(57)【要約】【課題】この発明は、タービンブレードが複雑な形状であっても該タービンブレードを容易に、且つ、精度よく得ることができるようにすること。【解決手段】焼結処理によるタービンブレード１１の形成方法であって、上記焼結処理する原料粉体に成形保持溶媒を混練して混練原料５４を形成し、金型５１、５２内のタービンブレード１１の肉厚内に対応する所定部位に、上記原料粉体、及び、上記成形保持溶媒よりも除去処理点が低い材料で形成した上記置き中子１６、６１、８１を設置して、上記混練原料５４を該金型５１、５２で成形処理した後、上記置き中子１６、６１、８１が一体となった未焼結タービンブレード１１ａの置き中子１６、６１、８１を溶解処理し、該未焼結タービンブレード１１ａを上記焼結処理するタービンブレード１１の形成方法。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
焼結処理によるタービンブレードの形成方法であって、
上記焼結処理する原料粉体に成形保持溶媒を混練して混練原料を形成し、金型内のタービンブレードの肉厚内に対応する所定部位に、上記原料粉体、及び、上記成形保持溶媒よりも除去処理点が低い材料で形成した上記置き中子を設置して、上記混練原料を該金型で成形処理した後、上記置き中子が一体となった未焼結タービンブレードの置き中子を溶解処理し、該未焼結タービンブレードを上記焼結処理する
タービンブレードの形成方法。
【請求項２】
前記置き中子の長手方向の側面部に厚み方向の孔を多数形成する
請求項１に記載のタービンブレード形成方法。
【請求項３】
前記置き中子の側面部を立体ハニカム構造に形成する
請求項１、又は、２に記載のタービンブレードの形成方法。
【請求項４】
上記置き中子を樹脂含有部材で形成し、その溶解を溶剤による溶解とする
請求項１、２、又は、３に記載のタービンブレードの形成方法。
【請求項５】
上記置き中子の溶解を熱による溶融とする
請求項１、２、又は、３に記載のタービンブレードの形成方法。
【請求項６】
前記請求項１から請求項５のうちのいずれか一項に記載のタービンブレード形成方法を用いて形成した
タービンブレード。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、タービンの動作流体の環状流路内に立設される複数ブレードの配列体の１つとして用いるタービンブレードに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、上記タービンブレードには、様々な付加的機能を備えたものが提案されており、最近ではそれに伴って、タービンブレードの形状も複雑化している。
【０００３】
例えば、タービンブレード内に冷却用空気流路を確保し、該空気用流路に流れる、限られた空気を用いて、効率よくブレード部の高温化を防止する必要がある。このため、ブレード部に中空を形成したり、あるいは、該ブレード部にタービンブレードの立設方向にスリット等タービンブレードを様々な形状に形成して冷却空気を通し冷却しようとしている。
【０００４】
特許文献１では、空気流路用の中空を備えたタービンブレードを鋳造によって形成し、さらにその後、所定の機能を付加するために、タービンブレードのプラットホーム部とシャンク部とを貫通してタンデム状に形成されるタンデム穴と呼ばれる穴空け加工をドリル加工、又は、放電加工により追加工を行う。
【０００５】
上述した先行技術の場合、タービンブレードの主要な構造は、鋳造によって形成されるため、精度が確保できず、タービンブレード外周部における各部位ごとの肉厚に誤差が生じるため、該肉厚に応じて熱変形の度合いが変化する。このように誤差が大きいため予め熱変形、及び、組成の劣化等を考慮してタービンブレードを形成することが難しくなる。さらに、鋳造の後、別途、機械加工による追加工を要し、手間を要する。
【０００６】
その他、ロストワックス製法も頻繁に行われている。該ロストワックス製法の場合、まず、ワックスを成形し、そのワックスにシェルのコーチングを数回行い、鋳型を形成し、その後、鋳型からワックスを除去して鋳造用の型を作り、そこに鋳物である材料を流し込むという一連の作業を要する。このように、非常に手間を要し、その分、高価になる。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−１２９９０５号公報。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
そこでこの発明は、タービンブレードが複雑な形状であっても該タービンブレードを容易に、且つ、精度よく得ることができるようにすることを主たる課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
そのための手段は、焼結処理によるタービンブレードの形成方法であって、上記焼結処理する原料粉体に成形保持溶媒を混練して混練原料を形成し、金型内のタービンブレードの肉厚内に対応する所定部位に、上記原料粉体、及び、上記成形保持溶媒よりも除去処理点が低い材料で形成した上記置き中子を設置して、上記混練原料を該金型で成形処理した後、上記置き中子が一体となった未焼結タービンブレードの置き中子を溶解処理し、該未焼結タービンブレード（又はグリーン体）を上記焼結処理するタービンブレードの形成方法であることを特徴とする。
【００１０】
上記原料粉体は、金属元素Ｎｉを主成分とし、Ｃｒ、Ａｌ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｚｒ等の金属元素を混合した超耐熱性材料（以下、ＭＩＭ７１３と称す）、又は、金属元素Ｃｏを主成分とし、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｗ、Ｚｒ、Ｔａ等の金属元素を混合した超耐熱性材料（以下、ＭＩＭ２００３と称す）を含み、上述した超耐熱性材料のＭＩＭ７１３、又は、ＭＩＭ２００３には、上記成形保持溶媒（バインダ）をさらに混練している。
【００１１】
上記成形保持溶媒は、金型でタービンブレードの形状に成形し、成形した未焼結タービンブレードを上記焼結処理して固めてしまうまでの間、成形後の形状に保持しておくための繋ぎ剤としての役割を果たす。
【００１２】
さらに、成形保持溶媒が混練された混練原料は、その後の焼結処理の際、又は前に、該成形保持溶媒が熱により溶融され除去されて成形品を形成する。
【００１３】
上記除去処理点は、所定の材料を熱により除去する場合は所定の材料の融点を示し、あるいは、化学反応により除去する場合は所定の材料の有する酸性度あるいは、塩基性度等の化学的な性質等を示す溶剤により溶解できる溶解点を示し、材料ごとに上記上記除去処理点が異なることを利用して複数の材料のうち所定の材料のみを除去する。
【００１４】
また、上記置き中子は、該置き中子が未焼結タービンブレードに埋設して一体となった未焼結タービンブレードを、該置き中子のみ上記溶解処理により溶解すれば、物理的に該置き中子を上記未焼結タービンブレードから引き抜く等しなくても除去することができる。さらに、未焼結タービンブレードの所定部位に、上記置き中子の所定の外形形状を転写することができる。
【００１５】
上述する如く、上記置き中子は、上記置き中子は、ポリプロピレン、ポリエチレン樹脂、アクリル等の樹脂を含有した原材を金型で圧縮成形、あるいは射出成形して所定の形状で形成したもの等を含み、この場合、上記置き中子を、溶剤によって容易に溶解することができる。
【００１６】
また、上記置き中子を上記原料粉体、及び、上記成形保持溶媒よりも融点が低い部材で形成した場合は、熱による溶融の他、酸化すればガス化して該置き中子のみ容易に除去することができ、上記焼結処理時の焼結温度が、上記原料粉体、及び、上記成形保持溶媒の融点以下で、且つ、上記置き中子の融点以上の温度設定であれば焼結処理によって、上記置き中子のみ溶融しても構わない。
【００１７】
また、上述した形成方法において、例えば前記置き中子を、該置き中子の長手方向の側面部に厚み方向の孔を多数形成した形状のものを用い、且つ、該置き中子によって、該タービンブレードに、置き中子の位置、大きさに応じた中空部を形成すれば、上記複数の孔に対応して該中空部内には厚み方向に多数のリブを形成することができる。
【００１８】
さらに、前記置き中子の側面部を立体ハニカム構造に形成し、該置き中子を金型内に載置した該タービンブレードの中空部の内側面形状を立体ハニカム構造とすることができる。
【００１９】
この場合も、例えば上記置き中子でタービンブレードに中空部を形成すれば、タービンブレードの該中空部の内周面には立体ハニカム構造を形成することができる。
【００２０】
その他、上記タービンブレードの所定の各部位に上記リブ構造と上記立体ハニカム構造とがそれぞれ形成することができるように、前記置き中子の所定部位に貫通孔と立体ハニカム構造とを組み合わせて形成することを含む。
【００２１】
また、前記置き中子の側面部に上下方向へスリット溝を形成し、タービンブレードをタービンブレードのブレード部の表面と中空部とが、該スリット溝で貫通した形状に形成してもよい。
【００２２】
上記タービンブレードの場合、ブレード部の表面温度が高温になってもスリット溝を介して中空部内の冷却空気で冷却することができる。
【００２３】
上記置き中子を、複数個、所定の位置に載置可能に金型、及び該置き中子を形成してもしても構わない。
【００２４】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、タービンブレードは、複雑な形状となっても置き中子を用いて成形処理し、該置き中子が一体となった未焼結タービンブレードのうち、該成形処理後に、置き中子のみ容易に除去できる。すなわち、焼結処理後に別途、追加工も不要であるため、コストもかからず、しかも、精度よくタービンブレードを形成することができる。
【００２５】
例えば、タービンブレードに中空部を形成すれば、該タービンブレード冷却する、軽量化する、あるいは、材料費を抑える等の効果が得られる。
【００２６】
しかも、この際上述した形成方法により、タービンブレード内の中空部の形状を平均化すれば、環状流路内に立設する他のタービンブレードを形成する場合であっても、同一形状の置き中子を使用することができるため、該置き中子は、金型を用いて大量生産すれば、コストを抑えることができ、結果的にタービンブレードのトータルコストを抑えることができる。
【００２７】
また、該所定部位に立体ハニカム構造を形成する、あるいは、リブを形成すれば、例えば上述のごとく中空相当部を複雑構造にしても、置き中子を従来のように抜き取る必要がないため、複雑構造が可能となり、タービンブレードの強度を維持することができる。
【００２８】
さらに、上述したように上記タービンブレードの形成方法は、精度を確保することができ、しかも、タービンブレードは通常、過酷な使用条件で用いられるため、熱変形、組成変形当を考慮してタービンブレードの肉厚を形成することが容易にできる。
【００２９】
上述したタービンブレードの形成方法は、原料粉体を構成する金属元素のそれぞれが有する例えば、耐熱性等の特有の性質を失わないままタービンブレードを形成することができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
この発明の一実施の形態を、以下図面を用いて説明する。
図１は、タービンブレード１１の外観図を示し、立設方向における下部には、ロータディスク等の環状流路内で係合して取り付けるセレーション部１１ｅ、該セレーション部１１ｅの上部には、鍔状のプラットホーム部１１ｆ、さらに、該プラットホーム部１１ｆの上部には、ブレード部１１ｇを形成し、該タービンブレード１１の内部には、下端部から上部にかけて中空部１２を形成している。
以下、上記タービンブレード１１の製造は、図２に示すフローチャートの順で行う。
【００３１】
まず、タービンブレード１１内における中空部１２の形状に対応する形状を備えた置き中子１６を射出成形によって形成する。そのために、金型１２、１３によって置き中子１６の形態をキャビティに形成してこれにアクリル樹脂１５を射出して固形化することによって図４に示す置き中子１６を得る。（置き中子の成形、ステップｎ１）。
【００３２】
続いてタービンブレード１１が超耐熱材料、硬度を有する等の所望の性状を示すようにすべく（例えば、密度８．７９５（ｇ／ｃｍ３）、ビッカース硬さ（荷重１０Ｋｇｆ）３７６以上）、Ｎｉを主成分とし、各種金属粉体を混合するが、該体積比は、Ｎｉ−７２．５％、Ｃｒ−１１．８％、Ａｌ−６．４１％、Ｍｏ−４．５２％、Ｔｉ−１．２１％、Ｚｒ−０．１６％となる割合で混合して（混合処理、ステップｎ２）原料粉体を得る。該原料粉体には、さらにＤＯＰ（フタル酸ジオクチル）を添加して混練して混練原料５４を形成しておく。
【００３３】
次に、金型５１、５２のキャビティにタービンブレード１１の外形に対応した形状を形成して、該金型５１、５２の所定の位置に前述した置き中子１６の金型保持部１６ｂを保持させ、その後ゲート５３を介して加熱した混練原料５４を加圧充填して、固定化することによって、タービンブレード１１の未焼結体１１ａ（グリーン体）を得る。
【００３４】
なお、図４において、置き中子１６の先部１６ａは前記中空部１２に対応する部分であり、下部は、次にタービンブレード１１の未焼結体１１ａを金型５１、５２で形成するときの金型保持部１６ｂとして使用する。
【００３５】
次に、上記混練原料５４の成形後の成形体としての未焼結タービンブレード１１の未焼結体１１ａは、金型５１、５２から取り出しても上記ＤＯＰを添加しているため、所定の大きさの衝撃等を受けない限り、焼結しなくても成形後の形状を維持することができる。
【００３６】
上記未焼結体１１ａを容器内に入れ、溶剤を注ぎ込んで密閉し、例えば、置き中子１６の肉厚１ｍｍに対して、１時間をめどに例えば、アクリル樹脂１５で形成した該置き中子１６を完全に侵食して置き中子除去処理（ステップｎ４）を行う。
【００３７】
上記未焼結体１１ａを温度管理が可能な装置内における容器内に入れ、該容器内に沸点の低い溶媒を注ぎ込んで密閉し、例えば、置き中子１６の肉厚１ｍｍに対して、１時間をめどに該置き中子１６を完全に侵食して置き中子除去処理（ステップｎ４）を行う。なお、途中で溶媒の侵食作用が無くなれば、装置内の温度を下げて溶媒を冷却し、該溶媒を再生できる。
【００３８】
また、上記溶媒によって、ＤＯＰは侵食されることがなく、上記各金属粉体１９が有する特有の性質が失われることもない。すなわち、上記置き中子除去処理により、置き中子１６のみ未焼結体１１ａの外部へ完全に除去し、該未焼結体１１ａは、溶媒によって何ら影響を受けない。
【００３９】
この状態の上記未焼結体１１ａを、真空焼結炉に入れて混練原料５４に混合したパラフィン等が溶ける中温で加熱処理する中焼結処理（ステップｎ５）を行い、さらに、本来の焼結温度で加熱する本焼結処理（ステップｎ６）を行う。
【００４０】
上述した形成方法により、中空部１２を有するタービンブレード１１のような通常の中空部１２を有しないタービンブレードと比較して形状が複雑になっても、置き中子１６の外形形状をタービンブレード１１の中空部１２の形状へ転写することができるため、容易に、且つ、精度よくタービンブレード１１を形成することができる。
【００４１】
すなわち、機械加工を必要とする形状や通常の機械加工では加工不可能な場合でも本実施例の形成方法だけで、容易に形成することができる。
【００４２】
その一例として、ステップｎ１において、置き中子６１を図６に示すごとく、上述の図３で示した置き中子６１の長手方向の側面部に厚み方向の貫通孔６２を多数形成するように置き中子６１の金型を形成してもよい。
【００４３】
上記構成を採り、上述した実施例のステップｎ３（図５）と同様に金型内５１、５２に混練原料５４を充填すれば、上記貫通孔６２の中にも混練原料５４が充填する。そして、置き中子６１が一体となった未焼結体１１ａは、溶融して置き中子６１を除去すれば（ステップｎ４）、図７に示すごとく、中空部１２内にリブ７２を形成することができる。
【００４４】
上記リブ７２により、タービンブレード１１の強度を向上するとともに、中空部（空気流路）に対して該リブ７２が突き出した形態となるため、中空部１２内に冷却空気が流れたとき、該冷却空気は、リブ７２に当接するため、特に高温化したブレード部１１ｇを冷却することができる。つまり、リブ７２を形成することで、タービンブレード１１の冷却効率を向上することもできる。なお、上述と同様に金型内５１、５２に混練原料５４を充填すれば、立体ハニカム構造部８２の中にも混練原料５４が充填する。
【００４５】
また、上述した実施例と同様にステップｎ１において図８に示す如く、置き中子用の金型を用いて前記置き中子８１の側面部の表面に立体ハニカム構造部８２を形成することができる。ここで、立体ハニカム構造部８２の各構成要素は、置き中子の基部８３から突き出した形状で側面視凸形に形成している。
【００４６】
特に、ステップｎ４において、置き中子８１を溶融する際、該置き中子８１の基部８３が溶融することにより、該基部８３を挟んだ両側に立体ハニカム構造部８２に対応する上記アクリル樹脂１５が溶融後には、該溶融した基部８３が存在した部位を外部へ排出する通路を通じてタービンブレード１１の外部へ排出される。
【００４７】
よって、図９に示すごとく、立体ハニカム構造部８２に対応するアクリル樹脂１５は、タービンブレード９１内に残留することもなく、中空部１２の内周面に立体ハニカム構造部９２を備えたタービンブレード１１を形成することができる。
なお、該立体ハニカム構造部９２は、各構成要素が凹んだ構成となる。
【００４８】
上記置き中子１６、６１、８１の除去方法は、タービンブレード１１の材料と該置き中子１６、６１、８１の材料を考慮して適宜行う。その方法には、上記置き中子１６、６１、８１を、上記原料粉体、及び、上記ＤＯＰよりも融点、又は、沸点が低い上記アクリル樹脂１５等の部材で形成した場合は、ステップｎ４において溶媒で侵食しなくても、熱による溶融、又は、酸化すればガス化して容易に除去することもできる。
【００４９】
すなわち、上述の場合の融点に着目すると、アクリル樹脂１５の融点は１８０℃、ＤＯＰの融点は４００℃（原料粉体は金属元素で構成されるため、言うまでもなくこれらの値と比較して格段に融点が高い）であり、熱により融点の最も低いアクリル樹脂１５のみを溶融して除去することができる。
【００５０】
特にステップｎ５、又は、ステップｎ６のいずれかの焼結処理の温度の温度が、上記原料粉体の融点以下で、且つ、上記置き中子１６、６１、８１の融点以上であれば（上述の場合、４００℃以下で、且つ、１８０℃以上）、焼結処理（ステップｎ５、又は、ステップｎ６）によって、上記置き中子１６、６１、８１を溶融しても構わない。
【００５１】
また、上述した混練原料５４は、例えば、主成分の金属元素をＮｉではなく、Ｃｏを主成分として構成することで生じる特有の性質を活かしてもよい。このように用途に応じて別の金属元素で構成する、あるいは、構成比率を変更して混練原料５４を構成しても構わない。
【００５２】
さらに、上述したタービンブレード１１は上端が非貫通状態（メクラ状態）の中空部１２を備えたタービンブレード１１として説明したが、該中空部は上下方向への貫通孔として形成しても構わない。
【００５３】
この発明の構成と、上述の実施形態との対応において、
この発明の成形保持溶媒は、実施形態のＤＯＰ（フタル酸ジオクチル）に対応し、
未焼結タービンブレードは、未焼結体１１ａ（グリーン体）に対応し、
立体ハニカム構造は、立体ハニカム構造部９２に対応するも、上述するごとくこの発明は、上述の実施形態の構成のみに限定されるものではなく、多くの実施の形態を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】タービンブレードの斜視図。
【図２】製造工程を示すフローチャート。
【図３】置き中子の成形処理に使用する金型の断面図。
【図４】成形処理後の置き中子を示す３面図。
【図５】タービンブレードの成形処理に使用する金型の断面図。
【図６】他の実施例の置き中子を一部拡大図して示した３面図。
【図７】他の実施例のタービンブレードにおける要部を断面で示した斜視図（ａ）、（ａ）図におけるＡＢＣＤ面視図（ｂ）。
【図８】さらに他の実施例の置き中子を一部拡大図して示した３面図。
【図９】さらに他の実施例のタービンブレードにおける要部を断面で示した斜視図（ａ）、（ａ）図におけるＡＢＣＤ面視図（ｂ）。
【符号の説明】
１１…タービンブレード
１１ａ…未焼結体（グリーン体）
５１…下型（固定側キャビティ）
５２…上型（可動側キャビティ）
１６、６１、８１…置き中子
５４…混練原料
７２…リブ
９２…立体ハニカム構造部（凹形）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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