JP2008202544A

JP2008202544A - ロータの製造方法及びこのロータをそなえた排気ターボ過給機

Info

Publication number: JP2008202544A
Application number: JP2007041481A
Authority: JP
Inventors: Kenji Nitta; 憲司新田; Toshimitsu Tetsui; 利光鉄井
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2007-02-21
Filing date: 2007-02-21
Publication date: 2008-09-04
Also published as: US20080199313A1; EP1961915A2; EP1961915A3

Abstract

【課題】ホイールとシャフトとをろう付けして構成されるろう付け型ロータにおいて、製造工数の増加を伴うことなくホイールとシャフトとのろう付け接合部の強度を上昇することにより、耐久性、信頼性を向上したロータの製造方法及び排気ターボ過給機用タービンロータを提供する。
【解決手段】ディスク部の外周に羽根が形成されたホイールと棒状に形成されたシャフトとをろう付けによって接合してなるロータの製造方法であって、前記ホイールとシャフトとを加熱炉内に双方の接合面をろう材を介して対置し、赤外線を前記ホイール側部分に放射し接合面を１０００〜１０８０℃に加熱して前記ろう材を溶融させて、前記ホイールとシャフトとを前記接合面で接合することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気ターボ過給機用タービンロータに用いられ、ディスク部の外周に羽根が形成されたホイールと棒状に形成されたシャフトとをろう付けによって接合してなるロータの製造方法及びこのロータを用いた排気ターボ過給機に関する。

車両用エンジン等に用いられる比較的小型の排気ターボ過給機においては、近年、ディスク部の外周に羽根が形成されたホイールと棒状に形成されたタービンシャフトとをろう付けによって接合したタービンロータが用いられるようになった。
かかるろう付け式のタービンロータを製造する方法の一つに、特許文献１（特開平６−１５９０８５号公報）にて提供されている技術がある。

かかる技術においては、加熱炉内において不活性ガス雰囲気中で、高温強度の大きいＴｉ−Ａｌ系合金からなるホイールと耐熱鋼からなるタービンシャフトとを双方の接合面をろう材を介して対置し、タービンシャフト部分を高周波加熱し、その伝熱で接合面を１１００℃程度の高温に高周波加熱して前記ろう材を溶融させ、前記ホイールとシャフトとを前記接合面で接合し、その後に前記タービンシャフト部分に熱処理を施し、ろう付け時の高温加熱による強度低下を補充している。

特開平６−１５９０８５号公報

しかしながら、前記特許文献１（特開平６−１５９０８５号公報）にて提供されているような、従来のろう付け式タービンロータの製造方法には、次のような解決すべき課題がある。
即ち、かかる従来技術にあっては、加熱炉内でホイールとシャフトとをろう付けする際には、高周波の特性上、羽根をそなえて複雑形状のホイールを加熱することはできないことから、形状が簡単で高周波加熱可能な該シャフト側を加熱しその伝熱でろう材が配置された接合部を１１００℃程度に高周波加熱している。そのため、シャフトの温度が１１００℃よりも大幅に上昇することによって、シャフト中のＦｅが拡散して行ってＣ添加Ｔｉ−Ａｌ中のＣと反応し、きわめて脆い炭化物が接合界面に形成されるため、接合部の靭性が低下し、接合部な強度不足が発生し易い。

また、前記のようにシャフト側のみを高周波加熱しているが、シャフト材の線膨張率は大きいので、冷却後に大きな残留応力が前記接合部に発生し、前述のように接合部は脆い状態にあるため、かかる接合部に残留応力による割れを生じたり、該接合部が外力によって破断するという不具合が発生し易い。
また、ホイールとシャフトとのろう付け後にシャフト側に熱処理を施せば、前記のような問題はある程度解消可能であるが、この場合は熱処理工程が加わり、タービンロータの製造工数が増加する。

本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、ホイールとシャフトとをろう付けして構成されるろう付け型ロータにおいて、製造工数の増加を伴うことなくホイールとシャフトとのろう付け接合部の強度を上昇することにより、耐久性、信頼性を向上したロータの製造方法及び排気ターボ過給機用タービンロータを提供することを目的とする。

本発明はかかる目的を達成するもので、ディスク部の外周に羽根が形成されたホイールと棒状に形成されたシャフトとをろう付けによって接合してなるロータの製造方法であって、前記ホイールとシャフトとを加熱炉内に双方の接合面をろう材を介して対置し、赤外線を前記ホイール側部分に放射し、接合面を１０００〜１０８０℃に加熱して前記ろう材を溶融させて、前記ホイールとシャフトとを前記接合面で接合することを特徴とする。
かかる発明において、好ましくは、前記接合後における前記シャフトの熱処理を廃止する。

また、前記製造方法を用いて製造されるロータの発明は、ディスク部の外周に羽根が形成されたホイールと棒状に形成されたシャフトとをろう付けによって接合してなるロータであって、前記ホイールの成分配合（Ｗｔ％）を、Ａｌ：２９〜３２，Ｎｂ：１０〜１７，Ｃ：０．０５〜０．１２，Ｔｉ及びその他の添加成分：残部に構成したことを特徴とする。

また、前記製造方法を排気ターボ過給機のタービンロータの製造に適用した発明は、エンジンからの排気ガスをタービンケーシング内で膨張させタービンロータに作用させ、該タービンロータによりエンジン給気加圧用のコンプレッサを直結駆動するように構成された排気ターボ過給機における前記タービンロータの製造方法であって、ディスク部の外周に羽根が形成されたホイールとシャフト（タービンシャフト）とを加熱炉内に双方の接合面をろう材を介して対置し、赤外線を前記ホイール側部分に放射し接合面を１０００〜１０８０℃に加熱して前記ろう材を溶融させ、前記ホイールとシャフトとを前記接合面で接合することを特徴とする。

さらに、前記製造方法を用いて製造されるタービンロータの発明は、エンジンからの排気ガスをタービンケーシング内で膨張させタービンロータに作用させ、該タービンロータによりエンジン給気加圧用のコンプレッサを直結駆動するように構成された排気ターボ過給機であって、前記タービンロータをディスク部の外周に羽根が形成されたホイールとシャフト（タービンシャフト）とをろう付けで接合して構成した排気ターボ過給機において、前記タービンロータのホイールは、前記ホイールの成分配合（Ｗｔ％）を、Ａｌ：２９〜３２，Ｎｂ：１０〜１７，Ｃ：０．０５〜０．１２，Ｔｉ及びその他の添加成分：残部に構成したことを特徴とする。

本発明によれば加熱炉内において、タービンロータ等のロータを構成するホイールとシャフトとをろう付け接合する時に、赤外線を前記ホイール側部分に放射して、その伝熱で接合面を１０００〜１０８０℃に加熱することにより、ろう付け接合するので、前記従来技術のようにシャフトを１１００℃以上の高温に加熱することなく、ろう付け接合できることとなり、シャフトの加熱による強度低下を回避できる。なお、該ホイールはシャフトよりは大幅に耐熱性が高い金属であるため、１１００℃以上に加熱しても強度低下は生じない。
これにより、かかる強度低下を補充するための、ろう付け後における、前記従来技術のようなシャフト部分の熱処理を不要とすることとなり、かかる熱処理工程の廃止により、タービンロータを含むロータの製造工数を低減できる。

また、赤外線を前記ホイール側部分に放射して該ホイールを加熱するので、複雑形状のホイール側を赤外線加熱しても、前記従来技術に係る高周波加熱のような局部的な温度上昇の発生を抑制できて、該ホイールを均等に加熱でき、且つ前記従来技術のように１１００℃以上の高温加熱に伴いシャフト中のＦｅが拡散しＣ添加Ｔｉ−Ａｌ中のＣと反応してきわめて脆い炭化物が接合界面に形成されることによる接合部の強度低下の発生を回避できて、ろう付け接合部の強度を上昇できる。

また、シャフトは前記従来技術における高周波加熱の加熱温度１１００℃以上よりも大幅に低い温度となることから、ロータを接合してからの冷却後における接合部近傍での残留応力を低減できて、該残留応力による接合部近傍の割れの発生、該接合部外力による破断という不具合の発生を防止できる。なお、ホイールの線膨張率はシャフトよりはるかに小さいため、冷却後の残留応力は大幅に小さい。

また、Ｔｉ−Ａｌ系合金からなる前記タービンロータを含むロータのホイールにおける構成成分を、Ｃ：０．０５〜０．１２（Ｗｔ％）としたので、Ｃの添加量をかかる範囲に設定することにより、ホイールの靭性を低下することなくクリープ強度を上昇できて、排ガス温度９５０℃以上の高温下での使用であっても、ロータの外径の膨出が抑制されて、高温運転下でのロータの破損を防止できる。
以上により、タービンロータを含むロータの耐久性、信頼性を向上できる。

以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

図３は、本発明が適用されるタービンロータをそなえた可変容量排気ターボ過給機の回転軸線に沿う断面図である。
図３において、１０はタービンケーシング、１１は該タービンケーシング１０の外周部に渦巻状に形成されたスクロールである。１０１は輻流型のタービンロータで、コンプレッサ８と同軸に設けられこれのタービンシャフト１０１ｂが軸受ハウジング１３に軸受１６を介して回転自在に支持されている。７は前記コンプレッサ８が収納されるコンプレッサハウジング、９は該コンプレッサハウジング７の空気入口、７ａは渦巻状の空気通路である。また１００ａは該排気ターボ過給機の回転軸心である。
前記タービンロータ１０１は、ディスク部の外周に羽根が形成されたホイール１０１ａと棒状に形成されたタービンシャフト１０１ｂとをろう付けによって接合して構成されている。

かかる構成からなる可変容量型排気ターボ過給機の作動時において、エンジン（図示省略）からの排ガスは前記スクロール１１に入り、該スクロール１１の渦巻きに沿って周回しながらノズルベーン２に流入する。そして、該排ガスは、前記ノズルベーン２の翼間を流過して前記タービンロータ１０１にその外周側から流入し、中心側に向かい半径方向に流れて該タービンロータ１０１に膨張仕事をなした後、軸方向に流出してガス出口１０ｂに案内されて機外に送出される。

本発明は、前記のような排気ターボ過給機に使用されるタービンロータ１０１等のろう付け型ロータの製造方法及び該ロータ用ホイールの構成に係るものである。
図１は本発明の実施例に係るタービンロータの製造手順を示す説明図である。
図１において、前記タービンロータ１０１は、ディスク部１０１ｄの外周に複数枚の羽根１０１ｃが一体形成された精密鋳造品からなるホイール１０１ａとタービンシャフト１０１ｂとをろう付けにより接合することにより製造される。

次に図１（Ａ）〜（Ｄ）によって前記タービンロータ１０１の製造手順を説明する。
先ず、図１（Ａ）のように、前記ホイール１０１ａとタービンシャフト１０１ｂとを別個に製作する。また、ＮｉあるいはＮｉ合金からなるろう材１０２を所定寸法に接断して準備する。
前記ホイール１０１ａは、Ｔｉ−Ａｌ系合金からなり、その成分配合（Ｗｔ％）を、Ａｌ：２９〜３２，Ｎｂ：１０〜１７，Ｃ：０．０５〜０．１２，Ｔｉ及びその他の添加成分：残部に構成する。この場合、本発明のポイントとなるＣ（炭素）の成分配合は前記範囲中Ｃ＝０．０８（Ｗｔ％）が最適である。

前記成分配合（Ｗｔ％）は、次の根拠により設定した。
（１）Ｃ（炭素）の添加及びその成分配合について
従来のＴｉ−Ａｌ系合金では、タービンロータ１０１の使用温度を排ガス温度９５０℃以上にすると、タービンロータ１０１の使用中のクリープ変形によってホイール１０１ａの外径が膨出して、タービンケーシング１０（図３参照）と接触して破損することが起こる可能性がある。
然るに、Ｃ（炭素）を添加したＴｉ−Ａｌ系合金からなるホイール１０１ａのタービンロータ１０１では、Ｃの添加によってクリープ強度が上昇するため、９５０℃以上の高温で使用しても、外径の膨出量が減少して、かかる接触によるタービンロータ１０１の破損を回避できる。

図２（Ａ）は、本発明の実施例に係るＣ（炭素）添加Ｔｉ−Ａｌ系合金からなるタービンロータＡと従来のＴｉ−Ａｌ系合金Ｂとの高温時（メタル温度８５０℃）における実験計測による伸びの時間変化の比較線図を示す。
また、図２（Ｂ）は、高温時（ガス温度１０００℃）におけるタービンロータ１０１の周速に対する外径の膨出量の実験計測結果を示し、Ａは本発明の実施例に係るＣ（炭素）添加Ｔｉ−Ａｌ系合金、ＢはＣ（炭素）添加が少ないＴｉ−Ａｌ系合金、Ｃは従来のニッケル合金を示す。
図２（Ａ）に明らかなように、本発明の実施例に係るＣ（炭素）添加Ｔｉ−Ａｌ系合金は、従来のＴｉ−Ａｌ系合金Ｂに比べて高温時（メタル温度８５０℃）における伸びの増加が小さく、従って、図２（Ｂ）に明らかなように、高温時（ガス温度１０００℃）における外径の膨出量が小さくなる。

また、前記Ｔｉ−Ａｌ系合金にＣ（炭素）を添加すると、クリープ強度が上昇する反面、靭性が低下するが、これらはＣの添加量によって変化する。Ｃが０．０５（Ｗｔ％）以下ではクリープ強度の上昇度が不十分であり、高温時のクリープ強度を必要するタービンロータには不適である。
一方、Ｃが０．１２（Ｗｔ％）を超えると、Ｃの添加による靭性の低下Ｃが顕著になって脆化の程度が大きくなり、タービンロータの加工中における折損の発生、微小な異物の衝突でも破損の発生等の可能性が高まる。
従って、前記Ｃ（炭素）の成分範囲は、０．０５〜０．１２（Ｗｔ％）が適正範囲で、Ｃ＝０．０８（Ｗｔ％）が最適である。

（２）Ａｌ（アルミニウム）の成分範囲について
Ａｌ濃度は、Ｔｉ−Ａｌ系合金における基本的な組織状態（γ＋α２の二相合金）を決める成分であり、α２は高温強度は高い脆い相である。
前記Ａｌが２９（Ｗｔ％）以下の場合は、前記α２の比率が過大となって、脆性が大きくなる。
前記Ａｌが３２（Ｗｔ％）を超えると、前記α２の比率が過小となって、高温強度の低下度合いが大きくなる。
従ってＡｌ：２９〜３２（Ｗｔ％）が適当である。

（３）Ｎｂ（ニオブ）の成分範囲について
Ｎｂ濃度は、Ｔｉ−Ａｌ系合金における耐酸化性を向上させる成分であり、Ｎｂの添加量が多くなると耐酸化性が向上するが、その反面比重が増加するとともに製品コストが上昇する。
前記Ｎｂが１０（Ｗｔ％）以下の場合は、耐酸化性の向上効果が不十分であり、高温での使用時に羽根の減肉が著しくなる。
前記Ｎｂが１７（Ｗｔ％）を超えると、比重が増加するとともに製品コストが高騰してタービンロータに使用できなくなる。
従ってＮｂ：１０〜１７（Ｗｔ％）が適当である。

以上のように、Ｔｉ−Ａｌ系合金からなる前記タービンロータ１０１のホイール１０１ａにおける構成成分を、Ｃ：０．０５〜０．１２（Ｗｔ％）としたので、Ｃの添加量をかかる範囲に設定することにより、ホイール１０１ａの靭性を低下することなくクリープ強度を上昇できて、排ガス温度９５０℃以上の高温下での使用であっても、タービンロータ１０１の外径の膨出が抑制されて、高温運転下でのタービンロータ１０１の破損を防止できる。

次いで、図１（Ｂ）のように、前述のような根拠で以って前記成分範囲を設定したホイール１０１ａと、耐熱鋼材からなるタービンシャフト１０１ｂとをろう材１０２を挟んで対置した形態で、図１（Ｃ）のように加熱炉１１０内に設けた石英管１１３内の支え台１１４上に載置し、該石英管１１３内に不活性ガスを充満させる。
そして、図１（Ｃ）のように、前記加熱炉１１０の上部に設置した加圧装置１１４により前記ホイール１０１ａ上から荷重Ｆで前記ろう材１０２を挟み込んだ接合面を加圧しながら、加熱炉１１０の側部の周方向に所定間隔で設置した加熱装置１１２によって、赤外線Ｗを前記ホイール１０１ａ側部分に放射し、接合面を１０００〜１０８０℃に加熱して前記ろう材１０２を溶融させる。
これにより、前記ホイール１０１ａとタービンシャフト１０１ｂとは、前記接合面で強固に接合される。

次いで、図１（Ｄ）のように、かかる接合がなされたタービンロータ１０１を加熱炉１１０から取り出して、ろう付け部周辺のバリ取りを行った後、ホイール１０１ａとタービンシャフト１０１ｂとの接合面の外周及びタービンシャフト１０１ｂの外周面に研削等の機械仕上げを施す。
この場合、従来技術のようにタービンシャフト１０１ｂを１１００℃以上の高温に加熱しないので、前記ホイール１０１ａとタービンシャフト１０１ｂとの接合後の熱処理は行わない。

以上の実施例によれば、加熱炉１１０内において、タービンロータ１０１を構成するホイール１０１ａとタービンシャフト１０１ｂとを、赤外線Ｗを前記ホイール１０１ａ側部分に放射して接合面を１０００〜１０８０℃に加熱することにより、ろう付け接合するので、従来技術のようにタービンシャフト１０１ｂを１１００℃以上の高温に加熱することなく、ろう付け接合できることとなり、タービンシャフト１０１ｂの加熱による強度低下を回避できる。
これにより、かかる強度低下を補充するためのろう付け後における、従来技術のようなタービンシャフト１０１ｂ部分の熱処理を不要とすることとなり、かかる熱処理工程の廃止により、タービンロータ１０１の製造工数を低減できる。

また、赤外線Ｗを前記ホイール１０１ａ側部分に放射して該ホイール１０１ａを加熱し、その伝熱によって接合面を加熱するので、従来技術のようにタービンシャフト１０１ｂの１１００℃以上の高温加熱に伴いタービンシャフト１０１ｂ中のＦｅが拡散しＣ添加Ｔｉ−Ａｌ中のＣと反応してきわめて脆い炭化物が接合界面に形成されることによる接合部の強度低下の発生を回避できて、ろう付け接合部の強度を上昇できる。

また、前記従来技術における高周波加熱の加熱温度１１００℃以上よりも大幅に低い温度で線膨張率が大きいタービンシャフト１０１ｂが加熱されることから、タービンロータ１０１を接合してからの冷却後における接合部近傍での残留応力を低減できて、該残留応力による接合部近傍の割れの発生、該接合部外力による破断という不具合の発生を防止できる。

本発明は、以上の実施例に限定されることなく、ディスク部の外周に羽根が形成されたホイールと棒状に形成されたシャフトとをろう付けによって接合してなるロータの製造全般に適用可能である。

本発明によれば、ホイールとシャフトとをろう付けして構成されるろう付け型ロータにおいて、製造工数の増加を伴うことなくホイールとシャフトとのろう付け接合部の強度を上昇することにより、耐久性、信頼性を向上したロータの製造方法及び排気ターボ過給機用タービンロータを提供できる。

本発明の実施例に係るタービンロータの製造手順を示す説明図である。（Ａ）は、本発明の実施例に係るＣ（炭素）添加Ｔｉ−Ａｌ系合金からなるタービンロータＡと従来のＴｉ−Ａｌ系合金Ｂとの高温時における実験計測による伸びの時間変化の比較線図を示す線図、（Ｂ）は、高温時におけるタービンロータ１０１の周速に対する外径の膨出量の実験計測結果を示す線図である。本発明が適用されるタービンロータをそなえた可変容量排気ターボ過給機の回転軸線に沿う断面図である。

符号の説明

２ノズルベーン
１０タービンケーシング
１３軸受ハウジング
１００可変ノズル機構
１０１タービンロータ
１０１ａホイール
１０１ｂタービンシャフト
１０１ｃ羽根
１０１ｄディスク部
１０２ろう材
１１０加熱炉
１１２加熱装置
１１３石英管
１１４加圧装置

Claims

ディスク部の外周に羽根が形成されたホイールと棒状に形成されたシャフトとをろう付けによって接合してなるロータの製造方法であって、前記ホイールとシャフトとを加熱炉内に双方の接合面をろう材を介して対置し、赤外線を前記ホイール側部分に放射し接合面を１０００〜１０８０℃に加熱して前記ろう材を溶融させて、前記ホイールとシャフトとを前記接合面で接合することを特徴とするロータの製造方法。
前記接合後における前記シャフトの熱処理を廃止したことを特徴とする請求項１記載の
ロータの製造方法。
ディスク部の外周に羽根が形成されたホイールと棒状に形成されたシャフトとをろう付けによって接合してなるロータであって、前記ホイールの成分配合（Ｗｔ％）を、Ａｌ：２９〜３２，Ｎｂ：１０〜１７，Ｃ：０．０５〜０．１２，Ｔｉ及びその他の添加成分：残部に構成したことを特徴とするロータ。
エンジンからの排気ガスをタービンケーシング内で膨張させタービンロータに作用させ、該タービンロータによりエンジン給気加圧用のコンプレッサを直結駆動するように構成された排気ターボ過給機におけるタービンロータの製造方法であって、ディスク部の外周に羽根が形成されたホイールとシャフト（タービンシャフト）とを加熱炉内に双方の接合面をろう材を介して対置し、赤外線を前記ホイール側部分に放射し接合面を１０００〜１０８０℃に加熱して前記ろう材を溶融させ、前記ホイールとシャフトとを前記接合面で接合することを特徴とするタービンロータの製造方法。
エンジンからの排気ガスをタービンケーシング内で膨張させタービンロータに作用させ、該タービンロータによりエンジン給気加圧用のコンプレッサを直結駆動するように構成された排気ターボ過給機であって、前記タービンロータをディスク部の外周に羽根が形成されたホイールとシャフト（タービンシャフト）とをろう付けで接合して構成した排気ターボ過給機において、前記タービンロータは、前記ホイールの成分配合（Ｗｔ％）を、Ａｌ：２９〜３２，Ｎｂ：１０〜１７，Ｃ：０．０５〜０．１２，Ｔｉ及びその他の添加成分：残部に構成したことを特徴とする排気ターボ過給機。