JPH0312362A

JPH0312362A - ハイブリッドタービンロータ

Info

Publication number: JPH0312362A
Application number: JP1148744A
Authority: JP
Inventors: Yasunobu Kawakami; 川上　泰伸; Kagehisa Hamazaki; 浜崎　景久; Masahiro Ota; 正弘大田; Kaoru Fukuda; 薫福田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1989-06-12
Filing date: 1989-06-12
Publication date: 1991-01-21
Anticipated expiration: 2013-04-15
Also published as: JP2739343B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、自動車用ターボチャージャーロータ、ガスタ
ービンロータなどに用いるのに適したハイブリッドター
ビンロータに関するものである。

〔従来の技術〕

タービンロータ等は、１０００℃近い温度又はそれ以上
の高温下で致方ｒｐｍ以上の高速回転を行う必要がある
ため、耐熱性及び高温強度に優れた材料を用いることが
要求される。

従来、このようなタービンロータ等には、耐熱性合金が
用いられていたが、約１０００℃又はそれ以上もの高温
に長時間耐えることのできるものが少なく、しかも重量
が大きく、慣性が大きくなるという問題があった。そこ
で、最近は金属よりも高温で安定であり、軽量で、酸化
腐食やクリープ変形を受けにくい５１３Ｎ４、ＳＩＣ，
サイアロン等のセラミックスが用いられるようになって
きた。

このようなセラミックスからタービンロータ等を製造す
るには、射出成形により翼部と軸部を一体的に成形した
後で、不活性雰囲中で焼成する方法が用いられていたが
、緻密で高強度の軸部を作ることができず、また翼部と
軸部の肉厚の差が大きい場合には、成形体の脱脂工程で
ひび割れが発生するという問題があった。

そのため、特開昭５７−８８２０１号公報、特開昭５８
−１２４００３号公報、特開昭６０−１４２００２号公
報などに記載されているように、翼部と軸部とを予め別
々に成形した後、両者を嵌合させて一体的に焼成接合さ
せる方法が提案されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、このような方法によっても軸部を充分に
緻密化するのが難しく、しかも翼部と軸部の接合部分で
の破壊が起り易いという問題がある。

また上記従来技術のセラミックロータでは翼部と軸部と
の組成が同じであるので、翼部に充分に大きな高温耐食
性を付与すると同時に軸部に充分な機械的強度を付与す
ることは困難であった。すなわち、同一組成のセラミッ
クスにより高温耐食性及び機械的強度がともに大きいロ
ータを製造することはできなかった。

一方、翼部と軸部とを組成の異なる材料としたセラミッ
クロータが特開昭６３−１７０２７８　号公報に開示さ
れているが、このセラミックロータは高温にさらされる
翼部の方の熱膨張係数が大きいために、使用時に熱膨張
の差はさらに拡大し、熱膨張に基づく内部応力により亀
裂や破壊がおこる危険性がある。

従って本発明の目的は、細部の強度が高いとともに、翼
部を含む外層部が優れた高温強度及び高温耐食性を有し
、かつ外層部と軸部とが強固に接合され、接合部分での
熱応力の緩和されたセラミックロータを提供することに
ある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明者らは、上記目的を達成すべく種々検討を重ねた
結果、Ｙ２Ｏ３、ＹｂＪｓ　、ＮｄＪｚ等の■ａ族元素
の酸化物の１種又は２種以上からなる焼結助剤（ａ）＋
Ａｊ２２０３　及び／又はＴｉＯ□からなる焼結助剤（
ｂ）の含有率の高い窒化珪素系セラミックスにより軸部
を形成し、焼結助剤（ａ）十焼結助剤（ｂ）の含有率の
低い窒化珪素系セラミックスにより外層部を形成すると
、外層部に高い高温耐食性を付与するとともに軸部を高
強度化することができ、さらに外層部と軸部との接合部
での熱応力を緩和することができることを発見し、本発
明に到達した。

すなわち、本発明のハイブリッドタービンロータは、周
期律表のＩＩＩａ族元素の酸化物の１種又は２種以上か
らなる焼結助剤（ａ）と、＾１２０３及び／又はＴｌＯ
２からなる焼結助剤（ｂ）とを含有する窒化珪素系セラ
ミックスによりいずれも形成された外層部と軸部とで一
体的に構成されており、前記外層部は１〜３重量％の前
記焼結助剤（ａ）及び０．１〜１゜５重量％の前記焼結
助剤（ｂ）を含有し、前記軸部は２．５〜６重量％の前
記焼結助剤（ａ）及び１〜５重量％の前記焼結助剤（ｂ
）を含有し、かつ前記外層部の焼結助剤（ａ）十焼結助
剤（ｂ）の含有率（＾）と前記軸部の焼結助剤（ａ）十
焼結助剤（ｂ）の含有率（Ｂ）　　とがＡくＢの関係を
満たすことを特徴とする。

本発明を以下詳細に説明する。

第１図は、本発明のハイブリッドタービンローターの一
例を示す断面図である。ハイブリッドタービンロータは
、ロータ本体１と、ロータ本体から半径方向に延出して
いる複数枚の翼部２とからなり、ロータ本体１は外層部
３と、軸部４とで構成されている。翼部２とロータ本体
１の外層部３とはともに高温腐食性ガスにさらされる部
分であり、ロータ本体１の軸部４は高応力がかかる部分
である。従って、前者を一般的にロータの外層部５と呼
ぶことにする。

本発明のハ・イブリッドタービンロータにおいて、外層
部５及び軸部４を形成しているセラミックスはいずれも
、５ｔ３Ｎ＜を生成分とするものであるが、ｍａ族の酸
化物元素の１種又は２種以上からなる焼結助剤（ａ）と
、＾β２０３　及び／又はＴｌＯ２からなる焼結助剤（
ハ）の含有率が異なる。

ここでＩ［Ｉａ族元素としては、Ｙを含む希土類元素が
あり、その酸化物としてはＹ２Ｏ３、Ｎｄ、０．　、Ｙ
ｂ２Ｏ３等が挙げられる。

外層部５の窒化珪素セラミックスは、１〜３重量％の焼
結助剤（ａ）と、０．１〜１．５重量％の焼結助剤ら〕
とを含有し、軸部４の窒化珪素セラミックスは２．５〜
６重量％の焼結助剤（ａ）と、１〜５重量％のＡＡ２０
ｉ及び／又はＴ１０□とを含有している。ただし、上記
範囲内で前記外層部５の焼結助剤（ａ〕＋焼結助剤（ｂ
）の含有￥＝（Ａ）　　と前記軸ａ１３４の焼結助剤（
ａ）十焼結助剤（ｂ）の含有率（Ｂ）　　とはＡ＜Ｂの
関係にある。

一般に窒化珪素系セラミックスは、焼結助剤の含有率が
大きくなるに従って、熱膨張係数が増大し、常温ないし
比較的低い温度における強度も向上するが、高温強度は
低下する傾向を示す。そこでロータの外層部５中の焼結
助剤の含有率（Ａ）　　を比較的低くし、軸部４中の焼
結助剤の含有率（Ｂ）を比較的高くすると、外層部５の
方が小さな熱膨張係数及び高い高温強度を有し、かつ軸
部４の方が高い常温強度を有することになる。このため
、使用時に高温にさらされる外層部５と、あまり高温に
さらされることのない軸部４との熱膨張の差が縮小し、
両部材の接合部分での亀裂や破壊を防止できるので、好
ましい。また高温にさらされる外層部５と比較的低い温
度の軸部材４とはいずれも大きな強度を発揮するので、
ロータ全体の強度も向上するという利点がある。

なお、外層部５において、■ａ族元素の酸化物の１種又
は２種以上からなる焼結助剤（ａ）が１〜３重量％であ
るのは、１重量％未満だと焼成密度が不十分であり、３
重量％を超えると酸化増量が大きくなるからである。ま
た人１．０３　及び／又はＴｌＯ２からなる焼結助剤ら
〕が０．１〜１．５重量％であるのは、０．１重量％未
満だと焼結体の緻密性が不十分であり、１．５重量％を
超えると酸化増量が大きくなるからである。一方、軸部
４において、焼結助剤（ａ）が２，５〜６重量％である
のは、２．５重量％未満だと常温強度が低くなり、６重
量％を超えると再び強度が低下するからである。また焼
結助剤（ｂ）が１〜５重量％であるのは、１重量％未満
だと緻密化不足であり、５重量％を超えると強度が低下
するからである。

なお、外層部５及び軸部４を形成するいずれのセラミッ
クス中においても、焼結助剤（ｂ）より焼結助剤（ａ）
の含有量の方を多くするのが好ましい。

焼結助剤（ｂ）に対して焼結助剤（ａ）の含有量が同じ
かあるいは少ないと、軸部４を充分に緻密化して高強度
を得ることが困難となるとともに、外層部５の高温での
強度及び高温での耐食性を高めることが困難となるため
、不適当である。

かかるハイブリッドタービンロータは、軸部４と外層部
５の成形体をそれぞれ形成した後、常法により焼結し、
得られた軸部４及び外層部５をホットプレスにより接合
、一体止することにより得ることができる。なお、前記
成形体の形成方法としては、スリップキャスト法あるい
は射出成形法を適用することができる。

スリップキャスト法により外層部５及び軸部４の形状の
成形体を製造するには、まず焼結助剤（ａ）十焼結助剤
（ｂ）の含有率が上記の通りの２種類のセラミックスの
スリップを調製する。

次に、それぞれ外層部５及び軸部４の形状に対応する石
膏型を用い、この石膏型内にそれぞれ対応するスリップ
を注入し、固化させて外層部５及び軸部４の形状を有す
る成形体を得ることができる。

なおセラミックスのスリップは、セラミック成分に適当
な分散剤を配合して、水等の媒体に分散させることによ
り調製し、バインダーは添加する必要がない。

一方、射出成形法により外層部５及び軸部４の形状の成
形体を製造するには、まず外層部５及び軸部４にそれぞ
れ対応した焼結助剤の含有率を有する２種類のセラミッ
クスの粉末を調製する。次に、この混合粉末に樹脂、ワ
ックス等のバインダーを添加し、これを加熱混練して射
出成形用のセラミック原料を調製する。

そして、それぞれ外層部５及び軸部４の形状に対応する
射出成形用金型を用いて、射出成形を行うことにより、
外層部５及び軸部４の形状を有する成形体を得ることが
できる。

このようにしてスリップキャスト法または射出成形法に
より得られた成形体を、常法により焼結して、外層部５
及び軸部４が得られる。

その後、軸部４と外層部５を嵌め合わせ、ホットプレス
により両部材を接合し、軸部４と外層部５とが一体化し
たハイブリッドタービンロータを得ることができる。ホ
ットプレス条件は一般に１４００〜１７００℃の温度、
１０〜４００ｋｇ／Ｃｒｌの圧力で６０〜６００分間で
ある。

なお、成形体の強度の向上と、クラック防止のために外
層部５を形成するセラミックスのいずれかを繊維状とし
てもよい。いずれのセラミック成分がｗｉ維状となって
もかまわないが、通常は、繊維状にするのが容易である
ことからＡｌｚＯｓ　を繊維状にして使用する。なお、
軸部４用のセラミックス成分の一部を繊維状にすること
は、緻密化されにくく強度が不充分となるため好ましく
ない。

以上において、本発明をラジアル型タービンロータにつ
いて説明したが、本発明はこれに限定されることなく、
アキシャル型タービンロータにも適用することができる
。アキシャル型タービンロータの場合、円板形の本体が
１ＩＩＩ部となり、本体外周とベーンが外層部外要部と
なる。

〔作　用〕

本発明者らの研究によれば、ｍａ族元素の酸化物の１種
又は２種以上からなる焼結助剤（ａ）と、Ａｌ２Ｏ、及
び／又はＴｉｎ、からなる焼結助剤（ハ）とを含有する
窒化珪素系セラミックスにおいては、焼結助剤（ａ）十
焼結助剤（ｂ）の含有率が高くなると、低温での強度が
高く、熱膨張係数は大きくなる。逆に、焼結助剤の含有
率が低くなると、高温での強度が高く、高温での耐食性
（耐酸化性）に優れ、熱膨張係数は小さくなる。

このことから、焼結助剤（ａ）と焼結助剤（ｂ）とを含
有する窒化珪素系セラミックスを、使用時の条件によっ
て使い分ける。すなわち、使用時にあまり高温にさらさ
れることのない軸部に焼結助剤（ａ）＋焼結助剤（ｂ）
の比率が高い窒化珪素系セラミックスを使用し、使用時
に高温腐食性ガスにさらされる外層部には、焼結助剤（
ａ）十焼結助剤（ｂ）の比率が低い窒化珪素系セラミッ
クスを使用する。これによって、使用条件に応じて必要
な高温強度及び高温耐食性を有する外層部と、高い常温
強度を有する＄１ｊｌとからなるハイブリッドタービン
ロータが得られる。

また、熱膨張係数が外層部５よりも軸部４の方が大きい
が、外層部５の方がより高温にさらされるため、高温下
で使用した場合には、外層部５と１！ｆｌｌｌｆｆ１４
との熱膨張の差は実質的に大きくならず、熱膨張差に基
づく内部応力による亀裂や破壊が起るようなことがない
。

さらに、焼結助剤（ｂ）より焼結助剤（ａ）の含有量の
方が多くなると、窒化珪素系セラミックスの高温での強
度が向上するとともに、高温での耐食性も向上する。こ
のため、軸部の強度及び外層部の高温での耐食性がさら
に向上する。

〔実施例〕

以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、
本発明はこれに限定されるものではない。

実施例ＩＳｉ、Ｎ、粉末（平均粒径０．９　μｍ）　９６．５重
量部と、Ｙ２Ｏ３粉末（平均粒径１．５　、ｕｍ）　２
．５重量部と、ＡＬＬ粉末（平均粒径１．５μｍ）１重
量部とを混合し、分散剤としてアンモニアをセラミック
粉末１００重量部に対して０．３重量部の割合で加え、
３５重量部の水に分散させて、外層用のスリップを調製
した。

また前記Ｓｉ、Ｎ、粉末９２重量部と、Ｙ２Ｏ３５重量
部と、Ａ１．０．粉末３重責部とを混合し、分散剤とし
てアンモニアを０．３重量部加え、３５重量部の水に分
散させて、軸部用のスリップを調製した。

上記各スリップからスリップキャスト法により試験片用
成形体を作成し、１８５０℃で焼結して試験片とした。

各試験片を種々の温度に加熱しながら、曲げ強度を測定
した。結果を第２図に示す。

第２図から、外層用試験片は高温強度が大きく、軸周試
験片は比較的低い温度での強度が大きいことがわかる。

また上記各試験片について、１４００℃の大気中での酸
化試験を行ったところ、２４時間後における酸化量（酸
化増量により表す）は、軸部用試験片で３■／　ｃｎｆ
であるのに対し、外層用試験片では０．３■／　ｃｊと
少なかった。

次に、最大直径１２０ｍｍ　、最小直径４０ｍｍ　、長
さ６０１Ｔ１ｍのロータ本体に高さ４５＋ｎｍ　、幅１
．３ｍｍの翼が９枚設けられた形状のロータを形成する
ために、上記外層用のスリップを、外層部の形状に対応
した石膏型中に注入して、翼部を含む外層部の成形体を
スリップキャスト法により作製した。次に、外層部と嵌
合する軸部の形状に対応した石膏型内に軸部用のスリッ
プを注入し、固化させて軸部の成形体を作製した。これ
らの成形体を、１８５０℃の窒素雰囲気中で４時間焼結
して、外層部及び軸部を得た。この場合、外層部の厚み
は約３＋ｎｍであった。

このようにして得られた外層部と軸部とを嵌め合わせ、
Ｎ２雰囲気中で、１６００℃、２００　ｋｇ／ｃｎ！で
ホットプレスを行って両部材を接合、一体化し、ハイブ
リッドタービンロータを得た。

得られたハイブリッドタービンロータについて、１１０
０℃の排ガスで５０００Ｏｒｐｍの回転数による回転試
験を５時間行った。その結果ロータに何の異常も認めら
れなかった。

〔発明の効果〕

本発明のハイブリッドタービンロータは、外層部が高温
強度及び耐食性に優れ、軸部が低温強度に優れているた
め、使用に際してもそれぞれの使用温度条件に対応した
適切な高強度、高温耐食性となっている。また、外層部
と軸部の接合が強固であり、さらに接合部分の熱応力が
緩和されているため、接合部分で応力破壊が起るような
ことがない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のハイブリッドタービンロータの一例を
示す断面図であり、第２図は各セラミック試験片の曲げ強度と温度との関係
を示すグラフである。第１図ロータ本体翼部ロータ本体外層部軸部外層部出　願　人　本田技研工業株式会社代　理　人　　弁理士　　高　石　　橋　馬第２図温度（０Ｃ）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）　周期律表のIIIａ族元素の酸化物の１種又は２
種以上からなる焼結助剤（ａ）と、Ａｌ＿２Ｏ＿３及び
／又はＴｉＯ＿２からなる焼結助剤（ｂ）とを含有する
窒化珪素系セラミックスによりいずれも形成された外層
部と軸部とで一体的に構成されたハイブリッドタービン
ロータにおいて、前記外層部は１〜３重量％の前記焼結
助剤（ａ）及び０．１〜１．５重量％の前記焼結助剤（
ｂ）を含有し、前記軸部は２．５〜６重量％の前記焼結
助剤（ａ）及び１〜５重量％の前記焼結助剤（ｂ）を含
有し、かつ前記外層部の焼結助剤（ａ）＋焼結助剤（ｂ
）の含有率（Ａ）と前記軸部の焼結助剤（ａ）＋焼結助
剤（ｂ）の舎有率（Ｂ）とがＡ＜Ｂの関係を満たすこと
を特徴とするハイブリッドタービンロータ。
（２）　請求項１に記載のハイブリッドタービンロータ
において、前記外層部及び前記軸部を形成する窒化珪素
系セラミックスのいずれにおいても、前記焼結助剤（ａ
）の含有量が前記焼結助剤（ｂ）の含有量より多いこと
を特徴とするハイブリッドタービンロータ。
（３）　請求項１又は２に記載のハイブリッドタービン
ロータにおいて、前記焼結助剤（ａ）がＹ＿２Ｏ＿３、
Ｙｂ＿２Ｏ＿３及びＮｄ＿２Ｏ＿３の１種又は２種以上
からなることを特徴とするハイブリッドタービンロータ
。