JP3395019B2 - ガスタービン用単結晶ブレードの製造法 - Google Patents
ガスタービン用単結晶ブレードの製造法Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ブレード本体から横方
向にのびる張り出し部分を有するガスタービン用ブレー
ドを単結晶で製造する製造法に関する。
向にのびる張り出し部分を有するガスタービン用ブレー
ドを単結晶で製造する製造法に関する。
【０００２】
【従来の技術】発電用ガスタービンブレードの材料は、
従来から主としてＮｉ基の超合金が使用されている。近
年、ガスタービンの熱効率向上のため、より高温の燃焼
ガスを用いる傾向にあり、それに伴いガスタービンブレ
ードの耐熱強度を上げること必要であった。このため、
ガスタービンブレードは、普通鋳造による等軸晶翼から
一方向凝固による柱状晶翼へと金属組織的に変化すると
共に、ブレード内部に複雑な冷却孔を設け、内部からの
冷却することにより、耐熱性向上を図ってきた。
従来から主としてＮｉ基の超合金が使用されている。近
年、ガスタービンの熱効率向上のため、より高温の燃焼
ガスを用いる傾向にあり、それに伴いガスタービンブレ
ードの耐熱強度を上げること必要であった。このため、
ガスタービンブレードは、普通鋳造による等軸晶翼から
一方向凝固による柱状晶翼へと金属組織的に変化すると
共に、ブレード内部に複雑な冷却孔を設け、内部からの
冷却することにより、耐熱性向上を図ってきた。
【０００３】一方、航空機用ジェットエンジンのブレー
ドとしては、既に単結晶ブレードが使用されている。単
結晶ブレードの鋳造に用いる合金は、結晶粒界が無いこ
とを前提に開発されており、Ｃ、Ｂ、Ｚｒ等の結晶粒界
強化元素を含んでいない。そのため、単結晶合金中に結
晶粒界が生じるとその部分が非常に弱くなり、鋳物の一
部でも単結晶になっていないとブレードとして使用する
ことができない。従って、単結晶ブレードをガスタービ
ンのブレードとして用いるためには、鋳物全体を単結晶
化することが必要である。
ドとしては、既に単結晶ブレードが使用されている。単
結晶ブレードの鋳造に用いる合金は、結晶粒界が無いこ
とを前提に開発されており、Ｃ、Ｂ、Ｚｒ等の結晶粒界
強化元素を含んでいない。そのため、単結晶合金中に結
晶粒界が生じるとその部分が非常に弱くなり、鋳物の一
部でも単結晶になっていないとブレードとして使用する
ことができない。従って、単結晶ブレードをガスタービ
ンのブレードとして用いるためには、鋳物全体を単結晶
化することが必要である。
【０００４】単結晶鋳物は、一般に、特公昭５１−４１
８５１号や特公告平１−２６７９６号公報等で示されて
いる一方向凝固法で製造されている。この方法は、加熱
した炉の中から鋳型を下方に引出し、鋳型中の溶融金属
を下端から上方に漸次凝固させる方法である。
８５１号や特公告平１−２６７９６号公報等で示されて
いる一方向凝固法で製造されている。この方法は、加熱
した炉の中から鋳型を下方に引出し、鋳型中の溶融金属
を下端から上方に漸次凝固させる方法である。
【０００５】航空機用ジェットエンジンのブレードは、
長さが１０cm位であり、また本体の横方向に張り出し
た、プラットホーム等の突出寸法も小さく全体に小型で
あるため、上記一方向凝固法で単結晶ブレードを製造す
ることが可能であった。
長さが１０cm位であり、また本体の横方向に張り出し
た、プラットホーム等の突出寸法も小さく全体に小型で
あるため、上記一方向凝固法で単結晶ブレードを製造す
ることが可能であった。
【０００６】一方、発電用ガスタービンに用いるブレー
ドは、航空機用ジェットエンジンのブレードに比べて非
常に大きく、またシャンク部の側面に突設された、プラ
ットホーム部やシール部など凝固進行方向に対して、横
方向に大きく張り出した部分があり、鋳物全体を単結晶
化することが容易でなかった。特開平４−１２４２３７
号公報に、横方向に大きく張り出した部分を単結晶化す
る方法が述べられており、この方法によって、発電用ガ
スタービンに用いる単結晶ブレードを製造することが可
能となった。
ドは、航空機用ジェットエンジンのブレードに比べて非
常に大きく、またシャンク部の側面に突設された、プラ
ットホーム部やシール部など凝固進行方向に対して、横
方向に大きく張り出した部分があり、鋳物全体を単結晶
化することが容易でなかった。特開平４−１２４２３７
号公報に、横方向に大きく張り出した部分を単結晶化す
る方法が述べられており、この方法によって、発電用ガ
スタービンに用いる単結晶ブレードを製造することが可
能となった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
４−１２４２３７号公報に述べられている方法では、鋳
物本体の外側にバイパスを設ける必要があった。すなわ
ち、ガスタービンブレードは、羽根形状の断面をもつ柱
状の翼部、四辺形の板状のプラットホーム部、ブロック
状のシャンク部、ダブテイル部が長手軸方向に順次に連
なり、さらにシャンク部側面から張り出す湾曲板状のシ
ール部を有して構成されており、このブレードを翼部を
下方に向けて鋳造する場合、それに用いる鋳型は、翼
部、プラットホーム部、シャンク部、ダブテイル部およ
びシール部からなるブレード本体を鋳込む空間と、さら
に翼部の先端下方の部位から、プラットホーム部および
シール部それぞれの板端に至るバイパス路を設ける必要
があった。鋳造時には、翼部の先端下方の部位で生じた
単結晶は、本体を通じて成長し、その一部はバイパスを
通じて成長し、それぞれの単結晶はプラットホーム部お
よびシール部で一体化することにより、プラットホーム
部、シール部を単結晶とすることができる。
４−１２４２３７号公報に述べられている方法では、鋳
物本体の外側にバイパスを設ける必要があった。すなわ
ち、ガスタービンブレードは、羽根形状の断面をもつ柱
状の翼部、四辺形の板状のプラットホーム部、ブロック
状のシャンク部、ダブテイル部が長手軸方向に順次に連
なり、さらにシャンク部側面から張り出す湾曲板状のシ
ール部を有して構成されており、このブレードを翼部を
下方に向けて鋳造する場合、それに用いる鋳型は、翼
部、プラットホーム部、シャンク部、ダブテイル部およ
びシール部からなるブレード本体を鋳込む空間と、さら
に翼部の先端下方の部位から、プラットホーム部および
シール部それぞれの板端に至るバイパス路を設ける必要
があった。鋳造時には、翼部の先端下方の部位で生じた
単結晶は、本体を通じて成長し、その一部はバイパスを
通じて成長し、それぞれの単結晶はプラットホーム部お
よびシール部で一体化することにより、プラットホーム
部、シール部を単結晶とすることができる。
【０００８】しかし、プラットホーム部およびシール部
は本体から横方向に張出しているため、バイパスを設け
た部分の鋳型厚さが、バイパスを設けない部分の鋳型厚
さの約３倍になるという問題があった。鋳型厚さが厚く
なると、熱抵抗が大きくなり冷却効率が低下するため、
温度勾配が局部的に小さくなり、鋳物表面に等軸晶から
なるフレックル等の班点状欠陥が発生しやすくなると共
に、鋳型全体の加熱が不均一となり、その結果、凝固界
面形状が不安定となり、その不安定に起因する異結晶が
発生するという問題があった。
は本体から横方向に張出しているため、バイパスを設け
た部分の鋳型厚さが、バイパスを設けない部分の鋳型厚
さの約３倍になるという問題があった。鋳型厚さが厚く
なると、熱抵抗が大きくなり冷却効率が低下するため、
温度勾配が局部的に小さくなり、鋳物表面に等軸晶から
なるフレックル等の班点状欠陥が発生しやすくなると共
に、鋳型全体の加熱が不均一となり、その結果、凝固界
面形状が不安定となり、その不安定に起因する異結晶が
発生するという問題があった。
【０００９】以上述べたように、従来技術による方法で
は、バイパスを設けた部分の鋳型が厚く加熱が不均一に
なるために、フレックルや異結晶が発生しやすく、発電
用ガスタービンに用いる大型の単結晶ブレードを歩留ま
りよく製造することができなかった。
は、バイパスを設けた部分の鋳型が厚く加熱が不均一に
なるために、フレックルや異結晶が発生しやすく、発電
用ガスタービンに用いる大型の単結晶ブレードを歩留ま
りよく製造することができなかった。
【００１０】本発明は、上記問題を解決するためになさ
れたものであって、張出し部分を有する複雑な形状のガ
スタービン用単結晶ブレードを効率よく製造する方法を
提供することを目的とする。
れたものであって、張出し部分を有する複雑な形状のガ
スタービン用単結晶ブレードを効率よく製造する方法を
提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の第１のガスタービン用単結晶ブレードの製
造法（時に第１の製造法と略す）は、翼部と、翼部の根
元から横方向に広がる平面を上面とするプラットホーム
部と、プラットホーム部から下部に延びたブロック状の
シャンク部と、シャンク部の下部に連なり植込部となる
ブロック状のダブテイル部と、シャンク部側面に張り出
した板状のシール部とを備えた一体構造のガスタービン
用単結晶ブレードの製造法において、上記一体構造とな
る本体鋳型に加えて翼部中央部付近の翼面とプラットホ
ーム部上面の端部とに、単数または複数の結晶成長促進
路となる補助鋳型部分を設け、本体鋳型を、翼部が下に
位置するように水冷チルプレート上に設置し、鋳型内に
金属の溶湯を一方向に漸次凝固させ単結晶組織に鋳造す
ることを特徴とする。そして結晶成長促進路は翼面から
プラットホーム部の辺まで延びる三角板状に形成するの
がよい。
め、本発明の第１のガスタービン用単結晶ブレードの製
造法（時に第１の製造法と略す）は、翼部と、翼部の根
元から横方向に広がる平面を上面とするプラットホーム
部と、プラットホーム部から下部に延びたブロック状の
シャンク部と、シャンク部の下部に連なり植込部となる
ブロック状のダブテイル部と、シャンク部側面に張り出
した板状のシール部とを備えた一体構造のガスタービン
用単結晶ブレードの製造法において、上記一体構造とな
る本体鋳型に加えて翼部中央部付近の翼面とプラットホ
ーム部上面の端部とに、単数または複数の結晶成長促進
路となる補助鋳型部分を設け、本体鋳型を、翼部が下に
位置するように水冷チルプレート上に設置し、鋳型内に
金属の溶湯を一方向に漸次凝固させ単結晶組織に鋳造す
ることを特徴とする。そして結晶成長促進路は翼面から
プラットホーム部の辺まで延びる三角板状に形成するの
がよい。
【００１２】また、本発明の第２のガスタービン用単結
晶ブレードの製造法（時に第２の製造法と略す）は、第
１の製造法と同じく、翼部とプラットホーム部とシャン
ク部とダブテイル部とシール部とを備えた一体構造のガ
スタービン用単結晶ブレードを製造する方法であって、
上記一体構造となる本体鋳型に加えて翼部の翼面とプラ
ットホーム部上面との角に、翼面からプラットホーム部
の辺まで延びるように形成された三角板状の単数または
複数の結晶成長促進路となる補助鋳型部分を設け、さら
にシール部にプラットホーム部とシール部とを結ぶ結晶
成長促進路となる別の補助鋳型部分を設け、本体鋳型
を、翼部が下に位置するように水冷チルプレート上に設
置し、本体鋳型内に金属の溶湯を水冷チルプレート上方
へ一方向に漸次凝固させ単結晶組織に鋳造することを特
徴とする。そしてプラットホーム部とシール部とを結ぶ
結晶成長促進路はシール部に形成された凹部を堰き止め
る板状にすればよい。
晶ブレードの製造法（時に第２の製造法と略す）は、第
１の製造法と同じく、翼部とプラットホーム部とシャン
ク部とダブテイル部とシール部とを備えた一体構造のガ
スタービン用単結晶ブレードを製造する方法であって、
上記一体構造となる本体鋳型に加えて翼部の翼面とプラ
ットホーム部上面との角に、翼面からプラットホーム部
の辺まで延びるように形成された三角板状の単数または
複数の結晶成長促進路となる補助鋳型部分を設け、さら
にシール部にプラットホーム部とシール部とを結ぶ結晶
成長促進路となる別の補助鋳型部分を設け、本体鋳型
を、翼部が下に位置するように水冷チルプレート上に設
置し、本体鋳型内に金属の溶湯を水冷チルプレート上方
へ一方向に漸次凝固させ単結晶組織に鋳造することを特
徴とする。そしてプラットホーム部とシール部とを結ぶ
結晶成長促進路はシール部に形成された凹部を堰き止め
る板状にすればよい。
【００１３】また、本発明の第３のガスタービン用単結
晶ブレードの製造法（時に第３の製造法と略す）は、第
１の製造法と同じく、翼部とプラットホーム部とシャン
ク部とダブテイル部とシール部とを備えた一体構造のガ
スタービン用単結晶ブレードを製造する方法であって、
上記一体構造となる本体鋳型に加えてダブテイル部上面
とプラットホーム下面とを結ぶ結晶成長促進路となる補
助鋳型部分を設け、本体鋳型をダブテイル部が下に位置
するように水冷チルプレート上に設置し、本体鋳型内に
金属の溶湯を水冷チルプレートから上方へ一方向に漸次
凝固させ単結晶組織に鋳造することを特徴とする。
晶ブレードの製造法（時に第３の製造法と略す）は、第
１の製造法と同じく、翼部とプラットホーム部とシャン
ク部とダブテイル部とシール部とを備えた一体構造のガ
スタービン用単結晶ブレードを製造する方法であって、
上記一体構造となる本体鋳型に加えてダブテイル部上面
とプラットホーム下面とを結ぶ結晶成長促進路となる補
助鋳型部分を設け、本体鋳型をダブテイル部が下に位置
するように水冷チルプレート上に設置し、本体鋳型内に
金属の溶湯を水冷チルプレートから上方へ一方向に漸次
凝固させ単結晶組織に鋳造することを特徴とする。
【００１４】さらに第１〜第３の製造法のいずれかによ
って鋳造するブレードは、Ｎｉ基合金から構成するのが
よく、鋳造後に溶体化処理および時効熱処理を施すこと
が好ましい。
って鋳造するブレードは、Ｎｉ基合金から構成するのが
よく、鋳造後に溶体化処理および時効熱処理を施すこと
が好ましい。
【００１５】
【作用】本発明の第１のガスタービン用単結晶ブレード
の製造法において、水冷チルプレートで冷却された金属
（Ｎｉ基合金）溶湯は凝固して単結晶となり、この単結
晶は成長して順次翼部からプラットホーム部、シャンク
部、ダブテイル部を形成する。この際、単結晶が翼部先
端から結晶成長促進路まで成長した時、この単結晶は翼
部根元に向かって進むと共に一部が分岐して結晶成長促
進路を通じて進み、プラットホーム部の中心部から辺部
まで同時に達して同一の結晶方位をもつ単結晶組織のプ
ラットホーム部を形成する。もし、この結晶成長促進路
がなけば、単結晶は翼部根元からプラットホーム部の辺
まで成長するのに時間がかかり、その時間が長過ぎると
辺部に異結晶が生じる。
の製造法において、水冷チルプレートで冷却された金属
（Ｎｉ基合金）溶湯は凝固して単結晶となり、この単結
晶は成長して順次翼部からプラットホーム部、シャンク
部、ダブテイル部を形成する。この際、単結晶が翼部先
端から結晶成長促進路まで成長した時、この単結晶は翼
部根元に向かって進むと共に一部が分岐して結晶成長促
進路を通じて進み、プラットホーム部の中心部から辺部
まで同時に達して同一の結晶方位をもつ単結晶組織のプ
ラットホーム部を形成する。もし、この結晶成長促進路
がなけば、単結晶は翼部根元からプラットホーム部の辺
まで成長するのに時間がかかり、その時間が長過ぎると
辺部に異結晶が生じる。
【００１６】本発明の第２のガスタービン用単結晶ブレ
ードの製造法において、翼部とプラットホーム部との角
に形成された三角形状板の結晶成長促進路の部分におけ
る単結晶の成長過程は第１の製造法の説明と同じであ
る。またシャンク部から張り出したシール部について
は、単結晶が翼部からプラットホーム部を経てシャンク
部に達した時、その単結晶は本体のブロックに沿って成
長すると共に一部が別の結晶成長促進路に沿って成長
し、その後、シャンク部本体側から張り出したシール部
に進んだ単結晶と別の結晶成長促進路からシール部の辺
に進んだ単結晶が合流して一つの単結晶からなるシール
部を形成する。
ードの製造法において、翼部とプラットホーム部との角
に形成された三角形状板の結晶成長促進路の部分におけ
る単結晶の成長過程は第１の製造法の説明と同じであ
る。またシャンク部から張り出したシール部について
は、単結晶が翼部からプラットホーム部を経てシャンク
部に達した時、その単結晶は本体のブロックに沿って成
長すると共に一部が別の結晶成長促進路に沿って成長
し、その後、シャンク部本体側から張り出したシール部
に進んだ単結晶と別の結晶成長促進路からシール部の辺
に進んだ単結晶が合流して一つの単結晶からなるシール
部を形成する。
【００１７】また第３のガスタービン用単結晶ブレード
の製造法においては、第１及び第２の製造法における凝
固方向とは反対に、ダブテイル部から翼部に向かって単
結晶を成長させて、単結晶ブレードを製造する。水冷チ
ルプレートで冷却された金属（Ｎｉ基合金）溶湯は凝固
して単結晶となり、この単結晶は成長して順次にダブテ
イル部、シャンク部、プラットホーム部、翼部を形成す
る。この際、単結晶がダブテイル部上端に達すると、主
流はシャンク部を沿って進み、一部が分岐してダブテイ
ル部上面とプラットホーム部下面に接続する結晶成長促
進路に沿って進み、その後それら単結晶は同時にプラッ
トホーム部に達して、一つの単結晶からなるプラットホ
ーム部を形成する。
の製造法においては、第１及び第２の製造法における凝
固方向とは反対に、ダブテイル部から翼部に向かって単
結晶を成長させて、単結晶ブレードを製造する。水冷チ
ルプレートで冷却された金属（Ｎｉ基合金）溶湯は凝固
して単結晶となり、この単結晶は成長して順次にダブテ
イル部、シャンク部、プラットホーム部、翼部を形成す
る。この際、単結晶がダブテイル部上端に達すると、主
流はシャンク部を沿って進み、一部が分岐してダブテイ
ル部上面とプラットホーム部下面に接続する結晶成長促
進路に沿って進み、その後それら単結晶は同時にプラッ
トホーム部に達して、一つの単結晶からなるプラットホ
ーム部を形成する。
【００１８】以上のように、本発明のガスタービン用単
結晶ブレードの製造法のそれぞれは、翼部、シャンク
部、ダブテイル部からなるブレード本体部と、本体から
張り出すシール部又はプラットホーム部で形成されてい
る角部に、単数または複数の結晶成長促進路を設けて一
方向凝固させるので、大型で複雑形状のブレードを効率
よく単結晶に鋳造できる。
結晶ブレードの製造法のそれぞれは、翼部、シャンク
部、ダブテイル部からなるブレード本体部と、本体から
張り出すシール部又はプラットホーム部で形成されてい
る角部に、単数または複数の結晶成長促進路を設けて一
方向凝固させるので、大型で複雑形状のブレードを効率
よく単結晶に鋳造できる。
【００１９】またＮｉ基合金で鋳造した単結晶ブレード
を溶体化処理を行うことにより、鋳造時に析出した不規
則な形状のγ’相（金属間化合物）をマトリックスのγ
相に固溶させ、次いで時効熱処理を行うことにより、形
状の整った均一なγ’相を析出させ、ブレードの高温強
度を図ることができる。
を溶体化処理を行うことにより、鋳造時に析出した不規
則な形状のγ’相（金属間化合物）をマトリックスのγ
相に固溶させ、次いで時効熱処理を行うことにより、形
状の整った均一なγ’相を析出させ、ブレードの高温強
度を図ることができる。
【００２０】
（実施例１）図１は本発明のガスタービン用単結晶ブレ
ードの製造法である鋳造法により製作するブレードのス
ケッチであり、図２はそのブレードの鋳型と鋳造法を説
明する図である。ガスタービン用ブレードは、図１に示
したように、翼部８、プラットホーム部１２、シャンク
部９およびダブテイル部１０が順次つらなり、シャンク
部９側面からシール部１１を張出して有する一体構造の
鋳造品である。翼部８は断面が羽根形状で柱状に形成さ
れ、プラットホーム部１２は翼部８の根元から横方向に
広がる四辺形平面を上面として形成され、シャンク部９
はプラットホーム部１２から下方に延び断面が略Ｈ字形
のブロック状に形成され、ダブテイル部１０はシャンク
部９の下にあって翼部８の羽根と同方向に横に延び断面
が略逆台形のバー状に形成されており、シール部１１は
Ｈ字形シャンク部９の両側のフランジ部分から横に張出
し上側が凹の湾曲板状に形成されている。このようにガ
スタービン用ブレードは、翼部８からプラットホーム部
１２に移行する部分及びシャンク部９に続くシール部１
１のように横に大きく張り出す部分を有している。
ードの製造法である鋳造法により製作するブレードのス
ケッチであり、図２はそのブレードの鋳型と鋳造法を説
明する図である。ガスタービン用ブレードは、図１に示
したように、翼部８、プラットホーム部１２、シャンク
部９およびダブテイル部１０が順次つらなり、シャンク
部９側面からシール部１１を張出して有する一体構造の
鋳造品である。翼部８は断面が羽根形状で柱状に形成さ
れ、プラットホーム部１２は翼部８の根元から横方向に
広がる四辺形平面を上面として形成され、シャンク部９
はプラットホーム部１２から下方に延び断面が略Ｈ字形
のブロック状に形成され、ダブテイル部１０はシャンク
部９の下にあって翼部８の羽根と同方向に横に延び断面
が略逆台形のバー状に形成されており、シール部１１は
Ｈ字形シャンク部９の両側のフランジ部分から横に張出
し上側が凹の湾曲板状に形成されている。このようにガ
スタービン用ブレードは、翼部８からプラットホーム部
１２に移行する部分及びシャンク部９に続くシール部１
１のように横に大きく張り出す部分を有している。
【００２１】図１中、翼部８の両翼面とそれぞれの翼面
と交叉するプラットホーム部１２の上面との角に、翼面
からプラットホーム部１２の辺まで延びるように形成さ
れた三角形状の板は、本発明の製造法を特徴づける結晶
成長促進路１ａとなるものであり、また湾曲板状のシー
ル部１１に形成される凹部の両端を堰止めるように設け
た板は、同じく結晶成長促進路１ｂとなるものである。
そして最終製品としてのガスタービンブレードは、少な
くとも翼部８とプラットホーム部１２との間の結晶成長
促進路１ａが削除されたものとなる。この結晶成長促進
路１ａは、ガスタービンにおいて燃焼ガスの流れを乱す
ことになるからである。
と交叉するプラットホーム部１２の上面との角に、翼面
からプラットホーム部１２の辺まで延びるように形成さ
れた三角形状の板は、本発明の製造法を特徴づける結晶
成長促進路１ａとなるものであり、また湾曲板状のシー
ル部１１に形成される凹部の両端を堰止めるように設け
た板は、同じく結晶成長促進路１ｂとなるものである。
そして最終製品としてのガスタービンブレードは、少な
くとも翼部８とプラットホーム部１２との間の結晶成長
促進路１ａが削除されたものとなる。この結晶成長促進
路１ａは、ガスタービンにおいて燃焼ガスの流れを乱す
ことになるからである。
【００２２】次に図２を用いて、ガスタービン用単結晶
ブレードの鋳型および鋳造法について説明する。ガスタ
ービン用ブレードの鋳造に用いるセラミック鋳型３は、
図１に示すのと上下を反対にして、ブレードの翼部８が
下方に向くように、水冷チルプレート２の上に固定して
配置される。この鋳型３はアルミナを主成分とする材料
により作られている。先ず水冷チルプレート２上のセラ
ミック鋳型３を鋳型加熱炉４の中にセットし、セラミッ
ク鋳型３をブレード材料であるＮｉ基合金の融点以上に
加熱する。次にＮｉ基合金の溶融金属をセラミック鋳型
３の中に鋳込み、その後水冷チルプレート２を下方に徐
々に引出し、溶融金属を一方向凝固させる。一方向凝固
では、最初に水冷チルプレート２に接する鋳型の最下部
にあるスタータ５で上方に成長する多くの柱状晶を発生
させる。次に、スタータ５から上方に続く狭い通路をも
つセレクタ６で多くの柱状晶から一つの結晶のみを選択
し、それを単結晶として成長させる。更に拡大部７で単
結晶の断面を大きくさせ、鋳物本体へと凝固を進行させ
る。鋳物本体は、内部にはガスタービン運転時に冷媒を
流す冷却孔を有し、翼部８、シャンク部９、ダブテイル
部１０からなり、シャンク部９には、シール部１１が突
設され、翼部８とシャンク部９の間には、プラットホー
ム部１２がある。
ブレードの鋳型および鋳造法について説明する。ガスタ
ービン用ブレードの鋳造に用いるセラミック鋳型３は、
図１に示すのと上下を反対にして、ブレードの翼部８が
下方に向くように、水冷チルプレート２の上に固定して
配置される。この鋳型３はアルミナを主成分とする材料
により作られている。先ず水冷チルプレート２上のセラ
ミック鋳型３を鋳型加熱炉４の中にセットし、セラミッ
ク鋳型３をブレード材料であるＮｉ基合金の融点以上に
加熱する。次にＮｉ基合金の溶融金属をセラミック鋳型
３の中に鋳込み、その後水冷チルプレート２を下方に徐
々に引出し、溶融金属を一方向凝固させる。一方向凝固
では、最初に水冷チルプレート２に接する鋳型の最下部
にあるスタータ５で上方に成長する多くの柱状晶を発生
させる。次に、スタータ５から上方に続く狭い通路をも
つセレクタ６で多くの柱状晶から一つの結晶のみを選択
し、それを単結晶として成長させる。更に拡大部７で単
結晶の断面を大きくさせ、鋳物本体へと凝固を進行させ
る。鋳物本体は、内部にはガスタービン運転時に冷媒を
流す冷却孔を有し、翼部８、シャンク部９、ダブテイル
部１０からなり、シャンク部９には、シール部１１が突
設され、翼部８とシャンク部９の間には、プラットホー
ム部１２がある。
【００２３】単結晶が鋳型３の翼部８の先端から進み、
翼部８の翼面とプラットホーム部１２上面との２面間に
ある結晶成長促進路１ａに達すると、翼部８に沿ってそ
の根元方向に成長すると共に結晶成長促進路１ａに通っ
て成長し、さらに翼部８の根元からプラットホーム部１
２へと成長した単結晶は結晶成長促進路１ａを通じて成
長した単結晶と合流する。一旦、翼部８と結晶成長促進
路１ａと分かれて成長した単結晶がプラットホーム部１
２で合流することにより、全体が一つの単結晶からなる
プラットホーム部１２が形成される。以後、単結晶はプ
ラットホーム部１２からシャンク部９、ダブテイル部１
０へ向かって成長する。それと共に単結晶はシャンク部
９から分かれてシール部１１へと張出して成長し、また
シール部１１の結晶成長促進路１ｂを通って成長し、そ
れら両単結晶が合流して一つの単結晶からなるシール部
１１を形成する。このように結晶成長促進路１ａ、１ｂ
を設けることにより、本体から張出した部分を含めて、
タービンブレード全体を単結晶化することができる。な
お、鋳型加熱炉４はセラミック鋳型８が完全に引出さ
れ、凝固が終了するまで高温に保ち、また上記鋳造工程
は真空中で行う。
翼部８の翼面とプラットホーム部１２上面との２面間に
ある結晶成長促進路１ａに達すると、翼部８に沿ってそ
の根元方向に成長すると共に結晶成長促進路１ａに通っ
て成長し、さらに翼部８の根元からプラットホーム部１
２へと成長した単結晶は結晶成長促進路１ａを通じて成
長した単結晶と合流する。一旦、翼部８と結晶成長促進
路１ａと分かれて成長した単結晶がプラットホーム部１
２で合流することにより、全体が一つの単結晶からなる
プラットホーム部１２が形成される。以後、単結晶はプ
ラットホーム部１２からシャンク部９、ダブテイル部１
０へ向かって成長する。それと共に単結晶はシャンク部
９から分かれてシール部１１へと張出して成長し、また
シール部１１の結晶成長促進路１ｂを通って成長し、そ
れら両単結晶が合流して一つの単結晶からなるシール部
１１を形成する。このように結晶成長促進路１ａ、１ｂ
を設けることにより、本体から張出した部分を含めて、
タービンブレード全体を単結晶化することができる。な
お、鋳型加熱炉４はセラミック鋳型８が完全に引出さ
れ、凝固が終了するまで高温に保ち、また上記鋳造工程
は真空中で行う。
【００２４】表１に上記単結晶ブレードを作った鋳造条
件を、また表２にこの鋳造に用いたＮｉ基合金の化学組
成を示す。
件を、また表２にこの鋳造に用いたＮｉ基合金の化学組
成を示す。
【００２５】
【表１】
【００２６】
【表２】
【００２７】上記方法で鋳造した単結晶ブレードは、鋳
造後に真空中で１２８０〜１３３０℃、２〜２０ｈ加熱
する溶体化処理を行って、単結晶ブレードの凝固後の冷
却過程で形成された析出γ’相をγ相に変えて、その後
さらに１０００〜１１５０℃で４〜２０ｈと８００〜９
５０℃で８〜３０ｈの時効処理を行い、γ相中に平均
０．３〜２μｍのγ’相を析出させた。
造後に真空中で１２８０〜１３３０℃、２〜２０ｈ加熱
する溶体化処理を行って、単結晶ブレードの凝固後の冷
却過程で形成された析出γ’相をγ相に変えて、その後
さらに１０００〜１１５０℃で４〜２０ｈと８００〜９
５０℃で８〜３０ｈの時効処理を行い、γ相中に平均
０．３〜２μｍのγ’相を析出させた。
【００２８】ここでγ相はＮｉを主成分とし、表２中に
示す他の元素を固溶するオーステナイト相であり、そし
てγ’相は主としてＮｉとＡｌからなる析出物で単結晶
ブレードの高温強度の向上に寄与するものである。しか
し凝固後の冷却過程で析出するγ’相は形状が不規則で
大きいために高温強度の向上が充分でない。そこで、上
記の溶体化処理と時効処理からなる熱処理を行い、形状
の整った均一なγ’相を析出させることにより高温強度
を充分に向上させることができた。この熱処理により、
１４ kgf/mm2−１０万時間クリープを示す耐用温度は従
来より約２０℃向上した。
示す他の元素を固溶するオーステナイト相であり、そし
てγ’相は主としてＮｉとＡｌからなる析出物で単結晶
ブレードの高温強度の向上に寄与するものである。しか
し凝固後の冷却過程で析出するγ’相は形状が不規則で
大きいために高温強度の向上が充分でない。そこで、上
記の溶体化処理と時効処理からなる熱処理を行い、形状
の整った均一なγ’相を析出させることにより高温強度
を充分に向上させることができた。この熱処理により、
１４ kgf/mm2−１０万時間クリープを示す耐用温度は従
来より約２０℃向上した。
【００２９】（実施例２）図３に示すガスタービン用ブ
レードの鋳造を、表３に示す５種類のＮｉ基合金を用い
て行なった。鋳造条件及び一方向凝固法は、実施例１と
同じである。ブレードの大きさは、全長は１６０ｍｍ、
翼部８は７０ｍｍ、シャンク部９及びダブテイル部１０
は９０ｍｍである。図４に本発明を適用したブレードの
翼部上方からの結晶成長促進路１ｃの取付け状況を示
す。図３のブレードはプラットホーム部１２が広いた
め、結晶成長促進路１ｃを３か所に設けた。結晶成長促
進路１ｃの幅は２ｍｍである。本発明により、異結晶が
発生せず、単結晶成長させることが容易になった。尚、
図３に示したブレードのシール部１１は、張り出し距離
が小さく単結晶成長が可能であるため、シール部１１に
結晶成長促進路を設けなかった。
レードの鋳造を、表３に示す５種類のＮｉ基合金を用い
て行なった。鋳造条件及び一方向凝固法は、実施例１と
同じである。ブレードの大きさは、全長は１６０ｍｍ、
翼部８は７０ｍｍ、シャンク部９及びダブテイル部１０
は９０ｍｍである。図４に本発明を適用したブレードの
翼部上方からの結晶成長促進路１ｃの取付け状況を示
す。図３のブレードはプラットホーム部１２が広いた
め、結晶成長促進路１ｃを３か所に設けた。結晶成長促
進路１ｃの幅は２ｍｍである。本発明により、異結晶が
発生せず、単結晶成長させることが容易になった。尚、
図３に示したブレードのシール部１１は、張り出し距離
が小さく単結晶成長が可能であるため、シール部１１に
結晶成長促進路を設けなかった。
【００３０】
【表３】
【００３１】本実施例１及び実施例２では、翼部８から
ダブテイル部１０へ向かって、凝固させた場合について
示した。これは、ブレードとして、強度を最も要求され
る翼部を最初に凝固させたほうが、Ｎｉ基合金溶湯と鋳
型との接触時間が短く、反応や欠陥が少なくなるため、
ブレードの製造法として合理的と考えたためである。
ダブテイル部１０へ向かって、凝固させた場合について
示した。これは、ブレードとして、強度を最も要求され
る翼部を最初に凝固させたほうが、Ｎｉ基合金溶湯と鋳
型との接触時間が短く、反応や欠陥が少なくなるため、
ブレードの製造法として合理的と考えたためである。
【００３２】（実施例３）次にダブテイル部から翼部へ
向かって凝固させた場合の実施例を図５に示す。このガ
スタービン用ブレードは、図１に示す物とは結晶成長促
進路を除いて同じである。図５に示すように、結晶成長
促進路１ｄはダブテイル部１０の上面とプラットホーム
１２部の下面と略Ｈ形のシャンク部９のウェッブ面に接
続する板として設けた。その厚さは１ｍｍである。鋳造
条件、一方向凝固法及び鋳造に用いた合金は、実施例１
と同じとした。
向かって凝固させた場合の実施例を図５に示す。このガ
スタービン用ブレードは、図１に示す物とは結晶成長促
進路を除いて同じである。図５に示すように、結晶成長
促進路１ｄはダブテイル部１０の上面とプラットホーム
１２部の下面と略Ｈ形のシャンク部９のウェッブ面に接
続する板として設けた。その厚さは１ｍｍである。鋳造
条件、一方向凝固法及び鋳造に用いた合金は、実施例１
と同じとした。
【００３３】結晶成長促進路１ｄを設けて鋳造したガス
タービン用ブレードは、異結晶が発生せず、単結晶成長
させることができた。尚、本実施例では、ブレードのシ
ール部１１は上向きに折曲しており、また張り出し部に
大きなテ−パが付いているため、シール部１１に実施例
１で設けたように結晶成長促進路１ｂを設けなくても単
結晶成長が可能であった。
タービン用ブレードは、異結晶が発生せず、単結晶成長
させることができた。尚、本実施例では、ブレードのシ
ール部１１は上向きに折曲しており、また張り出し部に
大きなテ−パが付いているため、シール部１１に実施例
１で設けたように結晶成長促進路１ｂを設けなくても単
結晶成長が可能であった。
【００３４】尚、結晶成長促進路は、通常の場合単結晶
鋳造後除去するが、本実施例のように、シャンク部に結
晶成長促進路を設けた場合など、ブレードとして使用す
るのに実害が無ければ、あえて除去する必要が無いこと
は自明である。
鋳造後除去するが、本実施例のように、シャンク部に結
晶成長促進路を設けた場合など、ブレードとして使用す
るのに実害が無ければ、あえて除去する必要が無いこと
は自明である。
【００３５】
【発明の効果】本発明によれば、本発明のガスタービン
用ブレードの製造法を、ブレード本体とその本体から横
方向に張り出した部分の角に略三角板状の板からなる結
晶成長促進路を設けた構造に対応する鋳型を用い、鋳型
に注入されたＮｉ基合金溶湯を鋳型の一端側から一方向
に凝固させ、単結晶を本体部に沿って成長させると共
に、一部を本体から結晶成長促進路を通じて末広がりに
成長させて張出し部分を形成する方法としたので、張出
し部分を含めて完全な単結晶ブレードを製造でき、従来
のようにバイパスを設けて鋳型を大型にすることなく、
大型の単結晶タービンブレードを効率よく製造すること
ができる。
用ブレードの製造法を、ブレード本体とその本体から横
方向に張り出した部分の角に略三角板状の板からなる結
晶成長促進路を設けた構造に対応する鋳型を用い、鋳型
に注入されたＮｉ基合金溶湯を鋳型の一端側から一方向
に凝固させ、単結晶を本体部に沿って成長させると共
に、一部を本体から結晶成長促進路を通じて末広がりに
成長させて張出し部分を形成する方法としたので、張出
し部分を含めて完全な単結晶ブレードを製造でき、従来
のようにバイパスを設けて鋳型を大型にすることなく、
大型の単結晶タービンブレードを効率よく製造すること
ができる。
【図１】本発明の製造法により鋳造されたガスタービン
用単結晶ブレードで結晶成長促進路除去前のスケッチで
ある。
用単結晶ブレードで結晶成長促進路除去前のスケッチで
ある。
【図２】図１に示す単結晶ブレードの製造法を説明する
図である。
図である。
【図３】本発明の他実施例のガスタービンブレードのス
ケッチである。
ケッチである。
【図４】図３に示すガスタービンブレードの結晶成長促
進路の取付け位置を示すスケッチ図である。
進路の取付け位置を示すスケッチ図である。
【図５】本発明のまた別の製造法により鋳造されたガス
タービン用単結晶ブレードで結晶成長促進路の取付け位
置を示すスケッチである。
タービン用単結晶ブレードで結晶成長促進路の取付け位
置を示すスケッチである。
１ 結晶成長促進路
２ 水冷チルプレート
３ セラミック鋳型
４ 鋳型加熱炉
５ スタータ
６ セレクタ
７ 拡大部
８ 翼部
９ シャンク部
１０ ダブテイル部
１１ シール部
１２ プラットホーム部
１３ 冷却孔
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 斉藤 年旦
茨城県日立市大みか町七丁目１番１号
株式会社 日立製作所 日立研究所内
(72)発明者 岡山 昭
茨城県日立市大みか町七丁目１番１号
株式会社 日立製作所 日立研究所内
(72)発明者 平根 輝夫
茨城県日立市大みか町七丁目１番１号
株式会社 日立製作所 日立研究所内
(72)発明者 石田 忠美
茨城県日立市大みか町七丁目１番１号
株式会社 日立製作所 日立研究所内
(72)発明者 市毛 良
茨城県日立市大みか町七丁目１番１号
株式会社 日立製作所 日立研究所内
(72)発明者 和田 克夫
茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式
会社 日立製作所 日立工場内
(72)発明者 狩野 公男
宮城県仙台市青葉区一番町三丁目７番１
号 東北電力株式会社内
(72)発明者 松崎 裕之
宮城県仙台市青葉区一番町三丁目７番１
号 東北電力株式会社内
(56)参考文献 実開 昭61−158343（ＪＰ，Ｕ)
特公 昭45−40661（ＪＰ，Ｂ１)
米国特許4804311（ＵＳ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
F01D 5/00 - 5/28
B22C 9/04
B22D 27/04
F02C 7/00
C30B 9/00
Claims (7)
- 【請求項１】 翼部と、該翼部の根元から横方向に広が
る平面を上面とするプラットホーム部と、該プラットホ
ーム部から下部に延びたブロック状のシャンク部と、該
シャンク部の下部に連なり植込部となるブロック状のダ
ブテイル部と、前記シャンク部側面に張り出したシール
部とを備えた一体構造のガスタービン用単結晶ブレード
の製造法において、前記一体構造となる本体鋳型に加え
て、前記翼部中央部付近の翼面と前記プラットホーム部
上面の端部とに単数または複数の結晶成長促進路となる
補助鋳型部分を設け、前記本体鋳型を前記翼部が下に位
置するように水冷チルプレート上に設置し、前記本体鋳
型内に金属の溶湯を一方向に漸次凝固させて単結晶組織
に鋳造することを特徴とするガスタービン用単結晶ブレ
ードの製造法。 - 【請求項２】 前記結晶成長促進路は前記翼面から前記
プラットホーム部の辺まで延びるように形成された三角
板状であることを特徴とする請求項１記載のガスタービ
ン用単結晶ブレードの製造法。 - 【請求項３】 断面が羽根形状で柱状に延びる翼部と、
該翼部の根元から横方向に広がる平面を上面とするプラ
ットホーム部と、該プラットホーム部から下部に延び断
面が略Ｈ字形状のブロック状のシャンク部と、該シャン
ク部の下部に連なり植込部となるブロック状のダブテイ
ル部と、前記シャンク部側面に張り出して凹形に湾曲す
る板状のシール部とを備えた一体構造のガスタービン用
単結晶ブレードの製造法において、前記一体構造となる
本体鋳型に加えて前記翼部の翼面と前記プラットホーム
部上面との角に翼面からプラットホーム部の辺まで延び
るように形成された三角形状板の単数または複数の結晶
成長促進路となる補助鋳型部分を設け、前記シール部に
前記プラットホーム部と前記シール部とを結ぶ結晶成長
促進路となる別の補助鋳型部分を設け、前記本体鋳型を
前記翼部が下に位置するように水冷チルプレート上に設
置し、前記本体鋳型内に金属の溶湯を一方向に漸次凝固
させて単結晶組織に鋳造することを特徴とするガスター
ビン用単結晶ブレードの製造法。 - 【請求項４】 前記プラットホーム部と前記シール部と
を結ぶ結晶成長促進路は前記シール部に形成された凹部
を堰止めるように形成された板状であることを特徴とす
る請求項３記載のガスタービン用単結晶ブレードの製造
法。 - 【請求項５】 翼部と、該翼部の根元から横方向に広が
る平面を上面とするプラットホーム部と、該プラットホ
ーム部から下部に延びたブロック状のシャンク部と、該
シャンク部の下部に連なり植込部となるブロック状のダ
ブテイル部と、前記シャンク部側面に張り出したシール
部とを備えた一体構造のガスタービン用単結晶ブレード
の製造法において、前記一体構造となる本体鋳型に加え
て前記ダブテイル部上面と前記プラットホーム下面とを
結ぶ結晶成長促進路となる補助鋳型部分を設け、該本体
鋳型を前記ダブテイル部が下に位置するように水冷チル
プレート上に設置し、前記本体鋳型内に金属の溶湯を一
方向に漸次凝固させて単結晶組織に鋳造することを特徴
とするガスタービン用単結晶ブレードの製造法。 - 【請求項６】 前記金属はＮｉ基合金であることを特徴
とする請求項１ないし５いずれかに記載のガスタービン
用単結晶ブレードの製造法。 - 【請求項７】 前記鋳造後にガスタービン用単結晶ブレ
ードを溶体化処理および時効熱処理を施すことを特徴と
する請求項６記載のガスタービン用単結晶ブレードの製
造法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03940794A JP3395019B2 (ja) | 1994-03-10 | 1994-03-10 | ガスタービン用単結晶ブレードの製造法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03940794A JP3395019B2 (ja) | 1994-03-10 | 1994-03-10 | ガスタービン用単結晶ブレードの製造法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07247802A JPH07247802A (ja) | 1995-09-26 |
| JP3395019B2 true JP3395019B2 (ja) | 2003-04-07 |
Family
ID=12552145
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP03940794A Expired - Fee Related JP3395019B2 (ja) | 1994-03-10 | 1994-03-10 | ガスタービン用単結晶ブレードの製造法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3395019B2 (ja) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8657574B2 (en) * | 2010-11-04 | 2014-02-25 | General Electric Company | System and method for cooling a turbine bucket |
| FR2978927B1 (fr) * | 2011-08-09 | 2013-09-27 | Snecma | Procede de fonderie de pieces metalliques monocristallines |
| US9243501B2 (en) * | 2012-09-11 | 2016-01-26 | United Technologies Corporation | Turbine airfoil platform rail with gusset |
| CN103143678B (zh) * | 2013-04-01 | 2015-02-18 | 东方电气集团东方汽轮机有限公司 | 一种用于优化高温合金叶片定向柱晶组织的模壳 |
| FR3006616B1 (fr) * | 2013-06-05 | 2016-03-04 | Snecma | Preforme d'aube de turbomachine |
-
1994
- 1994-03-10 JP JP03940794A patent/JP3395019B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH07247802A (ja) | 1995-09-26 |
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |