JP2013148050A

JP2013148050A - 軸流圧縮機翼とその製造方法

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Publication number: JP2013148050A
Application number: JP2012010672A
Authority: JP
Inventors: Tomoaki Ikegaya; 智章池ヶ谷; Daisuke Hayashi; 大輔林; Makoto Aida; 真琴合田; Yuji Matsuzaki; 祐司松崎; Kei Shimada; 佳島田; Katsumi Ikeda; 克巳池田
Original assignee: Hitachi Metals Precision Ltd; Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd; Proterial Precision Ltd
Priority date: 2012-01-23
Filing date: 2012-01-23
Publication date: 2013-08-01
Anticipated expiration: 2032-01-23
Also published as: CN104081061A; EP2808560A4; EP2808560A1; JP5555727B2; US20150037163A1; CN104081061B; WO2013111694A1; CA2861476A1; US9631635B2; CA2861476C; EP2808560B1

Abstract

【課題】機械加工を多用する従来の技術に比べ、生産性が高く、製造コストが低廉な軸流圧縮機翼とその製造方法を提供する。
【解決手段】軸心周りの円周上に配置して使用される台座部２と翼部３を有する軸流圧縮機翼１であって、前記台座部２は、円周内側になる内径面、円周外側になる外径面、円周方向に延在する２つの環側面、軸方向に延在する２つの軸側面、および前記環側面に対して軸方向に凸状または凹状であって円周方向に延在して形成された連結部を有して成り、前記翼部３は前記台座部２から径方向に起立して延在して成り、前記台座部２と前記翼部３が金属粉末焼結組織を有して一体に形成されている、軸流圧縮機翼１である。軸流圧縮機翼１は例えばガスタービン用静翼である。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばガスタービンエンジンなどの機械装置類で使用される軸流圧縮機翼およびその製造方法に関する。

軸流圧縮機は、回転翼の前後に生じる圧力差を利用して気体を連続的に圧縮する機械装置であり、同目的の遠心式圧縮機に比べ、大きな流量を扱うことができ、圧縮機自体の小径化を可能とし、高圧縮率かつ高効率の性能が期待できる。反面、軸流圧縮機は、機械的な構造がより複雑であり、部品点数が多く、必然的に高価なものになってしまう。
このような軸流圧縮機は、例えば、航空用ガスタービンエンジン（ジェットエンジン）が知られる他、高速船や発電機等のガスタービンエンジンや、気流分離装置、集塵機、真空ポンプ、風洞、プロパン（天然ガス）酸化脱水素装置、パイプライン圧送装置などにおいて多用されている。

ガスタービンエンジンのように比較的大型な軸流圧縮機では、一般に翼部と台座部を有して成る、高速回転する動翼（ロータ）や回転しない静翼（ステータ）などの軸流圧縮機翼が使用される。これらの翼部品において、翼部は専ら幾何学形状的に厳しく要求される空力学的形状を有し、台座部は回転軸やケーシングに取り付けるための連結部などを有し、全体としては複雑な形状に設計されることが多い。それ故に、このような翼部品は、例えば、基本的な翼部品形状を鍛造または鋳造によって得て、この後に幾つかの機械加工工程を経て、最終的に所望の翼部品の寸法形状を得る方法（特許文献１）を適用して製造される場合が専らである。また、翼部の羽根形状を５軸フライス装置あるいは精密鍛造で形成する方法（特許文献２）も知られている。

ＷＯ２００４／１１１３９４号公報ＷＯ２００６／０１５８９９号公報

特許文献１または２に開示された従来の技術は、機械加工を多用するものであって、軸流圧縮機翼の製造開始から最終製品を得るまでの全製造工程に占める機械加工の割合が極めて大きい。それ故に、軸流圧縮機翼について、製造時間の短縮や材料歩留の向上が阻害され、生産性向上や製造コスト低減が進み難いひとつの要因になっていた。
本発明の目的は、機械加工を多用する従来の技術よりも生産性が高く、製造コストが低減できる軸流圧縮機翼の製造方法を検討し、より廉価な軸流圧縮機翼とその製造方法を提供することにある。

本発明者らは、台座部と翼部を有する特定形状が要求される軸流圧縮機翼に関して、従来実用化されていなかった金属粉末射出成形法の適用を検討した結果、上記課題が解決できることを見出して本発明に想到した。

すなわち、本発明に係る軸流圧縮機翼は、軸心周りの円周上に配置して使用される台座部と翼部を有する軸流圧縮機翼であって、前記台座部は、円周内側になる内径面、円周外側になる外径面、円周方向に延在する２つの環側面、軸方向に延在する２つの軸側面、および前記環側面に対して軸方向に凸状または凹状であって円周方向に延在して形成された連結部を有して成り、前記翼部は前記台座部から径方向に起立して延在して成り、前記台座部と前記翼部が金属粉末焼結組織を有して一体に形成されている。

本発明に係る軸流圧縮機翼においては、前記翼部の金属粉末焼結組織は、相対密度９５％以上、平均結晶粒径１０〜１００μｍを有することが好ましい。
本発明に係る軸流圧縮機翼は、例えばガスタービンエンジンの軸流圧縮機の静翼に適用できる。

また、上述した軸流圧縮機翼を得る本発明に係る軸流圧縮機翼の製造方法は、軸心周りの円周上に配置して使用される台座部と翼部を有する軸流圧縮機翼の製造方法であって、金属粉末射出成形法による成形体形成工程と焼結体形成工程とを備え、前記成形体形成工程において、円周内側になる内径面、円周外側になる外径面、円周方向に延在する２つの環側面、軸方向に延在する２つの軸側面、および前記環側面に対して軸方向に凸状または凹状であって円周方向に延在して形成された連結部を有して成る前記台座部に対応する台座形状部と、前記台座部から径方向に起立して延在して成る前記翼部に対応する翼形状部とを有する成形体を形成し、前記焼結体形成工程において、前記成形体を構成する金属粉末を焼結して前記軸流圧縮機翼に対応する形状を有する金属粉末焼結体を形成し、前記台座部と前記翼部が一体に形成された金属粉末焼結組織を有する前記軸流圧縮機翼を得る。

本発明に係る軸流圧縮機翼の製造方法においては、前記翼部の金属粉末焼結組織を、相対密度９５％以上、平均結晶粒径１０〜１００μｍに形成することが好ましい。
また、前記軸流圧縮機翼はガスタービン用静翼の製造方法であってよい。

本発明は、機械加工を多用する従来の技術とは異なり、最終製品となる軸流圧縮機翼に対応する形状を有する金属粉末焼結体を形成するため、軸流圧縮機翼の全製造工程に占める機械加工の割合を極めて小さくできる。よって、台座部と翼部を有する特定形状が要求される軸流圧縮機翼に関して、上述した従来の技術に拠るよりも生産性の向上や製造コストの低減が期待できる。

本発明に係る軸流圧縮機翼の好ましい実施形態の斜視図である。図１に示す軸流圧縮機翼の側面図である。図１に示す軸流圧縮機翼のＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面図である。本発明に係る同軸流圧縮機翼の製造方法の好ましい製造プロセスの一例を示す工程図である。

本発明の軸流圧縮機翼に係る重要な技術的特徴は、台座部と翼部を有する特定形状が要求される軸流圧縮機翼の製造において、金属粉末射出成形法の適用により、最終製品となる軸流圧縮機翼に対応する形状を有して成る金属粉末焼結体を形成することにある。
これにより、原料となる金属粉末から直接的に最終製品と近似する形状を有する金属粉末焼結体を得ることができ、軸流圧縮機翼の全製造工程に占める機械加工の割合を極めて小さくできる。この後は、必要に応じて、得られた前記金属粉末焼結体に対して所望の寸法精度に仕上げるための機械加工等を施すなどして、台座部と翼部を有する軸流圧縮機翼を得ることができる。

本発明の好ましい実施形態について、適宜図面を参照して説明する。
図１は、本発明に係る軸流圧縮機翼の好ましい実施形態の斜視図である。図１に示す軸流圧縮機翼１は、圧縮機のハウジングのような支持部材（図示略）に取り付けるための台座部２と、台座部２の一面から起立して延在する翼部３とを有する。該翼部３を軸流圧縮機の径方向Ｄ１に起立した場合は、該翼部３および台座部２の前記一面が圧縮機内を通過する気体に曝されることになる。

例えば、軸流圧縮機翼１をガスタービン用静翼として使用する場合、台座部２の前記一面がガスタービンの軸心の径方向Ｄ１の内側となるように、前記軸心周りの円周上に複数の軸流圧縮機翼１を配置し、翼部３を幾何学形状的に複雑な曲面の組合せによって構成された空力学的形状を有するようにできる。この場合、台座部２は、円周内側になる内径面２ｂ（前記一面）と、円周外側になる外径面２ｃと、円周方向Ｄ２に延在する２つの環側面２ｄと、前記軸心の軸方向Ｄ３に延在する２つの軸側面２ｅとを有する。また、台座部２における軸方向Ｄ３の両端面である環側面２ｄには、軸方向Ｄ３に凹状であって円周方向Ｄ２に延在する溝でなる連結部２ａが形成されている。この連結部２ａは、台座部２を前記ハウジングのような支持部材に取り付けて支持するためのものであり、上述した凹状の溝でなる構成以外にも、例えば軸方向Ｄ３に凸状に突出する連結突起で成る構成であってもよい。

本発明に係る軸流圧縮機翼１は、台座部２と翼部３が金属粉末焼結組織を有して一体に形成されている。台座部２と翼部３が一体に形成された金属粉末焼結組織を有する構成にすることにより、原料となる金属粉末から直接的に最終製品と近似する形状を有する金属粉末焼結体を得ることができる、金属粉末射出成形（MIM：Metal Injection Molding）を、軸流圧縮機翼の製造方法として適用することができる。これにより、少なくとも前記金属粉末焼結体を得るまでは、生産性や材料歩留を低下させるほどの機械加工を行うことがなくなるので、全製造工程に占める機械加工の割合を極めて小さくできる。この後は、必要に応じて前記金属粉末焼結体に対して機械加工等を施すなどして、例えば連結部２ａなどを所望の寸法精度に仕上げることで、台座部２と翼部３を有する軸流圧縮機翼１を得ることができる。

このような台座部２と翼部３が金属粉末焼結組織を有して一体に形成されている軸流圧縮機翼１は、本発明の軸流圧縮機翼の製造方法によって製造することができる。具体的には、金属粉末射出成形法による成形体形成工程と焼結体形成工程を備え、前記成形体形成工程において、台座部２に対応する台座形状部と、台座部２から径方向Ｄ１に起立して延在して成る翼部３に対応する翼形状部とを有する成形体を形成し、前記焼結体形成工程において、前記成形体を構成する金属粉末を焼結して軸流圧縮機翼１に対応する形状を有する金属粉末焼結体を形成する。

本発明者らが、上述した本発明の製造方法の適用が特に有効と考える軸流圧縮機翼は、例えば、台座部は、外径面や内径面の縦横寸法が５０ｍｍ以下、軸側面や環側面の一辺に相当する厚さ(軸流圧縮機の径方向)１５ｍｍ以下であって、翼部は、台座部からの起立高さが５０ｍｍ以下、翼幅が５０ｍｍ以下、翼厚の最大部が５ｍｍ以下であるような、寸法や形状を有して成るものである。このように比較的小さな軸流圧縮機翼は、周知の鋳造や鍛造といった技術によって高精度で製造することがかなり難しいため、最終製品形状に近似の形状を直接的に成形できるＭＩＭの適用が有効となる。なお、上述した寸法を超えるような軸流圧縮機翼になると、ＭＩＭの適用は可能であるものの、相当大きな金型の搭載や高圧射出が可能な大型の射出成型機を要するため、射出成形サイクルが長くなることや設備投資が増えることなど、生産性や製造コストに影響が及ぶ場合がある。

次に、上述した本発明の軸流圧縮機翼の製造方法について、軸流圧縮機翼１の製造プロセスの一例を示す工程図である図４を参照して説明する。
軸流圧縮機翼１は、主たる製造工程として金属粉末射出成形法に係る成形体形成工程と焼結体形成工程を備え、具体的には例えば図４に示すような第１工程から第１０工程で構成される製造プロセスにより製造することができる。なお、金属粉末射出形成法に係る直接的な工程は第１工程から第５工程である。以下、工程毎に説明する。

［第１工程］
第１工程は、材料混練処理１１であり、金属粉末やバインダなどからなる混合物を混練機によって十分に混練し、ＭＩＭに好適な成形原料を得る工程である。金属粉末は、例えばＦｅ−Ｃｒ−Ｃｏ系やＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ系のＦｅ基合金粉末のようなステンレス系合金でなる金属粉末が使用できる。また、バインダは、例えば、ワックス類としてはパラフィンワックスやカルナバワックスなどから選定して使用でき、高分子樹脂としてはポリエチレン、ポリプロピレン、アクリル樹脂類、ＥＶＡ（エチレン−酢酸ビニル共重合樹脂）、スチレン系ゴムなどから１種または複数を選定して使用できる。この他、必要に応じて添加剤などを加えることができる。

本発明においては、金属粉末は、一般に微粉ほど焼結性が良好であることから、金属粉末焼結体の密度を高めるには、微粉であるほど有効である。しかし、ＭＩＭに好適な金属粉末は、一般に微粉ほど高価になるため、実用上は平均粒径５〜１５μｍの金属粉末が好ましい。また、成形原料の配合に関しては、「金属粉末」対「バインダ他の総量」を「５０〜６５体積％」対「５０〜３５体積％」とし、さらに「バインダ他の総量」における「ワックス類」対「高分子樹脂類」を「４０〜６５体積％」対「６０〜３５体積％」とすることが好ましい。具体例としては、Ｆｅ基合金（主たる添加元素は質量％でＣｒが１０．６％、Ｃｏが５．８％、Ｍｏが０．８％、Ｎｉが０．５％）でなる平均粒径８μｍの金属粉末と、パラフィンワックスとポリプロピレンとスチレン系樹脂を含むバインダを、それぞれ質量比９２．５対７．５で配合した成形原料が使用できる。このような金属粉末を含む成形原料の使用により、後述する成形体や金属粉末焼結体の形成が容易になる。

本発明でいう相対密度は、ＪＩＳ−Ｚ２５００で定義される相対密度と同義であって、実態となる金属粉末焼結体の質量をその寸法から求めた体積で除した実態密度と、金属粉末焼結体の焼結組織中において金属粉末が独立して存在しているものと仮定し、これらの理論上の密度を用いて使用原料の配合組成から求めた理論密度との比であり、すなわち実態密度を理論密度で除した値を百分率で表した値である。また、本発明でいう平均粒径は、レーザ回折・散乱法粒度分布測定装置などを使用して得た値であって、具体的には、分散媒中に懸濁された粉末状の試料にレーザ光を当てて得られた光の散乱現象を利用し、散乱光の強度分布を複数の光学検出器で測定して収集された散乱光情報をＡ／Ｄ変換した後、コンピュータによる解析・演算処理により得られる。粒度分布は、体積基準であって、横軸を粒径、縦軸を頻度あるいは累積として出力され、累積で５０％の時の粒径を平均粒径としている。

［第２工程］
第２工程は、本発明において重要である成形体形成工程に相当する射出成形処理１２である。射出成形処理１２では、ＭＩＭ対応の射出成形機を用いて、材料混練処理１１で得た前記成形原料を金型の軸流圧縮機翼１に対応するキャビティに注入することにより、台座部２に対応する台座形状部および翼部３に対応する翼形状部を有して成る成形体を形成する。この射出成形処理１２は重要な工程のひとつであって、得られる成形体の寸法、形状、金属粉末の均一分散を含む組織的構成などが、最終的に得られる金属粉末焼結体の寸法、形状、金属粉末焼結組織、機械的特性などに、大きな影響を及ぼすことになる。なお、金型の前記キャビティは、軸流圧縮機翼１の寸法や形状に限らず、得られた成形体の冷却や乾燥による収縮、この成形体からの脱脂による歪、金属粉末焼結による焼結体の収縮、さらには台座部２と翼部３の複雑な形状に起因する金属粉末焼結時の歪などを考慮の上、形成することが好ましい。

本発明においては、射出成形時に、前記金型を温度調整装置などにより温度域２０〜４０℃に保持し、前記成形原料を射出成形機に付帯する温度調節機能などにより温度域１４０〜１６５℃に保持し、射出圧力域４０〜１２０ＭＰａ、射出速度域２０〜４０ｇ/秒に設定することが好ましく、これにより、軸流圧縮機翼の金属粉末焼結組織を上述のように好適に形成しやすくなる。また、ＭＩＭにより成した成形体は、多量の金属粉末を含むことから熱伝導量が大きく金型への伝熱が速く進むため、一般の樹脂原料のみで成る射出成形体よりも冷却されやすい。このため、成形体を金型から離型する場合は、離型後の成形体の変形抑止のため、成形体を必要十分な冷却時間６〜２５秒を置いて後に離型することが好ましい。

［第３工程］
第３工程は、バリ除去処理１３であり、射出成形処理１２で形成した前記成形体において、前記成形原料の注入口に対応する凸部３０や、金型の合せ面に対応して形成される線状凸痕跡（パーティングライン）などを、この後の工程で支障のない程度に機械加工により除去する工程である。なお、この後の工程で支障がない場合、バリ除去処理１３は省略することができる。

［第４工程］
第４工程は、脱脂処理１４であり、前記成形体に内在するバインダのワックス類を金属粉末焼結に支障がない程度まで除去し、バインダの高分子樹脂によって金属粉末が架橋されて成る成形体にする工程である。ワックス類の除去方法としては、そのワックス類のみを溶解可能な溶媒に浸漬して除去する溶媒脱脂法や、そのワックス類が溶融して滲み出る程度の温度域、さらに分解して揮発する温度域まで緩やかに加熱して除去する加熱脱脂法などが適用できる。成形体の歪などの抑止を考慮すれば、まず溶媒脱脂法により多くのワックス類を除去し、次いで加熱脱脂法により残存するワックス類を除去することが好ましい。また、脱脂条件の調整により、ワックス類に限らず、バインダの高分子樹脂もまた、脱脂処理後の成形体が損傷しない程度に、かつハンドリングが可能な程度に、除去することができる。

本発明において、溶媒脱脂の場合、一般的な加熱機能を備えた洗浄機などを利用でき、特に揮発性が高い溶媒を使用するときは、環境上また作業衛生上、気密性の高い装置の利用が好ましい。溶媒の温度は、成形原料に含むワックス類の融点（例えば４５〜８０℃）に対して僅かに高く（例えば５〜１０℃高く）すると脱脂時間の短縮が期待できる。ただし、ワックス類の融点以上に曝された成形体の歪や軟化変形の抑止を考慮し、溶媒は使用するワックス類や成形体の形状寸法などに適合する温度で使用することが好ましい。具体例としては、上述した融点が５５℃のパラフィンワックスとポリプロピレンとスチレン系樹脂を含むバインダを使用した場合、パラフィンワックス可溶性の溶媒により温度６０℃で浸漬時間１ｈの溶媒脱脂を行うことができる。

また、加熱脱脂の場合、３００℃程度の加熱が可能な雰囲気循環式オーブンなどが利用でき、除去されたバインダは排気系において捕獲できる。上述したようなワックス類は、およそ１２０〜１５０℃の温度域から揮発するため、室温（２５℃）から１５０℃程度までを１０〜３０℃／ｈの速度で昇温することが好ましく、ワックス類の過度な膨張による成形体の歪や変形を抑止できる。具体例としては、上述したパラフィンワックスとポリプロピレンとスチレン系樹脂を含むバインダを使用した場合、大気雰囲気において１６時間で温度１７５℃まで緩やかに昇温し、４時間保持することによりパラフィンワックスを除去できる。

［第５工程］
第５工程は、本発明において重要である焼結体形成工程の主体となる金属粉末焼結処理１５である。金属粉末焼結処理１５では、脱脂処理１４を施した脱脂後の成形体を焼結炉に静置し、脱脂後の成形体に残存するワックス類や高分子樹脂などの金属粉末以外の成分を除去する過程を経て、この成形体を構成する金属粉末を焼結することにより、軸流圧縮機翼１に対応する形状を有する金属粉末焼結体を形成する。この金属粉末焼結処理１５は重要な工程のひとつであって、金属粉末焼結に係る焼結炉の温度制御パターン（例えば、焼結のための保持温度や保持時間、昇温や降温のための温度パターンや速度など）や、処理中の炉内の実態温度分布や雰囲気などが、得られる金属粉末焼結体の寸法、形状、金属粉末焼結組織、機械的特性などに、大きな影響を及ぼすことになる。なお、この金属粉末焼結処理１５は、前記第４工程において、溶媒脱脂法を適用した後の成形体に対してさらに加熱脱脂法を適用する場合、この加熱脱脂から連続的に行うことができる。

本発明において、金属粉末焼結は焼結専用炉などの熱処理炉を使用する。炉内は、脱脂後の成形体に残存するバインダなどを完全に除去するため、例えば、昇温速度６０℃／ｈで５００〜６５０℃の温度域に昇温し、その到達温度で１．５ｈ程度保持し、この後さらに昇温し、焼結温度域１３２０〜１３６０℃で３ｈ程度保持するなどで制御し、成形体を構成する金属粉末を焼結させることが好ましい。この場合、炉内の雰囲気は、脱脂時は減圧もしくは水素雰囲気とし、金属粉末の焼結時は減圧雰囲気とすることができる。具体例としては、上述したＦｅ基合金（主たる添加元素は質量％でＣｒが１０．６％、Ｃｏが５．８％、Ｍｏが０．８％、Ｎｉが０．５％）でなる金属粉末を使用した場合、上述した加熱脱脂に引き続き減圧しながら昇温し、温度１３３０℃で保持時間２ｈの焼結処理を行うことができる。

このような金属粉末焼結処理により、軸流圧縮機翼１に対応する形状であって金属粉末焼結組織を有し、台座部が、特に翼部が、相対密度９５％以上、平均結晶粒径１０〜１００μｍを有して形成された、好適な機械的特性を有する軸流圧縮機翼にできる金属粉末焼結体が得られる。本発明に係る軸流圧縮機翼の金属粉末焼結組織においては、相対密度は９７％以上がより好ましく、密度が高まった分だけ靱性の向上が期待できる。また、平均結晶粒径は２５〜７５μｍがより好ましく、特に靱性の低下を回避したい場合はより小さな平均結晶粒径となるように条件を選ぶとよい。ただし、より小さな平均結晶粒径を得ようとすると、上述した温度域の低温側で長時間の焼結処理になる場合が多いため、平均結晶粒径の選定は生産性も考慮して選定するとよい。

［第６工程］
第６工程は、ＨＩＰ処理１６であり、前記金属粉末焼結体に対して熱間等方圧加圧（ＨＩＰ）処理を行う工程であり、省略することもできる。ＨＩＰ処理１６は、ＨＩＰ専用炉などを使用し、炉内を、例えば、圧力１００ＭＰａ、保持温度１１６０℃、アルゴンガス雰囲気とし、前記金属粉末焼結体を３ｈ程度保持することが好ましい。これにより、前記金属粉末焼結体に内在する比較的大きな空間を確実に潰し、より微細な隙間や亀裂を可能な限り潰し、その結果として金属粉末焼結体の密度を高めて機械的強度を向上し、より好適な金属粉末焼結組織を得ることができる。

［第７工程］
第７工程は、矯正処理１７であり、前記金属粉末焼結体に有害な歪を有する場合、その歪が無害化される程度に、前記金属粉末焼結体の形状を強制的に修正する工程である。本発明に係る軸流圧縮機翼１の場合、特に翼部３に対応する翼形状部に歪を有することが多い。例えば、翼形状部を矯正する場合、その翼形状部の表面硬さが矯正に好適でない程に硬いときには焼鈍処理を行って矯正に好適な硬さにしておくことが好ましく、矯正時に割れなどの発生を抑制することができる。また、実際の矯正は、所望する翼形状部の翼面の表裏形状に対応する形状を有して成る一対の矯正治具を用いて前記翼面を挟み込み、例えば油圧式や機械式などのプレス装置を使用して加圧する手段により、翼形状部を矯正することができる。上述した表面硬さに基づく焼鈍処理や、プレス装置を使用する矯正手段については、翼形状部以外の台座形状部などを矯正する場合も好ましい手段になる。なお、有害な歪を有さない金属粉末焼結体が得られた場合、矯正処理１７は省略できる。

［第８工程］
第８工程は、焼入れ処理１８であり、上述した金属粉末焼結処理１５を経て、あるいは必要に応じてＨＩＰ処理１６や矯正処理１７を経て、得られた金属粉末焼結体に対して熱処理を行って組織形態を調整し、主として所望の機械的特性を得る工程である。例えば、金属粉末焼結体がＦｅ−Ｃｒ−Ｃｏ系のＦｅ基合金から成る場合、大気圧のアルゴンガス雰囲気において、焼入れ温度１１００〜１２００℃、その保持時間２０ｍｉｎ〜１ｈ、油冷や水冷による強制冷却といった条件により、焼入れ処理１８を行うことが好ましい。具体例としては、上述したＦｅ基合金（主たる添加元素は質量％でＣｒが１０．６％、Ｃｏが５．８％、Ｍｏが０．８％、Ｎｉが０．５％）でなる金属粉末を使用した場合、アルゴンガス雰囲気の炉内により温度１１７０℃で保持時間０．５ｈの焼入れ処理を行うことができる。なお、上述した焼入れ温度や保持時間といった条件は、金属粉末焼結体の材質、組織形態、寸法や形状などにより、適宜設定することができる。また、この焼入れ処理１８は、後述する焼戻し処理との組合せによってその効果を発揮させることが通常であるし、材質によっては省略できる。

［第９工程］
第９工程は、焼戻し処理１９であり、焼入れ処理１８を経た金属粉末焼結体に対して焼戻し処理を行う工程である。例えば、金属粉末焼結体が上述したＦｅ−Ｃｒ−Ｃｏ系のＦｅ基合金から成る場合、焼戻し温度を５８０〜６５０℃に設定して数時間保持した後、大気などの気体の吹付けによる強制冷却するといった処理を行うことが好ましい。具体例としては、上述したＦｅ基合金（主たる添加元素は質量％でＣｒが１０．６％、Ｃｏが５．８％、Ｍｏが０．８％、Ｎｉが０．５％）でなる金属粉末を使用した場合、上述した焼入れ処理後、温度６１０℃で５ｈ保持し、大気による強制冷却する焼戻し処理を行うことができ、これを２度行うと好適である。また、金属粉末焼結体の硬さや組織形態によっては、同一条件による再度の焼戻し処理を行うこともでき、このような焼戻し処理を２段焼戻し処理ともいう。なお、上述した焼戻し温度などの条件は、焼入れ処理１８後の金属粉末焼結体の材質、硬さ、組織形態などにより、適宜設定することができる。また、この焼戻し処理１９は、上述した焼入れ処理１８との組合せによってその効果を発揮させることが通常であるし、材質によっては省略できる。

［第１０工程］
第１０工程は、仕上げ処理２０であり、上述した金属粉末射出形成法を適用した一連の製造工程を経て得た軸流圧縮機翼１に対応する形状を有して成る金属粉末焼結体を、所定の形状および寸法精度に仕上げる工程である。軸流圧縮機翼１では、台座部２をハウジングのような支持部材に取り付けることになる連結部２ａに対応する箇所について、切削や研削などの機械加工的によって仕上げる場合が多い。この連結部２ａの他、２つの軸側面２ｅに対応する箇所を仕上げることもできる。また、翼部３に対応する翼形状部の翼端や、台座形状部の周縁を仕上げることもできる。さらには、矯正処理１７が意図せず不十分であったり、その後の工程で新たな歪を生じたりした場合は、適宜、矯正治具や手作業などによる矯正処理を行うこともできる。

上述した製造プロセスを経て、本発明に係る軸心周りの円周上に配置して使用される台座部２と翼部３を有する軸流圧縮機翼１、すなわち、円周内側になる内径面２ｂ、円周外側になる外径面２ｃ、円周方向Ｄ２に延在する２つの環側面２ｄ、軸方向Ｄ３に延在する２つの軸側面２ｅ、および環側面２ｄに対して軸方向Ｄ３に凹状であって円周方向Ｄ２に延在して形成された連結部２ａを有して成る台座部２と、この台座部２から径方向Ｄ１に起立して延在して成る翼部３とを有し、台座部２と翼部３が金属粉末焼結組織を有して一体に形成されている、軸流圧縮機翼１を得ることができる。なお、連結部２ａは、軸方向Ｄ３に凸状に形成することもできる。

本発明を適用した図４に示す製造プロセスの場合、機械加工が主体となる工程が第１０工程に限られ、少なくとも第１工程から第５工程までは機械加工が主体ではない工程にできる。すなわち、軸流圧縮機翼１に対応する形状を有して成る金属粉末焼結体を得るまでは、直接的に機械加工を行う機会を極めて少なくできる。
よって、台座部と翼部を有する特定形状が要求される軸流圧縮機翼に関して、軸流圧縮機翼の全製造工程に占める機械加工の割合が低減できるので、機械加工を多用する従来の技術に拠るよりも、生産性の向上や製造コストの低減が期待できる。

１軸流圧縮機翼
２台座部
２ａ連結部
２ｂ内径面
２ｃ外径面
２ｄ環側面
２ｅ軸側面
３翼部
Ｄ１径方向
Ｄ２円周方向
Ｄ３軸方向
１１材料混練処理
１２射出成形処理（成形体形成工程）
１３バリ除去処理
１４脱脂処理
１５金属粉末焼結処理
１６ＨＩＰ処理
１７矯正処理
１８焼入れ処理
１９焼戻し処理
２０仕上げ処理
３０凸部

Claims

軸心周りの円周上に配置して使用される台座部と翼部を有する軸流圧縮機翼であって、
前記台座部は、円周内側になる内径面、円周外側になる外径面、円周方向に延在する２つの環側面、軸方向に延在する２つの軸側面、および前記環側面に対して軸方向に凸状または凹状であって円周方向に延在して形成された連結部を有して成り、
前記翼部は前記台座部から径方向に起立して延在して成り、
前記台座部と前記翼部が金属粉末焼結組織を有して一体に形成されている軸流圧縮機翼。
前記翼部の金属粉末焼結組織は、相対密度９５％以上、平均結晶粒径１０〜１００μｍである請求項１に記載の軸流圧縮機翼。
前記軸流圧縮機翼はガスタービン用静翼である請求項１または２に記載の軸流圧縮機翼。
軸心周りの円周上に配置して使用される台座部と翼部を有する軸流圧縮機翼の製造方法であって、
金属粉末射出成形法による成形体形成工程と焼結体形成工程とを備え、
前記成形体形成工程において、円周内側になる内径面、円周外側になる外径面、円周方向に延在する２つの環側面、軸方向に延在する２つの軸側面、および前記環側面に対して軸方向に凸状または凹状であって円周方向に延在して形成された連結部を有して成る前記台座部に対応する台座形状部と、前記台座部から径方向に起立して延在して成る前記翼部に対応する翼形状部とを有する成形体を形成し、
前記焼結体形成工程において、前記成形体を構成する金属粉末を焼結して前記軸流圧縮機翼に対応する形状を有する金属粉末焼結体を形成し、
前記台座部と前記翼部が一体に形成された金属粉末焼結組織を有する前記軸流圧縮機翼を得る軸流圧縮機翼の製造方法。
前記翼部の金属粉末焼結組織を、相対密度９５％以上、平均結晶粒径１０〜１００μｍに形成する請求項４に記載の軸流圧縮機翼の製造方法。
前記軸流圧縮機翼はガスタービン用静翼である請求項４または５に記載の軸流圧縮機翼の製造方法。