JP2752768B2

JP2752768B2 - タービンロータの接合構造

Info

Publication number: JP2752768B2
Application number: JP2081934A
Authority: JP
Inventors: 正也伊藤; 聖二森
Original assignee: Nippon Tokushu Togyo KK
Current assignee: Nippon Tokushu Togyo KK
Priority date: 1990-03-29
Filing date: 1990-03-29
Publication date: 1998-05-18
Anticipated expiration: 2013-05-18
Also published as: US5076484A; JPH03279277A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、タービンロータの接合構造に関し、詳しく
はセラミックス製タービン翼の軸部と金属製の軸部材と
を接合したタービンロータの接合構造に関する。

［従来の技術］従来より、セラミックス製のタービン翼を備えたター
ビンロータの接合構造としては、セラミックス製タービ
ン翼の軸部と金属製の軸部材とを同軸に接合したものが
知られており、この軸部及び軸部材の接合を強固にする
ために金属製スリーブを使用した各種の技術が提案され
ている。

例えば、第６図（Ａ）に示すタービンロータP1は、セ
ラミックス製タービン翼P2の軸部P3と、低膨張金属製ス
リーブP4とが、ろう付けや焼ばめ等で接合された後に、
スリーブP4端部の接合面P5で、金属製の軸部材P6とスリ
ーブP4とが溶接により接合されたものである。

また、第６図（Ｂ）に示すタービンロータP7は、セラ
ミックス製タービン翼P8の軸部P9と、低膨張金属製スリ
ーブP10と、金属製の軸部材P11とが、接合層P12を介し
て、ろう付けにより一体に接合されたものである。

［発明が解決しようとする課題］ところが、この様な技術では下記の問題があり、必ず
しも十分ではなかった。

即ち、前者の技術では、タービン翼P2とスリーブP4と
軸部材P6とを、同時に接合することができず、作業工程
数が多くなってしまうという問題がある。

また、後者の技術では、スリーブP10と軸部材P11との
接合部分が400℃以上に上昇する場合には、ろう付けに
使用するろう材P13が酸化することがあり、それによっ
て接合強度が低下して、金属軸P11の抜けや金属部材側
での破損が発生するという問題がある。

本発明は、作業工程が少なく接合強度が高いタービン
ロータの接合構造を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段及び作用］かかる課題を解決するための請求項１の発明は、セラミックス製のタービン翼の軸部と金属製の軸部材
とが、金属製スリーブの貫通孔内でろう付により接合さ
れたタービンロータの接合構造において、上記金属製スリーブには上記貫通孔の中心軸側に第１
の凸部が張り出すとともに、上記軸部材には上記第１の
凸部の内径より大きな外径の第２の凸部が外周方向に張
り出し、更に上記第１の凸部と第２の凸部との内側側面
が互いに掛合するとともにろう付けにより接合されたこ
とを特徴とするタービンロータの接合構造を要旨とす
る。

また、請求項２の発明は、上記タービン翼の軸部の端面と軸部材の端面との間
に、Ni,Cu,Fe,Ag,コバール,Fe−Ni合金,W合金から選ば
れた１種以上からなる中間層を備えたことを特徴とする
請求項１記載のタービンロータの接合構造を要旨とす
る。

ここで、上記セラミックス製のタービン翼の材料とし
ては、窒化珪素，サイアロン等が好適である。

また、金属製スリーブとしては、コバール，インコロ
イ903等の低膨張金属を使用することが望ましい。

更に、金属製の軸部材の材料としては、SNCM439,SNCM
447,SNCM630等の合金鋼が好適である。尚、上記金属製
の各部材の接合部分の表面には、ろう材の漏れ性を向上
するために、Ni,Cu,Ag等のメッキを施してもよい。

また、ろう付けに用いられるろう材としては、銀ろ
う，銅ろう,Niろう等のろう材を使用でき、或はこれら
のろう材に、Tiを含有させたろう材を用いもよい。

上記中間層としては金属板が好適であり、金属板の材
料は、Ni,Cu,Fe,Ag等の軟質金属、或はコバール,FE−Ni
合金,W合金等の低膨張金属を使用できる。

また、第１の凸部及び第２の凸部の形状としては、金
属製スリーブや軸部材の表面を同じ高さで一周する凸条
のものが、応力が均一になり接合強度も高いので好適で
ある。

［作用］金属製スリーブの貫通孔内に、セラミックス製のター
ビン翼の軸部と金属製の軸部材とを配置して、一体に組
み付けた場合、金属製スリーブに形成された第１の凸部
の内径より、軸部材に形成された第２の凸部の外径の方
が大きいので、第１の凸部と第２の凸部との内側側面同
志が互いに係合する。更に、その係合の際には、係合す
る部分を含んでろう付けによる接合が行われるので、金
属製スリーブ，軸部及び軸部材の結合が一回のろう付け
の作業工程で行なわれ、その強度も向上する。

また、上記の様な接合構造であるので、金属の部材同
志がろう付けされた部分、即ち、金属製のスリーブと軸
部材とのろう付け部分が酸化して接合強度が低下して
も、第１の凸部と第２の凸部との側面同志が互いに係合
しているので、軸部材の抜けや金属部材側での破損のお
それがない。

更に、上記タービン翼の軸部の端面と軸部材の端面と
の間に、上記組成の中間層を備えることにより、接合強
度の一層の向上が可能となる。

［実施例］以下、本発明の実施例について図面に基づいて説明す
る。

（第１実施例）第１図は、本発明をターボチャージャロータ（タービ
ンロータ）１に利用した第１実施例である。このタービ
ンロータ１は、セラミックス製（ガス圧焼結窒化珪素）
のタービン翼２と、該タービン翼２と一体に形成された
軸部３と、この軸部３と同軸に突き合わせて配置された
金属製のジャーナル軸（軸部材）４と、軸部３及び軸部
材４を内嵌する金属製のスリーブ５とから形成されてい
る。

上記軸部２の外径はφ12.0mmであり、その端面の外周
部６には、ダイアモンド砥石にて、C0.5mmの面取りが施
されている。

スリーブ５は、インコロイ903からなり、その一方の
端部には、自身の貫通孔７の中心軸側に向かって、鍔状
に張り出す第１の凸部８が形成されている。スリーブ５
の内径はφ12.1mm、第１の凸部８の内径はφ10.1mmであ
り、各々タービン翼２の軸部３及び軸部材４が嵌入でき
る様に設定されている。

軸部材４は、SNCM630からなり、その一方の端部には
外周方向に鍔状に張り出す第２の凸部９が形成されてい
る。この軸部材４の外径はφ10.0mm、第２の凸部９の外
径は12.0mmであり、第２の凸部９の厚さは1.5mmとされ
ている。

尚、ろう付けの際のろう材の漏れ性を向上させるため
に、スリーブ５の表面には５μｍのNiメッキに加えて25
μｍのCuメッキが施され、また軸部材４には５μｍのNi
メッキが施されている。

次に、上記タービンロータ１の製造方法について説明
する。

まず、第１図（Ｂ）に示すように、スリーブ５の貫通
孔７内に、軸部材４を第２の凸部９が形成されていない
側から挿入し、第１の凸部８と第２の凸部９を側面同志
を接触させて係合させる。更に、第１図（Ｃ）に示すよ
うに、貫通孔７内にタービン翼２の軸部３を嵌入させ
て、軸部材４の端部と突き合わせる。

この状態で、真空中で850℃で15分間加熱して、スリ
ーブ５と軸部３との間や第１の凸部８と第２の凸部９と
の間のろう付けを行うが、このろう付けに使用するろう
材（例えばBAg8）は、予め軸部３と軸部材４との間に円
盤状のものを挟んでもよいし、第１の凸部８と第２の凸
部９との間に環状のものを挟んでもよい。

そして、このろう付け後に、溝10や螺子11等の加工を
施して、タービンロータ１を完成する。

次に、第２実施例のタービンロータ20を、第２図に基
づいて説明する。

図に示すように、本実施例のタービンロータ20は、、
第１実施例のタービンロータ１とは軸部材21に形成され
た第２の凸部22の形状が異なる。

即ち、第２の凸部22は円柱形でなく、軸部材21の内側
側面24がテーパ状に形成され、円錐形となっている。従
って、その形状に応じて、スリーブ23の第１の凸部25の
内側側面26もテーパ状に形成されている。

本実施例では、第１の凸部25の根本部分が太くなって
いるので、第１の凸部25が大きな応力を受けても破損し
にくいという利点がある。

次に、第３実施例のタービンロータ30を、第３図に基
づいて説明する。

図に示すように、本実施例のタービンロータ30は、第
２実施例のタービンロータ20とは、軸部材31に形成され
た第２の凸部32の形状が異なる。即ち、第２の凸部32
は、円柱と円錐とを組み合わせた形状である。

本実施例では、第１の凸部33の根本部分だけでなく第
２の凸部32の根本部分も太くなっているので、第２の凸
部32が大きな応力を受けても破損しにくいという利点が
ある。

次に、第４実施例のタービンロータ40を、第４図に基
づいて説明する。

図に示すように、本実施例のタービンロータ40には、
中間層となる板材41が配置されている点が上記各実施例
と大きく異なる。

即ち、スリーブ42の貫通孔43内で、例えばNiからなる
直径φ12.0mm,厚さ0.25mmの板材41を挟んで、軸部44と
軸部材45とが突き合わされて、ろう材46によりろう付け
されている。尚、このろう材46は、軸部44と軸部材45と
の間だけでなく、スリーブ42と軸部44との間や板材41の
表面全体に広がっている。

本実施例では、上記組成の板材41を挟んでいるので、
接合強度が向上するという利点がある。尚、次に、上記第１実施例及び第４実施例のタービンロー
タ1,40の接合強度を確認するために行った実験につい
て、第５図に基づいて説明する。

（実験１）実験条件としては、自動車のエンジンを使用し、排ガ
ス温度900℃,120000rpmにて、100時間の耐久試験を行っ
た。その結果、第１及び実施例のタービンロータ1,40に
異常は認められず、また接合部分も良好であった。

（実験２）第５図に示すように、第１及び第２のタービンロータ
1,40を各々５個づつ製造し、軸部材4,45を保持し、ター
ビン翼２の頭部50に荷重Ｐを加えて、破壊実験を行っ
た。そして、嵌合端51から荷重位置（頭部50）までの距
離をｌとし、セラミックス径ｄとの関係より、タービン
ロータ1,40の接合部分の曲げ強度σを、下記式により
求めた。

その結果、第１実施例のタービンロータ１の平均の曲
げ強度σは、37kg/mm²であり、第４実施例のタービンロ
ータ40の平均の曲げ強度σは、42kg/mm²であり、共に強
度的には十分であった。特に、Niの板材41を中間層とし
て用いた第４実施例では、強度が大きく好適であった。

［発明の効果］本発明では、第１の凸部と第２の凸部とを係合させる
とともに、ろう付けして接合している。従って、タービ
ンロータの製造が簡単であるので、製造工程が低減でき
るという効果があり、しかも、酸化によってろう付けに
よる接合強度が低下しても、軸部材の抜けや金属部分側
の破損に至ることがなく信頼性が向上するという効果を
奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）は第１実施例のタービンロータの一部破断
図、第１図（Ｂ）はその一部を分解及び拡大して示す説
明図、第１図（Ｃ）は加工後のタービンロータを示す一
部破断図、第２図は第２実施例のタービンロータの説明
図、第３図は第３実施例のタービンロータの説明図、第
４図は第４実施例のタービンロータの一部破断図、第５
図は強度の実験を示す説明図、第６図は従来例のタービ
ンロータを示す一部破断図である。 1,20,30,40……ターボチャージャロータ（タービンロー
タ） 2,……タービン翼 3,44……軸部 4,21,31,45……軸部材 8,25,33……第１の凸部 9,22,32……第２の凸部 41……板材 5,23,42……スリーブ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C04B 37/02 F01D 5/04

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】セラミックス製のタービン翼の軸部と金属
製の軸部材とが、金属製スリーブの貫通孔内でろう付に
より接合されたタービンロータの接合構造において、上記金属製スリーブには上記貫通孔の中心軸側に第１の
凸部が張り出すとともに、上記軸部材には上記第１の凸
部の内径より大きな外径の第２の凸部が外周方向に張り
出し、更に上記第１の凸部と第２の凸部との内側側面が
互いに係合するとともにろう付けにより接合されたこと
を特徴とするタービンロータの接合構造。
【請求項２】上記タービン翼の軸部の端面と軸部材の端
面との間に、Ni,Cu,Fe,Ag,コバール,Fe−Ni合金,W合金
から選ばれた１種以上からなる中間層を備えたことを特
徴とする請求項１記載のタービンロータの接合構造。