JP2013007282A - タービン用ロータおよびその製造方法ならびにＮｉ基超合金材と鋼材の接合方法および構造 - Google Patents

タービン用ロータおよびその製造方法ならびにＮｉ基超合金材と鋼材の接合方法および構造 Download PDF

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Abstract

【課題】Ｎｉ基超合金部分と鋼部分とを有するタービン用ロータおよびその製造方法であって、Ｎｉ基超合金部分と鋼部分との接合部分がタービン用ロータとして十分な機械的特性を備え得るものを提供する。また、上記タービン用ロータのために好適な、Ｎｉ基超合金材と鋼材の接合方法および構造を提供する。
【解決手段】タービン用ロータの製造方法が、析出硬化型Ｎｉ基超合金より成る第１のロータディスクと固溶強化型Ｎｉ基超合金より成る中間材とを電子ビーム溶接により接合するステップと、この接合体について前記析出硬化型Ｎｉ基超合金を時効硬化させるために適した第１の温度で時効硬化処理を行うステップと、中間材と鋼より成る第２のロータディスクとを電子ビーム溶接により接合するステップと、この接合体について鋼を焼なますために適した第２の温度で焼なまし処理を行うステップとを含む。
【選択図】図４

Description

本発明は、ガスタービンエンジンや蒸気タービンエンジン等に用いられる耐熱性を有するタービン用ロータに関し、詳細には、タービン用ロータを構成しているＮｉ基超合金材と鋼材とを接合するための技術に関する。
ガスタービンエンジンや蒸気タービンエンジンにおいて、燃焼温度或いは主蒸気温度をより高温化することがタービンエンジンの効率を向上させるために有効である。燃焼温度或いは主蒸気温度をより高温化すればタービンの高温部品の温度もより高くなるため、これらの高温部品により高い耐熱性が要求される。このような高温部品には、例えば、圧縮機ロータやタービンロータ等のタービン用ロータがある。タービン用ロータには高温に曝される領域とこれより低い温度に曝される領域とが存在する。そこで、製造コストを抑えるために、所定温度を超えて高温となる部位がＮｉ（＝ニッケル）基超合金で構成され、それよりも低い温度となる部位が比較的安価な鋼で構成されたタービン用ロータがある。このようなタービン用ロータの製造において、Ｎｉ基超合金材と鋼材を結合するために溶接が行われるが、Ｎｉ基超合金は鋼との結合で好ましくない機械的特性を生じさせる付加的な元素を含有している。そこで、特許文献１，２では、Ｎｉ基超合金材と鋼材を直接的に溶接せずにこれらの間に中間層を介在させて溶接することが提案されている。
特許文献１では、低合金鋼から成る第１の部分と、Ｎｉ基超合金から成る第２の部分とを接合するために、第２の部分の接合面に付加的な元素（例えば、Ｎｂ（＝ニオブ））の割合が内部から外部に向かって漸次減少する中間層を披着させたうえで、第１の部分を溶接する手法が記載されている。ここで、第２の部分を構成するＮｉ基超合金としてＩＮ６２５〔ＩＮ＝インコネルは登録商標、以下では省略〕が用いられ、中間層としてＩＮ６１７が用いられている。中間層は、複数の個別層がＭＡＧ（Metal Active Gas welding）溶接またはＴＩＧ（Tungsten Inert Gas welding）溶接により互いに結合されたものである。
また、特許文献２では、Ｎｉ基超合金から成る第１のロータディスクと、鋼から成る第２のロータディスクの間に、両ロータディスクと溶接されるロータリングを介挿することが記載されている。ここで、第１のロータディスクはワスパロイ〔ワスパロイは登録商標〕から成り、第２のロータディスクは１０％Ｃｒ（＝クロム）鋼から成る。また、ロータリングは、１０％Ｃｒ鋼から成る第１のロータリングと、溶体化処理されたＮｉ基超合金（ＩＮ６１７）から成る第２のロータリングとが溶接されたものである。
特開２００２−３０７１６９号公報 特開２００５−１２１０２３号公報
上記特許文献１の中間層および特許文献２のロータリングは、異なる組成の複数の部材から成り、これらの部材がＭＡＧ溶接またはＴＩＧ溶接等のアーク溶接により接合されている。アーク溶接では溶接の過程で母材が多く溶解することからワークの接合部分の変形が大きい。このため、溶接後に切削等の機械加工が必要となってしまい、加工量が増加する。
また、Ｎｉ基超合金材と鋼材（例えば、フェライト鋼）を溶接する場合、一般に、焼入れおよび焼戻し処理を行った状態の鋼材と、溶体化処理を行った状態のＮｉ基超合金材とが溶接される。溶接後に、Ｎｉ基超合金部分の延性と靭性を確保するために７００℃を越える温度で時効硬化処理を行う必要があるが、鋼部分がこの温度まで上昇すると強度特性が著しく劣化してしまう。一方で、鋼部分の強度特性の劣化を抑制するために、７００℃以下で時効硬化処理と残留応力緩和処理とを行うと、Ｎｉ基超合金部分は優れた延性と靭性を備えることができない。
本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであって、Ｎｉ基超合金部分と鋼部分とを有するタービン用ロータおよびその製造方法であって、Ｎｉ基超合金部分と鋼部分との結合部分がタービン用ロータとして十分な強度特性を備え、これに加えて結合部分の変形が機械加工による後処理が不要な程度に小さいものを提供することを目的とする。また、本発明は、上記タービン用ロータのために好適な、Ｎｉ基超合金材と鋼材の接合方法および構造を提供することを目的とする。
本発明に係るタービン用ロータの製造方法は、
溶体化処理された析出硬化型Ｎｉ基超合金より成る第１のロータディスクと固溶強化型Ｎｉ基超合金より成る中間材とを電子ビーム溶接により接合するステップと、前記第１のロータディスクと前記中間材の接合体について、前記析出硬化型Ｎｉ基超合金を時効硬化させるために適した第１の温度で時効硬化処理を行うステップと、前記中間材と耐熱性を有する鋼より成る第２のロータディスクとを電子ビーム溶接により接合するステップと、前記第１のロータディスクと前記中間材と前記第２のロータディスクの接合体について、前記鋼を焼なますために適した第２の温度で焼なまし処理を行うステップとを含むものである。
また、本発明に係るタービン用ロータは、複数のロータディスクが軸方向に結合されて成るタービン用ロータであって、
溶体化処理された析出硬化型Ｎｉ基超合金より成る第１のロータディスクと耐熱性を有する鋼より成る第２のロータディスクとの隣接する２枚のロータディスクを含み、
前記第１のロータディスクと固溶強化型Ｎｉ基超合金より成る中間材とが電子ビーム溶接により接合されており、且つ、前記第２のロータディスクと前記中間材とが電子ビーム溶接により接合されているものである。
上記タービン用ロータの製造方法又はタービン用ロータによれば、タービン用ロータは鋼材から成る耐低温部分と、それよりも高温に耐えうる析出硬化型Ｎｉ基超合金から成る耐高温部分とを備えることができる。そして、タービン用ロータを構成する析出硬化型Ｎｉ基超合金材（第１のロータディスク）と鋼材（第２のロータディスク）とが固溶強化型Ｎｉ基超合金から成る中間材を介して結合されることにより、鋼部分と析出硬化型Ｎｉ基超合金部分に対し各々に適した熱処理を行うことが可能となる。つまり、析出硬化型Ｎｉ基超合金材と中間材が接合された状態で、その析出硬化型Ｎｉ基超合金部分に必要な強度特性を備えるための時効硬化処理を施すことが可能となる。さらに、析出硬化型Ｎｉ基超合金材と中間材と鋼材が接合された状態で、その鋼部分の焼なまし処理と残留応力緩和処理を施すことが可能となる。よって、タービン用ロータは、耐高温部分と耐低温部分との結合部分においてタービン用ロータとして十分な強度特性を備えることが可能となる。また、析出硬化型Ｎｉ基超合金材（第１のロータディスク）と中間材、中間材と鋼材（第２のロータディスク）のそれぞれは電子ビーム溶接で接合されるので、接合部分の変形を機械加工による後処理が不要な程度に小さく抑えることができ、タービン用ロータ製造時の加工量の増加を抑制することができる。特に、中間材と鋼材とが電子ビーム溶接で接合されることによって、これらの接合界面に脆弱相となる金属間化合物が生じないか生じても僅かであり、中間材と鋼材との接合部分の強度特性の低下を抑えることができる。
本発明に係るＮｉ基超合金材と鋼材の接合方法は、析出硬化型Ｎｉ基超合金から成る第１材と耐熱性を有する鋼から成る第２材の接合方法であって、
前記第１材と固溶強化型Ｎｉ基超合金から成る中間材とを電子ビーム溶接により接合するステップと、前記第１材と前記中間材の接合体について、前記第１材を時効硬化させるために適した第１の温度で時効硬化処理を行うステップと、前記中間材と前記第２材とを電子ビーム溶接により接合するステップと、前記第１材と前記中間材と前記第２材の接合体について、前記第２材を焼なますために適した第２の温度で焼なまし処理を行うステップとを含むものである。
また、本発明に係るＮｉ基超合金材と鋼材の接合構造は、析出硬化型Ｎｉ基超合金から成る第１材と耐熱性を有する鋼から成る第２材の接合構造であって、
前記第１材と固溶強化型Ｎｉ基超合金から成る中間材が電子ビーム溶接により接合されており、且つ、前記第２材と前記中間材が電子ビーム溶接により接合されているものである。
上記Ｎｉ基超合金材と鋼材の接合方法又は構造によれば、析出硬化型Ｎｉ基超合金から成る第１材と耐熱性を有する鋼から成る第２材とが、固溶強化型Ｎｉ基超合金から成る中間材を介して結合されることにより、第１材と第２材に対し各々に適した熱処理を行うことが可能となる。つまり、第１材と中間材が接合された状態で、その析出硬化型Ｎｉ基超合金部分に必要な強度特性を備えるための時効硬化処理を施すことが可能となる。さらに、第１材と中間材と第２材が接合された状態で、残留応力緩和処理と鋼部分の焼なまし処理とを施すことが可能となる。よって、Ｎｉ基超合金材と鋼材の接合構造は、第１材と第２材の接合部分において十分な強度特性を備えることが可能となる。また、第１材と中間材、中間材と第２材のそれぞれは電子ビーム溶接で接合されるので、接合部分の変形を機械加工による後処理が不要な程度に小さく抑えることができ、加工量の増加を抑制することができる。特に、中間材と第２材とが電子ビーム溶接で接合されることによって、これらの接合界面に脆弱相となる金属間化合物が生じないか生じても僅かであり、中間材と第２材との接合部分の強度特性の低下を抑えることができる。
上記において、前記固溶強化型Ｎｉ基超合金がインコネル６２５（ＩＮ６２５）であることがよい。
上記において、前記析出硬化型Ｎｉ基超合金がインコネル７１８（ＩＮ７１８）であることがよい。この場合、上記第１の温度が７１０〜７２６℃の範囲の温度であることがよい。
上記において、前記鋼が１２％Ｃｒ鋼であることがよい。この場合、上記第２の温度が５７０〜５９０℃の範囲の温度であることがよい。
本発明によれば、中間材を介して結合された析出硬化型Ｎｉ基超合金材（第１のロータディスク）と鋼材（第２のロータディスク）に対し、それぞれに適した熱処理を行うことが可能となる。よって、析出硬化型Ｎｉ基超合金材と鋼材との接合部分に十分な強度特性を備えることが可能となる。また、析出硬化型Ｎｉ基超合金材と中間材、中間材と鋼材がそれぞれ電子ビーム溶接により接合されるため、接合部分の変形が機械加工による後処理が不要な程度に小さいものとなり、加工量の増加を抑制することができる。
本実施形態に係る圧縮機ロータを備えたガスタービンエンジンの部分破断側面図である。 圧縮機ロータの構成要素を示す断面図である。 中間材を介して結合される耐高温側ロータディスクと耐低温側ロータディスクを説明する断面図である。 耐高温側ロータディスクと耐低温側ロータディスクを結合する処理の流れを示すフローチャートである。 耐高温側ロータディスクと中間材を接合する様子を示す上半分断面図である。 中間材と耐低温側ロータディスクを接合する様子を示す上半分断面図である。 耐高温側ロータディスクと耐低温側ロータディスクが中間材を介して結合された様子を示す上半分断面図である。 ＩＮ６２５材を介して結合されたＩＮ７１８材とＦＶ５３５材の断面写真である。
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ここでは、本発明に係るＮｉ基超合金材と鋼材の接合方法および接合構造を、ガスタービンエンジン（以下、単に「ガスタービン」という）に備えられた圧縮機ロータ１１に適用させた実施の形態を説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
まず、本実施形態に係る圧縮機ロータを備えたガスタービン１の概略構成について説明する。図１は、本実施形態に係る圧縮機ロータを備えたガスタービンエンジンの部分破断側面図である。同図に示すように、ガスタービン１は軸心Ｃ方向に延びる筒状のハウジング１５と、ハウジング１５に内装された遠心型又は軸流型の回転式圧縮機３、燃焼器５、および、遠心型又は軸流型のタービン７とを備えている。本実施形態に係るガスタービン１は複数の燃焼器５を備えており、これらの燃焼器５はガスタービン１の周方向に沿って等間隔に配置されている。圧縮機３、燃焼器５およびタービン７は、ガスタービン１の軸心Ｃを中心として同軸上に順に並んでいる。以下では、ガスタービン１の軸心Ｃが延びる方向を「軸方向」と呼び、軸方向において圧縮機３がある側を「前側ＬＦ」と呼び、タービン７がある側を「後側ＬＢ」と呼ぶことがある。
本実施形態に係る圧縮機３は軸流型のものである。この圧縮機３は、ガスタービン１の回転体の前段を構成する圧縮機ロータ１１を、ハウジング１５内の前側ＬＦに備えている。圧縮機ロータ１１の後側ＬＢには連設部１２が相対回転不能に連結されている。圧縮機ロータ１１の外周面には多数の動翼１３が設けられており、ハウジング１５の前側ＬＦの内周には多数の静翼１７が設けられている。また、ハウジング１５の前側ＬＦ端の内周側には筒状のカウル２０が設けられており、ハウジング１５の前側ＬＦ端の外周側には吸気筒１９が設けられている。
本実施形態に係るタービン７は軸流型のものである。このタービン７は、ガスタービン１の回転体の後段を構成するタービンロータ３３と、タービンロータ３３を覆うタービンケーシング３５とを備えている。タービンケーシング３５の内周には軸方向へ複数段のタービン静翼３７が設けられている。タービンロータ３３には、各段のタービン静翼３７と軸方向に交互に並ぶように、軸方向へ複数段のタービン動翼３９が設けられている。
圧縮機３の圧縮機ロータ１１と、タービン７のタービンロータ３３は、連設部１２を介して軸方向に連結されている。そして、このように一体化されたガスタービン１の回転体は、軸受４３，４７を介してハウジング１５に回転自在に支持されている。
上記構成のガスタービン１において、圧縮機３は外部から導入した燃焼用空気９９を圧縮して燃焼器５に送り込み、燃料９８を燃焼器５に吹き込んで燃焼させる。詳細には、圧縮機３の圧縮機ロータ１１が回転すると、動翼１３と静翼１７の作用により、吸気筒１９からハウジング１５内周面とカウル２０外周面との間を通ってハウジング１５内に燃焼用空気９９が吸入され、吸入された燃焼用空気９９が圧縮される。圧縮された燃焼用空気９９は、圧縮機３と燃焼器５の間に設けられたディフューザ２１を介して燃焼器５へ送られる。燃焼器５では、圧縮された燃焼用空気９９と燃焼器５内に噴射された燃料９８とが混合されて燃焼し、高温高圧の燃焼ガスを発生させる。この燃焼ガスは、タービンノズルからタービン７内に流入し、タービン７のタービンロータ３３を回転させる。タービン７の軸は圧縮機３と直結しているので、タービン７から圧縮機３へ圧縮動力が伝わることにより、ガスタービン１は運転を持続する。
ここで、上記構成のガスタービン１が備える圧縮機ロータ１１について詳細に説明する。図１に示すように、圧縮機ロータ１１のうち後側ＬＢは、燃焼器５に近く且つ圧縮された燃焼用空気９９と接触するため、高温に曝される領域となる。圧縮機ロータ１１の前側ＬＦは、圧縮機ロータ１１の後側ＬＢよりも低い温度に曝される領域である。以下では、圧縮機ロータ１１のうち、高温に曝される領域を「高温領域」ともいい、それよりも低い温度に曝される領域を「低温領域」ともいう。なお、高温領域は圧縮機ロータ１１のうち３００℃を越える高温となる部位とし、低温領域は圧縮機ロータ１１のうち３００℃以下となる部位とする。
図２は圧縮機ロータ１１の構成要素を示す断面図である。図２に示すように、圧縮機ロータ１１は複数のロータディスク２５で構成されており、これらのロータディスク２５が軸方向に結合されて成る。各ロータディスク２５は中空の円盤状を有し、その外周には動翼１３が植設される凹部２３が形成されている。圧縮機ロータ１１を構成する複数のロータディスク２５のうち、高温領域のロータディスク（以下、「耐高温側ロータディスク２５Ｈ」という）は高温強度を有する材料である析出硬化型のＮｉ基超合金で構成されている。ここでは、析出硬化型のＮｉ基超合金としてインコネル７１８（ＩＮ７１８）を採用している。一方、圧縮機ロータ１１を構成する複数のロータディスク２５のうち、低温領域のロータディスク（以下、「耐低温側ロータディスク２５Ｌ」という）は比較的安価な鋼材で構成されている。ここでは、鋼材としてステンレス鋼を用いており、その中でも高温強度に優れたマルテンサイト系ステンレス鋼である１２％Ｃｒ鋼（例えば、ＦＶ５３５）を採用している。
圧縮機ロータ１１において、耐高温側ロータディスク２５Ｈ同士、すなわち、Ｎｉ基超合金材同士は、電子ビーム溶接（ＥＢＷ：Electronic Beam Welding）又はアーク溶接により相互に接合されている。また、圧縮機ロータ１１において、耐低温側ロータディスク２５Ｌ同士、すなわち、鋼材同士は、電子ビーム溶接又はアーク溶接により相互に接合されている。そして、圧縮機ロータ１１において、隣接する耐高温側ロータディスク２５Ｈと耐低温側ロータディスク２５Ｌ、すなわち、Ｎｉ基超合金材と鋼材は中間材２６（図３、参照）を介して結合されている。
図３は中間材２６を介して結合される耐高温側ロータディスク２５Ｈと耐低温側ロータディスク２５Ｌを説明する断面図である。同図に示すように、耐高温側ロータディスク２５Ｈ（Ｎｉ基超合金材）と中間材２６とが電子ビーム溶接で接合され、中間材２６と耐低温側ロータディスク２５Ｌ（鋼材）が電子ビーム溶接で接合される。中間材２６は、固溶強化型のＮｉ基超合金材である。ここでは、固溶強化型のＮｉ基超合金としてインコネル６２５（ＩＮ６２５）を採用している。ＩＮ６２５は、Ｎｉ−Ｃｒ地にＭｏ（＝モリブデン）とＮｂが固溶することにより強化されており、高温強度に優れている。
次の表１に、本実施の形態に係るロータディスク２５（耐高温側ロータディスク２５Ｈ，耐低温側ロータディスク２５Ｌ）の材料（析出硬化型Ｎｉ基超合金，鋼）と、中間材２６の材料（固溶強化型Ｎｉ基超合金）の化学組成を示す。
続いて、図４〜７を参照しつつ、圧縮機ロータ１１の製造方法について説明する。図４は耐高温側ロータディスク２５Ｈと耐低温側ロータディスク２５Ｌを結合する処理の流れを示すフローチャートであり、図５は耐高温側ロータディスク２５Ｈと中間材２６を接合する様子を示す上半分断面図であり、図６は中間材２６と耐低温側ロータディスク２５Ｌを接合する様子を示す上半分断面図であり、図７は耐高温側ロータディスク２５Ｈと耐低温側ロータディスク２５Ｌが中間材２６を介して結合された様子を示す上半分断面図である。以下では、圧縮機ロータ１１の製造工程のうち、耐高温側ロータディスク２５Ｈと耐低温側ロータディスク２５Ｌを結合してロータディスク結合体２７を製造する工程について詳細に説明する。この説明には、析出硬化型Ｎｉ基超合金材と鋼材の接合方法が含まれる。
まず、図５に示すように、耐高温側ロータディスク２５Ｈと中間材２６、すなわち、析出硬化型Ｎｉ基超合金材と中間材２６とを突き合わせて、溶加材を用いずに電子ビーム溶接により直接的に接合する（ステップＳ１）。このように耐高温側ロータディスク２５Ｈと中間材２６が接合されて成る接合体を「一次ワークＷ1」と呼ぶこととする。なお、耐高温側ロータディスク２５Ｈは、中間材２６と接合される前に、析出硬化相が固溶する固溶温度以上で溶体化処理が施されている。電子ビーム溶接は、アーク溶接と比較して、母材の溶解量が少なく且つ接合部分の歪みが少ない加工が可能である。また、電子ビーム溶接は真空中で加工が行われるため、安定した溶接品質を保つことができる。したがって、一次ワークＷ1において耐高温側ロータディスク２５Ｈと中間材２６の接合界面の変形や歪みは小さく、接合加工後に切削加工等の後処理をする必要がない。
次に、一次ワークＷ1に対し時効硬化処理を行う（ステップＳ２）。このように、時効硬化処理された一次ワークＷ1を「二次ワークＷ2」と呼ぶこととする。この時効硬化処理では、溶体化処理された耐高温側ロータディスク２５Ｈ、すなわち、析出硬化型Ｎｉ基超合金材の硬さおよび強さ（延性および靭性）を増進させるために適切な第１の温度で、一次ワークＷ1を均熱保持する。ここで、「第１の温度」とは、耐高温側ロータディスク２５Ｈを構成している析出硬化型Ｎｉ基超合金を時効硬化させるために適切な温度である。本実施の形態に係る耐高温側ロータディスク２５Ｈを構成している析出硬化型Ｎｉ基超合金はＩＮ７１８であるので、第１の温度は７１０〜７２６℃の範囲の温度であり、最も望ましくは７１８℃である。
一次ワークＷ1に対し上記時効硬化処理を行うことにより、耐高温側ロータディスク２５Ｈを構成している析出硬化型Ｎｉ基超合金（ＩＮ７１８）の母材中に、強化相となる微細な析出相（Ｎｉ３Ｎｂ−γ”相;ガンマツープライム相）が析出し、析出硬化型Ｎｉ基超合金の強度が上昇する。なお、析出硬化型Ｎｉ基超合金材と中間材の溶接時に析出相（γ”相）が存在すると割れが発生し溶接性を著しく損ねてしまうことから、耐高温側ロータディスク２５Ｈと中間材２６の溶接後に時効硬化処理を行わねばならない。
続いて、図６に示すように、二次ワークＷ2の中間材２６と耐低温側ロータディスク２５Ｌ、すなわち、中間材２６と鋼材とを突き合わせて、溶加材を用いずに電子ビーム溶接により直接的に接合する（ステップＳ３）。図７に示すように、二次ワークＷ2と耐低温側ロータディスク２５Ｌが接合されて成る接合体を「三次ワークＷ3」と呼ぶこととする。なお、耐低温側ロータディスク２５Ｌは、中間材２６と接合される前に焼入れ処理が施されている。中間材２６と耐低温側ロータディスク２５Ｌの接合が電子ビーム溶接により行われるため、三次ワークＷ3において耐低温側ロータディスク２５Ｌと中間材２６の接合界面の変形が小さく、接合加工後に切削加工等の後処理をする必要がない。
最後に、三次ワークＷ3に対し焼なまし処理を行う（ステップＳ４）。このように、焼なまし処理された三次ワークＷ3を「ロータディスク結合体２７」と呼ぶこととする。この焼なまし処理では、三次ワークＷ3を適切な第２の温度に加熱及び均熱した後、室温に戻ったときに、平衡に近い組織状態になるような条件で冷却する。ここで、「第２の温度」とは、耐低温側ロータディスク２５Ｌを構成している鋼材の適切な焼なまし温度である。本実施の形態に係る耐低温側ロータディスク２５Ｌを構成している鋼材はＦＶ５３５であるので、第２の温度は５７０〜５９０℃の範囲の温度であり、最も望ましくは５８０℃である。
三次ワークＷ3に対し上記焼なまし処理を行うことにより、耐高温側ロータディスク２５Ｈと中間材２６、および、中間材２６と耐低温側ロータディスク２５Ｌの各接合部において電子ビーム溶接時の残留応力が低減する。したがって、上記焼なまし処理により、三次ワークＷ3に対し残留応力緩和処理（ＳＲ処理；Stress Relief heat treatment）が施されることとなる。これに加えて、上記焼なまし処理により、三次ワークＷ3の鋼材において溶接により影響を受けた部位、すなわち、溶接時に溶けた部位が再加熱されて、硬化組織に焼戻しされる。よって、上記焼なまし処理により、三次ワークＷ3の鋼材、特に、鋼材の溶接により影響を受けた部位の強度特性の改善が図られる。
上記ステップＳ１〜４の処理により、耐高温側ロータディスク２５Ｈと耐低温側ロータディスク２５Ｌとが中間材２６を介して結合されたロータディスク結合体２７を得ることができる。このロータディスク結合体２７の耐高温側ロータディスク２５Ｈ側の端面は、他の耐高温側ロータディスク２５ＨとステップＳ１の前又は後の段階で電子ビーム溶接又はアーク溶接により接合される。一方、ロータディスク結合体２７の耐低温側ロータディスク２５Ｌ側の端面は、他の耐低温側ロータディスク２５ＬとステップＳ３の前又は後の段階で電子ビーム溶接又はアーク溶接により接合される。このようにして、複数のロータディスク２５が順次接合されることにより圧縮機ロータ１１が製造される。
図８は、上記ステップ１〜４と同様の処理によりＩＮ６２５材（中間材）を介して結合されたＩＮ７１８材（析出硬化型Ｎｉ基超合金材）とＦＶ５３５材（鋼材）の断面写真である。同図から、ＩＮ７１８材とＩＮ６２５材とが、溶加材を用いない電子ビーム溶接によって、双方の接合界面の材料が直接的に溶け合って接合されていることがわかる。また、ＩＮ６２５材とＦＶ５３５材とが、溶加材を用いない電子ビーム溶接によって、双方の接合界面の材料が直接的に溶け合って接合されていることがわかる。そして、ＩＮ７１８材とＩＮ６２５材との接合部、ＩＮ６２５材とＦＶ５３５材との接合部の双方において、接合加工後の歪みや変形が小さいことがわかる。
なお、ＩＮ６２５材とＦＶ５３５材をアーク溶接で接合すると、これらの接合界面に脆弱相となる金属間化合物が生じることが一般に知られている。これに対し、上記ステップ１〜４と同様の処理によりＩＮ６２５材（中間材）を介してＩＮ７１８材（析出硬化型Ｎｉ基超合金材）とＦＶ５３５材（鋼材）とを結合すれば、ＦＶ５３５材とＩＮ６２５材との接合界面に脆弱相となる金属間化合物が生じないか生じても接合強度に影響を与えない程度に僅かであることが、顕微鏡観察により確認された。このように、ＦＶ５３５材とＩＮ６２５材を電子ビーム溶接で接合すると、アーク溶接で接合する場合と比較して接合加工時に接合界面で溶解する材料の量が著しく少なくなるため、脆弱相となる金属間化合物が生じることを抑制できるとともに、接合界面の歪みや変形を抑制することができる。
以上の通り、上記圧縮機ロータ１１の製造方法によれば、圧縮機ロータ１１は鋼から成る耐低温側ロータディスク２５Ｌが接合された耐低温部分と、それよりも高温に耐えうる析出硬化型Ｎｉ基超合金から成る耐高温側ロータディスク２５Ｈが接合された耐高温部分とを備えている。そして、耐高温側ロータディスク２５Ｈと耐低温側ロータディスク２５Ｌとが固溶強化型Ｎｉ基超合金から成る中間材２６を介して結合されることにより、その鋼部分とその析出硬化型Ｎｉ基超合金部分に対し各々に適した熱処理を行うことが可能となっている。つまり、耐高温側ロータディスク２５Ｈと中間材２６が接合された状態で、その析出硬化型Ｎｉ基超合金部分に必要な強度特性を備えるための時効硬化処理を施すことができる。さらに、耐高温側ロータディスク２５Ｈと中間材２６と耐低温側ロータディスク２５Ｌが接合された状態で、残留応力緩和処理と鋼部分の焼なまし処理とを施すことができる。よって、圧縮機ロータ１１は、耐高温部分と耐低温部分との結合部分において、ガスタービン１が備える高温部品として十分な強度特性を備えることができる。
さらに、上記圧縮機ロータ１１の製造方法によれば、耐高温側ロータディスク２５Ｈと中間材２６、中間材２６と耐低温側ロータディスク２５Ｌのそれぞれは電子ビーム溶接で接合されるので、これらの接合部分の変形を機械加工による後処理が不要な程度に小さく抑えることができる。よって、圧縮機ロータ１１製造時の加工量の増加を抑制することができる。特に、中間材２６と耐低温側ロータディスク２５Ｌとが電子ビーム溶接で接合されることによって、これらの接合界面に脆弱相となる金属間化合物が生じないか生じても僅かであり、中間材２６と耐低温側ロータディスク２５Ｌとの接合部分の強度特性の低下を抑えることができる。
以上、本発明の好適な一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて、様々な設計変更を行うことが可能である。
例えば、上記実施の形態では、析出硬化型Ｎｉ基超合金としてＩＮ７１８を用いているが、これに限定されず他の析出硬化型Ｎｉ基超合金であってもよい。
また、例えば、上記実施の形態では、鋼として１２Ｃｒ鋼を用いているが、これに限定されず、タービン用ロータの使用温度範囲に適した他の耐熱鋼であってもよい。例えば、２．５Ｃｒ鋼や９Ｃｒ鋼等の低合金鋼や、Ｃｒの含有量が１２％より多いステンレス鋼であってもよい。
なお、上記実施の形態では、本発明をガスタービンエンジンが具備する圧縮機ロータに適用させて説明したが、本発明の適用範囲はこれに限定されない。例えば、航空機用、船舶用、陸上車両用、陸上設置型の発電用のそれぞれでエンジンとして使用されるタービンエンジンにおいて、当該タービンエンジンが具備するタービン用ロータに広く適用することができる。
本発明は、航空機用、船舶用、陸上車両用、陸上設置型の発電用のそれぞれでエンジンとして使用されるタービンエンジンが具備する、優れた耐熱性を有するロータを製造するために有用である。
１ ガスタービンエンジン
３ 圧縮機
５ 燃焼器
７ タービン
１１ 圧縮機ロータ
２５ ロータディスク
２５Ｈ 耐高温側ロータディスク
２５Ｌ 耐低温側ロータディスク
２６ 中間材
２７ ロータディスク結合体
３３ タービンロータ

Claims (16)

  1. 溶体化処理された析出硬化型Ｎｉ基超合金より成る第１のロータディスクと固溶強化型Ｎｉ基超合金より成る中間材とを電子ビーム溶接により接合するステップと、
    前記第１のロータディスクと前記中間材の接合体について、前記析出硬化型Ｎｉ基超合金を時効硬化させるために適した第１の温度で時効硬化処理を行うステップと、
    前記中間材と耐熱性を有する鋼より成る第２のロータディスクとを電子ビーム溶接により接合するステップと、
    前記第１のロータディスクと前記中間材と前記第２のロータディスクの接合体について、前記鋼を焼なますために適した第２の温度で焼なまし処理を行うステップとを含む、
    タービン用ロータの製造方法。
  2. 前記固溶強化型Ｎｉ基超合金がインコネル６２５（ＩＮ６２５）である、請求項１に記載のタービン用ロータの製造方法〔インコネル＝ＩＮは登録商標、以下では省略〕。
  3. 前記析出硬化型Ｎｉ基超合金がインコネル７１８（ＩＮ７１８）であり、前記第１の温度が７１０〜７２６℃の範囲の温度である、請求項１または２に記載のタービン用ロータの製造方法。
  4. 前記鋼が１２％Ｃｒ鋼であり、前記第２の温度が５７０〜５９０℃の範囲の温度である、請求項１から３のいずれか一項に記載のタービン用ロータの製造方法。
  5. 複数のロータディスクが軸方向に結合されて成るタービン用ロータであって、
    析出硬化型Ｎｉ基超合金より成る第１のロータディスクと耐熱性を有する鋼より成る第２のロータディスクとの隣接する２枚のロータディスクを含み、
    前記第１のロータディスクと固溶強化型Ｎｉ基超合金より成る中間材とが電子ビーム溶接により接合されており、且つ、前記第２のロータディスクと前記中間材とが電子ビーム溶接により接合されている、タービン用ロータ。
  6. 前記固溶強化型Ｎｉ基超合金がインコネル６２５（ＩＮ６２５）である、請求項５に記載のタービン用ロータ。
  7. 前記析出硬化型Ｎｉ基超合金がインコネル７１８（ＩＮ７１８）である、請求項５又は６に記載のタービン用ロータ。
  8. 前記鋼が１２％Ｃｒ鋼である、請求項５から７のいずれか一項に記載のタービン用ロータ。
  9. 溶体化処理された析出硬化型Ｎｉ基超合金から成る第１材と耐熱性を有する鋼から成る第２材の接合方法であって、
    前記第１材と固溶強化型Ｎｉ基超合金から成る中間材とを電子ビーム溶接により接合するステップと、
    前記第１材と前記中間材の接合体について、前記第１材を時効硬化させるために適した第１の温度で時効硬化処理を行うステップと、
    前記中間材と前記第２材とを電子ビーム溶接により接合するステップと、
    前記第１材と前記中間材と前記第２材の接合体について、前記第２材を焼なますために適した第２の温度で焼なまし処理を行うステップとを含む、
    Ｎｉ基超合金材と鋼材の接合方法。
  10. 前記固溶強化型Ｎｉ基超合金がインコネル６２５（ＩＮ６２５）である、請求項９に記載のＮｉ基超合金材と鋼材の接合方法。
  11. 前記析出硬化型Ｎｉ基超合金がインコネル７１８（ＩＮ７１８）であり、前記第１の温度が７１０〜７２６℃の範囲の温度である、請求項９または１０に記載のＮｉ基超合金材と鋼材の接合方法。
  12. 前記鋼が１２％Ｃｒ鋼であり、前記第２の温度が５７０〜５９０℃の範囲の温度である、請求項９から１１のいずれか一項に記載のＮｉ基超合金材と鋼材の接合方法。
  13. 析出硬化型Ｎｉ基超合金から成る第１材と耐熱性を有する鋼から成る第２材の接合構造であって、
    前記第１材と固溶強化型Ｎｉ基超合金から成る中間材が電子ビーム溶接により接合されており、且つ、前記第２材と前記中間材が電子ビーム溶接により接合されている、Ｎｉ基超合金材と鋼材の接合構造。
  14. 前記固溶強化型Ｎｉ基超合金がインコネル６２５（ＩＮ６２５）である、請求項１３に記載のＮｉ基超合金材と鋼材の接合構造。
  15. 前記析出硬化型Ｎｉ基超合金がインコネル７１８（ＩＮ７１８）である、請求項１３又は１４に記載のＮｉ基超合金材と鋼材の接合構造。
  16. 前記鋼が１２％Ｃｒ鋼である、請求項１３から１５のいずれか一項に記載のＮｉ基超合金材と鋼材の接合構造。
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