唱えられるパラメトリツクな制限
は特に、米国特許第4249913号明細書に開示され
ている超合金母材及びアルミナ被覆されたシリコ
ンカーバイド粒子を含んでいるアブレイシブによ
る経験の結果である。しかし、局面の多くは他の
粒子、特に機械的局面に関するものにも適切であ
る。
The abrasive tip of the present invention is intended to interact with abradable seals by abrasion of ceramics, as disclosed in a few of the US patents mentioned in the background section. There are several unique aspects of the abrasive that have been discovered to be necessary for good performance and that differ from known advanced abrasives. These aspects are the composition of the particles and matrix, the dimensions of the particles,
Density placed at the tip of the blade (both in terms of spacing and volume percentage when contained within the matrix)
, the total thickness of the abrasive layer, and the degree to which the particles are actually enveloped by and placed within the matrix. The parametric limitations advocated herein are particularly the result of experience with abrasives containing a superalloy matrix and alumina-coated silicon carbide particles as disclosed in U.S. Pat. No. 4,249,913. However, many of the aspects are also suitable for other particles, especially those relating to mechanical aspects.

アブレイシブの厚みは制限されなければなら
ず、また粒子の寸法選定に従つていなければなら
ない。第一に、アブレイシブは第10図に示され
ているように粒子の単一の層を含んでいる。アブ
レイシブ粒子の単一の層は先端に於けるアブレイ
シブ材料の質量を最小に保つために重要である。
経験的なテスト及び計算の結果、セラミツクシー
ルと相互作用する時にアブレイシブ先端が有効に
作用するためには、すなわち粒子が適切にカツト
し、しかもブレード先端から容易に除去されない
ようにするためには、母材の約10〜50%が除去さ
れなければならないことが判明している。それよ
りも多量に除去されると、残された母材では使用
中の負荷の下に粒子を保持するのに不十分とな
る。
Abrasive thickness must be limited and must follow particle sizing. First, abrasives include a single layer of particles as shown in FIG. A single layer of abrasive particles is important to keep the mass of abrasive material at the tip to a minimum.
Empirical tests and calculations have shown that in order for an abrasive tip to work effectively when interacting with a ceramic seal, i.e. to ensure that particles are properly cut and not easily removed from the blade tip. It has been found that approximately 10-50% of the matrix must be removed. If more is removed, the remaining matrix will be insufficient to hold the particles under the loads during use.

本発明による好ましい先端アブレイシブのAZ
軸厚みは約0.38±0.03mmであり、またこのような
厚みに対して粒子寸法は米国ふるい系列No.35〜40
(標準的に0.42±0.50mm)の間のふるい分けと一
致している。もちろん、特に典型的なセラミツク
粒子は不規則であるので、共通のふるい分けによ
つても粒子寸法は分布する。粒子の若干はNo.40ふ
るい寸法よりも小さい。しかし、粒子の標準的な
最小寸法は0.42mmであり、このことはセラミツク
スの過半数すなわち(0%またはそれ以上が第3
図、第4図及び第9図に示されているようにアブ
レイシブの自由表面44,30に母材を通じて必
然的に広がるという事実を反映している。このこ
とは第9図及び先に参照した特許に示されている
公知技術による場合と対照的である。一層厚いア
ブレイシブ層が望まれる時には、所望の結果を得
るために、米国ふるい系列No.20(標準的に0.83mm)
までの一層大きい粒子を使用するのが有効である
ことが見出されている。
AZ of preferred tip abrasive according to the present invention
The axial thickness is approximately 0.38 ± 0.03 mm, and for such a thickness, the particle size is US sieve series No. 35-40.
(typically 0.42±0.50mm). Of course, even a common sieve will result in a distribution of particle sizes, especially since typical ceramic particles are irregular. Some of the particles are smaller than the No. 40 sieve size. However, the standard minimum particle size is 0.42 mm, which means that the majority of ceramics (0% or more
This reflects the fact that the free surfaces 44, 30 of the abrasive necessarily extend through the matrix as shown in FIGS. 4 and 9. This is in contrast to the prior art shown in FIG. 9 and the previously referenced patents. When a thicker abrasive layer is desired, a US sieve series No. 20 (typically 0.83 mm) is used to obtain the desired result.
It has been found effective to use larger particles up to .

典型的に、母材は粒子を包囲するのに十分な厚
みで付着され、次いで母材と粒子との複合物が仕
上がり寸法に機械加工される。こうして粒子の過
半数は機械加工された長さを有し、また自由表面
がその一般的に望ましい態様として基体表面に平
行とされているときには各粒子の長さは等しい。
Typically, the matrix is deposited to a sufficient thickness to surround the particles, and the matrix and particle composite is then machined to finished dimensions. Thus, a majority of the particles have a machined length, and each particle is of equal length when the free surface is parallel to the substrate surface, which is the generally desirable aspect.

本発明の最良の実施形態では、粒子は均等に、
しかも比較的稠密に間隔をおかれている。密度は
1cm2あたり33〜62粒子の範囲内である。それでも
15〜20%以上の数の粒子は集塊されない、すなわ
ち互いに接触しない。粒子の間の間隔は、それら
が母材により適当に包囲され、またアブレイシブ
内で適当に接着されるために必要とされる。本発
明では、粒子の過半数は表面に対して平行な方向
に(すなわちz軸に対して横方向に)母材金属に
より完全に包囲されている。このことは、先端の
側縁の仕上げにより露出された粗い粒子は別とし
て、粒子の少なくとも80%、典型的には90%が母
材により包囲されることを意味する。一層密度が
高く且つ包囲が完全な上記の複合物を得るため、
本願発明者は、ホツトプレスされたシリコンカー
バイド粒子も1.9:1以下、好ましくは約1.4〜1.5
対1の縦横比を有していなければならないことを
発見した。縦横比は粒子の最も長い軸とその標準
的な断面寸法との標準的な比である。本願発明者
はクオンテイメツト表面アナライザ(ケンブリツ
ジインスツルメント社(Cambridge Instrument
Ltd)、ケンブリツジ、英国)を使用して縦横比
を測定した。この縦横比は、公知の圧粉金属アブ
レイシブ先端に使用された1.9〜2.1対1の縦横比
を有する通常の粒子と対照的である。このような
粒子では、粒子が第1図に示されているような製
造方法で表面上に置かれる時に当然その長いほう
の長さを表面とほぼ平行に向けて置かれるので、
過大な集塊が生じた。このような高い縦横比の粒
子は一層等軸の粒子に比較して所望の高さに付着
しにくい傾向があり、また高い密度の達成を妨げ
る。
In the best embodiment of the invention, the particles are uniformly
Moreover, they are relatively densely spaced. The density is in the range of 33-62 particles per cm 2 . nevertheless
More than 15-20% of the particles are not agglomerated, that is, they do not touch each other. Spacing between the particles is required for them to be properly surrounded by the matrix and properly adhered within the abrasive. In the present invention, the majority of the particles are completely surrounded by the matrix metal in a direction parallel to the surface (ie, transverse to the z-axis). This means that at least 80%, and typically 90%, of the particles are surrounded by the matrix, apart from the coarse particles exposed by the finish on the side edges of the tip. In order to obtain the above-mentioned composite with higher density and complete encapsulation,
The inventors have also found that hot pressed silicon carbide particles are less than 1.9:1, preferably about 1.4 to 1.5
I discovered that it must have a 1:1 aspect ratio. Aspect ratio is the standard ratio of a particle's longest axis to its standard cross-sectional dimension. The inventor of the present application is using a Quantimet Surface Analyzer (Cambridge Instrument Co., Ltd.).
Ltd., Cambridge, UK) to measure the aspect ratio. This aspect ratio is in contrast to the typical particles used in known powder metal abrasive tips, which have an aspect ratio of 1.9 to 2.1 to 1. For such particles, when the particles are placed on a surface by the manufacturing method shown in Figure 1, they are naturally placed with their longer lengths oriented approximately parallel to the surface;
Excessive agglomeration occurred. Such high aspect ratio particles tend to be less likely to adhere to a desired height than more equiaxed particles and also prevent high densities from being achieved.

前記のように、粒子は金属母材内に包囲されて
いる。母材の部分の除去に先立つて、アブレイシ
ブが第3図に示されているように平らな表面に機
械加工される時、粒子は典型的に全アブレイシブ
の約10〜20%、好ましくは15%(体積百分率)を
含んでいる。これは米国特許第4249913号明細書
に開示されている濃度よりも低い濃度である。約
20%以上の濃度はひび割れによりアブレイシブに
材料疲労を生じさせる傾向があることが見出され
ている。10%以下の濃度は不適当なアブレイシブ
特性を生ずる傾向がある。
As mentioned above, the particles are enclosed within the metal matrix. When the abrasive is machined into a flat surface as shown in Figure 3, prior to removal of a portion of the matrix, the particles typically account for about 10-20% of the total abrasive, preferably 15%. (volume percentage). This is a lower concentration than that disclosed in US Pat. No. 4,249,913. about
It has been found that concentrations above 20% tend to cause abrasive material fatigue due to cracking. Concentrations below 10% tend to produce unsuitable abrasive properties.

前記の臨界的な寸法、縦横比及び密度が、所望
のカツテイング作用を得るために達成されなけれ
ばならない。タービンブレードの典型的な先端は
狭いので、この領域内に存在する粒子は非常に少
数である。本発明の目的は、第8図中の線Dに沿
つて近接して見たときにブレードの幅を横切つて
粒子のフルラインを形成することである。本発明
によるアブレイシブの特徴により、このことがブ
レードの90%で達成される。残余は、部品上に粒
子を付着させた時から部品が最終的に使用可能状
態にされまでの間の粒子の喪失により少数の開い
たスペースを有し得る。
The critical dimensions, aspect ratios and densities mentioned above must be achieved in order to obtain the desired cutting action. Because the typical tip of a turbine blade is narrow, very few particles are present within this region. The object of the invention is to form a full line of particles across the width of the blade when viewed closely along line D in FIG. Due to the abrasive features of the present invention, this is achieved in 90% of the blades. The remainder may have a small number of open spaces due to particle loss between the time of depositing the particles on the part and the time the part is finally ready for use.

第1図には、続いて永久的に接着されるべき基
体28の表面32の上にいかにして粒子が最初に
置かれるかが示されている。シリコンカーバイド
粒子を表面上に置くに先立つて、粒子はそれらの
外側に米国特許第4249913号による0.010mmの蒸着
アルミナの被覆と、0.005〜0.050mmの厚みに化学
的に付けられたニツケルのような金属のクラツデ
イングとを施されている。セラミツク粒子にニツ
ケル被覆を施す方法は商業的に利用可能であり、
また米国特許第3920410号、第4291089号及び第
4374173号明細書に開示されている。もしセラミ
ツク粒子が本来的に母材との反応に耐え得るなら
ば、ナルミナ被覆は必要でない。
FIG. 1 shows how the particles are initially placed on the surface 32 of the substrate 28 to which they are subsequently to be permanently adhered. Prior to placing the silicon carbide particles on the surface, they were coated with a coating of 0.010 mm of evaporated alumina on their outside according to U.S. Pat. It is decorated with metal decoration. Methods for applying nickel coatings to ceramic particles are commercially available;
Also, U.S. Patent Nos. 3920410, 4291089 and
It is disclosed in the specification of No. 4374173. If the ceramic particles are inherently resistant to reaction with the matrix, a nalumina coating is not necessary.

粒子がブレード先端の表面上に置かれる直前
に、粒子を付着後に保持するため、540℃以下の
温度で後に蒸発され得るポリマー接着剤の被覆が
表面に付けられる。本願発明者はトルエン中の1
〜20%(体積百分率)のポリスチレンを選んだ。
粒子は、先ず真空を与えられている穴明き板に粒
子を吸引し、次いで板を表面の上に置いて真空を
瞬間的に解除することにより表面上に置かれる。
他の方法及び接着剤が粒子を置くために使用され
得ることは明らかであろう。
Immediately before the particles are placed on the surface of the blade tip, a coating of polymeric adhesive is applied to the surface, which can be subsequently evaporated at a temperature below 540° C., to hold the particles after attachment. The inventor of this application has prepared 1 in toluene.
~20% (volume percentage) polystyrene was chosen.
Particles are placed on a surface by first drawing the particles into a perforated plate that is provided with a vacuum, then placing the plate on top of the surface and momentarily releasing the vacuum.
It will be clear that other methods and adhesives can be used to place the particles.

次ぎに、有機ボンドされた粒子を有するブレー
ドが加熱される。垂直位置で毎時約500℃の加熱
速度を用いて約0.06Paの真空中で2時間にわたり
少なくとも1000℃、典型的には約1080℃で加熱さ
れる。他の不活性雰囲気も使用され得る。この過
程は先ずポリスチレン接着剤を気化させ、次いで
ブレードの表面にニツケルクラツデイングの固相
ボンデイングまたはシンタリングを生じさせる。
ボンド接合34の性質及び位置は、炉から取出し
後に金属顕微鏡写真で観察可能であるので、第5
図に示されている。粒子の不規則な形状及び粒子
上の金属クラツデイングの厚みのために、ボンド
34は比較的繊細であり、粒子33が表面32に
非常に近い点にのみおかれている。母材が超合金
である時には、大量のボンド金属を粒子の周りに
有すること若しくはそれをブレードの基体にボン
ドすることは望ましくない。基体を約1800℃以上
の温度に曝すことも望ましくなく、従つて粒子上
のクラツデイングの選択はこのような条件に於ボ
ンドを生ずる材料に制限される。さらに、クラツ
デイング材料は基体及び続いて付着される母材と
両立性があり、またそれらと相互作用する傾向の
あるものでなければならない。これらの条件はそ
れにもかかわらず種々の材料が使用されることを
許す。好ましくは、ニツケル、コバルトまたはそ
れらの混合物が使用される。ボンデイングを促進
するために知られている合金添加物が含まれてい
てよい。一般に、クラツデイングのベース金属
は、ニツケル、コバルトまたは鉄基母材及び基体
合金が含まれている時、周期律表の遷移系列から
の金属である傾向がある。特定の環境のもとに、
所望の接着を強化するため被覆が表面32に付着
され得る。
The blade with organic bonded particles is then heated. It is heated to at least 1000°C, typically about 1080°C, for 2 hours in a vacuum of about 0.06 Pa using a heating rate of about 500°C per hour in a vertical position. Other inert atmospheres may also be used. This process first vaporizes the polystyrene adhesive and then produces solid state bonding or sintering of nickel cladding on the surface of the blade.
The nature and location of the bond joint 34 can be observed in metallurgical micrographs after removal from the furnace, so
As shown in the figure. Because of the irregular shape of the particles and the thickness of the metal cladding on the particles, the bonds 34 are relatively delicate and are only placed at points where the particles 33 are very close to the surface 32. When the matrix is a superalloy, it is undesirable to have large amounts of bond metal around the particles or bond them to the blade substrate. It is also undesirable to expose the substrate to temperatures above about 1800 DEG C., thus limiting the selection of cladding on the particles to materials that will form a bond under such conditions. Additionally, the cladding material must be compatible with, and tend to interact with, the substrate and the subsequently deposited matrix. These conditions nevertheless allow a variety of materials to be used. Preferably nickel, cobalt or mixtures thereof are used. Alloying additives known to promote bonding may be included. Generally, the base metal of the cladding tends to be a metal from the transition series of the periodic table when a nickel, cobalt or iron based matrix and base alloy are included. Under certain circumstances,
A coating may be applied to surface 32 to enhance the desired adhesion.

次に、粒子は第2図及び第6図に示されている
ように約1.1〜1.3mmの厚みにプラズマアークスプ
レイによりデポジツトされた母材材料の層でオー
バースプレイされる。前記のようなニツケル基超
合金、たとえば重量百分率で25Cr,8W,4Ta:
6Al,1.0Hf,0.1Y,0.23C、残余Niの組成を有す
る超合金が使用される。
The particles are then oversprayed with a layer of matrix material deposited by plasma arc spray to a thickness of approximately 1.1 to 1.3 mm as shown in FIGS. 2 and 6. Nickel-based superalloys such as those mentioned above, such as 25Cr, 8W, 4Ta by weight percentage:
A superalloy with a composition of 6Al, 1.0Hf, 0.1Y, 0.23C, and a balance of Ni is used.

−400米国フルイ系列メツシユ粉末が低圧チヤ
ンバ内でアルゴン・ヘリウム・プラズマアークス
プレイにより付着される。たとえば、エレクト
ロ・プラズマ社(Electro−Plasma Inc.)(米
国、カリフオロルニア州、イルビング)の
120kW低圧プラズマアークスプレイシステムの
ような商業的に入手可能な装置が使用され得る。
米国特許第4236059号明細書をも参照。ブレード
は26kPaまたはそれ以下の圧力に排気されたスプ
レイチヤンバ内に置かれる。雰囲気中の酸素レベ
ルは、たとえばチヤンバ内の雰囲気を反応性金属
と接触させることにより体積比で5ppmのレベル
に減ぜられる。加工物であるブレードはプラズマ
アーク装置に対して、溶融粒子が移動する軸線に
対して垂直に先端断面がスプレーされるように置
かれる。ブレードはその周縁を、さまようスプレ
ーがブレードのサイドにデポジツトしないように
適当にマスクされる。
-400 US sieve series mesh powder is deposited by argon helium plasma arc spray in a low pressure chamber. For example, Electro-Plasma Inc. (Irving, California, USA)
Commercially available equipment such as a 120kW low pressure plasma arc spray system can be used.
See also US Pat. No. 4,236,059. The blade is placed in a spray chamber evacuated to a pressure of 26 kPa or less. The oxygen level in the atmosphere is reduced to a level of 5 ppm by volume, for example, by contacting the atmosphere within the chamber with a reactive metal. The workpiece blade is placed in the plasma arc device such that the tip section is sprayed perpendicular to the axis of movement of the molten particles. The blade is suitably masked around its periphery to prevent stray spray from depositing on the sides of the blade.

実際のデポジシヨンの開始に先立つて、加工物
は同時に高温プラズマアークガスにより少なくと
も700℃、典型的には850℃に加熱され、同時にプ
ラズマアーク装置の付近に配置されている接地電
極またはその一体部分としての接地電極に対して
陰極にされる。部品上に堆積している可能性のあ
る酸化物層の除去を助けるため約70Aの電流が約
2〜10分間にわたり典型的なタービンブレード先
端に与えられる。加熱過程の目的は、プラズマア
ークスプレーへの部品の受容性を増し、またボン
デイングを改善し、さらに母材金属及び基体を含
む加工物が室温に冷却された後に存在する残留応
力を減ずることである。こうしてアブレイシブは
ひび割れ及びスポーリングに対する耐性を改善さ
れる。
Prior to the start of the actual deposition, the workpiece is simultaneously heated to at least 700°C, typically 850°C, by hot plasma arc gas, and at the same time as a ground electrode located in the vicinity of the plasma arc apparatus or as an integral part thereof. is made cathode with respect to the ground electrode. A current of about 70 A is applied to a typical turbine blade tip for about 2 to 10 minutes to help remove any oxide layer that may have built up on the component. The purpose of the heating process is to increase the receptivity of the part to plasma arc spray, also improve bonding, and further reduce residual stresses that exist after the workpiece, including the base metal and substrate, has cooled to room temperature. . The abrasive thus has improved resistance to cracking and spalling.

金属母材が、示されているように、0.6〜1.3
mm、好ましくは1.1〜1.3の厚みに付着される。好
ましくは、母材金属は、金属の層が高められた圧
力すなわち少なくとも130MPaに於てアルゴンガ
スに対して不透過性であるような厚み及び質に物
理的プロセスによりデポジツトされる。この不透
過性は上記のプラズマスプレイ・プロセスによる
十分な厚みの付着により達成可能である。層は不
透過性であるけれども、それにもかかわらず第6
図に示されているような若干の多孔性により特徴
付けられている。詳細には、孔38が粒子の表面
上に材料内に存在しており、また粒子の多くに隣
接して空所40が存在している。空所40は金属
スプレイプロセスに特有であり、また任意の“ラ
イン・オブ・サイト”デポジシヨンプロセスまた
はデポジツトされた材料が物理的に直線内を移動
するプロセスにより生成される。使用され得る他
のプロセスは物理的蒸着プロセスである。米国特
許第4153005号明細書参照。
The metal matrix is 0.6-1.3 as shown
It is deposited to a thickness of 1.1-1.3 mm, preferably 1.1-1.3 mm. Preferably, the base metal is deposited by a physical process to a thickness and quality such that the layer of metal is impermeable to argon gas at elevated pressures, ie at least 130 MPa. This impermeability can be achieved with sufficient thickness of deposition by the plasma spray process described above. Although the layer is impermeable, the sixth
It is characterized by some porosity as shown in the figure. In particular, pores 38 are present in the material on the surface of the particles, and voids 40 are present adjacent many of the particles. Cavity 40 is characteristic of metal spray processes and is created by any "line-of-sight" deposition process or process in which the deposited material physically moves in a straight line. Other processes that may be used are physical vapor deposition processes. See US Pat. No. 4,153,005.

次に、部品は好ましくはホツト・アイソスタテ
イツク・プレツシングにより稠密化される。一般
に、これはアブレイシブ材料を高められた温度で
その降伏またはクリープ限界点を越えて変形させ
ることを含んでいる。好ましくは、部品は上記の
孔及び空所を閉じるべく1065℃及び138MPaアル
ゴン圧力に曝される。他のホツト・プレツシング
過程が母材を固め、また稠密化及びボンデイング
の目的を達成するのに使用され得る。母材が固め
られた後、部品は炉内で冷却され、また取り出さ
れる。
The part is then densified, preferably by hot isostatic pressing. Generally, this involves deforming the abrasive material past its yield or creep threshold at elevated temperatures. Preferably, the part is exposed to 1065° C. and 138 MPa argon pressure to close the holes and voids. Other hot pressing processes may be used to consolidate the matrix and to achieve densification and bonding purposes. After the base material is solidified, the part is cooled in the furnace and removed.

しかし、第7図には、いかにしてアブレイシブ
が顕微鏡写真的に整列させられた試料内に現れる
かが一層詳細に示されている。超合金母材は稠密
であり、また粒子を完全に包囲している。また各
粒子33を包囲して、母材材料の組成に比較して
クローム、アルミニユーム及び一層重い元素が少
なく、またニツケルが多い領域42が存在してい
る。これはもちろん粒子に付着されたニツケル・
クラツデイング層の結果であり、本発明の一つの
特徴である。
However, FIG. 7 shows in more detail how abrasive appears within a micrographically aligned sample. The superalloy matrix is dense and completely surrounds the particles. Surrounding each particle 33 is also a region 42 that is low in chromium, aluminum and heavier elements and rich in nickel compared to the composition of the base material. This is of course due to the nickel attached to the particles.
This is a result of the cladding layer and is a feature of the present invention.

次に、第2図中に示されているアブレイシブの
粗い表面が第3図に概要を示されている形状を得
るべく研削のような通常の過程を用いて機械加工
される。自由表面44は仕上げられたブレードを
特徴付ける所望のz長さ寸法T′を生ずる。次に、
ブレードの表面44が、母材材料をアタツクして
その一部を除去するエツチング剤または他の物質
と接触させられる。たとえば、1983年7付26日付
け米国特許出願第517315号明細書に記載されてい
るような電気化学的機械加工が用いられ得る。
The abrasive rough surface shown in FIG. 2 is then machined using conventional processes such as grinding to obtain the shape outlined in FIG. Free surface 44 creates the desired z-length dimension T' that characterizes the finished blade. next,
The blade surface 44 is contacted with an etchant or other substance that attacks the base material and removes a portion thereof. For example, electrochemical machining as described in US Patent Application No. 517,315, filed July 26, 1983, may be used.

理解されるように、本発明は、物品表面に沿つ
て整列させられている粒子を含んでいる。このよ
うな二次元の製造方法は、金属粉末との混合及び
固化により実施される従来の三次元の製造方法に
よるアブレイシブに比較して、はるかに均等且つ
有効なアブレイシブを生ずる。本発明では、自由
な機械加工されたアブレイシブ表面が(最大対最
小サイズを反映する)セラミツクスの比較的均等
な断面積により特徴付けられている。これは、公
知の粉末金属アブレイシブを特徴付ける最大対零
粒子寸法を反映する広く変動する断面積と対照的
である。また、母材の一部が部分的に除去される
時、本発明の元の自由表面に於ける粒子材料の存
在は変化しない。しかし、公知技術では、粒子の
部分が除去された母材により粒子の部分がアブレ
イシブ内に保持されているに過ぎないので、粒子
の若干が失われ、また自由表面セラミツクスの量
が減少した。
As will be appreciated, the present invention includes particles that are aligned along the surface of the article. Such two-dimensional manufacturing methods yield much more uniform and effective abrasions than conventional three-dimensional manufacturing methods that are performed by mixing with metal powder and solidifying. In the present invention, the free machined abrasive surface is characterized by a relatively uniform cross-sectional area of the ceramic (reflecting the largest to smallest size). This is in contrast to the widely varying cross-sectional area reflecting the maximum-to-zero particle size that characterizes known powder metal abrasives. Also, when a portion of the matrix is partially removed, the presence of particulate material at the original free surface of the present invention remains unchanged. However, in the prior art, some of the particles were lost and the amount of free surface ceramic was reduced because part of the particles were only retained within the abrasive by the matrix from which the particles were removed.

以上に於ては本発明を特定の好ましい実施例に
ついて説明してきたが、本発明はこれらの実施例
に限定されるものではなく、本発明の範囲内にて
種々の実施例が可能であることは当業者にとつて
明らかであろう。
Although the present invention has been described above with reference to specific preferred embodiments, it is understood that the present invention is not limited to these embodiments, and that various embodiments are possible within the scope of the present invention. will be clear to those skilled in the art.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図ないし第4図は粒子が基体の表面上に置
かれ、母材内に包囲され、平らな表面に機械加工
され、また最終形態に機械加工される順次の過程
の概要を示す図である。第5図は第1図の一部の
一層詳細な図であり、基体の表面に金属的に接着
された後に粒子がいかに現れるかを示している。
第6図は第2図の一部の一層詳細な図であり、い
かに母材が粒子を包囲し、また“ライン・オブ・
サイト”デポジシヨン過程が用いられる時に孔を
含むかを示している。第7図は第2図の一部の一
層詳細な図であり、空所を無くし且つ相互拡散を
生じさせるため高温プレツシングの後に第6図の
構造がいかに変換されるかを示している。第8図
は先端にアブレイシブ層を有する典型的なガスタ
ービンブレードの概要図である。第9図は公知の
アブレイシブブレード先端の側面図であり、厚み
及びボンド接合の変化を示している。第10図は
第8図の線Dに沿うブレードの側面図であり、い
かに粒子が単一の層内に存在しているか、またい
かにそれらがアブレイシブの母材材料の少し上に
延びているかを示している。 20……ブレード、22……根元部分、24…
…エーロフオイル部分、26……アブレイシブ
層、28……先端、30……アブレイシブ先端表
面、32……最外側表面、33……粒子、34…
…ボンド接合、36……超合金母材、38……
孔、40……空所、44……自由表面。
Figures 1 to 4 outline the sequential process by which particles are placed on the surface of a substrate, encapsulated within a matrix, machined into a flat surface, and machined into a final form. be. FIG. 5 is a more detailed view of a portion of FIG. 1, showing how the particles appear after being metallically bonded to the surface of the substrate.
Figure 6 is a more detailed view of a portion of Figure 2, showing how the matrix surrounds the particles and also shows the "line of
FIG. 7 is a more detailed view of a portion of FIG. 2, which includes pores when a "site" deposition process is used. FIG. 7 is a more detailed view of a portion of FIG. 6 shows how the structure of FIG. 6 can be transformed. FIG. 8 is a schematic diagram of a typical gas turbine blade with an abrasive layer at the tip. FIG. 9 is a schematic diagram of a known abrasive blade tip. Figure 10 is a side view of the blade along line D of Figure 8, showing how the particles are present in a single layer; It shows how they extend slightly above the base material of the abrasive. 20...blade, 22...root portion, 24...
... Aerofoil portion, 26 ... Abrasive layer, 28 ... Tip, 30 ... Abrasive tip surface, 32 ... Outermost surface, 33 ... Particle, 34 ...
...Bond joining, 36...Superalloy base material, 38...
Hole, 40... void, 44... free surface.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 基体と該基体の表面に固着されたセラミツク
粒子と金属母材よりなるアブレイシブ層とを有す
る物品にして、前記セラミツク粒子の大半の各々
はその第一の部分にて前記基体の表面と接触して
おり、該第一の部分より前記金属母材の層を横切
つて前記第一の部分とは反対側にある第二の部分
にて前記金属母材の層より露呈されていることを
特徴とする物品。 2 基体の表面にアブレイシブ層を形成する方法
にして、セラミツク粒子をその大半の各々がその
第一の部分にて前記基体の表面に接着接触した状
態にあるようセラミツク粒子を基体の表面に実質
的に分散した層として施す過程と、前記セラミツ
ク粒子を前記基体の表面に接触させた状態を保つ
て該セラミツク粒子を丁度埋めるに十分な厚みの
金属母材層を形成するように前記基体の表面に金
属母材の層を形成する過程と、前記セラミツク粒
子と前記金属母材層と前記基体の少なくとも表面
部とを前記金属母材を稠密化させ前記金属母材を
前記基体の表面に冶金学的に接合させるに十分な
温度に加熱する過程と、かくして形成されたセラ
ミツク粒子と金属母材の複合層の表面部を研削し
セラミツク粒子を基体表面に接する前記第一の部
分とは反対の側の第二の部分にて金属母材の層よ
り露呈させる過程とを含むことを特徴とする方
法。 3 特許請求の範囲第2項の方法にして、前記セ
ラミツク粒子は各々予め金属被覆を施され、前記
金属母材は前記加熱過程にてセラミツク粒子の前
記金属被覆にも冶金学的に接合されることを特徴
とする方法。
[Scope of Claims] 1. An article comprising a substrate, ceramic particles fixed to the surface of the substrate, and an abrasive layer made of a metal matrix, wherein most of the ceramic particles each have the above-mentioned abrasive layer in a first portion thereof. A second portion that is in contact with the surface of the substrate, crosses the layer of the metal base material from the first portion, and is exposed from the layer of the metal base material on the opposite side of the first portion. Articles characterized by: 2. A method of forming an abrasive layer on the surface of a substrate, wherein the ceramic particles are substantially attached to the surface of the substrate such that the majority of the ceramic particles are each in adhesive contact with the surface of the substrate at a first portion thereof. and applying the ceramic particles as a dispersed layer to the surface of the substrate in a manner that maintains the ceramic particles in contact with the surface of the substrate to form a metal matrix layer of sufficient thickness to just bury the ceramic particles. The step of forming a layer of a metal base material, the ceramic particles, the metal base material layer, and at least a surface portion of the base body by densifying the metal base material and applying a metallurgical method to the surface of the base body. A process of heating to a temperature sufficient to bond the ceramic particles to the substrate surface, and grinding the surface portion of the composite layer of the ceramic particles and the metal base material formed in this way, and grinding the ceramic particles on the side opposite to the first portion in contact with the substrate surface. A method characterized by comprising the step of: exposing the second portion from the layer of the metal base material. 3. In the method according to claim 2, each of the ceramic particles is preliminarily coated with a metal, and the metal base material is also metallurgically bonded to the metal coating of the ceramic particles during the heating process. A method characterized by:
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