WO2013111694A1 - 軸流圧縮機翼とその製造方法 - Google Patents

軸流圧縮機翼とその製造方法 Download PDF

Info

Publication number
WO2013111694A1
WO2013111694A1 PCT/JP2013/051056 JP2013051056W WO2013111694A1 WO 2013111694 A1 WO2013111694 A1 WO 2013111694A1 JP 2013051056 W JP2013051056 W JP 2013051056W WO 2013111694 A1 WO2013111694 A1 WO 2013111694A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
metal powder
blade
axial flow
flow compressor
axial
Prior art date
Application number
PCT/JP2013/051056
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
池ヶ谷智章
林大輔
合田真琴
松崎祐司
島田佳
池田克巳
Original Assignee
川崎重工業株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 川崎重工業株式会社 filed Critical 川崎重工業株式会社
Priority to CN201380006013.3A priority Critical patent/CN104081061B/zh
Priority to EP13741504.8A priority patent/EP2808560B1/en
Priority to CA2861476A priority patent/CA2861476C/en
Priority to US14/373,796 priority patent/US9631635B2/en
Publication of WO2013111694A1 publication Critical patent/WO2013111694A1/ja

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/26—Rotors specially for elastic fluids
    • F04D29/32—Rotors specially for elastic fluids for axial flow pumps
    • F04D29/38—Blades
    • F04D29/388—Blades characterised by construction
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/12—Both compacting and sintering
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F7/00—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression
    • B22F7/06—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of composite workpieces or articles from parts, e.g. to form tipped tools
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D9/00—Stators
    • F01D9/02—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles
    • F01D9/04—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles forming ring or sector
    • F01D9/041—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles forming ring or sector using blades
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/02—Selection of particular materials
    • F04D29/023—Selection of particular materials especially adapted for elastic fluid pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/26—Rotors specially for elastic fluids
    • F04D29/32—Rotors specially for elastic fluids for axial flow pumps
    • F04D29/321—Rotors specially for elastic fluids for axial flow pumps for axial flow compressors
    • F04D29/324—Blades
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/40—Casings; Connections of working fluid
    • F04D29/52—Casings; Connections of working fluid for axial pumps
    • F04D29/54—Fluid-guiding means, e.g. diffusers
    • F04D29/541—Specially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/542—Bladed diffusers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F5/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product
    • B22F5/04—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product of turbine blades
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2230/00—Manufacture
    • F05D2230/20—Manufacture essentially without removing material
    • F05D2230/22—Manufacture essentially without removing material by sintering
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2230/00—Manufacture
    • F05D2230/40—Heat treatment
    • F05D2230/42—Heat treatment by hot isostatic pressing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/80—Platforms for stationary or moving blades
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2300/00—Materials; Properties thereof
    • F05D2300/60—Properties or characteristics given to material by treatment or manufacturing
    • F05D2300/605—Crystalline
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Definitions

  • the present invention relates to an axial compressor blade used in mechanical devices such as a gas turbine engine and a method for manufacturing the same.
  • An axial flow compressor is a mechanical device that continuously compresses gas using the pressure difference generated before and after the rotor blades, and can handle a larger flow rate than the centrifugal compressor of the same purpose. It is possible to reduce the diameter of itself, and high compression ratio and high efficiency can be expected. On the other hand, the axial compressor is more complicated in mechanical structure, has a large number of parts, and inevitably becomes expensive.
  • Such axial compressors include, for example, aviation gas turbine engines (jet engines), gas turbine engines such as high-speed ships and generators, air flow separators, dust collectors, vacuum pumps, wind tunnels, propane ( Natural gas) is widely used in oxidative dehydrogenation equipment, pipeline pumping equipment, etc.
  • axial flow compressor blades such as a moving blade (rotor) that rotates at high speed and a stationary blade (stator) that does not rotate are used.
  • An axial flow compressor blade generally includes a blade portion and a pedestal portion.
  • the wing part has an aerodynamic shape that is strictly required in terms of geometric shape
  • the pedestal part has a connecting part for attaching to the rotating shaft and the casing, etc. Often designed in shape.
  • a wing component is, for example, a method in which a basic wing component shape is obtained by forging or casting, followed by several machining steps to finally obtain the desired wing component dimensions. It is manufactured by applying (Patent Document 1).
  • a method of forming the blade shape of the wing portion by a 5-axis milling device or precision forging is also known.
  • Patent Document 1 or 2 uses a lot of machining, and the ratio of machining in the entire production process from the start of production of an axial compressor blade to the final product is extremely high. large. Therefore, for axial flow compressor blades, shortening of the manufacturing time and improvement of the material yield have been hindered, which has been one factor that makes it difficult to improve productivity and reduce manufacturing costs.
  • An object of the present invention is to investigate an axial flow compressor blade manufacturing method that is more productive and can reduce the manufacturing cost compared to conventional techniques that frequently use machining, and a more inexpensive axial flow compressor blade and its manufacturing method Is to provide.
  • the present inventors can solve the above-mentioned problems with regard to an axial flow compressor blade that requires a specific shape having a pedestal portion and a blade portion. And the present invention has been conceived.
  • the axial flow compressor blade according to the present invention is an axial flow compressor blade having a pedestal portion and a wing portion that are used by being arranged on a circumference around an axis, and the pedestal portion has a circumferential shape.
  • the part has a metal powder sintered structure and is integrally formed.
  • the metal powder sintered structure of the blade portion preferably has a relative density of 95% or more and an average crystal grain size of 10 to 100 ⁇ m.
  • the axial compressor blade according to the present invention can be applied to a stationary blade of an axial compressor of a gas turbine engine, for example.
  • the axial flow compressor blade manufacturing method according to the present invention for obtaining the above-described axial flow compressor blade is an axial flow compressor having a pedestal portion and a blade portion that are used on a circumference around an axis.
  • a blade manufacturing method comprising a molded body forming step and a sintered body forming step by a metal powder injection molding method, and in the molded body forming step, an inner diameter surface that is on the inner circumference, an outer diameter that is on the outer circumference Surface, two annular side surfaces extending in the circumferential direction, two axial side surfaces extending in the axial direction, and convex or concave in the axial direction with respect to the annular side surface and extending in the circumferential direction
  • a molded body having a pedestal-shaped portion corresponding to the pedestal portion having the formed connecting portion, and a wing-shaped portion corresponding to the wing portion extending upright in the radial direction from the pedestal portion.
  • the metal powder constituting the molded body is sintered to form the axial flow compressor.
  • Forming a metal powder sintered body having a shape corresponding to the blade portion and the base portion is obtained the axial compressor blades having a metal powder sintered tissue formed integrally.
  • the metal powder sintered structure of the blade portion is formed with a relative density of 95% or more and an average crystal grain size of 10 to 100 ⁇ m.
  • the axial flow compressor blade may be a method for manufacturing a stationary blade for a gas turbine.
  • FIG. 1 is a perspective view of a preferred embodiment of an axial compressor blade according to the present invention. It is a side view of the axial flow compressor blade
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III of the axial compressor blade shown in FIG. 1. It is process drawing which shows an example of the preferable manufacturing process of the manufacturing method of the coaxial flow compressor blade
  • An important technical feature related to the axial flow compressor blade of the present invention is that, in the manufacture of an axial flow compressor blade that requires a specific shape having a pedestal portion and a blade portion, the final product is obtained by applying a metal powder injection molding method.
  • the object is to form a metal powder sintered body having a shape corresponding to the axial flow compressor blade.
  • a metal powder sintered body having a shape approximating that of the final product can be obtained directly from the metal powder used as a raw material, and the machining ratio in the entire manufacturing process of the axial flow compressor blade can be extremely reduced. .
  • the metal powder sintered body obtained is subjected to machining for finishing to a desired dimensional accuracy, etc., so that an axial flow compressor blade having a base portion and a blade portion is provided. Can be obtained.
  • FIG. 1 is a perspective view of a preferred embodiment of an axial compressor blade according to the present invention.
  • An axial flow compressor blade 1 shown in FIG. 1 includes a pedestal portion 2 for attachment to a support member (not shown) such as a compressor housing, and a wing portion 3 extending upright from one surface of the pedestal portion 2.
  • a support member such as a compressor housing
  • a wing portion 3 extending upright from one surface of the pedestal portion 2.
  • the circumferential surface around the shaft center is such that the one surface of the pedestal 2 is inside the radial direction D1 of the shaft center of the gas turbine.
  • a plurality of axial flow compressor blades 1 can be disposed in the blade section 3, and the blade section 3 can have an aerodynamic shape constituted by a combination of geometrically complicated curved surfaces.
  • the pedestal portion 2 includes an inner diameter surface 2b (the one surface) that is the inner circumference, an outer diameter surface 2c that is the outer circumference, two annular side surfaces 2d extending in the circumferential direction D2, and the shaft. And two axial side surfaces 2e extending in the axial direction D3 of the center.
  • connecting portions 2a that are concave in the axial direction D3 and are grooves extending in the circumferential direction D2.
  • the connecting portion 2a is for attaching and supporting the pedestal portion 2 to a support member such as the housing.
  • the connecting portion 2a protrudes in a convex shape, for example, in the axial direction D3.
  • the structure which consists of a connection protrusion may be sufficient.
  • the pedestal portion 2 and the blade portion 3 are integrally formed with a metal powder sintered structure.
  • Metal powder injection molding (MIM: Metal Injection Molding) obtains a sintered metal powder having a shape that approximates the final product directly from the raw metal powder. Therefore, metal powder injection molding can be applied as a manufacturing method of an axial flow compressor blade by using a structure having a sintered metal powder structure in which the pedestal portion 2 and the blade portion 3 are integrally formed. Thereby, at least until the metal powder sintered body is obtained, machining that lowers productivity and material yield is not performed, so that the ratio of machining in the entire manufacturing process can be extremely reduced.
  • the metal powder sintered body is subjected to machining or the like as necessary, for example, by finishing the connecting portion 2a and the like to a desired dimensional accuracy, so that the base portion 2 and the wing portion 3 are provided.
  • An axial flow compressor blade 1 can be obtained.
  • the axial flow compressor blade 1 in which the pedestal portion 2 and the blade portion 3 are integrally formed with a metal powder sintered structure is manufactured by the method for manufacturing an axial flow compressor blade of this embodiment. Can do. Specifically, it includes a molded body forming step and a sintered body forming step by a metal powder injection molding method, and in the molded body forming step, a pedestal shape portion corresponding to the pedestal portion 2 and a radial direction D1 from the pedestal portion 2. A molded body having a blade shape portion corresponding to the wing portion 3 extending upright is formed, and in the sintered body forming step, the metal powder constituting the molded body is sintered and axial flow compression is performed. A metal powder sintered body having a shape corresponding to the machine blade 1 is formed.
  • the axial flow compressor blades to which this manufacturing method is particularly effective include, for example, a pedestal portion having an outer diameter surface and an inner diameter surface of 50 mm or less and a thickness (shaft corresponding to one side of the shaft side surface or the ring side surface.
  • the radial direction of the flow compressor) is 15 mm or less
  • the wing part has a standing height from the pedestal part of 50 mm or less, a blade width of 50 mm or less, and a maximum part of the blade thickness of 5 mm or less.
  • Such relatively small axial flow compressor blades are quite difficult to manufacture with high precision by well-known techniques such as casting and forging, so it is effective to apply MIM that can directly shape the shape close to the final product shape. It becomes.
  • FIG. 4 is a process chart showing an example of the manufacturing process of the axial compressor blade 1.
  • the axial flow compressor blade 1 is a manufacturing process including a molded body forming process and a sintered body forming process according to a metal powder injection molding method as main manufacturing processes, specifically, for example, from a first process as shown in FIG. It can be manufactured by a manufacturing process including the tenth step.
  • the direct steps related to the metal powder injection molding method are the first step to the fifth step.
  • it demonstrates for every process.
  • the first step is a material kneading process 11, which is a step of sufficiently kneading a mixture made of metal powder, a binder or the like with a kneader to obtain a molding raw material suitable for MIM.
  • the metal powder for example, a metal powder made of a stainless alloy such as an Fe-Cr-Co-based or Fe-Cr-Ni-based Fe-based alloy powder can be used.
  • the binder can be selected from waxes such as paraffin wax and carnauba wax
  • the polymer resin can be polyethylene, polypropylene, acrylic resins, EVA (ethylene-vinyl acetate copolymer resin), styrene series.
  • One or more rubbers can be selected and used.
  • an additive etc. can be added as needed.
  • metal powder generally has better sinterability as fine powder, finer powder is more effective for increasing the density of a metal powder sintered body.
  • metal powders suitable for MIM are generally more expensive than fine powders, metal powders having an average particle diameter of 5 to 15 ⁇ m are preferable for practical use.
  • “metal powder” vs. “total amount of binder and others” is set to “50 to 65 volume%” vs. “50 to 35 volume%”, and “waxes” in “total amount of binder and others”. It is preferable that the “polymer resins” be “40 to 65% by volume” vs. “60 to 35% by volume”.
  • an average particle diameter of 8 ⁇ m made of Fe-based alloy (the main additive element is mass%, Cr is 10.6%, Co is 5.8%, Mo is 0.8%, Ni is 0.5%)
  • blended the metal powder, the paraffin wax, the binder containing a polypropylene, and a styrene resin by mass ratio 92.5 to 7.5, respectively can be used.
  • a forming raw material containing such a metal powder it becomes easy to form a molded body and a metal powder sintered body described later.
  • the relative density is synonymous with the relative density defined in JIS-Z2500, and the actual density obtained by dividing the actual mass of the metal powder sintered body by the volume obtained from its dimensions, and the sintering of the metal powder sintered body. This is the ratio of the theoretical density to the theoretical density obtained from the composition of the raw materials used, assuming that the metal powder is present independently in the nodule, that is, the actual density is the theoretical density. It is a value expressed as a percentage of the value divided by.
  • the average particle diameter is a value obtained by using a laser diffraction / scattering particle size distribution measuring device or the like. Specifically, a laser beam is applied to a powdered sample suspended in a dispersion medium. The scattered light information obtained by measuring the scattered light intensity distribution with a plurality of optical detectors is A / D converted and then obtained by computer analysis and computation processing. . The particle size distribution is based on volume, and the horizontal axis is the particle size and the vertical axis is the frequency or cumulative output, and the cumulative particle size at 50% is the average particle size.
  • the second step is an injection molding process 12 corresponding to a molded body forming step that is important in the present invention.
  • the injection molding process 12 the molding raw material obtained in the material kneading process 11 is injected into a cavity corresponding to the axial flow compressor blade 1 of the mold by using an MIM-compatible injection molding machine, so that the pedestal part 2 is injected.
  • a molded body having a corresponding pedestal shape portion and a wing shape portion corresponding to the wing portion 3 is formed.
  • This injection molding process 12 is one of the important steps, and the dimensions and shape of the resulting molded body, the structural configuration including the uniform dispersion of the metal powder, the dimensions of the finally obtained metal powder sintered body, The shape, metal powder sintered structure, mechanical properties, etc. will be greatly affected.
  • the cavity of the mold is not limited to the size and shape of the axial flow compressor blade 1, but shrinkage due to cooling and drying of the obtained molded body, distortion due to degreasing from the molded body, and sintering due to metal powder sintering. It is preferable to form in consideration of the shrinkage of the bonded body and the distortion during sintering of the metal powder caused by the complicated shapes of the pedestal part 2 and the wing part 3.
  • the mold is held in a temperature range of 20 to 40 ° C. by a temperature adjusting device or the like, and the molding raw material is held in a temperature range of 140 to 165 ° C. by a temperature adjusting function attached to the injection molding machine, etc. It is preferable to set the area to 40 to 120 MPa and the injection speed area to 20 to 40 g / sec. Thereby, it becomes easy to form the metal powder sintered structure of an axial flow compressor blade suitably as mentioned above.
  • a molded body made of MIM contains a large amount of metal powder, it has a large heat conduction amount and heat transfer to the mold proceeds faster, so that it is easier to cool than an injection molded body made of only a general resin raw material. For this reason, when releasing the molded body from the mold, it is preferable to release the molded body after a necessary and sufficient cooling time of 6 to 25 seconds in order to suppress deformation of the molded body after release.
  • the third step is a burr removal process 13, which is formed in the molded body formed in the injection molding process 12 so as to correspond to the convex portion 30 corresponding to the injection port of the molding raw material and the mating surface of the mold. This is a process of removing linear convex traces (parting lines) and the like by machining so as not to hinder the subsequent processes. If there is no problem in the subsequent steps, the burr removal process 13 can be omitted.
  • the fourth step is a degreasing treatment 14 in which the binder wax contained in the molded body is removed to the extent that the metal powder sintering is not hindered, and the molded powder is formed by crosslinking the metal powder with the binder polymer resin. It is a process to make. Wax removal methods include solvent degreasing by immersing and removing only the wax in a soluble solvent, a temperature range where the wax melts and exudes, and a temperature range where the wax decomposes and volatilizes. A heat degreasing method or the like that gently removes by heating can be applied.
  • a washing machine equipped with a general heating function can be used.
  • a highly volatile solvent it is preferable to use a highly airtight apparatus from the viewpoint of environment and work hygiene.
  • the temperature of the solvent is slightly higher (for example, 5 to 10 ° C. higher) than the melting point (for example, 45 to 80 ° C.) of the waxes contained in the molding raw material, shortening of the degreasing time can be expected.
  • the solvent at a temperature suitable for the wax used, the shape of the molded body, and the like.
  • solvent degreasing can be performed with a solvent soluble in paraffin wax at a temperature of 60 ° C. for an immersion time of 1 h.
  • an atmospheric circulation oven capable of heating at about 300 ° C.
  • the removed binder can be captured in the exhaust system. Since the waxes described above evaporate from a temperature range of about 120 to 150 ° C., it is preferable to raise the temperature from room temperature (25 ° C.) to about 150 ° C. at a rate of 10 to 30 ° C./h. It is possible to suppress distortion and deformation of the molded body due to excessive expansion.
  • the paraffin wax can be removed by gradually raising the temperature to 175 ° C. in 16 hours in an air atmosphere and holding it for 4 hours. .
  • the fifth step is a metal powder sintering process 15 which is a main component of the sintered body forming step which is important in the present invention.
  • the metal powder sintering process 15 the degreased molded body subjected to the degreasing process 14 is left in a sintering furnace, and components other than the metal powder such as waxes and polymer resins remaining in the degreased molded body are left.
  • the metal powder sintered body having a shape corresponding to the axial flow compressor blade 1 is formed by sintering the metal powder constituting the formed body through the removing process.
  • This metal powder sintering process 15 is one of the important steps, and is a temperature control pattern of a sintering furnace related to metal powder sintering (for example, for holding temperature and holding time for sintering, for raising and lowering temperature). Temperature pattern, speed, etc.) and the actual temperature distribution and atmosphere in the furnace during processing have a significant effect on the size, shape, metal powder sintered structure, mechanical properties, etc. of the obtained metal powder sintered body. Will be affected.
  • this metal powder sintering process 15 can be continuously performed from this heat degreasing, when applying a heat degreasing method further to the molded object after applying the solvent degreasing method in the said 4th process. .
  • Metal powder sintering uses a heat treatment furnace such as a dedicated sintering furnace.
  • the temperature is raised to a temperature range of 500 to 650 ° C. at a rate of temperature increase of 60 ° C./h, and 1.5 hours at the ultimate temperature. It is preferable to sinter the metal powder that constitutes the compact by controlling the temperature by holding the temperature to about 3 hours, and further controlling the temperature by holding the temperature in the sintering temperature range of 1320 to 1360 ° C. for about 3 hours.
  • the atmosphere in the furnace can be a reduced pressure or hydrogen atmosphere at the time of degreasing, and a reduced pressure atmosphere at the time of sintering the metal powder.
  • a metal powder comprising the above-described Fe-based alloy (the main additive element is mass%, Cr is 10.6%, Co is 5.8%, Mo is 0.8%, Ni is 0.5%) Is used, the temperature is increased while reducing the pressure following the heat degreasing described above, and a sintering process can be performed at a temperature of 1330 ° C. for a holding time of 2 hours.
  • a metal powder sintered body having a shape corresponding to the axial flow compressor blade 1 and having a metal powder sintered structure is obtained.
  • This metal powder sintered body can be applied to an axial flow compressor blade having suitable mechanical properties, in which the pedestal portion and the blade portion are formed with a relative density of 95% or more and an average crystal grain size of 10 to 100 ⁇ m. .
  • the relative density is more preferably 97% or more, and an improvement in toughness can be expected as the density increases.
  • the average crystal grain size is more preferably 25 to 75 ⁇ m.
  • the conditions may be selected so that the average crystal grain size is smaller.
  • the sintering process often takes a long time on the low temperature side of the temperature range described above. Good.
  • the sixth step is the HIP processing 16, which is a step of performing a hot isostatic pressing (HIP) processing on the metal powder sintered body, and can be omitted.
  • HIP hot isostatic pressing
  • a pressure of 100 MPa a holding temperature of 1160 ° C.
  • an argon gas atmosphere argon gas atmosphere
  • the seventh step is a straightening process 17, and when the metal powder sintered body has a harmful distortion, the step of forcibly correcting the shape of the metal powder sintered body to such an extent that the distortion is rendered harmless. It is.
  • the blade shape portion corresponding to the blade portion 3 is often distorted.
  • the blade surface is sandwiched by using a pair of correction jigs having shapes corresponding to the front and back shapes of the blade surface of the desired blade shape portion, for example, a hydraulic or mechanical press
  • the blade shape can be corrected by means of pressurization using the device.
  • a pair of correction jigs having shapes corresponding to the front and back shapes of the blade surface of the desired blade shape portion, for example, a hydraulic or mechanical press
  • the blade shape can be corrected by means of pressurization using the device.
  • the annealing process based on the surface hardness mentioned above and the correction means using a press apparatus also when correcting a base shape part other than a wing
  • the correction process 17 can be omitted.
  • the eighth step is a quenching process 18, and the metal powder sintered body obtained through the metal powder sintering process 15 or the HIP process 16 and the straightening process 17 as necessary is subjected to a heat treatment.
  • This is a process of adjusting the tissue morphology to obtain mainly desired mechanical properties.
  • the metal powder sintered body is made of an Fe—Cr—Co based Fe-based alloy
  • a quenching temperature of 1100 to 1200 ° C., a holding time of 20 min to 1 h, forced cooling by oil cooling or water cooling in an argon gas atmosphere at atmospheric pressure
  • a metal powder comprising the above-described Fe-based alloy (the main additive element is mass%, Cr is 10.6%, Co is 5.8%, Mo is 0.8%, Ni is 0.5%)
  • a quenching treatment can be performed in a furnace in an argon gas atmosphere at a temperature of 1170 ° C. and a holding time of 0.5 h.
  • the conditions such as the quenching temperature and the holding time described above can be appropriately set depending on the material, structure, dimensions, and shape of the sintered metal powder. Further, this quenching process 18 usually exhibits its effect by a combination with a tempering process to be described later, and can be omitted depending on the material.
  • the ninth step is a tempering process 19 in which the tempering process is performed on the sintered metal powder that has undergone the quenching process 18.
  • the tempering temperature is set to 580 to 650 ° C. and held for several hours, and then forced by blowing a gas such as the atmosphere. It is preferable to perform a process such as cooling.
  • a metal powder comprising the above-described Fe-based alloy (the main additive element is mass%, Cr is 10.6%, Co is 5.8%, Mo is 0.8%, Ni is 0.5%)
  • a tempering treatment in which the temperature is kept at 610 ° C. for 5 hours and forced cooling with the atmosphere can be performed, and this is preferably performed twice.
  • the tempering process can be performed again under the same conditions.
  • Such a tempering process is also called a two-stage tempering process.
  • conditions such as the tempering temperature mentioned above, can be suitably set with the material of the metal powder sintered compact after the hardening process 18, hardness, a structure
  • this tempering process 19 is usually effective in combination with the above-described quenching process 18, and may be omitted depending on the material.
  • the tenth step is a finishing treatment 20, and a metal powder sintered body having a shape corresponding to the axial flow compressor blade 1 obtained through a series of manufacturing steps to which the metal powder injection molding method described above is applied. This is a step of finishing to a predetermined shape and dimensional accuracy.
  • the portion corresponding to the connecting portion 2a that attaches the pedestal portion 2 to a support member such as a housing is often finished by machining such as cutting or grinding.
  • portions corresponding to the two shaft side surfaces 2e can be finished.
  • blade part 3 and the periphery of a base shape part can also be finished. Furthermore, when the correction process 17 is unintentionally insufficient or a new distortion occurs in the subsequent process, the correction process using a correction jig or manual work can be performed as appropriate.
  • the axial flow compressor blade 1 having the pedestal portion 2 and the blade portion 3 that are arranged and used on the circumference around the shaft center can be obtained.
  • a pedestal portion 2 having a connecting portion 2a that is concave in the axial direction D3 and extends in the circumferential direction D2 with respect to the annular side surface 2d, and a radial direction D1 from the pedestal portion 2 in the radial direction D1.
  • connection part 2a can also be formed in convex shape in the axial direction D3.
  • the process in which machining is the main process is limited to the tenth process, and at least from the first process to the fifth process can be a process in which machining is not the main process.
  • the opportunity of direct machining can be extremely reduced. Therefore, for axial flow compressor blades that require a specific shape with a pedestal and wings, the ratio of machining in the entire manufacturing process of axial flow compressor blades can be reduced, so the conventional technology that makes heavy use of machining The improvement of productivity and the reduction of manufacturing cost can be expected rather than relying on.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Abstract

　軸心周りの円周上に配置して使用される台座部（２）と翼部（３）を有する軸流圧縮機翼（１）であって、台座部（２）は、円周内側になる内径面（２ｂ）、円周外側になる外径面（２ｃ）、円周方向に延在する２つの環側面（２ｄ）、軸方向に延在する２つの軸側面（２ｅ）、および環側面（２ｄ）に対して軸方向に凸状または凹状であって円周方向に延在して形成された連結部（２ａ）を有して成り、翼部（３）は台座部（２）から径方向に起立して延在して成り、台座部（２）と翼部（３）が金属粉末焼結組織を有して一体に形成されている。軸流圧縮機翼（１）は例えばガスタービン用静翼である。

Description

軸流圧縮機翼とその製造方法 関連出願
　この出願は、２０１２年１月２３日出願の特願２０１２－０１０６７２の優先権を主張するものであり、その全体を参照により本願の一部をなすものとして引用する。
　本発明は、例えばガスタービンエンジンなどの機械装置類で使用される軸流圧縮機翼およびその製造方法に関する。
　軸流圧縮機は、回転翼の前後に生じる圧力差を利用して気体を連続的に圧縮する機械装置であり、同目的の遠心式圧縮機に比べ、大きな流量を扱うことができ、圧縮機自体の小径化を可能とし、高圧縮率かつ高効率の性能が期待できる。反面、軸流圧縮機は、機械的な構造がより複雑であり、部品点数が多く、必然的に高価なものになってしまう。このような軸流圧縮機は、例えば、航空用ガスタービンエンジン（ジェットエンジン）が知られる他、高速船や発電機等のガスタービンエンジンや、気流分離装置、集塵機、真空ポンプ、風洞、プロパン（天然ガス）酸化脱水素装置、パイプライン圧送装置などにおいて多用されている。
　ガスタービンエンジンのように比較的大型な軸流圧縮機では、高速回転する動翼（ロータ）や回転しない静翼（ステータ）などの軸流圧縮機翼が使用される。軸流圧縮機翼は、一般に翼部と台座部を有して成る。これらの翼部品において、翼部は専ら幾何学形状的に厳しく要求される空力学的形状を有し、台座部は回転軸やケーシングに取り付けるための連結部などを有し、全体としては複雑な形状に設計されることが多い。それ故に、このような翼部品は、例えば、基本的な翼部品形状を鍛造または鋳造によって得て、この後に幾つかの機械加工工程を経て、最終的に所望の翼部品の寸法形状を得る方法（特許文献１）を適用して製造される。また、翼部の羽根形状を５軸フライス装置あるいは精密鍛造で形成する方法（特許文献２）も知られている。
ＷＯ２００４／１１１３９４号公報 ＷＯ２００６／０１５８９９号公報
　特許文献１または２に開示された従来の技術は、機械加工を多用するものであって、軸流圧縮機翼の製造開始から最終製品を得るまでの全製造工程に占める機械加工の割合が極めて大きい。それ故に、軸流圧縮機翼について、製造時間の短縮や材料歩留の向上が阻害され、生産性向上や製造コスト低減が進み難いひとつの要因になっていた。
　本発明の目的は、機械加工を多用する従来の技術よりも生産性が高く、製造コストが低減できる軸流圧縮機翼の製造方法を検討し、より廉価な軸流圧縮機翼とその製造方法を提供することにある。
　本発明者らは、台座部と翼部を有する特定形状が要求される軸流圧縮機翼に関して、従来実用化されていなかった金属粉末射出成形法の適用を検討した結果、上記課題が解決できることを見出して本発明に想到した。
　すなわち、本発明に係る軸流圧縮機翼は、軸心周りの円周上に配置して使用される台座部と翼部を有する軸流圧縮機翼であって、前記台座部は、円周内側になる内径面、円周外側になる外径面、円周方向に延在する２つの環側面、軸方向に延在する２つの軸側面、および前記環側面に対して軸方向に凸状または凹状であって円周方向に延在して形成された連結部を有して成り、前記翼部は前記台座部から径方向に起立して延在して成り、前記台座部と前記翼部が金属粉末焼結組織を有して一体に形成されている。
　本発明に係る軸流圧縮機翼においては、前記翼部の金属粉末焼結組織は、相対密度９５％以上、平均結晶粒径１０～１００μｍを有することが好ましい。本発明に係る軸流圧縮機翼は、例えばガスタービンエンジンの軸流圧縮機の静翼に適用できる。
　また、上述した軸流圧縮機翼を得る本発明に係る軸流圧縮機翼の製造方法は、軸心周りの円周上に配置して使用される台座部と翼部を有する軸流圧縮機翼の製造方法であって、金属粉末射出成形法による成形体形成工程と焼結体形成工程とを備え、前記成形体形成工程において、円周内側になる内径面、円周外側になる外径面、円周方向に延在する２つの環側面、軸方向に延在する２つの軸側面、および前記環側面に対して軸方向に凸状または凹状であって円周方向に延在して形成された連結部を有して成る前記台座部に対応する台座形状部と、前記台座部から径方向に起立して延在して成る前記翼部に対応する翼形状部とを有する成形体を形成し、前記焼結体形成工程において、前記成形体を構成する金属粉末を焼結して前記軸流圧縮機翼に対応する形状を有する金属粉末焼結体を形成し、前記台座部と前記翼部が一体に形成された金属粉末焼結組織を有する前記軸流圧縮機翼を得る。
　本発明に係る軸流圧縮機翼の製造方法においては、前記翼部の金属粉末焼結組織を、相対密度９５％以上、平均結晶粒径１０～１００μｍに形成することが好ましい。また、前記軸流圧縮機翼はガスタービン用静翼の製造方法であってよい。
　請求の範囲および／または明細書および／または図面に開示された少なくとも２つの構成のどのような組合せも、本発明に含まれる。特に、請求の範囲の各請求項の２つ以上のどのような組合せも、本発明に含まれる。
　この発明は、添付の図面を参考にした以下の好適な実施形態の説明からより明瞭に理解されるであろう。しかしながら、実施形態および図面は単なる図示および説明のためのものであり、この発明の範囲を定めるために利用されるべきものではない。この発明の範囲は添付の請求の範囲によって定まる。添付図面において、複数の図面における同一の部品番号は、同一または相当部分を示す。
本発明に係る軸流圧縮機翼の好ましい実施形態の斜視図である。 図１に示す軸流圧縮機翼の側面図である。 図１に示す軸流圧縮機翼のＩＩＩ－ＩＩＩ線における断面図である。 本発明に係る同軸流圧縮機翼の製造方法の好ましい製造プロセスの一例を示す工程図である。
　本発明の軸流圧縮機翼に係る重要な技術的特徴は、台座部と翼部を有する特定形状が要求される軸流圧縮機翼の製造において、金属粉末射出成形法の適用により、最終製品となる軸流圧縮機翼に対応する形状を有して成る金属粉末焼結体を形成することにある。これにより、原料となる金属粉末から直接的に最終製品と近似する形状を有する金属粉末焼結体を得ることができ、軸流圧縮機翼の全製造工程に占める機械加工の割合を極めて小さくできる。この後は、必要に応じて、得られた前記金属粉末焼結体に対して所望の寸法精度に仕上げるための機械加工等を施すなどして、台座部と翼部を有する軸流圧縮機翼を得ることができる。
　本発明の好ましい実施形態について、適宜図面を参照して説明する。
　図１は、本発明に係る軸流圧縮機翼の好ましい実施形態の斜視図である。図１に示す軸流圧縮機翼１は、圧縮機のハウジングのような支持部材（図示略）に取り付けるための台座部２と、台座部２の一面から起立して延在する翼部３とを有する。該翼部３を軸流圧縮機の径方向Ｄ１に起立した場合は、該翼部３および台座部２の前記一面が圧縮機内を通過する気体に曝されることになる。
　例えば、軸流圧縮機翼１をガスタービン用静翼として使用する場合、台座部２の前記一面がガスタービンの軸心の径方向Ｄ１の内側となるように、前記軸心周りの円周上に複数の軸流圧縮機翼１を配置し、翼部３を幾何学形状的に複雑な曲面の組合せによって構成された空力学的形状を有するようにできる。この場合、台座部２は、円周内側になる内径面２ｂ（前記一面）と、円周外側になる外径面２ｃと、円周方向Ｄ２に延在する２つの環側面２ｄと、前記軸心の軸方向Ｄ３に延在する２つの軸側面２ｅとを有する。
　また、台座部２における軸方向Ｄ３の両端面である環側面２ｄには、軸方向Ｄ３に凹状であって円周方向Ｄ２に延在する溝でなる連結部２ａが形成されている。この連結部２ａは、台座部２を前記ハウジングのような支持部材に取り付けて支持するためのものであり、上述した凹状の溝でなる構成以外にも、例えば軸方向Ｄ３に凸状に突出する連結突起で成る構成であってもよい。
　軸流圧縮機翼１は、台座部２と翼部３が金属粉末焼結組織を有して一体に形成されている。金属粉末射出成形（MIM：Metal Injection Molding）は、原料となる金属粉末から直接的に最終製品と近似する形状を有する金属粉末焼結体を得る。したがって、台座部２と翼部３が一体に形成された金属粉末焼結組織を有する構成にすることにより、金属粉末射出成形を軸流圧縮機翼の製造方法として適用することができる。これにより、少なくとも前記金属粉末焼結体を得るまでは、生産性や材料歩留を低下させるほどの機械加工を行うことがなくなるので、全製造工程に占める機械加工の割合を極めて小さくできる。この後は、必要に応じて前記金属粉末焼結体に対して機械加工等を施すなどして、例えば連結部２ａなどを所望の寸法精度に仕上げることで、台座部２と翼部３を有する軸流圧縮機翼１を得ることができる。
　このような台座部２と翼部３が金属粉末焼結組織を有して一体に形成されている軸流圧縮機翼１は、本実施形態の軸流圧縮機翼の製造方法によって製造することができる。具体的には、金属粉末射出成形法による成形体形成工程と焼結体形成工程を備え、前記成形体形成工程において、台座部２に対応する台座形状部と、台座部２から径方向Ｄ１に起立して延在して成る翼部３に対応する翼形状部とを有する成形体を形成し、前記焼結体形成工程において、前記成形体を構成する金属粉末を焼結して軸流圧縮機翼１に対応する形状を有する金属粉末焼結体を形成する。
　この製造方法の適用が特に有効である軸流圧縮機翼は、例えば、台座部は、外径面や内径面の縦横寸法が５０ｍｍ以下、軸側面や環側面の一辺に相当する厚さ(軸流圧縮機の径方向)１５ｍｍ以下であって、翼部は、台座部からの起立高さが５０ｍｍ以下、翼幅が５０ｍｍ以下、翼厚の最大部が５ｍｍ以下である。このように比較的小さな軸流圧縮機翼は、周知の鋳造や鍛造といった技術によって高精度で製造することがかなり難しいため、最終製品形状に近似の形状を直接的に成形できるＭＩＭの適用が有効となる。なお、上述した寸法を超えるような軸流圧縮機翼になると、ＭＩＭの適用は可能であるものの、相当大きな金型の搭載や高圧射出が可能な大型の射出成型機を要するため、射出成形サイクルが長くなることや設備投資が増えることなど、生産性や製造コストに影響が及ぶ場合がある。
　次に、上述した軸流圧縮機翼の製造方法について、軸流圧縮機翼１の製造プロセスの一例を示す工程図である図４を参照して説明する。
　軸流圧縮機翼１は、主たる製造工程として金属粉末射出成形法に係る成形体形成工程と焼結体形成工程を備えた製造プロセス、具体的には例えば図４に示すような第１工程から第１０工程で構成される製造プロセスにより製造することができる。なお、金属粉末射出形成法に係る直接的な工程は第１工程から第５工程である。以下、工程毎に説明する。
［第１工程］
　第１工程は、材料混練処理１１であり、金属粉末やバインダなどからなる混合物を混練機によって十分に混練し、ＭＩＭに好適な成形原料を得る工程である。金属粉末は、例えばＦｅ－Ｃｒ－Ｃｏ系やＦｅ－Ｃｒ－Ｎｉ系のＦｅ基合金粉末のようなステンレス系合金でなる金属粉末が使用できる。また、バインダは、例えば、ワックス類としてはパラフィンワックスやカルナバワックスなどから選定して使用でき、高分子樹脂としてはポリエチレン、ポリプロピレン、アクリル樹脂類、ＥＶＡ（エチレン－酢酸ビニル共重合樹脂）、スチレン系ゴムなどから１種または複数を選定して使用できる。この他、必要に応じて添加剤などを加えることができる。
　金属粉末は、一般に微粉ほど焼結性が良好であることから、金属粉末焼結体の密度を高めるには、微粉であるほど有効である。しかし、ＭＩＭに好適な金属粉末は、一般に微粉ほど高価になるため、実用上は平均粒径５～１５μｍの金属粉末が好ましい。
　また、成形原料の配合に関しては、「金属粉末」対「バインダ他の総量」を「５０～６５体積％」対「５０～３５体積％」とし、さらに「バインダ他の総量」における「ワックス類」対「高分子樹脂類」を「４０～６５体積％」対「６０～３５体積％」とすることが好ましい。具体例としては、Ｆｅ基合金（主たる添加元素は質量％でＣｒが１０．６％、Ｃｏが５．８％、Ｍｏが０．８％、Ｎｉが０．５％）でなる平均粒径８μｍの金属粉末と、パラフィンワックスとポリプロピレンとスチレン系樹脂を含むバインダを、それぞれ質量比９２．５対７．５で配合した成形原料が使用できる。このような金属粉末を含む成形原料の使用により、後述する成形体や金属粉末焼結体の形成が容易になる。
　相対密度は、ＪＩＳ－Ｚ２５００で定義される相対密度と同義であって、実態となる金属粉末焼結体の質量をその寸法から求めた体積で除した実態密度と、金属粉末焼結体の焼結組織中において金属粉末が独立して存在しているものと仮定し、これらの理論上の密度を用いて使用原料の配合組成から求めた理論密度との比であり、すなわち実態密度を理論密度で除した値を百分率で表した値である。
　また、平均粒径は、レーザ回折・散乱法粒度分布測定装置などを使用して得た値であって、具体的には、分散媒中に懸濁された粉末状の試料にレーザ光を当てて得られた光の散乱現象を利用し、散乱光の強度分布を複数の光学検出器で測定して収集された散乱光情報をＡ／Ｄ変換した後、コンピュータによる解析・演算処理により得られる。粒度分布は、体積基準であって、横軸を粒径、縦軸を頻度あるいは累積として出力され、累積で５０％の時の粒径を平均粒径としている。
［第２工程］
　第２工程は、本発明において重要である成形体形成工程に相当する射出成形処理１２である。射出成形処理１２では、ＭＩＭ対応の射出成形機を用いて、材料混練処理１１で得た前記成形原料を金型の軸流圧縮機翼１に対応するキャビティに注入することにより、台座部２に対応する台座形状部および翼部３に対応する翼形状部を有して成る成形体を形成する。この射出成形処理１２は重要な工程のひとつであって、得られる成形体の寸法、形状、金属粉末の均一分散を含む組織的構成などが、最終的に得られる金属粉末焼結体の寸法、形状、金属粉末焼結組織、機械的特性などに、大きな影響を及ぼすことになる。
　なお、金型の前記キャビティは、軸流圧縮機翼１の寸法や形状に限らず、得られた成形体の冷却や乾燥による収縮、この成形体からの脱脂による歪、金属粉末焼結による焼結体の収縮、さらには台座部２と翼部３の複雑な形状に起因する金属粉末焼結時の歪などを考慮の上、形成することが好ましい。
　射出成形時に、前記金型を温度調整装置などにより温度域２０～４０℃に保持し、前記成形原料を射出成形機に付帯する温度調節機能などにより温度域１４０～１６５℃に保持し、射出圧力域４０～１２０ＭＰａ、射出速度域２０～４０ｇ/秒に設定することが好ましい。これにより、軸流圧縮機翼の金属粉末焼結組織を上述のように好適に形成しやすくなる。また、ＭＩＭにより成した成形体は、多量の金属粉末を含むことから熱伝導量が大きく金型への伝熱が速く進むため、一般の樹脂原料のみで成る射出成形体よりも冷却されやすい。このため、成形体を金型から離型する場合は、離型後の成形体の変形抑止のため、成形体を必要十分な冷却時間６～２５秒を置いて後に離型することが好ましい。
［第３工程］
　第３工程は、バリ除去処理１３であり、射出成形処理１２で形成した前記成形体において、前記成形原料の注入口に対応する凸部３０や、金型の合せ面に対応して形成される線状凸痕跡（パーティングライン）などを、この後の工程で支障のない程度に機械加工により除去する工程である。なお、この後の工程で支障がない場合、バリ除去処理１３は省略することができる。
［第４工程］
　第４工程は、脱脂処理１４であり、前記成形体に内在するバインダのワックス類を金属粉末焼結に支障がない程度まで除去し、バインダの高分子樹脂によって金属粉末が架橋されて成る成形体にする工程である。ワックス類の除去方法としては、そのワックス類のみを溶解可能な溶媒に浸漬して除去する溶媒脱脂法や、そのワックス類が溶融して滲み出る程度の温度域、さらに分解して揮発する温度域まで緩やかに加熱して除去する加熱脱脂法などが適用できる。成形体の歪などの抑止を考慮すれば、まず溶媒脱脂法により多くのワックス類を除去し、次いで加熱脱脂法により残存するワックス類を除去することが好ましい。また、脱脂条件の調整により、ワックス類に限らず、バインダの高分子樹脂もまた、脱脂処理後の成形体が損傷しない程度に、かつハンドリングが可能な程度に、除去することができる。
　溶媒脱脂の場合、一般的な加熱機能を備えた洗浄機などを利用でき、特に揮発性が高い溶媒を使用するときは、環境上また作業衛生上、気密性の高い装置の利用が好ましい。溶媒の温度は、成形原料に含むワックス類の融点（例えば４５～８０℃）に対して僅かに高く（例えば５～１０℃高く）すると脱脂時間の短縮が期待できる。ただし、ワックス類の融点以上に曝された成形体の歪や軟化変形の抑止を考慮し、溶媒は使用するワックス類や成形体の形状寸法などに適合する温度で使用することが好ましい。具体例としては、上述した融点が５５℃のパラフィンワックスとポリプロピレンとスチレン系樹脂を含むバインダを使用した場合、パラフィンワックス可溶性の溶媒により温度６０℃で浸漬時間１ｈの溶媒脱脂を行うことができる。
　また、加熱脱脂の場合、３００℃程度の加熱が可能な雰囲気循環式オーブンなどが利用でき、除去されたバインダは排気系において捕獲できる。上述したようなワックス類は、およそ１２０～１５０℃の温度域から揮発するため、室温（２５℃）から１５０℃程度までを１０～３０℃／ｈの速度で昇温することが好ましく、ワックス類の過度な膨張による成形体の歪や変形を抑止できる。具体例としては、上述したパラフィンワックスとポリプロピレンとスチレン系樹脂を含むバインダを使用した場合、大気雰囲気において１６時間で温度１７５℃まで緩やかに昇温し、４時間保持することによりパラフィンワックスを除去できる。
［第５工程］
　第５工程は、本発明において重要である焼結体形成工程の主体となる金属粉末焼結処理１５である。金属粉末焼結処理１５では、脱脂処理１４を施した脱脂後の成形体を焼結炉に静置し、脱脂後の成形体に残存するワックス類や高分子樹脂などの金属粉末以外の成分を除去する過程を経て、この成形体を構成する金属粉末を焼結することにより、軸流圧縮機翼１に対応する形状を有する金属粉末焼結体を形成する。
　この金属粉末焼結処理１５は重要な工程のひとつであって、金属粉末焼結に係る焼結炉の温度制御パターン（例えば、焼結のための保持温度や保持時間、昇温や降温のための温度パターンや速度など）や、処理中の炉内の実態温度分布や雰囲気などが、得られる金属粉末焼結体の寸法、形状、金属粉末焼結組織、機械的特性などに、大きな影響を及ぼすことになる。なお、この金属粉末焼結処理１５は、前記第４工程において、溶媒脱脂法を適用した後の成形体に対してさらに加熱脱脂法を適用する場合、この加熱脱脂から連続的に行うことができる。
　金属粉末焼結は焼結専用炉などの熱処理炉を使用する。炉内は、脱脂後の成形体に残存するバインダなどを完全に除去するため、例えば、昇温速度６０℃／ｈで５００～６５０℃の温度域に昇温し、その到達温度で１．５ｈ程度保持し、この後さらに昇温し、焼結温度域１３２０～１３６０℃で３ｈ程度保持するなどで制御し、成形体を構成する金属粉末を焼結させることが好ましい。この場合、炉内の雰囲気は、脱脂時は減圧もしくは水素雰囲気とし、金属粉末の焼結時は減圧雰囲気とすることができる。具体例としては、上述したＦｅ基合金（主たる添加元素は質量％でＣｒが１０．６％、Ｃｏが５．８％、Ｍｏが０．８％、Ｎｉが０．５％）でなる金属粉末を使用した場合、上述した加熱脱脂に引き続き減圧しながら昇温し、温度１３３０℃で保持時間２ｈの焼結処理を行うことができる。
　このような金属粉末焼結処理により、軸流圧縮機翼１に対応する形状であって金属粉末焼結組織を有する金属粉末焼結体が得られる。この金属粉末焼結体は、台座部および翼部が、相対密度９５％以上、平均結晶粒径１０～１００μｍを有して形成され、好適な機械的特性を有する軸流圧縮機翼に適用できる。軸流圧縮機翼の金属粉末焼結組織においては、相対密度は９７％以上がより好ましく、密度が高まった分だけ靱性の向上が期待できる。また、平均結晶粒径は２５～７５μｍがより好ましく、特に靱性の低下を回避したい場合はより小さな平均結晶粒径となるように条件を選ぶとよい。ただし、より小さな平均結晶粒径を得ようとすると、上述した温度域の低温側で長時間の焼結処理になる場合が多いため、平均結晶粒径の選定は生産性も考慮して選定するとよい。
［第６工程］
　第６工程は、ＨＩＰ処理１６であり、前記金属粉末焼結体に対して熱間等方圧加圧（ＨＩＰ）処理を行う工程であり、省略することもできる。ＨＩＰ処理１６は、ＨＩＰ専用炉などを使用し、炉内を、例えば、圧力１００ＭＰａ、保持温度１１６０℃、アルゴンガス雰囲気とし、前記金属粉末焼結体を３ｈ程度保持することが好ましい。これにより、前記金属粉末焼結体に内在する比較的大きな空間を確実に潰し、より微細な隙間や亀裂を可能な限り潰し、その結果として金属粉末焼結体の密度を高めて機械的強度を向上し、より好適な金属粉末焼結組織を得ることができる。
［第７工程］
　第７工程は、矯正処理１７であり、前記金属粉末焼結体に有害な歪を有する場合、その歪が無害化される程度に、前記金属粉末焼結体の形状を強制的に修正する工程である。軸流圧縮機翼１の場合、特に翼部３に対応する翼形状部に歪を有することが多い。例えば、翼形状部を矯正する場合、その翼形状部の表面硬さが矯正に好適でない程に硬いときには焼鈍処理を行って矯正に好適な硬さにしておくことが好ましく、矯正時に割れなどの発生を抑制することができる。
　また、実際の矯正は、所望する翼形状部の翼面の表裏形状に対応する形状を有して成る一対の矯正治具を用いて前記翼面を挟み込み、例えば油圧式や機械式などのプレス装置を使用して加圧する手段により、翼形状部を矯正することができる。上述した表面硬さに基づく焼鈍処理や、プレス装置を使用する矯正手段については、翼形状部以外の台座形状部などを矯正する場合も好ましい手段になる。なお、有害な歪を有さない金属粉末焼結体が得られた場合、矯正処理１７は省略できる。
［第８工程］
　第８工程は、焼入れ処理１８であり、上述した金属粉末焼結処理１５を経て、あるいは必要に応じてＨＩＰ処理１６や矯正処理１７を経て、得られた金属粉末焼結体に対して熱処理を行って組織形態を調整し、主として所望の機械的特性を得る工程である。
　例えば、金属粉末焼結体がＦｅ－Ｃｒ－Ｃｏ系のＦｅ基合金から成る場合、大気圧のアルゴンガス雰囲気において、焼入れ温度１１００～１２００℃、その保持時間２０ｍｉｎ～１ｈ、油冷や水冷による強制冷却といった条件により、焼入れ処理１８を行うことが好ましい。具体例としては、上述したＦｅ基合金（主たる添加元素は質量％でＣｒが１０．６％、Ｃｏが５．８％、Ｍｏが０．８％、Ｎｉが０．５％）でなる金属粉末を使用した場合、アルゴンガス雰囲気の炉内により温度１１７０℃で保持時間０．５ｈの焼入れ処理を行うことができる。
　なお、上述した焼入れ温度や保持時間といった条件は、金属粉末焼結体の材質、組織形態、寸法や形状などにより、適宜設定することができる。また、この焼入れ処理１８は、後述する焼戻し処理との組合せによってその効果を発揮させることが通常であるし、材質によっては省略できる。
［第９工程］
　第９工程は、焼戻し処理１９であり、焼入れ処理１８を経た金属粉末焼結体に対して焼戻し処理を行う工程である。例えば、金属粉末焼結体が上述したＦｅ－Ｃｒ－Ｃｏ系のＦｅ基合金から成る場合、焼戻し温度を５８０～６５０℃に設定して数時間保持した後、大気などの気体の吹付けによる強制冷却するといった処理を行うことが好ましい。具体例としては、上述したＦｅ基合金（主たる添加元素は質量％でＣｒが１０．６％、Ｃｏが５．８％、Ｍｏが０．８％、Ｎｉが０．５％）でなる金属粉末を使用した場合、上述した焼入れ処理後、温度６１０℃で５ｈ保持し、大気による強制冷却する焼戻し処理を行うことができ、これを２度行うと好適である。
　また、金属粉末焼結体の硬さや組織形態によっては、同一条件による再度の焼戻し処理を行うこともでき、このような焼戻し処理を２段焼戻し処理ともいう。なお、上述した焼戻し温度などの条件は、焼入れ処理１８後の金属粉末焼結体の材質、硬さ、組織形態などにより、適宜設定することができる。また、この焼戻し処理１９は、上述した焼入れ処理１８との組合せによってその効果を発揮させることが通常であるし、材質によっては省略できる。
［第１０工程］
　第１０工程は、仕上げ処理２０であり、上述した金属粉末射出形成法を適用した一連の製造工程を経て得た軸流圧縮機翼１に対応する形状を有して成る金属粉末焼結体を、所定の形状および寸法精度に仕上げる工程である。軸流圧縮機翼１では、台座部２をハウジングのような支持部材に取り付けることになる連結部２ａに対応する箇所について、切削や研削などの機械加工的によって仕上げる場合が多い。この連結部２ａの他、２つの軸側面２ｅに対応する箇所を仕上げることもできる。また、翼部３に対応する翼形状部の翼端や、台座形状部の周縁を仕上げることもできる。さらには、矯正処理１７が意図せず不十分であったり、その後の工程で新たな歪を生じたりした場合は、適宜、矯正治具や手作業などによる矯正処理を行うこともできる。
　上述した製造プロセスを経て、軸心周りの円周上に配置して使用される台座部２と翼部３を有する軸流圧縮機翼１を得ることができる。具体的には、円周内側になる内径面２ｂ、円周外側になる外径面２ｃ、円周方向Ｄ２に延在する２つの環側面２ｄ、軸方向Ｄ３に延在する２つの軸側面２ｅ、および環側面２ｄに対して軸方向Ｄ３に凹状であって円周方向Ｄ２に延在して形成された連結部２ａを有して成る台座部２と、この台座部２から径方向Ｄ１に起立して延在して成る翼部３とを有し、台座部２と翼部３が金属粉末焼結組織を有して一体に形成されている軸流圧縮機翼１を得ることができる。なお、連結部２ａは、軸方向Ｄ３に凸状に形成することもできる。
　図４に示す製造プロセスの場合、機械加工が主体となる工程が第１０工程に限られ、少なくとも第１工程から第５工程までは機械加工が主体ではない工程にできる。すなわち、軸流圧縮機翼１に対応する形状を有して成る金属粉末焼結体を得るまでは、直接的に機械加工を行う機会を極めて少なくできる。よって、台座部と翼部を有する特定形状が要求される軸流圧縮機翼に関して、軸流圧縮機翼の全製造工程に占める機械加工の割合が低減できるので、機械加工を多用する従来の技術に拠るよりも、生産性の向上や製造コストの低減が期待できる。
　以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。
１　軸流圧縮機翼
２　台座部
２ａ　連結部
２ｂ　内径面
２ｃ　外径面
２ｄ　環側面
２ｅ　軸側面
３　翼部
Ｄ１　径方向
Ｄ２　円周方向
Ｄ３　軸方向
１１　材料混練処理
１２　射出成形処理（成形体形成工程）
１３　バリ除去処理
１４　脱脂処理
１５　金属粉末焼結処理
１６　ＨＩＰ処理
１７　矯正処理
１８　焼入れ処理
１９　焼戻し処理
２０　仕上げ処理
３０　凸部

Claims (6)

  1. 　軸心周りの円周上に配置して使用される台座部と翼部を有する軸流圧縮機翼であって、
    　前記台座部は、円周内側になる内径面、円周外側になる外径面、円周方向に延在する２つの環側面、軸方向に延在する２つの軸側面、および前記環側面に対して軸方向に凸状または凹状であって円周方向に延在して形成された連結部を有して成り、
    　前記翼部は前記台座部から径方向に起立して延在して成り、
    　前記台座部と前記翼部が金属粉末焼結組織を有して一体に形成されている軸流圧縮機翼。
  2. 　前記翼部の金属粉末焼結組織は、相対密度９５％以上、平均結晶粒径１０～１００μｍである請求項１に記載の軸流圧縮機翼。
  3. 　前記軸流圧縮機翼はガスタービン用静翼である請求項１に記載の軸流圧縮機翼。
  4. 　軸心周りの円周上に配置して使用される台座部と翼部を有する軸流圧縮機翼の製造方法であって、
    　金属粉末射出成形法による成形体形成工程と焼結体形成工程とを備え、
    　前記成形体形成工程において、円周内側になる内径面、円周外側になる外径面、円周方向に延在する２つの環側面、軸方向に延在する２つの軸側面、および前記環側面に対して軸方向に凸状または凹状であって円周方向に延在して形成された連結部を有して成る前記台座部に対応する台座形状部と、前記台座部から径方向に起立して延在して成る前記翼部に対応する翼形状部とを有する成形体を形成し、
    　前記焼結体形成工程において、前記成形体を構成する金属粉末を焼結して前記軸流圧縮機翼に対応する形状を有する金属粉末焼結体を形成し、
    　前記台座部と前記翼部が一体に形成された金属粉末焼結組織を有する前記軸流圧縮機翼を得る軸流圧縮機翼の製造方法。
  5. 　前記翼部の金属粉末焼結組織を、相対密度９５％以上、平均結晶粒径１０～１００μｍに形成する請求項４に記載の軸流圧縮機翼の製造方法。
  6. 　前記軸流圧縮機翼はガスタービン用静翼である請求項４に記載の軸流圧縮機翼の製造方法。
PCT/JP2013/051056 2012-01-23 2013-01-21 軸流圧縮機翼とその製造方法 WO2013111694A1 (ja)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201380006013.3A CN104081061B (zh) 2012-01-23 2013-01-21 轴流式压缩机叶片及其制造方法
EP13741504.8A EP2808560B1 (en) 2012-01-23 2013-01-21 Method for manufacturing blades for axial flow compressor
CA2861476A CA2861476C (en) 2012-01-23 2013-01-21 Blades for axial flow compressor and method for manufacturing same
US14/373,796 US9631635B2 (en) 2012-01-23 2013-01-21 Blades for axial flow compressor and method for manufacturing same

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012-010672 2012-01-23
JP2012010672A JP5555727B2 (ja) 2012-01-23 2012-01-23 軸流圧縮機翼の製造方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2013111694A1 true WO2013111694A1 (ja) 2013-08-01

Family

ID=48873414

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2013/051056 WO2013111694A1 (ja) 2012-01-23 2013-01-21 軸流圧縮機翼とその製造方法

Country Status (6)

Country Link
US (1) US9631635B2 (ja)
EP (1) EP2808560B1 (ja)
JP (1) JP5555727B2 (ja)
CN (1) CN104081061B (ja)
CA (1) CA2861476C (ja)
WO (1) WO2013111694A1 (ja)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2551164B (en) * 2016-06-08 2019-12-25 Rolls Royce Plc Metallic stator vane
JP7049149B2 (ja) * 2018-03-28 2022-04-06 三菱重工航空エンジン株式会社 翼の製造方法
US11733011B2 (en) * 2020-11-24 2023-08-22 Raytheon Company Steering system with power take-off from actuators

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08120307A (ja) * 1994-10-20 1996-05-14 Janome Sewing Mach Co Ltd 粉末焼結インペラーの製造方法
JP2004508478A (ja) * 2000-09-05 2004-03-18 シーメンス　アクチエンゲゼルシヤフト 流体機械とその動翼
WO2004111394A1 (ja) 2003-06-10 2004-12-23 Ishikawajima-Harima Heavy Industries Co., Ltd. タービン部品、ガスタービンエンジン、タービン部品の製造方法、表面処理方法、翼部品、金属部品、及び蒸気タービンエンジン
WO2006015899A1 (de) 2004-08-06 2006-02-16 Siemens Aktiengesellschaft Verdichterschaufel sowie herstellung und verwendung einer verdichterschaufel
JP2009041563A (ja) * 2007-08-08 2009-02-26 General Electric Co <Ge> ステータ結合ストリップ及び隣接するステータを連結する方法

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4338457C2 (de) 1993-11-11 1998-09-03 Mtu Muenchen Gmbh Bauteil aus Metall oder Keramik mit dichter Außenschale und porösem Kern und Herstellungsverfahren
TWI270427B (en) 2003-06-10 2007-01-11 Ishikawajima Harima Heavy Ind Metal component, turbine component, gas turbine engine, surface processing method, and steam turbine engine
DE10331599A1 (de) * 2003-07-11 2005-02-03 Mtu Aero Engines Gmbh Bauteil für eine Gasturbine sowie Verfahren zur Herstellung desselben
US7775772B2 (en) * 2006-11-08 2010-08-17 General Electric Company System for manufacturing a rotor having an MMC ring component and an airfoil component having MMC airfoils
CA2588626A1 (en) * 2007-05-15 2008-11-15 Benoit Julien A process for producing static components for a gas turbine engine
ATE522726T1 (de) 2008-07-10 2011-09-15 Grundfos Management As Strömungsführendes bauteil einer pumpe
JP2010270645A (ja) * 2009-05-20 2010-12-02 Ihi Corp インペラの製造方法
JP2010275878A (ja) * 2009-05-26 2010-12-09 Ihi Corp インペラ、過給機、及びインペラの製造方法
EP2295724B1 (de) 2009-08-28 2012-02-29 Siemens Aktiengesellschaft Leitschaufel für eine axial durchströmbare Turbomaschine und zugehörige Leitschaufelanordnung

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08120307A (ja) * 1994-10-20 1996-05-14 Janome Sewing Mach Co Ltd 粉末焼結インペラーの製造方法
JP2004508478A (ja) * 2000-09-05 2004-03-18 シーメンス　アクチエンゲゼルシヤフト 流体機械とその動翼
WO2004111394A1 (ja) 2003-06-10 2004-12-23 Ishikawajima-Harima Heavy Industries Co., Ltd. タービン部品、ガスタービンエンジン、タービン部品の製造方法、表面処理方法、翼部品、金属部品、及び蒸気タービンエンジン
WO2006015899A1 (de) 2004-08-06 2006-02-16 Siemens Aktiengesellschaft Verdichterschaufel sowie herstellung und verwendung einer verdichterschaufel
JP2009041563A (ja) * 2007-08-08 2009-02-26 General Electric Co <Ge> ステータ結合ストリップ及び隣接するステータを連結する方法

Also Published As

Publication number Publication date
CA2861476A1 (en) 2013-08-01
US9631635B2 (en) 2017-04-25
CN104081061A (zh) 2014-10-01
JP2013148050A (ja) 2013-08-01
CN104081061B (zh) 2017-08-25
EP2808560A1 (en) 2014-12-03
CA2861476C (en) 2017-01-03
EP2808560A4 (en) 2015-10-21
US20150037163A1 (en) 2015-02-05
JP5555727B2 (ja) 2014-07-23
EP2808560B1 (en) 2020-06-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4523032B2 (ja) コンプレッサ羽根車の製造方法
EP3429778B1 (en) Method of manufacturing advanced features in a core for casting
JP4240512B1 (ja) タービンホイールの製造方法
CN102177324B (zh) 可变翼的制造方法
CN1293291C (zh) Vgs型涡轮增压器中的可变叶片制造方法
EP2375002B1 (en) Abradable seal for a gas turbine engine, corresponding gas turbine engine and manufacturing method
CA2588626A1 (en) A process for producing static components for a gas turbine engine
WO2010134570A1 (ja) 過給機に適用されるインペラの製造方法
WO2013111694A1 (ja) 軸流圧縮機翼とその製造方法
US20090096138A1 (en) Method for Production of a Honeycomb Seal
RU2532783C2 (ru) Способ изготовления системы, содержащей множество лопаток, установленных в платформе
JP3944819B2 (ja) Ｖｇｓタイプターボチャージャにおける排気ガイドアッセンブリに適用される可変翼の翼部の製造方法
JP2007154873A (ja) タービンシュラウドの被覆のための金属射出成形法
JP2009293418A (ja) ノズルベーンの製造方法、ノズルベーン、可変ノズル機構およびターボチャージャ
JP4269091B1 (ja) タービンローター用シャフトの製造方法
CN113664199A (zh) 航空发动机涡轮叶片热等静压近净成型方法
EP3000546B1 (en) Method of manufacturing gas turbine engine component from a molybdenum-rich alloy
JPH05288001A (ja) 冷却孔付セラミックスガスタービン静翼及びその製造方法
WO2019187819A1 (ja) 翼の製造方法
JP3126582U (ja) ダイカスト製コンプレッサ羽根車
CN114603141B (zh) 一种TiAl合金叶片模锻成形的方法
JP2019094539A (ja) 金属部材の製造方法
CN114829062A (zh) 制造一体式叶片盘的解决方案
JP2006265590A (ja) 射出成形焼結体の製造方法および過給機用可動部支持部品

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 13741504

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2861476

Country of ref document: CA

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 14373796

Country of ref document: US

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2013741504

Country of ref document: EP