(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
自軸（１１１）回りに回転してコンプレッサを駆動するためのターボ過給機に使用されている型式のロータシャフト組立体（１０１）の、チタンアルミナイド（ＴｉＡｌ）タービンロータ（１０３）を、鋼製のシャフト（１０７）のハブ（１０９）に軸方向に接合するための方法において、
（ａ）鋼製のシャフト（１０７）を、前記ロータ（１０３）の成形体（２０３）のハブ（２０９）に軸方向に取り付ける段階であって、前記成形体は結合剤と混ぜ合わされたＴｉＡｌ粉末で形成されており、前記成形体（２０３）の前記ハブ（２０９）と前記シャフト（１０７）の間に隙間（２１１）を有する、取り付けられた状態の成形体（２０１）を形成する段階と、
（ｂ）前記取り付けられた状態の成形体（２０１）から結合剤を除去し、焼結する段階と、から成り、
前記ロータ成形体（２０３）と前記隙間（２１１）は、焼結の間に前記ハブ（２０９）の前記シャフト（１０７）に対する密着嵌合状態を作り出し、それによって、前記ロータ（１０３）と前記シャフト（１０７）が接合されて前記ロータシャフト組立体（１０１）を形成するように選択される方法。
【請求項２】
前記焼結は、１２００℃から１４３０℃で、４５分から２時間、行なわれる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記粉末は、１μｍから４０μｍの粒子サイズを有している、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記粉末は、１μｍから１０μｍの粒子サイズを有している、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項５】
前記結合剤は、ワックス、ポリオレフィン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、塩化ポリビニル、炭酸ポリエチレン、ポリエチレングリコール、及び微細結晶ワックス、又はそれらの混合物から成るグループから選択される、請求項１、３又は４に記載の方法。
【請求項６】
前記結合剤の除去は、２００℃から２５０℃の間の温度で行われる、請求項１、３、４又は５に記載の方法。
【請求項７】
請求項１の方法に従って準備されたロータシャフト組立体（１０１）。
【請求項８】
前記シャフト（１０７）はステンレス鋼からなる請求項７に記載のロータシャフト組立体（１０１）。
【請求項９】
前記シャフト（１０７）の近位端は、ローレット付きシャフト（３０１）、多角形シャフト（３０５）、平面付きシャフト（３０９）、ねじ付きシャフト（３０５）、及び切り欠き付きシャフト（１０７）から成るグループから選択された形状を有している、請求項７又は８に記載のロータシャフト組立体（１０１）。
【請求項１０】
前記シャフト（１０７）の前記近位端（１１３）と前記ハブ（１０９）との間に配置された１つ又は複数の空洞（１１９）を更に備えている、請求項７、８又は９に記載のロータシャフト組立体（１０１）。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンプレッサを駆動して圧縮空気を内燃機関に供給するための、排気駆動ターボ過給機で用いられている型式のロータシャフト組立体に、そしてそのロータシャフト組立体を製造するための方法に関する。具体的には、本発明は、冶金学的接合によって鋼製のシャフトに軸方向に連結されているチタンアルミナイド製タービンロータを備えたターボ過給機用のロータシャフト組立体に、そしてその製造方法に関する。より具体的には、本発明は、予成形されたシャフトに取り付けられた粉末成形体を焼結することによって、チタンアルミナイド製タービンロータを鋼製のシャフトに軸方向に取り付けるための画期的な方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボ過給機は、エンジンの出力と効率を上げるため、内燃機関、特に高速トラック及び舶用機関の大型ディーゼルエンジンに広く使用されている。ターボ過給機は、近年、小型の乗用車エンジンへの使用が段々普及してきている。ターボ過給機を使えば、原動機において、軽量エンジンから或る程度の馬力を発生させることができる。軽量エンジンを使用すると、自動車の質量を減らすという望ましい効果が得られ、燃料消費率（燃費）が高まり、運転性能が向上する。更に、ターボ過給機を使用すると、エンジンへ送られる燃料をより完全に燃焼させることができ、炭化水素と窒素酸化物の排出が減るので、より清浄な大気という非常に望ましい目標に貢献する。
【０００３】
ターボ過給機は、一般的に、排気を、排出入口から排出出口へタービンロータを横切って送るタービンハウジングを備えている。タービンロータは、ベアリングハウジング部でジャーナル支持されたシャフトを駆動する。シャフトの他方端又は遠位端では、コンプレッサロータが駆動され、圧縮された気体をエンジン入口に供給する。
ターボ過給機の一般的設計及び機能については、先行技術、例えば米国特許第４，７０５，４６３号、第５，３３９，０６４号、及び第６，１６４，９３１号に詳しく記載されており、その開示全体を、参考文献としてここに援用する。
【０００４】
ターボ過給機の熱抵抗を改良し、作動条件変化に対するエンジンの応答性を改良するには、タービンロータの慣性を最小にするのが好ましい。シリコン窒化物製の低慣性セラミックタービンロータが、当該技術では知られている。しかしながら、セラミックタービンロータは、セラミックの強度が低いため、シリコン窒化物ロータを金属ロータより厚くせざるを得ないという欠点を有している。更に、セラミックは、大部分の金属に比べて熱膨張率が大幅に低いので、ロータとその金属ケーシングの熱膨張の均衡を取って必要な隙間を維持するのが難しい。
【０００５】
チタンアルミナイド（ＴｉＡｌ）は、約３．８の低い比重と、インコネル７１３℃の比強度以上の高温における高い比強度（密度当たりの強度）と、他の金属に近い熱膨張係数とを併せ持つので、タービンロータの製造用の材料としてはセラミックよりも望ましい。少なくともこれらの理由で、ＴｉＡｌは、タービンロータの製造に関する技術では知られている（例えば、日本特許開示第６１−２２９９０１号、米国特許第６，００７，３０１号、第５，０６４，１１２号、第６，２９１，０８６号、及び第５，３１４，１０６号を参照）。タービンロータで使用されるものとして、チタン合金も知られており、これには、主要成分としてＴｉＡｌ金属間化合物を含んでいるものや、非チタン要素を殆ど含んでいないＴｉＡｌ合金もある。以下の説明では、そのような合金を全てＴｉＡｌと呼ぶ。（本明細書で「ＴｉＡｌ」という用語は、特に、チタンとアルミニウムの１対１の化学量論的組み合わせを表す化学式を指す。）コストの点と、ロータの慣性を最小にするという点の両方から、ＴｉＡｌロータは、最小の材料で製造されるのが望ましい。
【０００６】
各種粉末金属処理が、複雑な形状を有するロータその他の部品を製造するのに、益々用いられるようになっている。この処理では、結合剤を混ぜ合わせた金属粉末を金属射出成形して粉末成形体を作り、それを（低温及び／又は溶剤処理により）結合解除し、（高温で）焼結して最終製品に近い部品を作り、それを従来の手段で仕上げる。この処理は、安価な大量生産に適しており、タービンロータ組立体のロータとシャフトの両方を製造するのに利用することができる。グレセルらに発行の米国特許第６，４７８，８４２号を参照されたい。成形物の別々の部品内に注入された異なる金属粉末を有する構成要素を金属射出成形することにより、更に高度なものとすることができる。セニーニらに発行の米国特許公告第ＵＳ２００３／００１２６７７号を参照されたい。金属射出成形部品の寸法に関する技術的な制約（約２５０ｇ）は、この方法を適用して、ＴｉＡｌタービンロータと鋼製のシャフトを備えている、２種の金属から成るタービンロータ組立体を作る際の妨げとなっている。
【０００７】
ＴｉＡｌタービンロータと鋼製のシャフトを備えたタービンロータ組立体を製造するためには、従って、ロータを、シャフトに接合しなければならない。周知のニッケルベースの超合金インコネル７１３℃製のタービンロータの場合、シャフトとロータの間の適切な強力接合は、摩擦溶接又は電子ビーム溶接によって比較的容易に作り出すことができる。
【０００８】
対照的に、ＴｉＡｌと鋼製のシャフトの間に適切な強力接合を作り出すのは非常に難しく、追加の経費と工程が必要となるので、ＴｉＡｌロータを製造に使用する際の妨げになっている。ＴｉＡｌタービンロータを鋼製のシャフトに取り付けるのに、直接摩擦溶接を行うと、シャフトの鋼が冷却する際に、構造用鋼がオーステナイトからマルテンサイトに変態して鋼の体積膨張が起こり、その結果、接合部に高い残留応力が生じるので有効ではない。この難しさは、鋼とＴｉＡｌの溶解点の差が大きいことと、２つの合金の冶金学的特性が大きく異なっていることで倍加される。ＴｉＡｌは高い剛性を有しているが、室温での展性が低い（約１％）ので、ＴｉＡｌロータは、残留応力のために簡単に割れる。更に、加熱と冷却の間に、チタンは鋼内の炭素と反応し、接合界面に炭化チタンを形成するので、結果的に接合が弱くなる。
【０００９】
接合は、作動中のターボ過給機内に生じる温度の厳しい上昇と変動に耐えることができなければならないので、ＴｉＡｌロータを鋼製のシャフト又は何らかの金属製のシャフトに確実に取り付けるのは難しい。接合は、遠心力による高い周辺方向の負荷と、高く変動するトルクによる力にも耐えなければならない。従って、特に積極的で密接な接合を作り出して、異なる組成の第３の材料を介在させることなく、ＴｉＡｌロータを鋼製のシャフトに接続することは、殆ど不可能であると分かっている。
ＴｉＡｌロータを鋼製のシャフトに接続するために、マルテンサイト変態に煩わされることのないオーステナイト材料を介在させることが知られている。介在材料とタービンロータの間には、通常は溶接である第１の接合が必要であり、介在材料を介してロータをシャフトに取り付けるには、通常はこれも溶接である第２の接合が必要である。これらの余分な工程は、タービンロータ組立体の製造に、時間と経費を追加する。更に、介在材料の最終的な厚さを制御するのは難しい。
【００１０】
第１例として、ブログルらに発行の米国特許第５，４３１，７５２号は、ＴｉＡｌロータと鋼製のシャフトの間に介在させるニッケル合金部片を開示しており、介在部片は、シャフト及びロータに、摩擦溶接で順次接合される。
第２例として、イソベらに発行の米国特許第５，０６４，１１２号は、構造用鋼とＴｉＡｌ部材の間に介在して、強力な摩擦溶接を形成しているオーステナイトステンレス鋼、又はニッケルベース又はコバルトベースの超合金の使用を開示している。
【００１１】
第３例として、グエン−ディーンらに発行の米国特許第６，２９１，０８６号は、鋼部材とＴｉＡｌ部材を取り付けるための中間の鉄ベースの中間層を教示している。
第４例として、アンブロジアクらに発行の米国特許第５，３１１４，１０６号は、鋼部材とＴｉＡｌ部材を取り付けるために、それぞれ銅とバナジウムの２つの薄い中間層を提供している。上記４つの例は全て、追加工程、追加経費を必要とし、寸法的安定性が低下するという重大な欠点に煩わされる。
【００１２】
特開平第２−１３３１８３号に開示されているように、ＴｉＡｌロータを鋼製のシャフトに真空蝋付けすることも知られている。しかしながら、この方法は、高い真空の下で蝋付けしなければならず、時間も経費も掛かるという欠点に煩わされる。更に、この方法によって信頼性のある強力な接合を作れるかかどうかは疑わしい。
【００１３】
セラミックロータを鋼製のシャフトへ取り付けるための締まり嵌めも、知られている。ヨシカワらに発行の米国特許第５，１７４，７３３号は、軸方向突起を有するセラミックロータの、一端に突起を受け入れる軸方向のカップ型受口を有するシャフトへの取り付けを教示している。カップ型受口の内径は、突起の直径より約５０μｍ小さく、取り付けると、金属シャフトのセラミックロータに比べて大きな熱膨張率が、ロータとシャフトの間に強力な締まり嵌めを形成する。しかしながら、特に低温（７００℃以下）では、ＴｉＡｌは脆く、十分に強力な接合を達成するのに必要な表面圧力はＴｉＡｌの降伏点を超え、ロータが割れてしまうことになるので、この方法は、ＴｉＡｌロータを鋼製のシャフトに直接取り付けるのには適用できない。この問題は、安定した接合を達成するのにより高い表面圧力を必要とする大型ロータでは、更に悪化する。
【００１４】
もっと展性のあるロータ材料であるアルミニウムから成るロータであっても、鋼製のシャフトへの締まり嵌めは難しい。シャフトによってロータに直接掛けられる表面圧力を下げて、割れを低減するため、米国特許第３，０１９，０３９号は、ロータとシャフトの間に介在させるスリーブを教示しており、前記スリーブは、ロータとシャフトの中間の熱膨張率を有する材料で構成されている。追加の工程、余分なスリーブ、３つ全ての部品の精密な許容差に対する締まり嵌め法の要件、及び付随する追加の労働経費、これら全てが、ＴｉＡｌロータを鋼製のシャフトへ取り付けるのにこの方法を使用する気を萎えさせる。
【００１５】
従って、強力で寸法的に安定したロータシャフト組立体を経済的に製造するための、ＴｉＡｌロータを鋼製のシャフトに取り付ける方法が必要とされている。ロータとシャフトの間の接合は、大きく変動するトルクと温度に耐えられるだけ強力でなければならず、最小の工程と経費で済む方法によって形成されるのが望ましい。本発明は、上記及びそれ以上の利点を提供するものであり、以下の開示と図面を読めば当業者には明白になるであろう。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１６】
広範な態様において、本発明は、上記先行技術の欠点を克服し、ＴｉＡｌタービンロータと鋼製のシャフトの間に強力な接合を有するロータシャフト組立体を提供することに努めている。本発明は、作動中のターボ過給機に発生する高くて変動する温度に耐えることのできる冶金学的接合により、ロータとシャフトの密接で積極的な結合を提供する。更に、本発明は、ロータとシャフトの接合面に生じる大きい遠心力に耐えることができ、比較的高いシャフトトルクを伝達するのにも適した冶金学的接合を提供する。
【００１７】
本発明の第１の実施形態によれば、軸の回りに自転してコンプレッサを駆動し圧縮空気を内燃機関に供給するためのターボ過給機で用いられる型式のロータシャフト組立体が提供されている。ロータシャフト組立体は、冶金学的接合によって一つに接合されている少なくとも２つの部分を有している。ロータシャフトは、鋼製のシャフト、望ましくはステンレス鋼製のシャフトを備えている。ＴｉＡｌロータには、形状的にシャフトの近位端を軸方向に受け入れるように作られている中央ハブが設けられており、ロータシャフト組立体のシャフトは、ロータのハブに軸方向に取り付けられ、シャフトとロータに共通の回転軸を形成している。タービンロータは、完成した、又は完成品に近いシャフトに軸方向に取り付けられているロータの粉末形成体が焼結される間に形成される強力な冶金学的接合によって、シャフトの近位端に接合されている。
【００１８】
本発明の第２の実施形態によれば、鋼製のシャフトをタービンロータ組立体のＴｉＡｌロータのハブに効率的に軸方向に接合するための方法が提供されている。第１段階で、鋼製のシャフトの近位端は、ＴｉＡｌロータの粉末成形体のハブに、或る軸方向位置で取り付けられる。成形体は、結合剤と混ぜ合わされたＴｉＡｌ粉末を備えており、結合剤とその量は、焼結段階の間に所定量の成形体の収縮が生じるように選択される。焼結段階の間に、ハブの収縮は、シャフト上にハブの高い表面圧力を確立して維持し、その結果、少なくとも１つの固体状態の拡散構成要素と、焼結条件次第では、随意に溶融構成要素とを備えた強力な冶金学的接合が形成される。
【００１９】
第３の実施形態では、ロータは、シャフトを、前記ロータのハブ内に配置されている軸方向ポケット内に受け入れるようになっており、１つ又は複数のほぼ閉じている軸方向エアポケットは、シャフトとロータの間に、その取り付けられた位置に設けられている。１つ又は複数の軸方向ポケットは、好都合に、ターボ過給機の作動の間、ロータからシャフトへの熱伝達を最小にする。
本発明のタービンロータ組立体には、当業者には周知の技術によって、寸法精度、バランス、及び／又は表面仕上げをよくするため、随意的に、機械加工仕上げが施される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下の詳細な説明を参照し、添付図面と関連付けて考察すれば、本発明をより深く理解し、その付随する利点の多くを容易に理解頂けよう。
【００２１】
本発明のロータシャフト組立体の基本的な実施形態を図１に示している。ロータシャフト組立体１０１は、ＴｉＡｌロータ１０３を備えており、ＴｉＡｌロータ１０３は、複数の羽根１０５を備えている。ＴｉＡｌロータ１０３は、ロータシャフト組立体の共通回転軸１１１回りに配置されたハブ１０９を備えている。ハブ１０９の内側面１２３は、金属シャフト１０７の近位端１１３と密着した積極的な接続状態にある。ロータ１０３のハブ１０９は、鋼製のシャフト１０７の近位端１１３と軸方向に係合するよう作られている。図１の具体的な実施形態では、鋼製のシャフト１０７の近位端１１３は、鋼製のシャフト１０７の近位端１１３の外周１２１回りに放射状に、望ましくは等距離に配置された複数の局所切り欠き１１５を備えている。取り付けられた状態では、局所切り欠き１１５は、ロータ１０３のハブ１０９内の相当する突出部１１７と係合している。
【００２２】
随意的に、１つ又は複数の空洞１１９が、ロータ１０３のハブの内側面１２３とシャフト１０７の近位端１１３の表面との間に設けられている。単一又は複数の空洞は、高温の排気に曝されるロータからシャフト及びそのベアリングへの熱伝達を最小にするので好都合である。
本発明の金属射出成形され焼結される物品は、金属粒子を結合剤内に混合したものを射出成形することによって準備される。金属粒子を結合剤内に混合したものを射出成形することによって準備された部品は、結合解除又は焼結前は、本明細書では「成形体」と呼んでいる。成形体は、当該技術では既知のように、結合解除段階と焼結段階を経て、それぞれ結合剤が取り除かれ、金属密度が増す。従って、ＴｉＡｌロータの成形体、即ち「ロータ成形体」は、ＴｉＡｌ粒子と結合剤の混合物を射出成形することによって準備される。使用されるＴｉＡｌ金属間化合物は、完成後の固められた状態で、作動中のターボ過給機内の温度と応力に耐え、腐食に抵抗することができるように選択されるが、それ以外には制限はない。
【００２３】
単一相の具体的な化合物ＴｉＡｌ（「ＴｉＡｌ」は、本明細書では特に化学式の意味でで用いており、特に指定しない限り本明細書の用法から明らかなように、ＴｉＡｌ金属間化合物から成るチタン合金である）及びＴｉ3Ａｌは、脆くて弱いが、アルミニウムが材料の約３１−３５重量％を占め、Ｔｉが実質的に残りの質量全てを占めるときには、二相の金属間化合物ＴｉＡｌが形成される。二相のＴｉＡｌは、特に高温では優れた展性と強度を示す。
【００２４】
本発明のロータの成形体を射出成形するのに用いられるＴｉＡｌ金属粉末内に別の金属を入れると好都合である。約０．２から約４％の範囲内の少量のクロム、マンガン及びバナジウムは、展性を改良する。約４％より多くなると、酸化抵抗と高温強度が低下する。ニッケル、タンタル及びタングステンは、一般的にＴｉＡｌの酸化抵抗を改良する。約０．０１％から約１％の間の量のシリコンは、クリープと酸化抵抗を改良する。本発明で使用するのに適するＴｉＡｌ材料は、米国特許第５，０６４，１１２号、第５，２９６，０５５号、米国出願公開第２００１／００２２９４６  Ａ１、及び米国特許第６，１４５，４１４号に開示されている材料を含むが、それに限定されるわけではない。
【００２５】
ロータ成形体を準備するのに用いられるＴｉＡｌは、約１μｍから約４０μｍの粒子サイズを有するミクロンサイズの粉末状である。粒子サイズは、約１μｍから１０μｍの間にあるのが望ましい。約１０μｍより小さい粒子サイズを有する微小粉末金属を製造するための方法は、例えば、プラズマ放電球状化（Ｍｅｒ社）など、当技術では知られている。
ＴｉＡｌ粉末は、射出成形に備え結合剤と混ぜ合わされる。結合剤は、ワックス、ポリエチレンやポリプロピレンのようなポリオレフィン、ポリスチレン、塩化ポリビニル、炭酸ポリエチレン、ポリエチレングリコール及び微細結晶ワックスを含む幅広い既知の結合材料の中から選択できるが、それらに限定されるわけではない。米国特許第５，３３２，５３７号に記載されている種類の水性結合剤システムと、米国特許第４，７３４，２３７号、第５，９８５，２０８号、及び第５，２５８，１５５号に記載されている寒天ベースの結合剤も適している。粉末金属との互換性、混合し易さ、成形特性、及び結合剤の熱分解生成物のチタンとの反応による有害な炭化チタンを形成する性質、を基準に、具体的な結合剤が選択される。熱可塑性結合剤が好ましい。
【００２６】
この他、結合剤の選択時に考慮されることは、焼結の間に必要なロータ成形体の収縮の程度である。一般的に、ＴｉＡｌ成形体の焼結の間に、約１５％の収縮が得られる。しかしながら、収縮の程度は、結合剤の選択と、混合物内の結合剤とＴｉＡｌ粉末の割合と、結合解除又は焼結条件の選択とによって事前に定めることができる。参考文献としてここに援用するスギハラらに発行の米国特許第５，５５４，３３８号は、複合材本体の外側成形体を準備するのに適した結合剤を開示しており、外側成形体の収縮を予め選択することによって、成形体の、内側本体及び広い接触領域との緊密な適合状態を確実に得られるようにしている。
【００２７】
この他更に、結合剤の選択時に考慮されることは、結合解除又は焼結条件の下でＴｉＡｌ粉末のチタンと反応して炭化チタンを形成する性質を有する結合剤の使用を避けることである。
本明細書の何れも、本発明のロータシャフト組立体のロータ又はシャフトを、同じ金属組成を有するロータ又はシャフトに限定していると解釈すべきではない。二金属の金属射出成形が知られており（例えば、米国特許出願公開第ＵＳ２００３／００１２６７７  Ａ１号参照）、その場合、結合剤に混ぜられた異なる金属粉末組成物が、成形型の異なる部分に配置され、不均質な金属配置を有する物品が作られる。そのような方法は、本発明の工程と組み立てに十分に適合する。
【００２８】
ロータとは対照的に、本発明のロータシャフト組立体のシャフトは、限定するわけではないが、機械加工、鍛造、高温静水圧プレス成形、金属射出成形、鋳造などを含む、当該技術で既知の何れかの方法によって、最終製品に近い形状で準備される。粉末の鋼は、ターボ過給機内で適切な運転を提供するのに釣り合う引張強度と腐食抵抗を有すべきことを除けば、特に限定されない。腐食抵抗を付与するために、鉄と少なくとも１つの別の成分を含むステンレス鋼合金が好適である。合金になっている金属は、クロム、ニッケル、シリコン及びモリブデンの内の少なくとも１つを含んでいてもよい。適した鋼には、１７−４ＰＨのステンレス鋼のような析出硬化ステンレ鋼が含まれ、これは、鉄、１７％のクロム、４％のニッケル、４％の銅、及び０．３％のニオブ及びタンタルの合金であり、析出硬化させたものである。４１４０のような中炭素鋼が好適である。
【００２９】
ＴｉＡｌロータ成形体は、シャフトの近位端の部分を受け入れるように作られている中央ハブを備えている。ハブにシャフトを取り付ける手段は、取り付けたときに、シャフトの近位端の少なくとも一部分の全円周表面がハブで取り囲まれ、焼結の間のハブ及びロータの収縮によって、予成形されたシャフトの連結表面に相当な表面圧力を掛けて冶金学的接合の形成が促進されるようにする必要があること以外は、特に制限はない。ハブ成形体のシャフトへの嵌め合いは、様々な要因に従って事前に決定される。成形体は、引張強度が低く、そのため締まり嵌めにはできない。当該技術で既知の原理に従って、金属粉末の粒子サイズ及び組成と、結合剤と、結合解除及び焼結の条件を選択することによって、当業者であれば、焼結の間のロータ成形体の収縮の割合と程度を容易に事前決定することができる。スギハラらに発行の米国特許第５，５５４，３３８号を参照されたい。特に、ロータ成形体の収縮及び収縮の割合を事前決定することによって、焼結の間に、シャフトとロータとの間に強力な冶金学的接合の形成を促進できるだけの密着嵌めが作り出される。これらを考慮すると、シャフトの寸法と、ロータモールドの寸法が分かる。成形体のシャフトへの嵌合は、両嵌め合い部品の間の隙間を最小にして、但し、ロータ成形体に応力を発生させることなくロータを取り付けることができるように、滑り嵌めか、押込嵌めであるのが望ましい。収縮の程度が大きい成形体を用いる場合は、焼結の間のロータ残りの部分に対するハブの歪みを防ぐために、シャフトとハブとの間に追加の隙間が必要である。
【００３０】
驚いたことに、本発明の発明人は、焼結の間にシャフトとロータハブとの連続した密な嵌め合いを作り出すようロータ成形体の収縮の割合及び収縮の程度を事前決定することによって、ターボ過給機のロータシャフト組立体のＴｉＡｌロータと鋼製のシャフトの異種材料の間に、十分な強度の接合を作り出せることを発見した。
【００３１】
図２は、ロータ成形体２０３と、予成形された鋼製のシャフト１０７を備えた未焼結の組立体２０１を示している。具体的には、焼結前に、ロータ成形体２０３のハブ２０９に取り付けられている予成形されたシャフト１０７の近位端の連結表面の断面を示している。鋼製のシャフト１０７の近位端は、ロータ成形体のハブ２０９に、回転軸１１１に沿って軸方向に取り付けられている。随意的に、予成形されたシャフト１０７とハブ２０９の内側表面の間に、隙間２１１が設けられる。隙間は、焼結時のシャフトに対するハブの歪みを回避し、なお且つ焼結の間のシャフトとハブの間の密着を維持するように選択される。密着は、局部接触を増大させることによって接合を促進する。
【００３２】
ロータ成形体の微粒子は、連結面で固相拡散を受けることが知られており、多分これによって接触点での局所接合が促進されるのであろう。従って、微細粉末は、焼結の間に拡散接合の形成を促進する特性である、高い表面エネルギーと高い拡散性を有しているので、好適である。高い焼結温度では、接合表面における局所的な液相の形成によって、融解接合も接合に寄与していると推測される。
従って、冶金学的接合は、固相拡散接合からの寄与を含んでいると推測され、或る種の金属の液相が生じる場合、融解接合、及び本明細書で用いている用語「冶金学的接合」は、この意味を有している。ゲゲル及びオットに発行の米国特許第６，５５１，５５１号を参照されたい。
【００３３】
ロータ成形体とシャフトの取り付け後に、取り付けられた成形体は、結合剤を取り除くため結合解除処理される。結合解除している製品は、「ブラウン」ロータシャフト組立体と呼ばれる。結合解除は、通常、実質的に全結合剤を分解し取り除くことのできる、約３００℃よりも低い温度で行われる。結合解除温度は、約２００℃と２５０℃との間であるのが望ましい。水を含む溶剤は、低温で結合解除するのに用いることができ、結合剤に適している。
【００３４】
ブラウンロータシャフト組立体の焼結は、通常、約１２００℃から約１４３０℃の温度で、約４５分から約２時間の間、行われる。具体的な焼結条件は、使用される具体的な結合剤と、ＴｉＡｌ合金と、焼結される物体の形状及び寸法次第である。酸化を最小にするために、焼結は、部分真空内で、又は少なくとも５０％水素の雰囲気で行うのが望ましい。焼結は、９０％水素の雰囲気で行うのが最も望ましい。窒素及びアルゴンも酸化を最小にするが、水素は、高密度化に効果のあることが知られている。
【００３５】
焼結処理は、連結されたロータシャフト組立体を完成品に近い形状で作り出す。通常、当業者には周知の追加の仕上げ処理を施すのが望ましい。ロータシャフト組立体は、機械加工して、例えば高速運転に備え組立体のバランスを改良することもできるし、ボールピーニング等のような数多くの技術の何れかで表面を改良してもよい。
【００３６】
図３は、随意的な近位シャフト端部の幾つかの断面を示しており、各シャフト端部は、それぞれシャフトに合うように作られたタービンロータに取り付けられる。ハブをシャフトの近位端に適合させる手段は、適切な接合表面を提供し、高速安定性のためにロータシャフト組立体のバランスを維持することを除いて、何ら限定されない。従って、対称性が高く、本質的にバランスが取れているシャフト端部形状が好ましい。シャフトに円筒形の近位端部を用いてもよいが、シャフトとロータの独立した回転を妨げるような近位シャフト端部形状を使用することによって、ロータのシャフトからの分離に対する強力な抵抗を作り出すことができる。シャフトの近位端は、多角形であるか、平面付きシャフトであるか、局所ノッチを備えているか、ねじ付きシャフトであるのが望ましい。具体的用途の設計制約内で、シャフトとロータの独立した回転を防ぎバランスの取れたロータシャフト組立体を作るための、適するように作られているシャフトにロータのハブを取り付けることのできる上記及びその他の手段を、当業者であれば容易に理解できるであろう。
【００３７】
当業者であれば、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、様々な修正及び変更を施すことができるであろう。従って、本発明のここに示した実施形態は、例示のみを目的に説明したものであり、特許請求の範囲に定義する本発明に制限を加えるものと捉えるべきではない旨理解頂きたい。
本発明を説明するために本明細書で用いている用語は、一般的に定義されている意味としてのみ理解するのではなく、一般的に定義されている意味の範囲を超える特定の定義、構造、材料又は作用も含んでいる。従って、特許請求の範囲の言葉又は要素の定義は、本明細書では、字義通りに説明されている要素の組み合わせだけでなく、実質的に同じ機能を実質的に同じ方法で実行し実質的に同じ結果を得るるための全ての等価な構造、材料、又は作用も含むものと定義される。
【００３８】
請求されている要素の等価物に加えて、現在又は後で、当業者の知ることとなる明らかな代替物も、定義されている要素の範囲内にあるものと定義される。
従って、請求項は、具体的に上で図示し説明されているもの、概念的に等価なもの、明らかに代替できるもの、及び本発明の基本的着想を組み込んでいるもの、を含んでいるものと理解頂きたい。
以上、本発明を説明した。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】図１（Ａ）は本発明の或る実施形態のロータシャフト組立体の概略断面を示し、図１（Ｂ）随意の局所ノッチが設けられている或るシャフトの実施形態の近位端の軸方向断面を示し、図１（Ｃ）は図１（Ｂ）のシャフトを長手方向から見た断面を示している。
【図２】図２（Ａ）は焼結前のロータのハブに取り付けられているシャフトの近位端の接合面の軸方向断面を示し、図２（Ｂ）は同接合面の横断方向断面を示している。
【図３】４つの代表的なシャフト近位端部を各シャフトに合わせたロータハブに取り付ける断面を示しており、図３（Ａ）はシャフトにローレットが形成されている場合を示し、図３（Ｂ）はシャフトが多角形で形成されている場合を示し、図３（Ｃ）は平面付きシャフトの場合を示し、図３（Ｄ）はシャフトにねじが形成されている場合を示している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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