JPH06218562A - 部材とこの部材を作製する方法 - Google Patents

部材とこの部材を作製する方法

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JPH06218562A JP24531893A JP24531893A JPH06218562A JP H06218562 A JPH06218562 A JP H06218562A JP 24531893 A JP24531893 A JP 24531893A JP 24531893 A JP24531893 A JP 24531893A JP H06218562 A JPH06218562 A JP H06218562A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 ガンマ・チタンアルミナイド本体５と中間片
４の摩擦溶接が比較的低温で行われ、摩擦溶接時に脆い
ガンマ・チタンアルミナイド本体５に割れが発生しな
い、特にターボ過給機のロータ１用の部材を提供し、こ
の部材の製造方法を提示する。 【構成】 この部材はガンマ・チタンアルミナイドベー
スの合金の本体５、スチール本体２とニッケルベース合
金の中間片４を有する。中間片４を介してガンマ・チタ
ンアルミナイド本体５とスチール本体２を互いに固く連
結されている。この連結は摩擦溶接で行われる。ニッケ
ル合金は 65 重量パーセント以下のニッケル成分を含
む。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、ガンマ・チタンアル
ミナイドをベースとする合金の本体、スチール本体およ
びニッケルをベースとする合金の中間片を有し、前記中
間片を介してガンマ・チタンアルミナイド本体とスチー
ル本体を互いに固く連結し、ガンマ・チタンアルミナイ
ド本体と中間片の間の連結は摩擦溶接で行われる部材に
関する。この発明は上記部材の製造方法にも関する。
【０００２】
【従来の技術】ターボ過給機のロータとして形成される
冒頭に述べた種類の部材とこのロータを作製する方法
は、既に Y. Nishiyama et al., "Development of Tita
nium Aluminide Turbocharger Rotors", High Temperat
ure Aluminides and Intermetalics, Edited by S. H.
Whang et al., The Minerals, Metals & Material Soci
aty, 1990 に開示されている。この公知のロータはガン
マ・チタンアルミナイドのタービンホィールを有する。
このホィールは 70 重量パーセント以上のニッケル含有
量のニッケルベース合金の中間片を介して摩擦溶接によ
りスチールの回転軸に連結している。このようなロータ
はガンマ・チタンアルミナイドによって定まる剪断強度
の点で優れている。何故なら、ニッケルベースの合金が
緩衝材として働き、ガンマ・チタンアルミナイドとスチ
ールを摩擦溶接する時に生じる脆い部分がガンマ・チタ
ンアルミナイド本体と中間片の連結個所で連続的な拡散
層を形成して除去されるからである。ニッケルベースの
高濃度合金は比較的高温にある溶融範囲を有する。摩擦
溶接で生じる拡散過程が働くために、この合金ではかな
り多くのエネルギが必要になる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】この発明の課題は、機
械的強度が大きいにもかかわらず容易に製造できる冒頭
に述べた種類の部材をを提供することにあり、同時にこ
の部材を低経費で作製できる方法を提供することにあ
る。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記の課題は、この発明
により、ガンマ・チタンアルミナイドをベースとする合
金の本体５、スチール本体２およびニッケルをベースと
する合金の中間片４を有し、前記中間片４を介してガン
マ・チタンアルミナイド本体５とスチール本体２を互い
に固く連結し、ガンマ・チタンアルミナイド本体５と中
間片４の間の連結は摩擦溶接で行われ、ニッケルベース
合金は 65 重量パーセント以下のニッケル成分を有し、
3 〜 7重量パーセントのニオブを含む部材によって解決
されている。
【０００５】更に、上記の課題は、この発明により、摩
擦溶接で、先ずガンマ・チタンアルミナイド本体５と中
間片４とを第一限界値以下の摩擦圧力で互いに捩じり、
次いで相対的に静止した状態でガンマ・チタンアルミナ
イド本体５と中間片４を第一限界値より高い第二限界値
以下の圧縮圧力で溶接して、少なくともチタンとアルミ
ニウムを含む拡散層７を形成する上に述べた部材を作製
する方法によって解決されている。
【０００６】この発明による他の有利な構成は、特許請
求の範囲の従属請求項に記載されている。
【０００７】
【実施例】以下では、添付図面を参照してこの発明をよ
り詳しく説明する。図１で参照符号１はターボ過給機の
回転軸として使用される円筒状のスチール本体２を有す
るターボ過給機のロータを示す。前記スチール本体の一
端は、例えばアルミニム合金から成る圧縮ホィール３を
担持し、他端は中間片４を介してガンマ・チタンアルミ
ナイド本体５に固定連結している。このガンマ・チタン
アルミナイド本体５は、燃焼装置の排気ガスを排出する
ターボ過給機のタービン・ホィール６の少なくとも一部
である。参照符号７は拡散層を示し、この層は中間片４
とガンマ・チタンアルミナイド本体５の間に固い接続を
与える。
【０００８】スチール本体２は、例えば 200 mm の長さ
と、例えば 45 mmの直径を有する。このスチール本体２
は、低濃度合金のスチール、例えば約 0.4重量パーセン
トの炭素成分と約 1重量パーセントのクロム成分および
比較的低濃度のモリブデン成分を有する調質鋼で構成で
きる。
【０００９】中間片４は、スチール本体２に合わせた、
例えば同じように 45 mmの直径と、スチール本体２およ
びガンマ・チタンアルミナイド本体５の間に緩衝作用を
与えるのに望ましい、例えば 10 〜 30 mmの厚さの円板
として形成され、ニッケル成分が 65 重量パーセント以
下のニッケルベース合金で構成されている。このようは
合金はスチール本体２にもガンマ・チタンアルミナイド
本体５にも摩擦溶接で連結でき、ターボ過給機を運転し
ている間に高い機械的および熱負荷が加わっても溶接個
所の割れや、ロータ１の脆性破壊が、特にスチールとニ
ッケルベース合金に比べて比較的脆いガンマ・チタンア
ルミナイド本体５のところで生じる恐れがない。鉄成分
が 10 〜30, 好ましくは 15 〜 25 重量パーセントのニ
ッケルベース合金が特に好ましい。この合金は、機械特
性が良好な場合、更に低温で溶接するのに特に好ましい
比較的低い溶融期間を有する。 3〜 7重量パーセントの
ニオブ成分によって、溶接個所の機械特性が更に上昇す
る。特に次の組成のニッケルベース合金がが有利であ
る。
【００１０】18 〜 20 重量パーセントのクロム、 18 〜 22 重量パーセントの鉄、 2 〜 4 重量パーセントのモリブデン、 4 〜 6 重量パーセントのニオブ、 1 重量パーセント以下のアルミニウム、 2 重量パーセント以下のチタン、 0.4 重量パーセント以下のシリコン、 0.4 重量パーセント以下のマンガン、 0.05 重量パーセント以下の炭素、 除去不能な残留不純物とニッケル。
【００１１】この種の合金は、例えば INCO 社の商号 I
NCONEL 718で代表されるニッケルベース合金である。ガ
ンマ・チタンアルミナイド本体５は中間片４に合わせ
た、例えば同じように直径 45 mmの円筒状の継ぎ足し部
分８を有し、添加されたガンマ・チタンアルミナイドの
ベースで金属間化合物によって形成される。この場合、
好ましくは添加物として特に硼素あるいは珪素および更
に少なくとも一つの金属添加物、特にクロム、ハフニウ
ム、マンガン、モリブデン、ニオブ、タンタル、バナジ
ウムおよび／またはタングステンのような添加物であ
る。特に良好な機械特性はアルミニウム成分が約 28 〜
33 重量パーセント、タングステン成分が 5〜 15 重量
パーセント、珪素成分が 0.3〜 3重量パーセントで、避
けがたい残留不純物とチタンを有するガンマチタンアミ
ナイドで達成される。
【００１２】ロータ１は以下のように個々の部品から作
製される。即ち、先ず、中間片４をルーチン作業で行わ
れる摩擦溶接でスチール本体２に連結する。次いで、ガ
ンマ・チタンアルミナイド本体５を中間片４とスチール
本体２で形成される本体と連結する。この場合、ガンマ
・チタンアルミナイド本体５と中間片４がスチール本体
２とガンマ・チタンアルミナイド本体５の共通回転軸の
方向に平らに重なりことに注意する必要がある。スチー
ル本体２に溶接した中間片４とガンマ・チタンアルミナ
イド本体５の配合方向に応じて、中間片４とガンマ・チ
タンアルミナイド本体５である両方の部品は摩擦溶接に
よって互いに固く連結される。これには、スチール本体
２、つまり中間片４とガンマ・チタンアルミナイド本体
５とを摩擦溶接機械の上で、例えば毎分 500回の回転数
で、所定の第一限界値を越えない摩擦圧力の下で互いに
捩じる。この場合、次の溶接過程に十分なエネルギが溶
接個所に導入される。次いで、ガンマ・チタンアルミナ
イド本体５と中間片４は互いに相対的に静止してい場
合、第一限界値より大きい第二限界値を越えない耐圧で
溶接して、拡散層７を形成する。この拡散層７は主にガ
ンマ・チタンアルミナイド本体５の上に載っている中間
片４の側部に 100μm の厚さで形成され、特にチタンと
アルミニウムを有するが、更にガンマ・チタンアルミナ
イド本体５に含まれる付加的な添加物も含む。この場
合、中間片４が比較的低い溶融材料であるためかなり短
時間後に、しかもかなり脆いガンマ・チタンアルミナイ
ド本体５に対する条件が思いやりのある場合、摩擦溶接
が行われることは特に有利である。
【００１３】摩擦過程の時間、回転速度および摩擦圧力
を適当に設定し、しかも溶接過程で耐圧を適当に設計し
て、ガンマ・チタンアルミナイド本体５の脆性と割れ形
成が排除される。比較的急激な仕上げ時間での特に好ま
しい結果は、摩擦過程の間の摩擦圧力が約 200 N/mm 2
と本体が静止している時、溶接過程での耐圧は約 300N/
mm 2 になる。
【００１４】ガンマ・チタンアルミナイド本体５と中間
片４を捩じる間に溶接過程の摩擦圧力を順次階段的に第
一限界値まで高めると良いことが特に実証されている。
何故なら、その時、特に材料の優しい溶接が可能である
からである。この場合、摩擦圧は第一段階で 150 N/mm
2 までになった。
【００１５】摩擦時間は第一段階で高々 60 秒、好まし
くは 40 秒であった。全体の摩擦時間は高々 120秒、好
ましくは 60 〜 80 秒であった。摩擦溶接されたロータ
１を仕上がり後、毎時約 150℃の速度で約 600℃まで加
熱し、この温度で数時間保持し、その後、毎時約 50 ℃
の速度で冷却した。こうして、摩擦溶接でスチール本体
2 に生じ、脆くなる応力状態が排除された。
【００１６】このように構成され、このように作製され
た部材の引張試験により求めた強度値は室温の場合主に
約 500 MPaでんなり、その場合、破壊は拡散層７にもガ
ンマ・チタンアルミナイド本体５にも生じなかった。こ
の高い強度値は、特にターボ過給機のロータとして使用
されるような、この発明による部材の無数の応用にとっ
て十分である。
【００１７】
【発明の効果】以上、説明したように、この発明による
部材は、室温でも 700℃までの温度でも機械的強度が高
い点で優れている。これは中間片の材料を適当に選んだ
ためである。ニッケルの成分をかなり低くすると、ガン
マ・チタンアルミニウムと中間片との摩擦溶接が比較的
低温で行われるので、摩擦溶接時に脆くなりやすいガン
マ・チタンアルミニウム本体に割れが生じる危険が大幅
に排除される。低温の摩擦溶接に有利な比較的多く鉄成
分を含む中間片が好ましい。この発明による部材を製造
するこの発明による方法は、比較的エネルギ需要が少な
く、この方法を実行する場合に使用するプロセスパラメ
ータに大きな変動があっても脆性のない部材を提供でき
る点で優れている。それ故、この発明による方法は大量
生産に特に適している。
【図面の簡単な説明】
【図１】ターボ過給機のロータとして形成されているこ
の発明による部材の縦断面図である。
【符号の説明】
１ ロータ ２ スチール本体 ３ 圧縮ホィール ４ 中間片 ５ ガンマ・チタンアルミナイド本体 ６ タービン・ホィール ７ 拡散層 ８ 継ぎ足し部
フロントページの続き (72)発明者 マルクス・シユタウブリ スイス国、ドッテイコン、ハウスハルデ、 ９ (72)発明者 モハメド・ヨット・ナズミ スイス国、フィスリスバッハ、ツェルグリ シユトラーセ、30

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ガンマ・チタンアルミナイドをベースと
    する合金の本体（５）、スチール本体（２）およびニッ
    ケルをベースとする合金の中間片（４）を有し、前記中
    間片（４）を介してガンマ・チタンアルミナイド本体
    （５）とスチール本体（２）を互いに固く連結し、ガン
    マ・チタンアルミナイド本体（５）と中間片（４）の間
    の連結は摩擦溶接で行われる部材において、ニッケルベ
    ース合金は 65 重量パーセント以下のニッケル成分を有
    し、3 〜 7重量パーセントのニオブを含むことを特徴と
    する部材。
  2. 【請求項２】 前記ニッケルベース合金は 10 〜 30 重
    量パーセントの鉄を含むことを特徴とする請求項１に記
    載の部材。
  3. 【請求項３】 前記ニッケルベース合金は 15 〜 25 重
    量パーセントの鉄を含むことを特徴とする請求項２に記
    載の部材。
  4. 【請求項４】 前記ニッケルベース合金は 18 〜 20 重量パーセントのクロム、 18 〜 22 重量パーセントの鉄、 2 〜 4 重量パーセントのモリブデン、 4 〜 6 重量パーセントのニオブ、 1 重量パーセント以下のアルミニウム、 2 重量パーセント以下のチタン、 0.4 重量パーセント以下のシリコン、 0.4 重量パーセント以下のマンガン、 0.05 重量パーセント以下の炭素、 残留物として除去不能な不純物とニッケル、 を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に
    記載の部材。
  5. 【請求項５】 中間片はガンマ・チタンアルミナイド本
    体とスチール本体との間に約 10 〜 30 mmの間隔を設け
    ることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載
    の部材。
  6. 【請求項６】 ターボ過給機のロータ（１）の部材はタ
    ービンホィールとして形成されたガンマ・チタンアルミ
    ナイド本体（５）と回転軸として形成されたスチール本
    体（２）を有することを特徴とする請求項１〜５のいず
    れか１項に記載の部材。
  7. 【請求項７】 摩擦溶接で、先ずガンマ・チタンアルミ
    ナイド本体（５）と中間片（４）とを第一限界値以下の
    摩擦圧力で互いに捩じり、次いで相対的に静止した状態
    でガンマ・チタンアルミナイド本体（５）と中間片
    （４）を第一限界値より高い第二限界値以下の圧縮圧力
    で溶接して、少なくともチタンとアルミニウムを含む拡
    散層（７）を形成することを特徴とする請求項１の部材
    を作製する方法。
  8. 【請求項８】 ガンマ・チタンアルミナイド本体（５）
    と中間片（４）を捩じる間の摩擦圧力を順次段階的に第
    一限界値まで高めることを特徴とする請求項７に記載の
    方法。
  9. 【請求項９】 摩擦圧力は第一段階で 150 N/mm 2 とな
    ることを特徴とする請求項８に記載の方法。
  10. 【請求項１０】 摩擦時間は第一段階で高々 60 秒で全
    体の摩擦時間は高々120秒であることを特徴とする請求
    項９に記載の方法。
  11. 【請求項１１】 第一限界値は約 200 N/mm 2 で、第二
    限界値は約 300 N/mm 2 であることを特徴とする請求項
    ７〜１０のいずれか１項に記載の方法。
  12. 【請求項１２】 スチール本体（２）と中間片（４）の
    間の連結はガンマ・チタンアルミナイド本体（５）と中
    間片（４）を摩擦溶接する前に摩擦溶接によって行われ
    ることを特徴とする請求項７〜１１のいずれか１項に記
    載の方法。
  13. 【請求項１３】 前記部材は約 600℃に加熱され、数時
    間この温度に保持されることを特徴とする請求項１２に
    記載の方法。
JP24531893A 1992-10-02 1993-09-30 構造部品およびこの構造部品を作製する方法 Expired - Lifetime JP3355586B2 (ja)

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