JP4264963B2 - 複合構造ディスク製造方法 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、タービン、ジェットエンジンなど用いられる歯車やディスクの外周にブレードを取り付けた羽根車などのディスクに係わり、特にこれらのディスクを鋳造材と鍛造材を接合して構成する複合構造ディスクの製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
ガスタービンや航空機用ジェットエンジンなどには歯車や羽根車が多く用いられている。これらは図1に示すようにディスク外周のリム部1に歯車を構成する歯やブレードが設けられ、回転軸と結合するボア部3と、このボア部3とリム部1を結ぶウェブ部2より構成されている。これらの歯車や羽根車は高温状態で高速回転し、高負荷を受けるという厳しい条件で使用されている。
【0003】
これら歯車や羽根車は従来、鍛造材か鋳造材で一体で製作されている。リム部1の外側は歯やブレード植え込み部など複雑な形状をしているので、鍛造材でディスクを作り、機械加工するか、または全体を鋳造材で成形している。なお、強度上からはリム部1は高温での高い疲労強度が要求され、ウェブ部2、ボア部3はクリープ強度が要求される。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
従来ウェブ部2やボア部3のクリープ強度の要求を満たすため鍛造材で製作し、リム部1の複雑な形状を機械加工する場合が多かった。またリム部1の製作を容易にするため鋳造材で製作する場合は、ウェブ部2やボア部3のクリープ強度の要求が高くないところに用いられていた。このため鍛造材のクリープ強度に強いという利点は機械加工という欠点で相殺されていた。また、鋳造材は複雑な形状の製品の製作に適し、リム部1に要求される疲労強度にも強いという利点があるが、クリープ強度が大きくないという欠点で相殺されていた。このような欠点を除去するため、本出願人は特開平7−208103において、鋳造材よりなるリング状の外側ディスクの内周面と、鍛造材よりなる内側ディスクの外周面とを拡散接合により接合する複合構造ディスクを提案した。しかしこの提案で示した接合方法は接合部の強度が弱い方の鋳造材の70%あればよいとして開発されたため、母材強度より弱い強度となっている。
【0005】
本発明は上述の問題点に鑑みてなされたもので、鍛造材と鋳造材のそれぞれの利点を生かした複合構造ディスクの接合部の強度を母材強度とほぼ同じ程度とする製造方法を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項1の発明では、鋳造材よりなるリング状の外側ディスクの内周面と、鍛造材よりなる内側ディスクの外周面を拡散接合により接合する複合構造ディスク製造方法において、
前記外側ディスクの内周面は複合構造ディスクの回転軸に対して所定角傾斜しており、前記内側ディスクの外周面も前記回転軸に対して前記所定角傾斜しており、
前記外側ディスクの前記内周面を前記内側ディスクの前記外周面に嵌合させた嵌合状態にする第1ステップを有し、前記嵌合状態では、前記回転軸に対して前記所定角傾斜した方向に前記内周面が前記外周面に対してずれていることで、内側ディスクと外側ディスクとに段差が存在しており、
前記第1ステップの後に、前記嵌合状態の前記内側ディスクと前記外側ディスクに対し拡散接合を行う第2ステップを有し、前記拡散接合では、前記内側ディスクと前記外側ディスクが加熱された状態で、前記内側ディスクを前記外側ディスクに押し込むように前記内側ディスクに圧力を作用させることで、前記段差を無くし、
前記第2ステップの後に、前記段差とほぼ同等の厚さを、前記拡散接合の後のディスク上下面の外側から少なくとも接合面を含む範囲で除去する第3ステップを有する。前記拡散接合により、ディスク下面において、前記段差が無くなる。
【0007】
接合面で加圧前は相手面に接しておらず、加圧によって接合するようになった接合部の上面と下面近傍の部分は酸化層が存在する可能性の高いところである。酸化層があると拡散接合が充分行われず、接合部の強度低下が起こる。このためこのような部分を除去することにより接合部の強度低下を防止することができる。
【0008】
請求項2の発明では、前記内周面と外周面の粗さをRa0.3μ以下にする。
【0009】
接合面の粗さを少なくすると接合圧力を接合面に均一に加えることができ、接合が安定し接合強度のばらつきが少なくなり、接合強度の低下を防止する。
【0010】
請求項3の発明では、前記第2ステップでは、真空状態でほぼ950℃前後に加熱し接合面の圧力をほぼ50〜55MPaとしほぼ1時間保持して拡散接合を行い、その後ほぼ720℃で約8時間加熱した後、ほぼ620℃で約10時間熱処理を行う。
【0011】
ほぼ950℃、ほぼ50〜55MPaで1時間拡散接合処理を行った後、後熱処理として、ほぼ720℃で8時間溶体化処理をし、その後ほぼ620℃で10時間時効処理を行うことにより、拡散接合処理による熱や応力の母材への影響を後熱処理により除去することにより、母材と接合部の強度低下を防止し、接合部の強度を母材強度とほぼ同じくすることができる。
【0012】
請求項4の発明では、前記外側ディスクの周囲にチタン合金箔を置き、接合面の酸化を防止するようにする。
【0013】
外側ディスクの周囲にチタン箔を置くことにより、真空および高温の状態でチタンの脱酸素作用が働き、接合面の酸化を防止し、接合面の強度低下を防止する。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
図1は本実施例の複合構造ディスクを示し、(a)は歯車(b)は羽根車を示す。これらはコジェネガスタービンや航空機ジェットエンジンの高性能ディスクとして用いられる。(a),(b)いずれもリム部1は鋳造材で製作され、歯やブレード5の植え込み部の複雑な形状の製作を容易にしている。ウェブ部2とボア部3は鍛造材で一体に製造され、接合部4は拡散接合により接合され、ウェブ部2の外周面とリム部1の内周面を接合している。
【0015】
図2は接合プロセスの概略図である。本装置は真空炉内に設けられている。治具の上にリム側プリフォーム1aが置かれ、リム側プリフォーム1aの内側に設けられた水平面より角度θの傾斜を有する開口に、ボア側プリフォーム2aが嵌合する。このボア側プリフォーム2aの外周面も水平面より角度θ傾斜している。リム側プリフォーム1aとボア側プリフォーム2aとは同一厚みであるが、加圧前の状態では図示したようにhだけボア側プリフォーム2aが上がっており、hが圧縮代となっている。プリフォームとは、図1に示すような最終形状に加工する前の形状を表し、接合後最終形状に加工する。リム側プリフォーム1aはニッケルNi系の鋳造材IN100を用いボア側プリフォーム2aはNi系の鍛造材INCO718を用いた場合を示す。この鋳造材や鍛造材の材質は一例を示したものである。なお、リム側プリフォーム1aの下面には脱ガス用溝が設けられ加圧時ボア側プリフォーム2aの下面と治具の間に閉じ込められるガスを抜くようにしている。また、リム側プリフォーム1aの外側はチタンTi箔で囲まれており、拡散接合時脱酸作用を行い、接合面6の酸化を防止している。
【0016】
図3は拡散処理のタイムチャートである。真空炉の真空度は1×10-5mmHg以下に保たれる。先ず炉を加熱してリム側プリフォーム1aとボア側プリフォーム2aからなる被処理材を950℃に加熱しこの温度を維持しながらボア側プリフォーム2aに垂直荷重を与える。垂直荷重は接合面6に垂直な圧力が50〜55MPaとなるようにする。この荷重によりボア側プリフォーム2aは押し込まれ、下面側のhは零となり、ボア側プリフォーム2aとリム側プリフォーム1aの下面は同一面となる。この状態を1時間持続した後、接合後熱処理に入る。接合後熱処理では、720℃に8時間保持して溶体化処理を行い、続いて620℃にして10時間の時効処理を行う。なお、治具の形状については、ボア側プリフォーム2aの下面をリム側プリフォーム1aの下面より突出させることができる。
【0017】
拡散処理終了後、械加工が行われ、図1に示す形状に仕上げられる。この機械加工に当たっては、図2に示した接合面6のhの範囲は除去できるように設計寸法を定めておく。図4は接合面の酸化皮膜発生部を取り除くことを示す図で、酸化皮膜が発生している恐れのある上下面から深さhの斜線で示す範囲を除去する。このように酸化皮膜の発生し易い接合面6の部分を削除するので、ほぼ母材と同じ接合強度が得られる。接合面6の粗さはRa0.3μ以下になるように仕上た状態で接合する。このように接合面6の粗さを小さくすることにより均一に加圧され接合面6の強度が一様な強さとなる。
【0018】
図5はこのようにして製作されたタービンディスクの温度と強度を示す。図の上部にはタービンディスクの断面の模式図が示されている。軸中心線Cよりボア部3、ウェブ部2があり、接合部4によりリム部1が接続されている。ボア部3とウェブ部2は鍛造材INCO718よりなり、リム部1は鋳造材IN100よりなる。タービンディスクは中心軸Cからの距離により温度が変わる。図中の太線はこの接合材(BAS材としている)の軸中心線Cからの位置における温度と、その温度におけるBAS材の引張強さを表している。なお軸中心線Cからの位置における温度分布は図に示すような単純な1次分布ではないが、説明を容易にするためこのような分布と仮定している。軸中心線Cより接合部までの強度は鍛造材INCO718の母材強度であり、接合部4ではこの位置における温度750℃の両部材(INCO718とIN100)の強度と接合部4の強度とは一致している。接合部4より先の強度は鋳造材IN100の強度となっている。
【0019】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、外側ディスクに鋳造材、内側ディスクに鍛造材を用いて複合構造ディスクを構成し、拡散接合処理による熱や応力の母材への影響を後熱処理により除去することにより、母材と接合部の強度低下を防止し、接合部の強度を母材強度とほぼ同じにすることができる。さらにチタン箔を用い炉内を脱酸素雰囲気にすることにより接合面の酸化を防止する。また接合面の粗さを少なくすることにより接合面が均一に加圧され一様な接合強度が得られる。さらに接合面端部の酸化膜発生部を除去することにより接合面を健全な面とすることができる。これらの処理により接合面の強度を母材強度と同じくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例の斜視図で、(a)は歯車、(b)は羽根車を示す。
【図2】接合プロセス概略図である。
【図3】拡散処理のタイムチャートである。
【図4】接合面両端の酸化膜形成部を除去する説明図である。
【図5】接合材の各位置における引張強さ分布の一例を示す図である。
【符号の説明】
1 リム部(外側ディスク)
1a リム側プリフォーム
2 ウェブ部(内側ディスク)
2a ボア側プリフォーム
3 ボア部(内側ディスク)
4 接合部
5 ブレード
6 接合面

Claims (5)

  1. 鋳造材よりなるリング状の外側ディスクの内周面と、鍛造材よりなる内側ディスクの外周面を拡散接合により接合する複合構造ディスク製造方法において、
    前記外側ディスクの内周面は複合構造ディスクの回転軸に対して所定角傾斜しており、前記内側ディスクの外周面も前記回転軸に対して前記所定角傾斜しており、
    前記外側ディスクの前記内周面を前記内側ディスクの前記外周面に嵌合させた嵌合状態にする第1ステップを有し、前記嵌合状態では、前記回転軸に対して前記所定角傾斜した方向に前記内周面が前記外周面に対してずれていることで、内側ディスクと外側ディスクとに段差が存在しており、
    前記第1ステップの後に、前記嵌合状態の前記内側ディスクと前記外側ディスクに対し拡散接合を行う第2ステップを有し、前記拡散接合では、前記内側ディスクと前記外側ディスクが加熱された状態で、前記内側ディスクを前記外側ディスクに押し込むように前記内側ディスクに圧力を作用させることで、前記段差を無くし、
    前記第2ステップの後に、前記段差とほぼ同等の厚さを、前記拡散接合の後のディスク上下面の外側から少なくとも接合面を含む範囲で除去する第3ステップを有する、ことを特徴とする複合構造ディスク製造方法。
  2. 前記内周面と外周面の粗さをRa0.3μ以下にしたことを特徴とする請求項1に記載の複合構造ディスク製造方法。
  3. 前記第2ステップでは、真空状態でほぼ950℃前後に加熱し接合面の圧力をほぼ50〜55MPaとしほぼ1時間保持して拡散接合を行い、その後ほぼ720℃で約8時間加熱した後、ほぼ620℃で約10時間熱処理を行うことを特徴とする請求項1または2に記載の複合構造ディスク製造方法。
  4. 前記外側ディスクの周囲にチタン合金箔を置き、接合面の酸化を防止するようにしたことを特徴とする請求項1、2または3に記載の複合構造ディスク製造方法。
  5. 前記拡散接合により、ディスク下面において、前記段差が無くなる、ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の複合構造ディスク製造方法。
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