JP5284555B2

JP5284555B2 - 大形鍛造鍛造品の製造方法

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Publication number: JP5284555B2
Application number: JP2000212584A
Authority: JP
Inventors: サミュエル・ブイ・サムボー; リン・ヤン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1999-10-25
Filing date: 2000-07-13
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2020-07-13
Also published as: EP1094127A2; DE60043090D1; US6409853B1; ATE445027T1; JP2001123257A; KR20010039718A; EP1094127B1; KR100550702B1; EP1094127A3

Description

本発明は陸用ガスタービンに使用される鍛造品、特に異常結晶粒成長として知られる問題を起こし易い７１８合金(Alloy 718)の大形鍛造品に関する。

７１８合金の鍛造では、ビレットを加熱し、１段階又は多段階で鍛造（据え込みとも呼ばれる）して所要の最終形状に加工する。ビレットは、各据え込み作業前に再加熱しなければならない。鍛造後、成形品を高温（１７００〜１８２５°Ｆ）で溶体化処理し、次いで低温（１３２５〜１１５０°Ｆ）で時効処理して強度を発現させる。ある加工条件下では、７１８合金の鍛造品は溶体化温度に加熱したときに異常結晶粒成長を起こす。これは（後述する通り）小形鍛造品では大した問題ではなかったが、大形鍛造品（本発明の目的とするところでは、１００００ポンドを超える重量のもの）では重大な問題となる。

発明が解決しようとした課題

二次結晶粒成長又は臨界結晶粒成長とも呼ばれる異常結晶粒成長は、材料中の少数の結晶粒が近隣の結晶粒に比べて非常に大きい結晶粒度まで成長したときに起こる。これが起こると材料の機械的性質が変化する。具体的には、異常結晶粒成長は材料の耐疲労性及び降伏強さを低下させるだけでなく、超音波探傷試験での小欠陥の検出能力も損なう。ただし、異常結晶粒成長は高温での耐クリープ性を向上させるので、場合によっては望ましいこともある。

７１８合金の鍛造品で異常結晶粒成長が起こる可能性は、かなり以前から知られていた。７１８合金での異常結晶粒成長並びに異常結晶粒成長を促す条件について記載した先行文献として、Ｊ．Ｆ．Ｕｇｉｎｅｔ及びＢ．Ｐｉｅｒａｇｇｉ，“ＳｔｕｄｙｏｆＳｅｃｏｎｄａｒｙＧｒａｉｎＧｒｏｗｔｈｏｎ７８１Ａｌｌｏｙ”（ＴｈｅＭｉｎｅｒａｌｓ，ＭｅｔａｌｓａｎｄＭａｔｅｒｉａｌｓＳｏｃｉｅｔｙ，１９９７年）がある。異常結晶粒成長は、その発生を抑制又は排除するプロセス変更が利用できたため、重大な問題とはみなされていなかった。しかし、かかるプロセス変更は小形鍛造品ではうまくいくが、上記で定義したような大形鍛造品ではうまくいかない。さらに具体的には、小形部品では以下の対策が可能である。
１．小さなひずみ（鍛造段階における据え込み量）をなくすこと。大形部品でこれを行うにはかなりの困難が伴う。プレス能力のため１回でわずかな据え込み量しか得られないことがあるからである。
２．高いひずみ速度（上部ダイスの移動速度に関係する）を使用すること。これも、非常に大形の部品ではうまくいかない。ひずみ速度を高めるにはプレス荷重を高くする必要があるが、そうした荷重が世界最大のプレスの能力を超えてしまいかねないからである。
３．溶体化処理を避け、その代り直接時効処理を行うこと。小形部品では鍛造終了後の空気中での冷却速度が完全に溶体化した組織を確保するのに適しているため、この対策は小形部品ではうまくいく。鍛造後に空冷した場合、冷却速度は非常に大形の部品の中心部では非常に遅く、完全に溶体化した組織が得られない。完全に溶体化した組織が存在しないことは、時効処理後に部品が高い強度を発現しないことを意味する。そのため、完全に溶体化した組織を保持するには、溶体化処理後に部品を油／水中で急冷しなければならない。

課題を解決するための手段

本発明は、７１８合金の大形鍛造品で異常結晶粒成長を引起こす特異な加工ウィンドウ(processing window)の同定を伴う。このウィンドウを避けることによって、異常結晶粒成長をなくし、一様な結晶粒組織を有する大形鍛造品を得ることができる。別法として、この方法では、望ましいと考えられる場合には所定の領域で異常結晶粒成長を生起させることもできる。

最初に、小形試験片を用いて鍛造パラメータの効果についての研究を行ったが、そのプロセスは大形鍛造品の加工を模擬するものであった。異常結晶粒成長が、（ａ）初期結晶粒度、（ｂ）鍛造温度、（ｃ）鍛造ひずみ、（ｄ）鍛造ひずみ速度、（ｅ）据え込み回数、及び（ｆ）溶体化処理温度に関する特定の条件下で起こることが観察された。

本発明のある実施形態では、異常結晶粒成長は、本明細書に開示するパラメータ範囲に上記の諸因子が収まるように考慮した鍛造プロセスによって避けることができる。

本発明の別の実施形態では、鍛造品のどこかの領域で異常結晶粒成長を意図的に生起させることが必要とされる場合に、項目ｃ）及びｆ）を本明細書に別途記載した通り変更する。

具体的には、本発明は、７１８合金の大形部品の鍛造方法であって、
ａ）ＡＳＴＭ０〜ＡＳＴＭ３の平均結晶粒度を有するビレットを準備する段階、
ｂ）ビレットを１７５０〜１８００°Ｆの温度に加熱する段階、
ｃ）ビレットを据え込み加工して、少なくとも所定の領域で０．１２５の最小ひずみを有する部品を得る段階、
ｄ）部品を１７５０〜１８００°Ｆの温度に再加熱する段階、
ｅ）上記所定の領域が０．０１〜０．１２５のひずみを受けないように部品を最終形状に据え込み加工する段階、
ｆ）１７２５〜１７５０°Ｆの温度で部品を溶体化処理する段階、及び
ｇ）様々な温度で所定時間部品を時効処理する段階
を含んでなる方法に関する。

鍛造品のどこかの領域で異常結晶粒成長を意図的に生起させることが必要とされる場合には、段階ｅ）及びｆ）を単に次の通り変更する。

ｅ）所要の領域で０．０１〜０．１２５のひずみを意図的に生じさせるように部品を仕上鍛造する。

ｆ）１８２５〜１８５０°Ｆで部品を溶体化処理する。

本発明の方法は、先行技術に比べて幾つかの利点を有している。具体的には、殊に７１８合金の大形鍛造品で、異常結晶粒成長をなくして一様な結晶粒組織を得ることができる制御プロセスを展開できる。或いは、特定の性質の必要性を満たすため所定の領域で異常結晶粒成長を意図的に生起させる制御プロセスを展開することもできる。この態様は大形鍛造品にも小形鍛造品にも使用できる。

好ましい実施の形態

図１を参照すると、異常結晶粒成長の具体例が倍率２００×の顕微鏡写真として示してある。具体的には、異常結晶粒成長の形跡は灰色の領域で示されるが、その一つを符号１２で示す。上述の通り、異常結晶粒成長は材料中の少数の結晶粒が近隣の結晶粒に比べて非常に大きい結晶粒度まで成長したときに起こる。異常結晶粒成長は材料の耐疲労性及び降伏強さを低下させる。以上結晶粒成長は超音波探傷試験による小欠陥の検出能力をも損なう。他方、異常結晶粒成長は高温での耐クリープ性を向上させるので、状況によってはかかる成長を促すのが望ましいこともある。

本発明の方法を開発するため、小形試験片を使用した。最初に試験に供した試験片は図２に示す断面形状を有していた。この試験片の側面の略図を図３に示す。図３の試験片には、典型的なひずみ輪郭も示してあり、標記の各領域におけるひずみは符号の隣りに併記した。

本発明で開発された方法は、以下に述べる試験計画に基づいている。

小形試験片つまりビレット１４は、結晶粒度ＡＳＴＭ４〜５及びＡＳＴＭ８〜１０の７１８合金鍛造材料である。図２及び図３に示す試験片の具体的形状は同一試験片に様々なレベルのひずみを生じさせることができるので、試験片の数を最小限にできる。

試験方法では、サーボ油圧試験機で小規模据え込みを行った。試験片１４及び鍛造ダイスはいずれも試験温度に加熱し保温し、換言すれば、等温プロセスであった。鍛造プロセスの有限要素モデリングを市販ソフトウェアＤＥＦＯＲＭを用いて行った。

最初に、異常結晶粒成長の発生又は防止における因子として下記のパラメータを考察した。

(1) 初期結晶粒度、
(2) 鍛造ひずみ、
(3) 据え込み回数、
(4) 据え込み時の再加熱時間、
(5) 溶体化処理時間、
(6) 冷却速度、
(7) 鍛造温度、
(8) 鍛造ひずみ速度、及び
(9) 溶体化処理温度。

試験結果に関する予備的な研究で以下の事実が判明した。

(1) 結晶粒度がＡＳＴＭ８よりも大きいと異常結晶粒成長は起こらない。

(2) 据え込み回数は有意な影響を及ぼさない。

(3) 再加熱時間は鍛造品の大きさによって支配された。大形部品は長い再加熱時間を必要とする。

(4) 溶体化処理時間も部品の大きさによって支配された。

(5) 溶体化処理温度からの冷却速度も部品の大きさによって支配された。

下記のマトリックスに基づいて、図２に示したような８個の小形試験片を用いて残りの因子に関する詳細な「実験計画（ＤＯＥ； Design of Experiments）」研究を行った。
鍛造温度（°Ｆ）ひずみ速度溶体化温度（°Ｆ）
１１７７５０．０１１７２５
２１７７５０．０１１７６０
３１７７５０．０３１７２５
４１７７５０．０３１７６０
５１８０００．０１１７２５
６１８０００．０１１７６０
７１８０００．０３１７２５
８１８０００．０３１７６０
据え込み実験の後、試験片を細かく切断してミクロ組織を分析した。その結果、異常結晶粒成長は低ひずみ領域にみられるが、ひずみが一定のレベルに達すると異常結晶粒成長は消失することが観察された。異常結晶粒成長の位置を記録するとともに、市販の鍛造モデリングソフトウェアＤＥＦＯＲＭ２Ｄで所定位置でのひずみレベルを計算した。各試験片の最大ひずみ値（Ｈ_strain）は、その試験片での異常結晶粒成長の量を表している。統計ソフトウェアＭｉｎｉｔａｂ１２を実行することによって、鍛造温度及び溶体化処理温度を下げるとＨ_strainが低下し、異常結晶粒成長の可能性が減るが、ひずみ速度はＨ_strainに対してほとんど影響を与えず、異常結晶粒成長の発生量にほとんど影響を与えないことが確認された。

次に、実寸鍛造品の仕上鍛造段階の詳しいモデリングを行った。異常結晶粒成長の形跡をもつ鍛造品を細かく切断し、その位置を小形試験片の温度／ひずみ／ひずみ速度履歴との相間関係を調べた。こうした相間関係が定まると、異常結晶粒成長を避けるプロセスの設計が可能となった。さらに、溶体化処理温度を１７２５°Ｆに下げた。

図４及び図５に示す鍛造試験片２２と２４の対比から、本発明の方法によって低ひずみ領域が減少し、異常結晶粒成長が減ったことがわかる。図４及び図５に示す通り、試験片２２及び２４は各々ノッチ１６と環状の段差つまり肩１８及び２０をもつ二重円錐形をしている。試験片２２及び２４はそれぞれ従来法及び本発明の方法で製造した部品である。図４の試験片２２は低ひずみ域にある領域が比較的大きいが、かかる領域は異常結晶粒成長を生じる傾向をもつ。一方、図５の試験片２４は低ひずみ領域がごく限られている。こうした低ひずみ領域は後段の機械加工で取り除かれ、異常結晶粒成長の起こる可能性はなくなる。

上記の試験結果に基づいて、異常結晶粒成長を避けるには、以下の方法を採用すべきであるとの結論を得た。

ａ）平均結晶粒度ＡＳＴＭ０〜ＡＳＴＭ３のビレットを出発材料とする。

ｂ）部品を１７５０〜１８００°Ｆの温度に加熱する。

ｃ）各据え込み作業ごとに部品の全領域で最小ひずみが０．１２５となるように部品を据え込み加工する。これにより、部品はＡＳＴＭ６〜８の微細な結晶粒度に最結晶する。

ｄ）１７５０〜１８００°Ｆの温度に再加熱する。

ｅ）（必要に応じて）各据え込み作業ごとに部品の全領域で最小ひずみが０．１２５となるように部品を再度据え込み加工する。

ｆ）（上記段階ｅ）を実施したときは）部品を１７５０〜１８００°Ｆの温度に再加熱する。

ｇ）鍛造品のどの領域も０．０１〜０．１２５のひずみを受けないように部品を最終鍛造する。この段階では鍛造品の再加熱や再打撃は異常結晶粒成長を非常に引起こし易いので、鍛造品の再加熱や再打撃は行わない。

ｈ）１７２５〜１７５０°Ｆの温度で部品を溶体化処理する。

ｉ）部品を１３２５°Ｆで８時間及び１１５０°Ｆで８時間時効処理する。（これは７１８合金に対する常法である。）
鍛造品のどこかの領域で異常結晶粒成長を意図的に生起させる必要がある場合には、段階ｇ）及びｈ）を単に次の通り変更する。

ｇ）部品を仕上鍛造して、所要の領域に０．０１〜０．１２５のひずみを意図的に生じさせる。

ｈ）部品を１８２５〜１８５０°Ｆで溶体化処理する。

このようにして、部品を選択的に鍛造して、異常結晶粒成長の存在しない領域と、異常結晶粒成長は起こるが高温での耐クリープ性の向上した領域とを生じさせるとことができる。

さらに別の実施形態では、上記の段階ａ）でのビレットの初期結晶粒度がＡＳＴＭ８〜１０の場合には、段階ｂ）及びｃ）を省略して、段階ｄ）からプロセスを実施することができる。

以上、現時点で最も実用的で好ましいと思料される実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態のみに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された技術的思想及び技術的範囲に属する様々な修正及び均等な構成にも及ぶものである。

７１８合金の部品での異常結晶粒成長の形跡を示す顕微鏡写真である。本発明の開発中に用いた小形試験片の横断面形状を示す端面図である。対照として用いるためのひずみ輪郭及び測定値を示す試験片のモデルである。従来法で鍛造した部品のモデルである。本発明の方法で鍛造した部品のモデルである。

１２異常結晶粒成長
１４ビレット
１６ノッチ
１８肩
２０肩
２４鍛造試験片

Claims

７１８合金から重量１００００ポンド（４５３６ｋｇ）以上のガスタービン部品を異常結晶粒成長を示さないように鍛造する方法であって、
ａ）ＡＳＴＭ０〜ＡＳＴＭ３の平均結晶粒度を有するビレット（１４）を準備する段階、
ｂ）ビレットを１７５０〜１８００°Ｆ（９５４〜９８２℃）の温度に加熱する段階、
ｃ）ビレットを据え込み加工して、各据え込み作業ごとに部品の全領域で０．１２５の最小ひずみを有する部品（２４）を得る段階、
ｄ）部品（２４）を１７５０〜１８００°Ｆ（９５４〜９８２℃）の温度に再加熱する段階、
ｅ）部品（２４）のどの領域でも受けるひずみが０．１２５以下とならないように部品（２４）を最終形状に据え込み加工する段階、
ｆ）１７２５〜１７５０°Ｆ（９４１〜９５４℃）の温度で部品の全領域を溶体化処理する段階、及び
ｇ）部品（２４）の全領域を時効処理する段階
を含んでなる方法。
段階ｇ）において、部品（２４）を１３２５°Ｆ（７１８℃）で８時間及び１１５０°Ｆ（６２１℃）で８時間の時効処理する、請求項１記載の方法。
前記部品の全領域で０．１２５の最小ひずみを得るために段階ｃ）及びｄ）を繰り返す、請求項１記載の方法。
段階ｅ）の後で、部品（２４）が全領域でＡＳＴＭ６〜８の微細な結晶粒度を有する、請求項１記載の方法。
重量１００００ポンド（４５３６ｋｇ）以上のガスタービン部品が所定の領域では異常結晶粒成長を示さないが、その他の領域では異常結晶粒成長を示すように該部品を７１８合金から鍛造するための方法であって、
ａ）ＡＳＴＭ０〜ＡＳＴＭ３の平均結晶粒度を有するビレット（１４）を準備する段階、
ｂ）ビレット（１４）を１７５０〜１８００°Ｆ（９５４〜９８２℃）の温度に加熱する段階、
ｃ）ビレット（１４）を据え込み加工して、部品の全領域で０．１２５の最小ひずみを有する部品（２４）を得る段階、
ｄ）部品（２４）を１７５０〜１８００°Ｆ（９５４〜９８２℃）の温度に再加熱する段階、
ｅ）前記所定の領域で受けるひずみが０．１２５以下とならずかつ前記その他の領域が０．０１〜０．１２５のひずみを受けるように部品（２４）を最終形状に据え込み加工する段階、
ｆ）１８２５〜１８５０°Ｆ（９９６〜１０１０℃）の温度で部品（２４）を溶体化処理する段階、
ｇ）部品（２４）を時効処理する段階
を含んでなる方法。
段階ｇ）において、部品（２４）を１３２５°Ｆ（７１８℃）で８時間及び１１５０°Ｆ（６２１℃）で８時間の時効処理する、請求項５記載の方法。