JP6711598B2 - ナノ構造化フェライト合金構成部品及び関連物品 - Google Patents

Description

本開示は、ナノ構造化フェライト合金（ＮＦＡ）構成部品に関し、より詳細には、ＮＦＡを含む溶接可能構成部品並びにその溶接物品に関する。

高出力ガスタービン及びジェットエンジンなどのターボ機械は過酷な環境で作動し、タービン構成部品、特にタービン高温セクションにおける構成部品は、高い作動温度に曝される。必然的に、タービン構成部品は、これらの過酷な条件に耐えることのできる材料から製造される。

超合金は、融解温度の９０％まで強度を維持し耐環境性が優れているので、これらの厳しい用途で使用されている。高出力タービン構成部品にて使用されるニッケル基超合金は、所望の機械的特性を得るために特別な加工ステップを必要とする。一部の低温及び低応力用途においては、タービン構成部品に鋼鉄を用いることができる。しかしながら、ガスタービン性能を向上させた設計では、更に高い温度性能を備えた合金が必要とされる。ナノ構造化フェライト合金（ＮＦＡ）は、非常に優れた高い温度性能を示す新しい種類の鉄系合金である。これらの特性は通常、少なくとも１つには、機械的合金化ステップ後の高温圧密中に合金マトリックス内に析出されるナノメートルサイズの酸化物粒子状物質又はクラスターに由来する。これらの酸化物粒子状物質又はクラスターは、高温にて依然として存在し、供用中に安定した強い微細構造を提供する。

従来の鋼鉄又は超合金から作られたロータ及びシャフトなどのタービン構成部品は、通常、互いに接合されて組立体を形成する。接合は一般に、ボルト締結か又は溶接により実施される。ボルト孔をあけることにより、材料の低減及びロータ内の主要な応力集中領域の排除が可能となる。他の接合プロセスと比べて、従来の溶接は、比較的簡単で安価なプロセスである。更に、溶接は一般に、強固な接合を形成するのに用いることができると同時に、ボルト締結の場合と比べて所要のフランジ高さを低く、ロータの質量を低減することができる。しかしながら、ＮＦＡ構成部品は、以下でより詳細に説明するように、微細構造及び機械的特性を維持しながら従来の方法で溶接することはできない。

従って、作動温度にてＮＦＡの機械的特性を犠牲にすることなく、他の構成部品に溶接することができるＮＦＡ構成部品（例えば、ターボ機械用の構成部品）を有することが望ましい。

一部の実施形態において、物品が提示される。物品は、ベース部及びフランジ部を有する第１の構成部品を含む。フランジ部は、ベース部の面に垂直に外向きに突出しており、固体状態の接合部によりベース部に接合される。ベース部は、ナノ構造化フェライト合金を含み、フランジ部は、酸化物ナノ特徴要素を実質的に含まない鋼鉄を含む。一部の実施形態において、物品は、溶接接合部により第１の構成部品のフランジ部と接合される第２の構成部品を含む。

一部の実施形態において、物品は、内周面から外周面まで延びる円形ベース部を有する第１の構成部品を含む。第１の構成部品は更に、円形のベースと同心の円形のフランジ部を含み、該フランジ部は、円形ベース部の内周面と外周面との間の面に垂直に外向きに突出し、固体状態の接合部により円形のベース部に接合される。円形ベース部は、ナノ構造化フェライト合金を含み、円形フランジ部が酸化物ナノ特徴要素を実質的に含まない鋼鉄を含む。一部の実施形態において、物品は、ターボ機械構成部品を含む。

本発明のこれら及び他の特徴、態様、並びに利点は、図面全体を通じて同様の参照符号が同様の要素を示す添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むと更に理解できるであろう。

本発明の１つの実施形態による第１の構成部品の斜視図。 本発明の１つの実施形態による物品の斜視図。 本発明の別の実施形態による物品の斜視図。 本発明の１つの実施形態による第１の構成部品を製造する工程ステップ図。 本発明の１つの実施形態によるタービンホイールの概略図。

以下で詳細に検討するように、本発明の一部の実施形態は、従来の方式で溶接することができるナノ構造化フェライト合金（ＮＦＡ）を含む第１の構成部品を備えた物品を提供する。本発明の実施形態によれば、第１の構成部品は、ベース部とフランジ部を含む。フランジ部は、ベース部の面に垂直に外向きに突出しており、固体状態の接合部によりベース部に接合される。ベース部は、ナノ構造化フェライト合金（ＮＦＡ）を含み、フランジ部は、酸化物ナノ特徴要素が実質的に含まれていない鋼鉄を含む。第１の構成部品のフランジ部は、ＮＦＡベース部の微細構造に影響を及ぼすことなく従来の溶接処理により第１の構成部品を別の構成部品に接合できる溶接可能部分である。本発明の実施形態は、１又は複数の他の構成部品に安価に接合できる溶接可能構成部品、及び溶接可能ＮＦＡ構成部品を含むコスト効果のある物品又は組立体を提供する。

本明細書で使用される「フランジ部」又は「フランジ」は、構成部品と別の構成部品との組み付けを容易にし且つ構成部品の構造的剛性を高めることができる、表面から外面的に隆起したリッジ、リップ、又は他の突出部を指す。

本明細書では、ガスタービン及び蒸気タービンの構成部品のようなターボ機械構成部品と同時に、特定の用途が記載される。しかしながら、本明細書で開示される本発明の構成部品、物品及び方法はまた、例えば、オイル及びガス生産及び抽出用途など、他の様々な用途及び産業にも適用可能である点を理解されたい。

特に規定のない限り、本明細書において用いられる技術的及び科学的用語は、本開示が帰属する技術の当業者によって一般に理解される意味と同じ意味を有する。用語「備える」、「含む」、及び「有する」は、包括的なものであり、記載した要素以外の付加的な要素が存在し得ることを意味する。本明細書で使用される用語「第１」、「第２」及び同様のものは、順序、数量、又は重要度を示すものではなく、むしろある要素を別の要素と区別するために使用される。また、「１つの」といった用語は、数量の限定を表しておらず、言及された品目の少なくとも１つが存在することを表しており、用語「含まれない」及び「実質的に含まれない」は、ある用語と組み合わせて用いることができ、僅かな数又は微量を含むことができるが、それでも尚、修飾された用語が含まれていないものと見なされる。

範囲が開示された場合、同じ構成部品又は特性に関する全ての範囲の端点は、包含され、独立して組み合わせ可能である（例えば、「最大で約２５重量パーセント、又はより具体的には約５重量パーセントから約２０重量パーセントの範囲」は、端点と、「約５重量パーセントから約２０重量パーセント」の範囲の全ての中間の値を含む）。数量に関して使用する「約」という修飾語は、記載の数値を包含しており、前後関係によって決まる意味を有する（例えば、特定の数量の測定値に付随するある程度の誤差を含む）。

図１は、第１の構成部品１０の斜視図を示す。例示の実施形態において、第１の構成部品１０は、ベース部１２とフランジ部１６とを含む。フランジ部１６は、ベース部１２の表面１４に垂直に外向きに突出しており、固体状態の接合部１８によりベース部１２に接合される。ベース部１２は、ナノ構造化フェライト合金（ＮＦＡ）を含む。フランジ部１６は、酸化物ナノ特徴要素が実質的に含まれていない鋼鉄を含む。１つの実施形態において、ベース部１２は、ナノ構造化フェライト合金から構成され、フランジ部１６は、酸化物ナノ特徴要素が実質的に含まれていない鋼鉄から構成される。

ナノ構造化フェライト合金（ＮＦＡ）は、超高密度（例えば、少なくとも１０^１８ｍ^−３）のナノメートル（ｎｍ）スケールの酸化物ナノ特徴要素によって分散強化された合金鋼マトリックスを含む合金の一種である。酸化物ナノ特徴要素は通常、酸化チタン（Ｔｉ−Ｏ）と、ＮＦＡ又は合金マトリックスを調製するのに使用される酸化物からの少なくとも１つの他の金属元素とを含む。ＮＦＡを調製するために、例えば、酸化イットリウム、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウムを用いることができ、この場合、ナノ特徴要素は、上述のチタンに加えて、イットリウム（Ｙ）、アルミニウム（Ａｌ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、又はこれらの組み合わせを含むことができる。ナノ特徴要素の生成に、合金鋼マトリックスからの鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、マンガン（Ｍｎ）、ケイ素（Ｓｉ）、ニオブ（Ｎｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、又はタンタル（Ｔａ）などの他の金属も加えることができる。

本明細書で使用される場合、用語「ナノ特徴要素」は、サイズが約２０ナノメートルよりも小さい最大寸法を有する物質の粒子を意味する。ＮＦＡのナノ特徴要素は、例えば、球状、立方体状、レンズ状、及び他の形状を含むあらゆる形状を有することができる。本明細書で使用される酸化物ナノ特徴要素は通常、そのままのＮＦＡの形態で形成される。出発酸化物は、加工中に合金鋼マトリックスに分解される。高温圧密化中、ナノメートルサイズの酸化物を含む新規の相が析出され（すなわち、酸化物ナノ特徴要素）、機械的特性の強化がもたらされる。一部の実施形態において、ナノ特徴要素の平均サイズは、約１ナノメートル〜約２０ナノメートルの範囲である。場合によっては、ナノ特徴要素の平均サイズは、約１ナノメートル〜約１０ナノメートルの範囲である。場合によっては、ナノ特徴要素の密度は、少なくとも約約１０^２０ｍ^−３、特定の事例では、少なくとも約約１０^２２ｍ^−３である。

対照的に、従来の酸化物分散強化（ＯＤＳ）合金は一般に、微細であるが大型の酸化物相を含み、粉末冶金プロセス全体を通じて酸化物添加剤が安定しており、すなわち、酸化イットリウムがマトリックス合金に添加された場合には、合金化ステップ後にイットリウム酸化物が存在し、上述のナノ特徴要素（ＮＦ）の有意な形成が存在しないことになる。ＮＦＡにおいて、添加された酸化物の少なくとも大部分、場合によっては実質的に全てが、粉末摩砕中に合金マトリックスに分解され、粉末が圧密プロセス（例えば、熱間等静圧圧縮成形（ＨＩＰ））中の温度まで上昇したときに前述のナノ特徴要素の形成に加えられる。上述のように、ＮＦＡ中の新規の酸化物は、ベース合金並びに初期酸化物添加の１又は複数の金属元素中に存在する１又はそれ以上の遷移金属を含むことができる。

１つの実施形態において、ナノ構造化フェライト合金（ＮＦＡ）は、フェライト系ステンレス鋼と同等の組成を有する鋼マトリックス相を含む。他の特定の実施形態において、マルテンサイト、二相、オーステナイトのステンレス鋼又は析出硬化鋼もまた、可能性のあるマトリックス組成である。鋼マトリックス相の性質は、ある程度まで、結果として得られるＮＦＡの耐環境性及び材料延性に影響を及ぼす可能性がある。

１つの実施形態において、ＮＦＡはクロムを含む。クロムは、耐酸化性を確保するために重要なものとすることができ、従って、少なくとも約５重量パーセントの量、及び一部の実施形態においては少なくとも約９重量パーセントの量をＮＦＡ中に含めることができる。最大で約３０重量パーセント及び一部の実施形態においては最大で約２０重量パーセントの量を含めることができる。有利には、ＮＦＡベースではクロム及び鉄の両方は、特に一部の実施形態においてＮＦＡに取って代わる場合があるニッケル系超合金と比較して、比較的低コストで容易に利用可能である。

一部の実施形態において、ＮＦＡはモリブデンを含む。最大で約１０重量パーセントの量を含むことができる。場合によっては、モリブデンの量は、約３重量パーセント〜約１０重量パーセントの範囲である。他の場合には、モリブデンの量は、約１重量パーセント〜約５重量パーセントの範囲である。

ＮＦＡは更に、チタンを含むことができる。チタンは析出酸化物の形態で加えることができ、よって、望ましくは、約０．１重量パーセント〜約２重量パーセント、及び場合によっては約０．１重量パーセント〜約１．０重量パーセント、及び特定の場合には約０．１重量パーセント〜約０．８重量パーセントのチタンの量がＮＦＡに含まれる。

１又は複数のナノ特徴要素の組成は、１つには、ＮＦＡを調製するのに利用される酸化物によって決まる。一般に、本明細書で記載されるＮＦＡは、少なくとも約０．１重量％の酸素を含む。合金中に存在する酸素の量は、１つには、結果として得られる合金中に存在するナノ特徴要素のタイプ及び濃度を決定付ける。一部の実施形態において、酸素含有量は約０．１％〜約０．５％の範囲、特定の実施形態において、この範囲は約０．１％〜約０．３％であり、ここで全てのパーセンテージは合金の総重量による。

第１の構成部品１０のベース部１２の形成で使用するのに好適な１つの例示的なＮＦＡは、約５重量パーセント〜約３０重量パーセントのクロム、約０．１重量パーセント〜約２重量パーセントのチタン、約０重量パーセント〜約１０重量パーセントのモリブデン、約０重量パーセント〜約５重量パーセントのタングステン、約０重量パーセント〜約５重量パーセントのマンガン、約０重量パーセント〜約３重量パーセントのケイ素、約０重量パーセント〜約２重量パーセントのニオブ、約０重量パーセント〜約２重量パーセントのアルミニウム、約０重量パーセント〜約８重量パーセントのニッケル、約０重量パーセント〜約２重量パーセントのタンタル、約０重量パーセント〜約０．５重量パーセントの炭素、及び約０重量パーセント〜約０．５重量パーセントの窒素を含み、並びに残部が鉄及び不可避的不純物であり、チタン、酸素、及びＮＦＡの析出中に添加される酸化物又は合金マトリックスに由来する少なくとも１つの元素を有する、数密度が少なくとも約１０^１８ｍ^−３のナノ特徴要素を含む。

他の実施形態では、ＮＦＡは、約９重量パーセント〜約２０重量パーセントのクロム、約０．１重量パーセント〜約１重量パーセントのチタン、 約０重量パーセント〜約１０重量パーセントのモリブデン、約０重量パーセント〜約４重量パーセントのタングステン、約０重量パーセント〜約２．５重量パーセントのマンガン、約０重量パーセント〜約１重量パーセントのケイ素、約０重量パーセント〜約１重量パーセントのニオブ、約０重量パーセント〜約１重量パーセントのアルミニウム、約０重量パーセント〜約４重量パーセントのニッケル、約０重量パーセント〜約１重量パーセントのタンタル、約０重量パーセント〜約０．１重量パーセントの炭素、及び約０重量パーセント〜約０．２重量パーセントの窒素を含み、並びに残部が鉄及び不可避的不純物であり、チタン、酸素、及びＮＦＡの析出中に添加される酸化物又は合金マトリックスに由来する少なくとも１つの元素を有する、数密度が少なくとも約１０^２０ｍ^−３のナノ特徴要素を含む。

その上、例えばオイル及びガス生産及び抽出用途に関連するようなサワー及び酸性環境などの作動環境に応じて、耐食性構成部品及び／又は物品を有することが望ましいとすることができる。腐食は通常、表面に生じる現象であるので、多くの場合、外表面の特性は、ベース部１２の耐食性を決定付ける極めて重要な特性である。多くの環境におけるナノ構造化フェライト合金の耐食性は、一般に、合金マトリックス内に分解したモリブデン及びクロムの濃度に比例する。しかしながら、合金中のこれらの元素の濃度が増大するほど、合金化学の熱力学的特性は、益々、モリブデン及びクロム中で過濃となるχ相及びσ相などの金属間相の形成に有利に働く。これらの相が形成されると、マトリックスからモリブデン及びクロムが取り除かれ、これら望ましい元素が金属間相化合物中に隔離されて、これら元素が溶液中に残された場合に比べて耐食性が実質的に低い減損マトリックスが残されることになる。

従って、第１の構成部品１０のベース部１２は、２０１４年７月１８日に出願された米国特許出願シリアル番号第１４／３３４７４２号に記載される耐食性ナノ構造化フェライト合金（ＮＦＡ）を含む外表面を提供するよう設計することができる。一部の実施形態において、外表面、例えば表面１４において、合金マトリックスは、約５重量パーセント〜約３０重量パーセントのクロム及び約５重量パーセント〜約３０重量パーセントのモリブデンを含む。更に、外表面でのχ相又はσ相の濃度は、約５体積％未満である。その上、更に一部の実施形態において、ベース部１２の外表面は、マトリックス内で分解された、高レベルの、多くの場合、熱力学的平衡において期待されるであろう溶解限度を超えるレベルのモリブデン及びクロムを維持している。

上述のように、フランジ部１６は、酸化物ナノ特徴要素が実質的に含まれない鋼鉄を含む。一部の実施形態において、フランジ部１６は、ナノ構造化フェライト合金（ＮＦＡ）と異なる鋼鉄又は合金鋼（「非ＮＦＡ鋼」と呼ぶこともできる）を含む。１つの実施形態において、フランジ部１６は、例えば、従来の鋼鉄など、非ＮＦＡ鋼から形成される。一部の実施例は、マルテンサイト鋼、フェライト鋼、オーステナイト鋼、二相鋼、及び析出硬化鋼を含む。

その上、ベース部１２のＮＦＡのマトリックス組成及びフランジ部１６の非ＮＦＡ鋼は、同じ又は異なる合金鋼組成を含むことができる。一部の実施形態において、ベース部１２のＮＦＡのマトリックスは、フェライト鋼組成を含み、フランジ部１６の非ＮＦＡ鋼は、同じフェライト鋼組成を含む。ベース部１２のＮＦＡで使用されるのと同じ鋼組成をフランジ部１６の形成に使用することにより、構成部品の供用中に接合部にて生じる材料の相互拡散量が制限され、従って、有効寿命を延ばすことができる。

フランジ部１６は、固体状態の接合部１８によりベース部１２と接合される。本明細書で使用される場合、固体状態の接合部１８とは、接合部の形成中に溶融物質を生成又は含まない金属接合部である。固体状態の接合中、接合及び加工は、溶融及び固化を避けることにより固体状態で行われる。好適な接合法の実施例は、限定ではないが、拡散接合、鍛造強化接合、イナーシャ溶接、並進摩擦溶接、活性拡散接合、及び熱間等静圧圧縮成形（ＨＩＰ）を含む。

一部の実施形態において、物品は更に、溶接接合により第１の構成部品１０のフランジ部１６と接合される第２の構成部品を含む。図２は、物品２０の斜視図を示す。物品２０は、図１で説明した第１の構成部品１０と、溶接接合部２４により第１の構成部品１０のフランジ部１６と接合される第２の構成部品２２とを含む。第２の構成部品２２は、例えば、従来の鋼鉄又は超合金を溶接することができる何れかの金属材料を含むことができる。１つの実施形態において、第２の構成部品２２は、フェライト鋼、マルテンサイト鋼、オーステナイト鋼、二相鋼又は析出硬化鋼から選択された従来の鋼鉄を含む。別の実施形態において、第２の構成部品２２は、ニッケル系超合金を含む。

一部の実施形態において、第２の構成部品２２は、図３に示すように、第１の構成部品１０のフランジ部１６と溶接されるフランジ２６を有する。第１の構成部品１０及び第２の構成部品２２のフランジ部１６及び２６は、従来の溶接処理により接合されて溶接接合部２５を形成する。フランジ部１６と溶接するために第２の構成部品２２上にフランジを有する必要はない場合もあるが、しかしながら、フランジは、２つの構成部品を溶接し組み付けるためのアクセスを提供する。フランジを通じた溶接はまた、プロセス中の第２の構成部品２２の損傷を回避することができる。特定の実施形態において、第２の構成部品２２は、ナノ構造化フェライト合金（ＮＦＡ）を含む。これらの実施形態において、第２の構成部品２２のフランジ部２６は非ＮＦＡ鋼を含み、図３を参照されたい。１つの実施形態において、第２の構成部品２２は、形状及び幾何学的形状寸法が第１の構成部品１０と同様である。一部の例示的な実施形態において、図３は、２つのターボ機械構成部品の組立体の概略図である。場合によっては、ターボ機械組立体は、２又はそれ以上溶接構成部品を備え、各々が、ＮＦＡベース部と、酸化物ナノ特徴要素を実質的に含まないフランジ部とを含む。

上述のように、第２の構成部品２２は、図２及び３に示すように溶接接合部（２４，２５）によりフランジ部１６と接合される。溶接接合部（２４，２５）は、例えば、融接及び固体状態溶接法など、何らかの溶接法を用いて形成することができる。実施例は、限定ではないが、アーク溶接、レーザ溶接、電子ビーム溶接、タングステン不活性ガス（ＴＩＧ）溶接、金属不活性ガス（ＭＩＧ）溶接、及びハイブリッド溶接を含む。従来の溶接法は、一般に、物品の製造コストを低減する点で有利である。１つの実施形態において、従来の融接法（例えばＴＩＧ溶接及びＭＩＧ溶接）は、第２の構成部品２２を第１の構成部品１０のフランジ部１６に接合するのに好ましい。

上述のように、ＮＦＡから構成される構成部品は、ＮＦＡの微細構造及び特性上の利点を維持しながら従来の溶接法で直接溶接することはできない。通常、溶接プロセス中、溶接されている構成部品の部分に近接した、すなわち、溶接接合部に近接したＮＦＡ構成部品の領域は、溶接温度、材料、その他などの溶接プロセスパラメータによる影響を受ける。この領域は、熱影響ゾーンと呼ばれる場合がある。この影響ゾーンに起因して、ＮＦＡ構成部品は、溶接プロセス中に損傷を受けることが多い。本発明の実施形態は、有利には、ナノ構造化フェライト合金（ＮＦＡ）を含むベース部１２の微細構造及び特性に影響を及ぼすことなく、第１の構成部品１０の溶接を可能にする。溶接は、ＮＦＡが含まれないフランジ部１６（すなわち、非ＮＦＡ部分）にて実施される。この非ＮＦＡ部分を通じて溶接することにより、第１の構成部品１０を第２の構成部品２２に接合する溶接部２４は、ＮＦＡベース部１２から離れて行われる。更に、実質的にベース部１２全体が熱影響ゾーンの外部にあることが望ましい。フランジ部１６（図２）のサイズ、詳細には高さ又は幅及び厚さは、溶接部２４を形成するプロセスがＮＦＡベース部１２に損傷を与えないようなものであることは、当業者には理解されるであろう。フランジ部１６の高さ又は幅は、ベース部１２の表面１４に垂直な方向で測定される。

上記の実施形態において説明された第１の構成部品１０（図１を参照）は、複数の技法を用いて製造することができる。場合によっては、個々の部分、すなわちベース部１２及びフランジ部１６は、別個に形成されて、その後共に接合されて第１の構成部品１０を形成する。他の事例では、第１の構成部品１０は、フランジ部１６とベース部１２の同時圧密化及び接合により製造される。場合によっては、フランジ部１６は、ベース部１２上に付加製造される。本明細書で記載される方法により形成された第１の構成部品１０は、上述のように従来の溶接法により第２の構成部品２２（図２）と接合することができる。

ナノ構造化フェライト合金（ＮＦＡ）は、通常は最初に圧密化されて加工物を製作し、次いで熱間加工して所望の物品を製造する粉末冶金合金である。ＮＦＡ粉末は、当該技術分野で公知の何らかの技法により圧密化することができる。１つの実施形態において、加工物は、熱間等静圧圧縮成形（ＨＩＰ）により製作される。他の圧縮技法は、熱間圧縮、押し出し、又はロール圧縮を含む。

１つの実施形態において、ベース部１２及びフランジ部１６用の加工物／鍛造物は、事前に製造されて、後で相互接合される。例えば、ベース部１２用のＮＦＡ鍛造物及びフランジ部１６用の従来の鋼鉄鍛造物は、当該技術分野で公知の何らかの固体状態接合技法により接合され、２つの部分の間に固体状態接合部１８を形成することができる。接合技法の実施例は、鍛造強化接合、イナーシャ溶接、並進摩擦溶接、拡散接合、活性拡散接合、及び熱間等静圧圧縮成形（ＨＩＰ）を含む。２つの鍛造物の接合後、結果として得られた構造体は更に、最終の所望の形状に鍛造又は機械加工されて、上記の実施形態で検討したように、フランジ部１６をベース部１２に接合させた第１の構成部品１０を形成することができる。特定の実施例は、タービンホイールである。

一部の実施形態において、第１の構成部品１０は、フランジ部１６とベース部１２の同時圧密化及び接合により製造される。１つの実施形態において、方法は、熱間等静圧圧縮成形を用いることにより圧密化を実施するステップを含む。例示的な実施形態において、ＨＩＰは、最初にＮＦＡ粉末が充填され、次いで、非ＮＦＡ鋼のディスク又はリングがＮＦＡ粉末と共に缶内に配置される。ＨＩＰの実施後、結果として得られる構造体は更に鍛造及び／又は機械加工されて、所望の第１の構成部品１０を得る。別の例示的な実施形態において、図４に示すように、圧密化プロセス用に非ＮＦＡ鋼から作られたＨＩＰ缶３０が使用される。缶３０は、少なくとも１つの厚肉固体端部３２を有する。缶３０は、ＮＦＡ粉体３４が装荷される。圧密化プロセス（例えば、ＨＩＰ）は、ＨＩＰ缶３０を圧密ＮＦＡに接合し、結果として、非ＮＦＡ鋼から形成された第１の部分３６（すなわち、鋼鉄鍛造物）と、ＮＦＡ鍛造物を含む第２の部分３８とを有する鍛造物３５が得られる。次いで、この鍛造物３５は、更に鍛造及び／又は機械加工することにより整形され、ＮＦＡベース部１２に接合される非ＮＦＡ鋼のフランジ部１６を含む所望の第１の構成部品１０が得られる。

一部の実施形態において、フランジ部１６は、ベース部１２に付加製造される。付加製造は、金属及びプラスチックスを含む種々の材料の構成部品の「３Ｄプリンティング」を可能にする既知の技法である。付加製造において、部品は通常、従来の切削機械加工プロセスによるのではなく、３Ｄモデルデータから層単位の方式で層成される。様々な付加製造プロセスは、当業者には周知のものであり、その一部は、粉体又はワイヤの溶融処理を含むことができる。例示的な実施形態において、フランジ部１６は、ワイヤ送給式の付加製造によって形成される。この実施形態において、最初に、ＮＦＡから形成された第１の部分と非ＮＦＡ鋼の層を含む第２の部分（すなわち、鋼鉄鍛造物）とを有する鍛造物が形成される。この鍛造物は、図４に関して上述されたプロセスにより形成することができる。ＮＦＡ鍛造表面上の非ＮＦＡ鋼層は、ＮＦＡベース部内に溶け込むことなく非ＮＦＡ鋼層を局所的に溶融することにより、非ＮＦＡ鋼上に直接フランジをワイヤ送給式で付加製造するのを可能にする。一部の実施形態において、粉体の形態の非ＮＦＡ鋼は、コールドスプレー法、レーザ技術によるネットシェイプ（ＬＥＮＳ）法、又は代替の粉体送給又はワイヤ送給式レーザ付加製造法によって適用することができる。これらの実施形態において、ＮＦＡ鍛造物上の非ＮＦＡ層は必須ではない。

本明細書で記載される概念の適用により特に利点を見出すことができる１つの例示的な種類の物品には、ターボ機械構成部品が挙げられる。再度図１〜３を参照すると、第１の構成部品１０、第２の構成部品２２、又は第１の構成部品１０及び第２の構成部品２２の両方は、一部の実施形態においてガスタービン又は蒸気タービンの構成部品である。一部の例示的な構成部品は、タービンホイール、タービンシャフト、タービンスペーサ、ディスク及び遠心圧縮機ブリスクである。一部の実施形態において、第１の構成部品１０は、高出力ガスタービンホイールである。１つの実施形態において、第１の構成部品１０は、高出力ガスタービンスペーサである。第１の構成部品１０はまた、タービン作動温度又は腐食環境における作動を含む他の何れかの用途にも適用することができる。一部の実施形態において、第１の構成部品１０は、航空宇宙応用で使用されるターボ機械構成部品（例えば、ジェットエンジンディスク）である。これらの実施形態において、第２の構成部品２２は、航空宇宙応用で使用されるターボ機械構成部品である。

１つの実施形態において、第１の構成部品１０は、タービンホイールであり、第２の構成部品２２はタービンシャフトである。１つの実施形態において、第１の構成部品１０は、タービンホイールであり、第２の構成部品２２は別のタービンホイールである。

一部の実施形態において、第１の構成部品１０（図１）（例えば、ターボ機械構成部品）は、円形形状である。図５は、円形のベース部４２を有する第１の構成部品４０（例えば、タービンホイール）の概略図を示す。例えば、円形のベース部４２は、ディスク又はホイールとすることができる。円形のベース部４２は、該ベース部４２の内周面４６により定められるボア４４を有する。ベース部４２は、内周面４６から表面４５を形成する外周面４８まで延びる。第１の構成部品４０は、リングのような円形形状のフランジ部５０を含み、円形のベース部４２と同心である。円形のフランジ部５０は、円形のベース部４２の表面４５に垂直に外向きに突出している。すなわち、円形のフランジ部５０は、円形のベース部４２の表面４５から軸方向に突出している。フランジ部５０は、固体状態接合部５２によりベース部４２と接合される。円形のベース部４２は、ナノ構造化フェライト合金（ＮＦＡ）を含み、円形のフランジ部５０は非ＮＦＡ鋼を含む。円形のフランジ部５０は、他の溶接可能なターボ機械構成部品と溶接することができる溶接可能部分である。ベース部４２、フランジ部５０及び固体状態接合部５２についての種々の詳細事項は、上記の実施形態において記載されている。

本発明の特定の特徴のみを本明細書で例示し説明してきたが、当業者であれば、多くの変更形態及び変形が想起されるであろう。従って、本発明の真の精神の範囲内にあるこのような変更形態及び変更全ては、添付の請求項によって保護されるものとする点を理解されたい。

１０ 第１の構成部品
１２ ベース部
１６ フランジ部
２０ 物品

Claims (11)

1. 内周面（４６）から外周面（４８）まで延びる円形ベース部（１２）と、前記円形ベース部と同心で且つ前記円形ベース部の内周面と外周面との間の面に垂直に外向きに突出している円形フランジ部（１６）とを有する第１の構成部品（１０）であって、前記円形ベース部がナノ構造化フェライト合金を含み、前記円形フランジ部が酸化物ナノ特徴要素を実質的に含まない鋼鉄を含み、前記円形フランジ部が、固体状態の接合部により前記円形のベース部に接合されている、第１の構成部品（１０）と、
   溶接接合部により前記第１の構成部品（１０）の円形フランジ部と接合される第２の構成部品（２２）と
   を備える、物品（２０）。
2. 前記ナノ構造化フェライト合金が金属マトリックスと、該金属マトリックス内に分散された酸化物ナノ特徴要素とを含む、請求項１に記載の物品（２０）。
3. 前記金属マトリックスが、鉄、クロム、コバルト、タングステン、モリブデン、チタン、又はこれらの組み合わせを含む、請求項２に記載の物品（２０）。
4. 前記金属マトリックスが、マルテンサイト鋼、フェライト鋼、オーステナイト鋼、二相鋼、及び析出硬化鋼から選択された鋼鉄を含む、請求項２に記載の物品（２０）。
5. 前記酸化物ナノ特徴要素が、イットリウム、ジルコニウム、ケイ素、チタン、ハフニウム、又はこれらの組み合わせを含む、請求項２乃至請求項４のいずれか１項に記載の物品（２０）。
6. 前記酸化物ナノ特徴要素が、２０ナノメートル未満のメジアン径の粒子を含む、請求項２乃至請求項５のいずれか１項に記載の物品（２０）。
7. 前記円形フランジ部が、フェライト鋼、マルテンサイト鋼、オーステナイト鋼、二相鋼、及び析出硬化鋼を含む、請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の物品（２０）。
8. 前記第１の構成部品が、シャフト、ホイール、スペーサ及びエンジンディスクのうちの１又はそれ以上から選択されたターボ機械構成部品を含む、請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の物品（２０）。
9. 前記第２の構成部品が金属材料を含む、請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の物品（２０）。
10. 前記金属材料が、鋼鉄、ニッケル系超合金、又はナノ構造化フェライト合金を含む、請求項９に記載の物品（２０）。
11. 前記第２の構成部品が、シャフト、ホイール、スペーサ及びエンジンディスクのうちの１又はそれ以上から選択されたターボ機械構成部品を含む、請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の物品（２０）。