JPS62288302A - 熱機関用回転体 - 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】 ３、発明の詳細な説明 〔産業上の利用分野〕 本発明はガスタービンやターボチャージャ等のタービン
ホイールの如く、熱機関において用いられるフィンを備
えた熱機関用回転体に関するものである。

〔従来技術〕

近年、ガスタービンやターボチャージャ等の熱機関にお
いて１作動温度の上昇による熱効率の向上、特産資源の
代替等の目的で、窒化珪素、炭化珪素等の高温高強度セ
ラミック材料により製造し九回転体（タービンホイーＩ
Ｌりを用いる試みがなされている。

従来、タービンホイールは、ニッケル、クロム等の耐熱
合金の鋳造によシ製造されているが。

形法、鋳込成形法等の型成形によってセラミックタービ
ンホイーμが製造されるようになった。

セフミックタービンホイールは、先ずセラミック粉末原
料に適当な有機物質または水を添加して流動性を付与し
、これを所望の形状に型成形し。

次いで得られた成形体から有機物質、水分等の添加剤を
加熱除去し、焼成する０とにより緻密な焼結体製品が得
られる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

タービンホイールは燃焼器や燃焼室内で燃焼した高温の
燃焼ガスにより高速回転して出力を得るものであり０例
えばターボチャージャではタービンホイールの最外周は
最大周速がおよそ６００ｒｕ　／　ｓｅｅにも達する。

燃焼ガス中には吸入空気に含まれる各種の粉じん、金属
酸化物片、パーティキーレート等の微粒子が混入してお
シ、これらが高速回転しているタービンホイールに衝突
する。

このとき耐衝撃性に優れた金属製タービンホイールにお
いては微粒子が衝突しても最も周速の大きい外周部分に
へこみが生じる程度で、性能上の問題が生じることはな
かった。しかしながらセラミック製タービンホイールは
脆いためにタービンホイール外周のフィン先端部に微粒
子が衝突すると、ｌ、工 欠けが生じ、このためタービンホイールの糎能が低下す
るといり問題があった。

この対策として、タービンホイールの少なくともフィン
先端部をセラミック繊維で強化したセラミック系複合体
によシ補強したタービンホイールが提案されている（特
開昭６０−７９１０２号）。

しかしながら、この提案に開示されているように予め繊
維を配置しておいてセラミックを射出成形するという方
法では、セフミック繊維で強化したセラミック系複合体
を得ることは極めて困難であシ、当業者の常識を越えた
技術を要する。すなわチ、セラミックの射出成形用のセ
ラミック粉末とバインダーとの混線物は繊維のプレフォ
ーム中に圧入できるような流動性はなく、５！施不可能
な技術と考えられる。

本発明は上記の実情に鑑みなされたもので。

製造技術的に容易に実現でき、＠転体外周のフィン先端
部が強化されて、微粒子が衝突しても欠けが生じること
のない熱機関用回転体を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本第１発明は、フィンを備えた熱機関用回転体であって
、セラミック繊ｍを含むセラミック焼結体よυ成るフィ
ン先端部と、セフミック焼結体よ構成る回転体本体とを
接合せしめてなることを特徴とする熱機関用回転体であ
る。

以下０図面忙基づいて本発明の詳細な説明する。

第１図は１本発明の一例を示すものである。

本発明の熱機関用回転体は、セフミック焼結体よ構成シ
、第１図に示すように、セラミック繊ｍ１を含有するフ
ィン先端部２と１回転体本体３とを接合せしめた構造を
有するものである。上記回転体本体５ｔ−ｘ、フィン先
端部２以外のフィン４とハブ５と軸６とより構成されて
いる。

フィン先端部と回転体本体との接合は、その双方の端面
においてでもよく、あるいはフィン先端部の側面の少な
くとも一部においてでもよい。

すなわち、双方の端面において接合する場合には。

第１図及び第２図に示すようにフィン先端部２の端面２
１と回転体本体３の端面５１とを接合したものがある。

なお、第２図は第１図の１−１に沿う断面図である。ま
た、フィン先端部２の側面の少なくとも一部において接
合する場合には、第３図及び第４図に示すように回転体
本体３のフィン４の端面に切〕込みを入れて凹状を形成
し、その凹状部にフィン先端部２を嵌合して凹状部の内
面４１とフィン先端部２の側面２２とを接合し九ものが
ある。なお、第５図に示すようにフィン先端部２の端面
を凸状にして１回転体本体３の凹状部に嵌合してもよい
。また、第６図に示すようにフィン先端部２の嵌合基端
部分にテーバを形成して。

回転体本体３の凹状部に嵌合し９回転時の応力をｆ　−
／４部分に分担させてもよい。

また、フィン先端部２は、第７図に示すようにその一部
がパブ５０中まで達し、その側面２２の一部がフィン４
及びハブ５と一体に接合されていてもよい。

更に、第８図及び第９図に示すように、フィン先端部２
がフィン４の一部を構成すると共にフィン先端部２の一
部がハブ５の中まで達しているものでもよい。すなわち
、フィン先端部２の一部端面がフィン４の端面と接合し
、かつハブ５中ではフィン先端部２の側面で接合されて
いるものである。なお、　ｖｊ３ＵＡないし第９図は１
本発明の他の例を示すもので、第４図は第３図のｆｆ−
ｆｆに沿う断面図、第９図は第８図の［Ｘ−ＩＸに沿う
断面図である。

上記フィン先端部の形状としては、フィンの設計形状に
合わせた形とするが、比較的単純な平ｉＡ’ 板士あるいは屯純な薄板とするのが望ましい。また、フ
ィン先端部はプレス法、押出し法等種々の方法で成形し
うる。

例えば、フィン先端部中に含有させるセラミック繊維が
長繊維の場合、或いは短繊維やウィスカーの撚糸あるい
は板状のプリフォームの場合。

フィン先端部の母材となるセラミック粉末の液状体（ス
ラリー）に、所定の形状に揃えた繊維束やプリフォーム
を浸漬する方法、或いは母材となるセフミックの粘土状
薄板の中間に繊維束やプリフォームをサンドイッチにプ
レスする方法などが用いられる。また繊維が短繊維やウ
ィスカーのときには、これらの繊維と母材のセラミック
粉末との混合物をプレス法や押出し法、テープ成形法、
射出成形法などで所定の形状に成形すれば良い。

セラミック繊維を含むセラミックス複合体は。

繊維が配向していると２ｗ＆維と直角方向の曲げ強度や
繊維と平行方向の引張力に強くなるので、望ましくは、
第１図に示すようにフィン先端部中のセラミック繊維は
配向させておくのがよい。特に。

繊維が直径数７１ｍ以上と太い長繊維の場合には繊維が
遠ＩＯ力の方向と同じ向きに揃っていることが望ましい
。しかし、繊維が直径１〜２１ｔｍ以下と細いウィスカ
ーの場合には、必ずしもその方向が揃っていなくてもよ
い。

セラミック繊維を一方向に配向させる方法としては、繊
維が長繊維あるいは撚糸、プリフォームノ場合、母材と
なるセラミック粉末のスラリーに、所定形状に揃えた繊
維を浸漬する方法がよい。

また、繊維が短繊維やウィスカーの場合、押出し成形法
や射出成形法がよい。

回転体本体は、形状が複雑なため、射出成形法、スリッ
プキャスト法、ダイキャスト法などＫより、成形される
。

フィン先端部と回転体本体とを接合する方法として次に
示すような方法がある。

（８）　フィン先端部１回転体本体ともに成形後。

加熱等によυ有機結合剤を除去した状態、その後取扱い
が容易な程度に仮焼結した状態、あるいは両者を完全に
焼結した状態のいずれかの段階で。

両者の間にスラリー状糊剤を介して合体させた後常法に
よシ乾燥、焼結して一体とする。

また、フィン先端部の側面の少なくとも一部で接合する
場合には、以下のような方法も利用することができる。

（Ｂ）　　フィン先端部の成形体？９９回転本体を成形
する際に一体にする。例えば、フィン先端部をダイキャ
スト法、スリップキャスト法、射出成ｔなどで成形し、
この成形体を回転体本体の成形型内の所定の位置に、セ
ットした後１回転体本体をダイキャスト法、スリップ・
キャスト法、射出成形法などで成形して一体にし０次い
で、常法に・よシ、成形のための有機結合剤を除去し几
シ、乾燥したシした後、焼結して、一体となった回転体
を得る。

０　フィン先端部を成形後、結合剤を除去した後、仮焼
するか、または最終焼結して、フィン先端部が十分な強
度を有する状ａＫしてから、上記（９）と同様にフィン
先端部と回転体本体とを一体に成形し０次いで常法によ
シ一体の焼結体を得る。

なお、この方法においては、予め仮焼または焼結したフ
ィン先端部と回転体本体とを一体に成形した後の工程に
おける両者の収縮の差が大きいと。

その接合面が剥離しやすいので、収縮の差を小さくする
必要がある。

更に、前記（４）〜■の方法を組合せた方法１例えば焼
結したフィン先端部と仮焼した回転体本体との組合せと
いった方法を用いても良い。

なお、セラミック繊維を含有するセラミック複合体は常
圧焼結あるいは１０気圧程度のガス圧焼結では緻密に焼
結しにくい場合がある。このためフィン先端部を単独で
焼結する場合にはホットプレス焼結法やＨＩＰ（熱間静
水圧加圧）焼結法が有効である。

また、フィン先端部と回転体本体とを一体となした後焼
結する場合には、常圧あるいは１０気圧程度までの低い
ガス圧で焼結して開気孔をなくしてからＨＩＰ焼結をす
るか、あるいは直接ＨＩＰ焼結をするのが良い。

フィン先端部を形成するセラミック材料としては、炭化
珪素、窒化珪素、アルミナ、ジルコニア、サイアロン等
が挙げられ、それらのうちの１種または２種以上を用い
る。その中でも経済性を加味し、最も強い材料である窒
化珪素が最も望ましい。またセラミック繊維としては、
炭化珪素。

窒化珪素、アルミナ、グラフ１イト、窒化ホウ素等の繊
維が挙げられ、それらのうちの１種または２種以上を用
いる。その中でも耐熱性に優れるとともにヤング率が大
きく１強化材として優れた炭化珪素が最も望ましい。

本発明に用いるセラミック繊維とは、繊維状のセラミッ
ク体であって、多結晶、アモルファス。

いわゆるウィスカーと称される単結晶のいずれでも良く
、その形態としては、連続的に長いもの。

撚って長いひも状にしたもの、ウィスカーのように畏さ
が数Ｊｉｍの棒状のもの等である。

セラミック繊維を含むフィン先端部を射出成形法や押出
成形法により製造する場合には、直径が０．１〜１００
μｍ程度のセラミック繊維を用いるのが望ブしい。０．
１μｍよシも細い繊維あるいはウィスカーはまだ得られ
ていないためである。

１００μｍよシも太いと厚みが１ｎ程度の薄いフィン先
端部を製作することが蝿かしく、また強度の高いフィン
先端部が得らｎない。また、繊維の侵さは５〜１０００
　ｐｍ程度が望ましい。これよシ短いものでは繊維強化
の効果が小さく、一方これよりも長いと材料の混線およ
び成形時に、ｌａ維が折れて粉砕さｎる。

材料中のセラミック繊維含有量は１０〜７０重量％程度
が適当である。これよシも少量では繊維強化の効果が少
なく、多すぎると却って強度が低下する。更に好まｌ、
い岐囲は２０〜４０重量％程度である。

なお、フィン先端部においてセラミック繊維含有量が少
なく、セラミック繊維添加による所望の効果が得られな
い場合、ＨＩＰの処理をさらに加えることによシ、所望
の効果を得ることができる。

また、フィン先端部は母材たる前記セフミック材料とセ
ラミック繊維とのみからなることに限らず、更に母材と
は別種のセラミック粉末を含有させてもよい。このセラ
ミック粉末としては、いわいる転移強化機構によシフイ
ン先端部の靭性を増加せしめ得るジルコニア粉末、亀裂
の向きを変妨 化させたシ、亀裂の進展を功−害する機構、いわゆる分
散強化機構によりフィン先端部の靭性を増加させるに役
立つ粉末０例えば窒化珪素やアルミナを母材とする場合
法「ヒ珪素の粉末などがある。

また回転体本体を形成するセラミック材料としては、炭
化珪素、窒化珪素、アルミナ、ジルコニア、サイアロン
等が挙げられ、それらのうちの１種ま六は２種を用いる
。その中でも最も強い材料である窒化珪素が最も望まし
い。また１回転体本体のセラミック材料とフィン先端部
のセラミック材料とはほぼ同種であることが好ましいが
、全く同じである必要はない。すなわち、フィン先端部
と回転体本体とを製造する過程、あるいは熱機関用回転
体として使用する時に大きな熱歪が生ずることがなけ１
．ば異種の材料を用いても良い、。

回転体本体は、前記のように腹雑な形状をしているので
、射出成形法やクリップキャスト法などで成形される。

従って、その材料は成形に適した性質を有さねばならな
いので、多量の繊維を含有せしめることは好ましくない
。しかし１回転体本体の強度の絶対値を増したシ、靭性
を高くしたり、高温における強度の低下を抑制すること
に有効な程度に、ウィスカーなどのセラミ・り繊ａを添
加してもよい。またフィン先端部と同様に靭性を増加さ
せるのに役立つ粉末のような異種の粉末を添加しても良
い。

また、一般に熱機関用回転体は、第１図に示すように、
薄肉のフィン２．４と厚内のハブ５．軸６とから構成さ
れ、特にハブ５は厚肉である。このため１回転体本体３
を射出成形法で成形した場合、）！＃肉のハブ５から有
機結合剤を、欠陥の生成なく短時間で除去することは極
めて困難である。

このため１本発明の回転体ｆ：！ｌｌ！造するに当り、
第１０図に示すように、セラミック繊維を含有するフィ
ン先端部２と回転体中・ｕ７と回転体中心７を除く回転
体本体８とを別個に成形し、所定の工程合 維を含有するフィン先端部２とを接合することもできる
。

特に、射出成形法や押出し成形法などの有機結合剤の添
加量が多い場合、第１０図及び第１１図のように接合す
ることによシ、フィン先端部と回転体本体とを一体で成
形した場合に比較し、セフミック原料中に添加された有
機結合剤を加熱分解除去するために必要な脱脂時間が大
幅に短縮でき、生産性よく回転体を製造できる。このこ
とは。

大形の回転体をも、安価にかつ生産性よく製造させ、実
用性大である。

〔発明の作用及び効果〕

熱機関用回転体のフィンの先端部は最も周速が大で、ガ
ス中の異物が衝突して欠けやすい。本発明では、この欠
けやすい部分にセラミック繊維を含有させ強化している
ので欠けが防止される。

また、本発明では、フィン先端部と回転体本体とを別々
に成形し、接合するので、フィン先端部の製造が確実か
つ容易である。特にフィン先端部を薄板とした場合には
、該フィン先端部に、物性に優れた種々の繊維強化した
セラミック材料を容易に使用することができる。

また、フィン先端部と回転体本体とを双方の端面で接合
する場合には、非常に簡便に熱機関用回転体を製造する
ことができる。

更に、フィン先端部と回転体本体とがフィン先端部側面
の少なくとも一部で接合する場合、接合の信頼性が高い
。特に第３図ないし第７図に示すようにフィン４の端面
の凹状部中にフィン先端部２が挿入さｆｔ７’ｈ形で接
合されたものでは、よシ接合の信頼性が向上する。

〔実施例〕

以下０本発明の詳細な説明する。

（実施例１） ＳｉＯウィスカー２Ｑｗｔ％、助剤としてＬＬ＋２０ｓ
とＭｇＡｇ、Ｏ，とを含む８ｉ、Ｎ、粉末（Ｓｉ、Ｎｎ
に対してＬすＯｓ含有量５ｗｔ％、　ＭｇＡｔ！ｘ　Ｏ
ａ含有Ｊｉｉ５ｗｔ％）　Ｆ３　Ｑ　ｗｔ％の比率の原
料６０ｖＯｅ％と、水及び水溶性バインダー４０　Ｔｏ
ｅ％とを混合し、押出し法により、フィン先端部用の薄
板を成形し、常法により乾燥した。その後、所定の形状
にプレス成形し、脱バインダーした後、１２００℃で２
時間仮焼した。

助剤としてＬ１１２０３５　ｓｖｔ％、　ｋｉｇＡｅｔ
す、　５　ｗｔ％ｔ　ａ　ｔｒ　８　ＩＨＮ４粉末６０
　ＶＯｅ％とバラフィンワツクヌおよび有機結合剤ｄ　
Ｑ　ｖｏｇ％とを常法によシ混練し１回転体本体を射出
成形し、脱バインダーした後１１５０℃で１時間仮焼し
た。

この両板焼体を、第４図に示すように、フィン先端部２
と回転体本体３の接続面に回転体本体式′ と同組機の原料粉末のスラリーを塗布して修合した。こ
れを乾燥した後、パイレックス・ガラス粉末のスラリー
を外表面全面に吹きつけ、十分乾燥した。その後、低温
では真空で、パイレックス・ガラスが溶融した後に加圧
するスケジュールで１７００℃、２０００気圧、１時間
、ＨＩＰ焼結した。

得られた焼結体の表面のガラスをサンド・ブラストで除
去し、軸部を常法によシ機械的に加工、テ し、金属軸を取りつけ、スピン・ｒスターで回転材 試験を行ったところ短絡周速３５　Ｑ　ｍ／ｓｅｅに対
し、破壊時の周速は４４０　ｒｕ／　ｓｅｅで十分実用
に供し得るものであった。

また、ターボチャージャーに組込み、エンジン排気ガス
中で、酸化鉄の屑、いわゆるサビを衝突させる試験を行
っ友ところ０回転体本体と同村質の８ｉ、Ｎ、でフィン
先端部１で構成した一体の回転体は、３〜４ｆｌ角の酸
化鉄薄片（サビ）で容易に先端が欠けたのに対し０本実
施例による回転体は、４〜５麿角のサビを数十回衝突さ
せても、先端の一部にクラックが生じたが大きく欠ける
ことはなかった。

（実施例２） ８ｉ０繊維（商品８二カロン）を薄板状に揃えて、助剤
としてＹ、０，６ｗｔ％、Ａｇｍ　ｏ、　２　ｗｔ％を
含む８　ｉ、　Ｎ、粉末のスラリー中に浸漬した後乾燥
し。

所定の長さに切断し念。その後、脱バインダーし。

常法により１６５０℃、３０分の条件でホ、）プレスし
、繊維の含有量が６５ｗｔ％の繊維複合セラミック薄板
を得た。

助剤としてｙ＊ｏｓｓｗｔ％＠　ｌ’、　０．２　ｗｔ
％を含ｔｒ　８　ｉｓ　Ｎ４８ｊ末５６　ｖｏｇ％と、
パラフィン・ワックスおよび有機結合剤４４　ｖｏｇ％
とを、常法により混練し１回転体本体を射出成形し、脱
バインダーした後、９気圧のＮ、ガス圧雰囲気中で焼結
して回転体本体を得九。

次いで、前記繊維複合セラミック薄板を、フィン先端部
形状に加工した後１両焼結体を本体と同組成の原料粉末
のスラリーを第４図に示すように両者の接続面に塗布し
て嵌合し、乾燥した後再度焼結して両者を接合し、一体
の回転体を得た。

この回転体を常法によυ機械加工して金属軸を取りつけ
、！！施例１と同様に鉄サビを衝突させる実験を行った
ところ、４〜５１角のサビを数十回衝突させても欠けの
生じることはなかった。

（実施例３） 平均直径Ｑ、　５７ｚｍ　、平均長さ５　Ｑ　７１ｍの
Ｓａｃウィスカーを紙すきと類似の方法で薄板状に予備
成形し、この予備成形体のウィスカーで形成された空間
に、化学蒸着法によって、　８１０を析出させ８ｉｃ／
８ｉＣウイヌ力−複合体版を合成した。

助剤として硼素０．４％、カーボン２％を含むβ型Ｓ　
ｔ　Ｃ粉末５８マＯｅ％とバフフィン・ワックスおよび
有機結合剤４２マＱｇ％とを、常法により。

混練し０回転体本体を射出成形し、脱バインダーし、２
０５０℃で焼結して回転体本体を得た。

前記複合体板をフィン先端部形状に加工した後１回転体
本体とフィン先端部の間にム＃ｚＯｓ５％を含む直型８
ｉＣ粉末をスラリー状にしたものを介在させて第４図に
示すように両者を嵌合し、乾燥した後、１９５０℃で焼
結して両者を接合した一体の回転体を得た。

この回転体に金属軸を取シつけ、実施例１と同じ異物衝
突試験を行ったところ、４〜５１角の鉄サビではフィン
先端近傍の表面や角部に１麟以下の小さなチッピングは
生じたが大きく欠けることはなかった。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第１１図は本発明による熱機関用回転体お
よびその要部を示すものであシ、第１図は一部切欠き側
面図、第２図は第１図のＩすＩＸ沿う断面図、第３図は
一部切欠き側面図、第４図は第３図のＷ−ｆｆに沿う断
面図、第５図及び第６図は要部側面図、第７図は要部断
面図、第８図は一部切欠き側面図、第９図は第８図のＩ
Ｘ−Ｉ）（に沿う断面図、第１０図及び第１１図は縦断
面図である。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）フィンを備えた熱機関用回転体であって、セラミ
   ック繊維を含むセラミック焼結体より成るフィン先端部
   と、セラミック焼結体よりなる回転体本体とを接合せし
   めてなることを特徴とする熱機関用回転体。
2. （２）フィン先端部と回転体本体とを双方の端面におい
   て接合せしめてなる特許請求の範囲第（１）項記載の熱
   機関用回転体。
3. （３）フィン先端部と回転体本体とをフィン先端部側面
   の少なくとも一部において接合せしめてなる特許請求の
   範囲第（１）項記載の熱機関用回転体。
4. （４）凹状の端面を有する回転体本体の該凹状部にフィ
   ン先端部を嵌合せしめ、かつフィン先端部側面の少なく
   とも一部と回転体本体の凹状部内面とを接合せしめてな
   る特許請求の範囲第（３）項記載の熱機関用回転体。