(57)【要約】【課題】少ない部品数で得られ且つ形状および寸法精度の良いタービンロータ、および係るタービンロータを安価で確実に提供できる製造方法を提供する。【解決手段】Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ａｌ系超耐熱合金（耐熱材）からなり渦巻き形状で複数の羽根３を有する高温側のタービンホイール部２と、係るタービンホイール部２と一体で且つ上記超耐熱合金からなる長尺な軸部８と、を含む、タービンロータ１。【選択図】  図１
2004340080.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
耐熱材からなり複数の羽根を有する高温側のタービンホイール部と、
上記タービンホイール部と一体で且つ上記耐熱材からなる軸部と、を含む、
ことを特徴とするタービンロータ。
【請求項２】
複数の羽根を有する高温側のタービンホイール部分と係るタービンホイール部分に連通する軸部分とからなるキャビティを内部に有する通気性鋳型を形成する鋳型形成工程と、
上記通気性鋳型のキャビティ内に耐熱材の溶湯を減圧下または真空下にて充填する鋳造工程と、を含む、
ことを特徴とするタービンロータの製造方法。
【請求項３】
前記鋳造工程は、前記通気性鋳型を気密性で且つ内部の減圧化または真空化が可能なチャンバ内に挿入し、係るチャンバの下方に位置する溶解炉内の前記溶湯を上記通気性鋳型の前記キャビティ内に吸い上げ且つ充填して行う、ことを特徴とする請求項２に記載のタービンロータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば過給機に用いられ且つ高温側のタービンホイールと軸とが一体のタービンロータおよびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、車両などに搭載される過給機は、図４（Ａ）に示すようなタービンロータ３０が用いられている。係るタービンロータ３０は、高温側タービンホイール３２、低温側タービンホイール３８、および両者を接続する細長い軸３６の３つの部品から構成されている。
図４（Ａ），（Ｂ）に示すように、高温側タービンホイール３２は、耐熱性の金属などの鋳造材からなり且つ渦巻き状で複数の羽根３３およびボス３４を有する。また、低温側タービンホイール３８は、アルミニウム合金などの鋳造材からなり、且つ渦巻き状で複数の羽根３９を有する。
更に、軸３６は、構造用鋼などからなる棒材であり、一端の太径部３５および他端の雄ネジ部３７を有する。係る雄ネジ部３７は、低温下側タービンホイール３８の中心部の雌ネジ孔（図示せず）を貫通し、且つナット４０と締結される。
【０００３】
図４（Ａ）中の実線の矢印で示すように、タービンロータ３０の軸３６は、図示しない過給機の本体に軸受を介して軸支され、図示しないエンジンから排出された高温の排気ガスは、高温側タービンホイール３２を高速回転させる。これに伴って、軸３６と共に低温側タービンホイール３８も高速回転する。係る低温側タービンホイール３８の高速回転により、図４（Ａ）中の一点鎖線の矢印で示すように、外部から導入されたエアは圧縮されつつ図示しないエンジンに供給される。
上記のように、高温側タービンホイール３２、低温側タービンホイール３８、および軸部３６は、それぞれの使用環境や必要な特性が相違するため、それぞれに適した素材によって形成されている。
【０００４】
このため、図４（Ｂ）に示すように、高温側タービンホイール３２と軸３６とは、ボス３４と太径部３５との間で、電子ビーム溶接や摩擦圧接を施すことにより、接合されていた。一方、高温環境に曝されない軸３６と低温側タービンホイール３８とは、軸３６の他端に突設した細径の雄ネジ部３７を係るホイール３８に設けた図示しない雌ネジ孔に貫通させ且つナット４０と結合して連結されている。
上記接合に際し、ボス３４と太径部３５との接合部の一方にテーパ部を設け、他方に係るテーパ部を受け入れる挿入部を設けて両者を嵌合した後、接合部の周囲を溶接する接合方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
また、ボス３４と太径部３５との接合部に、上記同様の凹凸式嵌合部を形成し、その接合面の外周部にシート状でリング形のロウ材を介在させて、上記ホイール３２と軸３６とを接合する方法も提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−２３５５４７号公報  （第１〜６頁、図１，図３）
【特許文献２】
特開平１０−２２０２３６号公報  （第１〜７頁、図１〜図５）
【０００６】
しかしながら、前述した接合方法を用いると、高温側タービンホイール３２と軸３６との接合部に、予め接合強度を高めるための凹凸部を成形し、更に溶接やロウ付けなどの接合工程が必要となり、コスト高になる。しかも、溶接やロウ付け条件のバラツキなどにより、接合強度が不安定になるおそれもあった。
また、近年における環境意識の高揚に応じて、排気ガスの温度が一層高温化しているため、高温側タービンホイール３２のみならず、これと隣接する軸３６の耐熱性を向上させることも求められている。
【０００７】
【発明が解決すべき課題】
本発明は、以上に説明した従来の技術における問題点を解決し、少ない部品数で得られ且つ精度の良いタービンロータ、および係るタービンロータを安価で確実に提供できる製造方法を提供する、ことを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するため、発明者らの鋭意研究および実験の結果、従来の技術的常識を打破して、高温側のタービンホイールと軸とを一体に形成する、ことに着想して成されたものである。
即ち、本発明のタービンロータ（請求項１）は、耐熱材からなり複数の羽根を有する高温側のタービンホイール部と、係るタービンホイール部と一体で且つ上記耐熱材からなる軸部と、を含む、ことを特徴とする。
【０００９】
これによれば、高温側のタービンホイール部と軸部とが一体であるため、従来のような個別の専用部品を用意して接合する必要がなく、且つ係る接合に伴う強度の不安定化をなくし、形状および精度の良いタービンロータとすることができる。しかも、軸部も耐熱材からなるため、排気ガスの高温化にも容易に対応することが可能となる。
尚、前記耐熱材には、例えばＮｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ａｌ系などのＮｉ基超耐熱合金（超合金）や耐熱鋼、あるいはＴｉＡｌなどのような金属間化合物も含まれる。
【００１０】
一方、本発明のタービンロータの製造方法（請求項２）は、複数の羽根を有する高温側のタービンホイール部分と係るタービンホイール部分に連通する軸部分とからなるキャビティを内部に有する通気性鋳型を形成する鋳型形成工程と、前記通気性鋳型のキャビティ内に耐熱材の溶湯を減圧下または真空下にて充填する鋳造工程と、を含む、ことを特徴とする。
これによれば、通気性鋳型に内設され且つ高温側のタービンホイール部分および軸部分からなるキャビティに、減圧下などで溶湯を吸引しつつ充填するため、高温側のタービンホイール部と軸部とが一体のタービンロータを少ない工程数で、精度良く安価に製造することが可能となる。尚、鋳造工程には、次述する溶湯をキャビティに吸い上げる方式のほか、真空または減圧されたＡｒガス雰囲気などにある通気性鋳型に上方から溶湯を注下する方式も含まれる。
【００１１】
また、本発明には、前記鋳造工程は、前記通気性鋳型を気密性で且つ内部の減圧化または真空化が可能なチャンバ内に挿入し、係るチャンバの下方に位置する溶解炉内の前記溶湯を上記通気性鋳型の前記キャビティ内に吸い上げ且つ充填して行う、タービンロータの製造方法（請求項３）も含まれる。
これによれば、減圧または真空状態にされたキャビティに、溶湯を強制的に吸い上げ且つ充填できるため、当該キャビティに倣ったタービンホイール部分および軸部分を一体に有するタービンロータを精度および効率良く製造すできる。しかも、通気性鋳型の湯道内を上昇し且つキャビティに進入しなかった溶湯は、減圧状態を解除することで、上記溶解炉に戻して再使用することもできる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下において、本発明の実施に好適な形態を図面と共に説明する。
図１（Ａ）は、本発明のタービンロータ１を示す正面図、図１（Ｂ）は、その左側面図である。係るタービンロータ１は、図１（Ａ），（Ｂ）に示すように、高温側のタービンホイール部２と、これと一体の長尺な軸部８と、を備えている。
タービンホイール部２は、渦巻き形状で且つ螺旋状に配置された複数（９枚）の羽根（ブレード）３、偏平な円錐形の厚肉部４、および先端の周面に小さな凹凸５を有する中心軸６からなる。また、軸部８は、円柱形を呈し、図１（Ａ）の左端に上記タービンホイール部２の厚肉部４に連なる太径部７を有する。
【００１３】
タービンロータ１の高温側のタービンホイール部２および軸部８は、例えばＮｉ−１３〜１５ｗｔ％Ｃｒ−４〜５ｗｔ％Ｍｏ−４〜６ｗｔ％ＡｌなどのＮｉ基超合金（耐熱材）からなり、後述する精密鋳造によって一体に成形されたものである。
因みに、タービンホイール部２の羽根３，３の外径は約５０ｍｍ、中心軸６と太径部７を含む軸部８との全長は約１３０ｍｍである。
図１（Ａ）で右端寄りの軸部８は、図１（Ｃ）に示すように、図示しない軸受に挿入可能な細径部８ａに切削加工されると共に、その先端には更に細径の雄ネジ部９が切削およびネジ加工により形成される。係る雄ネジ部９には、図示しないアルミニウム合金の鋳造材からなる低温側のタービンホイールがネジ結合される。
【００１４】
以上のようなタービンロータ１によれば、高温側のタービンホイール部２および軸部８が一体に形成されているため、従来のようにタービンホイルと軸とを個別に用意して接合する必要がなく、係る接合に伴う強度の不安定化が解消されて安定した強度が得られ、且つ形状および寸法精度が向上する。しかも、軸部８も耐熱材からなるため、排気ガスの高温化にも容易に対応することができる。
【００１５】
ここで、前記タービンロータ１の製造方法について説明する。
先ず、図２（Ａ）に示すように、タービンロータ１と相似形のロウ（蝋）模型Ｍを形成する。係るロウ模型Ｍは、中心軸ｍ２を含む高温側のタービンホイール部ｍ１と軸部ｍ４とからなり、前記タービンロータ１と相似形で僅かに大きなキャビティを有する図示しない金型にロウ（ワックス）を圧入して固めたものである。
尚、軸部ｍ４は、前記軸部８よりもやや長く成形され、図２（Ａ）の右端（先端）は鋳造時の湯口となる。
次に、図２（Ｂ）に示すように、追って湯道となる円柱形のロウからなる棒Ｒの周面に、複数のロウ模型Ｍ１〜Ｍ４を放射状にして連結したツリー形模型ＴＭ１を形成する。係るツリー形模型ＴＭ１では、ロウ模型Ｍ１〜Ｍ４は、それらの軸部ｍ４の先端を棒Ｒの周面に溶着される。
【００１６】
次いで、ツリー形模型ＴＭ１の周囲に耐火物を含むスラリーを被覆し且つその表面にアルミナ粉末などからなるスタッコを振りかけ、上記スラリーが乾燥した後、別のスラリーを被覆して耐火物を更に付着させる作業を複数回繰り返す。
更に、得られた図示しない鋳型素材を、例えば１５０℃に約１５分加熱した後、常温で約３０分放置して乾燥する。この結果、鋳型素材内のツリー形模型ＴＭ１の各部を形成していたロウは、溶融して外部に溶出される。このため、係る鋳型素材内において溶出したツリー形模型ＴＭ１の跡には、次述するように、前記ロウ模型Ｍ１〜Ｍ４に倣った複数のキャビティＫおよび湯道１１が形成される。
【００１７】
上記キャビティＫなどを内蔵する鋳型素材を、例えば１０００℃以上の温度に加熱して焼成すると、前記耐火物が含有していた水分や残留ワックスなどは除去され、図２（Ｃ）に示すように、耐火性および通気性を有する通気性鋳型１０となる（鋳型形成工程）。係る通気性鋳型１０は、耐火性および通気性を有し、円筒形の幹部１１と、その周面から放射状に突出した複数の枝部１４とからなる。
図２（Ｃ）に示すように、幹部１１には、前記棒Ｒが溶出した跡である円柱形の湯道１２が垂直に内蔵され、且つ各枝部１４には、軸部分１５、高温側のタービンホイール部分１６、および中心軸部分１８を含むキャビティＫが形成される。各軸部分１５の基端部分は、湯道１２と連通する湯口１３を兼ねている。
【００１８】
次に、図２（Ｃ）に示すように、通気性鋳型１０を気密性のチャンバ２０内に挿入する。係るチャンバ２０は、円筒形を呈し、その底面に設けた透孔２１から通気性鋳型１０の幹部１１の下部を垂下させ、且つ上面を密閉する蓋２３に排気口２２を有している。係る排気口２２は、図示しない真空ポンプに連通している。
次いで、図２（Ｃ）に示すように、通気性鋳型１０を内蔵したチャンバ２０は、誘導溶解炉（溶解炉）２４の上方に配置される。尚、チャンバ２０内と通気性鋳型１０中の各キャビティＫとは、予めＡｒガス（不活性ガス）に置換されている。
また、誘導溶解炉２４は、円筒形で且つ耐火材からなる炉体２６と、その外周面に間隔を置いて螺旋状に巻き付けた高周波コイル２８と、を備えている。
【００１９】
上記炉体２４の内側に、前記Ｎｉ基超合金（耐熱材）からなる原料を装入し、高周波コイル２８に所定の高周波電流を通電すると、係るコイル２８の軸方向に沿って生じた磁界が上記原料に浸透し、これを誘導加熱し且つ溶解する。その結果、上記原料は、図２（Ｃ）の下方に示すように、Ｎｉ基超合金の溶湯ＭＭとなる。
係る状態で、図２（Ｃ）中の一点鎖線の矢印で示すように、排気口２２からチャンバ２０の内側および通気性鋳型１０の各キャビティＫ内のＡｒガスを排出して、これらを減圧下（約０．３Ｐａ）にする。
すると、図２（Ｃ）中の実線の矢印で示すように、誘導溶解炉２４の炉体２６に貯溜していた溶湯ＭＭは、幹部１１の湯道１２を上昇し、各湯口１３から各キャビティＫ内に個別に吸い上げられ且つ充填される（鋳造工程）。
【００２０】
各キャビティＫ内に溶湯ＭＭが充填された状態で、所定の時間保持した後、上記減圧状態を解除しチャンバ２０の内側を復圧する。この結果、各キャビティＫ内に個別に充填された溶湯ＭＭは、表面から凝固して前記タービンロータ１となり、幹部１１の湯道１２内に上昇していた溶湯ＭＭは、炉体２６内に降下する。
そして、蓋２３を開き、チャンバ２０から取り出した通気性鋳型１０を型バラシすることにより、キャビティＫに倣った形状および寸法を精度良く有する複数の前記タービンロータ１を得ることができる。尚、得られたタービンロータ１の軸部８の先端は、グラインダなどによって研磨される。
【００２１】
図３（Ａ）は、異なるツリー形模型ＴＭ２を示す。係るツリー形模型ＴＭ２は、円柱形のロウからなる棒Ｒの周面に、複数のロウ模型Ｍ１〜Ｍ４を放射状にして連結したしたもので、ロウ模型Ｍ１〜Ｍ４は、それらの高温側のタービンホイール部ｍ１側の中心軸ｍ２の先端が棒Ｒの周面に溶着されている。
前記同様に、ツリー形模型ＴＭ２の周囲に耐火物を含むスラリーを被覆し、その表面にスタッコを振りかけ、スラリーが乾燥した後、別のスラリーを被覆して耐火物を更に付着させる作業を複数回繰り返す。得られた鋳型素材（図示せず）を、前記同様に加熱し且つ常温に放置して乾燥する。この結果、係る鋳型素材内でツリー形模型ＴＭ２の各部を形成していたロウは、溶融して外部に溶出される。
【００２２】
これにより、鋳型素材内において溶出したツリー形模型ＴＭ２の跡には、次述するように、前記ロウ模型Ｍ１〜Ｍ４に倣った複数のキャビティＫと湯道１１とが形成される。係る鋳型素材を、前記同様に加熱して焼成すると、耐火物の水分などが除去され、図３（Ｂ）の上方に示すように、耐火性および通気性を有する通気性鋳型１０ａとなる（鋳型形成工程）。
係る通気性鋳型１０ａは、円筒形の幹部１１と、その周面から放射状に突出した複数の枝部１４とからなり、各枝部１４には、軸部分１５、高温側のタービンホイール部分１６、および中心軸部分１８を含むキャビティＫが形成される。各中心軸部分１８は、湯道１２と連通する湯口１３を兼ねている。尚、中心軸部分１８は、軸方向の長さが予め所要の長さよりも長めに形成されている。
【００２３】
図３（Ｂ）に示すように、前記同様に、通気性鋳型１０ａをチャンバ２０内に挿入し且つこれらを誘導溶解炉２４の上方に配置する。次に、通気性鋳型１０ａを含むチャンバ２０の内側を前記同様に減圧状態にし、溶解炉２４の炉体２６で予め誘導加熱および溶解された前記Ｎｉ基超合金（耐熱材）の溶湯ＭＭを、湯道１２および湯口１３を経て、各キャビティＫ内に吸い上げて充填する（鋳造工程）。
そして、前記同様に減圧状態を所定時間経た後、チャンバ２０内を復圧し、取り出した通気性鋳型１０ａを型バラシすることで、キャビティＫに倣った形状および寸法を精度良く有する複数の前記タービンロータ１を得ることができる。尚、得られたタービンロータ１の中心軸６の先端は、前記同様に研磨される。
【００２４】
以上のような通気性鋳型１０，１０ａ、チャンバ２０、および誘導溶解炉２４を用いるタービンロータ１の製造方法（ロストワックス精密鋳造）によれば、前記タービンホイール部２と軸部８とが一体のタービンロータ１を少ない工程数で、形状および寸法精度良く安価に製造できる。更に、通気性鋳型１０，１０ａの湯道１２内に上昇し且つキャビティＫに進入しなかった溶湯ＭＭは、減圧状態を解除すると上記溶解炉２４に戻して再使用できるため、その歩留まりも向上する。
【００２５】
本発明は、以上において説明した各形態に限定されるものではない。
例えば、タービンロータに用いる耐熱材は、前記Ｎｉ基超耐熱合金に限らず、耐熱鋼（ＪＩＳ：ＳＵＨシリーズ）やステンレス鋼（ＪＩＳ：ＳＵＳシリーズ）を用いたり、更にＣｏ−Ｃｒ系合金としたり、あるいは、例えば３１〜３５ｗｔ％Ａｌおよび残部ＴｉからなるＴｉＡｌなどのような金属間化合物を適用しても良い。
また、本発明で用いる溶解炉には、前記誘導溶解炉２４に限らず、抵抗加熱炉など各種の金属溶解炉を適用することができる。
【００２６】
更に、前記製造方法における鋳造工程は、前記図２（Ｃ），図３（Ｂ）において、通気性鋳型１０，１０ａを内蔵したチャンバ２０を上下逆に配置し、係るチャンバ２０から上向きに突出した幹部１１の湯道１２から、前記溶湯ＭＭを減圧または真空状態にした通気性鋳型１０，１０ａの各キャビティＫ内に注下して充填するように行っても良い。
尚、本発明のタービンロータは、可変ターボ、可燃ノズルターボ、リニアチャージターボ、あるいはシーケンシャルターボなどの各種の過給機に適用できる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明のタービンロータ（請求項１）によれば、高温側のタービンホイール部と軸部とが一体であるため、個別の専用部品を用意して接合する必要がなく安定した強度を有し、形状および寸法精度の良いタービンロータとなる。しかも、軸部も耐熱材からなるため、排気ガスの高温化にも容易に対応できる。
一方、本発明のタービンロータの製造方法（請求項２）によれば、通気性鋳型に内設されタービンホイール部分と軸部分とからなるキャビティに、減圧下などで溶湯を吸引しつつ充填するため、高温側のタービンホイール部と軸部とが一体のタービンロータを少ない工程で、形状および寸法精度良く安価に製造できる。
【００２８】
また、請求項３の製造方法によれば、減圧状態などにしたキャビティに、溶湯を強制的に吸い上げ且つ充填するため、キャビティに倣った高温側のタービンホイール部および軸部を一体に有するタービンロータを精度および効率良く製造できる。しかも、通気性鋳型の湯道内に上昇した溶湯は、減圧状態などを解除することで前記溶解炉に戻して再使用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は本発明のタービンロータを示す正面図、（Ｂ）はその左側面図、（Ｃ）は係るタービンロータにおける軸部の加工後の状態を示す部分概略図。
【図２】（Ａ）〜（Ｃ）は上記タービンロータの製造方法の各工程を示す概略図。
【図３】（Ａ），（Ｂ）は異なる形態の製造方法の各工程を示す概略図。
【図４】（Ａ）は従来のタービンロータを示す概略図、（Ｂ）はその組み立て前の状態を示す分解図。
【符号の説明】
１………………タービンロータ
２………………高温側のタービンホイール部
３………………羽根
８………………軸部
１０，１０ａ…通気性鋳型
１５……………軸部分
１６……………高温側のタービンホイール部分
２０……………チャンバ、
２４……………誘導溶解炉（溶解炉）
Ｋ………………キャビティ
ＭＭ……………溶湯
【図１】
2004340080.tif 000003
【図２】
2004340080.tif 000004
【図３】
2004340080.tif 000005
【図４】
2004340080.tif 000006