JP4698979B2 - 金属射出成形タービンロータと、同ロータへの金属シャフトの連結取り付け - Google Patents
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Description
ターボ過給機の一般的設計及び機能については、先行技術、例えば米国特許第4,705,463号、第5,339,064号、及び第6,164,931号に詳しく記載されており、その開示全体を、参考文献としてここに援用する。
TiAlロータを鋼製のシャフトに接続するために、マルテンサイト変態に煩わされることのないオーステナイト材料を介在させることが知られている。介在材料とタービンロータの間には、通常は溶接である第1の接合が必要であり、介在材料を介してロータをシャフトに取り付けるには、通常はこれも溶接である第2の接合が必要である。これらの余分な工程は、タービンロータ組立体の製造に、時間と経費を追加する。更に、介在材料の最終的な厚さを制御するのは難しい。
第2例として、イソベらに発行の米国特許第5,064,112号は、構造用鋼とTiAl部材の間に介在して、強力な摩擦溶接を形成しているオーステナイトステンレス鋼、又はニッケルベース又はコバルトベースの超合金の使用を開示している。
第4例として、アンブロジアクらに発行の米国特許第5,3114,106号は、鋼部材とTiAl部材を取り付けるために、それぞれ銅とバナジウムの2つの薄い中間層を提供している。上記4つの例は全て、追加工程、追加経費を必要とし、寸法的安定性が低下するという重大な欠点に煩わされる。
本発明のタービンロータ組立体には、当業者には周知の技術によって、寸法精度、バランス、及び/又は表面仕上げをよくするため、随意的に、機械加工仕上げが施される。
本発明の金属射出成形され焼結される物品は、金属粒子を結合剤内に混合したものを射出成形することによって準備される。金属粒子を結合剤内に混合したものを射出成形することによって準備された部品は、結合解除又は焼結前は、本明細書では「成形体」と呼んでいる。成形体は、当該技術では既知のように、結合解除段階と焼結段階を経て、それぞれ結合剤が取り除かれ、金属密度が増す。従って、TiAlロータの成形体、即ち「ロータ成形体」は、TiAl粒子と結合剤の混合物を射出成形することによって準備される。使用されるTiAl金属間化合物は、完成後の固められた状態で、作動中のターボ過給機内の温度と応力に耐え、腐食に抵抗することができるように選択されるが、それ以外には制限はない。
TiAl粉末は、射出成形に備え結合剤と混ぜ合わされる。結合剤は、ワックス、ポリエチレンやポリプロピレンのようなポリオレフィン、ポリスチレン、塩化ポリビニル、炭酸ポリエチレン、ポリエチレングリコール及び微細結晶ワックスを含む幅広い既知の結合材料の中から選択できるが、それらに限定されるわけではない。米国特許第5,332,537号に記載されている種類の水性結合剤システムと、米国特許第4,734,237号、第5,985,208号、及び第5,258,155号に記載されている寒天ベースの結合剤も適している。粉末金属との互換性、混合し易さ、成形特性、及び結合剤の熱分解生成物のチタンとの反応による有害な炭化チタンを形成する性質、を基準に、具体的な結合剤が選択される。熱可塑性結合剤が好ましい。
本明細書の何れも、本発明のロータシャフト組立体のロータ又はシャフトを、同じ金属組成を有するロータ又はシャフトに限定していると解釈すべきではない。二金属の金属射出成形が知られており(例えば、米国特許出願公開第US2003/0012677 A1号参照)、その場合、結合剤に混ぜられた異なる金属粉末組成物が、成形型の異なる部分に配置され、不均質な金属配置を有する物品が作られる。そのような方法は、本発明の工程と組み立てに十分に適合する。
従って、冶金学的接合は、固相拡散接合からの寄与を含んでいると推測され、或る種の金属の液相が生じる場合、融解接合、及び本明細書で用いている用語「冶金学的接合」は、この意味を有している。ゲゲル及びオットに発行の米国特許第6,551,551号を参照されたい。
本発明を説明するために本明細書で用いている用語は、一般的に定義されている意味としてのみ理解するのではなく、一般的に定義されている意味の範囲を超える特定の定義、構造、材料又は作用も含んでいる。従って、特許請求の範囲の言葉又は要素の定義は、本明細書では、字義通りに説明されている要素の組み合わせだけでなく、実質的に同じ機能を実質的に同じ方法で実行し実質的に同じ結果を得るるための全ての等価な構造、材料、又は作用も含むものと定義される。
従って、請求項は、具体的に上で図示し説明されているもの、概念的に等価なもの、明らかに代替できるもの、及び本発明の基本的着想を組み込んでいるもの、を含んでいるものと理解頂きたい。
以上、本発明を説明した。
Claims (10)
- 自軸(111)回りに回転してコンプレッサを駆動するためのターボ過給機に使用されている型式のロータシャフト組立体(101)の、チタンアルミナイド(TiAl)タービンロータ(103)を、鋼製のシャフト(107)のハブ(109)に軸方向に接合するための方法において、
(a)鋼製のシャフト(107)を、前記ロータ(103)の成形体(203)のハブ(209)に軸方向に取り付ける段階であって、前記成形体は結合剤と混ぜ合わされたTiAl粉末で形成されており、前記成形体(203)の前記ハブ(209)と前記シャフト(107)の間に隙間(211)を有する、取り付けられた状態の成形体(201)を形成する段階と、
(b)前記取り付けられた状態の成形体(201)から結合剤を除去し、焼結する段階と、から成り、
前記ロータ成形体(203)と前記隙間(211)は、焼結の間に前記ハブ(209)の前記シャフト(107)に対する密着嵌合状態を作り出し、それによって、前記ロータ(103)と前記シャフト(107)が接合されて前記ロータシャフト組立体(101)を形成するように選択される方法。 - 前記焼結は、1200℃から1430℃で、45分から2時間、行なわれる、請求項1に記載の方法。
- 前記粉末は、1μmから40μmの粒子サイズを有している、請求項1又は2に記載の方法。
- 前記粉末は、1μmから10μmの粒子サイズを有している、請求項1又は2に記載の方法。
- 前記結合剤は、ワックス、ポリオレフィン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、塩化ポリビニル、炭酸ポリエチレン、ポリエチレングリコール、及び微細結晶ワックス、又はそれらの混合物から成るグループから選択される、請求項1、3又は4に記載の方法。
- 前記結合剤の除去は、200℃から250℃の間の温度で行われる、請求項1、3、4又は5に記載の方法。
- 請求項1の方法に従って準備されたロータシャフト組立体(101)。
- 前記シャフト(107)はステンレス鋼からなる請求項7に記載のロータシャフト組立体(101)。
- 前記シャフト(107)の近位端は、ローレット付きシャフト(301)、多角形シャフト(305)、平面付きシャフト(309)、ねじ付きシャフト(305)、及び切り欠き付きシャフト(107)から成るグループから選択された形状を有している、請求項7又は8に記載のロータシャフト組立体(101)。
- 前記シャフト(107)の前記近位端(113)と前記ハブ(109)との間に配置された1つ又は複数の空洞(119)を更に備えている、請求項7、8又は9に記載のロータシャフト組立体(101)。
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