JPS6255498A - セラミツクス製翼車 - 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】 「技術分野」 本発明は１例えば高温ガス用のファン、タービンなどに
好適なセラミックス製大４１ｆに関する。

「従来技術およびその問題点」 従来より、高速で回転するファン、タービンなどの翼車
としては、金属製のものが使用されている。しかし−１
金属製の翼車は、最も優れた耐熱性金属を用いた場合で
あっても、　ｔｏｏｏ’ｃを超えるような高温ガスに適
用することは困難であった。

このため、高温ガスに適用されるファン、タービン、例
えば自動車のターボチャージャーなどにおいては、ＩＩ
Ｉ）ｌ熱性に優れたセラミックス製のものが使用されつ
つある。かかるセラミックス製１東として、インペラー
、ボス、シャフトなどが一体に成形されたものが知られ
ている。

しかしながら、例えば１００　ｍ″／１ｌＩｎ以−ヒの
能力が請求されるファンのように、比較的大型のものを
セラミックスで一体に成形しようとすると、■緻密な組
織が得られず、強度的な信頼性が低下すること、■脱脂
または焼成時に肉厚差の大きい部分にクラックが発生し
やすいこと、■大型の射出成形機が必要となること、な
どの問題点があり、歩留りも悪く、コスト高となる。

また、セラミックスのブロックから削り出すことによっ
て、翼体とディスクとを一体に形成したセラミックスタ
ービンホイールも知られており、ガスタービン自動車仝
゛のロートテストに成功をおさめている（　Ｐｒｏｃｅ
ｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＦｉｒｓｔＩｎｔｅｒｎ
ａｔｉｏｎａｌ　　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ　　ｏｎ　　Ｃ
ｅｒａｍｉｃＣｏｍｐｏｎｅｎｔｓ　　ｆｏｒ　Ｅｎｇ
ｉｎｅ、０ｃｔｏｂｅｒ　　１７−１９．１９８３゜ｐ
ｓ　〜ｐ２０．　　　’０ＶＥＲＶＩＥＷ　　ＯＮ　　
ＴＨＥ　　ＧＥＲＭＡＮ　　ＰＲＯＧＲＡＭＯＮ　　Ｃ
ＥＲＡＭＩＣＧＯＭＰＯＮＥＮＴＳ　　ＦＯＲＶＥ［Ｃ
ＩＪＬＡＲＧＡＳＴＵ、ＲＢＩＮＥＳ″、Ｗ、Ｂｕｎｋ
　　）。

しかしながら、この方法では、比較的大径のセラミック
ス翼車を成形する場合に４材料の無駄が多く、加工工程
で時間がかかり、コスト高になって量産にも不向きであ
る。

このように、大径のセラミックス翼−トを一体で成形す
る実用レベルで満足な方法は、いまだに得られていない
、これに対して、セラミックス翼車を一体に成形せず、
いくつかのパーツに分けて成形した後、組合せる方法が
考えられている。

例えば特開昭５５−７５５０４号には、セラミックスの
ディスク（ハブ部）の外周に所定の間隔で複数の切りｌ
＋Ｉｆｆを設け、セラミックスの大体の脚部をこの切り
溝に嵌め込んで一体に接合した構造が提案さ、れでいる
。この場合、ディスクと゛翼体との接合に際しては、ホ
ットプレス、熱間等圧プレス、スリップ鋳造、１耐火セ
メントなどの手段が用いられている。

しかしながら、この構造においては、ディスクのすＪり
溝と大体の脚部とが機械的に係合するものではないので
（特開昭５５−７５５０４号の図面参照）、遠心力によ
りディスクと大体との接合部に引張り力が作用すると、
天体がディスクから分離してしまう虞れがあり、充分な
強度を保持させることが困難であった。

「発明の目的」 本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解決し、比較
的簡単な構造で、充分な強度を有し、信頼性と寿命に優
れ、しかも低コストで製造できるようにしたセラミック
ス製翼車を提供することにある。

「発明の構成」 本発明によるセラミックス製翼車は、ダブテイル状の基
部を有するセラミックス製の複数の大体と、これらの大
体の基部が適合する？Ｓｆｒの一僑が外周に形成された
セラミックス製のディスクとを顧え、前記翼体の基部が
１ｒｉ記デイスクの溝に嵌合し、１耐熱性接着剤で固着
されていることを特徴とする。

このように、本発明では、翼体のノ、（部がダブテイル
状をなし、ディスクの溝が−１−記基部に適合する形状
とされているので、翼体の基部をディスクのｌ＋■に嵌
合したとき、遠心力による引張り力に対して、天体の基
部がディスクの溝に係合して機械構造的に抜け１にめが
なされる。したがって、翼体の基部をディスクの溝に嵌
合して１耐熱性接７１剤で固着するだけで、充分な強度
が保持され、信頼性および寿命を向上させることかで５
る。また、大体およびディスクは常圧焼結体でもさしつ
かえなく、ホットプレス等の必要がないので低コストで
製造することができる。

なお、本発明において、タブテイル状とは、大体の、１
１（端に向けて末広がりの形状を、・１味する。したが
って、天体の７．ｌｉ部をこれに適合するように形成さ
れ−たディスクの溝に嵌合したとき、遠心力による引張
り力に対して、末広がりの部分が溝に係合することにな
る。

本発明の々ｌましい態様においては、前記翼体の基端面
と、前記ディスクの）１■の底部との間に喫が挿入され
ている。

このように便を用いることの第一の利点は、ディスクに
対して所定の位置に大体を固定できることである。大体
の基部とディスクの溝とは相ｒ「に嵌合する形状である
とはいえ、−・定のクリアランスを確保して形成されて
いる。この両者間に接着層を形成しうるペーストを介在
させ、ついでこれを熱処理することにより、両者が１耐
熱性の接着剤層で固着されることになるのであるが、こ
うしたペーストは熱処理＋ｉｉｆにはまだ流動＋１、ｉ
ｔ）塑性を残しており、固着力も充分でないことが多い
。したがって熱処理１１１１の段階では、クリアランス
によるガタの分だけディスクに対して大体がその白・玉
によって東れ下がることとなる。ディスクに放射状に複
数の翼体をとりつける場合を例にとれば、ディスクの軸
町も、直な而１−に複数の翼体が位置すべきであるとこ
ろが、傘状の面１−に位置してしまう、このまま熱処理
すれば、不適正な位置のまま固着されて不都合である。

しかるに僕を用いると、ガタがなくなり、ｊ９１ｆｆ！
の位置関係を保持したままディスクに大体を固着できる
こととなる。

楔を用いる第二の利点は接着を均一にし、接着強度を向
ｌ；させ、かつ、その信頼性も高まることである。後述
するガラス接着剤について確認したところ、接着剤厚み
と接１１強度およびそのバラツキについて、次のような
関係が見いだされた。

接着剤厚み　平均接着強度　標準偏差 １００μ　　　　　　２０．１ｋｇ／ａｓ’　　　　１
．５ｋｇ／−■２２００ｐＬ１７．．３ｋｇ／ｍｍ？　
　＋’、７ｋｇ／ａｓ’３００終　　　　　　１Ｇ、５
ｋｇ／ａｍ’　　　　２．５ｋｇ／ａｓ’これによれば
接着剤厚みがドルいほど、接着強度も、その信頼性も向
１−することがわかる。このような関係は他の耐熱性接
着剤についても適用されると考えられる。しかして、模
によって大体のノ、一部がディスクのｒ】径方向外方に
押圧され、ダブティル状をなす大体のノ、一部の、ψ１
部がディスクの１１ηの斜面に密ｒｉシ、あらかじめ塗
ＩｅｔされたＩＩ）を熱性の接ｒ１剤がｆｌい接ｌｉ層
を形成し１強固な接着とそのイ、１頼性向」二がなされ
ることになる。さらに接Ｉｉ剤用ペーストをあらかじめ
Ｑ　Ｊ　Ｌ、たのも嵌合せしめるにせよ、嵌合せしめた
のち同ペーストを所定部位に充填するにせよ、各部に均
・にほどこすことは一般には容易ではないことも多い、
しかるに僕を用いて押圧することにより、当初はペース
ト１−：が不均一・であったとしてもこれが流動せしめ
られて、所ｑ！部位における接着剤厚みを実質的に均・
にでき、結果として、さらに接着強度およびその信頼性
の向上に益する。

なお、ｔｌ！は、耐熱性の接着剤に埋設されることがよ
り好ましい。

「発明の実施例」 第１図および第２図には、未発ＩＪＩによるセラミック
ス製翼車の一実施例が示されている。このセラミックス
製翼車１１は、複数枚（この実施例の場合６枚）の天体
１２と、これらの大体１２を支持する円盤状のディスク
１３と、この円盤状１°のディスク１３の中心部に連結
された回転軸１４とからなっている。大体Ｉ２）ディス
ク１３および回転軸１４は、いずれもセラミックスから
なっている。セラミックスとしては、例えば緻密質な炭
化珪素、窒化珪素の焼結体など、高強度なものが採用さ
れる。この場合、セラミックスは、常圧焼結したもので
充分である。なお、χ体１２）ディスク１３および回転
軸１４は、熱膨張係数を同じにするため、全て同じ材質
とすることが好ましい。

特に、第２図に示すように、天体１２は、そのノ、（部
１２ａがダブテイル状をなし、ディスク１３の外周の複
数箇所（この実施例の場合６箇所）には、−１−記基部
＋２ａが適合する蟻溝状の溝！３ａが形成されている。

そして、大体１２の）、Ｉｉ　部１２ａは、ディスク１
３の溝１３ａに嵌合され、Ｉ耐熱性接着剤１５を介して
固着されている。耐熱性接着剤１５としては、セラミッ
クス接着剤が好ましく、特に、マグネシア−シリカ−イ
ツトリア系、アルミナ−シリカ−イツトリア系、窒化ア
ルミニウム−シリカ−イツトリア系等のガラス接着剤が
＆ｆましい、すなわち、こ′ニ、；れらのガラス原料粉
末を有機Ｇ（１ｔｉｉなどの結合剤と混合して適度な粘
性をもつペーストを調整し、このペーストをあらかじめ
）＋（ＶｊＫ　１２　ａと溝＋３ａとの接合面に塗４ｓ
　しておけばよい、そして、′Ａ体１２およびディスク
１３を組付けた後、　１５００℃以ｌ―の炉に入れて加
熱することにより、」、記カラスＩ！：（ネ１粉末が溶
融する。この溶融カラスは、高強度のセラミ−。

クスに対してよく濡れるので、温度がドつた状ｙ！１で
は、翼体１２の）＋’ｓ　Ｋｅｒ　ｌ　２ａ　とディス
ク１３のｌ、＄５１３ａ　とに接１；シ、強力な接着剤
となる。なお、加熱処理中、ディスク１３とχ体１２と
は所定の治几に載置・保持されているとよい。

なお、ディスク１３の中心部にはボス＋３ｂが形成され
１回転軸１４の先端部は筒状をなし１回転軸１４の先端
部がポス１３ｂに嵌め込まれて、」；記と同様な耐熱性
接着剤によって固着されている。

」二足の構成において　Ｑ　−＋ｌｊ　ｌ　ｌが高速で
回転すると、χ体１２の遠心力により、大体１２とディ
スク１３との接合面に引張り力が作用する。しかし、タ
プテイル′−状に形成された大体１２の基部＋２ａと、
蟻溝状に形成されたディスク１３の溝＋３ａとが係合し
ているので、上記引張り力に対して強い強１＾が１１１
られる。したがって、信ゼ１性およびスミ命を向１．さ
せることができる。

なお、大体１２のノ、（部１２ａの形状およびディスク
１３の溝１３ａの形状は、大体１２が遠心力に対して抜
けないような形状をなしていればよく１例えば第３図に
示すような形状とすることもできる。

第４図および第５図には、未発１１によるセラミックス
製翼車の他の実施例が示されている。このセラミックス
製翼車１１では、大体１２の）＾部１２ａの端面と、デ
ィスク１３の溝１３ａの底部との間に楔１６が挿入され
ている。そして、ノ、（部１２ａ　、溝＋３ａおよび模
１６の間隙に、前記と同様なｔ＃Ｊ熱性接着剤１５が充
填されて固着されている。なお、４９１８は文体１２お
よびディスク１３と同様なセラミックスからなる。また
、楔１６は、ｔＩｖＩＩ３ａ内に、七のまま接着剤１５
によってＪ’Ｐ　、４Ｑされている。

このセラミックス製大−１ｊ　Ｉ　１では、僕！６によ
って大体！２（７）ノ＋ｋ　ｒ？ｌ！　ｌ　２ａ　、’
り−’Ｉディスク１３（７）１１η１３ａ　ノ内壁に圧
接される。このため、Ｊｔｉｌｉ剤！５は例えば　ｌ０
０１Ｌ４１．１度あるいはそれ以ドのｔ：しい接着層を
容易に形成し、強力な接７１′力が得られる。したがっ
て、前述した実施例よりもさらに優れた接合強電が得ら
れる。また加熱処理においては格別の治ＪＬを必ずしも
安しない。

「発明の効果」 以１−説用したように１本発１５１によれば、大体のノ
、（部がダブテイ形状に形成され、ディスクの外周に１
−記）、（部が適合する１１４が形成され、大体の基部
がディスクの溝に嵌合して耐熱性接着剤で固着されてい
るので、遠心力による引張り力に対して優れた強度が得
られる。したがって、信頼性および寿命を向ヒさせるこ
とができる。また、各構成部品は、セラミックスの常圧
焼鳥一体でよく、ホットプレスπの必要がないので、低
コストで９Ａ造することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は未発り１の一実施例によるセラミ−／クス製完
車の一部！／Ｊり欠き側断面図、：ｊＳ’図は同セラミ
−、クス製′Ａ＋１（の正面図、第３図は未発１５１の
他の実施例によるセラミックス製完ｉ１の部分１［面図
。 第４図は本発明のさらに他の実施例によるセラミックス
製翼車の部分側断面図、ｆｊ５５図は同セラミックス製
大車の部分ｄ−面図である。 図中、１１はセラミックス製χ！１．１２は大体。 ＋２ａは）：Ｍｆｆｉ、Ｉ３はディスク、１３ａは溝、
１５はＩＩＩｊｔ　ＺＡ性接接着１１６は僕である。 ）、−４−、”−１！ ７２図 第３回　　　寒５１Σ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ダブテイル状の基部を有するセラミックス製の複
   数の翼体と、これらの翼体の基部が適合する複数の溝が
   外周に形成されたセラミックス製のディスクとを備え、
   前記翼体の基部が前記ディスクの溝に嵌合し、耐熱性接
   着剤で固着されていることを特徴とするセラミックス製
   翼車。
2. （２）特許請求の範囲第１項において、前記翼体の基端
   面と、前記ディスクの溝の底部との間に楔が挿入されて
   いるセラミックス製翼車。