JP5850905B2 - 超合金部品及び合金部品の熱処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、部品の熱処理方法に関し、詳細には、タービンディスク、コンプレッサディ
スク、タービンカバープレート、コンプレッサドラム、又はコンプレッサコーンの熱処理
方法に関する。

ニッケル超合金部品又は製品、例えばガスタービンエンジン用のディスクには、部品又
は製品（例えば、ディスク状賦形体）に熱−機械的形成を加えた後、簡単な熱処理が施さ
れる。通常は、これは、γ’ソルバス温度(gamma prime solvus temperature)超過の温度
（スーパーソルバス温度）又はγ’ソルバス温度(gamma prime solvus temperature)未満
の温度（サブソルバス温度）のいずれかで行われる一回の恒温溶体化熱処理であり、これ
に続き、例えば空気やオイル等の何らかの媒体内で急冷を行う。γ’ソルバス温度は、こ
の性質を持つ合金の変態点である。溶体化熱処理をγ’ソルバス温度未満で行うと、金属
間化合物強化相がトリモーダル分布した微細粒構造が得られる。これは、第一γ’相、第
二γ’相、及び第三γ’相と呼ばれる。γ’ソルバス温度超過での溶体化熱処理により、
粒界の第一γ’相が溶解し、結晶粒を粗くし、粗粒構造を形成し、第二γ’相及び第三γ
’相のバイモーダルγ’分布が得られる。

溶体化熱処理に続き、低温エージングが行われ、急冷により生じた残留応力を解放し、
主強化沈殿(main strengthening precipitates)を改善し、最適の機械的特性を提供する
。
単一の溶体化熱処理温度により、部品、例えばディスクは、結晶粒構造が均等になる。結
晶粒構造は、サブソルバス溶体化熱処理が行われた場合には微細であり、スーパーソルバ
ス溶体化熱処理が行われた場合には粗く、従って、高温クリープ及び疲労亀裂成長抵抗に
ついての粗粒構造の機械的特性及び性能と、低温サイクル疲労抵抗及び引張強度について
の微細粒構造の機械的特性及び性能のいずれかをとる。

ニッケル超合金部品、例えばディスクに比較的複雑な熱処理を加えることが既知である
。これは、デュアル微小構造熱処理であり、部品即ちディスクに二つの微小構造を形成す
る。デュアル微小構造熱処理は、部品例えばディスクの様々な領域の微小構造を、部品の
その領域についての使用中の最も重要な特性に基づいて、例えば、ディスクのハブ又はボ
アでの微細粒構造及びディスクのリムでの粗粒構造のように最適化する。この方法では、
構成要素には、溶体化熱処理中に温度勾配が加わる。ディスクのリムは、γ’ソルバス温
度超過の温度に露呈され、この際、ディスクのハブ又はボアは、γ’ソルバス温度未満の
温度に維持される。

米国特許第６、６１０、１１０号には、ニッケル超合金ディスクの熱処理方法において
、サーマルブロック即ちヒートシンクをディスクのハブに配置する工程と、サーマルブロ
ック及びディスクを、ディスクのリムを除いてシェル内に包囲する工程と、シェル内に断
熱材を提供する工程と、ディスク、サーマルブロック、シェル、及び断熱材のアッセンブ
リをγ’ソルバス温度超過の温度の炉に入れる工程を含む方法が開示されている。ディス
クのリムは、ディスクの被断熱ハブよりも速い速度で加熱される。ディスクのリムはγ’
ソルバス温度超過の温度に達し、ディスクのリムの微小構造を粗くする。サーマルブロッ
クのうちの一つに熱電対が埋め込んであり、熱電対が所定温度に達したとき、アッセンブ
リを取り出す。ディスクは直径が３２ｃｍであり、ハブのところでの軸線方向幅が５ｃｍ
であり、リムのところでの軸線方向幅が２．５ｃｍである。

この方法の問題は、比較的大型のガスタービンエンジンで使用されるディスクは直径が
非常に大きく、軸線方向幅が、特にディスクのハブのところで非常に大きいということで
ある。これらのディスクのハブの大きさが大きければ大きい程、また、熱質量が大きけれ
ば大きい程、ハブの表面近くの領域が均衡温度に達しても、ハブの中心領域が遥かに低い
、例えば数百°Ｃ低い温度にしか達しない。ハブの中心領域は、エージング熱処理レジー
ムにおいて、所要のサブソルバス溶体化熱処理温度よりも低い。ディスクのハブの温度が
γ’ソルバス温度よりもかなり低い温度にしか達しないことによる効果は、温度が低すぎ
る場合、γ’沈殿(gamma prime precipitates)が急速に粗くなるということであり、又は
、温度がエージングを行うには高すぎる場合及び溶体化熱処理を行うには低すぎる場合、
γ’ソルバス沈殿を溶解するということである。これによりディスクのボアに過剰のエー
ジングが加わり、機械的特性が大幅に低下し、かくしてデュアル微小構造熱処理の利点を
無効にしてしまう。

米国特許第６、６１０、１１０号

従って、本発明は、上述の問題を低減する、好ましくは、解決する、超合金部品を熱処
理するための新規な方法を提供しようとするものである。

本発明によれば、超合金部品の熱処理方法において、
ａ）部品を炉に入れ、部品をγ’ソルバス温度未満の温度で溶体化熱処理し、部品に微細
粒構造を形成する工程と、
ｂ）部品を周囲温度まで冷却する工程と、
ｃ）断熱材を部品の少なくとも一つの第１の所定の領域に被せ、部品の少なくとも一つの
第２の所定の領域を断熱材なしの状態に残し、被断熱アッセンブリを形成する工程と、
ｄ）部品及び断熱材を含む被断熱アッセンブリをγ’ソルバス温度未満の温度の炉に入れ
る工程と、
ｅ）被断熱アッセンブリを所定時間に亘ってγ’ソルバス温度未満の温度に維持し、部品
を均等な温度にする工程と、
ｆ）炉の温度をγ’ソルバス温度超過の温度まで所定速度で上昇し、微細粒構造を実質的
に部品の第１領域に維持し、粗粒構造を実質的に部品の第２領域に形成し、転移粒構造を
部品の第１領域と第２領域との間の第３領域に形成する工程と、
ｇ）部品の第２領域が所定時間に亘ってγ’ソルバス温度超過にあり及び／又は部品の第
１領域が所定温度に達したとき、被断熱アッセンブリを炉から取り出す工程と、
ｈ）部品を周囲温度まで冷却する工程とを含む、方法が提供される。

好ましくは、工程（ｆ）において、所定の傾き率は毎時１１０°Ｃ乃至毎時２８０°Ｃ
である。
工程（ｆ）における所定の傾き率は毎時１１０°Ｃであってもよく、幅が３０ｍｍ乃至
８０ｍｍの第３領域を形成する。

工程（ｆ）における所定の傾き率は毎時２２０°Ｃであってもよく、幅が１５ｍｍ乃至
４０ｍｍの第３領域を形成する。
好ましくは、工程（ｈ）は、部品を毎秒０．１°Ｃ乃至毎秒５°Ｃの速度で冷却する工
程を含む。

好ましくは、ニッケルベース超合金は、コバルトを１８．５重量％、クロムを１５．０
重量％、モリブデンを５．０重量％、アルミニウムを３．０重量％、チタニウムを３．６
重量％、タンタルを２．０重量％、ハフニウムを０．５重量％、ジルコニウムを０．０６
重量％、炭素を０．０２７重量％、ホウ素を０．０１５重量％、残りをニッケル及び偶然
に入り込んだ不純物を含む。

好ましくは、部品は、タービンディスク、タービンロータ、コンプレッサディスク、タ
ービンカバープレート、コンプレッサコーン、又はコンプレッサロータを含む。
好ましくは、タービンディスク又はコンプレッサディスクは、直径が６０ｃｍ乃至７０
ｃｍであり、ハブのところでの軸線方向幅が２０ｃｍ乃至２５ｃｍであり、リムのところ
での軸線方向幅が３ｃｍ乃至７ｃｍである。

好ましくは、タービンディスク又はコンプレッサディスクは、直径が６６ｃｍであり、
ハブのところでの軸線方向幅が２３ｃｍであり、リムのところでの軸線方向幅が５ｃｍで
ある。

好ましくは、工程（ｃ）は、タービンディスク又はコンプレッサディスクの半径方向に
延びる面に断熱材を配置する工程を含み、タービンディスク又はコンプレッサディスクの
第２の所定の領域は、タービンディスク又はコンプレッサディスクのリム部分である。

好ましくは、工程（ｃ）は、ディスク状第１断熱体を、タービンディスク又はコンプレ
ッサディスクの半径方向に延びる第１面の所定の領域に配置する工程と、ディスク状第２
断熱体を、タービンディスク又はコンプレッサディスクの半径方向に延びる第２面の所定
の領域に配置する工程とを含み、ディスク状第１断熱体の直径は、タービンディスク又は
コンプレッサディスクの直径よりも小さく、ディスク状第２断熱体の直径は、タービンデ
ィスク又はコンプレッサディスクの直径よりも小さく、タービンディスク又はコンプレッ
サディスクのハブ部分は、断熱材によって覆われ、タービンディスク又はコンプレッサデ
ィスクのリム部分は断熱材によって覆われていない。

好ましくは、ディスク状第１断熱体は、直径がディスク状断熱体よりも大きく、ディス
クのＸ−Ｘ軸線に対して所定角度で配置された第３領域を提供する。
好ましくは、角度は５°乃至８０°である。好ましくは、角度は１０°乃至６０°であ
る。

別の態様では、工程（ｃ）は、環状第１断熱体をコンプレッサロータ又はコンプレッサ
コーンの第１端の所定の領域に配置する工程と、環状第２断熱体をコンプレッサロータ又
はコンプレッサコーンの第２端の所定の領域に配置する工程とを含み、コンプレッサロー
タ又はコンプレッサコーンの第１端部分は断熱材によって覆われ、コンプレッサロータ又
はコンプレッサコーンの第２端部分は断熱材によって覆われ、第１端部分と第２端部分と
の間のコンプレッサロータ又はコンプレッサコーンの一部は断熱材によって覆われていな
い。

好ましくは、断熱材はセラミック材料で形成されている。好ましくは、セラミック材料
は、アルミナ及び／又は酸化鉄を含む。
好ましくは、タービンディスク又はコンプレッサディスクのハブ内の空間に容器が設け
られており、容器には、低融点金属又は低融点合金が入っている。好ましくは、低融点金
属又は低融点合金の融点は、部品のγ’ソルバス温度よりも２０°Ｃ乃至１５０°Ｃ低い
。好ましくは、低融点金属は銅である。

本発明は、更に、微細粒構造を実質的に部品の第１領域に含み、粗粒構造を実質的に部
品の第２領域に含み、転移粒構造を部品の第１領域と第２領域との間に位置決めされた第
３領域に含む合金部品を提供する。

好ましくは、部品はタービンディスク又はコンプレッサディスクであり、ディスクは、
ハブ部分と、リム部分と、ハブ部分とリム部分とを相互連結するウェブ部分とを含み、微
細粒構造は、ディスクのハブ部分にあり、粗粒構造は、ディスクのリム部分にあり、転移
粒構造は、ディスクのウェブ部分にある。

好ましくは、転移粒構造は、ディスクの軸線に対して所定角度で配置されている。
好ましくは、ディスクは、軸線方向上流端及び軸線方向下流端を有し、転移粒構造の位
置は、ディスクの軸線方向下流端でのディスクの軸線からの半径方向距離が、ディスクの
軸線方向上流端での半径方向距離よりも大きく、転移粒構造のディスクの軸線からの距離
は、ディスクの軸線方向上流端からディスクの軸線方向下流端まで徐々に大きくなる。

好ましくは、角度は５°乃至８０°の範囲内にあり、更に好ましくは、角度は１０°乃
至６０°の範囲内にある。
本発明は、更に、合金ディスクを提供する。このディスクは、ハブ部分と、リム部分と
、ハブ部分とリム部分とを相互連結するウェブ部分とを含み、ディスクは軸線方向上流端
及び軸線方向下流端を有し、ディスクは、微細粒構造を実質的にディスクの第１領域に含
み、粗粒構造を実質的にディスクの第２領域に含み、微細粒構造は、ディスクのハブ部分
にあり、粗粒構造は、ディスクのリム部分にあり、粗粒構造は、ディスクの軸線方向第１
端で、リム部分からウェブ部分内に、ディスクの軸線方向第２端におけるよりも大きく半
径方向内方に延びており、微細粒構造は、ディスクの軸線方向第２端で、ハブ部分からウ
ェブ部分内に、ディスクの軸線方向第１端におけるよりも大きく半径方向外方に延びてい
る。

好ましくは、微細粒構造は、ディスクの軸線方向第１端からディスクの軸線方向第２端
まで、ディスクの軸線から半径方向外方に徐々に大きく延びている。
好ましくは、転移粒構造は、ディスクの第１領域と第２領域との間に位置決めされた第
３領域にあり、転移粒構造は、ディスクのウェブ部分内にある。

好ましくは、転移粒構造の位置は、ディスクの軸線方向第２端でのディスクの軸線から
の半径方向距離が、ディスクの軸線方向第１端での半径方向距離よりも大きく、転移粒構
造は、ディスクの軸線方向第１端からディスクの軸線方向第２端まで、ディスクの軸線か
ら徐々に大きく延びている。

好ましくは、ディスクは、タービンディスク又はコンプレッサディスクである。
好ましくは、ディスクは、超合金ディスク又はチタニウム合金ディスクであり、更に好
ましくは、ニッケル超合金ディスクである。

本発明は、更に、超合金ディスクの熱処理方法において、
ａ）ディスクを炉に入れ、ディスクをγ’ソルバス温度未満の温度で溶体化熱処理し、デ
ィスクに微細粒構造を形成する工程と、
ｂ）ディスクを周囲温度まで冷却する工程と、
ｃ）断熱材をディスクの少なくとも一つの第１の所定の領域に被せ、ディスクの少なくと
も一つの第２の所定の領域を断熱材なしの状態に残し、被断熱アッセンブリを形成する工
程であって、断熱材をディスクの半径方向に延びる面に配置し、これによって、ディスク
の第２の所定の領域はディスクのリムであり、ディスク状第１断熱体をディスクの半径方
向に延びる第１面の所定の領域に置く工程と、ディスク状第２断熱体をディスクの半径方
向に延びる第２面の所定の領域に置く工程とを含み、ディスク状第１断熱体の直径はディ
スクの直径よりも小さく、ディスク状第２断熱体の直径がディスクの直径よりも小さく、
ディスクのハブ部分が断熱材によって覆われ、ディスクのリム部分が断熱材によって覆わ
れていないように行われ、ディスク状第１断熱体は、直径がディスク状第２断熱体の直径
よりも大きい、工程と、
ｄ）ディスク及び断熱材を含む被断熱アッセンブリを、γ’ソルバス温度未満の温度の炉
に入れる工程と、
ｅ）被断熱アッセンブリを所定時間に亘ってγ’ソルバス温度未満の温度に維持し、ディ
スクを均等な温度にする工程と、
ｆ）炉の温度を所定の傾き率でγ’ソルバス温度超過の温度まで上昇し、微細粒構造を実
質的にディスクの第１領域内に維持し、粗粒構造を実質的にディスクの第２領域内に形成
し、転移粒構造をディスクの第１領域と第２領域との間に位置決めされた第３領域に形成
する工程であって、第３領域はディスクの軸線に対して所定角度で配置されている、工程
と、
ｇ）ディスクの第２領域が所定時間に亘ってγ’ソルバス温度超過にあり及び／又はディ
スクの第１領域が所定温度に達したとき、被断熱アッセンブリを炉から取り出す工程と、
ｈ）ディスクを周囲温度まで冷却する工程とを含む、方法を提供する。

本発明は、更に、超合金ディスクの熱処理方法において、
ａ）ディスクを炉に入れ、ディスクをγ’ソルバス温度未満の温度で溶体化熱処理し、デ
ィスクに微細粒構造を形成する工程と、
ｂ）ディスクを周囲温度まで冷却する工程と、
ｃ）低融点金属又は低融点合金が入った容器をディスクのハブ内の空間に配置する工程で
あって、断熱材をディスクの少なくとも一つの所定の第１領域に被せ、ディスクの少なく
とも一つの所定の第２領域を断熱材なしの状態に残し、被断熱アッセンブリを形成する工
程と、
ｄ）ディスク、容器、及び断熱材を含む被断熱アッセンブリをγ’ソルバス温度未満の温
度の炉に入れる工程と、
ｅ）被断熱アッセンブリを所定時間に亘ってγ’ソルバス温度未満の温度に維持し、ディ
スクを均等な温度にする工程と、
ｆ）炉の温度を所定の傾き率でγ’ソルバス温度超過の温度まで上昇し、微細粒構造を実
質的にディスクの第１領域内に維持し、粗粒構造を実質的にディスクの第２領域内に形成
し、転移粒構造をディスクの第１領域と第２領域との間に位置決めされた第３領域に形成
する工程と、
ｇ）ディスクの第２領域が所定時間に亘ってγ’ソルバス温度超過にあり及び／又はディ
スクの第１領域が所定温度に達したとき、被断熱アッセンブリを炉から取り出す工程と、
ｈ）ディスクを周囲温度まで冷却する工程とを含む、方法を提供する。

本発明は、更に、チタニウム合金部品の熱処理方法において、
ａ）部品を炉に入れ、部品をβソルバス温度未満の温度で溶体化熱処理し、部品に微細粒
構造を形成する工程と、
ｂ）部品を周囲温度まで冷却する工程と、
ｃ）断熱材を部品の少なくとも一つの所定の第１領域に被せ、部品の少なくとも一つの所
定の第２領域を断熱材なしの状態に残し、被断熱アッセンブリを形成する工程と、
ｄ）部品及び断熱材を含む被断熱アッセンブリをβソルバス温度未満の温度の炉に入れる
工程と、
ｅ）被断熱アッセンブリを所定時間に亘ってβソルバス温度未満の温度に維持し、部品を
均等な温度にする工程と、
ｆ）炉の温度を所定の傾き率でβソルバス温度超過の温度まで上昇し、微細粒構造を実質
的に部品の第１領域内に維持し、粗粒構造を実質的に部品の第２領域内に形成し、転移粒
構造を部品の第１領域と第２領域との間に位置決めされた第３領域に形成する工程と、
ｇ）部品の第２領域が所定時間に亘ってβソルバス温度超過にあり及び／又は部品の第１
領域が所定温度に達したとき、被断熱アッセンブリを炉から取り出す工程と、
ｈ）部品を周囲温度まで冷却する工程とを含む、方法を提供する。

本発明を、添付図面を参照して、例として更に詳細に説明する。

図１は、本発明に従って熱処理したタービンディスクを持つターボファンガスタービンエンジンの一部を破断した概略図である。 図２は、本発明に従って熱処理したタービンディスクの拡大断面図である。 図３は、本発明による熱処理で使用するための被断熱アッセンブリのタービンディスクの拡大図である。 図４は、本発明による熱処理で使用するための変形例の被断熱アッセンブリのタービンディスクの拡大図である。 図５は、本発明に従って熱処理したコンプレッサコーンの拡大断面図である。 図６は、本発明による熱処理で使用するための被断熱アッセンブリのコンプレッサコーンの拡大図である。 図７は、本発明による熱処理で使用するための変形例の被断熱アッセンブリのタービンディスクの拡大断面図である。

ターボファンガスタービンエンジン１０は、軸線方向流れ方向で、インテーク１２、フ
ァン区分１４、コンプレッサ区分１６、燃焼区分１８、タービン区分２０、及び排気区分
２２を含む。タービン区分２０は、コンプレッサ区分１６内の高圧コンプレッサ（図示せ
ず）をシャフト（図示せず）を介して駆動するように構成された高圧タービン２４、２６
と、コンプレッサ区分１６内の中圧コンプレッサ（図示せず）をシャフト（図示せず）を
介して駆動するように構成された中圧タービン（図示せず）と、ファン区分１４内のファ
ン（図示せず）をシャフト（図示せず）を介して駆動するように構成された低圧タービン
（図示せず）とを含む。ターボファンガスタービンエンジン１０は、全く従来通りに作動
する。

タービン区分２０の一部を図１に示す。タービン区分２０は、周方向に間隔が隔てられ
た半径方向外方に延びる複数の高圧タービンブレード２６を支持する高圧タービンディス
ク２４を含む。高圧タービンブレード２６にはモミの木状の根部(firtree roots) が設け
られており、これらの根部は、高圧タービンディスク２４のリムの対応する形状のスロッ
トに配置される。燃焼区分１８からの高温のガスを高圧タービンブレード２６に差し向け
るため、周方向に間隔が隔てられた複数のノズルガイドベーン２８が、高圧タービンブレ
ード２６の軸線方向上流に配置されている。これらのノズルガイドベーン２８は、半径方
向外端が内ケーシング３０によって支持されており、この内ケーシング３０は外ケーシン
グ３２によって取り囲まれている。

図２に更に明瞭に示す高圧タービンディスク２４は、高圧タービンディスク２４の半径
方向内端に設けられたハブ部分３６と、高圧タービンディスク２４の半径方向外端に設け
られたリム部分３８と、ハブ部分３６とリム部分３８と間で半径方向に延び且つハブ部分
３６とリム部分３８とを相互連結するウェブ部分４０とを含む。高圧タービンディスク２
４は、ニッケルベース超合金で形成されている。この例では、ニッケルベース超合金は、
コバルトを１８．５重量％、クロムを１５．０重量％、モリブデンを５．０重量％、アル
ミニウムを３．０重量％、チタニウムを３．６重量％、タンタルを２．０重量％、ハフニ
ウムを０．５重量％、ジルコニウムを０．０６重量％、炭素を０．０２７重量％、ホウ素
を０．０１５重量％、残りをニッケル及び偶然に入り込んだ不純物を含む。しかしながら
この他の適当なニッケルベース超合金を使用してもよい。高圧タービンディスク２４は、
直径が６０ｃｍ乃至７０ｃｍであり、ハブ部分３６での軸線方向幅が２０ｃｍ乃至２５ｃ
ｍであり、リム部分３８での軸線方向幅が３ｃｍ乃至７ｃｍであり、詳細には、高圧ター
ビンディスク２４は、直径が６６ｃｍであり、ハブ部分３６での軸線方向幅が２３ｃｍで
あり、リム部分３８での軸線方向幅が５ｃｍである。

図２は、熱処理を施した状態の高圧タービンディスク２４を示す。高圧タービンディス
ク２４のハブ部分３６には、サブソルバス溶体化熱処理、例えばγ’ソルバス温度未満で
溶体化熱処理が施されており、微細粒構造４２を有する。高圧タービンディスク２４のリ
ム部分３８には、スーパーソルバス溶体化熱処理、例えばγ’ソルバス温度超過で溶体化
熱処理が施されており、粗粒構造４４を有する。ウェブ部分４０は、ハブ部分３６と隣接
して微細粒構造４２を持ち、リム部分３８と隣接して粗粒構造４４を持つが、更に、微細
粒構造４２と粗粒構造４４との間の所定の位置に転移粒構造４６を有する。

この例では、転移粒構造４６即ち微細粒構造４２から粗粒構造４４までの転移部は、高
圧タービンディスク２４のＸ−Ｘ軸線に対して所定角度で配置されている、即ち、Ｘ−Ｘ
軸線からの転移粒構造４６の位置は、高圧タービンディスク２４の軸線方向下流端２４Ｂ
での半径方向距離が、高圧タービンディスク２４の軸線方向上流端２４Ａでの半径方向距
離よりも大きく、転移粒構造４６は、Ｘ−Ｘ軸線からの距離が、軸線方向上流端２４Ａか
ら軸線方向下流端２４Ｂまで徐々に大きくなるということに着目されたい。この角度は、
５°乃至８０°の範囲内にあり、更に好ましくは、この角度は、１０°乃至６０°の範囲
内にある。

このように転移粒構造４６が角度をなしていることは、高圧タービンディスク２４に対
して有利である。これは、使用中、高圧タービンディスク２４に、半径方向温度勾配に加
えて軸線方向温度勾配が加わるためである。例えば、高圧タービンディスク２４の軸線方
向上流端２４Ａ上でＸ−Ｘ軸線から所定の半径方向距離のところにある点は、高圧タービ
ンディスク２４の軸線方向下流端２４Ｂ上でＸ−Ｘ軸線から同じ半径方向距離のところに
ある点よりも高温である。転移粒構造４６が角度をなしていることは、高圧タービンディ
スク２４の機械的特性及び微小構造における要件に対して良好に適合する。高圧タービン
ディスク２４の軸線方向上流端２４Ａには比較的高い作動温度が加わり、従って、高温ク
リープ及び保圧疲労亀裂成長に対する抵抗が大きい微小構造が形成され、従って粗粒構造
４４を有する。高圧タービンディスク２４の軸線方向下流端２４Ｂには比較的低い作動温
度が加わり、従って、低サイクル疲労に対する抵抗が大きく、引張強さが良好な微小構造
が形成される。その結果、角度をなした転移粒構造４６では、粗粒構造４４が、軸線方向
上流端２４Ａで、リム部分３８からウェブ部分４０内に半径方向内方に、軸線方向下流端
２４Ｂにおけるよりも大きい距離だけ延びており、逆に、微細粒構造４２は、軸線方向下
流端２４Ｂで、ハブ部分３６からウェブ部分４０内に半径方向外方に、軸線方向上流端２
４Ａにおけるよりも大きい距離だけ延びている。

転移粒構造４６は、微細粒構造４２の粒径と粗粒構造４４の粒径との間の粒径を持つ結
晶粒構造（結晶粒組織）を含む。転移粒構造４６は、トリモーダルγ’分布を含み、γ’
の三つの集団の各々の相対的な体積分率は、微細粒構造４２で見られるのとは異なる。詳
細には、転移粒構造４６では、第一γ’の体積分率は、Ｘ−Ｘ軸線からの半径方向距離の
増大に従って減少し、これと関連して、第二γ’及び第三γ’の両方の体積分率が増大す
る。

ニッケル超合金タービンディスク２４の本発明による熱処理方法を図３を参照して例示
する。この熱処理方法は、タービンディスク２４を炉に入れ、γ’ソルバス温度未満の温
度でタービンディスク２４に溶体化熱処理を行い、微細粒構造４２をタービンディスク２
４内に発生する。次いで、当業者に周知の任意の適当な方法を使用してタービンディスク
２４を周囲温度まで冷却する。

次に、断熱材５２、５４を、タービンディスク２４の少なくとも一つの第１の所定の領
域即ちハブ部分３６及びウェブ部分４０に被せるが、タービンディスク２４の少なくとも
一つの第２の所定の領域即ちリム部分３８を断熱材が被せられていない状態にし、被断熱
アッセンブリ５０を形成する。断熱材５２、５４は、タービンディスク２４の軸線方向上
流端２４Ａ及び軸線方向上流端２４Ｂの夫々の半径方向に延びる面２４Ｃ及び２４Ｄに配
置される。タービンディスク２４の第２の所定の領域は、タービンディスク２４のリム部
分３８である。詳細には、ディスク状第１断熱体５２は、タービンディスク２４の半径方
向に延びる第１面２４Ｄの所定の領域に配置され、ディスク状第２断熱体５４は、タービ
ンディスク２４の半径方向に延びる第２面２４Ｃの所定の領域に配置される。ディスク状
第１断熱体５２の直径は、タービンディスク２４の直径よりも小さく、ディスク状第２断
熱体５４の直径は、タービンディスク２４の直径よりも小さく、タービンディスク２４の
ハブ部分３６及びウェブ部分４０は、断熱材によって覆われ、タービンディスク２４のリ
ム部分３８は断熱材によって覆われていない。

任意の適当な断熱材を使用してもよいが、好ましくは、断熱材は、セラミック材料、例
えばアルミナ及び／又は酸化鉄を含む。断熱材は、断熱性に優れており且つ耐熱衝撃性に
優れたセラミックを含む。セラミック断熱材は容易に所望の形状に形成され、例えば、セ
ラミックは所要形状に合わせて容易に鋳造できる。セラミック断熱材は再使用可能である
。別の態様では、断熱材は金属フォーム（金属発泡体）又は複合材料で形成されていても
よい。断熱材とタービンディスク２４との間に隙間が設けられていてもよく、この隙間は
、追加の断熱性を提供するため、空気、緩いファイバ耐火物又はファイバ耐火物ブランケ
ットを含んでいてもよい。

タービンディスク２４の被断熱アッセンブリ５０及び断熱材５２、５４を、γ’ソルバ
ス温度未満の温度の炉に入れる。炉内の温度及び従って被断熱アッセンブリ５０の温度を
、所定時間に亘って、γ’ソルバス温度未満の温度に維持し、タービンディスク２４を均
等な温度にする。

次いで、炉の温度を所定速度でγ’ソルバス温度超過の所定温度まで上昇し、実質的に
タービンディスク２４の第１領域Ａに微細粒構造４２を維持し、粗粒構造４４を実質的に
タービンディスク２４の第２領域Ｂに形成し、タービンディスク２４の第１領域Ａと第２
領域Ｂとの間に位置決めされた第３領域Ｃに転移粒構造４６を形成する。

タービンディスク２４の第２領域Ｂが所定時間に亘ってγ’ソルバス温度超過にあり及
び／又はタービンディスク２４の第１領域Ａが所定温度に達したとき、断熱アッセンブリ
５０を炉から取り出す。本発明の別の利点は、断熱材５２、５４、即ちディスク状断熱体
を、急冷前に手早く取り外すことができ、タービンディスク２４又はコンプレッサディス
ク等で所望の特性を得るために急冷を遅滞させることがないということである。

最後に、当業者に周知の任意の適当な方法を使用してタービンディスク２４を周囲温度
まで冷却する。
所定の傾き率(ramp rate)が転移粒構造４６の位置及び幅を制御する。傾き率が大きけ
れば大きい程、ハブ部分３６からリム部分３８までのタービンディスク２４の半径方向温
度勾配が大きくなり、従って、転移粒構造４６の幅が狭くなる。逆に、傾き率が小さけれ
ば小さい程、ハブ部分３６からリム部分３８までのタービンディスク２４の半径方向温度
勾配が小さくなり、従って、転移粒構造４６の幅が広くなる。粒度と、第一γ’粒度と、
体積分率は、第３領域Ｃで大幅に変化し、これらが第２領域Ｂの粗粒構造４４の特性に近
いように、又は、第１領域Ａの微細粒構造４２の特性に近いように、機械的特性を最適化
するように微細構造／ナノ構造を最適化できる。

所定の傾き率は、毎時１１０°Ｃ（２００°Ｆ）乃至毎時２８０°Ｃ（５００°Ｆ）で
ある。所定の傾き率が毎時１１０°Ｃである場合には、超合金の化学的性質に応じて、幅
が３０ｍｍ乃至８０ｍｍの第３領域Ｃが形成される。所定の傾き率が毎時２２０°Ｃ（４
００°Ｆ）である場合には、幅が１５ｍｍ乃至４０ｍｍの第３領域Ｃが形成される。

冷却、急冷、媒体、及び流量を選択することによって、第３領域Ｃでの転移粒構造４６
についての冷却速度を注意深く制御する。圧縮空気による冷却は、タービンディスク２４
での位置に従って容易に変化する。冷却速度は、機械的特性に影響を直接的に及ぼす。引
張強度特性を改善するには比較的高い冷却速度を使用するのに対し、疲労亀裂伝播抵抗を
改善するには比較的低い冷却速度を使用する。タービンディスク２４の冷却は、毎秒０．
１°Ｃ乃至毎秒５°Ｃの速度で行われる。

第１及び第２のディスク状断熱体５２及び５４は直径が同じであり、従って、第３領域
Ｃはエンジンの軸線Ｘ−Ｘとほぼ平行である。
ニッケル超合金タービンディスク２４を熱処理するための本発明による別の方法を図４
を参照して例示する。この方法は、図３を参照して説明したのと実質的に同じであるが、
ディスク状第１断熱体５２Ｂの直径が、ディスク状第２断熱体５４Ｂよりも大きく、第３
領域Ｃは、タービンディスク２４の軸線Ｘ−Ｘに対し、図２に示すように、所定の角度を
なして配置される。ディスク状第１断熱体５２Ｂの直径は、タービンディスク２４の直径
よりも小さく、ディスク状第２断熱体５４Ｂの直径は、タービンディスク２４の直径より
も小さく、そのため、タービンディスク２４のハブ部分３６及びウェブ部分４０は断熱材
によって覆われ、タービンディスク２４のリム部分３８は断熱材によって覆われない。

本発明は、更に、ガスタービンエンジンの中圧タービンディスク及び低圧タービンディ
スクにも適用できる。
ニッケル超合金コンプレッサコーン６０を熱処理するための本発明による別の方法を図
５及び図６を参照して例示する。コンプレッサコーン６０を炉に入れ、γ’ソルバス温度
未満で溶体化熱処理を行い、コンプレッサコーン６０に微細粒構造７２を形成する。次い
で、コンプレッサコーン６０を任意の適当な方法で周囲温度まで冷却する。

この方法は、環状第１断熱体６８をコンプレッサコーン６０の第１端６２の所定の領域
に配置する工程と、環状第２断熱体７０をコンプレッサコーン６０の第２端６４の所定の
領域に配置する工程とを含み、これらの工程は、コンプレッサコーン６０の第１端部分を
断熱材で覆い、コンプレッサコーン６０の第２端部分を断熱材で覆い、第１端部分と第２
端部分との間のコンプレッサコーン６０の一部を断熱材によって覆わないことによって行
われる。環状第１断熱体６８及び環状第２断熱体７０は、第１端６２と第２端６４の夫々
を受け入れる環状溝を有する。

コンプレッサコーン６０及び第１及び第２の断熱体６８及び７０のアッセンブリ全体を
、γ’ソルバス温度未満の温度の炉に入れる。
炉の温度を所定速度でγ’ソルバス温度超過に上昇し、微細粒構造７２を、実質的にコ
ンプレッサコーン６０の第１領域Ｄに維持し、粗粒構造７４を、実質的にコンプレッサコ
ーン６０の第２領域Ｅに形成し、転移粒構造７６を、コンプレッサコーン６０の第１領域
Ｄと第２領域Ｅとの間の第３領域Ｆに形成する。

これにより、低サイクル疲労寿命を最適化し、接合、溶接、例えばイナーシャ溶接（慣
性溶接）を可能にするため、クリープ特性を必要とする比較的高温の領域に粗粒構造７４
が形成され、端領域に微細粒構造が形成された高圧コンプレッサコーン６０を製造できる
。端領域で微細粒構造を使用することは、微細粒構造材料の溶接が粗粒構造材料の溶接と
比較して容易であり、特に、結果的に形成された微小構造が、接合後の微細粒イナーシャ
溶接部と余り異ならないため、望ましい。

ニッケル超合金タービンディスクを熱処理するための本発明による別の方法を図７に示
す。この熱処理方法は、図３又は図４を参照して説明した熱処理方法と実質的に同じであ
るが、タービンディスク２４のハブ部分３６内の空間に容器８０が設けられているという
点が異なっている。容器８０には低融点金属又は低融点合金８２が入っている。容器８０
は、収容した金属と同じ又は同様の金属又は合金で形成されているか或いは、合金、例え
ばタービンディスク２４のニッケルベース超合金で形成されている。低融点金属又は低融
点合金８２の融点は、γ’ソルバス温度よりも２０°Ｃ乃至１５０°Ｃ低い。低融点金属
は、例えば銅であり、その融点は１０８４°Ｃである。容器８０は、熱流に対して最適の
経路を提供するため、タービンディスク２４と熱的に接触した状態に配置される。従って
、熱膨張率を適合することが重要である。低融点金属又は低融点合金が入った容器８０は
、再使用可能である。

熱処理中、低融点金属又は低融点合金は溶融し、固体から液体に変化し、低融点金属又
は低融点合金が状態を変化するために低融点金属又は低融点合金に、余分の熱即ち融合エ
ンタルピーを提供しなければならない。

熱処理は、タービンディスク２４のハブ部分３６をγ’ソルバス温度未満の温度に維持
するように、理想的には、サブソルバス溶体化温度未満の狭い範囲内で行われる。従って
、低融点金属又は低融点合金は、熱処理を受けるタービンディスク２４のγ’ソルバス温
度より低い所定温度で固体から液体への相変化により更に多くの熱エネルギを吸収するこ
とによって、タービンディスク２４のハブ部分３６を冷却するように作用するのが有利で
ある。低融点金属又は低融点合金の存在により、タービンディスク２４は更に長い期間に
亘って炉中にとどまることができ、例えば、プロセスウィンドウ(processing window)を
大きくできる。容器８０及び低融点金属又は低融点合金は、ハブ部分３６とリム部分３８
との間のタービンディスク２４の温度勾配を増大し、従って、転移粒構造４６の幅を減少
する。

断熱材で覆われていない部品（例えば、ディスクのリム）の第２の所定領域に流入する
熱の量を制御するため、熱処理前に、その部品の第２の所定領域に高放射率コーティング
又は他の適当なコーティングを付着してもよい。コーティングは、部品に流入する熱の量
を増大し、又は減少することができる。

本発明をタービンディスク及びコンプレッサコーンを参照して説明したが、コンプレッ
サディスク、コンプレッサロータ、タービンロータ、タービンカバープレート、又はロー
タインターシールにも同様に適用可能である。コンプレッサディスクの場合には、転移粒
構造、即ち微細粒構造から粗粒構造への転移部を、コンプレッサディスクの軸線に対して
所定角度で配置してもよく、又は転移粒構造の位置を、軸線からの半径方向距離が、コン
プレッサディスクの軸線方向上流端で、コンプレッサディスクの軸線方向下流端における
よりも大きくし、転移粒構造は、軸線方向上流端から軸線方向下流端にいくにつれて軸線
からの距離が徐々に大きくなる。この角度は、５°乃至８０°であり、更に好ましくは、
１０°乃至６０°である。これは、コンプレッサディスクの下流端の温度が、コンプレッ
サディスクの上流端よりも高いためである。

本発明による熱処理は、二つ又はそれ以上の合金を含むタービンディスクにも適用でき
る。これらの合金は、タービンディスクの様々な位置に、例えば様々な半径方向位置に最
適の特性を与えるように選択される。これらの二つ又はそれ以上の合金は、一般的には、
リング状に形成された後、好ましくは、互いに接合即ち結合される。二つ又はそれ以上の
合金は、γ’ソルバス温度が異なる。その場合、タービンディスクのリム部分を断熱材で
包囲し、タービンディスクのハブ部分を露呈してもよい。

ニッケルベース超合金の代表的なγ’ソルバス温度は、１１２０°Ｃ乃至１１９０°Ｃ
である。炉を、溶体化熱処理温度、即ちニッケルベース超合金のγ’ソルバス温度未満の
第１の所定温度、例えばγ’ソルバス温度よりも１５°Ｃ乃至３５°Ｃ低い温度まで加熱
し、部品、例えばタービンディスク全体に亘って微細粒構造を形成する。被断熱アッセン
ブリを溶体化熱処理温度未満の第２の所定温度まで加熱し、部品全体に亘って温度を均等
にする。被断熱アッセンブリをγ’ソルバス温度超過の第３の所定温度まで加熱する。こ
の温度は、ニッケルベース超合金のカーバイド相及び／又はボライド相の溶解を阻止する
のに十分に低い。転移粒領域は、ほんの限られた時間に亘ってγ’ソルバス温度超過の所
定温度にある。

ニッケル超合金を参照して本発明を説明したが、本発明は、他の合金、例えばコバルト
超合金及びチタニウム合金の熱処理にも適用できる。近αチタニウム合金の場合、γ’ソ
ルバス温度に関して熱処理する代わりに、βソルバス温度に関して熱処理を行う。

熱処理を最適化するため、熱処理プロセスのコンピュータモデル又は計算モデルを提供
できる。コンピュータモデルは、所望の過渡的加熱曲線又は熱勾配を得るため、断熱部材
、熱質量、変態の潜熱を最適化することによって、熱束又は熱処理を最適化するのに使用
してもよい。

１０ ターボファンガスタービンエンジン
１２ インテーク
１４ ファン区分
１６ コンプレッサ区分
１８ 燃焼区分
２０ タービン
２２ 排気区分
２４ 高圧タービンディスク
２６ 高圧タービンブレード
２８ ノズルガイドベーン
３０ 内ケーシング
３２ 外ケーシング
３６ ハブ部分
３８ リム部分
４０ ウェブ部分
４２ 微細粒構造
４４ 粗粒構造
４６ 転移粒構造
５０ 被断熱アッセンブリ
５２ ディスク状第１断熱体
５４ ディスク状第２断熱体
６０ コンプレッサコーン

Claims (5)

1. タービンディスク又はコンプレッサディスクである合金製のディスク部品（２４）であって、
   ハブ部分（３６）と、リム部分（３８）と、前記ハブ部分と前記リム部分とを相互連結するウェブ部分（４０）と、を含み、
   前記ディスク部品は、前記ハブ部分に微細粒構造（４２）を、前記リム部分に粗粒構造（４４）を、前記ウェブ部分に転移粒構造（４６）を有し、
   前記転移粒構造は、前記ディスク部品の軸線（Ｘ−Ｘ）に対して所定角度で傾いて配置されている、合金製のディスク部品。
2. 請求項１に記載の合金製のディスク部品において、
   前記ディスク部品は、軸線方向上流端（２４Ａ）及び軸線方向下流端（２４Ｂ）を有し、
   前記転移粒構造の位置は、前記軸線方向下流端での前記軸線からの半径方向距離が、前記軸線方向上流端での半径方向距離よりも大きく、
   前記転移粒構造の前記軸線からの距離は、前記軸線方向上流端から前記軸線方向下流端まで徐々に大きくなる、合金製のディスク部品。
3. 請求項１に記載の合金製のディスク部品において、
   前記角度は、５°乃至８０°の範囲内にある、合金製のディスク部品。
4. 請求項３に記載の合金製のディスク部品において、
   前記角度は、１０°乃至６０°の範囲内にある、合金製のディスク部品。
5. 請求項１乃至４のうちのいずれか一項に記載の合金製のディスク部品において、
   前記ディスク部品は、超合金又はチタニウム合金から形成されている、合金製のディスク部品。

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