JP3245346B2

JP3245346B2 - セラミックタービンロータの製造方法

Info

Publication number: JP3245346B2
Application number: JP07405696A
Authority: JP
Inventors: 一久板倉; 賢一水野; 融島森
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 1996-03-28
Filing date: 1996-03-28
Publication date: 2002-01-15
Anticipated expiration: 2016-03-28
Also published as: JPH09263455A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガスタービンロー
タやターボチャ-ジャロータ等の熱機関部品などに使用
される窒化珪素質のセラミックタービンロータの製造方
法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、窒化珪素は、金属と比べて高
温で安定であり、耐酸化特性、耐クリープ特性に優れて
いるため、例えばタービンロータの様なエンジン部品に
利用する研究が行われている。

【０００３】また、タービンロータの製造方法に関して
は、例えば特開昭６０−１１２７６号公報等に記載の技
術が知られている。これは、射出成形による部品の製造
には、脱脂工程の問題から肉厚に制限がある点を考慮し
た技術であり、形状が大きく一体での射出成形が不可能
なタービンロータを製造する場合には、形状が複雑な翼
部を射出成形により成形するとともに、形状が単純な軸
部を静水圧加圧成形により成形し、両者の脱脂体を嵌合
し焼成する方法である。

【０００４】この様なタービンロータを、窒化珪素を材
料として製造する場合の製造工程、即ち、窒化珪素質嵌
合タービンロータの製造工程を、図３に示す。まず、翼部を形成する場合には、窒化珪素原料と助剤
とを混合し乾燥した素地に、有機バインダ成分を加えて
ニーダー混練機により混練し、ペレット化した後に射出
成形を行なって翼部の形状を得ている。そして、翼部を
成形した後に、その脱脂を行なっている。尚、脱脂は、
通常、有機バインダが熱分解又は消失される温度まで加
熱することにより行なわれ、樹脂抜きと呼ばれる場合も
ある。

【０００５】前記混練工程においては、窒化珪素粒子の
粉砕が起こり、平均粒径が小さくなり、粒度分布が狭く
なると同時に、新しい窒化珪素表面の出現により、窒化
珪素が酸化されて素地中の酸素量（ＳｉＯ₂量）が増加
する。また、混練工程中に混練装置の摩耗により微量の
金属成分が混入するが、この金属成分は、わずかながら
緻密化を促進する。つまり、この混練工程を採用するこ
とにより、後の焼成工程にて翼部が緻密化の際に、収縮
し易くなる。

【０００６】一方、軸部を形成する場合は、窒化珪素
原料と助剤とを混合し乾燥・造粒した素地に、静水圧加
圧加工を施して、軸部の形状を得ている。そして、軸部
を成形した後に、外径修正等の後加工を行なってから脱
脂を行なっている。尚、この軸部の製造工程には、翼部
の様な混練工程がないため、その焼結の際に、軸部は翼
部と比較して収縮しにくいという傾向がある。

【０００７】次に、翼部と軸部とを嵌合させ、静水圧
加圧にて結合させた後に焼成して焼結させる。このと
き、前記収縮の傾向により、焼成工程の各焼成温度に於
ける翼部と軸部との密度の関係は、翼部＞軸部となり、
その差は相対密度で３〜１０％となる。その後、仕上げ
等の後加工を行なって窒化珪素質嵌合タービンロータを
完成する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述した方法でも、あ
る程度の品質の製品を製造することが可能であるが、例
えば直径１００ｍｍを越す様な大きな寸法のタービンロ
ータを、この方法で製造する場合には、焼結過程におけ
る翼部と軸部との相対密度の差によって、焼成後に、嵌
合面のキレ不良（嵌合面におけるクラックによる不良）
が多く発生するという問題があった。

【０００９】また、そのタービンロータのバースト回転
数（破壊する回転数）は、材料強度から予測される値よ
りもかなり低い値、例えば応力比が０．５程度と低い値
であるという問題もあった。（但し、応力比＝回転数か
ら計算される応力値／実際の材料強度）本発明は、前記課題を解決するためになされたものであ
り、窒化珪素質のタービンロータを嵌合及び焼成により
製造する場合に、不良品の発生率を低減するとともに、
バースト回転数を高くすることができるセラミックター
ビンロータの製造方法を提供することを目的とする。

【００１０】

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
の請求項１の発明は、射出成形した翼部脱脂体と、静水
圧加圧成形した軸部脱脂体とを嵌合した後に焼結する窒
化珪素質のタービンロータの製造方法において、窒化珪
素質素地に混練により有機バインダを混合しその混合物
を射出成形し脱脂した翼部脱脂体と、翼部の製造のため
に同混練によって得られた混合物を脱脂した後に静水圧
加圧成形した軸部脱脂体とを嵌合し、前記焼結を行なう
ことを特徴とするセラミックタービンロータの製造方法
を要旨とする。

【００１２】請求項２の発明は、射出成形した翼部脱脂
体と、静水圧加圧成形した軸部脱脂体とを嵌合した後に
焼結する窒化珪素質のタービンロータの製造方法におい
て、窒化珪素質素地に混練により有機バインダを混合し
その混合物を射出成形し脱脂した翼部脱脂体と、翼部用
の前記混練による混合物と同様な酸素量、金属量、粒
径、及び粒度分布を有する窒化珪素質材料を用いて静水
圧加圧成形した軸部脱脂体とを嵌合し、前記焼結を行な
うことを特徴とするセラミックタービンロータの製造方
法を要旨とする。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明者らは、上述した問題を解
決するために鋭意研究を重ねた結果、翼部と軸部の焼成
時における温度（焼結の過程での各温度）における密度
差が、嵌合部のキレ不良の発生と、バースト回転数の低
下に影響を及ぼしていることを見いだし、本発明を完成
した。

【００１４】焼結の過程の各温度における翼部と軸部と
の密度差を相対密度で１％以内とすることにより、嵌合
部のキレ不良を防止することができる。つまり、最終の
焼結温度だけでなく、焼結過程の温度領域において、即
ち焼結過程のどの段階においても翼部と軸部との密度に
大きな差があると、その段階で収縮量に差が生じて嵌合
部にキレが発生する。また、キレが発生しない場合で
も、収縮量の差によって翼部及び軸部に歪みが発生する
ため、この歪みが影響してバースト回転数が低下すると
考えられる。

【００１５】そこで、焼結過程の全ての温度領域におい
て、翼部と軸部との相対密度の差を１％以内とすること
により、両者の収縮量がほぼ等しくなり、キレの発生を
防止できるとともに、歪みの発生も抑えられ、バースト
回転数が向上するものと考えられる。

【００１６】請求項１の発明は、具体的に、翼部と軸部
との密度差を相対密度で１％以内とする手段を示したも
のである。ここでは、翼部脱脂体は、窒化珪素質素地に
混練により有機バインダを混合しその混合物を射出成形
し脱脂して形成し、一方、軸部脱脂体に関しては、翼部
の製造のために混練して得た混合物を材料として使用
し、脱脂した後に静水圧加圧成形する。

【００１７】つまり、翼部と軸部とを製造する場合に、
同じ混練工程にて、上述した様に、窒化珪素粒子の粉砕
により平均粒径が小さくなり、粒度分布が狭くなると同
時に、素地中の酸素量が増加し、また、金属粉が混入し
て緻密化が促進される。その結果、焼結の際の全ての温
度領域において、軸部は翼部と同様に緻密化するので、
翼部と軸部との密度差を相対密度で１％以内とすること
ができ、それによって、嵌合部のキレ不良を防止すると
ともに、バースト回転数を大幅に向上することができ
る。

【００１８】尚、軸部を形成するための混合物は、射出
成形ではなく静水圧加圧成形に用いられるので、不要な
有機バインダを除去するために、成形の前に脱脂され
る。また、静水圧加圧成形に先だって、通常は、脱脂後
の混合物の解砕及び造粒が行われる。

【００１９】請求項２の発明も、具体的に、翼部と軸部
との密度差を相対密度で１％以内とする手段を示したも
のである。ここでは、翼部脱脂体は、窒化珪素質素地に
混練により有機バインダを混合しその混合物を射出成形
し脱脂して形成するが、軸部脱脂体に関しては、前記請
求項１とは異なり、有機バインダを混練して得た混合物
を軸部用としてそのまま材料に用いるのではなく、それ
とは別に製造した材料を使用する。つまり、翼部用の混
合物と同様な酸素量、金属量、粒径、及び粒度分布を有
する窒化珪素質材料を用いて静水圧加圧成形を行なう。

【００２０】尚、この場合、軸部は静水圧加圧により成
形されるので、当然ながら、射出成形に用いられる有機
バインダは必要としない。この方法によっても、前記請
求項１とほぼ同様な効果が得られる。つまり、焼結の際
の全ての温度領域において、軸部は翼部と同様に緻密化
するので、翼部と軸部との密度差を相対密度で１％以内
とすることができ、嵌合部のキレ不良を防止するととも
に、バースト回転数を大幅に向上することができる。

【００２１】

【実施例】以下に、本発明のセラミックタービンロータ
の製造方法の実施例について説明する。（実施例）本実施例のセラミックタービンロータの製造
工程を、図１に示す。

【００２２】平均粒怪０．７５μｍ、α率９５％のＳ
ｉ₃Ｎ₄粉末に、平均粒径１〜３μｍのＹ₂０₃、ＡｌＮ、
Ａｌ₂０₈を（６：３：３）の重量の割合で湿式混合し、
スプレードライヤーで乾燥した。得られた粉末１００重
量部に対し、有機バインダとして、ポリエチレン樹脂
（１３重量部）、マイクロクリスタリンワックス（１０
重量部）及びジブチルフタレート（２重量部）を、合計
で２５重量部（体積で５０％相当）の割合で加え、混練
機にて１５Ｈｒ混練する。そして、この混練によって製
造した混合物を用いて、所定の射出条件にて射出成形機
にて翼部を成形した。

【００２３】次に、その翼部成形体に対し、非酸化雰囲
気中（例えば窒素雰囲気中）にて、脱脂を行った。例え
ば、４５０℃まで２．５℃／ｈｒの昇温速度で加熱し、
その後、昇温速度を７．５℃／ｈｒに増大して７００℃
まで昇温し、７００℃で２時間保持し、冷却した後に、
大気中にて、４５０℃まで１００℃／ｈｒの昇温速度で
加熱し、４５０℃で２時間保持することにより、脱脂を
行って、図２（ａ）に示す径寸法１００ｍｍの翼部脱脂
体１を得た。

【００２４】また、軸部の製造のために、同混合物に
ついて脱脂を行った。その脱脂の条件は、例えば、窒素
雰囲気中にて、４５０℃まで１０℃／ｈｒの昇温速度で
加熱し、その後、昇温速度を５０℃／ｈｒに増大して７
００℃まで昇温し、冷却した後に、大気中にて、４５０
℃まで１００℃／ｈｒの昇温速度で加熱し、４５０℃で
２時間保持するものである。

【００２５】その後、この混合物を解砕、造粒し、その
造粒粉（粒径５００μｍ以下）を用いて、軸部を静水圧
加圧成形し、図２（ｂ）に示す加工前の軸部脱脂体２を
得た。この加工前の軸部脱脂体２を、前記翼部脱脂体１
の嵌合孔１ａと密着して嵌合する様に、超硬バイトを用
いて図２（ｃ）に示す所定の形状に加工し、軸部脱脂体
３を得た。

【００２６】尚、図１の軸部の静水圧加圧成形の後の
（脱脂）は、使用される有機バインダ等の除去が十分で
ない場合等に適宜実施されるものである。次に、翼部脱脂体１と軸部脱脂体３とを嵌合した後、
窒素雰囲気中にて、昇温速度６００℃／ｈｒ、最終的な
焼成温度１７００℃という条件で、常圧焼結を行った。
最後に研磨加工を行って、図２（ｃ）に示すセラミック
タービンロータ４の焼結体を得た。（比較例）次に、後述する実験に使用する比較例のセラ
ミックタービンロータの製造方法について、簡単に説明
する。

【００２７】前記実施例と同様なＳｉ₃Ｎ₄粉末に、同
様の割合でＹ₂０₃、ＡｌＮ、Ａｌ₂０₈を加えて湿式混合
し、スプレードライヤーで乾燥した。得られた粉末に、
同様な割合で有機バインダを加え、ニーダー混練機にて
１５Ｈｒ混練した。その混合物を用い射出成形機にて翼
部を成形した。その翼部成形体を、前記実施例と同様
に、非酸化雰囲気にて脱脂を行ない、同様な形状の翼部
脱脂体を得た。

【００２８】また、平均粒径０．７５μｍ、α率９５
％のＳｉ₃Ｎ₄粉末に、平均粒径１〜３μｍのＹ₂０₃、Ａ
ｌＮ、Ａｌ₂０₃を（６：３：３）の重量の割合で湿式混
合し、スプレードライヤーで造粒乾燥した。その造粒粉
を用いて軸部を静水圧加圧成形し、所定の形状に加工し
て、実施例と同様な形状の軸部を得た。尚、この軸部の
場合、有機バインダを加えていないので、脱脂を行わな
い。

【００２９】次に、翼部脱脂体と軸部を嵌合した後、
窒素雰囲気、１７００℃で常圧焼結を行い、最後に研磨
加工を行って、実施例と同様な形状のセラミックタービ
ンロータの焼結体を得た。（実験例）次に、本実施例の効果を確認するために行っ
た実験例について説明する。

【００３０】上述した実施例の方法でセラミックタービ
ンロータを製造する場合において、その焼結の過程の各
温度における相対密度を、翼部及び軸部に分けて測定し
た。そして、その相対密度の密度差（＝翼部の密度−軸
部の密度）も求めた。各温度に於ける密度測定は、焼結
スケジュール上で任意の温度に到達した時点で焼成をや
め冷却し、アルキメデス法にて密度を測定した。

【００３１】但し、相対密度＝｛実際の密度（ｇ／ｃｍ
³）／混合組成における計算密度（ｇ／ｃｍ³）｝×１０
０（％）また、焼成後の翼部と軸部との嵌合部のキレ不良を観察
し、キレ不良率を求めた。

【００３２】但し、キレ不良率＝３０本の試作による発
生率更に、完成したセラミックタービンロータを回転させ
て、そのバースト回転数を測定した。それらの実験結果
を下記表１に記す。また、比較例の製造方法でもセラミ
ックタービンロータを製造し、同様な実験を行った。そ
の結果を同じく表１に記す。

【００３３】

【表１】

【００３４】この表１から明かなように、同じように混
練した混合物を翼部及び軸部の材料とする本実施例の製
造方法では、焼結の過程の各温度における翼部と軸部と
の相対密度の密度差が１．０％以内であり、密度差が小
さいので、焼結されたセラミックタービンロータの嵌合
部におけるキレ不良の発生率が０％と好適であった。ま
た、バースト回転数に関しても、１４７０００ｒｐｍと
高く、この点からも好適であった。

【００３５】これに対して、比較例の（同じように混練
した混合物を用いない）製造方法では、焼結の過程の各
温度における翼部と軸部との相対密度の密度差が１．０
％を上回ることがあり、密度差が大きいので、焼結され
たセラミックタービンロータの嵌合部におけるキレ不良
の発生率が５０％と多く好ましくない。また、バースト
回転数に関しても、１２１０００ｒｐｍと低く、この点
からも好ましくない。

【００３６】尚、本発明は前記実施例になんら限定され
るものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲におい
て種々の態様で実施しうることはいうまでもない。

【００３７】

【発明の効果】以上詳述した様に、請求項１及び請求項
２の発明の窒化珪素質の嵌合及び焼結によって製造する
セラミックタービンロータの製造方法によれば、焼結さ
れたセラミックタービンロータの嵌合部におけるキレ不
良の発生率が低くなり、しかも、バースト回転数が高く
なるという顕著な効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例のセラミックタービンロータの製造工
程を示す説明図である。

【図２】実施例のセラミックタービンロータを示し、
（ａ）はその翼部を一部破断して示す正面図、（ｂ）は
その軸部を示す正面図、（ｃ）はタービンロータを一部
破断して示す正面図である。

【図３】従来のセラミックタービンロータの製造工程
を示す説明図である。

【符号の説明】

１…翼部脱脂体２…加工前の軸部脱脂体３…軸部脱脂体４…セラミックタービンロータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＣ０４Ｂ 35/64 Ｚ (56)参考文献特開昭60−11276（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−111975（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−111976（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−88201（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C04B 35/584 - 35/622 C04B 35/64 - 35/645 C04B 37/00 B28B 1/24 F01D 5/02

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】射出成形した翼部脱脂体と、静水圧加圧
成形した軸部脱脂体とを嵌合した後に焼結する窒化珪素
質のタービンロータの製造方法において、窒化珪素質素地に混練により有機バインダを混合しその
混合物を射出成形し脱脂した翼部脱脂体と、翼部の製造
のために同混練によって得られた混合物を脱脂した後に
静水圧加圧成形した軸部脱脂体とを嵌合し、前記焼結を
行なうことを特徴とするセラミックタービンロータの製
造方法。
【請求項２】射出成形した翼部脱脂体と、静水圧加圧
成形した軸部脱脂体とを嵌合した後に焼結する窒化珪素
質のタービンロータの製造方法において、窒化珪素質素地に混練により有機バインダを混合しその
混合物を射出成形し脱脂した翼部脱脂体と、翼部用の前
記混練による混合物と同様な酸素量、金属量、粒径、及
び粒度分布を有する窒化珪素質材料を用いて静水圧加圧
成形した軸部脱脂体とを嵌合し、前記焼結を行なうこと
を特徴とするセラミックタービンロータの製造方法。