JPH05148004A - タービン用セラミツクス材料 - Google Patents
タービン用セラミツクス材料Info
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- JPH05148004A JPH05148004A JP3312552A JP31255291A JPH05148004A JP H05148004 A JPH05148004 A JP H05148004A JP 3312552 A JP3312552 A JP 3312552A JP 31255291 A JP31255291 A JP 31255291A JP H05148004 A JPH05148004 A JP H05148004A
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- Japan
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- ceramic material
- turbines
- sintering
- hardness
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Abstract
(57)【要約】 (修正有)
【目的】 衝撃耐性に優れたタービン用セラミックス材
料を提供する。 【構成】 多結晶セラミックスであって、かつ硬さHと
ヤング率Yとの比H/Yが0.047〜0.055の範
囲にあるタービン用セラミックス材料より成る。これは
例えばα型窒化珪素(α−Si3N4)粉末を85重量
%と、燃結助剤(Y2O3+Al2O3;Y2O3:A
l2O3=2:1)粉末を15重量%とを配合し、アル
コールを添加してボールミルにより充分混合したのち乾
燥し、成形重量4tonで成形した後1次焼結し更に熱
間等方加圧により再焼結して得られる。
料を提供する。 【構成】 多結晶セラミックスであって、かつ硬さHと
ヤング率Yとの比H/Yが0.047〜0.055の範
囲にあるタービン用セラミックス材料より成る。これは
例えばα型窒化珪素(α−Si3N4)粉末を85重量
%と、燃結助剤(Y2O3+Al2O3;Y2O3:A
l2O3=2:1)粉末を15重量%とを配合し、アル
コールを添加してボールミルにより充分混合したのち乾
燥し、成形重量4tonで成形した後1次焼結し更に熱
間等方加圧により再焼結して得られる。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、各種タービンの素材と
して好適に利用されるタービン用セラミックス材料に関
するものである。
して好適に利用されるタービン用セラミックス材料に関
するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、タービンの素材としては、SUH
600,SUH616などの耐熱鋼や、インコネルX−
750,インコネル751などのNi基耐熱合金等が使
用されてきたが、近年においては軽量でかつ耐食性に優
れたセラミックス材料を適用する開発も行われ、すでに
実用化もなされている。
600,SUH616などの耐熱鋼や、インコネルX−
750,インコネル751などのNi基耐熱合金等が使
用されてきたが、近年においては軽量でかつ耐食性に優
れたセラミックス材料を適用する開発も行われ、すでに
実用化もなされている。
【0003】そして、タービン用セラミックス材料に関
しては、例えば、Proceedings of Br
itish Ceramic Society 22,
129−46(1973)に記載されたM.L.Tor
tiらによる文献や、Journal of Amer
ican Ceramic Society 52
[7] 560−62,569(1973)に記載され
たD.W.Richersonによる文献において開示
があり、特に窒化珪素(Si3N4)や炭化珪素(Si
C)を用いた例が示されている。
しては、例えば、Proceedings of Br
itish Ceramic Society 22,
129−46(1973)に記載されたM.L.Tor
tiらによる文献や、Journal of Amer
ican Ceramic Society 52
[7] 560−62,569(1973)に記載され
たD.W.Richersonによる文献において開示
があり、特に窒化珪素(Si3N4)や炭化珪素(Si
C)を用いた例が示されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
タービン用セラミックス材料において、1970年代の
初期の頃においては緻密なセラミックスを得ることがで
きず、強度が低いため、タービンとして使用したときに
高速回転時の応力によって破損することがあるという問
題点があった。
タービン用セラミックス材料において、1970年代の
初期の頃においては緻密なセラミックスを得ることがで
きず、強度が低いため、タービンとして使用したときに
高速回転時の応力によって破損することがあるという問
題点があった。
【0005】そして、最近の技術においては焼結技術の
進歩によって緻密なセラミックスによるタービン用材料
が開発されてきた。
進歩によって緻密なセラミックスによるタービン用材料
が開発されてきた。
【0006】このような緻密なセラミックスによるター
ビン用材料は、空孔をできるだけ減らすことによって、
高強度でかつ高剛性であるセラミックス材料とはなって
いたが、同時に脆さも共存していたため、特にタービン
素材として使用したときに受ける異物の衝突による粒子
衝撃によっても微細なクラックが生じないようにし、こ
のような微細なクラックを起点として破壊に至ることが
ないようにする必要があるという課題があった。
ビン用材料は、空孔をできるだけ減らすことによって、
高強度でかつ高剛性であるセラミックス材料とはなって
いたが、同時に脆さも共存していたため、特にタービン
素材として使用したときに受ける異物の衝突による粒子
衝撃によっても微細なクラックが生じないようにし、こ
のような微細なクラックを起点として破壊に至ることが
ないようにする必要があるという課題があった。
【0007】
【発明の目的】この発明は上記した従来の課題にかんが
みてなされたものであって、タービンとして使用してい
るときに異物の衝突による粒子衝撃を受けたときでもク
ラックが発生しがたく、したがってこのようなクラック
を起点とする破壊が生じがたいタービン用セラミックス
材料を提供することを目的としている。
みてなされたものであって、タービンとして使用してい
るときに異物の衝突による粒子衝撃を受けたときでもク
ラックが発生しがたく、したがってこのようなクラック
を起点とする破壊が生じがたいタービン用セラミックス
材料を提供することを目的としている。
【0008】
【課題を解決するための手段】この発明に係わるタービ
ン用セラミックス材料は、多結晶セラミックスよりなり
かつ硬さHとヤング率Yとの比H/Yが0.047〜
0.055である構成としたことを特徴としており、こ
のようなタービン用セラミックス材料に係わる発明の構
成をもって前述した従来の課題を解決するための手段と
している。
ン用セラミックス材料は、多結晶セラミックスよりなり
かつ硬さHとヤング率Yとの比H/Yが0.047〜
0.055である構成としたことを特徴としており、こ
のようなタービン用セラミックス材料に係わる発明の構
成をもって前述した従来の課題を解決するための手段と
している。
【0009】この発明に係わるタービン用セラミックス
材料の実施態様においては、硬さがビッカース硬さ(荷
重;300g)で14.3GPa以上であり、ヤング率
が290GPa以上であるものとすることができる。
材料の実施態様においては、硬さがビッカース硬さ(荷
重;300g)で14.3GPa以上であり、ヤング率
が290GPa以上であるものとすることができる。
【0010】また、同じくこの発明に係わるタービン用
セラミックス材料の実施態様においては、材料中の65
重量%以上がβ型窒化珪素よりなるものとすることがで
きる。
セラミックス材料の実施態様においては、材料中の65
重量%以上がβ型窒化珪素よりなるものとすることがで
きる。
【0011】この発明に係わるタービン用セラミックス
材料は、多結晶セラミックスよりなりかつ硬さHとヤン
グ率Yとの比H/Yが0.047〜0.055の範囲内
にあるようにしたものであり、硬さHを低くしかつヤン
グ率Yを大きくすることでH/Yが0.047〜0.0
55の範囲にあるようにすることによって異物が衝突し
た際の粒子衝撃に対して塑性変形を生じやすくし、異物
の衝突による点荷重下において応力状態が弾性応力場を
保つようにすることによって、衝撃耐性すなわち粒子衝
撃性が向上したものにできる。
材料は、多結晶セラミックスよりなりかつ硬さHとヤン
グ率Yとの比H/Yが0.047〜0.055の範囲内
にあるようにしたものであり、硬さHを低くしかつヤン
グ率Yを大きくすることでH/Yが0.047〜0.0
55の範囲にあるようにすることによって異物が衝突し
た際の粒子衝撃に対して塑性変形を生じやすくし、異物
の衝突による点荷重下において応力状態が弾性応力場を
保つようにすることによって、衝撃耐性すなわち粒子衝
撃性が向上したものにできる。
【0012】そして、より望ましくは硬さがビッカース
硬さ(荷重;300g)で14.3GPa以上でかつヤ
ング率が290GPa以上であるようにし、さらには材
料の65重量%以上がβ型窒化珪素であるようにするこ
とによって、タービン素材として使用した際の耐久性が
より一層向上したものにできるようにすることが望まし
い。
硬さ(荷重;300g)で14.3GPa以上でかつヤ
ング率が290GPa以上であるようにし、さらには材
料の65重量%以上がβ型窒化珪素であるようにするこ
とによって、タービン素材として使用した際の耐久性が
より一層向上したものにできるようにすることが望まし
い。
【0013】この発明に係わるタービン用セラミックス
材料は、上記した構成を有するものであって、ホットプ
レス法,熱間等方圧加圧法,常圧焼結法など各種の方法
で製造することが可能である。
材料は、上記した構成を有するものであって、ホットプ
レス法,熱間等方圧加圧法,常圧焼結法など各種の方法
で製造することが可能である。
【0014】
【発明の作用】この発明に係わるタービン用セラミック
ス材料は、多結晶セラミックスよりなりかつ硬さHとヤ
ング率Yとの比H/Yが0.047〜0.055である
ものとしたから、異物の衝突による粒子衝撃に対して適
度の塑性を示し、弾性応力場で荷重を受けるものとなっ
て、粒子衝撃によるクラックの発生が阻止されて破壊が
生じがたいものとなる。
ス材料は、多結晶セラミックスよりなりかつ硬さHとヤ
ング率Yとの比H/Yが0.047〜0.055である
ものとしたから、異物の衝突による粒子衝撃に対して適
度の塑性を示し、弾性応力場で荷重を受けるものとなっ
て、粒子衝撃によるクラックの発生が阻止されて破壊が
生じがたいものとなる。
【0015】
【実施例】この発明に係わるタービン用セラミックス材
料の実施例および比較例さらには参考例を表1,表2に
まとめて示す。
料の実施例および比較例さらには参考例を表1,表2に
まとめて示す。
【0016】(実施例1)実施例1では、α型窒化珪素
(α−Si3N4)粉末を85重量%と、焼結助剤(Y
2O3+Al2O3;Y2O3:Al2O3=2:1)
粉末を15重量%とを配合し、アルコールを添加してボ
ールミルにより充分混合したのち乾燥し、成形荷重4t
onで成形したのち表1の実施例1の欄に示す条件で常
圧により一次焼結し、さらに同じく実施例1の欄に示す
条件で熱間等方圧加圧により再焼結してセラミックス材
料を得た。
(α−Si3N4)粉末を85重量%と、焼結助剤(Y
2O3+Al2O3;Y2O3:Al2O3=2:1)
粉末を15重量%とを配合し、アルコールを添加してボ
ールミルにより充分混合したのち乾燥し、成形荷重4t
onで成形したのち表1の実施例1の欄に示す条件で常
圧により一次焼結し、さらに同じく実施例1の欄に示す
条件で熱間等方圧加圧により再焼結してセラミックス材
料を得た。
【0017】(実施例2)実施例2では、表1の実施例
2の欄に示すように、再焼結の際の温度を実施例1の場
合よりも高くして1950℃としたほかは実施例1と同
じようにしてセラミックス材料を得た。
2の欄に示すように、再焼結の際の温度を実施例1の場
合よりも高くして1950℃としたほかは実施例1と同
じようにしてセラミックス材料を得た。
【0018】(実施例3)実施例3では、混合粉末中に
平均粒子径が0.26μmのSiC粒子を10体積%添
加した混合粉末としたほかは実施例1と同じ条件で常圧
焼結による一次焼結および熱間等方圧加圧による再焼結
を行うことによってセラミックス材料を得た。この場
合、SiC粒子はマトリックスとなるβ−Si3N4粉
末の焼結を制限する作用をはたすものとなり、焼結条件
と共に微構造制御を行うことによって硬さを下げると共
にヤング率を向上させて衝撃耐性の増大をはかってい
る。
平均粒子径が0.26μmのSiC粒子を10体積%添
加した混合粉末としたほかは実施例1と同じ条件で常圧
焼結による一次焼結および熱間等方圧加圧による再焼結
を行うことによってセラミックス材料を得た。この場
合、SiC粒子はマトリックスとなるβ−Si3N4粉
末の焼結を制限する作用をはたすものとなり、焼結条件
と共に微構造制御を行うことによって硬さを下げると共
にヤング率を向上させて衝撃耐性の増大をはかってい
る。
【0019】(実施例4)実施例4では、混合粉末中に
平均長さ30μmのSiCウイスカーを10体積%添加
した混合粉末とし、表1の実施例4の欄に示した条件で
ホットプレスすることによってセラミックス複合材料を
得た。この場合、SiCウイスカーはマトリックスとな
るβ−Si3N4粉末の焼結を制限する作用をはたすも
のとなり、焼結条件と共に微構造制御を行うことにより
硬さを下げると共にヤング率を向上させて衝撃耐性の増
大をはかっている。
平均長さ30μmのSiCウイスカーを10体積%添加
した混合粉末とし、表1の実施例4の欄に示した条件で
ホットプレスすることによってセラミックス複合材料を
得た。この場合、SiCウイスカーはマトリックスとな
るβ−Si3N4粉末の焼結を制限する作用をはたすも
のとなり、焼結条件と共に微構造制御を行うことにより
硬さを下げると共にヤング率を向上させて衝撃耐性の増
大をはかっている。
【0020】(比較例1)比較例1では、α型窒化珪素
粉末を85重量%と焼結助剤(Y2O3+Al2O3;
Y2O3:Al2O3=2:1)粉末を15重量%とを
配合し、アルコールを添加してボールミルにより充分混
合したのち乾燥し、成形荷重4tonで成形したのち表
1の比較例1の欄に示す条件で焼結を行ってセラミック
ス材料を得た。
粉末を85重量%と焼結助剤(Y2O3+Al2O3;
Y2O3:Al2O3=2:1)粉末を15重量%とを
配合し、アルコールを添加してボールミルにより充分混
合したのち乾燥し、成形荷重4tonで成形したのち表
1の比較例1の欄に示す条件で焼結を行ってセラミック
ス材料を得た。
【0021】(比較例2)比較例2では、窒化珪素粉末
と焼結助剤(5重量%Y2O3+3重量%Al2O3)
の配合割合を変えて窒化珪素粉末をより多くすると共に
焼結温度を1750℃としかつ焼結時間を3時間とした
ほかは比較例1と同じようにしてセラミックス材料を得
た。
と焼結助剤(5重量%Y2O3+3重量%Al2O3)
の配合割合を変えて窒化珪素粉末をより多くすると共に
焼結温度を1750℃としかつ焼結時間を3時間とした
ほかは比較例1と同じようにしてセラミックス材料を得
た。
【0022】(比較例3)比較例3では常圧焼結に代え
てホットプレスを用いたほかは比較例1と同じようにし
てセラミックス材料を得た。
てホットプレスを用いたほかは比較例1と同じようにし
てセラミックス材料を得た。
【0023】(比較例4)比較例4では、焼結温度を1
750℃とし、焼結時間を3時間としたほかは比較例1
と同じようにしてセラミックス材料を得た。
750℃とし、焼結時間を3時間としたほかは比較例1
と同じようにしてセラミックス材料を得た。
【0024】(参考例1)参考例1としてはセラミック
ス材料としてジルコニア(ZrO2)をあげた。
ス材料としてジルコニア(ZrO2)をあげた。
【0025】(参考例2)参考例2としてはセラミック
ス材料として炭化珪素(SiC)をあげた。
ス材料として炭化珪素(SiC)をあげた。
【0026】(評価例)実施例1〜4,比較例1〜4お
よび参考例1,2の各セラミックス材料について、密
度,結晶相,曲げ強度,硬さ,ヤング率および衝撃耐性
を測定した。
よび参考例1,2の各セラミックス材料について、密
度,結晶相,曲げ強度,硬さ,ヤング率および衝撃耐性
を測定した。
【0027】これらのうち、硬さの測定はビッカース圧
子を用いて荷重300gで測ることにより行った。ま
た、衝撃耐性の評価は直径1mmのジルコニア球をHe
ガス銃で打ち込み、固有欠陥より大きなクラックが形成
される速度を求めることにより行った。
子を用いて荷重300gで測ることにより行った。ま
た、衝撃耐性の評価は直径1mmのジルコニア球をHe
ガス銃で打ち込み、固有欠陥より大きなクラックが形成
される速度を求めることにより行った。
【0028】これらの結果を表2に示す。
【0029】表2に示すように、実施例1〜4のセラミ
ックス材料は、一次焼結したのち再焼結することによっ
て結晶粒を成長させ、硬さを低くすると共にヤング率を
高めたものとして、硬さHとヤング率Yとの比H/Yが
0.047〜0.055の範囲内にあるようにしたか
ら、参考例1に示したジルコニア質セラミックス材料や
参考例2に示した炭化珪素質セラミックス材料に比べて
衝撃耐性がかなり大きな値となっており、異物との衝突
による粒子衝撃を受けたときには塑性変形を生じやすく
し、点荷重下で応力状態が弾性応力場を保つようにして
いるので、衝撃耐性が向上したものとなっていて、ター
ボチャージャローター等のタービン材に用いたときの粒
子衝撃性に優れたものであることが認められた。
ックス材料は、一次焼結したのち再焼結することによっ
て結晶粒を成長させ、硬さを低くすると共にヤング率を
高めたものとして、硬さHとヤング率Yとの比H/Yが
0.047〜0.055の範囲内にあるようにしたか
ら、参考例1に示したジルコニア質セラミックス材料や
参考例2に示した炭化珪素質セラミックス材料に比べて
衝撃耐性がかなり大きな値となっており、異物との衝突
による粒子衝撃を受けたときには塑性変形を生じやすく
し、点荷重下で応力状態が弾性応力場を保つようにして
いるので、衝撃耐性が向上したものとなっていて、ター
ボチャージャローター等のタービン材に用いたときの粒
子衝撃性に優れたものであることが認められた。
【0030】これに対して、比較例1〜4のセラミック
ス材料は、硬さHとヤング率Yとの比H/Yが0.04
7〜0.055の範囲から外れたものであって、衝撃耐
性に劣ったものになっていることが認められ、ターボチ
ャージャローター等のタービン材に用いたときには定格
回転数である9〜10万回転で破壊するおそれがあるも
のであった。
ス材料は、硬さHとヤング率Yとの比H/Yが0.04
7〜0.055の範囲から外れたものであって、衝撃耐
性に劣ったものになっていることが認められ、ターボチ
ャージャローター等のタービン材に用いたときには定格
回転数である9〜10万回転で破壊するおそれがあるも
のであった。
【0031】
【表1】
【0032】
【表2】
【0033】
【発明の効果】この発明に係わるタービン用セラミック
ス材料は、多結晶セラミックスよりなりかつ硬さHとヤ
ング率Yとの比H/Yが0.047〜0.055である
ものとなっていることから、異物の衝突により粒子衝撃
を受けたときには適度の塑性変形が生じ、点荷重下で応
力状態が弾性応力場を保つようになるため、衝撃耐性が
著しく向上したものとなり、粒子衝撃を受けたときでも
クラックが発生しがたいものとなってこのようなクラッ
クを起点とする破壊を生じがたいタービン用セラミック
スであるという優れた効果がもたらされる。
ス材料は、多結晶セラミックスよりなりかつ硬さHとヤ
ング率Yとの比H/Yが0.047〜0.055である
ものとなっていることから、異物の衝突により粒子衝撃
を受けたときには適度の塑性変形が生じ、点荷重下で応
力状態が弾性応力場を保つようになるため、衝撃耐性が
著しく向上したものとなり、粒子衝撃を受けたときでも
クラックが発生しがたいものとなってこのようなクラッ
クを起点とする破壊を生じがたいタービン用セラミック
スであるという優れた効果がもたらされる。
Claims (1)
- 【請求項1】 多結晶セラミックスよりなりかつ硬さH
とヤング率Yとの比H/Yが0.047〜0.055で
あることを特徴とするタービン用セラミックス材料。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3312552A JP2743666B2 (ja) | 1991-11-27 | 1991-11-27 | タービン用セラミックス材料およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3312552A JP2743666B2 (ja) | 1991-11-27 | 1991-11-27 | タービン用セラミックス材料およびその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05148004A true JPH05148004A (ja) | 1993-06-15 |
| JP2743666B2 JP2743666B2 (ja) | 1998-04-22 |
Family
ID=18030586
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3312552A Expired - Lifetime JP2743666B2 (ja) | 1991-11-27 | 1991-11-27 | タービン用セラミックス材料およびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2743666B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002285801A (ja) * | 2001-03-27 | 2002-10-03 | Kyocera Corp | 組合せ部材及びガスタービン用部品 |
| JP2003010736A (ja) * | 2001-07-04 | 2003-01-14 | Babcock Hitachi Kk | 燃料吹込供給ノズル |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6241773A (ja) * | 1985-08-12 | 1987-02-23 | 株式会社日立製作所 | 複合セラミツクスの製造法 |
| JPS6445757A (en) * | 1987-04-30 | 1989-02-20 | Sandvik Ab | Sintered ceramic material |
-
1991
- 1991-11-27 JP JP3312552A patent/JP2743666B2/ja not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6241773A (ja) * | 1985-08-12 | 1987-02-23 | 株式会社日立製作所 | 複合セラミツクスの製造法 |
| JPS6445757A (en) * | 1987-04-30 | 1989-02-20 | Sandvik Ab | Sintered ceramic material |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002285801A (ja) * | 2001-03-27 | 2002-10-03 | Kyocera Corp | 組合せ部材及びガスタービン用部品 |
| JP2003010736A (ja) * | 2001-07-04 | 2003-01-14 | Babcock Hitachi Kk | 燃料吹込供給ノズル |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2743666B2 (ja) | 1998-04-22 |
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