JP7049149B2 - 翼の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、翼の製造方法に関するものである。
金属粉末射出成型法（Metal Injection Molding：以下、適宜ＭＩＭと称する）は、生産性及び寸法精度が高いことから、機械部品の製造に広く利用されている。ＭＩＭは、金属及び合金の粉末と有機バインダとを混練し、混練したコンパウンドを金型に射出することにより所望の形状の成形体を作成し、成形体から有機バインダを除去し、焼結することで所定形状の焼結体を得る加工方法である。
特許文献１には、ＭＩＭを適用したタービンホイールの製造方法が記載されている。特許文献１記載のタービンホイールの製造方法は、ＭＩＭにより焼結体を得た後に、熱間静水圧加圧処理（Hot Isostatic Pressing：以下、適宜ＨＩＰ処理と称する）、切削加工及びプレス加工を施すことで、所望の焼結密度および寸法精度のタービンホイールを製造することができる。
特開２０１１－１７４０９６号公報
ここで、ＭＩＭにおける焼結及びＨＩＰ処理は、１０００℃を超える熱負荷を製品に加えるプロセスであるため、製品が温度変化によって変形してしまう恐れがあった。また、厚みが薄い部材を製造する場合には、熱ひずみによる変形が特に起こり易いという問題があった。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、寸法精度の高い翼を製造することができる翼の製造方法を提供することを課題とする。
本発明は、金属粒子を型に向けて噴射し金属射出成形で翼を造形する成形工程と、少なくとも２つに分割され、前記翼の形状が内部に形成された型である治具の前記型が形成された面で前記翼を挟み、前記治具を前記翼に取り付ける治具取付工程と、前記治具を取り付けた前記翼に熱処理を施す熱処理工程と、を備えることを特徴とする。
この構成によれば、治具が翼を覆うことで薄肉部の温度低下を防ぐことができ、熱処理工程において熱処理を行う場合に翼に温度差が発生することを抑制でき、翼に発生する熱応力を緩和することができ、熱応力による翼の変形を抑制することができ、寸法精度の高い翼を製造することができる。
また、前記治具取付工程は、前記治具が前記翼を挟んだ状態で、前記翼を挟む向きに前記治具を押える押さえ部を前記治具に取り付け、前記熱処理工程は、前記押さえ部が前記治具に取り付けられた状態で前記熱処理を施すことが好ましい。
この構成によれば、翼が成形工程において変形した場合でも治具を翼に取り付けることができ、翼が設計寸法の形状に戻るように力を加えた状態で翼に熱処理を施すことができ、翼を設計寸法に矯正することができ、翼の寸法精度を高くすることができる。
また、前記金属粒子は、ステンレス鋼、Ni基合金、チタン合金およびチタンアルミ合金で形成されていることが好ましい。
本発明によれば、寸法精度の高い翼を製造することができる。
図１は、本実施形態に係る翼の製造方法により製造されるターボ機械の動翼を示す外形図である。 図２は、本実施形態に係る翼の製造方法を示すフローチャートの一例である。 図３は、本実施形態に係る翼の製造方法の治具取付工程の治具と動翼を示す横断面図である。 図４は、本実施形態に係る翼の製造方法の治具取付工程の治具と動翼を示す横断面図である。
以下に、本発明に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能であり、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせることも可能である。
図１は、本実施形態に係る翼の製造方法により製造されるターボ機械の動翼１０を示す外形図である。図２は、本実施形態に係る翼の製造方法を示すフローチャートの一例である。図３及び図４は、それぞれ本実施形態に係る翼の製造方法の治具取付工程の治具と動翼を示す横断面図である。
本実施形態の翼の製造方法により製造される翼は、例えば、ターボ機械の動翼１０に適用される。なお、本実施形態では、ターボ機械の動翼１０に適用したが、特に限定されず、他のあらゆる翼に適用してもよい。例えば、航空エンジンの動翼・静翼、産業用ガスタービンの動翼および蒸気タービンの動翼に本実施形態の翼の製造方法を適用してもよい。先ず、動翼１０の製造方法の説明に先立ち、図１及び図３を参照して、動翼１０及び動翼１０の製造に用いる治具２０について説明する。
動翼１０は、翼根部１２と、翼部１４と、シュラウド１６とを備える。動翼１０は、ターボ機械の回転軸にロータディスクを介して固定される翼である。動翼１０は、材料がチタン合金であるがこれに限定されない。動翼１０の材料は、例えば、ニッケル合金でもよい。
翼根部１２は、動翼１０の回転軸側１８の端部に形成される。ここで、回転軸側１８とは、動翼１０の回転軸が設置される側である。翼根部１２は、図１に示すように、複数の凹凸が形成された形状を有する。翼根部１２は、例えば、ロータディスク外周に形成された翼根部１２の凹凸形状と一致する開口にはめ込まれる。つまり、翼根部１２は、ロータディスクに固定される。
翼部１４は、回転軸側１８の一端部が翼根部１２に接続し、他端部がシュラウド１６に接続している。翼部１４は、薄い板形状を有する。
シュラウド１６は、動翼１０の回転軸側１８とは反対方向の端部に形成される。シュラウド１６は、隣接する動翼のシュラウドと接触して、動翼１０を固定し、動翼１０の振動を抑制する部材である。
治具２０は、背側治具２２と、腹側治具２４とを有する。治具２０は、図３に示すように、翼部１４の設計寸法の形状が内部に形成された型である。治具２０は、背側治具２２と腹側治具２４とが分割可能である。なお、治具２０は、背側治具２２と腹側治具２４とが分割可能であるとしたが、これに限定されない。治具２０は、３つ以上の部材に分割可能であるとしてもよい。なお、図３に示した治具２０の断面の外形は、長方形であるが、これに限定されない。治具２０の断面の外形は、多角形、円形及び楕円形でもよい。
背側治具２２は、翼部１４の背側の面に取り付けられる型である。ここで、翼部１４の背側の面とは、翼部１４の負圧面である。背側治具２２は、材料がアルミナセラミックスであるがこれに限定されない。背側治具２２は、少なくとも翼の製造方法の熱処理工程で適用される温度帯において、硬度が動翼１０よりも高い材料で形成されていればよい。背側治具２２は、動翼１０と接する面にコーティング２６が形成されている。コーティング層２６は、例えば、イットリアセラミックの溶射膜であるがこれに限定されない。コーティング層２６は、少なくとも翼の製造方法の熱処理工程で適用される温度帯において、強度が動翼１０よりも高く動翼との反応性が低い材料で形成されていればよい。
腹側治具２４は、翼部１４の腹側の面に取り付けられる型である。ここで、翼部１４の腹側の面とは、翼部１４が風を受ける側の面である。腹側治具２４は、材料がニッケル合金であるがこれに限定されない。腹側治具２４は、少なくとも翼の製造方法の熱処理工程で適用される温度帯において、硬度が動翼１０よりも高い材料で形成されていればよい。腹側治具２４は、動翼１０と接する面に絶縁体層２８が形成されている。絶縁体層２８は、例えば、セラミックの溶射膜であるがこれに限定されない。絶縁体層２８は、少なくとも翼の製造方法の熱処理工程で適用される温度帯において、硬度が動翼１０よりも高い絶縁性の材料で形成されていればよい。
ここで、背側治具２２、腹側治具２４及びは、線膨張係数が動翼１０に用いる材料であるチタンアルミ合金に近い材料で形成されていることが好ましい。ここで、線膨張係数が近いとは、インコネル９０３であり、その数値を表１に示す。製品形状によっては線膨張係数が異なっていても成形が可能であることから、治具に用いる材料は、セラミックス材料やカーボンでもよい。
Figure 0007049149000001
次に、図２、図３及び図４を参照して、上記の動翼１０の製造方法について説明する。本実施形態における翼の製造方法は、図２に示すように、成形工程Ｓ１と、治具取付工程Ｓ２と、熱処理工程Ｓ３と、を順に行っている。
成形工程Ｓ１では、ＭＩＭを用いて、動翼１０を造形する。具体的には、金属粒子とバインダとを十分に混練し、コンパウンドを作成する。ここで、金属粒子とは、例えば、チタンアルミ合金粉末である。ここで、バインダとは、例えば、パラフィンワックスである。次に、金型を備える射出成形機を用いて、コンパウンドを金型に向けて噴出し、静携帯を射出成形する。次に、成形体をバインダが揮発する温度域まで加熱し、成形体からバインダを除御する（以下、バインダを除去することを適宜脱脂と称する）。なお、脱脂は、バインダが溶解可能な溶媒に成形体を浸漬することで行ってもよい。次に、所定の焼結温度で成形体を加熱し、成形体を焼結させる。なお、成形体の脱脂を行う前に、射出成形によって生じた線状凸痕跡（パーティングライン）を除去する作業を実行してもよい。ここで、動翼１０は、例えば、チタンアルミ合金で形成する。なお、動翼１０は、ステンレス鋼、Ｎｉ基合金、チタン合金で形成してもよい。
治具取付工程Ｓ２では、図３に示すように、動翼１０の翼部１４に治具２０を取り付ける。具体的には、背側治具２２及び腹側治具２４で翼部１４を挟み、治具２０を翼部１４に取り付ける。つまり、翼部１４の周囲を治具２０の内部の空間で覆う。内部の空間は、翼部１４の設計形状に沿った形状である。ここで、成形工程Ｓ１において翼部１４が変形し、治具２０の形状と翼部１４の形状とに所定以上のずれが生じている場合、図４に示すように、翼部１４に治具２０を取り付けた後、押さえ部３０で治具２０を押える。具体的には、背側治具２２と腹側治具２４との間に翼部１４を挟み、背側治具２２と腹側治具２４とを押さえ部３０で押え、腹側及び背側から動翼１０を押えるように治具２０に力を加え、翼部１４に治具２０を取り付ける。ここで、押さえ部３０とは、例えば、クランプ及び万力である。このように翼部１４の変形が大きい場合は、押さえ部３０で治具２０に力を加え、図３に示すように、治具２０に翼部１４が収納された状態とする。
熱処理工程Ｓ３では、治具２０が取り付けられた動翼１０に熱処理を行う。熱処理とは、例えば、ＨＩＰ処理である。ここで、ＨＩＰ処理は、アルゴン雰囲気下で１０ＭＰａから２００ＭＰａの圧力及び１０００℃を超える熱負荷を被処理物に加える熱処理である。なお、熱処理工程Ｓ３における熱処理はＨＩＰ処理としたが、これに限定されない。熱処理工程における熱処理は、真空熱処理、常圧熱処理、不活性ガス雰囲気で加熱を行う雰囲気熱処理及び１方向から加圧した状態で加熱を行うホットプレス熱処理でもよい。ここで、熱処理は、成形工程Ｓ１の焼結処理よりも低い温度で実行する。所望の機械的特性を得るため種々の条件から熱処理条件を選定する必要があるが、代表的な熱処理としては８００℃以上１２００℃以下の温度で１０時間から１００時間の保持を行うことが好ましい。
本実施形態に係る翼の製造方法は、治具取付工程Ｓ２において翼部１４の形状が内部に形成された型である治具２０を翼部１４に取り付け、熱処理工程Ｓ３において熱処理を行う。これにより、治具２０が翼部１４を覆うことを可能にし、治具２０を用いることで熱処理工程Ｓ３において翼部１４の位置による冷却される速度の差を小さくすることができ、熱処理工程Ｓ３において翼部１４に温度差が発生することを抑制できる。具体的には、治具２０の外側が外部の空間となり、翼部１４の厚い部分も薄い部分も治具２０を介して放熱することになり、平均的に温度を低下させることができる。これにより、翼部１４に発生する熱応力を緩和することができ、熱応力による翼の変形を抑制することができる。このように、翼の変形を抑制でき、冷却も平均化できることで、寸法精度の高い翼を製造することができる。
また、翼を、温度変化による変形が起こり易いチタンアルミ合金で形成する場合に特に精度の高い翼を製造することができる。チタンアルミ合金で翼を形成することで、ニッケル合金を翼の材料に適用した場合よりも重量が軽くかつ強度が高い翼を製造することができる。
また、本実施形態の翼の製造方法は、成形工程Ｓ１において翼部１４が変形した場合に、治具取付工程Ｓ２において、背側治具２２と腹側治具２４との間に翼部１４を挟み、背側治具２２と腹側治具２４とを押さえ部３０で押え、腹側及び背側から動翼１０を押えるように治具２０に力を加え、翼部１４に治具２０を取り付け、熱処理工程Ｓ３において、治具２０が取り付けられた翼部１４に熱処理を行う。これにより、翼部１４が成形工程Ｓ１において変形した場合でも、翼部１４を設計寸法により近い形状に戻した状態で翼部１４に熱処理を施すことができ、翼部１４を設計寸法に矯正することができ、翼部１４の寸法精度を高くすることができる。
また、本実施形態の翼の製造方法は、治具取付工程Ｓ２において、翼部１４と接触する部分に絶縁体層２６、２８が形成されている治具２０を翼部１４に取り付ける。これにより、翼部１４と治具２０との間に絶縁体を介在させることを可能にし、翼部１４と治具２０とを電気的に絶縁させることができ、翼部１４と治具２０との間に生じる電蝕を防ぐことができ、より高い品質の翼を製造することができる。
また、本実施形態の翼の製造方法は、成形工程Ｓ１において、ＭＩＭを用いて、動翼１０を造形する。これにより、鋳造による製造に比べて高い寸法精度で動翼１０を製造することを可能にし、生産性を向上させることができ、製造コストを低減させることができる。
１０ 動翼
１２ 根翼部
１４ 翼部
１６ シュラウド
１８ 回転軸側
２０ 治具
２２ 背側治具
２４ 腹側治具
２６、２８ 絶縁体層
３０ 押さえ部

Claims (4)

  1. 翼根部と翼部とを有する翼の製造方法であって、
    金属粒子を型に向けて噴射し金属射出成形で翼を造形する成形工程と、
    少なくとも２つに分割され、前記翼部の背側に取り付けられる背側治具と、前記翼部の腹側に取り付けられる腹側治具と、を含み、前記翼の形状が内部に形成された型である治具の前記型が形成された面で前記翼を挟み、前記治具を前記翼に取り付ける治具取付工程と、
    前記治具を取り付けた前記翼に熱処理を施す熱処理工程と、を備えることを特徴とする翼の製造方法。
  2. 前記治具取付工程は、前記治具が前記翼を挟んだ状態で、前記翼を挟む向きに前記治具を押える押さえ部を前記治具に取り付け、
    前記熱処理工程は、前記押さえ部が前記治具に取り付けられた状態で前記熱処理を施すことを特徴とする請求項１に記載の翼の製造方法。
  3. 前記金属粒子は、チタンアルミ合金で形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の翼の製造方法。
  4. 前記治具は、前記翼と接触する面に絶縁体層が形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の翼の製造方法。
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