(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高融点金属を外皮とし、その内部に繊維状セラミックスおよび低融点でかつ高沸点を有する軟質金属を密封収容してなる高温緩衝部材。
【請求項２】
上記高融点金属が、Ｎｉ，Ｃｏ，Ｐｔ，Ｗ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｉｒ，Ｆｅ、またはこれらを基とする合金である請求項１記載の高温緩衝部材。
【請求項３】
上記軟質金属が、Ａｌ，Ｐｂ，Ｓｎ，Ｂｉ，Ｉｎ，Ａｇ，Ｇａ，Ｌｉ、またはこれらを基とする合金である請求項１記載の高温緩衝部材。
【請求項４】
上記繊維状セラミックスが、酸化物，窒化物，炭化物，硼化物からなり、長繊維，短繊維，ウィスカ，コイル状ファイバ，フェルト，クロス，ペーパ，ニット状に成形されたものである請求項１記載の高温緩衝部材。
【請求項５】
上記外皮の内部が真空抜気され、その接合部が気密に接合された請求項１記載の高温緩衝部材。
【請求項６】
上記外皮の内部に、内部を複数個のセクタに分割する絞り部を設けた請求項１記載の高温緩衝部材。
【請求項７】
上記外皮の表面に、セラミックスまたは金属のコーティング層を設けた請求項１記載の高温緩衝部材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、セラミックスガスタービン等のように常温から高温に亘って定常および非定常な状態で使用される部品の締結部に用いられる高温緩衝部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
セラミックスガスタービン等に用いられる高温緩衝部材として、
▲１▼特開昭63-123842 号公報の「セラミックス製板バネ」、
▲２▼特開平2-221602号公報の「タービン動翼」、
▲３▼特開平4-224306号公報の「セラミックス部品の結合構造」、
等が知られている。
【０００３】
▲１▼は単なるセラミックス製の長方形型板バネであり弾性機能を発揮するものである。▲２▼は金属とセラミックスからなるタービン動翼構造の金属／セラミックス接触部の一部に摩擦力を低減する目的で緩衝部材を介在させたものである。▲３▼はセラミックス製動翼を金属ディスクに植込むに際してその接触部に金属製フォイルバネを介在させて応力緩和を図ったものである。
【０００４】
その他、金属部材とセラミックス部材間の応力緩和材として、各種溶射材，軟質金属，セラミックス繊維類を用いることは公知である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、セラミックス製のバネのみでは減衰能が不足であり振動等の動的外乱の緩衝効果が低い。また、フォイルバネを用いたのではその突起部において応力集中が発生してしまう。また、溶射材や軟質金属を用いたのではこれらの塑性を利用して緩衝するメカニズムであるため繰返し使用の耐久性に乏しい。また、セラミックス繊維類を単独で用いたのでは弾性・減衰性が低く動的緩衝機能は期待できずシール性も低い。
【０００６】
すなわち、従来の高温緩衝部材は、セラミックスガスタービン等のように常温から高温に亘ってしかも静止から高速まで繰返し運転される部品の締結部に使用することが、適しているとはいえなかった。セラミックス部品の締結部に発生する加工・組立上の不整による片当りに起因する静的な接触応力、および運転中の熱および振動に起因する動的な接触応力を十分緩和吸収することができないからである。
【０００７】
以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、静的および動的な応力を十分緩和吸収できると共に、常温から高温に亘って可逆的に機能する高温緩衝部材を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明に係る高温緩衝部材は、高融点金属を外皮とし、その内部に繊維状セラミックスおよび低融点でかつ高沸点を有する軟質金属を密封収容してなっている。…▲１▼
外皮の内部が真空抜気されていてもよい。…▲２▼
外皮の内部に、内部を複数個のセクタに分割する絞り部を設けてもよい。…▲３▼
外皮の表面に、セラミックスまたは金属のコーティング層を設けてもよい。…▲４▼
【０００９】
【作用】
▲１▼の構成の高温緩衝部材によれば、常温から中温にかけては固相の軟質金属の弾性および塑性変形によって緩衝され、中温から高温にかけては軟質金属が溶融してその粘性流動および繊維状セラミックスの弾性によって緩衝される。かかる緩衝機能は、軟質金属が徐々に溶融することにより連続的に発揮され、また逆に高温から常温にかけては、溶融した軟質金属が徐々に凝固するため、可逆的に発揮される。
【００１０】
▲２▼の構成によれば、外皮の内部が真空抜気されているため、残存空気が高温時に膨脹することによって生じる外皮の破裂が防止される。また、軟質金属の酸化が防止される。
【００１１】
▲３▼の構成によれば、外皮の内部を複数個のセクタに分割すべく設けられた絞り部は、高温時に溶融した軟質金属が流動する際の抵抗となる。よって、効果的な緩衝機能が発揮される。
【００１２】
▲４▼の構成によれば、外皮の表面に設けられたセラミックスまたは金属のコーティング層は、外皮の耐酸化，耐蝕，反応防止機能を発揮する。
【００１３】
【実施例】
本発明に係る高温緩衝部材の一実施例を添付図面に基づいて説明する。
【００１４】
図１は高温緩衝部材としてのスラストワッシャ１を示す斜視図であり、図２はその厚み方向の断面図である。このスラストワッシャ１は、例えばセラミックスガスタービンの静翼取付部やガス通路部品等、セラミックス／セラミックスまたはセラミックス／金属の部品間の締結部に介設される。
【００１５】
上記スラストワッシャ１は、中空円環状に形成された高融点金属２を外皮とし、その内部に繊維状セラミックス３および低融点でかつ高沸点を有する軟質金属４を収容して構成されている。
【００１６】
上記高融点金属２には、当該スラストワッシャ１を使用する高温雰囲気で溶融しない金属が用いられる。例えば、Ｎｉ，Ｃｏ，Ｐｔ，Ｗ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｉｒ，Ｆｅ、またはこれらを基とする合金等である。かかる高融点金属２からなる外皮は、その膜厚が10〜500 μｍ程度となっている。これより薄いと破れる虞があり、これより厚いとスムーズに変形しないからである。
【００１７】
上記軟質金属４には、当該スラストワッシャ１を使用する高温雰囲気において、溶融はするものの沸騰しない金属が用いられる。例えば、Ａｌ，Ｐｂ，Ｓｎ，Ｂｉ，Ｉｎ，Ａｇ，Ｇａ，Ｌｉ、またはこれらを基とする合金等である。かかる軟質金属４は、以下に述べる繊維状セラミックス３に対して一種のマトリックスとなる。
【００１８】
上記繊維状セラミックス３には、酸化物 (Al 2O 3 等) ，窒化物 (Si 3N 4 等) ，炭化物(SiC等) ，硼化物(CBN等) からなり、長繊維，短繊維，ウィスカ，コイル状ファイバ，フェルト，クロス，ペーパ，ニット状に成形されたものが用いられる。要するに、繊維状セラミックス３の弾性が発揮されるようになっていればよい。
【００１９】
上記高融点金属２からなる外皮は、繊維状セラミックス３および軟質金属４を収容した後内部が真空抜気され、その接合部５（内周縁および外周縁）がシーム溶接により気密に接合される。かかる外皮の内部には、内部を複数個のセクタ６に分割する絞り部７が設けられている。絞り部７は、図３に示すように、繊維状セラミックス３の密度をその他の部分よりも高めた構造となっており、これにより溶融した軟質金属４に対する流動抵抗を与えている。
【００２０】
すなわち、絞り部７は、高密度の繊維状セラミックス３が発揮する流体抵抗により、隣接するセクタ６を流体学的に絞って連絡するように設けられる。なお、上記絞り部７を外皮の周方向荷に間隔を隔てて施した点溶接により形成してもよい。また、外皮の表面には、セラミックスまたは金属のコーティング層８が設けられている。
【００２１】
以上の構成からなる本実施例の作用について述べる。
【００２２】
上記スラストワッシャ１をセラミックス部品の間に介在して締結すると、外皮（高融点金属２）に包まれた固体状の軟質金属４がワッシャ１の厚み方向に適宜弾性および塑性変形し、部品間の静的な不整を吸収すると共に部品間を気密にシールする。その後、ガスタービンを起動させると徐々にスラストワッシャ１の雰囲気温度が上昇してくるが、ここで、常温から中温にかけては軟質金属４は固相のままであるため、タービンの回転運動に伴う動的な荷重・衝撃はその軟質金属４の低弾性および塑性によって吸収緩衝される。
【００２３】
その後、ガスタービンを高出力で運転させると、上記スラストワッシャ１の雰囲気温度が中温から高温となってくる。すると、軟質金属４は、徐々に溶融して固体から液体と変化する。このとき、衝撃吸収機能は、固体状の軟質金属４の弾性および塑性変形が主の状態から、溶融した軟質金属４の粘性流動が主の状態に徐々に移行する。よって、緩和緩衝機能が不連続に変化することはない。また、上記動的衝撃は、液体状の軟質金属４の粘性のみならず、その溶液中に浮かぶ繊維状セラミックス３の弾性によっても緩衝される。
【００２４】
また、外皮（高融点金属２）の内部を複数個のセクタ６に分割すべく設けられた絞り部７は、溶融した軟質金属４が流動する際の抵抗となる。よって、この溶融金属４の流動に伴う粘性および慣性の作用により、繊維状セラミックス３の弾性と相俟って、効果的な緩衝機能が発揮される。また、二次的な効果として、軟質金属４の溶融または凝固に伴う潜熱が、非定常に変化する熱衝撃を吸収緩和する。
【００２５】
なお、外皮は高融点金属２からからなっているため高温時でも溶融することはなく、他方、軟質金属４は高沸点を有するため沸騰気化することはない。また、外皮の内部が真空抜気されているため、残存空気が高温時に膨脹することによって生じる外皮の破裂が防止されると共に、軟質金属４の酸化も防止される。また、外皮はシーム溶接によって気密に接合されているため、溶融した軟質金属４が外部へ流出することはない。また、外皮の表面に設けられたセラミックスまたは金属のコーティング層８は、外皮（高融点金属２の）耐酸化，耐蝕，反応防止機能を発揮する。
【００２６】
以上、タービンの常温→中温→高温（停止→中速→高速）に至るまでの緩和緩衝機能について説明したが、逆に高温→中温→常温（高速→中速→停止）においては溶融状態の軟質金属４が徐々に凝固することにより同様の作用効果が発揮される。すなわち、本実施例に係るスラストワッシャ１は、可逆的に機能するため、繰り返して使用することができる。よって、耐久性が大幅に向上する。
【００２７】
このように、上記スラストワッシャ１は、その厚み方向に弾性機能と減衰機能とを発揮するものであり、タービンの常温から高温に至る全域で且つ停止から高速に至る全域で可逆的に機能する。すなわち、セラミックス／セラミックスまたはセラミックス／金属の部品間の締結部に発生する加工・組立精度上の不整による片当りに起因する静的な接触応力、および運転中の熱および振動に起因する動的な接触応力を十分緩和吸収することができる。
【００２８】
よって、脆性材料であるセラミックス部品の締結部に介在させることにより、その信頼性を大幅に向上させることができる。特に、セラミックスガスタービンのような高温高速で運転される定常状態が長い装置に適用してメリットが大きく、必要とされる動的緩衝機能を十分に発揮し、装置の耐久性信頼性を飛躍的に向上させることができる。
【００２９】
なお、この実施例では、高温緩衝部材としてスラストワッシャ１を例示したが、これに限られるものではなく、リング状，スリーブ状，皿バネ型，断面Ｌ字型などの構造に本発明を適用できることは勿論である。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば以下の如き優れた効果を発揮できる。
【００３１】
(1) 軟質金属の相変化を利用しているため、常温から高温に至るまで連続的に応力を緩和でき、しかも高い振動減衰効果を発揮できる。
【００３２】
(2) 軟質金属が温度に応じて可逆的に機能するので、温度変化に対する耐久性信頼性を向上させることができる。
【００３３】
(3) 外皮はシール性を保持させるのみであり高強度性を要求されないため、高温まで使用できる。
【００３４】
(4) 軟質金属の溶融凝固を利用しているため、相変化に伴う潜熱により非定常な温度変化時の熱衝撃を緩和できる。
【００３５】
(5) 高温時には溶融した軟質金属が外皮で包まれた液体クッションとなるため、ガスタービン等における高温高速時の動的外乱を効果的に吸収できる。
【００３６】
(6) 高温時には繊維状セラミックス（脆いけど高温まで使用できる）をソフトクッションで包む構造となるため、その耐久性を極限まで高めることができる。
【００３７】
(7) 外皮をセラミックスまたは金属でコーティングすることにより、さらに耐久性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す高温緩衝部材としてのスラストワッシャを示す斜視図である。
【図２】図１のII-II 線断面図である。
【図３】図１のIII-III 線断面図である。
【符号の説明】
１  高温緩衝部材としてのスラストワッシャ
２  高融点金属（外皮）
３  繊維状セラミックス
４  軟質金属
５  接合部
６  セクタ
７  絞り部
８  コーティング層
【図１】
0003646322.tif 000002
【図２】
0003646322.tif 000003
【図３】
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