JP2019210502A - プリフォーム及びＴｉＡｌ系タービンホイールの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鋳造法に比べて性能が高く、かつ、総切削加工法に比べて低コストなＴｉＡｌ系タービンホイールを製造するために用いられるプリフォーム、及びこれを用いたＴｉＡｌ系タービンホイールの製造方法を提供すること。【解決手段】プリフォームは、２８．０ｍａｓｓ％≦Ａｌ≦３５．０ｍａｓｓ％、１．０ｍａｓｓ％≦Ｎｂ＋Ｍｏ＋Ｗ＋Ｔａ≦１５．０ｍａｓｓ％、０．１ｍａｓｓ％≦Ｃｒ＋Ｍｎ＋Ｖ≦５．０ｍａｓｓ％、及び、０．１ｍａｓｓ％≦Ｓｉ≦１．０ｍａｓｓ％を含み、残部がＴｉ及び不可避的不純物からなるＴｉＡｌ系合金からなる。前記プリフォームは、複数のタービン翼相当部を有し、前記タービン翼相当部は、平均ラメラコロニー径が１００μｍ以上５００μｍ以下であるラメラ組織を呈している。ＴｉＡｌ系タービンホイールは、このようなプリフォームのタービン翼相当部の表層部を加工により除去することにより得られる。【選択図】図１

Description

本発明は、プリフォーム及びＴｉＡｌ系タービンホイールの製造方法に関し、さらに詳しくは、タービン翼の先端厚さが相対的に薄く、かつ、機械的特性に優れたＴｉＡｌ系タービンホイールを製造するために用いられるプリフォーム、及び、このようなプリフォームを用いたＴｉＡｌ系タービンホイールの製造方法に関する。

自動車用のタービンホイールは、形状が複雑で、かつ高温で高速回転するため、耐熱性に優れたＮｉ基鋳造合金が汎用されている。一方、タービンホイールの性能向上には、材料の軽量化が有効である。そのため、一部のタービンホイールには、Ｎｉ基鋳造合金の約半分の密度で、耐熱性に優れるＴｉＡｌ系合金が使用されている。ＴｉＡｌ系合金製タービンホイールは、Ｎｉ基鋳造合金と同様に鋳造法で製造される場合が多い。

このようなＴｉＡｌ系合金製タービンホイール及びその製造方法に関し、従来から種々の提案がなされている。例えば、特許文献１には、所定の組成を有するＴｉＡｌ系合金からなり、かつ、その表面の全部又は一部に内部より硬さの高い硬化層を備えたＴｉＡｌ系耐熱部材が開示されている。
同文献には、
（ａ）溶湯成分及び固液域の冷却速度を最適化することによって、内部の機械的特性を良好に維持したまま、表面のみを高硬度化させることができる点、及び、
（ｂ）表面処理が不要であるので、表面破壊の起点の増加や製造コストの増加を生じさせることなく、表面のみを高硬度化させることができる点
が記載されている。

特許文献２には、金属粉末射出成形法及び切削加工法を用いてタービンホイールを製造する方法が開示されている。
同文献には、このような方法により、薄肉のブレードを有するタービンホイールであっても、寸法精度良く製造することができる点が記載されている。

タービンホイールの性能は、軽量化以外にも、翼枚数を増やしたり、あるいは、翼を薄くすることでも向上する。しかし、鋳造法を用いて複雑形状のタービンホイールを製造した場合、鋳造後の冷却過程において相対的に大きな熱応力が発生する。ＴｉＡｌ系合金は延性が低いため、翼を薄くし過ぎると、鋳造後の冷却過程で生じる熱応力を緩和できず、薄い翼部が割れやすいという問題があった。そのため、ＴｉＡｌ系合金は、Ｎｉ基鋳造合金と比較すると、鋳造可能な形状に制約があった。

この問題を解決するために、大きな素材から切削加工によりタービンホイールを製造することも考えられる。しかし、この方法では、素材サイズが大きくなるために結晶粒が粗大化し、タービンホイールとしての機械的特性が低下する。また、総切削加工の場合、切削費用（工具、能率）が非常に高価になる。
また、大きな素材で微細な結晶粒を得るには、ボロンを添加する方法が有効である。しかし、ボロンを添加すると、鋳造時にＴｉＢ₂が生成しやすくなり、ＴｉＢ₂が破壊の起点となる可能性がある。また、過剰に結晶粒が微細化されると、高温特性が低下したり、鋳造時にシュリンケージが発生しやすくなる。

特開２０１５−１９３９１０号公報 特開２０１１−１７４０９６号公報

本発明が解決しようとする課題は、鋳造法に比べて性能が高く、かつ、総切削加工法に比べて低コストなＴｉＡｌ系タービンホイールを製造するために用いられるプリフォームを提供することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、このようなプリフォームを用いたＴｉＡｌ系タービンホイールの製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に係るＴｉＡｌ系タービンホイールのプリフォームは、以下の構成を備えていることを要旨とする。
（１）前記プリフォームは、
２８．０ｍａｓｓ％≦Ａｌ≦３５．０ｍａｓｓ％、
１．０ｍａｓｓ％≦Ｎｂ＋Ｍｏ＋Ｗ＋Ｔａ≦１５．０ｍａｓｓ％、
０．１ｍａｓｓ％≦Ｃｒ＋Ｍｎ＋Ｖ≦５．０ｍａｓｓ％、及び、
０．１ｍａｓｓ％≦Ｓｉ≦１．０ｍａｓｓ％
を含み、残部がＴｉ及び不可避的不純物からなるＴｉＡｌ系合金からなる。
（２）前記プリフォームは、複数のタービン翼相当部を有し、
前記タービン翼相当部は、平均ラメラコロニー径が１００μｍ以上５００μｍ以下であるラメラ組織を呈している。

本発明に係るＴｉＡｌ系タービンホイールの製造方法は、
本発明に係るプリフォームを用意する第１工程と、
前記プリフォームのタービン翼相当部の表層部を加工により除去し、平均ラメラコロニー径が１００μｍ以上５００μｍ以下であるラメラ組織を呈するタービン翼を得る第２工程と
を備えていることを要旨とする。

鋳造法を用いてＴｉＡｌ系タービンホイールのプリフォームを製造する場合において、成分及び各部の形状を最適化すると、適度な平均ラメラコロニー径を有し、かつ、翼部におけるシュリンケージの少ないプリフォームが得られる。得られたプリフォームを加工すると、翼部の先端厚さが相対的に薄いタービンホイールを製造することができる。
このようにして得られたタービンホイールは、翼部の組織が適正化されており、かつ、翼部の先端厚さが相対的に薄い。そのため、鋳造法により得られたものに比べて性能が高く、かつ、総切削加工法により得られたもの比べて低コストである。

ラメラコロニー径（結晶粒径）の測定方法を説明するための模式図である。

以下に、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
［１． プリフォーム］
本発明に係るＴｉＡｌ系タービンホイールのプリフォームは、以下の構成を備えている。
（１）前記プリフォームは、
２８．０ｍａｓｓ％≦Ａｌ≦３５．０ｍａｓｓ％、
１．０ｍａｓｓ％≦Ｎｂ＋Ｍｏ＋Ｗ＋Ｔａ≦１５．０ｍａｓｓ％、
０．１ｍａｓｓ％≦Ｃｒ＋Ｍｎ＋Ｖ≦５．０ｍａｓｓ％、及び、
０．１ｍａｓｓ％≦Ｓｉ≦１．０ｍａｓｓ％
を含み、残部がＴｉ及び不可避的不純物からなるＴｉＡｌ系合金からなる。
（２）前記プリフォームは、複数のタービン翼相当部を有し、
前記タービン翼相当部は、平均ラメラコロニー径が１００μｍ以上５００μｍ以下であるラメラ組織を呈している。

［１．１． ＴｉＡｌ系合金］
本発明に係るプリフォームは、ＴｉＡｌ系合金からなる。ＴｉＡｌ系合金は、以下のような元素を含み、残部がＴｉ及び不可避的不純物からなる。添加元素の種類、その成分範囲、及び、その限定理由は、以下の通りである。なお、以下の成分範囲の説明において、各成分の含有量は、材料全体の平均組成を表す。

［１．１．１． 主構成元素］
（１）２８．０ｍａｓｓ％≦Ａｌ≦３５．０ｍａｓｓ％：
Ａｌは、Ｔｉとともに金属間化合物γ（ＴｉＡｌ）、α₂（Ｔｉ₃Ａｌ）を構成する必須元素である。Ａｌ含有量が少なすぎると、α₂相の生成量が過剰となる。その結果、延性及び靱性が低下するとともに、耐酸化性にも劣る。従って、Ａｌ含有量は、２８．０ｍａｓｓ％以上である必要がある。Ａｌ含有量は、さらに好ましくは、３０．０ｍａｓｓ％以上、さらに好ましくは、３１．０ｍａｓｓ％以上である。

一方、Ａｌ含有量が過剰になると、γ（ＴｉＡｌ）単相化したり、あるいは、Ａｌ₃Ｔｉ相の生成量が増大する。その結果、延性及び靱性が低下する。γ／α₂層状組織（ラメラ組織）において、高強度・高靱性を得るためには、合金中にα₂（Ａｌ₃Ｔｉ）相が５〜３０体積％存在することが必要である。さらに、Ａｌ含有量が過剰になると、β相を初晶として晶出させ、それらを凝固中に成長させるのが困難となる。従って、Ａｌ含有量は、３５．０ｍａｓｓ％以下である必要がある。Ａｌ含有量は、さらに好ましくは、３４．０ｍａｓｓ％以下、さらに好ましくは、３２．０ｍａｓｓ％以下である。

（２）１．０ｍａｓｓ％≦Ｎｂ＋Ｍｏ＋Ｗ＋Ｔａ≦１５．０ｍａｓｓ％：
「Ｎｂ＋Ｍｏ＋Ｗ＋Ｔａ」は、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗ及びＴａ（以下、「Ｎｂ等」ともいう）の総量を表す。また、総量が上記の範囲内にある限りにおいて、Ｎｂ等はいずれか一種が含まれていても良く、あるいは、二種以上が含まれていても良いことを表す（Ｎｂ≧０ｍａｓｓ％、Ｍｏ≧０ｍａｓｓ％、Ｗ≧０ｍａｓｓ％、Ｔａ≧０ｍａｓｓ％）。

Ｎｂ等は、ＴｉＡｌ系合金の耐酸化性を向上させるのに有効な元素である。Ｎｂ等をＳｉと共に複合添加すると、単独添加の場合に比べて耐酸化性がさらに向上する。また、Ｎｂ等は、Ｔｉサイトに固溶するため、表面硬度を上昇させるα₂相の硬度を上昇させる効果がある。このような効果を得るためには、Ｎｂ等の総量は、１．０ｍａｓｓ％以上である必要がある。総量は、さらに好ましくは、４．０ｍａｓｓ％以上、さらに好ましくは、７．０ｍａｓｓ％以上である。

一方、Ｎｂ等の総量が過剰になると、軟質なＢ２相を形成するため、表面硬度の上昇効果が飽和する。また、Ｎｂ等は高融点で、かつ高価な元素であるため、必要以上の添加は、製造性や材料コストに課題を生ずる。従って、Ｎｂ等の総量は、１５．０ｍａｓｓ％以下である必要がある。総量は、さらに好ましくは、１０．０ｍａｓｓ％以下、さらに好ましくは、８．０ｍａｓｓ％以下である。

（３）０．１ｍａｓｓ％≦Ｃｒ＋Ｍｎ＋Ｖ≦５．０ｍａｓｓ％：
「Ｃｒ＋Ｍｎ＋Ｖ」は、Ｃｒ、Ｍｎ、及びＶ（以下、「Ｃｒ等」ともいう）の総量を表す。また、総量が上記の範囲内にある限りにおいて、Ｃｒ等はいずれか一種が含まれていても良く、あるいは、二種以上が含まれていても良いことを表す（Ｃｒ≧０ｍａｓｓ％、Ｍｎ≧０ｍａｓｓ％、Ｖ≧０ｍａｓｓ％）。

Ｃｒ等は、γ相及びα₂相の両方に固溶するが、特にγ相に固溶する元素である。そして、これらがγ相中に固溶すると、固溶強化によって硬度が上昇する。このような効果を得るためには、Ｃｒ等の総量は、０．１ｍａｓｓ％以上である必要がある。総量は、さらに好ましくは、０．５ｍａｓｓ％以上、さらに好ましくは、０．８ｍａｓｓ％以上である。

一方、Ｃｒ等の総量が過剰になると、上記のような効果が飽和する。また、耐酸化性の劣化に対する影響が大となる。従って、Ｃｒ等の総量は、５．０ｍａｓｓ％以下である必要がある。総量は、さらに好ましくは、３．０ｍａｓｓ％以下、さらに好ましくは、１．５ｍａｓｓ％以下である。

（４）０．１ｍａｓｓ％≦Ｓｉ≦１．０ｍａｓｓ％：
Ｓｉは、ＴｉＡｌ系材料の耐酸化性の向上、及びＴｉ−Ｓｉ系化合物の析出によるクリープ特性の向上に非常に有効な元素である。また、Ｓｉは、鋳造まま状態で得られるラメラ組織の高温安定性を向上させる。さらに、Ｓｉは、溶湯の融点を低下させるため、凝固時の組織制御が容易となる。このような効果を得るためには、Ｓｉ含有量は、０．１ｍａｓｓ％以上である必要がある。Ｓｉ含有量は、さらに好ましくは、０．２ｍａｓｓ％以上、さらに好ましくは、０．３ｍａｓｓ％以上である。

一方、Ｓｉ含有量が過剰になると、初晶としてα相が晶出しやすくなる。従って、Ｓｉ含有量は、１．０ｍａｓｓ％以下である必要がある。Ｓｉ含有量は、さらに好ましくは、０．７ｍａｓｓ％以下、さらに好ましくは、０．５ｍａｓｓ％以下である。

［１．１．２． 副構成元素］
ＴｉＡｌ系合金は、上述した主構成元素に加えて、以下の１又は２以上の副構成元素をさらに含んでいても良い。添加元素の種類、その成分範囲、及び、その限定理由は、以下の通りである。なお、以下の成分範囲の説明において、各成分の含有量は、材料全体の平均組成を表す。

（５）０．０１ｍａｓｓ％≦Ｃ≦０．２ｍａｓｓ％：
Ｃは、γ相及びα₂相に固溶し、これらを強化することにより硬度を高める作用を有する。このような効果を得るためには、Ｃ含有量は、０．０１ｍａｓｓ％以上が好ましい。Ｃ含有量は、さらに好ましくは、０．０３ｍａｓｓ％以上、さらに好ましくは、０．０６ｍａｓｓ％以上である。
一方、Ｃ含有量が過剰になると、その効果は飽和し、延性が低下する。従って、Ｃ含有量は、０．２ｍａｓｓ％以下が好ましい。Ｃ含有量は、さらに好ましくは、０．１５ｍａｓｓ％以下、さらに好ましくは、０．１２ｍａｓｓ％以下である。

（６）０．００５ｍａｓｓ％≦Ｂ≦０．２００ｍａｓｓ％：
Ｂは、γ／α₂層状組織の結晶粒を微細化させる効果があり、表面においても硬度を高める効果がある。また、Ｂは鋳造性を改善するため、凝固時の組織制御が容易となる。このような効果を得るためには、Ｂ含有量は、０．００５ｍａｓｓ％以上が好ましい。Ｂ含有量は、さらに好ましくは、０．０１ｍａｓｓ％以上、さらに好ましくは、０．０２ｍａｓｓ％以上である。
一方、Ｂ含有量が過剰になると、ホウ化物であるＴｉＢ₂が多量に析出し、強度及び靱性を低下させる。従って、Ｂ含有量は、０．２００ｍａｓｓ％以下が好ましい。Ｂ含有量は、さらに好ましくは、０．１５０ｍａｓｓ％以下、さらに好ましくは、０．１００ｍａｓｓ％以下である。

（７）Ｏ≦０．３ｍａｓｓ％：
Ｏは、γ相及びα₂相に固溶し、これを強化することにより強度を増大させる作用がある。しかし、Ｏ含有量が過剰になると延性を低下させる。そのため、不可避的不純物として、Ｏ≦０．３ｍａｓｓ％とするのが好ましい。

（８）Ｎ≦０．２ｍａｓｓ％：
Ｎは、γ相及びα₂相に固溶し、これを強化することにより強度を増大させる作用がある。しかし、Ｎ含有量が過剰になると延性を低下させる。そのため、不可避的不純物として、Ｎ≦０．２ｍａｓｓ％とするのが好ましい。

［１．２． タービン翼相当部］
［１．２．１． 定義］
「タービン翼相当部」とは、加工を施すことによりタービン翼となる部分をいう。プリフォームは、複数のタービン翼相当部を有している。
タービン翼相当部の形状及び数は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適なものを選択するのが好ましい。但し、タービン翼相当部の先端厚さは、後述する条件を満たしているのが好ましい。

［１．２．２． 平均ラメラコロニー径］
本発明に係るＴｉＡｌ系合金は、初晶としてβ相（βＴｉ）が析出する。冷却の進行に伴い、初晶β相は、やがてＡｌ含有量が相対的に少ないα（αＴｉ）相となる。さらに冷却が進行すると、α相は、γ（ＴｉＡｌ）相に変態し、その後、γ相中にα₂（Ｔｉ₃Ａｌ）相がラメラ状に析出する。その結果、複数のラメラコロニーが形成される。

「ラメラコロニー」とは、ラメラの方向が揃った領域をいう。ラメラコロニーは、互いにラメラの方向が異なるため、金属組織観察において境界をもって区別される。
「平均ラメラコロニー径」とは、このようなラメラコロニーの大きさの平均値を表し、「平均結晶粒径」と同義である。本発明において、「タービン翼相当部の平均ラメラコロニー径」という時は、以下の手順により測定される値をいう（図１参照）。
（ａ）プリフォームを軸方向の中央付近で切断する。
（ｂ）タービン翼相当部のリーディングエッジ上部の横断面における翼根元から５ｍｍ±０．５ｍｍの位置の翼中央部において、光学顕微鏡にて倍率：１００倍で１０視野観察する。
（ｃ）線分法によりラメラコロニーの大きさを測定し、その平均値を求める。

ラメラコロニー径は、ＴｉＡｌ系合金の機械的特性に影響を与える。ラメラコロニー径が小さくなりすぎると、クリープ特性が劣るため、高速回転時に翼部がクリープ変形する。従って、平均ラメラコロニー径は、１００μｍ以上が好ましい。平均ラメラコロニー径は、好ましくは、１２０μｍ以上、さらに好ましくは、１５０μｍ以上である。
一方、ラメラコロニー径が大きくなりすぎると、延性が低下するため、低サイクル疲労特性や衝撃特性が低下する。従って、平均ラメラコロニー径は、５００μｍ以下が好ましい。平均ラメラコロニー径は、好ましくは、４００μｍ以下、さらに好ましくは、３００μｍ以下である。

［１．２．３． 先端厚さ］
タービン翼は、通常、翼根元の厚さが厚く、翼先端に向かって厚さが次第に薄くなる形状をしている。加工前のタービン翼相当部は、タービン翼に除去代が付加されたものであるため、タービン翼相当部の厚さもまた、翼先端が最も薄くなる。

プリフォームの素材であるＴｉＡｌ系合金は、延性に乏しい。そのため、プリフォームを鋳造法で製造する場合において、タービン翼相当部の先端厚さが薄くなりすぎると、鋳造後の冷却過程で発生する熱応力により、タービン翼相当部の先端部分に亀裂が入りやすくなる。従って、タービン翼相当部の先端厚さは、０．５ｍｍ以上が好ましい。先端厚さは、好ましくは、０．７０ｍｍ以上、さらに好ましくは、０．９０ｍｍ以上である。

一方、先端厚さが厚くなりすぎると、加工時の除去代が過度に厚くなり、加工コストが増大する。従って、タービン翼相当部の先端厚さは、２．０ｍｍ以下が好ましい。先端厚さは、好ましくは、１．５ｍｍ以下、さらに好ましくは、１．２ｍｍ以下である。

［２． ＴｉＡｌ系タービンホイールの製造方法］
本発明に係るＴｉＡｌ系タービンホイールの製造方法は、
本発明に係るプリフォームを用意する第１工程と、
前記プリフォームのタービン翼相当部の表層部を加工により除去し、平均ラメラーコロニー径が１００μｍ以上５００μｍ以下であるラメラー組織を呈するタービン翼を得る第２工程と
を備えている。

［２．１． 第１工程］
まず、本発明に係るプリフォームを用意する（第１工程）。プリフォームの製造方法は、上述した条件を備えたプリフォームを製造可能な方法である限りにおいて、特に限定されない。コストを低減するには、プリフォームは、鋳造法により製造するのが好ましい。プリフォームの詳細については、上述した通りであるので、説明を省略する。

鋳造法を用いる場合、プリフォームは、
（ａ）所定の組成となるように原料を配合し、
（ｂ）溶湯を鋳型に鋳造する
ことにより製造することができる。

原料の溶解方法は、特に限定されるものではなく、均一な溶湯が得られる方法であればよい。溶解方法としては、例えば、レビテーション溶解法、真空誘導溶解法、プラズマ・スカル溶解法などがある。
また、得られたプリフォームは、そのまま次工程に供しても良く、あるいは、次工程に供する前にＨＩＰ処理をしても良い。ＨＩＰ処理は、必ずしも必要ではないが、ＨＩＰ処理を行うと、内部の鋳造欠陥が消滅し、信頼性が向上する。ＨＩＰ処理条件は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な条件を選択することができる。

［２．２． 第２工程］
次に、前記プリフォームのタービン翼相当部の表層部を加工により除去し、平均ラメラーコロニー径が１００μｍ以上５００μｍ以下であるラメラー組織を呈するタービン翼を得る（第２工程）。

［２．２．１． 加工方法］
タービン翼は、プリフォームのタービン翼相当部の表層部を加工により除去することにより形成される。本発明において、タービン翼の加工方法は、特に限定されない。加工方法としては、機械切削加工、化学的切削加工、研磨加工などがある。

［２．２．２． 除去代］
加工による除去代は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な値を選択することができる。前記第２工程は、特に、
前記タービン翼の先端厚さが０．３ｍｍ以上１．０ｍｍ以下となり、かつ、
除去代が０．０５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下となるように、
前記タービン翼相当部の表層部を加工により除去するものが好ましい。

加工後のタービン翼の厚さが薄くなりすぎると、タービン翼の機械的特性が低下する。従って、タービン翼の先端厚さは、０．３ｍｍ以上が好ましい。先端厚さは、好ましくは、０．３５ｍｍ以上、さらに好ましくは、０．４０ｍｍ以上である。
一方、タービン翼の厚さが厚くなりすぎると、タービンホイールの重量が増加し、タービンホイールとしての性能が低下する。従って、タービン翼の先端厚さは、１．０ｍｍ以下が好ましい。先端厚さは、好ましくは、０．８０ｍｍ以下、さらに好ましくは、０．６０ｍｍ以下である。

除去代に一定の厚みがある場合、加工前のタービン翼相当部の厚みに製造ばらつき（特に、タービン翼相当部が薄くなるケース）が起こっても、除去代の厚みを調整することで、最終製品の形状精度を担保することができる。しかし、除去代が薄すぎると、除去代の厚みを調整できないため、前記した製造ばらつきが起きた時に形状精度を担保できなくなる。従って、除去代は、０．０５ｍｍ以上が好ましい。除去代は、好ましくは、０．０８ｍｍ以上、さらに好ましくは、０．１０以上である。
一方、除去代が厚くなりすぎると、加工コストが増大する。従って、除去代は、１．５ｍｍ以下が好ましい。除去代は、好ましくは、１．０ｍｍ以下、さらに好ましくは、０．５ｍｍ以下である。

［２．２．３． 表面粗さ］
加工後のタービン翼の表面粗さは、タービン翼の機械的特性に影響を与える。一般に、タービン翼の表面粗さが粗くなるほど、疲労特性が低下する。疲労特性に優れたタービンホイールを得るためには、前記第２工程は、前記タービン翼の表面粗さＲａが１．６μｍ以下となるように、前記タービン翼相当部の表層部を加工するものが好ましい。タービン翼の表面粗さＲａは、好ましくは、１．２μｍ以下、さらに好ましくは、１．０μｍ以下である。
ここで「表面粗さＲａ」とは、ＪＩＳ Ｂ０６０１（１９９４）に規定された算術平均粗さ（μｍ）をいう。

［２．２．４． 平均ラメラコロニー径］
「タービン翼の平均ラメラコロニー径」とは、以下の手順により測定される値をいう（図１参照）。
（ａ）タービンホイールを軸方向の中央付近で切断する。
（ｂ）タービン翼のリーディングエッジ上部の横断面における翼根元から５ｍｍ±０．５ｍｍの位置の翼中央部において、光学顕微鏡にて倍率：１００倍で１０視野観察する。
（ｃ）線分法によりラメラコロニーの大きさを測定し、その平均値を求める。

タービン翼の平均ラメラコロニー径は、１００μｍ以上５００μｍ以下が好ましい。タービン翼の平均ラメラコロニー径は、タービン翼相当部の平均ラメラコロニー径と同様である。タービン翼の平均ラメラコロニー径に関するその他の点については、タービン翼相当部の平均ラメラコロニー径と同様であるので、説明を省略する。

［３． 作用］
ＴｉＡｌ系合金からなるタービンホイールは、その軽量性から高性能であるが、一方で低延性に起因して製造性が汎用のタービンホイール用材料であるＮｉ基合金より劣る。そのため、ＴｉＡｌ系合金を用いてタービンホイールを製造する場合、タービン翼の形状に制約があったため、その特性を十分発揮することができなかった。
この問題を解決するために、タービンホイールの外径より大きな鋳塊を製造し、鋳塊から切削加工などの加工により、任意形状のタービンホイールを製造する方法が考えられる。しかし、ＴｉＡｌ系合金は、鋳造時の凝固速度が組織に大きく影響し、組織が粗大になると延性が低下する。延性が低下すると、使用時にタービン翼が折損しやすくなる。また、総切削加工では切削コストが非常に高くなる。

これに対し、鋳造法を用いてＴｉＡｌ系タービンホイールのプリフォームを製造する場合において、成分及び各部の形状を最適化すると、適度な平均ラメラコロニー径を有し、かつ、翼部におけるシュリンケージの少ないプリフォームが得られる。得られたプリフォームを加工すると、翼部の先端厚さが相対的に薄いタービンホイールを製造することができる。
このようにして得られたタービンホイールは、翼部の組織が適正化されており、かつ、翼部の先端厚さが相対的に薄い。そのため、鋳造法により得られたものに比べて性能が高く、かつ、総切削加工法により得られたもの比べて低コストである。

（実施例１〜１０、比較例１〜５）
［１． 試料の作製］
［１．１． 実施例１〜１０］
原料として、純Ｔｉ、粒状Ａｌ、及び、その他の金属元素の純金属又は合金を用いた。Ｔｉ−３１．８Ａｌ-７．５Ｎｂ−１．０Ｃｒ−０．５Ｓｉ−０．０３Ｃ（ｍａｓｓ％）の成分となるように配合した原料を水冷銅坩堝内で溶解し、種々の翼先端厚さを有する外径５８ｍｍのタービンホイールを鋳造した。タービンホイールは、鋳型除去後に鋳造まま状態で翼部を機械加工で切削し、目的の翼先端厚さとした。

［１．２． 比較例１〜５］
タービン翼相当部の先端厚さが異なる以外は、実施例１と同様にしてタービンホイールを作製した（比較例１〜３）。
タービンホイールの外径より大きな鋳塊を製造し、鋳塊から切削加工によりタービンホイールを作製した（比較例４）。
さらに、鋳造したままのプリフォームをそのまま試験に供した（比較例５）。

［２． 試験方法］
［２．１． 平均ラメラコロニー径］
図１に、ラメラコロニー径（結晶粒径）の測定方法を説明するための模式図を示す。プリフォーム又はタービンホイールを中央付近で切断した。翼根元から５ｍｍの位置にある翼中央部を光学顕微鏡にて、１００倍で１０視野観察した。得られた顕微鏡組織に基づいて、線分法を用いて、平均ラメラコロニー径を測定した。
［２．２． 表面粗さ］
触針法を用いて、ＪＩＳ Ｂ０６０１（１９９４）に準拠して、加工後の翼表面の算術平均粗さ（Ｒａ）を測定した。

［２．３． クリープ特性、低サイクル疲労特性］
得られたタービンホイール又はプリフォームをターボチャージャーに組み込み、タービンホイールの耐久試験を実施した。耐久試験として翼部のクリープ特性を評価するため、９８０℃、２０万ｒｐｍで回転させて破断時間を評価した。
また、翼部を含めた製品の低サイクル疲労特性を評価するため、停止状態から２０万ｒｐｍまで急加速で回転させ、回転数が２０万ｒｐｍに到達したところで、排ガスを停止し、２万ｒｐｍを下回ったところで再加速した。この２０万ｒｐｍ⇔２万ｒｐｍをを１サイクルとして、加減速試験を繰り返し、破断サイクル数を評価した。

［３． 結果］
表１に結果を示す。表１より、以下のことが分かる。
（１）実施例１〜１０は、いずれもクリープ特性及び低サイクル疲労特性に優れていた。
（２）比較例１は、タービン翼相当部の先端厚さが薄すぎるために、鋳造時の熱応力で翼部が割れてしまった。そのため、タービンホイールの作製ができなかった。
（３）比較例２は、タービンホイールの作製が可能であった。しかし、タービン翼相当部の先端厚さが薄いために、翼部の平均ラメラコロニー径が１００μｍ未満となった。その結果、比較例２は、クリープ特性及び低サイクル疲労特性が低い。

（４）比較例３は、タービン翼相当部の先端厚さが厚いため、翼部の平均ラメラコロニー径が大きい。そのため、クリープ特性は良好であるが、低サイクル疲労特性は低い。
（５）比較例４では、φ８０の鋳塊を製造し、すべて切削加工によりタービンホイールを作製した。全切削加工のため、薄翼製品となっている。しかし、初期のラメラコロニー径が大きいため、低サイクル疲労特性は劣る。
（６）比較例５は、実施例１〜２と同程度の平均ラメラコロニー径及び翼先端厚さを有する。しかし、切削加工を実施した実施例１〜２と比べて、表面粗さが大きいため、低サイクル疲労特性に劣る。

（７）翼部のラメラコロニー径をある範囲としたタービンホイールのプリフォームを作製し、切削加工でタービンホイール形状に仕上げることで、クリープ特性と低サイクル疲労特性に優れるタービンホイールを製造することができる。
（８）タービンホイールは、翼厚さが薄いほど、レスポンスや性能が向上するため、薄い翼厚さは性能上望ましい。本発明に係る方法は、鋳造では困難な薄翼品も製造可能であるので、高性能なタービンホイールの製造方法といえる。

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。

本発明に係るプリフォームは、自動車用ターボチャージャーのタービンホイールなどに用いることができる。

Claims (6)

1. 以下の構成を備えたＴｉＡｌ系タービンホイールのプリフォーム。
   （１）前記プリフォームは、
   ２８．０ｍａｓｓ％≦Ａｌ≦３５．０ｍａｓｓ％、
   １．０ｍａｓｓ％≦Ｎｂ＋Ｍｏ＋Ｗ＋Ｔａ≦１５．０ｍａｓｓ％、
   ０．１ｍａｓｓ％≦Ｃｒ＋Ｍｎ＋Ｖ≦５．０ｍａｓｓ％、及び、
   ０．１ｍａｓｓ％≦Ｓｉ≦１．０ｍａｓｓ％
   を含み、残部がＴｉ及び不可避的不純物からなるＴｉＡｌ系合金からなる。
   （２）前記プリフォームは、複数のタービン翼相当部を有し、
   前記タービン翼相当部は、平均ラメラコロニー径が１００μｍ以上５００μｍ以下であるラメラ組織を呈している。
2. 前記ＴｉＡｌ系合金は、
   ０．０１ｍａｓｓ％≦Ｃ≦０．２ｍａｓｓ％、及び／又は、
   ０．００５ｍａｓｓ％≦Ｂ≦０．２００ｍａｓｓ％
   をさらに含む請求項１に記載のプリフォーム。
3. 前記タービン翼相当部の先端厚さが０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下である請求項１又は２に記載のプリフォーム。
4. 請求項１から３までのいずれか１項に記載のプリフォームを用意する第１工程と、
   前記プリフォームのタービン翼相当部の表層部を加工により除去し、平均ラメラコロニー径が１００μｍ以上５００μｍ以下であるラメラ組織を呈するタービン翼を得る第２工程と
   を備えたＴｉＡｌ系タービンホイールの製造方法。
5. 前記第２工程は、
   前記タービン翼の先端厚さが０．３ｍｍ以上１．０ｍｍ以下となり、かつ、
   除去代が０．０５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下となるように、
   前記タービン翼相当部の表層部を加工により除去するものからなる請求項４に記載のＴｉＡｌ系タービンホイールの製造方法。
6. 前記第２工程は、前記タービン翼の表面粗さＲａが１．６μｍ以下となるように、前記タービン翼相当部の表層部を加工するものからなる請求項４又は５に記載のＴｉＡｌ系タービンホイールの製造方法。

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