JP6774623B2 - タービンブレード用素材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱間鍛造を用いたタービンブレード用素材の製造方法に関するものである。

近年、中・大型航空機用ジェットエンジン、発電所用蒸気タービン等を構成する大型の熱間鍛造製品の需要が大きく伸びている。例えば、蒸気タービンにおいては、高効率化の要請により、それに用いられるタービンブレードも長尺化してきている。約１５００ｍｍを超える長尺のタービンブレード用素材を製造する場合では、予備成形体（荒地）を上金型と下金型の間に挟み込み、大型のプレス機で鍛造しタービンブレード用素材に成形する方法が主流である。
また、上述の用途に用いられるニッケル基超耐熱合金、チタン合金等は難加工性材料である。そのため、それらの鍛造に際しては、加熱した予備成形体の温度低下を抑制し、形状不良を回避するために、加熱した金型を用いるホットダイ鍛造、金型の温度を所定の範囲内に制御して鍛造する恒温鍛造等が適用されている。

例えば、特開２００２−９６１３４号公報（特許文献１）には、鍛造用金型の加熱方法として、上ダイホルダおよび下ダイホルダと、かかる上ダイホルダおよび下ダイホルダ内にそれぞれ設置され上金型と下金型とを、各ダイホルダ内に設置されたヒータと、上金型と下金型に挟み込まれた加熱治具とにより加熱する構成が開示されている。かかる構成によって、金型の加熱温度を、従来よりも高い温度、例えば３００℃程度に上げることもできる旨も記載されている。
また、形状不良等を解決することを目的とする特開平４−４６６５１号公報（特許文献２）には、９２０℃に加熱された素材を約９２０℃に加熱保持された金型で鍛造を行う際、素材に形成された被係合部を金型に形成された係合部に嵌め入れて、素材を正規位置にセットする方法が開示されている。

特開２００２−９６１３４号公報 特開平４−４６６５１号公報

上述した特許文献１に開示された方法は、加熱治具を用いて金型を加熱するものであるが、同時に、上ダイホルダおよび下ダイホルダを加熱する必要があり、加熱効率が低いうえに、上ダイホルダ等を加熱するための構成が大型化・複雑化する問題があった。上述のタービンブレードの長尺化は、かかる問題をさらに顕著なものとし、欠肉等の形状不良への対策もより困難なものとしていた。
また、特許文献２では、金型は素材と同じ温度まで加熱されており、加熱に関する構成はさらに大型化・複雑化してしまう。さらに、金型材料として９２０℃程度の高温に耐える耐熱性合金を用いる必要があるため、金型コストも増加する。
かかる問題に鑑み、本発明は、長尺化の要求が強いタービンブレード用素材を熱間鍛造によって製造する場合において、低コスト化に有利な簡易性を有し、かつ欠肉等の形状不良の抑制が可能なタービンブレード用素材の製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものである。
すなわち本発明は、翼部と根部とを有するタービンブレード用素材の製造方法であって、予備成形体をガラス潤滑剤で被覆した後に熱間鍛造温度に加熱する第１の工程と、金型装置を用いて前記予備成形体を熱間鍛造して前記翼部と根部とを有するタービンブレード用素材を得る第２の工程とを有し、前記金型装置は、熱間金型用の合金工具鋼製の上金型および下金型と、前記上金型および下金型を支持する上ダイセットおよび下ダイセットとを備え、前記第２の工程において、前記上金型および下金型は前記上ダイセットおよび下ダイセットに据え付けられる前に５５０℃以下の温度に予熱されるとともに、前記上金型および下金型の温度が３５０℃以上の状態で前記予備成形体の熱間鍛造を行うことを特徴とする。

また、上記タービンブレード用素材の製造方法において、前記上金型および下金型と前記上ダイセットおよび下ダイセットとの間に断熱材が配置されていることが好ましい。
また、上記タービンブレード用素材の製造方法において、前記上金型および下金型を前記上ダイセットおよび下ダイセットに据え付ける前に、加熱されたダミー材を用いて前記上ダイセットおよび下ダイセットを予熱することが好ましい。また、前記上ダイセットおよび下ダイセットの温度が５０℃以上の状態で前記予備成形体の熱間鍛造を行うことが好ましい。

また、上記タービンブレード用素材の製造方法において、前記予備成形体は、前記翼部に対応する第１の部分と前記根部に対応する第２の部分とが一体となった本体部と、前記第１の部分の端部から前記本体部の長手方向の一方側に突出する第１の突起部と、前記第２の部分の端部から前記本体部の長手方向の他方側に突出する第２の突起部とを有し、前記下金型は、前記第１および第２の突起部を収容して、前記予備成形体を位置決めするための突起収容部を備え、
前記第１および第２の突起部が前記突起収容部に収容され、前記本体部の少なくとも一部が前記下金型に接した状態で熱間鍛造を開始することが好ましい。

本発明によれば、長尺化の要求が強いタービンブレード用素材を熱間鍛造によって製造する場合において、低コスト化に有利な簡易性を有し、かつ欠肉等の形状不良の抑制が可能なタービンブレード用素材の製造方法を提供することができる。

タービンブレード用の予備成形体の一例を示す図である。 金型の一例を示す図である。 金型装置の一例を示す断面図である。 金型装置の他の例を示す断面図である。 タービンブレード用の予備成形体を金型（下金型）に載置したときの一例を示す図である。 図５のＢ−Ｂ線の位置での部分断面図である。

本発明に係るタービンブレード用素材の製造方法は、翼部と根部とを有するタービンブレード用素材の製造方法であって、予備成形体をガラス潤滑剤で被覆した後に熱間鍛造温度に加熱する第１の工程と、金型装置を用いて予備成形体を熱間鍛造して翼部と根部とを有するタービンブレード用素材を得る第２の工程とを有する。使用する金型装置は、熱間金型用の合金工具鋼製の上金型および下金型と、かかる上金型および下金型を支持する上ダイセットおよび下ダイセットとを備える。さらに、第２の工程において、上金型および下金型は上ダイセットおよび下ダイセットに据え付けられる前に５５０℃以下の温度に予熱されるとともに、上金型および下金型の温度が３５０℃以上の状態で予備成形体の熱間鍛造を行う。
熱間金型用の合金工具鋼製の上金型および下金型を用いることで金型コストは低く抑えられる。さらに、上金型および下金型は、上ダイセットおよび下ダイセットとは別個に加熱され、上ダイセットおよび下ダイセットに据え付けられるため、上金型および下金型を効率よく加熱することができるうえ、金型装置にヒータ等の加熱機構を設ける必要がないため、金型装置が簡略化される。さらに、予備成形体をガラス潤滑剤で被覆した上で３５０℃以上の金型温度で熱間鍛造を行うことで、欠肉等の形状不良抑制も同時に実現することができる。

以下、本発明に係るタービンブレード用素材の製造方法の実施形態を、図を用いて具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。また、本実施形態において説明する各構成は、その機能を損なわない限りにおいて互いに組み合わせることが可能である。

＜予備成形体＞
図１にタービンブレード用の予備成形体の一例を示す。予備成形体（荒地）は、熱間加工等を経て所定の形状に整えられた鍛造用素材である。予備成形体１００は、翼部に対応する第１の部分１と根部に対応する第２の部分２とが一体となった棒形状の本体部３と、第１の部分１の端部から本体部３の長手方向の一方側に突出する第１の突起部４−１と、第２の部分２の端部から本体部３の長手方向の他方側に突出する第２の突起部４−２とを有する。第１の部分１と第２の部分２は、本体部３の異なる部分として、連続、一体的に形成されている。第１の部分１は熱間鍛造によってタービンブレード用素材の翼部になる部分であり、第１の部分１よりも径の大きい第２の部分２は、熱間鍛造によってタービンブレード用素材の根部になる部分である。図１に示す例では、予備成形体１００は長手方向（図中の一点鎖線で示す中心軸の方向、すなわち第１の部分１と第２の部分２とが連なっている方向）に垂直な断面が円形状の棒形状であるが、予備成形体の形状はこれに限定されるものではなく、断面形状が楕円形状、多角形形状等の予備成形体を用いることもできる。また、かかる断面形状の大きさの長手方向での変化も図１に示す構成に限定されるものではない。例えば、翼部に対応する第１の部分１の途中で径を変えて、さらに段差を設けた形状なども適用できる。

本体部３から互いに長手方向の逆方向に突出する第１の突起部４−１および第２の突起部４−２（以下、単に「突起部」ともいう）は、金型に対して予備成形体１００を位置決めするためのものであるが、かかる突起部は必須ではなく、突起部がない予備成形体を用いることもできる。但し、熱間鍛造時の予備成形体の位置ずれをより確実に回避するためには、突起部を有する予備成形体を用いることが有利である。以下、突起部を有する予備成形を用いた例について説明する。

本体部３よりもさらに径（断面積）が小さい棒形状の突起部は、本体部３と連続、一体的に形成することもできるが、本体部３とは別の部品として本体部に接合することがより好ましい。突起部は、所謂“つかみ代”とは異なり、“位置決め用部材”として機能するものであるため、突起部を設ける位置精度が重要となる。例えば、熱間鍛造等の熱間加工で本体部３と突起部とを一体物として成形しようとすると、高い位置精度で突起部を設けることは難しい。これに対し、突起部を別体の部品として本体部に接合すれば、より正確に所望の位置に突起部を接合することができる。突起部の位置は、突起部が突出する面の中心とすることが好ましい。より好ましくは、本体部の中心軸上である。これにより、位置ずれとそれによる欠肉等の欠陥をより確実に防止することができる。突起部の接合の方法としては、ネジによる嵌め合わせ、および／または溶接が簡便である。溶接のみで突起部を接合する場合は、生産性を高めることが可能な摩擦圧接を適用することがより好ましい。

突起部の寸法は、タービンブレード用素材の大きさ（直径等）に応じて決定すればよく、例えばおおよそ３０〜６０ｍｍ程度の直径の円柱状のものを用いることができる。円柱状とするのは、後述する下金型に形成された突起収容部への収容が容易であるからである。別体の部品として突起部を接合する場合、突起部の材質が本体部の材質と同一であることが好ましい。これは、突起部は熱間鍛造後のタービンブレード用素材からバリとともに除去された後、バリと共にリサイクルの原料として再利用することができるからである。

本体部としてはＮｉ基超耐熱合金、Ｔｉ合金（チタン合金）などの耐熱合金やＦｅ基合金を用いることができるが、このうちＴｉ合金が好ましい。今後ますます長翼化、大型化することが予想されることから、タービンブレード用予備成形体（タービンブレード用素材）には軽量化に有利なＴｉ合金が好適である。Ｔｉ合金としては、例えば、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖを用いることができる。

＜金型装置＞
図２〜図４を参照しつつ、タービンブレード用素材の製造方法に用いる金型装置について以下説明する。図２（ａ）は金型（下金型）の平面図、図２（ｂ）は金型（下金型）の側面図、図３は図２に示す金型（下金型）を用いた金型装置の断面図であり、下金型を示す図２（ａ）におけるＡ−Ａ線の位置での断面図である。なお、下金型に対応する上金型およびそれを支持する上ダイセットの図示は省略した。また、上金型および上ダイセットのように金型装置を構成した状態で上ダイセットが上側、上ダイセットが下側になる場合であっても、上金型が上ダイセットに固定されている限り、上ダイセットは上金型を「支持」するものとして取り扱う。

下金型２００は、タービンブレード用素材の形状に応じて形成された型彫り面５と、タービンブレード用の予備成形体１００の両端部の第１の突起部４−１および第２の突起部４−２を収容して、予備成形体１００を位置決めするための突起収容部６−１および６−２とを備えている。突起収容部６−１および６−２は、溝状の凹部として形成されている。なお、上金型もタービンブレード用素材の形状に応じて形成された型彫り面を有するが、突起収容部は設けられていない。

金型装置は上金型および下金型（以下、単に金型ともいう）と、上金型および下金型を支持する上ダイセットおよび下ダイセット（以下、単にダイセットともいう）とを備える。なお、図３は金型装置のうち下金型に係る部分を示し、上金型に係る部分の図示は省略している。図３に示す例では、下ダイセット７に形成された凹部に下金型２００が収容、固定される。下金型２００はボルト、クランプ等の固定治具（図示せず）によって下ダイセット７に固定される。
図４は金型装置の別の例を示しており、かかる例は図３の金型装置に対して、さらに、上金型および下金型と上ダイセットおよび下ダイセットとの間に断熱材を備える。下金型２００と下ダイセット７の間には、これらよりも熱伝導率の低い断熱材８が配置されており、かかる構成により、加熱後下ダイセット７に収容される下金型２００の温度低下を抑制することができる。図４に示す例では、下ダイセット７の凹部の底面にさらに彫りこみによって凹部を設け、かかる凹部に板状の断熱材８が収容されている。下金型２００を下ダイセット７に載置した際に下金型２００の底部（裏面）の一部が断熱材８に接し、一部が下ダイセット７に接するようにすれば、鍛造荷重の一部を直接下ダイセット７で受けられるので、下金型２００の底面全体が断熱材に接する構成よりも高い鍛造荷重に対応することも可能である。また、凹部の開口縁が金型底面の外縁よりも内側にあり、断熱材はかかる凹部に嵌め込むように収容されているので、仮に熱間鍛造中に断熱材が割れても、金型交換時に移動、飛散する危険が小さく、金型交換時の作業が煩雑になることを防ぐことができる。断熱材を収容する凹部は、上述のようにダイセットに直接彫り込むようにして形成することもできるし、ダイセットとは別に準備した板材に形成することもできる。後者の場合、凹部に断熱材が嵌め込まれた板材がダイセットの凹部に収容される。断熱材８は一つの板材で構成することもできるし、複数の個片で構成することもできる。金型と断熱材とは接して配置してもよいし、カバー部材等を介して配置してもよい。但し、金型と断熱材が直接接している方が断熱効果が高いため、例えば下ダイセットではカバー部材を配置せず、下金型側に断熱材が露出するように配置することもできる。

上金型および下金型の材質としては熱間金型用の合金工具鋼を用いる。熱間金型用の合金工具鋼の種類はこれを特に限定するものではなく、強度とコストを勘案して、ＪＩＳ Ｇ４４０４で規定されるＳＫＤ６１、ＳＫＴ４等の熱間金型用の合金工具鋼やその改良鋼を用いることができる。ＳＫＤ６１は、質量％でＣ：０.３５〜０.４２、Ｓｉ：０.０８〜０.１２、Ｍｎ：０.２５〜０.５０、Ｐ：０.０３０以下、Ｓ：０.０２０以下、Ｃｒ：４.８０〜５.５０、Ｍｏ：１.０〜１.５、Ｖ：０.８０〜１.１５、残部Ｆｅおよび不純物の組成で規定され、ＳＫＴ４は質量％でＣ：０.５０〜０.６０、Ｓｉ：０.１０〜０.４０、Ｍｎ：０.６０〜０.９０、Ｐ：０.０３０以下、Ｓ：０.０２０以下、Ｎｉ：１.５０〜１.８０、Ｃｒ：０.８０〜１.２０、Ｍｏ：０.３５〜０.５５、Ｗ：、Ｖ：０.０５〜０.１５、残部Ｆｅおよび不純物の組成で規定されている。これらの合金工具鋼は、汎用性が高く、材料コストが低いため、金型装置全体のコストを抑制することができる。
上ダイセットおよび下ダイセットの材質はこれを特に限定するものではない。例えば上金型および下金型と同様の上記熱間金型用の合金工具鋼を用いることができる。

断熱材８は熱間金型用の合金工具鋼よりも熱伝導率の低い材料であればこれを特に限定するものではない。例えば、ＳＫＤ６１等の熱間金型用鋼の熱伝導率はおおよそ３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度あるため、それよりも小さい熱伝導率を有する材料を用いればよい。より好ましくは１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下、さらに好ましくは１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下の熱伝導率を有する断熱材を用いる。断熱材としては、例えばセラミックスなどの無機質断熱材、ガラス繊維と樹脂との複合断熱材、等を用いることができる。

＜第１の工程＞
熱間鍛造に供する予備成形体はガラス潤滑剤で被覆した後に熱間鍛造温度に加熱する（第１の工程）。予備成形体の少なくとも一部をガラス潤滑剤で被覆することで鍛造荷重を低減すること、より健全な形状の予備成形体を得ることに寄与する。ガラス潤滑剤は潤滑切れを生じやすい部分等を部分的に被覆することも可能であるが、予備成形体の全体をガラス潤滑剤で被覆すれば、潤滑性はより確実になる。また、ガラス潤滑剤は断熱効果もあるため、予備成形体を加熱炉から取出して金型上に載置して鍛造が開始されるまでの間での温度低下を抑制することができる。かかる観点からは予備成形体の全体をガラス潤滑剤で被覆することが望ましい。

ガラス潤滑剤の被覆方法は、これを特に限定するものではない。例えば、ガラス組成物と媒体を含むスラリー状の混合物を、塗布、噴霧、浸漬等の方法によって皮膜として予備成形体の表面に配置することができる。作業・設備の簡略化の観点からは塗布が、皮膜の厚さの均一性の観点からは噴霧が、好ましい。塗布等の後、乾燥によって不要な媒体が除去され、予備成形体の表面がガラス潤滑剤で被覆される。
予備成形体の表面に配置されるガラス潤滑剤の被覆の厚さは、潤滑能が発揮される限りにおいてこれを特に限定するものではないが、鍛造荷重の増大をより確実に抑制するためには２００μｍ以上であることが好ましい。一方、ガラス潤滑剤を過度に厚くすると、予備成形体を加熱する際に、ガラス潤滑剤が剥離するリスクが高まる。かかる観点から厚さは５００μｍ以下であることが好ましい。なお、ガラス潤滑剤の厚さは、渦電流膜厚計により測定すればよい。熱間鍛造時に潤滑能を保持するものであればガラス潤滑剤の種類はこれを特に限定するものではない。例えば、ガラス主成分がホウケイ酸ガラスであるガラス潤滑剤を使用することができる。

予備成形体は加熱炉等を用いて所定の熱間鍛造温度に加熱される。予備成形体の熱間鍛造温度は予備成形体の材質に応じて設定すればよい。例えば、Ｎｉ基超耐熱合金の場合は８５０〜１１５０℃、Ｔｉ合金の場合は８００〜１１００℃が実用的な範囲である。

＜第２の工程（熱間鍛造工程）＞
上述の金型装置および第１の工程を経たタービンブレード用の予備成形体を用いて第２の工程である熱間鍛造工程を行う。第２の工程において、上金型および下金型は上ダイセットおよび下ダイセットに据え付けられる前に５５０℃以下の温度に予熱される。予熱温度を５５０℃以下に規定するのは熱間金型用の合金工具鋼の焼戻し温度未満にするためである。５５０℃以下の範囲であれば、金型温度は高ければ高いほど好ましい。後述するように３５０℃以上の状態で予備成形体の熱間鍛造を行うため、金型は少なくとも３５０℃以上で予熱される。より好ましい予熱温度は、４５０℃以上である。金型の予熱は加熱炉等を用いて行い、加熱された金型をダイセットに据え付けて金型装置を構成する。

図５に示すように、加熱された予備成形体１００は加熱された下金型２００に載置され、熱間鍛造が行われる。一つの予備成形体の鍛造が終わると、同じ金型装置で引き続き次の予備成形体の鍛造を行う。これを繰り返し、複数の予備成形体の熱間鍛造を行うが、上述の金型装置はヒータ等の加熱機構を備えていないため、金型の温度は徐々に低下する。これに対して、金型の温度が３５０℃以上の状態で予備成形体の熱間鍛造を行うことが重要である。金型の温度が３５０℃未満の状態で熱間鍛造を継続すると欠肉等の形状不良が発生するようになるからである。上述した、金型とダイセットとの間に断熱材を配置する構成は、この３５０℃以上の金型温度をより長く維持することに寄与する。この３５０℃以上の金型温度をより長く維持し、その間に熱間鍛造を行う予備成形体の数を増やすことで生産性が向上する。１回の金型装置の組立に対して１０回以上、好ましくは１５回以上の予備成形体の熱間鍛造を行うことが好ましい。
金型温度が３５０℃未満になった場合は、次の予備成形体の熱間鍛造を行わない。この場合、金型をダイセットから外して、再度予熱をしてからダイセットに据え付けるか、別途予熱した別の金型を据え付けて、次の熱間鍛造を行う。なお、金型温度は、型彫り面のある金型表面で熱間鍛造を実施する毎に測定すればよい。

上述の熱間鍛造では特開２００２−９６１３４号公報（特許文献１）や特開平４−４６６５１号公報（特許文献２）のように金型装置内に加熱機構を設けていないため、金型装置が簡略化される。さらに、金型を加熱し、３５０℃以上の金型温度を維持する際に、熱容量の大きいダイセットを加熱する必要がないため、金型加熱に関する加熱効率が高い。また、ダイセットを介して金型を加熱する場合には、ダイセットの方が温度を高くなる。したがって、金型温度を高くするためにはダイセットに耐熱性がより高い材料を用いる必要があり、一方ダイセットに金型と同程度の耐熱性の材料を用いようとすると金型温度は低くならざるを得ない。前者は金型装置のコスト上昇を招き、後者は金型温度を３５０℃以上のような高温に維持することを困難にする。断熱材を用いることで３５０℃以上の金型温度をより長く維持、管理する方法は、かかる問題も解決することができる。

以下、上述の実施形態に対してさらに好ましい形態について説明する。
＜ダイセット加熱・ダイセット温度＞
上金型および下金型をそれぞれ上ダイセットおよび下ダイセットに据え付ける前に、加熱されたダミー材を用いて上ダイセットおよび下ダイセットを予熱することで、金型温度の低下をさらに抑制することができる。ここで、「ダミー材」とは、第２の工程における熱間鍛造において用いる金型とは別個の部材をいい、例えば、かかる熱間鍛造において用いる金型と仕様（材質・形状・寸法）が同じ金型、仕様が異なる金型、作業面のない鋼材等である。金型とダイセットとの間に断熱材を配置することで金型温度の低下を抑制することができるが、ゼロにすることはできない。したがって、金型温度の低下をさらに抑制するためには、上述のように加熱されたダミー材を用いてダイセット側の温度を上げ、熱勾配を下げることが有効である。ダミー材には荷重をかけないため、金型の加熱温度よりも高い温度に加熱して用いることもできる。
より具体的には、上ダイセットおよび下ダイセットの温度が５０℃以上の状態で予備成形体の熱間鍛造を行うことが好ましい。５０℃以上としたのは、２５℃程度の室温に対して加熱の有意差を確保する趣旨である。特に加熱された金型を据え付けた後、最初の熱間鍛造時からダイセットの温度が５０℃以上であることが好ましい。ダイセットの温度は、ダイセットの側面で測定すればよい。

＜予備成形体の載置形態＞
予備成形体の載置形態に関する好ましい形態を図５を用いて説明する。図５に示す例では、予備成形体１００を金型（下金型）２００に載置した際、第１および第２の突起部４−１、４−２が突起収容部６−１、６−２に収容されるとともに予備成形体１００の本体部が下金型２００に接している。かかる状態で熱間鍛造が開始される。突起部を有する予備成形体を下金型に載置する形態としては、突起部だけで予備成形体を支持し、本体部が下金型に接しない構成も適用可能である。しかし、後述するように、図５に示す例のように予備成形体の本体部が下金型に接している構成の方が、タービンブレード用素材の形状不良を位置決めの観点から抑制するうえでは有利である。
一方、本体部が下金型に接するため、鍛造開始までの間に予備成形体から下金型に熱が逃げやすくなるという不利な点もある。これに対して、予備成形体から金型への熱伝導を断熱材等を用いて抑制した上で、上述した所定温度以上で熱間鍛造を行えば、かかる不利な点を補うことが可能である。すなわち、図４等に示す金型装置を有する構成と、本体部が下金型に接する構成とを組み合わせることが特に好適である。図５に示す例では、予備成形体１００の本体部のうち翼部に対応する第１の部分と根部に対応する第２の部分のそれぞれ一部が下金型２００に接しているが、本体部の少なくとも一部が下金型２００に接していればよい。

予備成形体の載置形態のうち、突起部に関する構成および効果を更に説明する。図２等に示すように下型２００は、第１および第２の突起部４−１、４−２を収容して、予備成形体１００を位置決めするための突起収容部６−１、６−２を備える。突起部を用いて予備成形体の位置決めを行うための突起収容部は、予め、熱間鍛造中のプレスの荷重がかからない、型彫り面を挟んだ両側の箇所に設けられている。突起収容部は型彫り面に配置される予備成形体の長手方向（ｘ方向）に延設された溝形状の凹部である。図６は図５のｘ方向から見たＢ−Ｂ線に沿った部分断面図であり、突起部と突起収容部との位置関係を示している。突起部４−１は、溝形状の突起収容部６−１によって、適当なクリアランスを介してｙ方向（上下方向（鍛造の加圧方向）および予備成形体の長手方向に垂直な方向）において拘束され、位置決めされる。なお、予備成形体をその長手方向からも突起部で拘束する必要がある場合には、ダイセットの凹部の内側面、突起収容部に設けられた段差面等によって突起部の先端を拘束するようにすればよい。また、本体部の片側だけに突起部および突起収容部を配置することも可能であるが、鍛造中の予備成形体を高精度で位置決めするためには、本体部の上記長手方向両側に突起部および突起収容部を設けることが好ましい。
一方、予備成形体は、下金型に載置された時点から本体部で下金型に接しているため、突起部４−１は突起収容部６−１の底部から離間しており、上下方向（ｚ方向：鍛造の加圧方向）には拘束されていない自由な状態にある。下金型に載置された時点で、本体部が下金型に接しないで、突起部だけが下金型に支持される場合には、鍛造開始とともに先に突起部が変形してしまうため位置決め機能が弱くなってしまう。したがって、下金型に載置された時点で、本体部が下金型に接している構成を採用することが好ましい。鍛造中の突起部の上下方向の移動量が小さい場合には、本体部で下型に接するとともに、突起部も突起収容部の底部と接する構成も適用可能である。但し、突起収容部の底面が突起部と接触していると、熱間鍛造を行う際に接触面同士が擦れたり、突起部が突起収納部の底面に引っかかることで予備成形体の本体部が所定の位置からずれてしまうおそれがある。したがって、図６に示すように突起収納部の底部と突起部とは非接触の状態であることが好ましい。

図２〜図６に示す突起収容部は下型と連続一体的に構成されているが、下型とは別体の部品を下型に固定することで構成することもできる。突起収容部を下型と連続一体的に構成する方法としては、加工によって溝を彫る方法がある。但し、大型のタービンブレード用素材を製造するための金型に直接加工を施す場合、金型の重量は例えば数トンにもなり、運搬や加工に多大の労力やコストが必要になる。一方、突起収容部を脱着可能な別部品を用いて構成すれば、突起部の形状、大きさに応じて突起収容部のみを交換することで、種々の突起部の形状に対応が可能となる。
突起収容部を下型と連続一体的に構成する場合、突起収容部を別部品を用いて構成する場合のいずれの場合も、突起収容部の底部は下金型の作業面（型彫り面５の周囲の面）と同じ高さ、すなわち面一であることがより好ましい。突起部の上下方向の移動自由度を最大限確保するためである。
また、溝形状の突起収容部の上側の角部分には、突起部の収容円滑に行えるようにするために、平面状または曲面状の面取りを設けておくことが好ましい。

上述の突起部と突起収容部から成る構成によって、熱間鍛造時にタービンブレード用の予備成形体１００が金型内で位置ずれをおこすこと、特にｙ方向の位置ずれを起こすことをより確実に防止することができる。特に、数万トン規模の大きな荷重で、しかも１ブローで熱間鍛造する場合、金型内で狙い通りの場所から順次押圧が開始されなければ、欠肉等の欠陥となり易い。金型の所望の位置に予備成形体を載置し、熱間鍛造時には所望の押圧場所から順序良く熱間鍛造を行うために、突起部と突起収容部による位置決めの構成は特に有効である。

Ｔｉ合金（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ）に熱間加工を施し、外形が図１に示す本体部と同様のタービンブレード用の予備成形体を準備した。予備成形体の中心軸の延長線上の翼部側端面と根部側端面を研削して、かかる面に円柱状の突起部用のＴｉ合金を摩擦圧接にて接合し、突起部を有するタービンブレード用の予備成形体を作製した。なお、突起部４−１，４−２のＴｉ合金と本体部２のＴｉ合金は同一組成を有する。

次に、図５に示す構成と同様の構成の金型装置を準備した。下金型に形成した溝形状の突起収納部は、予備成形体を載置したときに溝底部と接触しないように、位置・寸法を設定した。突起収容部側面と突起部とのクリアランスは両側の合計で２ｍｍ程度とした。下金型の作業面には、１ブローの熱間鍛造にて、ニアネット形状のタービンブレード用素材を得るための、翼部と根部を形成する型彫り面を形成した。金型およびダイセットには熱間金型用の合金工具鋼（ＳＫＤ６１）を使用した。また、金型とダイセットの間には断熱材として熱伝導率が０.２Ｗ／（ｍ・Ｋ）の断熱板を用いた。
金型は加熱炉で５００℃に加熱し、ダイセットは５００℃に加熱したダミー材（別金型）で予熱した。別金型を取り外したのち、加熱した金型を据えつけて金型装置を準備した。
予備成形体はホウケイ酸ガラス系のガラス潤滑剤で３５０μｍの厚さで被覆し、鍛造温度１０００℃に加熱した（第１の工程）。かかる鍛造温度での加熱によって軟化したガラス潤滑剤に覆われた予備成形体を、上述のように準備した金型装置の下金型に載置した。突起部が突起収容部に収容され、本体部の一部が下金型に接した状態で熱間鍛造を開始し、翼部と根部とを有するタービンブレード用素材を得た（第２の工程）。この際、熱間鍛造前の金型表面温度は４５０℃であった。なお、熱間鍛造開始時のダイセットの温度を側面（図４の矢印で示した、金型の側方位置）で測定したところ５０℃であった。金型の温度を測定しながら、かかる熱間鍛造を繰り返して複数のタービンブレード用素材を得た。

上述のように熱間鍛造を繰り返した結果、金型温度が３５０℃以上で熱間鍛造を行った場合は欠肉等の欠陥の問題がないタービンブレード用素材を得ることができた。一方、金型温度が３５０℃を下回った状態で熱間鍛造を行った場合は、欠肉が発生していることが確認された。
上述の実施例では、正常なタービンブレード用素材を得るために必要な、金型温度３５０℃以上の条件での熱間鍛造を、１回の金型装置の組立に対して１８回以上実施することができた。

１ 第１の部分
２ 第２の部分
３ 本体部
４−１ 第１の突起部
４−２ 第２の突起部
５ 型彫り面
６−１ 第１の突起収容部
６−２ 第２の突起収容部
７ ダイセット
８ 断熱材
１００ 予備成形体
２００ 下金型

Claims (4)

1. 翼部と根部とを有するタービンブレード用素材の製造方法であって、
   予備成形体をガラス潤滑剤で被覆した後に熱間鍛造温度に加熱する第１の工程と、
   金型装置を用いて前記予備成形体を熱間鍛造して前記翼部と根部とを有するタービンブレード用素材を得る第２の工程とを有し、
   前記金型装置は、熱間金型用の合金工具鋼製の上金型および下金型と、前記上金型および下金型を支持する上ダイセットおよび下ダイセットとを備え、
   前記第２の工程において、
   前記上金型および下金型を前記上ダイセットおよび下ダイセットに据え付ける前に、加熱されたダミー材を据え付けて前記上ダイセットおよび下ダイセットを予熱し、且つ、
   前記上金型および下金型は前記上ダイセットおよび下ダイセットに据え付けられる前に５５０℃以下の温度に予熱されるとともに、前記上金型および下金型の温度が３５０℃以上の状態で前記予備成形体の熱間鍛造を行うタービンブレード用素材の製造方法。
2. 前記上金型および下金型と前記上ダイセットおよび下ダイセットとの間に断熱材が配置されていることを特徴とする請求項１に記載のタービンブレード用素材の製造方法。
3. 前記上ダイセットおよび下ダイセットの温度が５０℃以上の状態で前記予備成形体の熱間鍛造を行う請求項１に記載のタービンブレード用素材の製造方法。
4. 前記予備成形体は、前記翼部に対応する第１の部分と前記根部に対応する第２の部分とが一体となった本体部と、前記第１の部分の端部から前記本体部の長手方向の一方側に突出する第１の突起部と、前記第２の部分の端部から前記本体部の長手方向の他方側に突出する第２の突起部とを有し、
   前記下型は、前記第１および第２の突起部を収容して、前記予備成形体を位置決めするための突起収容部を備え、
   前記第１および第２の突起部が前記突起収容部に収容され、前記本体部の少なくとも一部が前記下金型に接した状態で熱間鍛造を開始することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のタービンブレード用素材の製造方法。