JPH0426566A - 連結部材およびその連結方法 - Google Patents

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、セラミック部材と金属部材またはセラミック
部材とセラミック部材からなる連結部材およびその連結
方法に関し、特にガスタービンまたは蒸気タービンの動
翼に関するものである。

（従来の技術） 陸用、航空機用ガスタービンの性能は、作動媒体である
燃焼ガスの温度に依存し、ガス温度が高いほど性能は向
上し、消費される燃料量に対して得られる出力の割合は
大きくなる。このガス温度の向上を図るには、燃焼ガス
が直接作用するガス通路部、とりわけ大きな遠心力の作
用する動翼を耐熱性に優れたものとする必要がある。

そこで、従来はこの動翼をＮｉ基超超耐熱合金構成した
うえ、動翼自体あるいは静翼に冷却用空気を導いて動翼
の温度が過度に上昇するのを防止している。しかしなが
ら、このような冷却用空気を流通させて内部冷却を行な
うことは、他方で効率低下の原因ともなることから、ガ
スタービンの性能を一層向上させるにはこの内部冷却を
低減できるように翼の耐用温度を高めることが必要であ
りかかる視点から近年ＳｉＣ，５ｉＪａ等のセラミック
材料でガスタービンの翼を構成することが実用化されつ
つある。このようなセラミックスは金属より格段に高い
耐熱温度を有し、しかも比重が金属の２以下と小さいた
め、ガスタービンの動翼として好ましい物性を備えてい
る。

また、蒸気タービンにおいては、その大容量化に伴いタ
ービン動翼が大型化、回転速度の高速化が行なわれてい
る。このため、動翼に作用する遠心力が大きくなり、動
翼植込部での破壊を生しる危険性がある。セラミックス
は前述したように金属に比べて比重が小さく、動翼に発
生する遠心力を小さくすることが可能となる。

ところが、セラミックスは金属に比べて靭性が極端に劣
るため、大きな遠心応力が作用する動翼の嵌合部におい
て、接触部での応力集中や、わずかな擦れによる接触応
力により、本来よりも低荷重で破壊を生してしまう問題
があった。特に、動翼側あるいは支持するディスク側の
加工において、現状の工業レベルで許容される範囲の加
工誤差などによって翼嵌合部にガタが生じた場合は、遠
心力に基づく偏荷重が作用するため顕著となる問題もあ
った。

（発明が解決しようとする課題） これらの問題を解消するため、従来、嵌合部に軟質金属
層を形成して応力集中を緩和する方法が試みられている
。軟質金属としては、アルミニウム、銅、鉄、ニンケル
、クロム、モリブデンなどの金属や白金、金、ロジウム
等の貴金属が一般的である。また、本出願人の出願によ
る特開昭６３３１５５８５号公報には金属層のほか、金
属とセラミックスとの複合被覆層を形成して、応力集中
を緩和する技術が開示されている。

しかしながら、軟質金属層としてアルミニウム、銅、鉄
等を使用した場合には、金属の融点が低いため使用温度
において変形量が大きすぎて十分な効果が得られない問
題があった。また、金属は使用雰囲気における金属層の
酸化およびブレード材との反応による劣化が生じて、十
分な効果が得られない問題もあった。さらに、耐酸化性
の良好な貴金属を使用する場合には、材料が非常に高価
であるとともに、蒸気圧が低いため化学蒸着法（ＣＶＤ
法）、物理蒸着法（ｐｖｏ法）等による被覆に十分な厚
みを与えることが困難な問題もあった。

また、特開昭６３−３１５５８５号公報において開示さ
れた金属とセラミックスとの複合被覆層でも、上述した
金属層の問題があるとともに、使用するセラミックスの
材料によっては、複合被覆層の耐衝撃性が不足する問題
もあった。

本発明の目的は上述した課題を解消して、安価かつ簡単
に耐熱性および高強度を得ることができるセラミック入
／金属またはセラミックス／セラミックスからなる連結
部材およびその連結方法を提供しようとするものである
。

（課題を解決するための手段） 本発明の連結部材は、セラミック部材と金属部材または
セラミック部材とセラミック部材からなる連結部材の嵌
合部の少なくとも一方に、チタン系炭化物またはチタン
系窒化物からなるセラミック被覆層を設けたことを特徴
とするものである。

本発明の連結部材の連結方法は、嵌合により連結された
セラミック部材と金属部材またはセラミック部材とセラ
ミック部材からなる連結部材の連結方法において、嵌合
部での接触部位の少なくとも一方に、チタン系炭化物ま
たはチタン系窒化物からなるセラミック被覆層を化学蒸
着法により設けた後、嵌合することを特徴とするもので
ある。

（作　用） 上述した構造において、連結部材の嵌合部の少なくとも
一方に、チタン系炭化物またはチタン系窒化物からなる
セラミック被覆層を設けることにより、セラミック材料
を使用することで耐熱性、耐酸化性および低廉性を達成
できるとともムこ、セラミック材料の中でも比較的延性
の高いチタン系炭化物またはチタン系窒化物を使用する
ことで、耐応力性、耐衝撃性を改善している。

嵌合部で生じる応力は接触による圧縮応力と部材の微動
による摩擦力が考えられ、圧縮応力の緩和には延性によ
る変形が、摩擦力に対しては耐摩耗性が要求される。ま
た翼の微動により前記応力がくり返し発生するため、発
生応力下での疲労特性も重要となる。チタン系窒化物お
よび炭化物は前述のように延性を有するとともに、耐摩
耗性を有している。特に接触部表面では微小領域で酸化
チタンが生成し、耐摩耗性の向上に寄与していると考え
られる。

ここで、セラミック被覆層のうち、チタン系炭化物とし
てはＴｉＣが、チタン系窒化物としてはＴｉＮ。

ＴｉＡ　Ｉ　Ｎ、　ＴｉＡ　Ｉ　ＺｒＮがそれぞれ好適
に使用できる。

また、本発明の連結方法では、所定のセラミック被覆層
を化学蒸着法（ＣＶＤ法）により形成しているため、基
板である動翼と被覆層の密着性がＰνＤ、溶射法に比べ
良好であり、接触部でのくり返し応力下でもはく離を生
じず、十分な特性を得ることができる。

（実施例） 第１図および第２図はそれぞれ本発明の連結部材の一例
として、ガスタービンの動翼およびセラミックタイル組
立体に本発明を応用した例を示す。

第１図に示すガスタービンの動翼の例では、ガスタービ
ンの金属製ディスク部１に接触する好ましくは５ｉ３Ｎ
４１　ＳｉＣからなるセラミック製動翼２のルート部３
に、本発明のチタン系炭化物またはチタン系窒化物から
なるセラミック被覆層４を施した例を示している。本実
施例では、ルート部３と金属製ディスク部１とが接触し
ても、ルート部３に施した延性、耐酸化性、耐食性に優
れたセラミック被覆層４により、接触による集中荷重は
緩和されてルート部３への応力集中ば生じない。第２図
は裏面側に突出部１２ａを有するセラミックタイル１２
の表面を平面となるよう施工した例を示し、セラミック
タイル１２の突出部１２ａを金属治具１１の受部１１ａ
に嵌合するにあたり、金属治具１１の受部１１ａにチタ
ン系炭化物またはチタン系窒化物からなるセラミック被
覆層１３を設けている。

上述した構造の嵌合により連結されたセラミック部材と
金属部材からなる連結部材を連結するには、嵌合部での
接触部位の少なくとも一方、上述した実施例ではセラミ
ック部材側に、チタン系炭化物またはチタン系窒化物か
らなるセラミック被覆層を化学蒸着法により設けた後、
嵌合する必要がある。

以下、実際の例について説明する。

裏施± 本発明の表面被覆連結部材の効果を確認するため、窒化
珪素焼結体に減圧熱ＣＶＤ装置を用いて第１表に示す種
々の表面被覆層を形成し、模擬的な試験により評価を行
なった。

まず、ＣＶＤ被覆層の合成は次の原料を使用し、温度８
００〜１０００°Ｃ１圧カフ〜６０ｋＰａの範囲で行な
い、それぞれ第１表に示す１〜５μ翔の厚さの表面被覆
層を形成した。原料は、被覆層が、ＴｉＮの場合はＴｉ
１Ｊ！４÷Ｎ、＋Ｈ，、ＴｉＣの場合はＴｉＣ１ａ＋　
ＣＩ（ｊ±Ｈ２，Ａｆ□０３およびＴｉＢｚの場合はＡ
ｌＯ２，。

ＢＣｌ２．、　ＣＯ２等のガスを用いた。

接触応力の緩和効果の評価として、第３図に示した状態
で評価試験を実施した。すなわち、上述して得た種々の
被覆層を存する４（ｌＸ４Ｘ４ｍ＋の試験片２１または
比較例として未被覆で同じ形状の試験片２１を、その被
覆層が表面となるよう第３図に示すようターンテーブル
２２中に設置し、この状態で試験片２１に窒化珪素製の
ビン２３を押し付け、定速度でビン２３に荷重を増加す
るとともにターンテーブル２２を回転させてビン２３を
滑らせて、被覆層にクランクが発生する荷重を測定した
。クラックの発生は、ターンテーブル２２に取り付けた
ＡＥセンサ２４で検出した。この評価試験では、クラッ
クの発生荷重が大きいほど接触応力に対する抵抗性があ
り、嵌合部への適用に好適な材料であることがわかる。

結果を第１表に示す。

第１表 第１表から明らかなように、 ＴｉＮ およびＴｉＣ 被 覆において基材よりもクランク発生荷重が増加しており
、接触応力が緩和されていることがわかる。

（発明の効果） 以上の説明から明らかなように、本発明の連結部材およ
びその連結方法によれば、嵌合部のいずれか一方に所定
組成のセラミック被覆層を設けているため、接触部での
耐久性を改善することが可能であり、連結部を有する部
材の信頼性を向上することができ、ガスタービンブレー
ド等の構造部材に好適に適用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図はそれぞれ本発明の連結部材の一例
として、ガスタービンの動翼およびセラミックタイル組
立体に応用した例を示す図、第３図は本発明の評価試験
を実施する状態を示す図である。 Ｉ・・・金属製ディスク部　２・・−セラミック製動翼
３・・・ルート部　　　　　４・・・セラミック被覆層
１１・・・金属治具　　　　　１１ａ・・・受部１２・
・・セラミックタイル　１２ａ・・・突出部１３・・・
セラミック被覆層　２１・・・試験片２２・・・ターン
テーブル　　２３・・・ビン２４・・・ＡＥセンサ 特 許 出 願 人 日本碍子株式会社

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、セラミック部材と金属部材またはセラミック部材と
   セラミック部材からなる連結部材の嵌合部の少なくとも
   一方に、チタン系炭化物またはチタン系窒化物からなる
   セラミック被覆層を設けたことを特徴とする連結部材。 ２、前記セラミック部材が、窒化珪素焼結体または炭化
   珪素焼結体である請求項１記載の連結部材。 ３、嵌合により連結されたセラミック部材と金属部材ま
   たはセラミック部材とセラミック部材からなる連結部材
   の連結方法において、嵌合部での接触部位の少なくとも
   一方に、チタン系炭化物またはチタン系窒化物からなる
   セラミック被覆層を化学蒸着法により設けた後、嵌合す
   ることを特徴とする連結部材の連結方法。