JP6909398B2 - 荒地の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、タービンブレードの荒地の成形に好適な製造方法に関するものである。

近年、蒸気タービンの高効率化の要請により、蒸気タービンに用いられるタービンブレード（以下単に「ブレード」という。）も長尺化してきている。約１５００ｍｍを超える長尺のブレード素材を製造する場合では、素材を上型と下型の間に挟み込んで、大型のプレス鍛造でブレード素材に成形する方法が主流である。
このタービンブレードを製造するには、素材から鍛造用の荒地を製造し、その荒地を所定の形状に熱間鍛造する必要がある。例えば、特開２０１３−１８０１８号公報（特許文献１）や特開２０１３−１９２９４（特許文献２）には、丸棒状の素材の端面に肉厚部を成形した荒地を製造し、タービンブレードの形状とする発明が開示されている。

特開２０１３−１８０１８号公報 特開２０１３−１９２９４号公報

ところで、長尺のタービンブレードとなると、その材質はＮｉ基超耐熱合金やＴｉ合金などの難加工性材となる。この難加工性材は希少な合金元素を多量に含み、原料費は極めて高価なものとなる。また、難加工性材であることから熱間鍛造時のプレス荷重が巨大になる。
このプレス荷重が増加する傾向は、タービンブレード用の荒地に肉厚部を熱間鍛造により形成する場合にもあてはまるが、荒地を製造する場合に好適な熱間鍛造方法については、十分な検討がなされていないのが現状である。
本発明の目的は、長尺のタービンブレードを製造する場合に用いられる荒地の好適な製造方法であって、鍛造荷重を低減すると共に、予肉部分として除去される部分も低減可能な半密閉鍛造による荒地の製造方法を提供する。

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものである。
すなわち本発明は、熱間鍛造温度に加熱した円柱状の鍛造素材を下型に設けられた挿入口内に挿入し、上型により押圧して次工程の荒地を成形する半密閉鍛造による荒地の製造方法において、前記鍛造素材として、体積が前記下型と上型の接触で形成されるキャビティの容積よりも３〜１０％小さく、且つ、直径が、前記挿入口の直径よりも１〜１０％小さい鍛造素材を準備する鍛造素材準備工程と、前記下型に設けられた挿入口内に前記鍛造素材を挿入することにより、前記鍛造素材の側面を下型により拘束し、前記鍛造素材の拘束されていない部分の素材高さを前記鍛造素材の直径の３．５倍以下とする鍛造準備工程と、前記鍛造素材の拘束していない部分を上型により押圧することで、一端側に肉厚部分を有する棒状成形体の荒地とする熱間鍛造工程を含み、前記キャビティ内の、肉厚部分の直径が最大となる部分の周囲には、鍛造によって変形した鍛造素材が充満しない空隙部分が形成される熱間鍛造用金型を用いる荒地の製造方法である。
また本発明は、前記荒地としてＮｉ基超耐熱合金またはＴｉ合金を用いることができる。
さらに本発明は、前記荒地をタービンブレード用の荒地とするのが好適である。
また本発明においては、前記鍛造素材は、上型と下型とにより変形する部分が部分的に鍛造温度に加熱された鍛造素材を用いても良い。

例えば、長尺のタービンブレードを製造するときに用いられる荒地を製造する場合において、鍛造荷重を低減することができる。更に、ばりの発生を防止するだけなく、予肉部分として除去される部分も低減することができる。これにより、高価な希少元素を多量に含む、Ｎｉ基超耐熱合金やＴｉ合金などの素材の投入重量も抑制でき、経済的に有利とすることも可能となる。

下型に設けられた挿入口内に鍛造素材を挿入したときの一例を示す模式図である。 本発明の荒地の製造方法の一例を示す模式図である。 本発明の荒地の製造方法で得られる荒地の一例を示す模式図である。 従来の荒地の製造方法の一例を示す模式図である。 従来の別な荒地の製造方法の一例を示す模式図である。

以下に本発明を図面を用いて説明する。
＜半密閉鍛造＞
本発明の荒地の製造方法は、図１に示すように、熱間鍛造温度に加熱した円柱状の鍛造素材１１を下型１に設けられた挿入口３内に挿入し、上型２により押圧して次工程の荒地を成形する半密閉鍛造によるものである。本発明で言う、半密閉鍛造とは、型彫り面を有する上型と下型とで所定の形状に成形する鍛造方法であるが、図１で示すように、金型の組合わせ自体は密閉（閉塞）鍛造と同じである。そして、上下の金型が密着したときにキャビティ内に鍛造素素材が充満されない部分を有するものであり、詳しくは後述する。
なお、半密閉鍛造の中には、図４に示すように、上型２と下型１とが接触する部分に、所謂“ばり道”２１を設けておき、鍛造後の鍛造材にばりだまりが形成されるものがあるが、本発明の半密閉鍛造は、ばり道を設けて、“ばりだまり”を形成するものは本発明の対象外である。これは、上述したように、本発明においては、除去されるばりを発生させないようにするためのものだからである。更には、ばりを発生させようとすると、鍛造荷重が大きくなる。また、図５に示すように、上型２と下型１とが密着しないようなものも本発明の対象外である。これは、上型と下型とが密着しない鍛造方法では、肉厚部分の形状が不安定になるためである。また、本発明で得られる荒地を予備成形体として、更に所望の形状に熱間鍛造を施しても差し支えない。

＜鍛造準備工程＞
本発明では、ばりの発生を防止すると共に、半密閉鍛造後の荒地の形状をほぼ均一とするために、鍛造素材の体積と、上型と下型とが接触したときの金型内部の体積（キャビティ容積）との関係を厳密に管理する。具体的には、予め、キャビティ容積と、鍛造素材の体積とを計算により求め、キャビティ容積よりも３〜１０％小さい体積であり、且つ、前記挿入口の直径よりも１〜１０％小さい直径とした鍛造素材を準備する。
この鍛造素材の体積を、キャビティ容積よりも３〜１０％小さい体積とすることで、金型内に加工後の肉厚部が充満するのを防止する。前記の鍛造素材の体積がキャビティ容積よりも３％未満の小さなものとすると、熱間鍛造時の荷重が高くなるおそれがある。一方、鍛造素材の体積がキャビティ容積よりも１０％を超えて小さなものとすると、長尺のタービンブレードとするときに、荒地の体積が不足して欠肉を生じるおそれがある。好ましくは、鍛造素材の体積を金型内部の体積よりも４〜７％小さくすると良い。この範囲内であれば、鍛造荷重の低減効果を維持しつつ、長尺のタービンブレードとするときの欠肉もより確実に防止できる。

本発明で用意する下型は、下型の下方側から、（ｉ）円柱状または上側に緩やかに拡径する円錐台状の空間が形成された拘束部分と、（ｉｉ）前記拘束部分の上端よりも径が大きい円柱状、またはより大きな角度で拡径する円錐台状の空間が形成された部分とを有するものである。そして、拘束部分が挿入口３となる。
そして、本発明においては、鍛造素材の直径が、前記挿入口３の直径よりも１〜１０％小さい直径とした円柱状の鍛造素材とする。なお、挿入口３が上側に緩やかに拡径する円錐台状の空間で形成されている場合は、その挿入口３の最小径の直径と比較すればよい。これは、鍛造素材の直径が下型に設けられた挿入口の直径よりも過度に小さくなると、挿入口に挿入した鍛造素材が斜めになったり、熱間鍛造中に挿入口内の鍛造素材が押圧よって変形したりして、所望の形状が得られないおそれがある。また、過度に鍛造素材の直径と下型に設けられた挿入口の直径とが近過ぎると、加熱した鍛造素材を挿入口に挿入する時間がかかり過ぎる場合がある。特に、難加工性材の熱間鍛造においては、熱間加工ができる温度範囲が狭いものもあり、適当な間隔が維持できるように、鍛造素材の直径を調整する必要がある。
なお、鍛造素材直径とは、下型の挿入口に挿入する時の直径を言う。そのため、鍛造素材ごと加熱する場合は、鍛造素材の熱膨張を考慮して所定の直径とするように機械加工により、丸棒に仕上げておくのが良い。

上述した、鍛造素材を鍛造温度に加熱して、下型に設けられた挿入口内に鍛造素材を挿入する（図１（ａ）参照）。挿入口内の鍛造素材の側面（周面）は、下型の挿入口により拘束された部分と、下型の挿入口から突出した部分（素材の拘束されていない部分、図１（ａ）のＨ）とになる。この鍛造素材の拘束されていない部分の素材高さ（Ｈ）は、鍛造素材の直径（Ｄ）の３．５倍以下とする。これは、熱間鍛造時に座屈を生じることなく、所定の形状に成形するためである。
なお、座屈をより確実に防止するには、鍛造素材の拘束されていない部分の素材高さ（Ｈ）を鍛造素材の直径（Ｄ）の３．０倍以下とすることがよい。もし、３．０〜３．５倍の間の高さとなる鍛造素材を用いる場合には、最初の熱間鍛造により素材高さ（Ｈ）を鍛造素材の直径（Ｄ）のおおよそ３．０倍以下とする最初の熱間鍛造を行い、再度加熱を行って最終の熱間鍛造を行うと良い。

また、前述した熱間鍛造用金型を用いて前記荒地を製造する場合における鍛造素材の加熱方法については、鍛造素材の全体を所定の温度に加熱する方法の他、上型と下型とにより変形する部分を部分的に加熱（部分加熱）しても差し支えない。部分加熱を行う場合は、上型と下型とにより変形する部分を優先的に加熱する。実際の作業としては、鍛造素材の長さの大よそ半分程度を部分加熱すると良い。部分加熱していない側は下型で拘束される部分である。部分的な鍛造素材の加熱を行うことで、下型に拘束された箇所が鍛造中に成形されないため、下型と鍛造素材とが張り付く危険性を低減する効果がある。好ましい加熱方法としては、加熱炉に被鍛造材の一部を入材する方法である。もし、素材の形状が一定であれば、例えば高周波加熱であっても良い。
また、上型と下型とで前記キャビティを構成する部分は予熱しておいても良い。予熱の方法としては、ヒータ等の加熱手段で加熱する方法や、金型全体を加熱すると言った方法で良い。予熱する温度としては、上型や下型の材質にもよるが２００〜５００℃で十分である。

＜熱間鍛造工程＞
前述したように、鍛造素材の一部は下型によって側面が拘束されている。これを座屈しないように押圧する。具体的には、上記の鍛造素材の拘束していない部分を上型により押圧する。これにより、一端側に肉厚部分を有する棒状成形体の荒地１２とする。荒地の形状は図３に示すものであり、上型の下方向に拡径する内側面の末端と、下型の上方向に拡径する内側面の末端とが一致する熱間鍛造によって、二つの円錐台の底面同士を接合したように膨らんだ部分を肉厚部分１３と言う。
なお、Ｎｉ基超耐熱合金またはＴｉ合金は難加工性材として知られるものである。これらを素材とする熱間鍛造は、上記のように３．０〜３．５倍のときには、３．０倍以下とするように、例えば、鍛造素材の拘束されていない部分の素材高さ（Ｈ）が３．０〜３．５倍の間の高さとなる鍛造素材を用いる場合に、１回目の熱間鍛造により、素材高さ（Ｈ）を鍛造素材の直径（Ｄ）の３．０倍以下とする熱間鍛造を行うこともできる。

上型と下型とが接触した時点で鍛造素材は所定の形状に成形されるが、その場合、図２に示すように、上型２と下型２とが接触する部分の周辺領域に空隙部分４が存在する。鍛造素材が金型内部への充満しない部分が空隙部分である。所定の形状に成形した荒地１２の肉厚部分１３の周囲に空隙部分をつくることで鍛造荷重を著しく低下させることができる。この空隙部分は、上型と下型とが接触する部分、換言すると、肉厚部分の直径が最大となる部分に設けるようにする。これは、肉厚部分の直径が最大となる部分が最もプレス荷重が必要になる場所であるためである。
そして、本発明の場合、図２（ｂ）で示すように、空隙部分４がばり道とならない形状となっている。つまり、ばり道が図４に示すように、上型及び／または下型の外周側に突出するように形成されているのに対し、本発明の場合では、上型と下型とが接触する接触面の延長上に、キャビティの一部として空隙が残るようにして、上型と下型とで密閉されたプレス荷重低減領域とする。

上記の構成により、長尺のタービンブレードを製造するときに用いられる荒地を製造する場合において、鍛造荷重を低減することができる。そのため、長尺のタービンブレード用に好適な、Ｎｉ基超耐熱合金またはＴｉ合金を素材として用いることができる。なお、本発明で言うＮｉ基超耐熱合金とは、含有する元素のうち、Ｎｉを最も多く含む、析出強化型の合金を言う。
また、本発明の製造法によれば、ばりの発生を防止するだけなく、予肉部分として除去される部分も低減することができる。これにより、高価な希少元素を多量に含む、Ｎｉ基超耐熱合金やＴｉ合金などの素材の投入重量も抑制でき、経済的に有利とすることが可能となるだけでなく、特別な機械加工を行うことなく、次工程の素材として使用することができる。

（実施例１）
直径が１３０ｍｍ、長さが１０００ｍｍのＴｉ合金製の鍛造素材（本発明例）と、直径が１３０ｍｍ、長さが１０８０ｍｍのＴｉ合金製の鍛造素材（比較例）とを複数本用意した。このＴｉ合金製の鍛造素材を９５０℃に加熱した。準備した熱間鍛造用の金型は、図１、２に示すようなものであり、そのうち本発明例は熱間鍛造による押圧終了時点で空隙が存在するようにし、比較例は満肉するようにした。
キャビティ容積は１４３３５ｃｍ^３であり、本発明例の鍛造素材は１３２７３ｃｍ^３とし、比較例は金型内体積と同じ体積のものである。また、下型に設けた挿入口の直径は１３３ｍｍとした。キャビティ内を３５０℃に予熱した。
次に、下型に設けられた挿入口内に鍛造素材を挿入することにより、前記鍛造素材の側面を下型により拘束した。この時の鍛造素材の拘束されていない部分の素材高さ（Ｈ）と鍛造素材の直径（Ｄ）との関係は、本発明例がＨ／Ｄ＝２．０、比較例がＨ／Ｄ＝２．６であった。
そして、１５００ｔｏｎプレス機を用いて、鍛造素材の拘束されていない部分を上型により押圧することで、一端側に肉厚部分を有する棒状成形体の荒地とする熱間鍛造を行った。なお、本発明例については、前記肉厚部分の直径が最大となる部分で前記上型と下型とが接触する領域には、鍛造によって変形した鍛造素材が充満しない空隙部分が形成される熱間鍛造用金型とするものである。
その結果、本発明の熱間鍛造によれば最大鍛造荷重が９００ｔｏｎであるのに対し、比較例は金型内に鍛造素材が充満したことから１４００ｔｏｎとなった。得られた荒地は何れも図３に示すようなものであったが、鍛造荷重に大きな差が現れた。
また、本発明で規定する製造方法で得られた荒地は、ばりの発生もなく、予肉部分として除去する部分もほとんどなかった。そのため、特別な機械加工を行うことなく、次工程の素材として使用することができる形状であった。
以上のことから、高価な希少元素を多量に含む、難加工性材素材の投入重量も抑制でき、経済的に有利とすることが可能となるだけでなく、特別な機械加工を行うことなく、次工程の素材として使用することができることから、経済的に非常に有利であることが分かる。しかも、鍛造荷重も大きく低減でき、より大型のタービンブレード用の荒地作製に有効であることが確認された。

（実施例２）
次に、本発明例として、部分加熱した鍛造素材にて荒地の成形を行った。部分加熱した以外は、上記実施例１の条件と同じとした。部分加熱は、上型と下型とにより変形する部分が鍛造温度に加熱されるように、鍛造素材のおおよそ半分程度を加熱炉に入材した。この部分加熱した鍛造素材を前記実施例１と同じ条件で熱間鍛造を行ったところ、鍛造時の最大鍛造荷重は９００ｔｏｎであった。これにより、部分加熱であっても低い鍛造荷重で成形することができることが明らかとなった。なお、得られた荒地は、ばりの発生もなく、予肉部分として除去する部分もほとんどなかった。そのため、特別な機械加工を行うことなく、次工程の素材として使用することができる形状であった。

１ 下型
２ 上型
３ 挿入口
４ 空隙部分
１１ 鍛造素材
１２ 荒地
１３ 肉厚部分
２１ ばり道

Claims (4)

1. 熱間鍛造温度に加熱した円柱状の鍛造素材を下型に設けられた挿入口内に挿入し、上型により押圧して次工程の荒地を成形する半密閉鍛造による荒地の製造方法において、
   前記鍛造素材として、体積が前記下型と上型の接触で形成されるキャビティの容積よりも３〜１０％小さく、且つ、直径が、前記挿入口の直径よりも１〜１０％小さい鍛造素材を準備する鍛造素材準備工程と、
   前記下型に設けられた挿入口内に前記鍛造素材を挿入することにより、前記鍛造素材の側面を下型により拘束し、前記鍛造素材の拘束されていない部分の素材高さを前記鍛造素材の直径の３．５倍以下とする鍛造準備工程と、
   前記鍛造素材の拘束していない部分を上型により押圧することで、一端側に肉厚部分を有し、前記上型で押圧された部分が円錐台に成形された棒状成形体の荒地とする熱間鍛造工程を含み、
   前記キャビティ内の、肉厚部分の直径が最大となる部分の周囲には、鍛造によって変形した鍛造素材が充満しない空隙部分が形成される熱間鍛造用金型を用いることを特徴とする荒地の製造方法。
2. 前記荒地がＮｉ基超耐熱合金またはＴｉ合金であることを特徴とする請求項１に記載の荒地の製造方法。
3. 前記荒地がタービンブレード用であることを特徴とする請求項１または２に記載の荒地の製造方法。
4. 前記鍛造素材は、上型と下型とにより変形する部分が部分的に鍛造温度に加熱された鍛造素材を用いることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の荒地の製造方法。

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