JPH0735721B2 - ラジアル型セラミックタービンローター - Google Patents

ラジアル型セラミックタービンローター

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JPH0735721B2
JPH0735721B2 JP2199113A JP19911390A JPH0735721B2 JP H0735721 B2 JPH0735721 B2 JP H0735721B2 JP 2199113 A JP2199113 A JP 2199113A JP 19911390 A JP19911390 A JP 19911390A JP H0735721 B2 JPH0735721 B2 JP H0735721B2
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JP
Japan
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shaft
turbine rotor
ceramic
blade
radial type
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眞悟 佐々木
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NGK Insulators Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ラジアル型セラミックタービンローターに関
するものである。
窒化珪素、炭化珪素、サイアロン等のシリコンセラミッ
クスは、金属よりも高温で安定で、酸化腐食やクリープ
変形を受けにくいのでエンジン部品として利用する研究
が活発に行なわれている。とりわけ、これらセラミック
材料から成るラジアル型タービンローターは、金属製ロ
ーターに比べ軽量でエンジンの作動温度を高めることが
でき、熱効率に優れているため、自動車用ターボチャー
ジャーローターあるいはガスタービンローター等として
注目を集めている。
従来のこのようなラジアル型タービンローターとして
は、特開昭57−88201号公報に開示されたものが知られ
ており、第2図に見られるように、複雑な三次元形状を
有する翼部1を例えば射出成形にて形成し、軸部2を例
えば金型プレスで成形後ラバープレスにて形成し、両者
を例えば円錐状の嵌め合わせ形状として接合、焼成して
一体のセラミックタービンローターとしていた。しか
し、この方法によるものは、 (1) 射出成形後の翼部肉厚部に脱脂クラックを生じ
やすく、 (2) 接合時に翼部及び軸部の形状を正確に合わせる
必要があり、形状不一致の場合接合面に空隙等の接合不
良を生じやすく、また接合界面に塗布したペーストの厚
さが不均一となり接合強度が低下しやすく、 (3) 焼成後の精密加工時にローターのセンター孔を
求めることが困難で作業性に劣る、 等の欠点があった。
本発明の目的は、従来のものに見られた前記の諸欠点を
解消することであり、翼部と軸部とで構成されるセラミ
ックタービンローターの製造の際の脱脂工程に発生しや
すい翼部肉厚部の脱脂クラックを防止することである。
また本発明の別の目的は、翼部と軸部の接合を容易に
し、接合部の空隙等の接合不良を防止し、セラミックペ
ーストの接合層を均一にし、接合強度を増大させること
である。
さらに本発明の他の目的は、焼成後の最終加工時に翼部
前面に設けた軸孔をセンター孔として利用し、作業性の
向上を図ることである。
本発明はセラミックス製翼部とセラミックス製軸部とが
セラミックペーストを介して翼部内に設けた実質的に円
錐状の嵌合孔により接合され、軸部先端が翼部前面に露
出せず焼成により一体化したセラミックタービンロータ
ーにおいて、翼部前面から軸部先端方向に開孔したセン
ター孔用軸孔を有し、かつ該軸部先端が該軸孔内にはま
りこむよう構成したことを特徴とするラジアル型セラミ
ックタービンローターにある。
本発明のさらに詳しい構成を以下に詳細に説明する。
本発明のラジアル型セラミックタービンローターは、第
1図に示すように、翼部1と軸部2とがセラミックペー
ストを介して翼部1の中心部3で接合されており、翼部
前面4から軸部先端5方向に軸孔6を有するものであ
る。本発明のラジアル型セラミックタービンローター
は、接合が実質的に円錐状凹凸の嵌め合わせによる接合
であり、好ましくは軸孔6が接合面7の円錐のテーパー
より小さいテーパーを有し、翼部前面4における軸孔6
の径が2〜5mmであり、ローター中心軸8に対し軸孔の
テーパーが最大5゜、好ましくは2゜以下である。
本発明のラジアル型セラミックタービンローターについ
て説明する。
まず、窒化珪素、炭化珪素、サイアロン等のセラミック
粉末にY2O3,MgO,CeO,SrO,BeO,B,C等の焼結助剤を加えて
充分に混練して均質な混合物を調整する。次いでこの混
合物に樹脂、ワックス等のバインダーを加熱混練し、射
出成形用のセラミック原料を調整する。そして、第1図
に示すように翼部前面4から軸部先端5方向にかけて焼
成後の径が2〜5mmで、ローターの中心軸8に対し最大
5゜、好ましくは2゜以下のテーパーの軸孔6を有する
ように調整された金型を用いて射出成形することにより
翼部1を得る。あるいは、射出成形後の成形対に超硬ド
リル等を用いて前記軸孔6を形成した翼部1を得る。次
いで射出成形によって得られた成形体中に含まれる樹脂
およびワックス等のバインダーを電気炉中で加熱除去す
ることにより脱脂を行う。加熱条件は、樹脂およびワッ
クス等の種類、含有量によって異なるが、500℃の温度
まで100℃/h以下、好ましくは300℃の温度まで10℃/h以
下の昇温速度とする。一方、これとは別に軸部成形体を
前記セラミック原料を用いて射出成形法あるいはスリッ
プキャスト法、金型プレス法、ラバープレス法等のセラ
ミック成形の常法により成形する。この場合、翼部成形
体と軸部成形体とは必ずしも同じ材料である必要はない
が、同じ材料である方が熱膨張差が小さいため好まし
い。その後、翼部成形体および軸部成形体を800〜12000
℃で仮焼後、接合面7が円錐状凹凸の嵌め合わせとなる
ように機械加工する。この時、軸部先端5は軸孔6内に
はまりこむことが好ましいため円錐状先端のままでよい
が、軸孔6の直径すなわち2〜5mm程度の丸みをおびた
ものとしてもよい。そして、翼部1と軸部2の接合面7
に好ましくは翼部1、軸部2と同材質の耐熱性セラミッ
クペーストを塗布したのち、両成形体を密接する。両成
形体の接合は接合面7を構成するテーパー部のみで行わ
れ、軸部先端5は軸孔6内にはまりこむ。この時、接合
面7の過剰ペーストは軸孔6内に流入するので、接合面
7のペースト層は均一となり、接合強度は増大する。軸
孔6に流入したペーストはその後の工程に何等支障を与
えない。また、軸孔6をセンター孔として利用する時も
充分にその役目を果たす。
密接した成形体はラテックスゴム等の弾性体で覆って、
5ton/cm2以下の圧力でラバープレスを行う。その後、翼
部1、軸部2あるいはセラミックペーストに最適な焼成
温度および雰囲気で焼成し、強固に結合した一体のセラ
ミックタービンローターを得る。さらに最終製品の形状
とするため、前記軸孔6をセンター孔に利用し、翼部1
および軸部2を精密に機械加工し、第1図に示すように
ラジアル型セラミックタービンローターを得る。
なお、本発明で軸孔6の径を2〜5mmとした理由は、2mm
以下では翼部1の成形時あるいは成形後に軸孔6をこれ
に設けるのが困難であり、かつ脱脂時のバインダー放出
孔として充分に機能しないためである。また、軸孔6の
径が5mm以上であると翼部と軸部の接触面積が減少し軸
部先端5から破壊が生じる恐れがある。2〜5mm程度で
あれば、ローターの高速回転時に破壊の原因となるもの
ではない。
タービンローターは、翼部1にはまりこむ軸部2の部分
に最大応力がかかるが、この部分は翼部1よりも肉厚が
大きいので高速回転による大きな引張応力に充分耐えら
れる。
また、軸孔6のテーパーとして最大5゜を好ましいとす
る理由は、5゜あれば充分に本発明の目的が達せられる
からであり、軸部先端5での軸孔の直径を大きくし過ぎ
ないためである。
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、
本発明はこの実施例に限定されるものではない。
実施例1 平均粒径1μmのSi3N4粉末100重量部(以下同じ)に対
し、焼結助剤としてSrO2部、MgO3部、CeO2 3部を添加し
た常圧焼結用Si3N4混合物を調整した。この混合物の一
部にポリエチレンワックス15重量%(以下同じ)、ステ
アリン酸2%を加えて加熱混練し、射出成形用セラミッ
ク原料を調整した。そして、翼部1の最大直径が50mm
で、翼部前面4に直径2mmで、ローターの中心軸に対す
るテーパーが5゜の軸孔6を有するラジアル型タービン
ローターを得るように調整された金型を用いて、前記セ
ラミック原料を射出成形し、翼部1を作製した。次いで
電気炉中で3℃/hで400℃まで加熱し5時間保持して脱
脂した。脱脂後成形体各部を観察したところ、クラック
は全く認められなかった。
一方、前記混合物にポリビニールアルコール2%を加え
て充分に混練した原料を用いて金型プレス後、ラバープ
レス機で等方圧縮し、軸部成形体を得た。そして、旋盤
加工にて先端を円錐状に加工した軸部2を作製した。
得られた翼部1と軸部2の接合面7を旋盤加工にて平滑
にした後、接合面にMgO4部、SrO3部、CeO2 4.5部を含む
Si3N4粉末のペーストを焼成後100μmの厚さとなるよう
に塗布し、翼部1と軸部2を密接した後、全体をラテッ
クスゴムで覆い、2ton/cm2の圧力でラバープレスを行
い、翼部1および軸部2が強固に接合一体化した成形体
を得た。次いで窒素雰囲気中、1720℃で30分間焼成し
た。その後翼部1前面の軸孔6をセンター孔として、旋
盤加工にて精密に仕上げ第1図に示すラジアル型セラミ
ックタービンローターを得た。
得られたセラミックタービンローターの回転試験を行う
ためローター部のアンバランスを0.005g・cmとした後、
金属製シャフトを取りつけた。これにより増大したアン
バランスを除去し、全体のアンバランスが0.005g・cmと
なるようにバランス調整した。その後、回転試験機によ
り徐々に回転数を増しながら試験を行ったところ、2200
00rpmの回転数でも破壊はしなかった。
実施例2 平均粒径0.5μmの種としてβ層からなるSiC粉末100部
に対し、焼結助剤としてB4C3部、C2部を添加した常圧焼
結用SiC混合物を得た。この混合物の一部にEVA樹脂5
%、ポリエチレンワックス15%を加えて加熱混練し、射
出成形用セラミック原料を調整した。その後、焼成後の
翼部1の最大直径が90mmのラジアル型タービンローター
を得るように調整された金型を用いて、前記セラミック
原料を射出成形し翼部1を得た後、その翼部前面4から
中心部に超硬ドリルを用いて5mmの軸孔6をあけた。次
いで、成形体を3℃/hの昇温速度で500℃まで昇温し、5
00℃で10h保持してバインダーを除去した。脱脂後の翼
部を観察したところ、クラックは全く認められなかっ
た。
一方、前記混合物にポリビニールアルコール2%を加え
て充分に混練した原料を用いて金型プレス後、ラバープ
レス機で等方圧縮し、軸部成形体を得た。そして、旋盤
加工にて先端を円錐状に加工した軸部2を作製した。
得られた翼部1と軸部2の接合面7を旋盤加工にて平滑
にした後、接合面に焼結助剤を含んだSiC粉末のペース
トを焼成後100mmの厚さとなるように塗布し、翼部1と
軸部2を密接した後、全体をラテックスゴムで覆い、3t
on/cm2の圧力でラバープレスを行い、翼部1および軸部
2が強固に接合一体化した成形体を得た。次いで、アル
ゴン雰囲気中、常圧下で2150℃で30分間焼成した。その
後翼部1の前面の軸孔6をセンター孔として、旋盤加工
にて精密に仕上げ第1図に示すラジアル型セラミックタ
ービンローターを得た。得られたセラミックタービンロ
ーターの回転試験を行うためローター部のアンバランス
を0.02g・cmとした後、金属製品シャフトを取りつけ
た。これにより増加したアンバランスを除去し、全体の
アンバランスが0.02g・cmとなるようにバランス調整し
た。その後、回転試験機により徐々に回転数を増しなが
ら試験を行ったところ、100,000rpmの回転数でも破壊し
なかった。
以上、述べたように本発明のラジアル型セラミックター
ビンローターは翼部と軸部とを実質的に円錐状凹凸の嵌
め合わせとし、翼部前面から軸部先端方向に軸孔を設け
ることにより、翼部の脱脂クラックを防止し、翼部と軸
部の接合不良を減少させ、接合強度を高めることができ
た。さらには、翼部前面の軸孔は最終形状を機械加工時
にセンター孔として利用し、作業性の向上を図ることが
できた。このように本発明のセラミックタービンロータ
ーは従来のセラミックタービンローターに比べて極めて
効率よく製造することができ、産業上極めて有用であ
る。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明のラジアル型セラミックタービンロータ
ーの一例の断面図、 第2図は、従来のラジアル型セラミックタービンロータ
ーの断面図である。 1……翼部 2……軸部 3……中心部 4……翼部前面 5……軸部先端 6……軸孔 7……接合面 8……ローターの中心軸

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】セラミックス製翼部とセラミックス製軸部
    とがセラミックペーストを介して翼部内に設けた実質的
    に円錐状の嵌合孔により接合され、軸部先端が翼部前面
    に露出せず焼成により一体化したセラミックタービンロ
    ーターにおいて、翼部前面から軸部先端方向に開孔した
    センター孔用軸孔を有し、かつ該軸部先端が該軸孔内に
    はまりこむよう構成したことを特徴とするラジアル型セ
    ラミックタービンローター。
JP2199113A 1990-07-30 1990-07-30 ラジアル型セラミックタービンローター Expired - Lifetime JPH0735721B2 (ja)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPS595550B2 (ja) * 1980-11-20 1984-02-06 日本碍子株式会社 セラミツクロ−タ−及びその製造法
JPS58126401A (ja) * 1982-01-22 1983-07-27 Ngk Spark Plug Co Ltd セラミツクタ−ビンロ−タの製造法

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