JP5680292B2 - 環状成形体の製造方法 - Google Patents
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Description
ここで、ガスタービン内においては、その外周部分を高温ガスが通過することになるため、前述のタービンディスクの外周部分が高温に曝されることになる。一方、タービンディスクの回転数の増加に伴って高速回転による遠心力が負荷されることになり、タービンディスクの外周側においては、高温での使用及び遠心力に耐え得るように、クリープ強度等の耐熱特性が重要となる。一方、タービンディスクの内周側においては、比較的中温域での引張強度、疲労強度が重要となる。
このように、部分的に特性の異なる環状成形体を製出するためには、異なる材質からなる部材を接合することも考えられるが、接合部分において剥離が生じたり、接合後の加工によって形状が変化するおそれがあるため、高い信頼性が要求される部材に適用することはできない。
したがって、部分的に結晶粒の大きさが異なる部分を形成することによって、機械的特性が部分的に異なる環状成形体を製出することが可能となるのである。
この場合、環状素体の内周部又は外周部に、前記押圧力軽減部が形成されていて、前記環状成形体の内周側部分の結晶粒の大きさと、前記環状成形体の外周側部分の結晶粒の大きさとを、互いに異なるように形成されているので、内周側部分と外周側部分とで、機械的特性を互いに異なるように構成された環状成形体を製出することができる。
この場合、環状素体の一部に、前記マンドレルロール又は前記メインロールに対向する部分に、これら前記マンドレルロール又は前記メインロールから離間するように切り欠けられた肉欠部が設けられているので、この肉欠部が設けられた部分においては、マンドレルロール又はメインロールとの接触が抑制されることになり、マンドレルロール又はメインロールからの押圧力を軽減することができ、前記押圧力軽減部が形成されることになる。よって、この肉欠部が形成された部分の結晶粒を粗大化させることが可能となる。
この場合、前記マンドレルロール又は前記メインロールの一部において、前記環状素体に対向する面に切欠部が設けられているので、この切欠部が設けられた部分においては、環状素体との接触が抑制されることになり、マンドレルロール又はメインロールから環状素体に与えられる押圧力を軽減することができ、前記押圧力軽減部が形成されることになる。よって、環状成形体のうち、この切欠部に対応する部分の結晶粒を粗大化させることが可能となる。
この構成の環状成形体においては、結晶粒が、他の部分よりも粗大化された結晶粒粗大部を備えているので、この結晶粒粗大部における機械的特性が他の部分と異なることになる。よって、同一の素材からなり、部分的に特性が異なった環状成形体となり、タービンディスク等の部材の加工素材として適したものとなる。
この場合、環状成形体の内周側部分の少なくとも一部又は外周側部分の少なくとも一部に、前記結晶粒粗大部が形成されていて、環状成形体の内周側部分の結晶粒の大きさと、外周側部分の結晶粒の大きさとが互いに異なるように形成されているので、環状成形体の内周側部分と外周側部分とで、機械的特性を互いに異なるように構成することができる。
この場合、前記内周側部分の少なくとも一部の結晶粒と前記外周側部分の少なくとも一部の結晶粒とのASTM結晶粒度番号差が2以上と比較的大きく設定されているので、内周側部分と外周側部分とで、機械的特性が大きく異なる環状成形体を得ることができる。
なお、ASTM結晶粒度番号とは、American Society of Testing and Materials(米国材料試験協会)のASTM規格E122に規定する基準によって決定されるものである。
まず、本発明の第1の実施形態である環状成形体及び環状成形体の製造方法について、図1から図7を参照して説明する。
本実施形態である環状成形体10は、航空機のエンジン等のガスタービンのタービンディスクを成形する加工素材として使用されるものである。
また、環状成形体10は、耐熱性に優れたNi基超合金で構成されており、本実施形態では、Ni基合金alloy718で構成されている。
具体的には、外側凸条部13における結晶粒と、本体部11及び内側凸条部12における結晶粒とのASTM結晶粒度番号差が2以上とされている。
すなわち、この環状成形体10を加工して得られるタービンディスクにおいて、その内周側部分(ボア部)の結晶粒が小さく(ASTM結晶粒度番号が大きく)、外周側部分(リム部)の結晶粒が大きく(ASTM結晶粒度番号が小さく)なるように構成されているのである。
まず、Ni基合金alloy718の溶湯を溶製する。ここで、前述したNi基合金alloy718の成分範囲になるように、溶解原料を調製し、真空誘導加熱溶解(VIM:Vacuum Induction Melting)を行って、インゴットを製出する。次に、このインゴットをエレクトロスラグ再溶解(ESR:Electro Slag Remelting)して、再度インゴットを製出する。さらに、このインゴットを、真空アーク再溶解(VAR:Vacuum Arc Remelting)した後、熱間鍛造を行い、直径7inch〜12inchのビレットを製出する。
このように、3回の溶解(三重溶解)を行うことによって、介在物が極めて少ない高清浄度のビレットが製出されることになる。
次に、得られたビレットに対して、ビレットの軸線方向に押圧するように鍛造加工を行い、円板状の鍛造体を成形する。なお、このときの鍛造体の厚さは、60mm〜500mm程度に調整される。
得られた円板状の鍛造体の中央部に、ウォーターカッターによって貫通孔を形成する。さらに、貫通孔形成後に必要に応じて中間リング圧延を行う。この穿孔加工+中間リング圧延工程S3によって、環状素体20が製出されることになる。
ここで、本実施形態では、環状素体20は、図4に示すように、周方向に直交する断面が概略六角形状をなしており、軸線Oに対して略直交する方向に延びる上面及び下面を有する素体本体21と、この素体本体21から径方向内方に向けて突出した内側凸部22と、素体本体21から径方向外方に向けて突出した外側凸部23と、を備えている。
なお、この環状素体20(素体本体21)の厚さtmは、tm=60mm〜500mmの範囲内に設定されており、軸線Oから素体本体21の内周端までの距離Rmiが、Rmi=50mm〜350mmの範囲内に、軸線Oから素体本体21の外周端までの距離Rmoが、Rmo=300mm〜600mmの範囲内に設定されている。
次に、この環状素体20に対してリング圧延を行う。なお、リング圧延の温度は、例えば900℃〜1050℃の範囲内とされている。
ここで、リング圧延装置30は、図5に示すように、環状素体20の外周側に配設されるメインロール40と、環状素体20の内周側に配設されるマンドレルロール50と、環状素体20の軸線O方向端面(本実施形態では、素体本体21の上面および下面)に当接される一対のアキシャルロール31,32と、を備えている。
このように、リング圧延を行うことによって、環状素体20は周方向に延びるように塑性変形していき、その内径及び外径が拡大されるのである。
また、この収容凹部41の底部41Aには、外側凸条部13を成形するための第1成形溝42が、メインロール40における径方向内方(図6において右方)に向けて凹むように形成されている。そして、本実施形態では、この第1成形溝42には、さらにメインロール40における径方向内方に向けて凹むように掘り込まれた切欠部45が形成されているのである。この切欠部45と第1成形溝42とにより、収容凹部41の底部41Aには、成形される外側凸条部13の長さより深くされた凹溝が画成されることになる。
ここで、製出された環状成形体10の軸線Oから本体部11の内周端までの距離Rfiは、Rfi=160mm〜600mmの範囲内に、軸線Oから本体部11の外周端までの距離Rfoは、Rfo=450mm〜750mmの範囲内に設定されている。
前述のようにして製出された環状成形体10は、熱処理によって特性が調整されるとともに、切削加工によって最終形状に成形され、ガスタービン用のタービンディスクとされる。
したがって、本実施形態である環状成形体10においては、本体部11及び内側凸条部12の部分は、引張強度及び疲労強度が比較的高くなり、外側凸条部13の部分は、クリープ強度が比較的高くなるのである。よって、この環状成形体10を加工して得られるタービンディスクは、その内周側部分(ボア部)の引張強度及び疲労強度が高く、かつ、外周側部分(リム部)のクリープ強度が高くなり、ガスタービンの高温化、高速回転化に対応可能となる。
さらに、本実施形態では、外側凸条部13における結晶粒と、本体部11及び内側凸条部12における結晶粒とのASTM結晶粒度番号差が2以上と比較的大きく設定されているので、外側凸条部13と本体部11及び内側凸条部12とで、機械的特性が大きく異なる環状成形体10を得ることができる。
本実施形態である環状成形体110は、航空機のエンジン等のガスタービンのタービンディスクを成形する加工素材として使用されるものである。
また、環状成形体110は、耐熱性に優れたNi基超合金で構成されており、本実施形態では、Ni基合金alloy718で構成されている。
第1の実施形態と同様に、三重溶解(VIM/ESR/VAR)を行った後、熱間鍛造を行い、直径7inch〜12inchのビレットを製出する。
(鍛造工程S12)
次に、得られたビレットに対して、ビレットの軸線方向に押圧するように鍛造加工を行い、円板状の鍛造体を成形する。なお、このときの鍛造体の厚さは、60mm〜500mm程度に調整される。
得られた円板状の鍛造体の中央部に、ウォーターカッターによって貫通孔を形成する。さらに、貫通孔形成後に必要に応じて中間リング圧延を行う。この穿孔加工+中間リング圧延工程S13によって、環状素体120が製出されることになる。
ここで、本実施形態では、環状素体120は、図9に示すように、周方向に直交する断面が概略六角形状をなしており、軸線Oに対して略直交する方向に延びる上面及び下面を有する素体本体121と、この素体本体121から径方向内方に向けて突出した内側凸部122と、素体本体121から径方向外方に向けて突出した外側凸部123と、を備えている。
さらに、本実施形態では、外側凸部123の外周端部分を切り落とすことによって、肉欠部125が形成されることになる。すなわち、環状素体120のうち、メインロール140に対向する部分に、メインロール140から離間するように切り落とされることによって、肉欠部125が形成されているのである。
次に、肉欠部125が形成された環状素体120に対してリング圧延を行う。なお、リング圧延の温度は、例えば900℃〜1050℃の範囲内とされている。
ここで、リング圧延装置130は、図10及び図11に示すように、環状素体120の外周側に配設されるメインロール140と、環状素体120の内周側に配設されるマンドレルロール150と、を備えている。
なお、製出された環状成形体110の軸線Oから本体部111の内周端までの距離Rfiは、Rfi=160mm〜600mmの範囲内に、軸線Oから本体部111の外周端までの距離Rfoは、Rfo=450mm〜750mmの範囲内に設定されている。
前述のようにして製出された環状成形体110は、熱処理によって特性が調整されるとともに、切削加工によって最終形状に成形され、ガスタービン用のタービンディスクとされることになる。
したがって、本実施形態である環状成形体110においては、本体部111及び内側凸条部112の部分は、引張強度及び疲労強度が比較的高くなり、外側凸条部113の部分は、クリープ強度が比較的高くなるのである。よって、この環状成形体110を加工して得られるタービンディスクは、その内周側部分(ボア部)の引張強度及び疲労強度が高く、かつ、外周側部分(リム部)のクリープ強度が高くなり、ガスタービンの高温化、高速回転化に対応可能となる。
まず、第1の実施形態である環状成形体の製造方法により、環状成形体を製出し、その結晶粒の大きさを評価した。
Ni基合金alloy718からなる環状素体20に対して、図4から図6に示すように、リング圧延を行った。リング圧延の温度は、900℃〜1050℃とした。リング圧延終了後に、AMS5663に従って熱処理(溶体化処理及び時効処理)を行った。なお、AMS5663とは、SAE internationalが発行している「Aerospace Material Specification(航空材料規格)」の規格番号である。
得られた環状成形体10の内側凸条部12及び外側凸条部13のASTM結晶粒度番号を測定した。試料の測定部位の軸方向断面及び径方向断面を研磨し、酸性液でエッチング処理後、光学顕微鏡観察により測定し、ASTM結晶粒度番号を判定した。
Ni基合金alloy718からなる環状素体120に対して、図9から図11に示すように、リング圧延を行った。リング圧延の温度は、900℃〜1050℃とした。リング圧延終了後に、AMS5663に従って熱処理(溶体化処理及び時効処理)を行った。
得られた環状成形体110の内側凸条部112及び外側凸条部113のASTM結晶粒度番号を測定した。試料の測定部位の軸方向断面及び径方向断面を研磨し、酸性液でエッチング処理後、光学顕微鏡観察により測定し、ASTM結晶粒度番号を判定した。
例えば、本実施形態では、環状成形体の外周側部分(外側凸条部)の結晶粒を粗大化するものとして説明したが、これに限定されることはなく、環状成形体の内周側部分(内側凸条部)の結晶粒を粗大化させてもよい。
さらに、環状成形体及び環状素体がNi基合金alloy718で構成されたものとして説明したが、これに限定されることはなく、その他の材質で構成されたものであってもよい。
さらに、リング圧延において、環状成形体の表面を押圧することによって、結晶粒を粗大化した部分の結晶粒の大きさの調整を行ってもよい。すなわち、結晶粒が粗大すぎた場合には、超音波探傷特性の劣化や引張強度の低下が起こることがあるため、適度にひずみを与えて結晶粒の大きさを調整してもよい。
20、120 環状素体
40、140 メインロール
45 切欠部
50、150 マンドレルロール
125 肉欠部
Claims (4)
- 貫通孔を有する環状素体にリング圧延を施すことによって成形される環状成形体の製造方法であって、
前記リング圧延においては、前記環状素体の内周側に配置されるマンドレルロールと、前記環状素体の外周側に配置されるメインロールと、によって圧延を行う構成とされており、
前記マンドレルロールと前記環状素体との接触部又は前記メインロールと前記環状素体との接触部の少なくとも一部に、前記マンドレルロール又は前記メインロールからの押圧力を軽減する押圧力軽減部を形成し、
前記押圧力軽減部に相当する部分の結晶粒を他の部分の結晶粒よりも粗大にすることを特徴とする環状成形体の製造方法。 - 前記環状素体の内周部又は前記環状素体の外周部に、前記押圧力軽減部が形成されており、
前記環状成形体の内周側部分の結晶粒の大きさと、前記環状成形体の外周側部分の結晶粒の大きさとを、互いに異なるように形成することを特徴とする請求項1に記載の環状成形体の製造方法。 - 前記環状素体の一部には、前記マンドレルロール又は前記メインロールに対向する部分に、これら前記マンドレルロール又は前記メインロールから離間するように切り欠けられた肉欠部が設けられており、この肉欠部によって、前記押圧力軽減部が形成されていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の環状成形体の製造方法。
- 前記マンドレルロール又は前記メインロールの一部において、前記環状素体に対向する面に切欠部が設けられており、この切欠部によって、前記押圧力軽減部が形成されていることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の環状成形体の製造方法。
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