JPH0652047B2 - 過給機用タービンロータの製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は排気ガスタービン過給機用のタービンロータ
の製造方法に関するものであって、特に応答性と信頼性
との改善されたタービンロータを製造することが可能な
過給機用タービンロータの製造方法に係る。

（従来の技術） 過給機用タービンロータは、耐熱性、特に高温下での強
度が要求されるために、従来はNi系合金（例えばInco 7
13C ）等の耐熱合金を素材として製造されている。

ところで近年、上記過給機用タービンロータの耐熱性を
向上すると共に、軽量化し、エンジンの低速域での応答
性を向上するために、セラミックを素材としてタービン
ロータを製作する試みがなされている。このような過給
機用タービンロータとしては、例えば日本工業新聞社発
行、「日工マテリアル第２巻第２号（昭和59年２月）の
第10〜13頁に記載されたタービンロータを挙げることが
できる。このタービンロータは、その全体又はタービン
羽根車が窒化珪素や炭化珪素等のセラミックによって形
成されたものである。そしてこのようにセラミックを採
用することにより、軽量化及び慣性モーメントの減少を
図ることが可能となり、そのためエンジンの低速域での
応答性の改善、加速時間の短縮、エンジン性能の改善等
を図ることが可能となる。

（発明が解決しようとする問題点） ところで上記のようなセラミックを素材とするタービン
ロータにおいては、上記のように耐熱性の改善と軽量化
とを図ることが可能ではあるが、その反面次のような欠
点がある。まずその第１は、セラミックは不純物を多く
含み内部欠陥が多く、また欠陥バラツキが一定しておら
ず、さらに靱性に乏しいという品質上の欠点である。ま
たその第２は、セラミックは熱膨張率が小さいため周囲
の金属との熱膨張バランスがとりにくいという構造上の
欠点である。

したがって上記したセラミック素材の有する品質上及び
構造上の欠点を解消すると共に、セラミック素材と同様
に耐熱性と軽量化を図る必要性が生ずるが、本発明者等
はタービンロータを構成するための材料について種々検
討を行い、その結果、タービンロータのうち少なくとも
タービン羽根車をチタン−アルミニウム金属間化合物基
合金によって形成することにより、上記の必要性を満た
し得ることを知見した。

しかしながら金属間化合物は、セラミックスと略同程度
の難成形・難加工材であることから、その製造方法には
工夫を要する。

したがってこの発明の目的は、チタン−アルミニウム金
属間化合物基合金を用いてタービンロータを製造するこ
とが可能な過給機用タービンロータの製造方法を提供す
ることにある。

（問題点を解決するための手段） そこでこの発明の過給機用タービンロータの製造方法
は、タービン羽根車と、このタービン羽根車にその一端
が連設されると共にその他端部が圧縮機羽根車に連結さ
れるシャフトとを有する過給機用タービンロータの製造
方法において、上記のうちの少なくともタービン羽根車
をチタン−アルミニウム金属間化合物基合金によって形
成するに際し、まず最初にチタン、アルミニウム及び必
要な添加元素を、アルゴン雰囲気中におけるプラズマ溶
解法にて混合溶解して母材を溶製し、次いで精密鋳造法
にてこれを成形し、その後、成形品に熱間静水圧プレス
処理を施すことを特徴としている。

上記におけるチタン−アルミニウム金属間化合物基合金
とは、チタンとアルミニウムとの金属間化合物TiAl、Ti
₃Al を主体とする合金であって、さらにこれらの性質を
改善するために、NbやＷ、Ｖ、Mn等の添加金属を含有す
ることがある。具体的には、TiAl系合金としてはTi-36A
l やTi-36Al-5Nb （重量％、以下同じ）を挙げることが
でき、またTi₃Al 系合金としては、Ti-16Al-10NbやTi-1
4Al-21Nbを挙げることができる。

上記チタン−アルミニウム基合金のうちTi₃Alは成形性
のよい材料であるためタービンロータを容易に製造する
ことが可能であるが、他方のTiAl系合金は軽量かつ耐用
温度が高いためにタービンロータ用としてはより一層好
ましい。

なお上記におけるタービンロータは、タービン羽根車を
チタン−アルミニウム金属間化合物基合金によって形成
すると共に、シャフトを他の材料によって別体に形成
し、両者を接合する構造を採用することができるし、ま
たタービン羽根車をシャフトをチタン−アルミニウム金
属間化合物基合金によって一体的に形成することもあ
る。

（作用及び効果） 母材の溶製に際し、アルゴン雰囲気中でのプラズマ溶解
法を利用したことにより、チタン−アルミニウム金属間
化合物基合金の特性に敏感に影響を与えるアルミニウム
や微量添加元素の含有量を厳密にコントロールすること
が可能になると共に、汚染を極力排除することが可能に
なり、この結果、安定した品質でもって母材を溶製する
ことが可能になる。

またチタン−アルミニウム金属間化合物基合金の鋳造成
形品においては、高温割れ等の鋳造欠陥の発生が不可避
であるのに加えて、凝固中に大きな残留応力が発生し、
これらにより後加工及び稼働中に破壊の生ずる危険性が
存するのに対し、上記のように成形品に熱間静水圧プレ
ス処理を施すと、鋳造欠陥を解消し得ると共に、残留応
力を除去することができるので、製造されるタービンロ
ータの品質及び信頼性を格段に向上することが可能にな
る。

しかも上記チタン−アルミニウム金属間化合物基合金
は、セラミックと略同程度の密度を有し、また高温での
比強度の優れた材料であるため、上記方法により製造さ
れたタービンロータは、セラミックを用いる場合と同様
に耐熱性の向上と軽量化による低速域の応答性の向上と
を図ることが可能である。

また上記チタン−アルミニウム金属間化合物基合金は、
常温では１％程度、また650 ℃以上の温度では５〜10％
程度の伸びを有し、セラミックよりもはるかに靱性の優
れた材料であるため、タービンロータは信頼性の高いも
のとなる。また上記チタン−アルミニウム金属間化合物
基合金は、従来のInco 713C と略同程度の熱膨張率を有
するものであるため、その周囲のタービンケーシング等
との熱膨張バランスは良好なものとなり、セラミック場
合のようにこのバランスに細心の注意を払う必要はな
い。

（実施例） アルゴン雰囲気中でのプラズマアーク溶解法によってTi
-36Al-5Nb の母材を製造し、この母材を溶湯とした精密
鋳造法により、排気量500 CCのターボエンジン用のター
ビンロータを製作した。この鋳造成形品に、1300℃、14
00atm のアルゴン雰囲気中で約３時間の熱間静水圧プレ
ス処理を施した。このタービンロータは、第１図のよう
に羽根車の直径Ｄが約47mm、羽根車の幅Ｗが約20mm、シ
ャフト径ｄが約８mmのものであった。

上記タービンロータは、従来のInco 713C 製のタービン
ロータに比較して重量が約33％に軽減され、慣性モーメ
ントが約33％となった。この結果、従来のInco 713C 製
のロータよりも約10％程度低い回転数においてもターボ
が作用することとなった。また上記エンジンをガソリン
燃料にて運転した場合、毎時120 km程度の走行速度にお
いては、燃料消費率は、19km／から21km／へと約10
％程度向上した。またエンジン回転数が毎分6000回転の
場合、トルクは約7.5 km-mから約8.2 km-mへ約10％上昇
した。

なお上記テストの後、タービンロータを破断し、内部欠
陥の有無をチェックしたが、特に顕著な内部欠陥は認め
られなかった。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明方法により製造されるタービンロータ
の一例の説明図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭58−96101（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−180001（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−241（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−161754（ＪＰ，Ａ) 特公 平１−36551（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭59−31433（ＪＰ，Ｂ２) 実公 昭59−2473（ＪＰ，Ｙ２)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】タービン羽根車と、このタービン羽根車に
   その一端が連設されると共にその他端部が圧縮機羽根車
   に連結されるシャフトとを有する過給機用タービンロー
   タの製造方法において、上記のうちの少なくともタービ
   ン羽根車をチタン−アルミニウム金属間化合物基合金に
   よって形成するに際し、まず最初にチタン、アルミニウ
   ム及び必要な添加元素を、アルゴン雰囲気中におけるプ
   ラズマ溶解法にて混合溶解して母材を溶製し、次いで精
   密鋳造法にてこれを成形し、その後、成形品に熱間静水
   圧プレス処理を施すことを特徴とする過給機用タービン
   ロータの製造方法。