(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックタービンホイールと金属部品の接合構造において、同セラミックタービンホイールのボス部の外径に略等しい内径を有し同ボス部の外周に接合される環状の中間金属部品と、同中間金属部品に取り付けられ前記ボス部の外周に設けられた凹部に差し込まれるピンを備え、前記中間金属部品は前記ピンを前記凹部に差し込み前記ボス部との間に流し込まれたろう材を介して同ボス部に接合し、前記金属部品はその環状部の内周に設けためねじ部を前記中間金属部品の外周に設けたおねじ部に螺合させ且つ同環状部の先端を同中間金属部品にかしめて同中間金属部品に接合してなることを特徴とするセラミックタービンホイールと金属部品の接合構造。
【請求項２】
請求項１に記載のセラミックタービンホイールと金属部品の接合構造において、前記ろう材は、前記セラミックタービンホイールのボス部と前記中間金属部品とを接合位置に保って同セラミックタービンホイールの使用温度条件より高温に加熱した接合部内に流し込まれたものあることを特徴とするセラミックタービンホイールと金属部品の接合構造。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のセラミックタービンホイールと金属部品の接合構造において、前記中間金属部品は一体の環状部品であることを特徴とするセラミックタービンホイールと金属部品の接合構造。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載のセラミックタービンホイールと金属部品の接合構造において、前記中間金属部品は一か所切り離し部を有するか、複数に分割される構造の環状部品であることを特徴とするセラミックタービンホイールと金属部品の接合構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミックタービンホイールと金属部品との接合構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図３に基づき、従来のセラミックタービンホイールと金属部品との接合構造を説明する。図３はガスタービンのセラミックタービンホイールと接合された金属部品の縦断面図である。
【０００３】
ガスタービン等のセラミックタービンホイール０１は圧縮機側と直接接続構造を取り難いため、セラミックタービンホイール０１のボス部０１ａに予め環状内面０２ａを有する金属部品０２を接合し、その金属部品０２を介して圧縮機側と接続させている。
【０００４】
金属部品０２には低膨張合金を用い、その環状内面０２ｂの径がボス部０１ａの外径に略等しく、ボス部０１ａに隙間がほぼ０で嵌まるように加工されている。
【０００５】
金属部品０２にセラミックタービンホイール０１のボス部０１ａを嵌合させて嵌合部にろう材３を置いた状態で加熱すると、金属部品０２の膨張によって生じた隙間にろう材が侵入し、その後冷却すると、金属部品０２とセラミックタービンホイール０１のボス部０１ａは間にろう材を挟んで焼きばめされ、両者は接合される。
【０００６】
しかしながら、上記のような接合構造は、焼きばめによる締め付け力が支配的な接合であるため、高温かつ高回転における接合強度の低下が大きいという問題があった。
【０００７】
また、焼きばめの条件において、セラミック部分の割れや、金属部分の熱処理の関係から、接合強度の増加は困難であり限界があった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述の、従来のセラミックタービンホイールと金属部品の接合構造の問題点を解消し、セラミックタービンホイールから、より強度のトルクおよびスラストを伝達でき、高温かつ高回転における接合強度の低下が少ないセラミックタービンホイールと金属部品の接合構造を提供することを課題とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
（１）本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、その第１の手段として、セラミックタービンホイールと金属部品の接合構造において、同セラミックタービンホイールのボス部の外径に略等しい内径を有し同ボス部の外周に接合される環状の中間金属部品と、同中間金属部品に取り付けられ前記ボス部の外周に設けられた凹部に差し込まれるピンを備え、前記中間金属部品は前記ピンを前記凹部に差し込み前記ボス部との間に流し込まれたろう材を介して同ボス部に接合し、前記金属部品はその環状部の内周に設けためねじ部を前記中間金属部品の外周に設けたおねじ部に螺合させ且つ同環状部の先端を同中間金属部品にかしめて同中間金属部品に接合してなることを特徴とするセラミックタービンホイールと金属部品の接合構造を提供するものである。
【００１０】
上記第１の手段においては、ピンと凹部によりトルクおよびスラストを構造的に伝達でき、中間金属部品の外周に金属部品が螺合され且つかしめられるので、金属部品が中間金属部品に強固に接合されるのみならず、ピンが抜けることが防止される。
【００１１】
また、ボス部と中間金属部品の接合部内にろう材が均一に侵入し全周にわたる接合がなされ、トルクおよびスラストの伝達において応力集中が避けられ、また緩衝効果も有する。
【００１２】
（２）第２の手段としては、上記第１の手段のセラミックタービンホイールと金属部品の接合構造において、前記ろう材は、前記セラミックタービンホイールのボス部と前記中間金属部品とを接合位置に保って同セラミックタービンホイールの使用温度条件より高温に加熱した接合部内に流し込まれたものあることを特徴とするセラミックタービンホイールと金属部品の接合構造を提供するものである。
【００１３】
上記第２の手段においては、第１の手段の特徴に加え、セラミックタービンの使用温度条件よりも高温で加熱してろう材を侵入させた後、中間金属部品が冷却されるので焼きばめの効果が得られる。
【００１４】
（３）第３の手段としては、上記第１の手段または第２の手段のセラミックタービンホイールと金属部品の接合構造において、前記中間金属部品は一体の環状部品であることを特徴とするセラミックタービンホイールと金属部品の接合構造を提供するものである。
【００１５】
上記第３の手段においては、第１の手段または第２の手段の特徴に加え、中間金属部品とセラミックタービンホイールのボス部との焼きばめ効果をより強固に発揮させることができる。
【００１６】
（４）第４の手段としては、上記第１の手段または第２の手段のセラミックタービンホイールと金属部品の接合構造において、前記中間金属部品は一か所切り離し部を有するか、複数に分割される構造の環状部品であることを特徴とするセラミックタービンホイールと金属部品の接合構造を提供するものである。
【００１７】
上記第４の手段においては、第１の手段または第２の手段の特徴に加え、中間金属部品へのピンの取り付け工程がより容易となる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１および図２に基づき、本発明の実施の一形態に係るセラミックタービンホイールと金属部品の接合構造を説明する。図１はガスタービンのセラミックタービンホイールと接合された金属部品の縦断面図であり、図２は図１中Ａ部の拡大図である。
【００１９】
図１に示すように、セラミックタービンホイール１のボス部１ａにはその外周にその外径に略等しい内径を有する環状の低膨張合金の中間金属部品４が、中間金属部品４に取り付けられてその内周面４ｃ側に突出するピン４ａをセラミックタービンホイール１のボス部１の外周に設けられた凹部１ｂに差し込んだ状態で、ろう材３を挟んで接合されている。
【００２０】
中間金属部品４の外周には、おねじ部４ｂが設けられ、おねじ部４ｂに螺合するめねじ部２ｂを設けた環状部２ａを有する低膨張合金の金属部品２が螺合により取り付けられ、環状部２ａの先端は中間金属部品４に対してかしめられている。なお、おねじ部４ｂとめねじ部２ｂは、セラミックタービンホイール１から受けるトルク負荷によって互いに締まる方向のねじとする。
【００２１】
上記の本実施の形態の接合構造を得る手順を説明すると、中間金属部品４が予め一体の環状部品としてある場合は、中間金属部品４にボス部１ａの凹部１ｂの位置に合わせてピン取付け孔を備えておき、ボス部１ａに中間金属部材４を嵌合した接合位置で、ピン４ａを凹部１ｂに差し込むようにして中間金属部材４に取り付ける。
【００２２】
中間金属部品４が１か所切離し部を有するか、複数に分割される構造の場合は予めピン４ａを取り付けた中間金属部品４を、ピン４ａを凹部１ｂに差し込むようにしてボス部１ｂに装着する。この場合、ピン４ａの取り付け工程が容易となるが、上記の一体の中間金属部品４の場合のように、中間金属部品４をボス部１ｂに接合位置に装着後、ピン４ａを凹部１ｂに差し込むように取り付けてもよい。
【００２３】
その後、セラミックタービンホイール１のボス部１と中間金属部品４とを接合位置に保ち、その接合部にろう材３を置いた状態でセラミックタービンホイール１の使用温度条件よりも高温で加熱すると、ろう材３が接合部内に均一に流れ込みピン４ａと凹部１ｂとの間にも侵入し、冷却後は中間金属部品４の冷却収縮により中間金属部品４とセラミックタービンホイール１のボス部１ａは間にろう材を挟んで焼きばめされたように接合される。特に中間金属部品４が一体の環状部品としてある場合は、焼きばめ効果をより強固に発揮させることができる。
【００２４】
中間金属部品４の外周のおねじ部４ａには、金属部品２の環状部２ａ内周に設けられためねじ部２ｂを螺合させて金属部品２を取り付け、さらにねじが抜けないよう環状部２ａの先端を中間金属部品４に対してかしめることにより、セラミックタービンホイール１は金属部品２と強固に接合される。
【００２５】
以上説明した本実施の形態のセラミックタービンホイール１と金属部品２の接合構造においては、ピン４ａを設けたことにより凹部１ｂとの間でトルクおよびスラストを構造的に伝達でき、前述の従来例のように加熱によって接合強度に不安定を生じることがない。
【００２６】
ピン４ａを取り付けた中間金属部品４の外周は金属部品２が覆うように螺合され且つかしめられるので、金属部品２が中間金属部品４に強固に接合されるのみならず、ピン４ａが抜けることが防止され、上記トルクおよびスラストの構造的な伝達が確実なものとなる。
【００２７】
ろう材３は、中間金属部品４とボス１ａの接合部の隙間に均一に侵入しているので全周にわたり接合がなされトルクおよびスラストの伝達において応力集中が避けられ、また緩衝効果も有する。
【００２８】
また、セラミックタービンホイール１の使用温度条件よりも高温で加熱された接合部にろう材３が侵入した後、中間金属部品が冷却されるので焼きばめの効果も得られるものとなる。
【００２９】
したがって、上記実施の形態の構成においては、より強度のトルクおよびスラストを伝達でき、高温且つ高回転において接合強度の低下が少なく、さらに、トルクおよびスラスト荷重の負荷に対して、ピン４ａに発生する剪断応力が使用材料の剪断強度以下かつセラミック部品に発生する最大応力割れの発生しないようにピン４ａの形状、数量を設定することで対処できるので、トルクおよびスラスト荷重の増加に対して容易に対応できるものとなる。
【００３０】
以上、本発明装置の実施の形態を説明したが、上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内でその具体的構造に種々の変更を加えてもよいことは言うまでもない。
【００３１】
【発明の効果】
（１）以上、本発明中請求項１の発明は、セラミックタービンホイールと金属部品の接合構造において、同セラミックタービンホイールのボス部の外径に略等しい内径を有し同ボス部の外周に接合される環状の中間金属部品と、同中間金属部品に取り付けられ前記ボス部の外周に設けられた凹部に差し込まれるピンを備え、前記中間金属部品は前記ピンを前記凹部に差し込み前記ボス部との間に流し込まれたろう材を介して同ボス部に接合し、前記金属部品はその環状部の内周に設けためねじ部を前記中間金属部品の外周に設けたおねじ部に螺合させ且つ同環状部の先端を同中間金属部品にかしめて同中間金属部品に接合してなるように構成したので、加熱によるセラミックタービンホイールと中間金属部品の接合強度の不安定がなく、中間金属部品の外周に金属部品が螺合され且つかしめられるため、金属部品が中間金属部品に強固に接合されるのみならず、ピンが抜けることが防止され、トルクおよびスラストの構造的な伝達が確実なものとなる。
【００３２】
また、ろう材が中間金属部品とボス部との接合部内に均一に侵入し全周にわたる接合がなされているので、トルクおよびスラストの伝達において応力集中が避けられ、また緩衝効果も有するものとなる。
【００３３】
したがって、より強度のトルクおよびスラストを伝達でき、高温且つ高回転において接合強度の低下が少なく、さらに、トルクおよびスラスト荷重の負荷の増大に対してはピンの形状、数量を設定することで容易に対応できるセラミックタービンホイールと金属部品の接合構造が得られる。
【００３４】
（２）請求項２の発明によれば、請求項１に記載のセラミックタービンホイールと金属部品の接合構造において、前記ろう材は、前記セラミックタービンホイールのボス部と前記中間金属部品とを接合位置に保って同セラミックタービンホイールの使用温度条件より高温に加熱した接合部内に流し込まれたものであるように構成したので、請求項１の発明の効果に加え、セラミックタービンホイールの使用温度条件よりも高温で加熱してろう材を侵入させた後、中間金属部品が冷却されるので焼きばめの効果が得られるものとなる。
【００３５】
（３）請求項３の発明によれば、請求項１または請求項２に記載のセラミックタービンホイールと金属部品の接合構造において、前記中間金属部品は一体の環状部品であるように構成したので、請求項１または請求項２の発明の効果に加え、中間金属部品とセラミックタービンホイールのボス部との焼きばめ効果をより強固に発揮させることができるものとなる。
【００３６】
（４）請求項４の発明によれば、請求項１または請求項２に記載のセラミックタービンホイールと金属部品の接合構造において、前記中間金属部品は一か所切り離し部を有するか、複数に分割される構造の環状部品であるように構成したので、請求項１または請求項２の発明の効果に加え、中間金属部品へのピンの取り付け工程をより容易とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態に係るセラミックタービンホイールと金属部品の接合構造の説明図であり、ガスタービンのセラミックタービンホイールと接合された金属部品等の縦断面図である。
【図２】図１中Ａ部の拡大図である。
【図３】従来のセラミックタービンホイールと金属部品との接合構造の説明図であり、ガスタービンのセラミックタービンホイールと接合された金属部品等の縦断面図である。
【符号の説明】
１            セラミックタービンホイール
１ａ          ボス部
１ｂ          凹部
２            金属部品
２ａ          環状部
２ｂ          めねじ部
３            ろう材
４            中間金属部品
４ａ          ピン
４ｂ          おねじ部
４ｃ          内周面
【図１】
0003806296.tif 000002
【図２】
0003806296.tif 000003
【図３】
0003806296.tif 000004