JPH0339993B2 - - Google Patents
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Description
本発明はジエツトエンジン(特にガスタービン
エンジン)用のセラミツク製回転部材と金属製回
転部材との結合部であり、且つセラミツク製回転
部材、例えばタービン車板が該回転部材と金属製
部材、例えば軸との結合部を形成する以前に焼結
され、且つ仕上げ加工されている前記結合部に関
するものである。 最近ジエツトエンジン(特にガスタービンエン
ジン)において、例えば車板がセラミツク材料か
ら作られているタービン羽車板を使用することが
提案されている。しかし、そのタービン羽根車の
場合、それに付属するタービン軸は金属材料から
なるものでなければならず、セラミツク製タービ
ン羽根車の結合部が発生する高い熱応力並びに遠
心力の作用により発生する局部的な周辺部への応
力負荷に耐えることができ、しかも比較的高い回
転モーメントを伝えるのに適当であるようにセラ
ミツク製タービン羽根車を金属製軸と結合するこ
とはかなり困難である。 特に非定常な操作状態及びそのような操作状態
において生ずるかなり激しい熱変動を考慮に入れ
て、特に確実伝動が可能な親密な結合部をセラミ
ツク製回転部材と金属製回転部材との間に作るこ
とは従来できなかつた。 上記のような材料の結合についての第1の問題
は周知のように両者の熱膨脹係数が大きく異な
り、総体的にセラミツク材料の熱膨脹係数が比較
的低いのに対して金属材料のそれは比較的高いこ
とである。 確かに今までにもセラミツク製部材と金属製部
材を接着材、はんだ付け、又は溶接によつて接合
することにより、又は特別の従動車連結部をセラ
ミツク製タービン羽根車と金属製軸との間に設け
ることによつて上記の問題を解決しようとする試
みが行なわれた。しかし、これらの方法によつて
も特に金属とセラミツクの物理的特性が大きく異
なる点を考慮に入れて、最近におけるガスタービ
ンエンジンの必要条件を(特にガスタービンエン
ジンについて求められている高い工程温度に関し
て)満たす結合部を作ることはできなかつた。 セラミツク材料、例えば窒化ケイ素又は炭化ケ
イ素を用いる利点はその高い熱容量、耐腐蝕性、
特にその比較的低い熱伝導性にある。始めにのべ
たようにセラミツク材料は比較的低い熱膨脹係数
を有し、それも特に高級合金鋼に比して低い熱膨
脹係数を有するものである。セラミツク材料は比
較的低い熱膨脹係数を有し、一方鋼製回転部材は
比較的高い熱膨張係数を有する結果、操作温度が
極端に急上昇すると、セラミツク羽根車の少なく
ともボス側領域が金属製回転部材、即ち軸によつ
て破壊せしめられてしまう。 ドイツ特許公開公報2851507号にはセラミツク
製部材と金属製部材の間に結合要素として、弾性
セラミツク製絶縁性弾性体によつて形成されてお
り、且つ異なる熱特性及び弾性を有する前記両部
材を有効に相互につなぐ結合要素が開示されてい
る。この開示された発明においては、いかなる運
転状態下においても、前記両部材間の弾性結合部
は維持される。この開示されたタイプのものはセ
ラミツクの熱膨張係数と鋼の熱膨脹係数がいちじ
るしく異なるにもかかわらず、駆動中の金属製部
材の実際の熱膨張がセラミツク製部材の熱膨張と
同一か又は近くなるようにセラミツク製部材から
の熱放射から鋼部材をしやへいすることによつ
て、例えば高熱が負荷されたセラミツク領域から
金属領域への熱放射を阻止するセラミツク製断熱
材を結合要素とすることを意図するものである。 又、上記の開示された例において、結合要素は
塑性変形しないものでなければならない。むしろ
それは駆動中、場合によつて尚も生ずる結合部で
のセラミツクと鋼の熱膨張の違いをなくすため
と、特に鋼部材により生ぜしめられるものと予想
される遠心力による材料変形を補償するために弾
性のばね要素として形成されていなければならな
い。 又、上記の開示された結合要素によつて、セラ
ミツク製部材と金属製部材間の意図するところの
構造的に親密な、特にひんぱんに変化し、しかも
大きく異なる温度差のもとで、いかなる運転状態
のときでも所望の弾性を提供する結合部は保証さ
れない。又、上記の開示された結合要素は概して
セラミツク製部材と鋼製部材の間の補助の結合要
素が始めにのべた基準に対する救済策を講じるた
めに必要であるという欠点を有する。それ故、上
記の開示された例においては、金属製回転部材、
例えば軸を製造するのと同時にセラミツク製回転
部材と金属製回転部材間の所望の接合結合部を作
ることができる方法を示していない。 ドイツ特許公開公報2737267号にセラミツク製
部材の熱間アイソスタチツクプレス成形方法が開
示されている。この方法はあらゆる側から高圧と
高温を材料に同時に加えることによつて、圧縮成
形することによるものである。熱間アイソスタチ
ツクプレス成形過程において加えられる圧力は
3000barであり、又温度は1400〜1750℃の範囲で
ある。熱間アイソスタチツクプレス成形過程にお
いて、圧力を伝える媒体としてガスが用いられ、
そらに関して実際特に窒素又はアルゴンが有効で
あることが証明されている。又圧力を伝える媒体
としてグラフアイトの使用も提案されている。し
かし前記の開示された解答は始めにのべた基準の
もとでのセラミツク製回転部材と金属製回転部材
の間の適当な結合部を何ら示唆していない。 本発明の課題は従来の欠点を解消し、特に非定
常の運転状態のときの大きく変動する温度負荷が
加わる場合でも親密な確実伝動が可能な結合を保
証するセラミツク製回転部材と金属製回転部材の
間の結合部、例えばセラミツク製タービンホイー
ルと金属製軸の間の結合部を提供することであ
る。而して上記の結合部は接合部領域において、
塑性変形することなく極力弾性に形成されていな
ければならない。又、この結合部はその接合部に
おいて見込まれる遠心力負荷に関してあらゆる運
転状態に耐えるものでなければならず、又、比較
的高い軸トルクを伝えるのに適していなければな
らない。 上記の課題の解答は特許請求の範囲第1項記載
の通りである。 即ち、本発明の要旨はジエツトエンジン用のセ
ラミツク製回転部材と金属製回転部材の結合部で
あり、且つ前記セラミツク製回転部材が前記金属
製回転部材と結合される以前に焼結され、且つ仕
上げ加工されている前記結合部において、 (a) 前記セラミツク製回転部材が反応により結合
せしめられた窒化珪素又は加圧なしに焼結され
た炭化水素からなり、 (b) 前記金属製部材が所定の量の金属粉末を熱間
アイソスタチツクプレス成形してなるものであ
り、且つ前記セラミツク製回転部材に確実伝動
が可能な状態に結合されており、且つ (c) 前記金属粉末が前記セラミツク製回転部材の
熱膨脹係数と同一もしくは非常に近似した熱膨
張係数を有することを特徴とするセラミツク製
回転部材と金属製回転部材の結合部を有するジ
エツトエンジン用の回転部材である。 本発明の結合部によつて与えられる特別な利点
は加工過程において金属製軸又は金属製回転部材
を製造するのと同時に所望の方法で金属製回転部
材と親密に且つ確実伝動が可能な状態に結合され
ることにある。本発明の結合部はそれについて求
められる大きな温度負荷容量に関する必要条件及
び非定常の運転状態に起因する急激に大きく変動
する熱応力(熱衝撃)に関する必要条件の両者を
同時に満たすものである。又、本発明の結合部は
弾性を有し、塑性変形することはない。又、セラ
ミツク製回転部材と金属製回転部材の間の比較的
高いトルク伝動が保証される。 金属粉末として特に用いられるニツケル−コバ
ルト鋼はセラミツク製回転部材の熱膨張係数と同
一もしくは非常に近似した、結合部を破壊するよ
うな金属とセラミツクの熱膨張差は少しも生ぜし
めることはない熱膨張係数を有する。ここにおい
て原則的にドイツ特許公開公報2851507号公報に
記載の付加的な結合要素は必要とされない。 本発明のその他の構成は特許請求の範囲の特許
請求の範囲第3項ないし第17項に記載した通り
である。 次に図面を参照しながら本発明につき詳細に説
明する。 図面において、 第1図はタービン車板と軸の結合部及び熱間ア
イソスタチツクプレス成形を行なう装置の縦断面
図、 第2図は第1図示の左側軸端及び前記装置の金
属粉末の供給口を有するおおいの部分の最終の形
状を示す断面図、 第3図は別のタービン車板と軸の結合部の形成
及び熱間アイソスタチツクプレス成形を行なう装
置の縦断面図、 第4図は第3図示の装置の管端部及び密封され
た状態の金属粉末供給口の部分的に横方向と縦方
向に切断して示す断面図、 第5図は第3図示の−線で切つた断面図、 第6図は前記の−線で切つた、但し第5図
示のものと伝動車結合部の技術に適用された点で
異なる実施例の断面図、及び 第7図は第6図示のものと熱絶縁材料を用いた
点が異なる実施例の断面図である。 第1図はセラミツク製半径流タービン車板1を
示し、この車板1はその軸状突出部1′を介して
金属製軸2と結合されている。この後記するよう
な方法で作られる結合部において、金属製軸2の
スリーブ状端部は車板1の中心から軸方向に突出
する軸状突出部1′を親密に且つ確実伝動が可能
なように把持している。セラミツク製車板1は結
合部を形成する以前に焼結され、且つ仕上げ加工
されている。セラミツク製車板1は更に半径流羽
根車の羽根3を有し、この羽根は車板1と共にセ
ラミツクにより作られている。セラミツク製車板
1は反応により結合せしめられた窒化珪素又は加
圧なしに焼結された炭化珪素により形成するのが
有利である。金属製軸2は後記する熱間アイソス
タチツクプレスによつて所定の量の金属粉末を成
形することにより得られるものであり、且つセラ
ミツク製回転部材、即ち粉末状物質としてセラミ
ツク製回転部材の熱膨張係数と同一もしくは非常
に近似した熱膨張係数を有するものが用いられ
る。 望ましい本発明の実施態様において金属粉末と
してEPC10、MTN12189によるニツケル−コバ
ルト鋼を用いることができる。ここにおいて、
EPC10はMTN−中間材料−データシートによる
もで、MTN12189及びMV1272(材料標識)と連
合するものであり、沈殿硬化可能な、非常に低い
熱膨張係数を有するニツケルコバルト鋼の商慣習
上の標識である。 この材料の組成は次の通りである。 CO=13.5ないし15%、 Ni=31ないし34%、Ti=1.2ないし2%、 C=0.05%以下、 Si=0.3%以下 Mn=0.4%以下 P=0.015%以下 S=0.015%以下 Al=0.2%以下 Bi=0.0001%以下 Cu=0.4%以下 Pb=0.001%以下 Fe=残り;48% この材料の熱膨腸係数は非常に低く、例えば下
表の通りである。
エンジン)用のセラミツク製回転部材と金属製回
転部材との結合部であり、且つセラミツク製回転
部材、例えばタービン車板が該回転部材と金属製
部材、例えば軸との結合部を形成する以前に焼結
され、且つ仕上げ加工されている前記結合部に関
するものである。 最近ジエツトエンジン(特にガスタービンエン
ジン)において、例えば車板がセラミツク材料か
ら作られているタービン羽車板を使用することが
提案されている。しかし、そのタービン羽根車の
場合、それに付属するタービン軸は金属材料から
なるものでなければならず、セラミツク製タービ
ン羽根車の結合部が発生する高い熱応力並びに遠
心力の作用により発生する局部的な周辺部への応
力負荷に耐えることができ、しかも比較的高い回
転モーメントを伝えるのに適当であるようにセラ
ミツク製タービン羽根車を金属製軸と結合するこ
とはかなり困難である。 特に非定常な操作状態及びそのような操作状態
において生ずるかなり激しい熱変動を考慮に入れ
て、特に確実伝動が可能な親密な結合部をセラミ
ツク製回転部材と金属製回転部材との間に作るこ
とは従来できなかつた。 上記のような材料の結合についての第1の問題
は周知のように両者の熱膨脹係数が大きく異な
り、総体的にセラミツク材料の熱膨脹係数が比較
的低いのに対して金属材料のそれは比較的高いこ
とである。 確かに今までにもセラミツク製部材と金属製部
材を接着材、はんだ付け、又は溶接によつて接合
することにより、又は特別の従動車連結部をセラ
ミツク製タービン羽根車と金属製軸との間に設け
ることによつて上記の問題を解決しようとする試
みが行なわれた。しかし、これらの方法によつて
も特に金属とセラミツクの物理的特性が大きく異
なる点を考慮に入れて、最近におけるガスタービ
ンエンジンの必要条件を(特にガスタービンエン
ジンについて求められている高い工程温度に関し
て)満たす結合部を作ることはできなかつた。 セラミツク材料、例えば窒化ケイ素又は炭化ケ
イ素を用いる利点はその高い熱容量、耐腐蝕性、
特にその比較的低い熱伝導性にある。始めにのべ
たようにセラミツク材料は比較的低い熱膨脹係数
を有し、それも特に高級合金鋼に比して低い熱膨
脹係数を有するものである。セラミツク材料は比
較的低い熱膨脹係数を有し、一方鋼製回転部材は
比較的高い熱膨張係数を有する結果、操作温度が
極端に急上昇すると、セラミツク羽根車の少なく
ともボス側領域が金属製回転部材、即ち軸によつ
て破壊せしめられてしまう。 ドイツ特許公開公報2851507号にはセラミツク
製部材と金属製部材の間に結合要素として、弾性
セラミツク製絶縁性弾性体によつて形成されてお
り、且つ異なる熱特性及び弾性を有する前記両部
材を有効に相互につなぐ結合要素が開示されてい
る。この開示された発明においては、いかなる運
転状態下においても、前記両部材間の弾性結合部
は維持される。この開示されたタイプのものはセ
ラミツクの熱膨張係数と鋼の熱膨脹係数がいちじ
るしく異なるにもかかわらず、駆動中の金属製部
材の実際の熱膨張がセラミツク製部材の熱膨張と
同一か又は近くなるようにセラミツク製部材から
の熱放射から鋼部材をしやへいすることによつ
て、例えば高熱が負荷されたセラミツク領域から
金属領域への熱放射を阻止するセラミツク製断熱
材を結合要素とすることを意図するものである。 又、上記の開示された例において、結合要素は
塑性変形しないものでなければならない。むしろ
それは駆動中、場合によつて尚も生ずる結合部で
のセラミツクと鋼の熱膨張の違いをなくすため
と、特に鋼部材により生ぜしめられるものと予想
される遠心力による材料変形を補償するために弾
性のばね要素として形成されていなければならな
い。 又、上記の開示された結合要素によつて、セラ
ミツク製部材と金属製部材間の意図するところの
構造的に親密な、特にひんぱんに変化し、しかも
大きく異なる温度差のもとで、いかなる運転状態
のときでも所望の弾性を提供する結合部は保証さ
れない。又、上記の開示された結合要素は概して
セラミツク製部材と鋼製部材の間の補助の結合要
素が始めにのべた基準に対する救済策を講じるた
めに必要であるという欠点を有する。それ故、上
記の開示された例においては、金属製回転部材、
例えば軸を製造するのと同時にセラミツク製回転
部材と金属製回転部材間の所望の接合結合部を作
ることができる方法を示していない。 ドイツ特許公開公報2737267号にセラミツク製
部材の熱間アイソスタチツクプレス成形方法が開
示されている。この方法はあらゆる側から高圧と
高温を材料に同時に加えることによつて、圧縮成
形することによるものである。熱間アイソスタチ
ツクプレス成形過程において加えられる圧力は
3000barであり、又温度は1400〜1750℃の範囲で
ある。熱間アイソスタチツクプレス成形過程にお
いて、圧力を伝える媒体としてガスが用いられ、
そらに関して実際特に窒素又はアルゴンが有効で
あることが証明されている。又圧力を伝える媒体
としてグラフアイトの使用も提案されている。し
かし前記の開示された解答は始めにのべた基準の
もとでのセラミツク製回転部材と金属製回転部材
の間の適当な結合部を何ら示唆していない。 本発明の課題は従来の欠点を解消し、特に非定
常の運転状態のときの大きく変動する温度負荷が
加わる場合でも親密な確実伝動が可能な結合を保
証するセラミツク製回転部材と金属製回転部材の
間の結合部、例えばセラミツク製タービンホイー
ルと金属製軸の間の結合部を提供することであ
る。而して上記の結合部は接合部領域において、
塑性変形することなく極力弾性に形成されていな
ければならない。又、この結合部はその接合部に
おいて見込まれる遠心力負荷に関してあらゆる運
転状態に耐えるものでなければならず、又、比較
的高い軸トルクを伝えるのに適していなければな
らない。 上記の課題の解答は特許請求の範囲第1項記載
の通りである。 即ち、本発明の要旨はジエツトエンジン用のセ
ラミツク製回転部材と金属製回転部材の結合部で
あり、且つ前記セラミツク製回転部材が前記金属
製回転部材と結合される以前に焼結され、且つ仕
上げ加工されている前記結合部において、 (a) 前記セラミツク製回転部材が反応により結合
せしめられた窒化珪素又は加圧なしに焼結され
た炭化水素からなり、 (b) 前記金属製部材が所定の量の金属粉末を熱間
アイソスタチツクプレス成形してなるものであ
り、且つ前記セラミツク製回転部材に確実伝動
が可能な状態に結合されており、且つ (c) 前記金属粉末が前記セラミツク製回転部材の
熱膨脹係数と同一もしくは非常に近似した熱膨
張係数を有することを特徴とするセラミツク製
回転部材と金属製回転部材の結合部を有するジ
エツトエンジン用の回転部材である。 本発明の結合部によつて与えられる特別な利点
は加工過程において金属製軸又は金属製回転部材
を製造するのと同時に所望の方法で金属製回転部
材と親密に且つ確実伝動が可能な状態に結合され
ることにある。本発明の結合部はそれについて求
められる大きな温度負荷容量に関する必要条件及
び非定常の運転状態に起因する急激に大きく変動
する熱応力(熱衝撃)に関する必要条件の両者を
同時に満たすものである。又、本発明の結合部は
弾性を有し、塑性変形することはない。又、セラ
ミツク製回転部材と金属製回転部材の間の比較的
高いトルク伝動が保証される。 金属粉末として特に用いられるニツケル−コバ
ルト鋼はセラミツク製回転部材の熱膨張係数と同
一もしくは非常に近似した、結合部を破壊するよ
うな金属とセラミツクの熱膨張差は少しも生ぜし
めることはない熱膨張係数を有する。ここにおい
て原則的にドイツ特許公開公報2851507号公報に
記載の付加的な結合要素は必要とされない。 本発明のその他の構成は特許請求の範囲の特許
請求の範囲第3項ないし第17項に記載した通り
である。 次に図面を参照しながら本発明につき詳細に説
明する。 図面において、 第1図はタービン車板と軸の結合部及び熱間ア
イソスタチツクプレス成形を行なう装置の縦断面
図、 第2図は第1図示の左側軸端及び前記装置の金
属粉末の供給口を有するおおいの部分の最終の形
状を示す断面図、 第3図は別のタービン車板と軸の結合部の形成
及び熱間アイソスタチツクプレス成形を行なう装
置の縦断面図、 第4図は第3図示の装置の管端部及び密封され
た状態の金属粉末供給口の部分的に横方向と縦方
向に切断して示す断面図、 第5図は第3図示の−線で切つた断面図、 第6図は前記の−線で切つた、但し第5図
示のものと伝動車結合部の技術に適用された点で
異なる実施例の断面図、及び 第7図は第6図示のものと熱絶縁材料を用いた
点が異なる実施例の断面図である。 第1図はセラミツク製半径流タービン車板1を
示し、この車板1はその軸状突出部1′を介して
金属製軸2と結合されている。この後記するよう
な方法で作られる結合部において、金属製軸2の
スリーブ状端部は車板1の中心から軸方向に突出
する軸状突出部1′を親密に且つ確実伝動が可能
なように把持している。セラミツク製車板1は結
合部を形成する以前に焼結され、且つ仕上げ加工
されている。セラミツク製車板1は更に半径流羽
根車の羽根3を有し、この羽根は車板1と共にセ
ラミツクにより作られている。セラミツク製車板
1は反応により結合せしめられた窒化珪素又は加
圧なしに焼結された炭化珪素により形成するのが
有利である。金属製軸2は後記する熱間アイソス
タチツクプレスによつて所定の量の金属粉末を成
形することにより得られるものであり、且つセラ
ミツク製回転部材、即ち粉末状物質としてセラミ
ツク製回転部材の熱膨張係数と同一もしくは非常
に近似した熱膨張係数を有するものが用いられ
る。 望ましい本発明の実施態様において金属粉末と
してEPC10、MTN12189によるニツケル−コバ
ルト鋼を用いることができる。ここにおいて、
EPC10はMTN−中間材料−データシートによる
もで、MTN12189及びMV1272(材料標識)と連
合するものであり、沈殿硬化可能な、非常に低い
熱膨張係数を有するニツケルコバルト鋼の商慣習
上の標識である。 この材料の組成は次の通りである。 CO=13.5ないし15%、 Ni=31ないし34%、Ti=1.2ないし2%、 C=0.05%以下、 Si=0.3%以下 Mn=0.4%以下 P=0.015%以下 S=0.015%以下 Al=0.2%以下 Bi=0.0001%以下 Cu=0.4%以下 Pb=0.001%以下 Fe=残り;48% この材料の熱膨腸係数は非常に低く、例えば下
表の通りである。
【表】
このグラフを第8図に示す。
本発明の結合部の製造に利用される熱間アイソ
スタチツクプレス過程を実施するために第1図示
のような鋼シートからなるおおい4が用いられ
る。このおおいの材料としては酸素に対する耐性
を有する高級ステンレス鋼が利用される。おおい
4の壁厚は上記の鋼シートからなるときは約1.5
mmである。おおい4はセラミツク製車板1及び軸
延長部1′を、次の熱間アイソスタチツクプレス
過程によつて車板1が損なわれないように半径流
羽根車の羽根間に中空空間部5を保護してかこ
む。おおい4は更に金属製軸2の後の形状に少な
くとも一部適合せしめられた気密にあらゆる側を
閉鎖することができる円筒状構成単位6を有す
る。円筒状構成単位6(第2図)はその左端に金
属粉末の供給口7を有し、この供給口は図面にお
いて点線で示す如く互に接するように端部を曲げ
て熱間アイソスタチツクプレス過程のために完全
に気密に密封することができる。又、この円筒状
構成単位6は仕上りの金属製軸2に対して熱間ア
イソスタチツクプレス過程において金属粉末の圧
縮に必要な付加的容積5′を提供する。熱間アイ
ソスタチツクプレス過程の後におおい4及び円筒
状構成要素6は除去される。 第1図示の如くおおい4により外からかこまれ
た半径流羽根車の羽根3間の中間空間部5には熱
間アイソスタチツクプレス過程の開始前に石英粉
末で充填することができる。この充填された石英
粉末は熱間アイソスタチツクプレス過程後、ガラ
ス状物質としておおい4と共に車板1及び半径流
羽根車の羽根3から容易に除去することができ
る。 第3,4,5図示の実施例の場合、軸流羽根1
3及び軸延長部12′を有するセラミツク製軸流
タービン車板12が用いられる。熱間アイソスタ
チツクプレス過程で作られる中空軸11が前記セ
ラミツク製軸延長部12′を把持する。金属製中
空軸11及び結合部(金属1セラミツク)を同時
につくるために熱間アイソスタチツクプレス過程
を行なう装置、即ちおおい8とつながつた円筒状
構成単位9は熱間アイソスタチツクプレスのとき
環状空間10で作られる金属製軸11の中空軸壁
用の環状中空シリンダとして中空軸状に形成され
る。円筒状構成単位9の金属粉末供給口13′
(第4図)は該口部13′の前に接続されるはめ管
の相互に曲げられた端部14及び15によつて熱
間アイソスタチツクプレス過程のために気密に閉
じられる。 このアイソスタチツクプレス過程においてはカ
プセル6(第1図)は炉内にある。排気されたカ
プセル6は炉内の大気に対して周囲を気密に閉鎖
している。炉内の圧力はおよそ1000バール、温度
はおよそ1100℃で温度はカプセル6の合成物質を
考慮して選ぶことは明らかである。カプセル6が
高温に均熱され、かつ柔らかくなると、カプセル
6に作用する圧力はカプセル6に多方向により均
等に作用して砕くので鋼シートは前記のアイソス
タチツクプレス過程で融けてはならない。例え
ば、カプセル6の合成材料は温度不変のスチール
高合金よりなり、例えばニツケルコバルト合金鋼
よりなる。場合によつては炉温度を1350℃より高
くする。 アイソスタチツクプレス過程では拡散結合はな
い。アイソスタチツクプレス過程によつて金属製
軸2(心棒2)の材料部分は完成したセラミツク
(栓1′)の多孔表面内にある。附加の粗くした表
面はこの効果を補強する。 本発明の結合部は完成した状態で周方向及び軸
方向にトルクを吸収するように形成することがで
きる。この結合部の固着は熱間アイソスタチツク
プレス過程以前にセラミツク製回転部材を熱間ア
イソスタチツクプレス過程で金属製結合部部分が
セラミツク製回転部材に確実伝動が可能な状態に
適合して形成されるような適当な外側壁の形状輪
郭に予成形することによつて可能となるものであ
る。 この軸方向及び周方向の固着は熱間アイソスタ
チツクプレス過程以前に予成形されるセラミツク
製回転部材の外側壁の形状輪郭を多数の一様に分
配された扇形部16(第3図及び第5図)又は多
角形断面P(第6図及び7図)を有する形状輪郭
に予成形することによつて可能となるものであ
る。 第7図示の結合部において、例えばチタン酸ア
ルミニウム(Al2TiO5)よりなる熱絶縁層17が
セラミツク製回転部材12、又は軸延長部12′
と金属製回転部材、即ち軸との間の接合領域に配
列されている。熱絶縁層17は厚さがおよそ0.5
mmで、心棒または回転体をセラミツク(栓1′)に
結合する装置を強固に達成する。例えば注入ある
いは圧力を通して熱絶縁層17は材料の
schwachung弱さがない。熱絶縁層17(外側)
による多孔度あるいは追加の粗さは17のある材
料と共に軸2の材料の“噛み合わせ”
(Verzahung)を多少とも活性化することを果た
す。より高い回転軸の偶力の伝達は車板12(第
5図の歯列16、あるいは第6,7図の多角形によ
つてなされるので熱絶縁層17の強度は関係がな
い。合目的的に熱間アイソスタチツクプレス過程
以前にセラミツク製回転部材の接合領域に付着も
しくはスプレイすることにより形成される。この
熱絶縁層の利用の運転中にセラミツク製車板及び
金属製軸における急激な温度変化が見込まれると
き特に有効である。このような熱絶縁層はガスタ
ービン駆動装置において高温が負荷されるとき特
に有効であり、それによつてセラミツク側から金
属側への望ましくない熱の自由な流れを防止する
ことができる。その結果、セラミツク製車板より
も比較的高い熱膨張係数を有する他の材料を金属
製軸の材料として用いるときですら、金属製材料
の膨張は相当する構造のセラミツク製車板1から
見込まれる熱膨張以上の熱膨張であることはない
であろう。 又、本発明の結合部について熱間アイソスタチ
ツクプレス過程以前に仕上げられるセラミツク製
回転部材又はそれに連続するセラミツク製軸延長
部の外側壁の輪郭をあらく形成することができ
る。その場合、熱間アイソスタチツクプレス過程
の結果、金属製回転部材又はその金属製軸のスリ
ーブ型端部はセラミツク製回転部材、又はその軸
延長部のあらい構造の表面に沿い且つ親密に接合
し、かみあう。この過程は表面側の同時焼結と解
釈することができる。
スタチツクプレス過程を実施するために第1図示
のような鋼シートからなるおおい4が用いられ
る。このおおいの材料としては酸素に対する耐性
を有する高級ステンレス鋼が利用される。おおい
4の壁厚は上記の鋼シートからなるときは約1.5
mmである。おおい4はセラミツク製車板1及び軸
延長部1′を、次の熱間アイソスタチツクプレス
過程によつて車板1が損なわれないように半径流
羽根車の羽根間に中空空間部5を保護してかこ
む。おおい4は更に金属製軸2の後の形状に少な
くとも一部適合せしめられた気密にあらゆる側を
閉鎖することができる円筒状構成単位6を有す
る。円筒状構成単位6(第2図)はその左端に金
属粉末の供給口7を有し、この供給口は図面にお
いて点線で示す如く互に接するように端部を曲げ
て熱間アイソスタチツクプレス過程のために完全
に気密に密封することができる。又、この円筒状
構成単位6は仕上りの金属製軸2に対して熱間ア
イソスタチツクプレス過程において金属粉末の圧
縮に必要な付加的容積5′を提供する。熱間アイ
ソスタチツクプレス過程の後におおい4及び円筒
状構成要素6は除去される。 第1図示の如くおおい4により外からかこまれ
た半径流羽根車の羽根3間の中間空間部5には熱
間アイソスタチツクプレス過程の開始前に石英粉
末で充填することができる。この充填された石英
粉末は熱間アイソスタチツクプレス過程後、ガラ
ス状物質としておおい4と共に車板1及び半径流
羽根車の羽根3から容易に除去することができ
る。 第3,4,5図示の実施例の場合、軸流羽根1
3及び軸延長部12′を有するセラミツク製軸流
タービン車板12が用いられる。熱間アイソスタ
チツクプレス過程で作られる中空軸11が前記セ
ラミツク製軸延長部12′を把持する。金属製中
空軸11及び結合部(金属1セラミツク)を同時
につくるために熱間アイソスタチツクプレス過程
を行なう装置、即ちおおい8とつながつた円筒状
構成単位9は熱間アイソスタチツクプレスのとき
環状空間10で作られる金属製軸11の中空軸壁
用の環状中空シリンダとして中空軸状に形成され
る。円筒状構成単位9の金属粉末供給口13′
(第4図)は該口部13′の前に接続されるはめ管
の相互に曲げられた端部14及び15によつて熱
間アイソスタチツクプレス過程のために気密に閉
じられる。 このアイソスタチツクプレス過程においてはカ
プセル6(第1図)は炉内にある。排気されたカ
プセル6は炉内の大気に対して周囲を気密に閉鎖
している。炉内の圧力はおよそ1000バール、温度
はおよそ1100℃で温度はカプセル6の合成物質を
考慮して選ぶことは明らかである。カプセル6が
高温に均熱され、かつ柔らかくなると、カプセル
6に作用する圧力はカプセル6に多方向により均
等に作用して砕くので鋼シートは前記のアイソス
タチツクプレス過程で融けてはならない。例え
ば、カプセル6の合成材料は温度不変のスチール
高合金よりなり、例えばニツケルコバルト合金鋼
よりなる。場合によつては炉温度を1350℃より高
くする。 アイソスタチツクプレス過程では拡散結合はな
い。アイソスタチツクプレス過程によつて金属製
軸2(心棒2)の材料部分は完成したセラミツク
(栓1′)の多孔表面内にある。附加の粗くした表
面はこの効果を補強する。 本発明の結合部は完成した状態で周方向及び軸
方向にトルクを吸収するように形成することがで
きる。この結合部の固着は熱間アイソスタチツク
プレス過程以前にセラミツク製回転部材を熱間ア
イソスタチツクプレス過程で金属製結合部部分が
セラミツク製回転部材に確実伝動が可能な状態に
適合して形成されるような適当な外側壁の形状輪
郭に予成形することによつて可能となるものであ
る。 この軸方向及び周方向の固着は熱間アイソスタ
チツクプレス過程以前に予成形されるセラミツク
製回転部材の外側壁の形状輪郭を多数の一様に分
配された扇形部16(第3図及び第5図)又は多
角形断面P(第6図及び7図)を有する形状輪郭
に予成形することによつて可能となるものであ
る。 第7図示の結合部において、例えばチタン酸ア
ルミニウム(Al2TiO5)よりなる熱絶縁層17が
セラミツク製回転部材12、又は軸延長部12′
と金属製回転部材、即ち軸との間の接合領域に配
列されている。熱絶縁層17は厚さがおよそ0.5
mmで、心棒または回転体をセラミツク(栓1′)に
結合する装置を強固に達成する。例えば注入ある
いは圧力を通して熱絶縁層17は材料の
schwachung弱さがない。熱絶縁層17(外側)
による多孔度あるいは追加の粗さは17のある材
料と共に軸2の材料の“噛み合わせ”
(Verzahung)を多少とも活性化することを果た
す。より高い回転軸の偶力の伝達は車板12(第
5図の歯列16、あるいは第6,7図の多角形によ
つてなされるので熱絶縁層17の強度は関係がな
い。合目的的に熱間アイソスタチツクプレス過程
以前にセラミツク製回転部材の接合領域に付着も
しくはスプレイすることにより形成される。この
熱絶縁層の利用の運転中にセラミツク製車板及び
金属製軸における急激な温度変化が見込まれると
き特に有効である。このような熱絶縁層はガスタ
ービン駆動装置において高温が負荷されるとき特
に有効であり、それによつてセラミツク側から金
属側への望ましくない熱の自由な流れを防止する
ことができる。その結果、セラミツク製車板より
も比較的高い熱膨張係数を有する他の材料を金属
製軸の材料として用いるときですら、金属製材料
の膨張は相当する構造のセラミツク製車板1から
見込まれる熱膨張以上の熱膨張であることはない
であろう。 又、本発明の結合部について熱間アイソスタチ
ツクプレス過程以前に仕上げられるセラミツク製
回転部材又はそれに連続するセラミツク製軸延長
部の外側壁の輪郭をあらく形成することができ
る。その場合、熱間アイソスタチツクプレス過程
の結果、金属製回転部材又はその金属製軸のスリ
ーブ型端部はセラミツク製回転部材、又はその軸
延長部のあらい構造の表面に沿い且つ親密に接合
し、かみあう。この過程は表面側の同時焼結と解
釈することができる。
第1図はタービン車板と軸の結合部及び熱間ア
イソスタチツクプレス成形を行なう装置の縦断面
図、第2図は第1図示の左側軸端及び前記装置の
金属粉末の供給口を有するおおいの部分を最終の
形状を示す断面図、第3図は別のタービン車板と
軸の結合部の形成及び熱間アイソスタチツクプレ
ス成形を行なう装置の縦断面図、第4図は第3図
示の装置の管端部及び密封された状態の金属粉末
供給口の部分的に横方向と縦方向に切断して示す
断面図、第5図は第3図示のV−線で切つた断
面図、第6図は前記のV−V線で切つた、但し第
5図示のものと伝動車結合部の技術に適用された
点で異なる実施例の断面図、及び第7図は第6図
示のものと熱絶縁材料を用いた点が異なる実施例
の断面図、第8図はEPC10の温度と熱膨張係数
のグラフである。 1……半径流タービン車板、1′……軸延長部、
2……金属製軸、3……羽根、4……おおい、5
……中空空間部、5′……付加的容積、6……円
筒状構成単位、7……供給口、8……おおい、9
……円筒状構成単位、10……環状空間、11…
…金属製軸、12……軸流タービン軸板、12′
……軸延長部、13……軸流羽根、13′……供
給口、14……はめ管の端部、15……はめ管の
端部、P……多角形断面、16……扇形部、17
……熱絶縁層。
イソスタチツクプレス成形を行なう装置の縦断面
図、第2図は第1図示の左側軸端及び前記装置の
金属粉末の供給口を有するおおいの部分を最終の
形状を示す断面図、第3図は別のタービン車板と
軸の結合部の形成及び熱間アイソスタチツクプレ
ス成形を行なう装置の縦断面図、第4図は第3図
示の装置の管端部及び密封された状態の金属粉末
供給口の部分的に横方向と縦方向に切断して示す
断面図、第5図は第3図示のV−線で切つた断
面図、第6図は前記のV−V線で切つた、但し第
5図示のものと伝動車結合部の技術に適用された
点で異なる実施例の断面図、及び第7図は第6図
示のものと熱絶縁材料を用いた点が異なる実施例
の断面図、第8図はEPC10の温度と熱膨張係数
のグラフである。 1……半径流タービン車板、1′……軸延長部、
2……金属製軸、3……羽根、4……おおい、5
……中空空間部、5′……付加的容積、6……円
筒状構成単位、7……供給口、8……おおい、9
……円筒状構成単位、10……環状空間、11…
…金属製軸、12……軸流タービン軸板、12′
……軸延長部、13……軸流羽根、13′……供
給口、14……はめ管の端部、15……はめ管の
端部、P……多角形断面、16……扇形部、17
……熱絶縁層。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1 ジエツトエンジン用のセラミツク製回転部材
と金属製回転部材の結合部であり、且つ前記セラ
ミツク製回転部材が前記金属製回転部材と結合さ
れる以前に焼結され、且つ仕上げ加工されている
前記結合部を有する回転部材において、 (a) 前記セラミツク製回転部材1が反応により結
合せしめられた窒化珪素又は加圧なしに焼結さ
れた炭化珪素からなり、 (b) 前記金属製部材2が所定の量の金属粉末を熱
間アイソスタチツクプレス成形してなるもので
あり、且つ前記セラミツク製回転部材1に確実
伝動が可能な状態に結合されており、且つ (c) 前記金属粉末が前記セラミツク製回転部材の
熱膨脹係数と同一もしくは非常に近似した熱膨
脹係数を有することを特徴とするセラミツク製
回転部材と金属製回転部材の結合部を有するジ
エツトエンジン用の回転部材。 2 前記金属粉末がMTN12189の基準によるニ
ツケル−コバルト鋼であるEPC10に相当するも
のであることを特徴とする特許請求の範囲第1項
記載のセラミツク製回転部材と金属製回転部材の
結合部を有するジエツトエンジン用の回転部材。 3 前記セラミツク製回転部材1がセラミツク製
車板であり、一方前記金属製回転部材2が金属製
軸であり、両者間の結合部が前記セラミツク製車
板1の中央部から突出するセラミツク製軸延長部
1′と前記金属製軸2の端部との間に作られてお
り、前記端部は前記セラミツク製軸延長部1′を
スリーブ状に把持していることを特徴とする特許
請求の範囲第1項又は第2項記載のセラミツク製
回転部材と金属製回転部材の結合部を有するジエ
ツトエンジン用の回転部材。 4 前記セラミツク製回転部材1と前記金属製回
転部材2との結合部がトルクを吸収するように周
方向と軸方向の両方向に固着されるように熱間ア
イソスタチツクプレス成形過程前に前記セラミツ
ク製回転部材の外側壁輪郭が確実伝動が可能な結
合部が形成される形状に予成形されていることを
特徴とする特徴請求の範囲第1項、第2項、又は
第3項記載のセラミツク製回転部材と金属製回転
部材の結合部を有するジエツトエンジン用の回転
部材。 5 前記セラミツク製回転部材12又はその軸延
長部12′が多角形状をしており、等間隔おきの
複数の扇形部16を有するか又は多角形断面Pを
有することを特徴とする特許請求の範囲第4項記
載のセラミツク製回転部材と金属製回転部材の結
合部を有するジエツトエンジン用の回転部材。 6 熱間アイソスタチツクプレス成形を行う以前
において、前記セラミツク製回転部材又はその軸
延長部の外側壁の輪郭があらく形成されているこ
とを特徴とする特許請求の範囲第1項、第2項、
第3項、第4項、又は第5項記載のセラミツク製
回転部材と金属製回転部材の結合部を有するジエ
ツトエンジン用の回転部材。 7 ジエツトエンジン用のセラミツク製回転部材
と金属製回転部材の結合部であり、且つ前記セラ
ミツク製回転部材が前記金属製回転部材と結合さ
れる以前に焼結され、且つ仕上げ加工されている
前記結合部を有する回転部材において、 (a) 前記セラミツク製回転部材12が反応により
結合せしめられた窒化珪素又は加圧なしに焼結
された炭化珪素からなり、 (b) 前記金属製部材11が所定の量の金属粉末を
熱間アイソスタチツクプレス成形してなるもの
であり、且つ前記セラミツク製回転部材12に
確実伝動が可能な状態に結合されており、 (c) 前記金属粉末がセラミツク製回転部材の熱膨
脹係数と同一もしくは非常に近似した熱膨脹係
数を有し、且つ (d) 熱絶縁層17が前記セラミツク製回転部材1
2もしくはその軸延長部12′と前記金属製回
転部材11の間の結合領域に設けられているこ
とを特徴とするセラミツク製回転部材と金属製
回転部材の結合部を有するジエツトエンジン用
の回転部材。 8 前記熱絶縁層17が前記セラミツク製回転部
材の結合領域にチタン酸アルミニウムを被着もし
くはスプレイしてなるものであることを特徴とす
る特許請求の範囲第7項記載のセラミツク製回転
部材と金属製回転部材の結合部を有するジエツト
エンジン用の回転部材。 9 前記金属粉末がMTN12189の基準によるニ
ツケル−コバルト鋼であるEPC10に相当するも
のであることを特徴とする特許請求の範囲第7項
又は第8項記載のセラミツク製回転部材と金属製
回転部材の結合部を有するジエツトエンジン用の
回転部材。 10 前記セラミツク製回転部材1がセラミツク
製車板であり、一方前記金属製回転部材2が金属
製軸であり、両者間の結合部が前記セラミツク製
車板1の中央部から突出するセラミツク製軸延長
部1′と前記金属製軸2の端部との間に作られて
おり、前記端部は前記セラミツク製軸延長部1′
をスリーブ状に把持していることを特徴とする特
許請求の範囲第7項、第8項、又は第9項記載の
セラミツク製回転部材と金属製回転部材の結合部
を有するジエツトエンジン用の回転部材。 11 前記セラミツク製回転部材1と前記金属製
回転部材2との結合部がトルクを吸収するように
周方向と軸方向の両方向に固着されるように熱間
アイソスタチツクプレス成形過程前に前記セラミ
ツク製回転部材の外側壁輪郭が確実伝動が可能な
結合部が形成される形状に予成形されていること
を特徴とする特許請求の範囲第7項、第8項、第
9項、又は第10項記載のセラミツク製回転部材
と金属製回転部材の結合部を有するジエツトエン
ジン用の回転部材。 12 前記セラミツク製回転部材12又はその軸
延長部12′が多角形状をしており、等間隔おき
の複数の扇形部16を有するか又は多角形断面P
を有することを特徴とする特許請求の範囲第11
項記載のセラミツク製回転部材と金属製回転部材
の結合部を有するジエツトエンジン用の回転部
材。 13 熱間アイソスタチツクプレス成形を行う以
前において、前記セラミツク製回転部材又はその
軸延長部の外側壁の輪郭があらく形成されている
ことを特徴とする特許請求の範囲第7項、第8
項、第9項、第10項、又は第11項記載のセラ
ミツク製回転部材と金属製回転部材の結合部を有
するジエツトエンジン用の回転部材。 14 ジエツトエンジン用のセラミツク製回転部
材と金属製回転部材の結合部であり、且つ前記セ
ラミツク製回転部材が前記金属製回転部材と結合
される以前に焼結され、且つ仕上げ加工されてい
る前記結合部を有する回転部材の作製方法におい
て、鋼シートもしくはセラミツク材料からなる、
金属製回転部材(軸2)の後の形状に合うように
形成された熱間アイソスタチツクプレスにより金
属粉末を圧縮して金属製回転部材(軸2)を形成
するのに要する付加的容積部分5′を有する気密
にあらゆる側を閉鎖することができる円筒状構成
単位6を有するおおい4によつて必要に応じて中
間空間部5の残してセラミツク製回転部材1を包
囲し、次いで、円筒状構成単位6内に供給口7よ
り金属粉末を充填し、次いで供給口7を密封し、
しかるのち熱間アイソスタチツクプレスを行つて
金属製回転部材を成形し、最後に円筒状構成単位
6と共におおい4を除去することを特徴とするジ
エツトエンジン用のセラミツク製回転部材と金属
製回転部材の結合部を有するジエツトエンジン用
の回転部材の作製方法。 15 環状の中空部を有する円筒の如き管状軸に
形成されている円筒状構成単位9を有するおおい
を用いることを特徴とする特徴請求の範囲第14
項記載のセラミツク製回転部材と金属製回転部材
の結合部を有するジエツトエンジン用の回転部材
の作製方法。 16 ジエツトエンジン用のセラミツク製回転部
材と金属製回転部材の結合部であり、且つ前記セ
ラミツク製回転部材が前記金属製回転部材と結合
される以前に焼結され、且つ仕上げ加工されてい
る前記結合部を有する回転部材の作製方法におい
て、鋼シートもしくはセラミツク材料からなる、
金属製回転部材(軸2)の後の形状に合うように
形成された、熱間アイソスタチツクプレスにより
金属粉末を圧縮して金属製回転部材(軸2)を形
成するのに要する付加的容積部分5′を有する気
密にあらゆる側を閉鎖することができる円筒状構
成単位1を有するおおい4によつて中間空間部5
を残してセラミツク製回転部材1を包囲し、且つ
おおい4によつて画定された中間空間部5内に石
英粉末を熱間アイソスタチツクプレス成形を行う
以前に充填し、次いで円筒状構成単位6内に口部
7より金属粉末を充填し、次いで口部7を密封
し、しかるのち熱間アイソスタチツクプレスを行
つて金属製回転部材を成形し、最後におおい4及
びガラス状物質を円筒状構成単位6と共に除去す
ることを特徴とするセラミツク製回転部材と金属
製回転部材の結合部を有するジエツトエンジン用
の回転部材の作製方法。 17 環状の中空部を有する円筒の如き管状軸に
形成されている円筒状構成単位9を有するおおい
8を用いることを特徴とする特許請求の範囲第1
6項記載のジエツトエンジン用のセラミツク製回
転部材と金属製回転部材の結合部を有するジエツ
トエンジン用の回転部材の作製方法。
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