JPH06272508A

JPH06272508A - 複合セラミックス製ガスタービン動翼及びその製造方法

Info

Publication number: JPH06272508A
Application number: JP5055898A
Authority: JP
Inventors: Mitsuru Hattori; 満服部
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1993-03-16
Filing date: 1993-03-16
Publication date: 1994-09-27
Anticipated expiration: 2014-03-03
Also published as: JP2863401B2

Abstract

(57)【要約】【構成】必要特性の違いにより区分した複合体セラミ
ックス製ガスタービン動翼の複数の部位１、２を、各部
位毎にそれぞれの必要特性に適合する材料特性を有する
セラミック材料を用いて別個に成形し、得られた各部位
の成形体を組み合わせ、静水圧等方加圧により接合して
一体化した後、焼成する。【効果】高温下で高速回転するなど使用条件が極めて
厳しく、各部位毎に異なる材料特性が高いレベルで要求
されるセラミックガスタービンの動翼として極めて有用
である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、複合セラミックス製ガ
スタービン動翼及びその製造方法に関し、より詳しく
は、１０００℃以上の高温下で、強度特性、耐酸化特
性、耐腐食特性、耐ＦＯＤ特性等、種々の材料特性を高
いレベルで必要とされるセラミックスガスタービンの動
翼として有用な複合セラミックス製ガスタービン動翼及
びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】炭化珪素、窒化珪素、ジルコニアなどの
セラミック材料は高耐熱性、高耐摩耗性、高硬度、高耐
腐食性等の優れた特性を有しているため、その特性を利
用した機械部品等の構造部材の研究開発が盛んに行われ
ている。このようなセラミック構造部材は、セラミック
スの相次ぐ改良や、設計の適正化などによって、その適
用範囲を広げつつある。そして、従来、セラミック構造
部材の作製に当たっては、その構造部材の必要特性に見
合った単独のセラミック部材を選定して用いるのが通例
である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、セラミック
スを、特にガスタービンに代表される極めて厳しい環境
下で使用される機械の構造部材として用いる場合、構造
部材の各部位で異なった特性が高度なレベルで必要とさ
れることがある。例えば、セラミックス製ガスタービン
動翼の場合、翼部は燃焼ガスに直接曝される部分であ
り、耐熱性、耐酸化性、耐熱衝撃性とともに燃焼ガス流
中に含まれる異物の影響による先端部分のチッピングを
防ぐため耐ＦＯＤ特性が必要とされ、一方、翼根部（タ
ブテール部）においては、回転による大きな遠心力が作
用するため、高い初期強度が必要とされる。

【０００４】しかしながら、現在のセラミック材料で
は、このような必要特性の個々については満足するもの
の、全ての項目について高度なレベルで満足させるよう
な材料は無いのが実状である。すなわち、炭化珪素は耐
熱性、耐酸化性、耐食性、耐磨耗性に優れるが強度がや
や低く、窒化珪素は高強度ではあるが高温での耐食性等
は炭化珪素に比してやや劣る、といったように、セラミ
ック材料にもそれぞれに長所・短所があり、したがって
単独のセラミック材料からなる従来のセラミック構造部
材では、上記のように各部位毎に異なる特性がしかも高
度なレベルで必要とされるような機械部品への適用は困
難であった。

【０００５】ガスタービン動翼の作製において、上記し
た翼部の必要特性と翼根部の必要特性との中間の特性を
有する単独のセラミック材料を用いて動翼全体を作製し
た場合、いずれの必要特性も十分に満足し得ないものと
なり、特に、翼先端部分のチッピングの発生や、ガスタ
ービン緊急停止時に発生する過大な熱応力による破壊等
が問題となる。

【０００６】本発明は、このような従来技術の問題点を
解決して、各部位毎に要求される種々の異なった特性
を、それぞれ高度なレベルで満足させるセラミックス製
ガスタービン動翼を提供し、セラミックガスタービンの
実現に大きく寄与することをその目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明によれば、必要特性の異なる複数の部位を一
体化してなる複合セラミックス製ガスタービン動翼であ
って、各部位が、それぞれその必要特性に応じて選定さ
れた材料特性の異なるセラミック材料からなることを特
徴とする複合セラミックス製ガスタービン動翼が提供さ
れる。

【０００８】また、本発明によれば、上記のような複合
セラミックス製ガスタービン動翼の第一の製造方法とし
て、必要特性の違いにより区分した複合セラミックス製
ガスタービン動翼の複数の部位を、各部位毎にそれぞれ
の必要特性に適合する材料特性を有するセラミック材料
を用いて別個に成形し、得られた各部位の成形体を組み
合わせ、静水圧等方加圧により接合して一体化した後、
焼成することを特徴とする複合セラミックス製ガスター
ビン動翼の製造方法が提供される。

【０００９】更に、第二の製造方法として、複合セラミ
ックス製ガスタービン動翼の全体形状を与える金型内
に、必要特性の違いにより区分した複数の部位を、金型
内の射出方向最遠部に形成される部位から順に、その部
位の必要特性に適合する材料特性を有するセラミック材
料を材料の種類毎に用意した複数の射出用シリンダーを
用いて順次射出し充填させることにより形成して、各部
位が一体化した成形体を得、これを焼成することを特徴
とする複合セラミックス製ガスタービン動翼の製造方法
が提供される。

【００１０】なお、本発明の複合セラミックス製ガスタ
ービン動翼において、「材料特性の異なる」とは、例え
ば窒化珪素と炭化珪素のように主構成物質の違いによっ
て材料特性の異なる場合のほか、主構成物質は同じであ
るが原料、焼結助剤、製造プロセス等の違いによって材
料特性の異なる場合も含む。

【００１１】また、本発明の複合セラミックス製ガスタ
ービン動翼は、すべての部位が材料特性の異なるセラミ
ック材料からなる必要はなく、例えば３つの部位からな
る複合セラミックス製ガスタービン動翼の場合、中間に
材料特性の異なるセラミック材料からなる部位を挟ん
で、両端の部位が同じ材料特性のセラミック材料からな
るような構成をとってもよい。本発明において肝要なの
は、それぞれの部位がその必要特性を満足するような材
料特性を有するセラミック材料からなることである。

【００１２】

【作用】本発明は上記のように構成され、セラミックス
製ガスタービン動翼の各部位をそれぞれに必要とされる
特性を満足するようなセラミック材料を用いて成形し一
体化することにより、各部位毎に要求される種々の異な
った特性を、それぞれ高度なレベルで満足させるセラミ
ックス製ガスタービン動翼が得られる。

【００１３】次に、本発明の複合セラミックス製ガスタ
ービン動翼の第一の製造方法について説明する。まず、
必要特性の違いにより区分した複合セラミックス製ガス
タービン動翼の各部位を、それぞれの必要特性に応じて
選定されたセラミック材料を用いて別個に形成する。各
部位の成形体は、プレス成形、射出成形、鋳込み成形等
のいずれの成形方法で成形されてもかまわない。次い
で、得られた各部位の成形体をバインダー仮焼し、接合
面を相互に馴染む形状となるように加工した後組み合わ
せ、静水圧等方加圧（ＣＩＰ）接合により一体化する。
一体化した成形体を仮焼・焼成し、仕上げとして機械加
工を施して最終製品を得る。なお、ＣＩＰ接合時の収縮
率、及び焼成収縮率は、高度に制御する必要がある。

【００１４】図１は、この製造方法によって翼部１と翼
根部２との２つの部位からなるセラミック製ガスタービ
ン動翼を製造する例を示したものであり、翼部１と翼根
部２をそれぞれの必要特性を満足するセラミック材料を
用いて別個に成形し、ＣＩＰ接合に供している。

【００１５】次いで、本発明の複合セラミックス製ガス
タービン動翼の第二の製造方法について説明する。ま
ず、複数種類の材料を射出成形できるよう、使用する材
料の種類に見合った数の射出用シリンダーを準備する。
そして、複合セラミックス製ガスタービン動翼の各部位
に必要な特性を満足する材料を、金型内の射出用シリン
ダーから最も離れた部分に形成される部位から順に、射
出用シリンダーを交換しつつ順次射出し充填することに
より、各部位が一体化した成形体を得る。この一体化し
た成形体を脱脂後、焼成し、仕上げとして機械加工を施
して最終製品を得る。なお、この方法においても焼成収
縮率は、高度に制御する必要がある。

【００１６】この製造方法により、図２に示すような翼
部１と翼根部２との２つの部位からなるセラミックス製
ガスタービン動翼を製造する場合、翼根部方向から射出
成形を行うときは（図２中、矢印は射出方向を示す）、
翼部１に相当する材料を先に金型内に充填し、次に翼根
部２に相当する材料を充填することにより、翼部１と翼
根部２が一体化した成形体が得られる。

【００１７】本発明では、上述したいずれの方法により
製造する場合であっても、特に材料の限定は行わない
が、複合セラミックス製ガスタービン動翼各部位の必要
特性を、その使用環境により明確化し、それら各部位の
必要特性を満足する最適材料を選定した上で製造を行う
ことが重要である。

【００１８】次に、セラミック材料選定の例を説明す
る。図１又は図２に示すような翼部１と翼根部２との２
つの部位からなるセラミックス製ガスタービン動翼を製
造する場合、翼部１については初期強度はそれほど必要
とされないが、燃焼ガスに直接曝される部分であるの
で、耐熱性、耐酸化特性、熱衝撃特性に優れたセラミッ
ク材料を選定する。一方、翼根部２は回転による大きな
遠心力が作用するので、高い初期強度を有するセラミッ
ク材料を選定する。ただし、温度条件としては、翼部１
と比較して低いレベルにあり（翼部温度に対し約２００
〜３００℃低い）、耐熱性、耐酸化特性、耐熱衝撃性は
翼部１ほどシビアに要求されない。

【００１９】表１に、セラミックス製ガスタービン動翼
を構成する翼部と翼根部の必要特性を満たすセラミック
材料の材料特性を具体的に例示する。なお、表中の各項
目を翼部又は翼根部との関係で説明すると以下のように
なる。

【００２０】破壊靭性値（耐ＦＯＤ特性）：本特性は
異物等の飛び込みに対する、材料の耐久性を示すパラメ
ータの１つである。セラミック材料は金属材料と異なり
脆性材料であり、衝撃力に対する耐久性に弱点があり、
構造材として使用する上で一つのネックとなっている。
本例に示すガスタービンの動翼の場合、翼部への異物の
飛び込みによるダメージを防止する意味で、高い耐ＦＯ
Ｄ特性が要求される。

【００２１】初期強度：いわゆる材料強度であり、セ
ラミック材料の場合には、JIS-R1601に規定される４点
曲げ試験片による評価が実施される。例えば、本例に示
すガスタービンの動翼の場合、遠心力による過大な応力
が翼根部に作用するため大きな絶対強度が必要とされ
る。

【００２２】酸化増量：本例では、静止大気雰囲気中
での高温領域における酸化劣化の程度を表す１パラメー
ターとして、酸化増量を表記した。非酸化物系セラミッ
クスでは、特にこの酸化特性が長期材料信頼性を確保す
るための重要な一特性であり、本例に示されるガスター
ビンの動翼においては、燃焼ガスに直接曝される翼部で
の酸化増量を抑止する必要がある。

【００２３】耐熱衝撃特性：本特性は材料の急激な温
度変化に対する耐久度を表すパラメーターである。ガス
タービン部品の場合、緊急燃料遮断（シャットオフ）時
に急激な温度変化を呈し、この際の材料の強度信頼性が
必要とされ、本特性が重要な材料特性の１つとなる。ガ
スタービンの動翼の場合には、緊急燃料遮断時に急激な
温度変化に曝される翼部での耐熱衝撃性が特に重要であ
る。

【００２４】静疲労特性：長期信頼性を表す１パラメ
ーターであり、高温下において一定応力を作用させた場
合の耐久性を示し、破壊強度とクリープ変形（永久変
形）の両者で主に議論される。ガスタービンの動翼の場
合、翼部においては燃焼ガスに直接曝されるため、より
高温での静疲労特性が必要とされる。ただし、定常応力
としては比較的低い値で済む。また、翼根部において
は、翼部のように直接燃焼ガスに曝されることはないた
め、翼部と比較して低い温度での耐久性を確保すればよ
いが、遠心力による高い応力が作用するため、高応力で
の静疲労特性が要求される。

【００２５】

【表１】

【００２６】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づき更に詳細に説
明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるもので
はない。

【００２７】（実施例１）図３の製造工程に従い、翼部
と翼根部の２つの部位からなるセラミックス製ガスター
ビン動翼を作製した。前記表１に示したような材料特性
のセラミック材料得るべく、まず翼根部の材料として、
セラミック原料の窒化珪素原料粉末に、焼結助剤として
Ｙ₂Ｏ₃を６mol％添加した後、混合粉砕して平均粒径
０．５〜３μｍとし、次にスプレードライによって平均
粒径３０μｍの粒子を得た。また、翼部の材料として、
セラミック原料の窒化珪素原料粉末に、焼結助剤として
Ｙ₂Ｏ₃を６mol％、更にＳｉＣ盤状粒子をセラミックス
原料の窒化珪素原料粉末１００重量部に対して１０wt％
添加した後、混合粉砕して平均粒径０．５〜３μｍと
し、次にスプレードライによって平均粒径３０μｍの粒
子を得た。

【００２８】得られた２種類の材料を用いて、翼部、翼
根部をそれぞれ一次成形圧２ton／cm²で３０秒間静水圧
等方加圧を行うことにより成形し、図１(ａ)、(ｂ)に示
すような成形体を得た。得られた成形体各々について４
００℃で１時間バインダー仮焼を行った後、接合面の面
精度を出すために湿式白加工を行った。その後、両成形
体の接合面を合わせて、その全表面をラテックスゴムで
被覆し、圧力７ton／cm²で３０秒間静水圧等方加圧を行
って接合一体化し、図１(ｃ)に示すような接合体を得
た。得られた接合体を１５０℃で５時間乾燥した後、ガ
ラスカプセルＨＩＰにより、１０００気圧の下１９００
℃で２時間焼成を行い焼結体を得た。最後に、この焼結
体にダイヤモンド砥石による機械加工を施して表面を仕
上げ、最終製品を得た。

【００２９】（実施例２）図４の製造工程に従い、翼部
と翼根部の２つの部位からなるセラミックス製ガスター
ビン動翼を作製した。翼根部の材料として、セラミック
原料の窒化珪素原料粉末に焼結助剤としてＹ₂Ｏ₃を６mo
l％添加した後、混合粉砕して平均粒径０．５〜３μｍ
とし、次にスプレードライによって平均粒径３０μｍの
粒子を得た後、２．５ton／cm²の圧力で静水圧等方加圧
して造粒した。次いで、造粒物を平均粒径３０μｍに解
砕した後、得られた粉末１００重量部に対し、結合剤と
してエチレン酢酸ビニル３重量部、可塑剤としてパラフ
ィンワックス１５重量部、滑剤としてステアリン酸２重
量部を加えて混練し、押出機により押出してペレット化
した。また、翼部の材料として、セラミック原料の窒化
珪素原料粉末に焼結助剤としてＹ₂Ｏ₃を６mol％、更に
ＳｉＣ盤状粒子をセラミックス原料の窒化珪素原料粉末
１００重量部に対して１０wt％添加した後、混合粉砕し
て平均粒径０．５〜３μｍとし、次にスプレードライに
よって平均粒径３０μｍの粒子を得た後、２．５ton／c
m²の圧力で静水圧等方加圧して造粒した。次いで、造粒
物を平均粒径３０μｍに解砕した後、得られた粉末１０
０重量部に対し、結合剤としてエチレン酢酸ビニル３重
量部、可塑剤としてパラフィンワックス１５重量部、滑
剤としてステアリン酸２重量部を加えて混練し、押出機
により押出してペレット化した。

【００３０】得られた２種類のペレットを各々別個に準
備された２つのシリンダーを有する射出成形機に供し、
先に翼部を形成するための材料を、次いで翼根部を形成
するための材料を、瞬時にシリンダ交換することにより
金型内に充填し、翼部と翼根部が一体化したセラミック
成形体を得た。得られた成形体を４００℃で３時間脱脂
した後、ガラスカプセルＨＩＰにより、１０００気圧の
下１９００℃で２時間焼成を行い焼結体を得た。最後
に、この焼結体ネック部にダイヤモンド砥石による機械
加工を施して表面を仕上げ、最終製品を得た。

【００３１】（評価）実施例１及び２により得られたセ
ラミックス製ガスタービン動翼を用いて、高温雰囲気
（ガス温度１４００℃）中における破壊回転試験を実施
した。なお、比較例として、本実施例の翼部の材料特性
と翼根部の材料特性との中間の特性を有する単独のセラ
ミック材料からなるガスタービン動翼を作製し、同様に
破壊回転試験を実施した。その結果、実施例１及び実施
例２のセラミックス製ガスタービン動翼は、比較例のも
のに対し、破壊回転数が３０％向上していた。また、燃
焼ガス流中に含まれる異物の影響によって、比較例のも
のには翼先端部分にチッピングが発生したが、実施例の
ものは翼部のＦＯＤ特性が改善され、このようなチッピ
ングは皆無であった。更に、比較例のものでは、セラミ
ック部品として問題となる、ガスタービン緊急停止時
（シャットオフ時）に発生する過大な熱応力による破壊
が発生したが、実施例のものでは、この問題が解決さ
れ、破壊が観察されなかった。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
高温下で高速回転するなど使用条件が極めて厳しく、各
部位毎に異なる材料特性が高いレベルで要求されるセラ
ミックガスタービンの動翼として極めて有用な複合セラ
ミックス製ガスタービン動翼が提供される。したがっ
て、本発明はセラミックガスタービンの実現に大いに寄
与するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の製造方法によって製造される複
合セラミックス製ガスタービン動翼の一例を示す斜視説
明図である。

【図２】本発明の第二の製造方法に製造される複合セラ
ミックス製ガスタービン動翼の一例を示す斜視図であ
る。

【図３】複合セラミックス製ガスタービン動翼の製造方
法の一例を示す工程図である。

【図４】複合セラミックス製ガスタービン動翼の製造方
法の他の一例を示す工程図である。

【符号の説明】

１翼部２翼根部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】必要特性の異なる複数の部位を一体化し
てなる複合セラミックス製ガスタービン動翼であって、
各部位が、それぞれその必要特性に応じて選定された材
料特性の異なるセラミック材料からなることを特徴とす
る複合セラミックス製ガスタービン動翼。
【請求項２】必要特性の違いにより区分した複合セラ
ミックス製ガスタービン動翼の複数の部位を、各部位毎
にそれぞれの必要特性に適合する材料特性を有するセラ
ミック材料を用いて別個に成形し、得られた各部位の成
形体を組み合わせ、静水圧等方加圧により接合して一体
化した後、焼成することを特徴とする複合セラミックス
製ガスタービン動翼の製造方法。
【請求項３】複合セラミックス製ガスタービン動翼の
全体形状を与える金型内に、必要特性の違いにより区分
した複数の部位を、金型内の射出方向最遠部に形成され
る部位から順に、その部位の必要特性に適合する材料特
性を有するセラミック材料を材料の種類毎に用意した複
数の射出用シリンダーを用いて順次射出し充填させるこ
とにより形成して、各部位が一体化した成形体を得、こ
れを焼成することを特徴とする複合セラミックス製ガス
タービン動翼の製造方法。