特許 7156509 タービンホイールの製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-10-11

(45)【発行日】2022-10-19

(54)【発明の名称】タービンホイールの製造方法

(51)【国際特許分類】

   F02B 39/00 20060101AFI20221012BHJP

   B22D 27/04 20060101ALI20221012BHJP

   F01D 5/04 20060101ALI20221012BHJP

   F01D 5/14 20060101ALI20221012BHJP

   F01D 5/28 20060101ALI20221012BHJP

【ＦＩ】

F02B39/00 U

B22D27/04 A

F01D5/04

F01D5/14

F01D5/28

F02B39/00 Q

F02B39/00 R

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2021512055

(86)(22)【出願日】2020-03-27

(86)【国際出願番号】 JP2020014267

(87)【国際公開番号】W WO2020203868

(87)【国際公開日】2020-10-08

【審査請求日】2021-07-19

(31)【優先権主張番号】P 2019069698

(32)【優先日】2019-04-01

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000000099

【氏名又は名称】株式会社ＩＨＩ

(74)【代理人】

【識別番号】100083806

【弁理士】

【氏名又は名称】三好 秀和

(74)【代理人】

【識別番号】100101247

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 俊一

(74)【代理人】

【識別番号】100095500

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 正和

(74)【代理人】

【識別番号】100098327

【弁理士】

【氏名又は名称】高松 俊雄

(72)【発明者】

【氏名】筑後 一義

(72)【発明者】

【氏名】内藤 亮佑

(72)【発明者】

【氏名】加藤 佳樹

【審査官】小関 峰夫

(56)【参考文献】

【文献】特開昭５９－１８０００７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－２８３０４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－３３１３５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－１６２０４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－２５５８９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－２２３３３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開平０４－０１４７０２（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２２Ｄ ２７／０４

Ｆ０１Ｄ ５／０４

Ｆ０１Ｄ ５／２８

Ｆ０２Ｂ ３９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

過給機用のタービンホイールの製造方法であって、
軸体をＮｉ合金で鋳造し、複数の翼体をＮｉ合金で一方向凝固鋳造または単結晶鋳造する鋳造工程と、
前記複数の翼体を、結晶成長方向と遠心力方向とが同じ方向となるようにして、前記軸体の周りに組み立てる組立工程と、
を備え、
前記鋳造工程は、前記複数の翼体の１つと、前記軸体を軸方向に分割した複数の分割軸体の１つと、を一体とした複数の単翼構造体をＮｉ合金で鋳造すると共に、前記単翼構造体の翼体を一方向凝固鋳造または単結晶鋳造し、
前記組立工程は、前記複数の単翼構造体の分割軸体を軸方向に積層した後に、前記複数の単翼構造体の分割軸体同士を一体で接合する、タービンホイールの製造方法。

【請求項2】

請求項１に記載のタービンホイールの製造方法であって、
前記組立工程は、前記単翼構造体の分割軸体に軸方向に貫通するピン穴を形成し、前記複数の単翼構造体の分割軸体を軸方向に積層した後に、前記ピン穴にＮｉ合金で形成されるピンを挿通し、前記複数の単翼構造体の分割軸体同士を前記ピンと一体で接合する、タービンホイールの製造方法。

【請求項3】

過給機用のタービンホイールの製造方法であって、
軸体をＮｉ合金で鋳造し、複数の翼体をＮｉ合金で一方向凝固鋳造または単結晶鋳造する鋳造工程と、
前記複数の翼体を、結晶成長方向と遠心力方向とが同じ方向となるようにして、前記軸体の周りに組み立てる組立工程と、
を備え、
前記鋳造工程は、前記複数の翼体における前記軸体に対して対向する２つの翼体と、前記軸体を軸方向に分割した複数の分割軸体の１つと、を一体とした複数の２枚翼構造体をＮｉ合金で鋳造すると共に、前記２枚翼構造体の２つの翼体を一方向凝固鋳造または単結晶鋳造し、
前記組立工程は、前記複数の２枚翼構造体の分割軸体を軸方向に積層した後に、前記複数の２枚翼構造体の分割軸体同士を一体で接合する、タービンホイールの製造方法。

【請求項4】

請求項３に記載のタービンホイールの製造方法であって、
前記組立工程において、前記２枚翼構造体の分割軸体に軸方向に貫通するピン穴を形成し、前記複数の２枚翼構造体の分割軸体を軸方向に積層した後に、前記ピン穴にＮｉ合金で形成されるピンを挿通し、前記複数の２枚翼構造体の分割軸体同士を前記ピンと一体で接合する、タービンホイールの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、タービンホイール及びその製造方法に係り、特に、過給機用のタービンホイール及びその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

過給機は、タービンホイールと、コンプレッサインペラと、を備えている。タービンホイールと、コンプレッサインペラとは、ロータ軸で連結されている。タービンホイールは、高温の燃焼ガスに曝される。このため、過給機用のタービンホイールは、Ｎｉ合金で鋳造されている（特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００４－１０７７２４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、過給機用のタービンホイールは、中心軸の周りに複数の翼が設けられて構成されている。タービンホイールは、複数の翼がＮｉ合金により中心軸と一体で普通鋳造されて製造されている。このことから翼は、Ｎｉ合金の等軸晶からなる金属組織で形成されている。翼の金属組織が等軸晶からなる場合には、翼の遠心力方向に対して高温クリープ強度等の機械的強度が低くなり、タービンホイールの耐熱性が低下する可能性がある。

【0005】

そこで本開示の目的は、耐熱性を向上させることが可能なタービンホイール及びその製造方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示に係るタービンホイールは、過給機用のタービンホイールであって、Ｎｉ合金で形成される軸体と、前記軸体の周りに設けられ、Ｎｉ合金の柱状晶または単結晶で形成されており、結晶成長方向と遠心力方向とが同じ方向である複数の翼体と、を備える。

【0007】

本開示に係るタービンホイールにおいて、前記軸体は、等軸晶で形成されていてもよい。

【0008】

本開示に係るタービンホイールの製造方法は、過給機用のタービンホイールの製造方法であって、軸体をＮｉ合金で鋳造し、複数の翼体をＮｉ合金で一方向凝固鋳造または単結晶鋳造する鋳造工程と、前記複数の翼体を、結晶成長方向と遠心力方向とが同じ方向となるようにして、前記軸体の周りに組み立てる組立工程と、を備える。

【0009】

本開示に係るタービンホイールの製造方法において、前記鋳造工程は、前記複数の翼体を、翼体ごとに単翼で鋳造し、前記組立工程は、前記複数の翼体を、前記軸体の周りに接合してもよい。

【0010】

本開示に係るタービンホイールの製造方法において、前記組立工程は、前記軸体の周りに軸方向に沿って前記翼体を嵌合可能な嵌合溝を形成し、前記翼体を前記嵌合溝に嵌合させて接合してもよい。

【0011】

本開示に係るタービンホイールの製造方法において、前記鋳造工程は、前記複数の翼体の１つと、前記軸体を軸方向に分割した複数の分割軸体の１つと、を一体とした複数の単翼構造体をＮｉ合金で鋳造すると共に、前記単翼構造体の翼体を一方向凝固鋳造または単結晶鋳造し、前記組立工程は、前記複数の単翼構造体の分割軸体を軸方向に積層した後に、前記複数の単翼構造体の分割軸体同士を一体で接合してもよい。

【0012】

本開示に係るタービンホイールの製造方法において、前記組立工程は、前記単翼構造体の分割軸体に軸方向に貫通するピン穴を形成し、前記複数の単翼構造体の分割軸体を軸方向に積層した後に、前記ピン穴にＮｉ合金で形成されるピンを挿通し、前記複数の単翼構造体の分割軸体同士を前記ピンと一体で接合してもよい。

【0013】

本開示に係るタービンホイールの製造方法において、前記鋳造工程は、前記複数の翼体における前記軸体に対して対向する２つの翼体と、前記軸体を軸方向に分割した複数の分割軸体の１つと、を一体とした複数の２枚翼構造体をＮｉ合金で鋳造すると共に、前記２枚翼構造体の２つの翼体を一方向凝固鋳造または単結晶鋳造し、前記組立工程は、前記複数の２枚翼構造体の分割軸体を軸方向に積層した後に、前記複数の２枚翼構造体の分割軸体同士を一体で接合してもよい。

【0014】

本開示に係るタービンホイールの製造方法において、前記組立工程において、前記２枚翼構造体の分割軸体に軸方向に貫通するピン穴を形成し、前記複数の２枚翼構造体の分割軸体を軸方向に積層した後に、前記ピン穴にＮｉ合金で形成されるピンを挿通し、前記複数の２枚翼構造体の分割軸体同士を前記ピンと一体で接合してもよい。

【発明の効果】

【0015】

上記構成のタービンホイール及びその製造方法によれば、タービンホイールの耐熱性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本開示の第一実施形態において、タービンホイールの構成を示す模式図である。

【図2】本開示の第一実施形態において、タービンホイールの構成を示す断面模式図である。

【図3】本開示の第一実施形態において、タービンホイールの製造方法の構成を示すフローチャートである。

【図4】本開示の第一実施形態において、タービンホイールの製造方法を説明するための模式図である。

【図5】本開示の第一実施形態において、過給機の構成を示す断面模式図である。

【図6】本開示の第二実施形態において、タービンホイールの製造方法を説明するための模式図である。

【図7】本開示の第三実施形態において、タービンホイールの製造方法を説明するための模式図である。

【図8】本開示の第三実施形態において、単翼構造体を鋳造する鋳型の構成を示す断面模式図である。

【図9】本開示の第四実施形態において、タービンホイールの製造方法を説明するための模式図である。

【図10】本開示の第五実施形態において、タービンホイールの製造方法を説明するための模式図である。

【図11】本開示の第五実施形態において、２枚翼構造体を鋳造する鋳型の構成を示す断面模式図である。

【図12】本開示の第六実施形態において、タービンホイールの製造方法を説明するための模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

［第一実施形態］
以下に本開示の第一実施形態について図面を用いて詳細に説明する。図１は、タービンホイール１０の構成を示す模式図である。図２は、タービンホイール１０の構成を示す断面模式図である。タービンホイール１０は、車両用や船舶用等の過給機に用いられる。タービンホイール１０は、軸体１２と、軸体１２の周りに設けられる複数の翼体１４と、を備えている。

【0018】

軸体１２は、タービンホイール１０の中心に設けられており、中心軸としての機能を有している。軸体１２は、Ｎｉ合金の鋳造品で形成されている。軸体１２は、Ｎｉ合金の柱状晶、単結晶または等軸晶で形成することができる。軸体１２は、等軸晶で形成されているとよい。軸体１２を等軸晶で形成することにより、疲労強度等を高めることができる。

【0019】

複数の翼体１４は、軸体１２の周りに設けられている。翼体１４は、Ｎｉ合金の鋳造品で形成されている。翼体１４は、軸体１２の周りに偶数個設けられていてもよいし、奇数個設けられていてもよい。翼体１４が軸体１２の周りに奇数個設けられている場合には、タービンホイール１０の共振等を抑制することができる。翼体１４は、軸体１２の周りに等間隔で設けられているとよい。図１では、翼体１４の枚数は８枚であるが、翼体１４の枚数は、２枚以上であれば特に限定されない。

【0020】

翼体１４は、Ｎｉ合金の柱状晶または単結晶で形成されており、結晶成長方向と遠心力方向とが同じ方向で形成されている。これによりタービンホイール１０が回転したときに、翼体１４に負荷される遠心力方向が結晶成長方向と同じ方向となるのでクリープ強度等を高めることができる。図２には、翼体における結晶成長方向を矢印で示している。柱状晶または単結晶は、結晶成長方向が一方向で形成されている。柱状晶または単結晶は、結晶成長方向が最も高い機械的強度を発現する。このことから結晶成長方向と遠心力方向とを同じ方向とすることにより、翼体１４の機械的強度を高めることができる。Ｎｉ合金の結晶成長方向は、ミラー指数の［００１］方向である。

【0021】

軸体１２及び翼体１４を鋳造するＮｉ合金は、特に限定されないが、耐熱性を有するＮｉ合金を用いるとよい。Ｎｉ合金には、ＭａｒＭ２４７、Ｒｅｎｅ’Ｎ４、ＣＭＳＸ－２等を適用可能である。軸体１２と翼体１４とは、同じＮｉ合金で形成されていてもよいし、異なるＮｉ合金で形成されていてもよいが、同じＮｉ合金で形成されているとよい。

【0022】

次に、タービンホイール１０の製造方法について説明する。図３は、タービンホイール１０の製造方法の構成を示すフローチャートである。タービンホイール１０の製造方法は、鋳造工程（Ｓ１０）と、組立工程（Ｓ１２）と、を備えている。図４は、タービンホイール１０の製造方法を説明するための模式図である。

【0023】

鋳造工程（Ｓ１０）は、軸体１２をＮｉ合金で鋳造し、複数の翼体１４をＮｉ合金で一方向凝固鋳造または単結晶鋳造する工程である。

【0024】

軸体１２は、Ｎｉ合金を一方向凝固鋳造または単結晶鋳造して形成してもよいし、Ｎｉ合金を普通鋳造して形成してもよい。軸体１２を一方向凝固鋳造した場合には、軸体１２の金属組織が柱状晶で形成される。軸体１２を単結晶鋳造した場合には、軸体１２の金属組織が単結晶で形成される。軸体１２を普通鋳造した場合には、軸体１２の金属組織が等軸晶で形成される。なお、軸体１２は、複数の翼体１４と別体で鋳造する。

【0025】

複数の翼体１４は、Ｎｉ合金を一方向凝固鋳造または単結晶鋳造して形成される。複数の翼体１４は、翼体ごとに単翼で鋳造される。翼体１４を一方向凝固鋳造した場合には、翼体１４の金属組織が柱状晶で形成される。翼体１４を単結晶鋳造した場合には、翼体１４の金属組織が単結晶で形成される。なお、図４には、翼体１４における結晶成長方向を矢印で示している。

【0026】

軸体１２及び翼体１４の鋳造方法には、一般的なＮｉ合金の一方向凝固鋳造法、単結晶鋳造法または普通鋳造法を用いることができる。軸体１２及び翼体１４の鋳造方法には、精密鋳造法等を用いるとよい。

【0027】

組立工程（Ｓ１２）は、複数の翼体１４を、結晶成長方向と遠心力方向とが同じ方向となるように軸体１２の周りに組み立てる工程である。複数の翼体１４は、結晶成長方向が遠心力方向と同じ方向となるように軸体１２の周りに接合して組み立てられる。複数の翼体１４は、翼体同士が干渉しないようにして接合される。接合方法は、特に限定されないが、一般的なＮｉ合金の接合方法を適用可能である。接合方法は、例えば、溶接、拡散接合、摩擦圧接等とすることができる。また、複数の翼体１４を軸体１２の周りに接合する際には、位置決め等のためにインロー等を設けるようにしてもよい。このようにしてタービンホイール１０を製造することができる。

【0028】

タービンホイール１０は、車両用や船舶用等の過給機に用いることができる。図５は、過給機２０の構成を示す断面模式図である。過給機２０は、タービンホイール１０と、コンプレッサインペラ２２と、を備えている。タービンホイール１０と、コンプレッサインペラ２２とは、ロータ軸２４で連結されている。タービンホイール１０の翼体１４は、結晶成長方向と遠心力方向とが同じ方向であるので、クリープ強度等が高められている。これによりタービンホイール１０の耐熱性が向上するので、回転数を上げたり、燃焼温度をより高温にして過給機２０の性能を高めることができる。

【0029】

以上、上記構成によれば、翼体の結晶成長方向が遠心力方向と同じ方向となるので、翼体のクリープ強度等を高めることができる。これにより、タービンホイールの耐熱性を向上させることが可能となる。

【0030】

［第二実施形態］
以下に本開示の第二実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、上記の実施形態と同様の構成には同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。第二実施形態は、第一実施形態とタービンホイールの製造方法が相違している。

【0031】

第二実施形態では、組立工程は、軸体の周りに軸方向に沿って翼体を嵌合可能な嵌合溝を形成し、翼体を嵌合溝に嵌合させて接合する。なお、第二実施形態の鋳造工程は、第一実施形態の鋳造工程と同様であるので詳細な説明を省略する。

【0032】

次に、第二実施形態におけるタービンホイールの製造方法についてより詳細に説明する。図６は、タービンホイールの製造方法を説明するための模式図である。図６の矢印は、翼体１４における結晶成長方向を示している。軸体３０は、翼体１４を嵌合可能な嵌合溝３２を有している。嵌合溝３２は、翼体１４の側縁を嵌合可能に形成されている。嵌合溝３２は、軸体３０の外周面に軸方向に沿って形成されている。軸体３０は、第一実施形態の軸体１２を鋳造した後に、嵌合溝３２を機械加工等して形成すればよい。なお、複数の翼体１４は、第一実施形態と同様の鋳造法で鋳造される。

【0033】

次に、複数の翼体１４が、軸体３０の嵌合溝３２に嵌合させて取り付けられる。翼体１４を軸体３０の嵌合溝３２に嵌合させて取付ければよいので、翼体１４の位置決め精度が向上する。また、翼体１４を軸体３０の嵌合溝３２に嵌合させて取付ければよいので、翼体１４と軸体３０との接合が容易になる。接合方法は、例えば、溶接、拡散接合、摩擦圧接等とすることができる。

【0034】

上記構成によれば、第一実施形態の効果を奏すると共に、軸体の周りに軸方向に沿って翼体を嵌合可能な嵌合溝を形成し、翼体を嵌合溝に嵌合させて接合するので、翼体の位置決め精度が向上し、翼体と軸体との接合が容易になる。これにより、タービンホイールの生産性を向上させることができる。

【0035】

［第三実施形態］
以下に本開示の第三実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、上記の実施形態と同様の構成には同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。第三実施形態は、第一実施形態とタービンホイールの製造方法が相違している。

【0036】

鋳造工程では、複数の翼体の１つと、軸体を軸方向に分割した複数の分割軸体の１つと、を一体とした複数の単翼構造体をＮｉ合金で鋳造すると共に、単翼構造体の翼体を一方向凝固鋳造または単結晶鋳造する。組立工程では、複数の単翼構造体の分割軸体を軸方向に積層した後に、複数の単翼構造体の分割軸体同士を一体で接合して組み立てる。

【0037】

次に、第三実施形態におけるタービンホイールの製造方法についてより詳細に説明する。図７は、タービンホイールの製造方法を説明するための模式図である。図７の矢印は、翼体１４の結晶成長方向を示している。図７では、タービンホイールは、例えば８つの単翼構造体４２、４６、４８～５８を組み立てて形成されている。軸体は、軸方向に８つの分割軸体に分割されている。単翼構造体４２は、翼体１４と分割軸体４４とが一体で鋳造されている。分割軸体４４は、翼体１４の上端側に設けられている。単翼構造体４６は、翼体１４と分割軸体４７とが一体で鋳造されている。分割軸体４７は、翼体１４の下端側に設けられている。単翼構造体４８～５８についても、単翼構造体４２、４６と同様に鋳造されている。単翼構造体４８～５８では、単翼構造体４８～５８に対応する各々の分割軸体が、翼体１４における上端側と下端側との中間に各々設けられている。

【0038】

次に、単翼構造体４２、４６、４８～５８の鋳造方法について説明する。例として単翼構造体４２の鋳造方法について説明するが、他の単翼構造体４６、４８～５８についても同様にして鋳造可能である。図８は、単翼構造体４２を鋳造する鋳型６０の構成を示す断面模式図である。図８の矢印は、鋳型６０の引抜方向を示している。鋳型６０は、セラミックス等で形成されている。鋳型６０は、単翼構造体４２の翼体１４を形成するためのキャビティ６２と、単翼構造体４２の分割軸体４４を形成するためのキャビティ６４とを備えている。鋳型６０には、結晶を成長させるための成長パス（図示せず）を設けるようにしてもよい。

【0039】

単翼構造体４２の翼体１４と分割軸体４４とを柱状晶または単結晶で形成する場合には、鋳型６０のキャビティ６２とキャビティ６４とを同じ引抜速度で引き抜いて、一方向凝固鋳造または単結晶鋳造すればよい。例えば、Ｎｉ合金溶湯を注湯した鋳型６０を、固液界面に温度勾配を設けて引抜速度１００ｍｍ/時間以上４００ｍｍ/時間以下で引き抜いて凝固させればよい。これにより鋳型６０の引抜方向と同じ方向にＮｉ合金が結晶成長することにより、鋳型６０の引抜方向が結晶成長方向となる。翼体１４を柱状晶または単結晶で形成し、分割軸体４４を等軸晶で形成する場合には、キャビティ６４の引抜速度を、キャビティ６２の引抜速度よりも速くすればよい。例えば、キャビティ６２の引抜速度を１００ｍｍ/時間以上４００ｍｍ/時間以下とし、キャビティ６４の引抜速度を１０００ｍｍ/分以上とするとよい。また、鋳型６０におけるキャビティ６４に対応する箇所に結晶粒微細化剤を適用することにより、等軸晶をより微細化することができる。結晶粒微細化剤には、アルミン酸コバルトや酸化コバルト等コバルト化合物を適用可能である。

【0040】

組立工程では、図７に示すように、複数の単翼構造体４２、４６、４８～５８の分割軸体を軸方向に積層する。複数の単翼構造体４２、４６、４８～５８は、お互いの翼体１４が干渉しないようにして積層される。複数の単翼構造体４２、４６、４８～５８には、位置決めのためのインロー等を用いてもよい。そして、複数の単翼構造体４２、４６、４８～５８の分割軸体同士を一体で接合する。接合方法は、例えば、溶接、拡散接合、摩擦圧接等とすることができる。これによりタービンホイールを製造することができる。

【0041】

以上、上記構成によれば、翼体の結晶成長方向が遠心力方向と同じ方向となるので、翼体のクリープ強度等を高めることができる。これにより、タービンホイールの耐熱性を向上させることが可能となる。また、上記構成によれば、翼体と分割軸体とを一体とした単翼構造体を鋳造してタービンホイールを製造するので、翼体と軸体との間の機械的強度を高めることができる。

【0042】

［第四実施形態］
以下に本開示の第四実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、上記の実施形態と同様の構成には同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。第四実施形態は、第三実施形態とタービンホイールの製造方法が相違している。

【0043】

第四実施形態では、組立工程は、単翼構造体の分割軸体に軸方向に貫通するピン穴を形成し、複数の単翼構造体の分割軸体を軸方向に積層した後に、ピン穴にＮｉ合金で形成されるピンを挿通し、複数の単翼構造体の分割軸体同士をピンと一体で接合する。なお、第四実施形態の鋳造工程は、第三実施形態の鋳造工程と同様であるので詳細な説明を省略する。

【0044】

次に、第四実施形態におけるタービンホイールの製造方法についてより詳細に説明する。図９は、タービンホイールの製造方法を説明するための模式図である。図９の矢印は、翼体１４の結晶成長方向を示している。図９では、タービンホイールは、例えば８つの単翼構造体７０、７４、７８～８８を組み立てて形成されている。単翼構造体７０は、分割軸体４４の軸方向にピン穴７２を有している。単翼構造体７０は、第三実施形態の単翼構造体４２を鋳造した後に、ピン穴７２を機械加工等して形成すればよい。また、単翼構造体７４は、分割軸体４７の軸方向にピン穴７６を有している。単翼構造体７４は、第三実施形態の単翼構造体４６を鋳造した後に、ピン穴７６を機械加工等して形成すればよい。単翼構造体７８～８８についても、単翼構造体７０、７４と同様に形成する。

【0045】

次に、単翼構造体７０、７４、７８～８８を軸体の軸方向に沿って積層し、積層した単翼構造体７０、７４、７８～８８のピン穴にＮｉ合金で形成されるピン（図示せず）を挿通して一体で接合する。これにより単翼構造体７０、７４、７８～８８の位置決め精度が向上すると共に、接合作業が容易になる。また、ピンを挿通することにより、軸体の機械的強度を高めることができる。ピンは、単翼構造体７０、７４、７８～８８と同じＮｉ合金で形成されているとよい。接合方法は、例えば、溶接、拡散接合、摩擦圧接等とすることができる。これによりタービンホイールを製造することができる。

【0046】

上記構成によれば、第三実施形態の効果を奏すると共に、単翼構造体のピン穴にピンを挿通して一体で接合するので、単翼構造体の接合が容易になる。これによりタービンホイールの生産性を向上させることができる。

【0047】

［第五実施形態］
以下に本開示の第五実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、上記の実施形態と同様の構成には同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。第五実施形態は、第一実施形態とタービンホイールの製造方法が相違している。

【0048】

鋳造工程は、複数の翼体における軸体に対して対向する２つの翼体と、軸体を軸方向に分割した複数の分割軸体の１つと、を一体とした複数の２枚翼構造体をＮｉ合金で鋳造すると共に、２枚翼構造体の２つの翼体を一方向凝固鋳造または単結晶鋳造する。組立工程は、複数の２枚翼構造体の分割軸体を軸方向に積層した後に、複数の２枚翼構造体の分割軸体同士を一体で接合する。

【0049】

次に、第五実施形態におけるタービンホイールの製造方法についてより詳細に説明する。図１０は、タービンホイールの製造方法を説明するための模式図である。図１０の矢印は、翼体１４の結晶成長方向を示している。図１０では、タービンホイールは、例えば４つの２枚翼構造体９０、９４～９８を組み立てて形成されている。軸体は、軸方向に４つの分割軸体に分割されている。２枚翼構造体９０は、軸体に対して対向する２つの翼体１４と、分割軸体９２とが一体で鋳造されている。分割軸体９２は、２つの翼体１４の上端側に設けられている。２枚翼構造体９４～９８についても、２枚翼構造体９０と同様に鋳造されている。２枚翼構造体９８では、分割軸体は２つの翼体１４の下端側に設けられている。２枚翼構造体９４、９６では、２枚翼構造体９４、９６に対応する各分割軸体が、２つの翼体１４の上端側と下端側との中間に設けられている。

【0050】

次に、２枚翼構造体９０、９４～９８の鋳造方法について説明する。例として２枚翼構造体９０の鋳造方法について説明するが、他の２枚翼構造体９４～９８についても同様にして鋳造可能である。図１１は、２枚翼構造体９０を鋳造する鋳型１００の構成を示す断面模式図である。図１１の矢印は、鋳型１００の引抜方向を示している。鋳型１００は、セラミックス等で形成されている。鋳型１００は、２枚翼構造体９０の一方の翼体１４を形成するためのキャビティ１０２と、他方の翼体１４を形成するためのキャビティ１０４と、２枚翼構造体９０の分割軸体９２を形成するためのキャビティ１０６とを備えている。鋳型１００には、結晶を成長させるための成長パス（図示せず）を設けるようにしてもよい。

【0051】

２枚翼構造体９０における２つの翼体１４と分割軸体９２とを柱状晶または単結晶で形成する場合には、鋳型１００のキャビティ１０２、キャビティ１０４及びキャビティ１０６を同じ引抜速度で引き抜いて、一方向凝固鋳造または単結晶鋳造すればよい。例えば、Ｎｉ合金溶湯を注湯した鋳型１００を、固液界面に温度勾配を設けて引抜速度１００ｍｍ/時間以上４００ｍｍ/時間以下で引き抜いて凝固させればよい。これにより鋳型１００の引抜方向と同じ方向にＮｉ合金が結晶成長することにより、鋳型１００の引抜方向が結晶成長方向となる。２つの翼体１４を柱状晶または単結晶で形成し、分割軸体９２を等軸晶で形成する場合には、キャビティ１０６の引抜速度を、キャビティ１０２及びキャビティ１０４の引抜速度よりも速くすればよい。例えば、キャビティ１０２及びキャビティ１０４の引抜速度を１００ｍｍ/時間以上４００ｍｍ/時間以下とし、キャビティ１０６の引抜速度を１０００ｍｍ/分以上とするとよい。また、鋳型１００におけるキャビティ１０６に対応する箇所に結晶粒微細化剤を適用することにより、等軸晶をより微細化することができる。結晶粒微細化剤には、アルミン酸コバルトや酸化コバルト等コバルト化合物を適用可能である。

【0052】

組立工程では、図１０に示すように、２枚翼構造体９０、９４～９８の分割軸体を軸方向に積層する。２枚翼構造体９０、９４～９８は、お互いの翼体１４が干渉しないようにして積層される。２枚翼構造体９０、９４～９８には、位置決めのためのインロー等を用いてもよい。そして、２枚翼構造体９０、９４～９８の分割軸体同士を一体で接合する。接合方法は、例えば、溶接、拡散接合、摩擦圧接等とすることができる。これによりタービンホイールを製造することができる。

【0053】

以上、上記構成によれば、翼体の結晶成長方向が遠心力方向と同じ方向となるので、翼体のクリープ強度等を高めることができる。これにより、タービンホイールの耐熱性を向上させることが可能となる。また、上記構成によれば、２つの翼体と分割軸体とを一体とした２枚翼構造体を鋳造してタービンホイールを製造するので、翼体と軸体との間の機械的強度を高めることができる。

【0054】

［第六実施形態］
以下に本開示の第六実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、上記の実施形態と同様の構成には同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。第六実施形態は、第五実施形態とタービンホイールの製造方法が相違している。

【0055】

組立工程において、２枚翼構造体の分割軸体に軸方向に貫通するピン穴を形成し、複数の２枚翼構造体の分割軸体を軸方向に積層した後に、ピン穴にＮｉ合金で形成されるピンを挿通し、複数の２枚翼構造体の分割軸体同士をピンと一体で接合する。なお、第六実施形態の鋳造工程は、第五実施形態の鋳造工程と同様であるので詳細な説明を省略する。

【0056】

次に、第六実施形態におけるタービンホイールの製造方法についてより詳細に説明する。図１２は、タービンホイールの製造方法を説明するための模式図である。図１２の矢印は、翼体１４の結晶成長方向を示している。図１２では、タービンホイールは、例えば４つの２枚翼構造体１１０、１１４～１１８を組み立てて形成されている。２枚翼構造体１１０は、分割軸体９２の軸方向にピン穴１１２を有している。２枚翼構造体１１０は、第五実施形態の２枚翼構造体９０を鋳造した後に、ピン穴１１２を機械加工等して形成すればよい。２枚翼構造体１１４～１１８についても、２枚翼構造体１１０と同様に形成する。

【0057】

次に、２枚翼構造体１１０、１１４～１１８を軸体の軸方向に沿って積層し、積層した２枚翼構造体１１０、１１４～１１８の分割軸体のピン穴にＮｉ合金で形成されるピン（図示せず）を挿通して一体で接合する。これにより２枚翼構造体１１０、１１４～１１８の位置決め精度が向上すると共に、接合作業が容易になる。また、ピンを挿通することにより、軸体の機械的強度を高めることができる。ピンは、２枚翼構造体１１０、１１４～１１８と同じＮｉ合金で形成されているとよい。接合方法は、例えば、溶接、拡散接合、摩擦圧接等とすることができる。これによりタービンホイールを製造することができる。

【0058】

上記構成によれば、第五実施形態の効果を奏すると共に、２枚翼構造体のピン穴にピンを挿通して一体で接合するので、２枚翼構造体の接合が容易になる。これによりタービンホイールの生産性を向上させることができる。

【0059】

［第七実施形態］
次に、本開示の第七実施形態について詳細に説明する。なお、上記の実施形態と同様の構成には同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。第七実施形態は、第五実施形態または第六実施形態と、第一実施形態とを組み合わせて構成されている。第五実施形態と第一実施形態とを組み合わせる場合には、２枚翼構造体９０、９４～９８の分割軸体同士を一体で接合して軸体を形成した後に、軸体に１つの翼体１４を接合して取り付ける。第六実施形態と第一実施形態とを組み合わせる場合には、２枚翼構造体１１０、１１４～１１８の分割軸体のピン穴にＮｉ合金で形成されるピンを挿通して一体で接合して軸体を形成した後に、軸体に１つの翼体１４を接合して取り付ける。これによりタービンホイールの翼体１４の枚数を奇数枚にすることができる。

【0060】

以上、上記構成によれば、翼体の結晶成長方向が遠心力方向と同じ方向となるので、翼体のクリープ強度等を高めることができる。これにより、タービンホイールの耐熱性を向上させることが可能となる。また、上記構成によれば、２枚翼構造体を用いてタービンホイールを製造する場合でも、タービンホイールの翼体の枚数を奇数枚にすることができる。

【産業上の利用可能性】

【0061】

本開示は、タービンホイールの耐熱性を向上させることができることから、車両用や船舶用等の過給機用のタービンホイールに適用可能である。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】