JP2980661B2 - デュアル合金タービンディスクの製造方法 - Google Patents

デュアル合金タービンディスクの製造方法

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JP2980661B2 JP2265313A JP26531390A JP2980661B2 JP 2980661 B2 JP2980661 B2 JP 2980661B2 JP 2265313 A JP2265313 A JP 2265313A JP 26531390 A JP26531390 A JP 26531390A JP 2980661 B2 JP2980661 B2 JP 2980661B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は多重合金部材の製造方法、より具体的にはガ
スタービンエンジン用のデュアル合金ディスクの製造方
法に関する。
発明の背景 ガスタービンエンジンのタービンブレードを支えるデ
ィスクは高温環境中を高速で回転する。最新型のガスタ
ービンエンジンでは、増大したエンジン効率とエンジン
性能のため、常により高い温度での作動が要求される。
これらのエンジンのディスクの外周部すなわちリム部の
温度は1500゜F以上に達し得るが、内部すなわちハブ部
の温度は通常それより低く、たとえば1000゜F程度であ
る。ディスクの別個の部分がさらされるさまざまな作動
条件および温度のため、これらの部分では機械的性質の
いろいろ異なる組合せが要求される。高温のリム部は時
間依存性の、すなわち保持時間疲れ亀裂成長耐性および
クリープ耐性をもっていなければならないし、一方、高
い応力のかかるハブ部は比較的中程度の温度における高
い破裂強さおよび疲れ亀裂成長耐性をもっていなければ
ならない。またハブ部は、長い部品寿命を保証するため
に低サイクル疲れに対する高い抵抗性ももっていなけれ
ばならない。
ディスクの別個の部分の機械的性質に関するこのよう
に異なる要件およびタービンディスクの半径方向に沿っ
て見られる急激な温度勾配のため、最新式設計のエンジ
ンに使用されるタイプのタービンディスクのハブ部とリ
ム部の双方の要求を単一の合金で満足させることは不可
能ではないにしても困難である。たとえば、鍛造ニッケ
ル基合金の多くは秀れた引張特性と低サイクル疲れ特性
をもっているがクリープ破断強さまたは保持時間疲れ亀
裂成長耐性は大幅に制約され、他のニッケル基合金は優
れたクリープ破断強さをもっているが引張特性と疲れ特
性は劣っている。
効率とパワーがより大きくなったこれらの最新型エン
ジンで要求される高い作動温度要件を満足するひとつの
解決策は、使用する合金が冶金学的に安定であって所望
の高い温度で損傷を受け難い場合、応力レベルを下げる
ためにディスクの重量を増やすことである。この方法
は、系の重量が望ましくない程に増大して、上昇したパ
ワーと効率の有利な効果を打消してしまうので、航空機
にとっては不満である。
別の解決策は、望まれる特性に応じてディスクの異な
る部分に異なる合金が使用されているデュアル合金ディ
スクを利用することである。このディスクは、一体とな
った物品を形成するために異なる合金が互いに接合され
る接合領域をもっている。デュアル合金ディスクを製造
するために数多くの方法が提案され評価されて来てい
る。本明細書で使用する接合（部）という用語は、つな
がれる部材がボルトやリベットなどのような機械的手段
によって接触状態に保持される機械的接合とは違って、
拡散鑞付または拡散溶接の場合のようにつながれる部材
がそれらの金属または第三の金属の溶融により（一体と
して）一緒に保持される冶金学的な接合（部）を指す。
接合（部）およびそれに近接する変化した金属の領域を
接合領域という。
融接もひとつの解決策として示唆されてはいるが、デ
ィスクに使用するようなニッケル基超合金を所要の形状
・配置で溶接するのは困難である。
考えられる代替法としてイナーシャ溶接がある。しか
し、非常に異なる合金の場合、加熱されたゾーンで不均
一な流れ、接合部の不適当な清浄化、および初期融解が
起こる可能性がある。またこの方法では、大きな装置と
特別な工具類も必要になる。
異なる合金から作製された部品を接合するための別の
技術は、ニッケル基合金に適用されるような拡散接合に
よるものである。しかし、この方法は、現在のところ、
デュアル合金ディスクを製造するのに充分な信頼性があ
るとは考えられていない。
さらに別の方法はバイキャスティングといわれてお
り、物品の一部分（たとえば鍛錬または鍛造したハブ）
に対して直接他の部分（たとえばリム）を注型（鋳造）
するものである。この方法で得られるのは望ましくない
機械的接合であって冶金学的な接合とは区別される。さ
らに、物品の一部分を鋳造しなければならないという事
実が意味することは、少なくともその部分には異質物、
収縮、介在物および多孔質巣など、鋳造に伴う潜在的な
固有の欠陥のすべてが存在し得るということである。そ
のような欠陥が存在することは高速で回転する部品にと
って許容されることではない。
さらに別の製造技術は熱間静水圧プレスである。この
技術は、ディスクのひとつの部分（たとえばハブ）に使
用される粉末を圧密化するのに使用でき、またそれを他
の部分に接合するのにも使用できる。粉末の熱間静水圧
プレスの一変型では、２つの鍛錬された部材を熱間静水
圧プレスで互いに溶接する。この技術では、接合領域の
露出された側部のまわりに気密なエンクロージャ（たと
えば別の缶、溶接部または鑞付部）が必要になる。この
熱間静水圧プレス法の別の変型では、環状リングの粉末
をふたつの鍛錬部材の間で熱間静水圧プレスする。しか
し、熱間静水圧プレスの欠点は、熱間静水圧プレスの前
から接合部に存在していた不純物はすべてそこに残存す
るということである。
コアが１種の合金からなり、また外側の部分が別の合
金からなり共押出および等温鍛造によって作製されるビ
レットは、従来から比較的大きな困難もなく製造されて
いる。しかし、合金間の界面の正確な位置決めと形状を
制御するために鍛造法を発展させるにはさらに多くの研
究が必要である。
異種の合金をいろいろな組合せで溶接するには従来か
ら爆発溶接が利用されている。この方法は、ひとつの合
金の表面上に他の合金を被覆するのに有用であることが
分かっている。しかしながら、デュアル合金ディスクの
接合領域の形状はハブをリムに接合するための爆発エネ
ルギーを導入するのに適していないため、このような方
法をデュアル合金ディスクの接合に使用することは現状
のところ不可能である。
別のアプローチは、異なる部分が違った性質を有する
単一合金ディスクを作製することである。そのようなタ
ービンディスクの製造方法の概略は、1986年８月26日に
発行された米国特許第4,608,094号に述べられている。
このディスクは、いろいろな機械的性質を得るために異
なる領域で異なる加工をしてある単一の合金から作製さ
れる。しかし、そのようなディスクは使用する単一合金
の制約を受ける。あるいは、単一合金ディスクが、異な
る温度での熱処理、または同一の温度で異なる時間の熱
処理にかけてある異なる部分をもっていることがある。
そのような差動的な熱処理をすると、異なる部分で異な
る機械的性質を有するディスクが生成する。しかし、そ
れでもこのディスクはすでに述べたように使用する単一
合金の制約を受ける。
1976年２月24日に発行された米国特許第3,940,268号
はタービンディスク／ブレードアセンブリに関するひと
つの解決策を提供しており、金型内に置かれた放射状に
外へ向かう複数の翼部材に連結され、熱間静水圧法によ
るディスクエレメントの形成の間に冶金学的に接合され
た粉末金属材料のディスクを開示している。この米国特
許第3,940,268号に記載された方法によっていろいろな
材料のディスクにブレードを接合することができるが、
そのような方法で形成されるハイブリッドすなわち複合
のタービンロータ構造体では隣接する翼部材間の精密な
寸法コントロールができない。そのようなコントロール
は、ディスクに連結された翼部材の隣接通路内を通る所
望のガス流を維持するために必要である。さらにまた、
この解決策は、ディスクにブレードを接合する問題に対
処するものであって、ハブをリムに接合してディスクを
形成する問題に関するものではない。
ディスクのリム部を粗い結晶粒子で形成し、ディスク
の中心部を細かい結晶粒子で形成するという概念は、米
国航空宇宙局（NASA）の「デュアル合金ディスクに関す
る材料とプロセス技術の開発（Development of Materia
ls and Process Technology for Dual Alloy Disks）」
と題するレポート第CR−165224合に開示されている。こ
のレポートの示しているところによると、ディスクのリ
ム部は粉末金属の熱間静水圧プレスによって粉末金属か
ら形成される。その後そのディスクのハブ部が金属粉末
で充填され、容器中に封入される。次に、こうして封入
したリム部と粉末金属を熱間静水圧プレス操作にかけて
デュアル合金タービンディスクを生成する。
発明の目的 本発明のひとつの目的は、２種以上の合金から構成さ
れており、各々の合金が、実質的に欠陥部分をもたず弱
い方の合金と少なくとも同じ強度を有する少なくともひ
とつの接合領域を介して別の合金に接合されて一体とな
った金属製物品を作製するための新規で改良された方法
を提供することである。
本発明のもうひとつ別の目的は、異なる合金から構成
される一体型の金属製物品であって、物品のひとつの部
分の特性がその物品の他の部分でみられる特性とは違っ
ている物品を作製するための新規で改良された方法を提
供することである。
また、本発明の別の目的は、別個のハブとリムを接合
して単一の一体型タービンディスクにするための新規で
改良された方法を提供することであり、このハブ部は、
タービンディスクの長い寿命を保証するために、高度に
合金化されて強度と低サイクル疲れ亀裂伝播に対する抵
抗性とが最大になっている強靭な材料からなっており、
リム部は、耐クリープ性と高温保持時間疲れ亀裂成長耐
性とを増進する組成とミクロ組識をもった材料からなっ
ている。
本発明のさらに別の目的は、ディスクの各部分が最適
の特性を有しており、かつそれらの間に、欠陥部分をも
っている可能性がある材料を実質的に含まない接合領域
を有しているデュアル合金タービンディスクを作製する
ための新規で改良された方法を提供することである。
さらにまた、本発明の別の目的は、ハブ部が最適な引
張特性と疲れ特性を有し、かつリム部が最適な耐クリー
プ性と保持時間疲れ亀裂成長耐性を有するガスタービン
エンジンディスクを製造するための新規で改良された方
法を提供することである。
発明の概要 本発明に従って、異なる組成および／または異なる機
械的性質を有する金属からなる別々の部品を固相接合プ
ロセスによって接合して、それらの金属部品の間に実質
的に欠陥部分を含まない冶金学的接合部を有する単一の
一体型金属製物品を製造するための新規な方法が開示さ
れる。
特定的に述べると、ある金属から作製される独立した
一個の金属部品は第一の正確に予備成形された境界に当
たる表面（すなわち、境界面）をもっている。ある金属
から作製され、前記第一の部品の第一の予備成形された
境界面とほぼ合致する正確に予備成形された境界面を有
する別の独立した第二の部品を、第一の部品に対して、
それらの合致する境界面が互いに対向するように配置す
る。これらの部品の予備成形境界面と合致する予備成形
境界面をもったさらに別の金属部品を追加して使用して
もよい。たとえば、第１の部品上にある第二の予備成形
面にほぼ合致する正確に予備成形された表面を有する別
の第三の部品を第一の部品の第二の予備成形面に対して
配置してもよい。対向する予備成形面は、たとえば、等
温鍛造プロセスで使用されるダイに似たクローズドダイ
の中に部品を入れたとき、お互いに境界を接する。
ほぼ合致する対向面を有する隣合う部品に対してダイ
を介して圧縮力を加える前に、これら部品をそれらの塑
性（好ましくは超塑性）変形に必要とされる最低の温度
まで加熱する。この加熱は、部品をダイ内部に入れる前
でも後でも実施できるが、圧縮力を加える前に行なう。
少なくとも圧縮力を加えている間はこの最低の温度を維
持する。またダイも、接合させることになる部品と同じ
温度に加熱するのが好ましい。
本発明によると、ダイは、所期の接合区画に近接して
位置していて少なくとも予定した接合部の全長に亘って
伸延する所定サイズのキャビティーを少なくとも１個含
んでいる。隣接する部品は異なる金属から作製されるこ
とがあるので異なる流れ応力が生じるであろう。したが
って、所定の位置にあるダイキャビティーが、接合領域
から追出されてくる材料を確実に受容するためには、予
備成形される表面の寸法制御が必要である。
ダイを介して部品に圧縮力を加えると対向する表面は
互いに対して圧接させられる。加えた圧縮力のかなりの
部分は部品間の接触領域に向かう。この加える圧縮力の
大きさは、互いに圧接された境界面の相対運動をまず生
起せしめるように選択する。これらの接触している表面
が互いに対して移動するにつれて、この表面領域内の金
属の局所適変形が広範囲に亘って生じる。この圧縮力を
加え続けると、相対運動が継続されると共に、境界面を
構成することになる金属の局所的変形が継続される。こ
の相対運動が続いているうちに、材料がダイキャビティ
ー中へ流れ始め、そのダイキャビティーが一杯になるま
で続く。圧縮力は境界面がぴったり合致するまで維持さ
れる。その時点で対向する表面間の接合が形成され、ダ
イキャビティーが満たされるのと共に存続する。
部品を互いに接合するのに使用されるプロセスの場
合、通常非破壊試験によって発見されるようなタイプの
欠陥部分が接合領域でみられることが多い。しかし、本
発明においては、最初に予備成形された境界面に由来し
ていて追出されて排除される材料がそのような欠陥部分
を含み得る。その結果得られる接合部はほとんど欠陥部
分を含んでおらず、元々の表面材料はダイキャビティー
中に排除されている。こうして排除された材料は、その
後機械加工その他の除去法で取除くことができる。
好ましい態様において本発明の方法は、リム部が保持
時間疲れ亀裂成長耐性、応力破断およびクリープ耐性を
有するニッケル基超合金から構成され、ハブ合金が優れ
た引張強さと低サイクル疲れ亀裂成長耐性を有する別の
ニッケル基超合金で構成されているガスタービンエンジ
ン用のディスクを作製するのに特に有用である。
本発明の前記目的とその他の目的、さらにその特徴と
利点は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明をみれ
ば明らかとなるであろう。
発明の詳細な説明 本明細書中に開示されている本発明に従う接合方法
は、同一かまたは異なる組成を有する金属部品（部材）
を接合するのに適用できる。この際、これらの部品の各
々は、これと接合されることになる部品の対応して対向
する予備成形された面とほぼ合致する予備成形された接
合面を与えるように製造される。これらの対向する部品
は熱間静水圧プレスによって作製でき、通常は各々が異
なる機械的性質をもっている。これら別個に分離した部
品は、同一の公称組成を有しているが加工熱処理の結果
としてそれぞれ異なる機械的性質をもっているか、また
は異なる組成をもっている鍛錬された超合金鍛造品から
作製するのが好ましい。本発明の方法では、型鍛造操作
で使用するのとよく似たクローズドダイを利用し、これ
に接合すべき個別の部品を入れる。さらに、異なるミク
ロ組織を有する部品同士を接合することもできるが、結
晶粒子の粗い部品は超塑性挙動を示さないことがあるの
で最初に細かい結晶粒子をもつ部品を接合するのが好ま
しい。
本発明の主題である接合方法において利用される型鋳
造の場合、熱い金属の賦形は互いに組合うダイ部の壁の
完全に内部で起こる。一緒に鍛造される部品から構成さ
れる工作物は、上側のダイ部もしくは下側のダイ部に位
置するか、または第１図に示されているようにこれら二
つのダイ部の間に分割されているチャンバすなわち空洞
の内部に入れる。工作物はこのダイ中に完全に配置され
るとすべての側面がダイの壁に囲まれる。鍛造品はブロ
ッカータイプ、普通タイプ、または精密公差タイプのい
ずれでもよいが、精密公差タイプのものが好ましい。本
発明においては、ダイモールド内で接合領域に近接し、
かつその領域と同一平面内に広がる少なくとも１個のキ
ャビティーが設けられていて、一緒に鍛造される部品の
間の接合部から放出される金属を受容する。
たとえば第１図に示されているように、予備成形され
て内側に向いている内部境界面８を有する第一の部品１
を、表面８とほぼ合致する予備成形されて外側に向いて
いる外部境界面９を有する第二の部品２と共に、通常の
ノックアウト25を有するクローズドダイ16の中に入れ
る。予備成形面は、特定の特徴を備えていて対応する境
界面を与える従来の機械加工操作によって作ることがで
きる。
クローズドダイ16は可動ダイ部11と固定ダイ部10とを
もっている。鋳造に先立って、第一の部品１と第二の部
品２を塑性（好ましくは超塑性）変形に必要とされる最
低の温度まで加熱する。通常はダイ16に入れる前に加熱
する。好ましい態様では、鍛造分野の当業者には周知の
ように、第一の部品１と第二の部品２を別々に加熱した
後、上記所望の温度以上にあるうちにダイ16の中に入
れ、一方ダイ16は電気素子などのような別の加熱手段に
よって加熱する。また、加熱した第一部品１と第二部品
２を、ダイを加熱しないで、またはダイを第二部品２と
第一部品１の温度より低いあらかじめ設定した温度まで
加熱した後、ダイ16中で組立てることも可能であるが、
この場合組立てた部品の一部が望ましくない程に冷却さ
れることがあり得、所望の温度範囲より低温になること
があるかもしれない。
本発明にとって必須ではないが、ダイに入れる前に向
い合う境界面を可能な最大限度まで清浄化するのが好ま
しい。清浄化は機械的方法や化学的方法を始めとするい
くつかの方法またはそれらを組合せた方法で実施するこ
とができる。こうして清浄化された面は、加熱作業およ
び接合作業を真空中または不活性ガス雰囲気中で行なう
ことによって清浄に保つことができる。
第一の部品１と第二の部品２が高温にあるうちに、可
動ダイ部11に力を加えることによってこれらの部品をダ
イ16内部で圧縮する。この際かける力の大きさは、対向
する面の相対運動が規定された速度で起こるように最初
に選択される。この操作は、真空等温プレスで、または
真空中もしくは不活性雰囲気中で実施するのが好まし
い。
第１図に示されているように、ダイ部11の内部のキャ
ビティー13のサイズと位置は、第二の部品２をダイ16内
部で第一の部品１中に組入れたときキャビティー13が接
合領域４の上方になるように選択する。このキャビティ
ーの位置と形はそのダイの性質と工作物の形状に応じて
変化し、ダイ部間のクリアランスによって形成すること
ができる。
上側のダイ部11のキャビティー13の位置は最終物品中
の接合領域４の位置によって支配されることが分かる。
一体型ディスクとなる最終物品の場合、キャビティー13
はその中心が接合領域４の上あたりになるようにすべき
である。キャビティー13の位置は、経験的に決定しても
よいし、あるいはコンピューターによる模型試験をした
り、または鉛、プラスチセン（plasticene）、プラスチ
ック、鑞、その他の金属材料のような材料で模型（塑
像）を作製したりして決定してもよい。ここで再び第１
図を参照すると、図の矢印の方向に力が加えられたとき
この力のかなりの部分は対向する線対称の表面８と９の
相対運動を起こすような方向にかかる。ダイ部が互いに
近付くにつれて、対向する表面の相対運動は低減するが
それぞれの境界面８と９で材料の広範囲にあたる局所的
変形が起こると同時にこれらの表面の接合が生じて接合
領域が形成される。この力は対向する表面間の小さい接
触領域にかかり、この部分が冶金学的接合が完了した後
に接合領域となる。ダイ部がさらに互いの方向に動く
と、接触領域では材料の変形がさらに起こり、この材料
が接合領域から流出する。この変形のかなりの部分が小
さい接合領域に限定されていることが本発明のひとつの
特徴である。この流れが続くにつれて、材料（これは元
々対向していた表面の材料を含んでいる）は接合領域か
ら追出されてキャビティー13内へ排出される。この排出
される接合領域材料は、不適当・不適切な清浄化技術に
起因して存在することがあるあらゆる欠陥部分を始めと
して潜在的な欠陥部分を含んでいる。
キャビティー13は、接合領域から追出される材料がこ
のキャビティー内へ排出されること、そして、一回の鍛
造サイクル接合が完了するように、このキャビティーが
排出された接合領域材料の少なくともすべてを受入れる
のに充分な容積をもつことを保証するように適当なサイ
ズをもち、しかも適度に調和されている。このキャビテ
ィーの容積は標準的な体積計算によって概算できる。こ
こで対象としているハブとリムの場合、キャビティーの
容積はディスクの厚みと接合領域４の平均断面積から概
算できる。第１図のようにこの断面積を一定と仮定する
とディスクの上面の接合領域４の断面積を計算に使用で
きる。このキャビティーに対して計算した容積の妥当性
は、模型を作るか、あるいは、この容積のキャビティー
を有するダイを実際に作製しそれを用いてデュアル合金
部品を製造することによって立証し得る。キャビティー
の容積が不充分であると、欠陥部分をもっている可能性
のある材料が接合領域に残留することがある。逆に、キ
ャビティーが大き過ぎると材料が浪費されるし、ダイが
弱くなって早めに故障を起こし得る。
実際、このタイプの接合の結果、潜在的に欠陥部分を
もっている材料が接合領域からダイのキャビティー内へ
追出される。本発明の接合プロセスを使用して第１図の
ダイ装置で形成される物品の断面図を第２図に示す。接
合領域４からダイのキャビティー13中へ排出された欠陥
部分をもっている可能性のある材料３が、ディスク５の
上面で接合領域４の上方に突起として描かれている。
この突起は、その後、いろいろな公知の機械加工作業
によって、一体となった物品から除去する。得られる一
体のディスクは従来利用できた接合プロセスに伴ってい
た欠陥部分のほとんどまったくまたはほとんど含んでい
ない。これを標準的な非破壊試験法によって検査するこ
とによって、有害な欠陥部分が接合領域に残っていない
ことが認められる。
すでに述べたように、加えられた力のほとんどの部分
は部品部分１と２の間の接合領域に対して作用する。こ
れにより、広範囲にわたって局所的変形が起こり、材料
が接合領域４から追出される。したがって、対面する境
界面の冶金学的接合が起こるところである接合領域４
は、高度に集中した応力のために歪みの大きい領域であ
る。このプロセスによって形成され、ほとんどあらゆる
欠陥部分をもたない接合部は、一般に、構成成分として
の部品を作製した金属のうち弱い方の金属と同じ程度以
上の高い強度をもっている。
本発明は、特に、ひとつの合金ではない要求を満たす
ことができないようなさまざまな機械的特性を要求され
る作動条件のタービンディスクのようなガスタービン構
造体の製造に適用できる。
タービンディスクを作製するための本発明の好ましい
態様では、中央のボアを有するディスクのリム部１を、
少なくとも１個のキャビティーを有するダイの中に入れ
る。このリム部１の内面８とほぼ同じサイズと形状の対
応する外面９を有するハブ部２を、ダイ内部のリム部１
の中央ボアの内側に入れる。この態様では、第１図に示
されているように、予備成形された外側に向いている外
面９が、異なる頂角を有する２個の円錐台からなる軸対
称の複合面である。また、内側に向いている内面８も、
外面９にほぼ形状の合った、異なる頂角を有する２個の
円錐台からなる軸対称の複合面である。
圧縮力が加わると、リム部１の内側の面８はハブ部２
の外側の面９に対して押付けられる。ガスタービンエン
ジンに関する好ましい態様の場合リム部はニッケル基超
合金から成っているが、これは保持時間疲れ亀裂成長耐
性を示す応力破断およびクリープ耐性の合金が好まし
い。ハブは中程度の温度で秀れた引張強さ、疲れ亀裂−
成長耐性および高い破裂強さを有する別のニッケル基超
合金から成る。そのようなデュアル合金タービンディス
クに適した新規な合金は、米国特許出願第417,097号お
よび米国特許出願第417,098号に記載されている。
合金は、それらが超塑性変形範囲にあるような高い温
度で鍛造される。その際ダイも、工作物の超塑性変形に
適した高温に加熱してもよい。ダイの別々の部分を介し
て圧力を加えると、接合領域から押出された材料が、ダ
イ中で接合領域に近接するキャビティー内に排出され
る。
接合領域から押出された材料は、ディスクの上および
／または下に接合領域とほぼ同心円状の突起（リブ）を
形成する。排出された材料の形状は、元来の予備成形さ
れた接触する表面の形状に大いに依存し得るか、または
ダイ中のキャビティーを満たすことによって限定され得
るものと理解されたい。接合される部品に加えられる圧
縮力の方向と大きさは、これらの部品が対向する表面の
相対運動と共にこの領域の変形を伴って互いに押付けら
れるように充分でなければならない。圧縮力が加えられ
た結果起こる部品の移動と変形によって、部品間の接合
領域から材料が押出され、これはこの接合領域に近接し
て位置するキャビティーによって受容される。上記の例
で、突起状に押出された材料は接合プロセスによって生
じた可能性のある潜在的な欠陥部分を含んでおり、最終
的な接合部はほとんど欠陥部分をもたない。この突起は
ほぼ完全に除くことができ、有害な欠陥部分が接合領域
に残っていないことを確認するためには従来の非破壊試
験法によってディスクを検査するとよい。
最終製品を構成するいくつかの部品の任意のものを接
合前に熱処理してもよい。ただし、その熱処理によって
得られる組織は、接合プロセスにかけられるものでなけ
ればならず、しかもそのようなプロセスによって悪影響
を受けてはならない。このタービンディスクのリム１は
高いクリープおよび応力破断強さと良好な保持時間疲れ
亀裂成長耐性を有する合金またはその他の材料から成る
のが好ましく、また、ハブ２は高い引張強さをもってい
て疲れ亀裂成長に対して抵抗性の合金またはその他の材
料から作製されるのが好ましい。さらに、いずれかの部
品が鋳造組織であったり、または接合に先立って従来の
鍛造技術を用いて塑性変形されていたりすることを排除
する概念的理由はない。
しがって、本発明によって、部品がさらされる苛酷な
作動条件の組合せを満たすことができる機械的性質を有
する異なる合金を接合するための信頼性のある廉価な技
術が提供される。
複合または単純な円錐または円錐台形の界面を有する
２個の部品を接合して円錐または円錐台形の接合領域を
もつディスク形状の物品を形成する技術に関して本発明
を例示して説明して来たが、第１図の境界面８と９はこ
こに例示した形状に限定される必要はなく、部品が軸対
称である必要もないものと理解されたい。境界面の形状
を選択する際の基準は、その選択された形状が元来の表
面材料を接合領域から追出して、ダイ部のひとつで接合
部に近接して位置し接合部の全長にわたって実質的に同
じ平面内で広がっているキャビティーまたは開口部の中
に排出するのに有効であるということである。すなわ
ち、本発明は、軸対称でない形状（たとえば直角柱状棒
材）を有する２個以上の別個の金属部品の接合にも適用
可能である。
本発明が上記の具体例に限定されないことは、上記の
教示に照らして当業者には明らかであろう。多くの修
正、変更、代替および均等物は本発明の範囲内に入る。
【図面の簡単な説明】
第１図は、ダイの上部と底部の両方に環状のキャビティ
ーを有するダイの中でクローズドダイ鍛造用に組立てら
れたハブとリムの断面図である。 第２図は、第１図のディスクの断面を示す図であり、本
発明の方法による接合後ディスクの上面と底面上に追出
された材料の突出部を示している。 １……第一の部品、２……第二の部品、３……欠陥部分
をもつ可能性がある押出された材料、４……接合領域、
５……ディスク、８、９……境界面、10……固定ダイ
部、11……可動ダイ部、13……キャビティー、16……ク
ローズドダイ、25……ノックアウト。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 スレク・チャンド・ジャイン アメリカ合衆国、オハイオ州、シンシナ ティ、トール・ティンバー・ドライブ、 9831番 (72)発明者 ブルース・ポール・バーデス アメリカ合衆国、オハイオ州、モンゴメ リイ、コーネル・ロード、7651番 (56)参考文献 特開 昭61−37387（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−193791（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) B23K 20/00

Claims (23)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】接合されるべき境界面を有する複数個の別
    々の金属部品からそれらの部品の間に接合部を形成する
    ことにより一体となった物品を作製するための方法であ
    って、 （ａ）前記部品をそれらの超塑性変形に必要とされる最
    低温度以上の温度に加熱するステップと、 （ｂ）前記部品を、追出される境界材料を受容するため
    の所定サイズのキャビティーを少なくとも１個含むクロ
    ーズドダイタイプのダイに、前記境界面を互いに対向さ
    せて入れるステップと、 （ｃ）前記部品を少なくとも前記最低温度に維持しなが
    ら、前記境界面の相対運動と共にこれらの面の広範囲に
    わたる局所的変形を生起せしめるように選択された大き
    さの圧縮力を前記ダイに加えることによって前記部品を
    圧縮して、この加えられた圧縮力の実質的な部分を前記
    部品間の接触領域に向かわしめることにより前記境界面
    を互いに対して圧接せしめ、前記圧縮力を加え続けて前
    記境界面の継続する相対運動と共に広範囲にわたる局所
    的変形および接合領域から前記キャビティー中への材料
    の流動を起こさせるステップと、 （ｄ）前記境界面がぴったりと合致し、かつ前記境界面
    間の前記接合部が形成され、しかも前記キャビティーが
    満たされるまで前記圧縮力を維持するステップとからな
    る方法。
  2. 【請求項２】対向する面をもつ部品が異なる金属組成を
    有する、請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】対向する面をもつ部品の金属が異なる機械
    的性質を有する、請求項１記載の方法。
  4. 【請求項４】前記金属部品が超合金からなる、請求項１
    記載の方法。
  5. 【請求項５】対向する面をもつ別々の超合金部品が異な
    る組成を有する、請求項４記載の方法。
  6. 【請求項６】対向する面をもつ前記超合金部品が異なる
    機械的性質を有する、請求項４記載の方法。
  7. 【請求項７】前記接合領域に近接して前記ダイ中に形成
    された前記キャビティーが、少なくともひとつの方向で
    前記接合領域と同じ空間内に広がっている、請求項１記
    載の方法。
  8. 【請求項８】前記加熱ステップが、さらに、前記ダイを
    前記部品と実質的に同じ温度に加熱することを含んでい
    る、請求項１記載の方法。
  9. 【請求項９】前記ダイがお互いに対して移動することが
    できる一対の可動ダイ部を含んでおり、前記ダイ部はそ
    の間にあらかじめ決定されたサイズおよび位置の一体の
    物品の形状をしたチャンバを形成しており、前記ダイ部
    の少なくとも１つが追出される境界材料を受容する前記
    キャビティー含んでいる、請求項１記載の方法。
  10. 【請求項１０】前記部品の前記境界面を、前記ダイ中に
    入れる前に実質的に洗浄化する、請求項１記載の方法。
  11. 【請求項１１】前記境界面が円錐台の境界面である、請
    求項１記載の方法。
  12. 【請求項１２】良好な保持時間疲れ亀裂成長耐性、高い
    クリープ耐性および高い応力判断耐性を有する合金から
    なる第一の部品と、高い引張強さおよび疲れ亀裂成長耐
    性を有する合金からなる第二の部品とを冶金学的に接合
    することにより別々の金属部品からデュアル合金タービ
    ンディスクを作製するための方法であって、 （ａ）各々の部品が接触したとき互いにほぼ合致するよ
    うに各部品の面を実質的に円錐台の形に予備成形するス
    テップと、 （ｂ）前記部品をそれらの超塑性変形に必要とされる最
    低温度以上の温度に加熱するステップと、 （ｃ）前記部品を、両者間にディスクの形状をしたチャ
    ンバを形成する２つのダイ部を有しその少なくとも１つ
    のダイ部に前記対向面の接合が起こると期待される領域
    に近接して位置する所定サイズのキャビティーを少なく
    とも１個含むクローズドダイ中で、前記予備成形された
    面を互いに対向させて組合せるステップと、 （ｄ）前記部品を少なくとも前記最低温度に維持しなが
    ら、前記面の相対運動と共に前記面の広範囲にわたる局
    所的変形および前記対向面の冶金学的接合を生起せしめ
    た後前記接合領域内での材料の流動を生起せしめるよう
    に選択された大きさの圧縮力を前記ダイに加えることに
    よって前記部品を圧縮して、この加えられた圧縮力の実
    質的な部分を前記部品間の接触領域に向かわしめること
    により前記対向する予備成形された面を互いに対して圧
    接せしめ、さらに前記圧縮力を加え続けて前記接合領域
    から前記キャビティー中へ材料を追出すステップと、 からなる方法。
  13. 【請求項１３】前記追出される材料が、前記予備成形さ
    れた面の材料および前記面の接合に伴う欠陥部分の実質
    的にすべてを含んでおり、それにより、実質的に欠陥部
    分のない接合領域が生成する、請求項12記載の方法。
  14. 【請求項１４】前記円錐台の面が複合または単純な円錐
    台の面である、請求項12記載の方法。
  15. 【請求項１５】良好な保持時間疲れ亀裂成長耐性、高い
    クリープ耐性および高い応力破断耐性を有する合金から
    作製されたリムと、高い引張強さおよび良好な低サイク
    ル疲れ亀裂成長耐性を有する合金から作製されたハブと
    を含む別々の金属部品を冶金学的に接合することにより
    これらの部品からデュアル合金タービンディスクを作製
    するための方法であって、 （ａ）あらかじめ設定された実質的に円錐台で内側を向
    いた内面をもつ前記リムを予備成形するステップと、 （ｂ）あらかじめ設定された実質的に円錐台で外側を向
    いた外面をもつ前記ハブを予備成形するステップと、 （ｃ）前記部品をそれらの部品の超塑性変形に必要とさ
    れる最低温度以上の温度に加熱するステップと、 （ｄ）前記リムを、両者間にディスクの形状をしたチャ
    ンバを形成する２つのダイ部を有しその少なくとも１つ
    のダイ部に前記円錐台形の予備成形された面同士の接合
    が起こると期待される領域に近接して位置しかつその領
    域と同じ空間内に広がっている所定寸法のキャビティー
    を少なくとも１個含むクローズドダイタイプのダイに入
    れるステップと、 （ｅ）前記予備成形された面同士が互いに対向するよう
    に、前記リム内に前記ハブを同軸に配置するステップ
    と、 （ｆ）前記部品を少なくとも前記最低温度に維持しなが
    ら、前記ダイ中で前記部品を圧縮して、この加えられる
    圧縮力の実質的な部分を前記部品間の接触領域に向かわ
    しめることにより前記対向する円錐台形の予備成形され
    た面同士を互いに対して圧接せしめ、この際加えられる
    圧縮力の大きさは、前記円錐台形の面同士の相対運動と
    共に前記面の広範囲にわたる局所的変形および前記対向
    する面の冶金学的接合を生起せしめた後前記接合領域内
    での材料の流動を生起せしめるように選択され、さらに
    前記圧縮力を加え続けて前記接合領域から前記キャビテ
    ィー中へ材料を追出すステップと、 からなる方法。
  16. 【請求項１６】前記部品の少なくともひとつが鍛錬鍛造
    された超合金である、請求項15記載の方法。
  17. 【請求項１７】前記部品の少なくともひとつが熱間静水
    圧プレスされた超合金である、請求項15記載の方法。
  18. 【請求項１８】前記円錐台の面が複合または単純な円錐
    台の面である、請求項15記載の方法。
  19. 【請求項１９】前記追出される材料が、前記予備成形さ
    れた面の材料および前記面同士の接合に伴う欠陥部分の
    実質的にすべてを含んでおり、それにより、実質的に欠
    陥部分のない接合領域が生成する、請求項15記載の方
    法。
  20. 【請求項２０】前記金属部品が鍛錬された超合金鍛造品
    からなる、請求項15記載の方法。
  21. 【請求項２１】前記別々の部品の鍛錬された超合金が異
    なる組成を有する、請求項20記載の方法。
  22. 【請求項２２】前記超合金の各々が異なる機械的性質を
    有する、請求項20記載の方法。
  23. 【請求項２３】前記超合金が同一の組成を有しているが
    異なるミクロ組織をもっている、請求項20記載の方法。
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