JP7356686B2 - 高温合金のブランクディスク鍛造物の残留応力の予備回転による規制方法 - Google Patents

Description

本発明は、材料分野に関し、具体的には、高温合金のブランクディスク鍛造物の残留応力の予備回転による規制方法に関する。

航空用エンジンの高温側の回動部材は、高圧と低圧のタービンディスク、コンプレッサーディスク及びラビリンスディスクなどを含む高温合金から主に製造される。これらの高温合金のディスク部材において所定の機械的特性を取得するためには、高精度に制御される熱処理システムを用いて鍛造物のブランクの組織規制を行う必要がある。熱処理工程は、所望の機械的特性を取得しながら、必然的に、ディスク部材のブランクに一定の残留応力を導入する。鍛造物のブランクにおける熱処理応力は、後続の部品加工、表面処理、組立及び就役中に徐々に解放される。

残留応力レベルが高すぎると、ディスク部材は機械加工時に変形が大きくなり、所定の正確な寸法の部品を取得ことが困難になるという問題が生じる。また、過度に大きく、分布が合理的でない内部応力により、就役中の部品の寸法の安定性の低下をもたらし、エンジンの作業効率に影響を与えて、最終的には故障を引き起こす。したがって、鍛造物のブランクにおける熱処理残留応力に対する効果的な制御と管理は、回動部材の加工・就役寸法の安定性を保証する前提と基礎である。

本発明は、ブランクディスク鍛造物に高速回転処理を施す方法を提案し、即ち、遠心力荷重を利用してブランクディスク鍛造物に所定の微小な塑性変形を付与して、ブランクディスク鍛造物の後続の加工と就役性能に影響を与えない前提で、ブランクディスク鍛造物の内部応力分布状態を効果的に規制する。当該方法により、熱処理中に形成された過度に高い残留応力を十分に解放することができるため、後続の部品加工中にブランクディスク鍛造物に有害変形の発生を回避できるだけでなく、ブランクディスク鍛造物の就役作業条件に対して、内部応力の分布が最適に規制でき、それにより、ブランクディスク鍛造物は、部品の過回転試験中に１１５％或いは１２０％の高応力状態で損傷変形が発生せず、組立と就役プロセス中の長期的な寸法の安定性をよりよく保証できる。当該方法は、熱処理の後、部品加工の前に、ブランクディスク鍛造物に施される回転操作であるため、ブランクの予備回転と呼ばれ、ブランクディスク鍛造物に対する、回転遠心力によりブランクディスク鍛造物に微量の塑性変形を発生させて、内部応力を能動的に規制する新たな技術である。

上記の目的を実現するために、本発明は、高温合金のブランクディスク鍛造物の残留応力の予備回転による規制方法を提供し、ここで、前記方法は、前記ブランクディスク鍛造物の残留応力を規制するための目標回転数を決定するとともに、前記ブランクディスク鍛造物を予備回転させることにより、残留応力の規制に必要な塑性変形の目標変形量を決定するＳ１と、前記ブランクディスク鍛造物が前記目標回転数で前記予備回転を行い、前記ブランクディスク鍛造物の変形量を監視し、前記ブランクディスク鍛造物の変形量が前記目標変形量に達したことが監視されると、前記予備回転を停止するＳ２と、を含む。

好ましくは、ステップＳ１は、前記ブランクディスク鍛造物の残留応力を規制するための予測回転数を、シミュレーション計算により取得するＳ１１と、前記ブランクディスク鍛造物が前記予測回転数で前記予備回転を行い、前記ブランクディスク鍛造物の変形量を監視するＳ１２と、前記目標回転数を決定するために、監視された前記ブランクディスク鍛造物の変形量に応じて前記予測回転数を調整するＳ１３と、を含む。

好ましくは、ステップＳ１３は、前記ブランクディスク鍛造物が前記予測回転数で前記予備回転を行う際に監視された前記ブランクディスク鍛造物の変形量が前記目標変形量に達した場合、前記予測回転数が前記目標回転数であるＳ１３１、又は、前記ブランクディスク鍛造物が前記予測回転数で前記予備回転を行う際に監視された前記ブランクディスク鍛造物の変形量が前記目標変形量を下回る場合、最終回転数で前記予備回転を行う際に監視された前記ブランクディスク鍛造物の変形量が前記目標変形量に達するまで、前記予備回転の回転数を徐々に増加し、前記最終回転数が前記目標回転数であるＳ１３２を含む。

好ましくは、ステップＳ１３２は、前記ブランクディスク鍛造物が前記予測回転数で前記予備回転を行う際に監視された前記ブランクディスク鍛造物の変形量が前記目標変形量を下回る場合、１分当たり２５～１００回転の段階で前記予備回転の回転数を徐々に増加することを含む。

好ましくは、ステップＳ１１は、前記ブランクディスク鍛造物の熱処理をシミュレーションして前記ブランクディスク鍛造物の残留応力分布を取得するＳ１１１と、前記ブランクディスク鍛造物が異なる回転数で前記予備回転を行うことをシミュレーションして、前記予測回転数を決定し、ただし、前記予測回転数で行われた前記予備回転により、前記ブランクディスク鍛造物の残留応力が４００ＭＰａ以下に規制され、かつ、前記ブランクディスク鍛造物の残留変形量が０．０５％～１．９５％になるＳ１１２と、を含む。

好ましくは、ステップＳ１１１は、前記ブランクディスク鍛造物の実際の残留応力を検出し、前記実際の残留応力を利用して前記ブランクディスク鍛造物のシミュレーション結果を補正して、前記ブランクディスク鍛造物を熱処理した後の残留応力分布を得ることを含む。

好ましくは、予備回転後の前記ブランクディスク鍛造物の残留応力分布図を描くステップＳ３を含み、好ましくは、ステップＳ３は、前記ブランクディスク鍛造物が前記目標回転数で予備回転することをシミュレーションして、予備回転後の前記ブランクディスク鍛造物の残留応力分布を取得するＳ３１と、前記ブランクディスク鍛造物の特徴部位の実際の残留応力を検出し、前記実際の残留応力を利用して予備回転後の前記ブランクディスク鍛造物のシミュレーション結果を補正して、予備回転後の前記ブランクディスク鍛造物の残留応力分布を得るＳ３２と、を含む。

好ましくは、前記目標変形量は０．０５％～１．９５％である。

好ましくは、前記予備回転を行うとき、少なくとも現在の回転数で３０秒維持してから前記ブランクディスク鍛造物の変形量を監視する。

好ましくは、前記ブランクディスク鍛造物の変形量を監視するとき、安定した値を監視された前記ブランクディスク鍛造物の変形量とし、及び／又は、ステップＳ２は、前記ブランクディスク鍛造物の変形量が前記目標変形量に達したことが監視されると、前記予備回転の回転数を停止するまで徐々に低下させることを含む。

好ましくは、前記高温合金は、変形した高温合金、粉末高温合金或いは鋳造高温合金である。

好ましくは、前記ブランクディスク鍛造物は、予備回転する前に明らかな応力集中がないディスク部材構造であり、前記ブランクディスク鍛造物は、環状ブランクディスク鍛造物、コンプレッサーディスクブランクディスク鍛造物、タービンディスクブランクディスク鍛造物を含む。

好ましくは、前記予備回転は、操作温度が－５０℃～７５０℃である。

好ましくは、前記方法は、高速回転試験プラットフォームと、前記ブランクディスク鍛造物を前記高速回転試験プラットフォームに位置決めするための補助組立とにより、前記予備回転を行う。

上記の技術的解決手段により、ブランクディスク鍛造物内部の残留応力を効果的に規制しながら、ブランクディスク鍛造物の機械的特性を維持することができる。これにより、後期の部品加工の変形度を緩和して、部品加工の周期を短縮し、コストを低減することができ、加工後の部品には後期の過速度試験及び就役中に有害変形が生じず、部品の寸法の安定性を保証し、予備回転後にディスク部材の作業条件に有利な残留応力分布状態が形成され、ハブに圧縮応力を取り入れ、ディスク部材の疲労寿命を効果的に向上させることができる。

ブランクディスク鍛造物としてのタービンディスクの概略構造図である（断面を示すために、一部分を除去した図であり、ブランクディスク鍛造物は完全な環状である）。 ブランクディスク鍛造物としての環状ディスクの構造概略構造図である（断面を示すために、一部分を除去した図であり、ブランクディスク鍛造物は完全な環状である）。 本発明の実施例１に係る、異なる熱処理の工程パラメータにおける残留応力分布状態をシミュレーションしたものであり、ブランクディスク鍛造物断面の中央領域における最大引張応力が２８６ＭＰａである低残留応力レベルである。 本発明の実施例１に係る、異なる熱処理の工程パラメータにおける残留応力分布状態をシミュレーションしたものであり、ブランクディスク鍛造物断面の中央領域における最大引張応力が５１７ＭＰａである中間残留応力レベルである。 本発明の実施例１に係る、異なる熱処理の工程パラメータにおける残留応力分布状態をシミュレーションしたものであり、ブランクディスク鍛造物断面の中央領域における最大引張応力が６８１ＭＰａである高残留応力レベルである。 本発明の方法に係る、０の残留応力状態の条件で予備回転中のブランクディスク鍛造物の応力と変形の分布状態をシミュレーションしたものであり、最大回転速度に達したときのブランクディスク鍛造物におけるＶｏｎ ｍｉｓｅｓ等価応力分布状態である。 本発明の方法に係る、０の残留応力状態の条件で予備回転中のブランクディスク鍛造物の応力と変形の分布状態をシミュレーションしたものであり、回転停止後のブランクディスク鍛造物における弦方向残留応力分布状態の図である。 本発明の方法に係る、０の残留応力状態の条件で予備回転中のブランクディスク鍛造物の応力と変形の分布状態をシミュレーションしたものであり、回転停止後のブランクディスク鍛造物におけるＶｏｎ ｍｉｓｅｓ等価塑性ひずみ分布である。 本発明の方法に係る、０の残留応力状態の条件で予備回転中のブランクディスク鍛造物の応力と変形の分布状態をシミュレーションしたものであり、回転停止後の残留塑性ひずみの弦方向成分である。 本発明の方法に係る、熱処理残留応力を重畳する状況で、予備回転処理中のブランクディスク鍛造物の応力、ひずみ分布状況をシミュレーションしたものであり、最大回転速度での中間熱処理応力ブランクディスク鍛造物におけるＶｏｎｍｉｓｅｓ等価応力分布である。 本発明の方法に係る、熱処理残留応力を重畳する状況で、予備回転処理中のブランクディスク鍛造物の応力、ひずみ分布状況をシミュレーションしたものであり、最大回転速度での中間熱処理応力ブランクディスク鍛造物における弦方向応力分布である。 本発明の方法に係る、熱処理残留応力を重畳する状況で、予備回転処理中のブランクディスク鍛造物の応力、ひずみ分布状況をシミュレーションしたものであり、回転停止後のブランクディスク鍛造物におけるＶｏｎｍｉｓｅｓ等価応力分布である。 本発明の方法に係る、熱処理残留応力を重畳する状況で、予備回転処理中のブランクディスク鍛造物の応力、ひずみ分布状況をシミュレーションしたものであり、回転停止後の弦方向応力成分であり、内径での－２５０ＭＰａ圧縮応力から外径での１５０ＭＰａ引張応力に遷移する。 本発明の方法に係る、熱処理残留応力を重畳する状況で、予備回転処理中のブランクディスク鍛造物の応力、ひずみ分布状況をシミュレーションしたものであり、回転停止後のブランクディスク鍛造物におけるＶｏｎｍｉｓｅｓ等価塑性ひずみ分布である。 本発明の方法に係る、熱処理残留応力を重畳する状況で、予備回転処理中のブランクディスク鍛造物の応力、ひずみ分布状況をシミュレーションしたものであり、予備回転によってブランクディスク鍛造物の実部品領域に０．０５％～０．２５％の微小な塑性変形が導入された。 本発明の方法に係る、予備回転処理中のブランクディスク鍛造物の特徴部位の寸法変化の法則であり、初期熱処理応力がない（σ_{ｉｎｉｔｉａｌ}＝０）条件で、ブランクディスク鍛造物の寸法の変化量と、予備回転の最大回転速度との間の関係である。 本発明の方法に係る、予備回転処理中のブランクディスク鍛造物の特徴部位の寸法変化の法則であり、熱処理応力がブランクディスク鍛造物の外径の変化量に与える影響であり、初期応力が大きいほど、降伏に必要な限界回転速度が低くなる。 本発明の方法に係る、予備回転処理中のブランクディスク鍛造物の特徴部位の寸法変化の法則であり、予備回転条件が変わらず、ブランクディスク鍛造物の寸法が、初期応力の違いによって回転中に異なる変化法則を呈する。 本発明の方法に係る、予備回転処理中のブランクディスク鍛造物の特徴部位の寸法変化の法則であり、熱処理応力が、回転速度の増加中に、ブランクディスク鍛造物の外径の寸法の変化法則に顕著な影響を与え始める。 本発明の実施例１に係る、予備回転中の応力解放曲線である。 本発明の実施例１に係る、予備回転の前と後及び予測回転数で予備回転をシミュレーションした残留応力結果である。 本発明の実施例１に係る、予備回転の前と後の機械的特性の変化である。 本発明の実施例１に係る、予備回転の前と後の機械的特性の変化である。 本発明の実施例２に係る、高スクロールブランクの応力状態に対する予備回転処理の規制効果である。 本発明の実施例２に係る、高スクロールブランクの応力状態に対する予備回転処理の規制効果である。 本発明の実施例２に係る、高スクロールブランクの応力状態に対する予備回転処理の規制効果である。 本発明の実施例２に係る高スクロールブランクの応力状態に対する予備回転処理の規制効果である。 本発明の実施例２に係る、予備回転中の応力解放曲線及び予備回転の前と後、並びに予測回転数で予備回転をシミュレーションした残留応力結果である。 本発明の実施例２に係る、予備回転中の応力解放曲線及び予備回転の前と後、並びに予測回転数で予備回転をシミュレーションした残留応力結果である。 実施例２に係る、過速度試験中の寸法変化状況である。

以下、図面を参照しながら、本発明の具体的な実施形態について詳細に説明する。ここで説明した具体的な実施形態は、本発明の説明と解釈に用いられるだけで、本発明を限定するものではないことに留意されたい。

本発明において、反対の説明がない限り、例えば「上、下、左、右」などの使用されている方位を示す単語は、一般的に、図面に示された上、下、左、右を指し、「内、外」は、各部材自体の輪郭に対しての内側、外側を指す。以下、図面を参照しながら、実施形態と併せて本発明を説明する。

本発明は、高温合金のブランクディスク鍛造物の残留応力の予備回転による規制方法を提供し、ただし、前記方法は、
前記ブランクディスク鍛造物の残留応力を規制するための目標回転数を決定するとともに、前記ブランクディスク鍛造物を予備回転させることにより、残留応力の規制に必要な塑性変形の目標変形量を決定するＳ１と、
前記ブランクディスク鍛造物が前記目標回転数で前記予備回転を行い、前記ブランクディスク鍛造物の変形量を監視し、前記ブランクディスク鍛造物の変形量が前記目標変形量に達したことが監視されると、前記予備回転を停止するＳ２と、を含む。

本発明の方法は、ブランクディスク鍛造物内部の残留応力を効果的に規制しながら、ブランクディスク鍛造物の機械的特性を維持することができる。これにより、後期の部品加工の変形度を緩和して、部品加工の周期を短縮し、コストを低減することができ、加工後の部品には後期の過速度試験及び就役中に有害変形が生じず、部品の寸法の安定性を保証し、予備回転後にブランクディスク鍛造物の作業条件に有利な残留応力分布状態が形成され、ハブに圧縮応力を取り入れ、ブランクディスク鍛造物の疲労寿命を効果的に向上させることができる。

具体的には、本発明の方法は、高速回転プラットフォームで予備回転することにより、ブランクディスク鍛造物全体に降伏を発生させて、微小な塑性変形が生じ、それにより、ブランクディスク鍛造物内部の残留応力を規制する。

また、ブランクディスク鍛造物内部の残留応力を規制することにより、後期加工時の部品の反りや変形の可能性を回避し、加工効率及び寸法の精度を向上させるのに有利である。

さらに、明らかな応力集中がないブランクディスク鍛造物を用いて予備回転を行い、ディスク全体の降伏を達成するためには、予備回転の回転数が就役状態の回転数を遥かに上回る必要があるため、残留応力を規制したので、後期の過速度強度試験中に、１１５％或いは１２０％の高応力状態で設計上要求される以上の有害変形が生じないことを保証でき、同様に、就役中に有害変が発生することもないため、部品の寸法の制御に有利である。

そして、予備回転を停止することにより、ブランクディスク鍛造物の回転が減速し、ブランクディスク鍛造物の径方向に沿って、内側では圧縮して外側では引張する応力分布状態が形成され、このような応力分布状態は、就役時の作業条件（ディスク部材のハブに圧縮応力を取り入れる）に有利であり、それにより、ブランクディスク鍛造物の疲労寿命を効果的に向上させる。

当該方法は、熱処理の冷却速度の制御のみによりブランクディスク鍛造物内部の残留応力を低減する従来の方法に対して、加工変形の問題を解決するだけでなく、残留応力を事前に規制したため、過速度強度試験状態及び後期就役中に設計以上の有害変形が生じないことも保証できる。

本発明では、適切な方式にしたがって前記ブランクディスク鍛造物の残留応力を規制するための目標回転数を決定することができ、例えば、シミュレーションにより決定できる。本発明の好ましい方式は、シミュレーション結果に基づいて補正して、目標回転数を取得することができる。具体的には、ステップＳ１は、前記ブランクディスク鍛造物の残留応力を規制するための予測回転数を、シミュレーション計算により取得するＳ１１と、前記ブランクディスク鍛造物が前記予測回転数で前記予備回転を行い、前記ブランクディスク鍛造物の変形量を監視するＳ１２と、前記目標回転数を決定するために、監視された前記ブランクディスク鍛造物の変形量に応じて前記予測回転数を調整するＳ１３と、を含む。

言い換えれば、本発明の好ましい実施形態では、まず、ステップＳ１１において予測回転数を決定し、続いて、ステップＳ１２において予測回転数で予備回転を行い、最後に、ステップＳ１３においてブランクディスク鍛造物の変形量にしたがって回転数を調整することにより、予測回転数を補正して、目標回転数を得る。ブランクディスク鍛造物によって目標回転数を決定した後、ブランクディスク鍛造物と同じ仕様、状態のブランクディスク鍛造物に対して決定された目標回転数で予備回転を行うことができる。

ステップＳ１１では、予測回転数を取得するために、ブランクディスク鍛造物の残留応力をシミュレーション計算により取得し、必要に応じて規制しようとする目標残留応力を設定することができる。ここで、残留応力を規制しながら、ブランクディスク鍛造物の機械的特性を維持するために、さらに、微小な塑性変形の変形量を制御する必要がある。このため、ステップＳ１１は、前記ブランクディスク鍛造物の熱処理をシミュレーションして前記ブランクディスク鍛造物の残留応力分布を取得するＳ１１１と、前記ブランクディスク鍛造物が異なる回転数で前記予備回転を行うことをシミュレーションして、前記予測回転数を決定し、ただし、前記予測回転数で行われた前記予備回転により、前記ブランクディスク鍛造物の残留応力が４００ＭＰａ以下に規制され、かつ、前記ブランクディスク鍛造物の変形量が０．０５％～１．９５％になるＳ１１２と、を含み得る。

ここで、取得されるブランクディスク鍛造物の残留応力分布をより正確にするために、実際に検出されたブランクディスク鍛造物の残留応力分布でシミュレーション結果を補正することができる。具体的には、ステップＳ１１１は、前記ブランクディスク鍛造物の実際の残留応力を検出し、前記実際の残留応力を利用して前記ブランクディスク鍛造物をシミュレーションしたシミュレーション結果を補正して、前記残留応力分布を得ることを含み得る。

当業者であれば、様々な適切な方式を用いてブランクディスク鍛造物の熱処理及び予備回転をシミュレーションできることは理解できる。例えば、ブランクディスク鍛造物の材質、寸法、熱処理工程を設定し、有限要素シミュレーション（例えば、ａｎｓｙｓソフトウェアを使用）を行って、ブランクディスク鍛造物の熱処理をシミュレーションすることができ、例えば、《鋼の熱処理の数値シミュレーション研究の進展》（天津職業技術師範大学学報、第２４巻第３期、２０１４年９月）を参照して熱処理をシミュレーションすることができ、そして、これを基に、予備回転の回転数などのパラメータにしたがって回転動作を増えることにより、ブランクディスク鍛造物の予備回転をシミュレーションすることができる。

初期熱処理応力（σ_{ｉｎｉｔｉａｌ}＝０）を考慮しない条件で、予備回転処理工程全体をシミュレーションし、かつ、処理が完了して回転が停止した後、ブランクディスク鍛造物の各位置における応力のひずみ値は、ブランクディスク鍛造物の断面の具体的な幾何学寸法特徴と関係がなく、一般にブランクディスク鍛造物の直径の関数となり、図３ａ～図３ｄに示すとおりである。予備回転処理が最大回転速度に達すると、図３ａに示すように、この時点で内径Ｄ_{ｉｎｎｅｒ}から番号Ａの等高線までの領域が全部降伏点（材料の室温降伏強度を１１５０ＭＰａに設定）に達した。回転数が増加する過程において、塑性変形は、ブランクディスク鍛造物の内径Ｄ_{ｉｎｎｅｒ}から始まって、次第に外径方向に広がり、対応して、予備回転処理の最大回転速度を正確に制御することにより、ブランクディスク鍛造物の降伏点に達する範囲を正確に制御することができ、特定の塑性変形量を取得する。図３ｃ及び図３ｄから分かるように、（Ｄ_{ｏｕｔｅｒ}－Ｄ_{ｉｎｎｅｒ}）／Ｄ_{ｉｎｎｅｒ}＜＜１の低スクロールに対して、ブランクディスク鍛造物の内径Ｄ_{ｉｎｎｅｒ}から外径Ｄ_{ｏｕｔｅｒ}にかけて、即ちブランクディスク鍛造物全体の塑性変形量を０．０５％～０．２５％の小さい範囲内に制御することができる。

図４ａ～図４ｆは、熱処理応力が存在する状況（即ち、ブランクディスク鍛造物の実際の状態）で予備回転シミュレーションを行った結果を表すものであり、比較によって分かるように、熱処理残留応力が存在する状況で、予備回転時のブランクディスク鍛造物の応力分布及び変形挙動は、図３ａから図３ｄに示す初期応力のない理想的な状態と比べて、大きな差がある。これは、初期熱処理残留応力が存在するため、ブランクディスク鍛造物内部の引張応力が形成される部位では、初期弦方向引張応力と予備回転遠心力とが重畳されることにより、該当する領域が降伏点に達するのに要する予備回転の限界回転速度が、初期応力がない状況を遥かに下回るからであり、図５ｂに示すとおりである。熱処理によって導入された初期弦方向引張応力が大きいほど、ブランクディスク鍛造物が予備回転中に降伏点に達するのに要する限界回転速度が低くなる。また、ブランクディスク鍛造物において最も早く降伏点に達する位置は、内径Ｄ_{ｉｎｎｅｒ}ではなく、断面の内部領域であり、断面の内部領域の熱処理によって形成された初期最大引張応力部位がある。降伏点に達する範囲は、回転速度の増加に伴い、最大引張応力の処からその近傍領域に徐々に広がっていく。最大回転速度が不変の場合、熱処理残留応力の増加に伴い、回転処理後のブランクディスク鍛造物の外径の変化量も大きくなり、これは、全体として規制される熱処理応力が多いほど、ブランクディスク鍛造物の各部位が応力の拘束を失うことにより復元する弾性変形量も大きくなるからである。具体的に言えば、ブランクディスク鍛造物の熱処理応力が引張応力である領域が部分的な塑性変形を発生することにより引張応力を規制するのに伴い、それと拘束し合うバランス状態にあった圧縮応力の領域が、拘束を失うことに同期して弾性伸張が発生し、巨視的な表現として、熱処理残留応力が高いほど、ブランクディスク鍛造物の外径Ｄ_{ｏｕｔｅｒ}の値によって、予備回転処理後に発生する永久的な成長量が大きくなる。図５ｃは、最大回転速度が９７５０回転／ｍｉｎの予備回転処理は、ロードやアンロードの全過程に、ブランクディスク鍛造物の外径Ｄ_{ｏｕｔｅｒ}は回転速度とともに動的に変化する状況を示した。１回の特定の予備回転処理について、ブランクディスク鍛造物は、弾性変形段階で回転速度の二乗と正比例関係である。図５ｃと図５ｄとを比較して分かるように、ブランクディスク鍛造物は、降伏し始めてから、外径の成長速度が速くなり、最大回転速度に達した後のアンロード段階では、ブランクディスク鍛造物の外径は回転速度の二乗に対して線形関係を保つ。熱処理残留応力の増加に伴い、同じ予備回転条件でブランクディスク鍛造物の降伏開始時間がより早く、アンロード後の外径の永久変形量がより大きい。特に、図５ｄは、図５ｃの回転速度増加段階の部分拡大図であり、熱処理残留応力の大きさは、回転速度が増加する初期段階からブランクディスク鍛造物の変形挙動に顕著な影響を与えたことを示す。

ブランクディスク鍛造物が図１ｂに示す低スクロール構造である場合、内孔径Ｄ_{ｉｎｎｅｒ}と外円径Ｄ_{ｏｕｔｅｒ}が近似しかつ両方とも大きい寸法特徴を備え、即ち（Ｄ_{ｏｕｔｅｒ}－Ｄ_{ｉｎｎｅｒ}）／Ｄ_{ｉｎｎｅｒ}＜＜１であり、したがって、予備回転処理によってブランクディスク鍛造物の断面に形成される応力ひずみ量の勾配がいずれも小さく、全体的な分布が比較的均一である。低スクロール構造のこの特徴は、ブランクディスク鍛造物の予備回転技術でブランクディスク鍛造物の完全な降伏を実現して、微量の永久塑性変形を取得することが可能にするものであり、この方法により、熱処理による「内部では引張して外部では圧縮する」残留応力分布状態の徹底的な再構成が可能になる。実際に、低スクロールのような環状特徴を備えた全ての回動部材構造は、いずれも予備回転処理の方法を用いて、ブランクディスク鍛造物の応力分布状態を規制するのに適している。

ブランクディスク鍛造物が図１ａに示すような高スクロール構造である場合、高スクロールブランクは、断面面積の小さい低スクロール、ラビリンスディスク、バッフルなどの部品と比べて、通常、重量が重く、ハブなどの部位の肉厚が大きいという特徴があるため、熱処理中に、ブランクディスク鍛造物にさらに高いレベルの残留応力が形成されることが多い。高スクロール部品の全体的な構造は、外側の輪郭が太く、剛性が高いという特徴があるため、熱処理残留応力が機械加工時に部品の寸法に影響を与える問題が、薄肉のほかのディスク部材ほど深刻ではない。

しかしながら、過速度試験及び組立・就役を行う過程において、熱処理残留応力における引張応力が就役荷重に重畳されると、ブランクディスク鍛造物の特定部位は、公称荷重よりもかなり低い回転速度範囲内で降伏点に達する可能性がある。ブランクディスク鍛造物の作業中に、残留引張応力領域が部分的に降伏する現象が一旦発生すると、熱処理残留応力を全体的に規制することになり、これは、ブランクディスク鍛造物に、想定外のマクロスケールの有害変形が生じることとして表される。実際に、過度に高い熱処理残留応力は、高スクロールが就役中に、設計強度を遥かに下回る作業条件で寸法の安定性を失う主な原因の１つである。

高スクロールの内径と外径との差が大きく、即ち（Ｄ_{ｏｕｔｅｒ}－Ｄ_{ｉｎｎｅｒ}）／Ｄ_{ｉｎｎｅｒ}＞＞１であるため、高スクロールブランク全体を降伏させる回転速度を用いて前処理を行うと、内径部位の塑性変形量が過度に大きくなり、材料の組織性能に影響を与える。

しかしながら、高スクロールのハブ部位の特定領域は、熱処理時の引張応力が非常に高いため、低い回転速度範囲、さらには内孔Ｄ_{ｉｎｎｅｒ}に降伏が発生するのに必要な回転速度を下回る場合でも、ブランクディスク鍛造物の最大引張応力の部位は、すでに降伏点に達し、それにより熱処理残留応力を効果的に規制するができる。

図９ａ及び図９ｂから分かるように、熱処理状態の高スクロールブランクには、非常に高い残留応力があり、その内部の最大引張応力はハブ内部領域に現れ、引張応力の最大値は、７００～９００ＭＰａに達し、これに対応して、ブランクディスク鍛造物の表面の最大圧縮応力は１０００ＭＰａ以上に達することができる。材料の室温降伏強度が１２００ＭＰａである場合、就役条件でハブ部位の作業荷重が５００ＭＰａ以上に達すると、ハブ部位は、実際には降伏状態になり、さらにはブランクディスク鍛造物上の残留応力が規制されることになる。この場合、ブランクディスク鍛造物に、公称降伏強度を遥かに下回る作業条件範囲内で、想定外の有害変形が生じる。

低スクロールの予備回転処理でブランクディスク鍛造物全体の降伏を実現できることと異なって、塑性変形量が過度に大きいことを防止するために、予備回転処理の最大回転速度であるとき、一般的に、高スクロールのハブ部位のみに塑性変形を導入して、ハブ領域の引張応力を十分に規制することを確保する。予備回転処理中に、スポーク板及びリム領域は塑性変形する必要が完全にないため、リム部位の転位密度などマイクロ組織状態に影響を与えない。こうすると、ハブ部位の降伏強度及び疲労性能の向上を保証するだけでなく、リム部位の高温クリープ耐久性能が減衰しないことも保証できる。

図９ｃ及び図９ｄに示すように、予備回転処理を実施することにより、ハブ内部領域のうち弦方向引張応力の領域が基本的に除去され、熱処理残留応力がブランク上で効果的に規制されると同時に、内孔から始まって直径方向に勾配分布を呈する圧縮応力は、ブランクディスク鍛造物のスポーク板に対応する領域を覆う。予備回転処理の調整を経たこのような内部応力分布状態、特にハブ領域に取り入れられた弦方向圧縮応力によって、ブランクディスク鍛造物の疲労性能を顕著に向上させることができる。もっと重要なのは、ハブ内部の過度に高い弦方向引張応力を除去したため、ブランクディスク鍛造物が、後続の就役中に、残留引張応力に作業応力が重畳された後に降伏点に早めに達し、さらに、残留応力の規制によりブランクディスク鍛造物に有害変形が生じることを防止できる。したがって、ブランクディスク鍛造物の予備回転処理は、効果的な応力規制手段として、高スクロールの後続就役時の寸法の安定性を保証するのに非常に重要な工学的応用価値を有する。

また、ステップＳ１１２では、予測回転数を合理的に設定するために、シミュレーションで得られた残留応力分布に応じて要する規制程度を設定することができ、つまり、予備回転後のブランクディスク鍛造物の残留応力を４００ＭＰａ以下に規制する。具体的には、異なる予備回転の回転数を設定して予備回転をシミュレーションすることができ、最終的に決定された予測回転数は、予備回転後のブランクディスク鍛造物の残留応力を４００ＭＰａ以下に規制するものにしなければならない。ここで、ブランクディスク鍛造物に過度に大きい塑性変形が生じて、ブランクディスク鍛造物の機械的特性に影響を与えることを回避するために、さらに、予備回転をシミュレーションして決定された予測回転数は、ブランクディスク鍛造物の変形量を０．０５％～１．９５％にするものである必要がある。

上記のステップＳ１３では、監視されたブランクディスク鍛造物の変形量と目標変形量との比較状況に応じて、予備回転の回転数を適応的に調整することができる。具体的には、ステップＳ１３は、前記ブランクディスク鍛造物が前記予測回転数で前記予備回転を行う際に監視された前記ブランクディスク鍛造物の変形量が前記目標変形量に達した場合、前記予測回転数が前記目標回転数であるＳ１３１、又は、前記ブランクディスク鍛造物が前記予測回転数で前記予備回転を行う際に監視された前記ブランクディスク鍛造物の変形量が前記目標変形量を下回る場合、最終回転数で前記予備回転を行う際に監視された前記ブランクディスク鍛造物の変形量が前記目標変形量に達するまで、前記予備回転の回転数を徐々に増加し、前記最終回転数が前記目標回転数であるＳ１３２を含む。

ステップＳ１３１は、予測回転数が比較的正確な場合（即ち、予測回転数で予備回転を行って、必要な目標変形量を達成できる）に適用できる。ステップＳ１３２は、予測回転数がそれほど正確ではない（即ち、予測回転数で予備回転を行って、目標変形量を達成できない）ため、修正した場合に適用でき、具体的な修正方法は、予備回転の回転数を段階的に増加することである。目標回転数を正確に決定するため、毎回増加する回転数を正確に設定することができ、好ましくは、ステップＳ１３２は、前記ブランクディスク鍛造物が前記予測回転数で前記予備回転を行う際に監視された前記ブランクディスク鍛造物の変形量が前記目標変形量を下回る場合、１分当たり２５～１００回転の段階で前記予備回転の回転数を徐々に増加することを含む。

また、予備回転によってブランクディスク鍛造物に過度に大きい塑性変形が生じて機械的特性に影響を与えることを回避するために、ブランクディスク鍛造物に微小な塑性変形のみが生じるように、目標変形量を合理的に設定することができ、好ましくは、前記目標変形量は０．０５％～１．９５％である。ここで、ブランクディスク鍛造物の変形量を監視するとき、通常、ブランクディスク鍛造物の特定位置（例えば、外径）の変形量を監視するが、ブランクディスク鍛造物全体において異なる位置の変形量は異なり、例えば、内径の変形量が外径の変形量よりも大きく、各位置の変形量の範囲が目標変形量の範囲内にあるように保証すべきである。

さらに、ブランクディスク鍛造物の変形量を正確に監視するために、好ましくは、前記予備回転を行うとき、少なくとも現在の回転数で３０秒維持してから前記ブランクディスク鍛造物の変形量を監視することにより、予備回転による塑性変形が安定した状況で監視することを確保できる。

また、ブランクディスク鍛造物は、予備回転によって塑性変形する過程に、弾性変形から塑性変形にかけて経験し、そのため、ブランクディスク鍛造物の変形量は、安定するまで連続的に変化する。変形量を正確に監視するために、好ましくは、前記ブランクディスク鍛造物の変形量を監視するとき、安定した値を監視された前記ブランクディスク鍛造物の変形量とする。ここで、監視された変形量が所定の時間１５ｓ内にあり、変動範囲が±０．０１ｍｍであると、安定した値に達したと考えられる。

本発明の方法において、最終的に就役時の作業条件に有利な内側では圧縮して外側では引張する応力分布状態を、ブランクディスク鍛造物の径方向に形成させるために、ステップＳ２は、前記ブランクディスク鍛造物の変形量が前記目標変形量に達したことが監視されると、前記予備回転の回転数を停止するまで徐々に低下させることを含む。具体的には、回転数を、１秒当たり１～２００回転の減速で停止するまで低下させることができる。

本発明の方法は、残留応力が高い様々な高温合金のブランクディスク鍛造物に適用でき、ここで、前記高温合金は、変形した高温合金、粉末高温合金或いは鋳造高温合金である。

また、本発明の方法の効果を検証するために、予備回転後の前記ブランクディスク鍛造物の残留応力分布図を描くステップＳ３を含む。予備回転後の残留応力分布図を描くことにより、本発明の技術効果をより直観的に見出すことができる。ここで、様々な適切な方法で予備回転後の残留応力分布図を描くことができ、例えば、シミュレーションにより描くことができる。効率を向上させるために、好ましくは、ステップＳ３は、前記ブランクディスク鍛造物が前記目標回転数で予備回転することをシミュレーションして、予備回転後の前記ブランクディスク鍛造物の残留応力分布を取得するＳ３１と、前記ブランクディスク鍛造物の特徴部位（例えば、シミュレーション結果にしたがって選択した応力分布の変動が小さい位置）の実際の残留応力を検出し、前記実際の残留応力を利用して予備回転後の前記ブランクディスク鍛造物のシミュレーション結果を補正して、予備回転後の前記ブランクディスク鍛造物の残留応力分布を得るＳ３２と、を含む。

本発明では、適切な方法でブランクディスク鍛造物の特徴部位の実際の残留応力を検出することができ、例えば、Ｘ線回折法でブランクディスク鍛造物の特徴部位の表面から０．２ｍｍ以下の処で測定することができる。

最終効果を確保するために、本発明に適用されるブランクディスク鍛造物は、予備回転する前に明らかな応力集中がないディスク部材構造であり、環状ブランクディスク鍛造物、コンプレッサーディスクブランクディスク鍛造物、タービンディスクブランクディスク鍛造物などを含むが、これらに限定されない。さらに、本発明に適用される予備回転は、操作温度が－５０℃～７５０℃であり、特別な室温条件で行われ、具体的な操作温度は、主に材料の引張強度に対する降伏強度の比率によって決定される。

本発明では、ブランクディスク鍛造物が予備回転するのに要する回転数の制御、温度などの条件を満たすことができれば、様々な適切な高速回転機器を用いて予備回転を行うことができ、適切な機器で予備回転中の変形量を監視することができ、例えば赤外線で変位を検出する。

以下、実施例で本発明の方法を説明する。

実施例１
ＧＨ４０６５合金の環状の低圧タービンディスクブランク鍛造物を使用し、構造は、図１ｂに示すように、内径がφ６１８ｍｍで、外径がφ８２９ｍｍで、高さが８５ｍｍで、重量が１３０ｋｇであり、当該ブランクディスク鍛造物は、標準熱処理を経た後、弦方向残留応力が主要応力であり、Ｘ線回折法を用いて特徴部位から０．２ｍｍ以下の処で検出を行い、ハブでの弦方向応力は－３８４ＭＰａで、スポーク板での弦方向応力は－６４１ＭＰａで、リムでの弦方向応力は－７４０ＭＰａであり、応力レベルが高い。

前記ブランクディスク鍛造物の熱処理をシミュレーションして前記ブランクディスク鍛造物の残留応力分布を取得し、図２ｃに示すように、上記の検出結果と一致する。

続いて、予備回転をシミュレーションする。（Ｄ_{ｏｕｔｅｒ}－Ｄ_{ｉｎｎｅｒ}）／Ｄ_{ｉｎｎｅｒ}＜＜１の低スクロールについて、ブランクディスク鍛造物の内径Ｄ_{ｉｎｎｅｒ}から外径Ｄ_{ｏｕｔｅｒ}にかけて、即ちブランクディスク鍛造物全体の塑性変形量を０．０５％～０．２５％の小さな範囲内に制御する。

図４ａ～図４ｆに示すように、熱処理応力が存在する条件で異なる回転数で予備回転処理中のブランクディスク鍛造物の応力ひずみ分布をシミュレーションして、ブランクディスク鍛造物内部の最大弦方向引張応力を４００ＭＰａ以下に規制すると決定し、０．１５％～０．２５％の全体変形に対応する予測回転数は９４００回転／分である。

前記ブランクディスク鍛造物に対して、前記予備回転を９４００回転／分で６０秒行い、図６に示すように、前記ブランクディスク鍛造物の変形量を監視して、外径での残留変形が０．７５ｍｍであることが測定されたところ、ブランクディスク鍛造物全体に対応する変形量は０．１８～０．２４％であり、目標変形量に達したため、予測回転数が目標回転数である。同じ仕様のブランクディスク鍛造物のバッチに対して、９４００回転／分の予備回転で残留応力を規制することができる。

本発明の効果を検証するために、予備回転の前と後に、ブランクディスク鍛造物の特徴部位（例えばシミュレーション結果に応じて、応力分布の変動が小さい領域を選択）の表面から０．２ｍｍ以下の処で、Ｘ線回折法を用いて残留応力を測定し（結果は図７に示すとおりである）、試験結果は、シミュレーション結果と基本的に一致し、最後に、後期のディスク部材の加工プロセスに用いられる予備回転後の残留応力分布図を描く。

予備回転後のブランクディスク鍛造物は、超音波探傷では異常が見られず、さらにディスク部材を解剖しても、ディスク部材のミクロ組織、各部位の機械的特性（結果は図８ａ及び図８ｂに示すとおりである）は予備回転していないディスク部材との差が大きくない。

実施例２
実施例１の方法を使用して、典型的な粉末高温合金であるＦＧＨ９６合金のタービンディスクブランクディスク鍛造物（以下、高スクロールブランクと呼ぶ）を処理し、構造は、図１ａに示すように、内径φが１２５ｍｍで、外径φが５５０ｍｍで、ハブの高さが２１５ｍｍで、リムの高さが６０ｍｍであり、当該ブランクディスク鍛造物は、標準熱処理を経た後、前記ブランクディスク鍛造物の熱処理をシミュレーションして前記ブランクディスク鍛造物の残留応力分布を取得し、結果は、図９ａ及び図９ｂに示すように、ディスク部材内部の最大弦方向引張応力は７００ＭＰａ超に達し、応力レベルが高い。

前記ブランクディスク部材が異なる回転数で前記予備回転を行うことをシミュレーションして、ブランクディスク部材内部の最大弦方向引張応力が４００ＭＰａ以下まで低下したと決定し、０．１５～１．０％の全体変形に対応する予測回転数は２３５００回転／分である。

前記ブランクディスク部材の試験片に対して、前記予備回転を２３５００回転／分で６０秒行い、前記試験片の変形量を監視し、残留変形が０．７０ｍｍであることが測定されたところ、対応する変形量は０．１２～０．８８％であり、目標変形量に達していない。毎回５０回転を増加することにより、最終回転数は２３５５０回転／分になり、残留変形は０．８２ｍｍに達し、目標変形量０．１５～０．９８％に達し、最終回転数が目標回転数である。同じ仕様ブランクディスク部材のバッチに対して、２３５５０回転／分の予備回転で残留応力を規制することができる。

本発明の効果を検証するために、予備回転の前と後に、ブランクディスク部材の特徴部位の表面から０．２ｍｍ以下の処で残留応力を測定し（結果は図１０ｂを参照）、試験結果はシミュレーション結果と一致する。超音波で予備回転後のブランクディスク部材を探傷し、かつ、ブランクディスク部材に対して全面的な解剖性能試験を行い、明らかな変化が見られなかった。

さらに、本発明の寸法の安定性の面での効果を検証するために、予備回転する部材と予備回転しない部材との過速度試験を行い、試験結果は、図１０ｃに示すように、１２２％の過速度試験において、予備回転後のディスク部材の寸法は基本的に変化しない。

以上、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。本発明の技術的構想範囲内で、本発明の技術的解決手段に対して様々な簡単な変形を行うことができる。本発明の各具体的な技術特徴を、任意の適切な方法で組み合わせることができる。不必要な繰り返しを回避するために、本発明では、各可能な組合せ方法については別途に説明しない。しかし、これらの簡単な変形及び組合せは、本発明に開示された内容と同様なものと見なすべきであり、いずれも本発明の保護範囲内に属する。

Claims (6)

1. 高温合金のブランクディスク鍛造物の残留応力の予備回転による規制方法であって、
   前記ブランクディスク鍛造物の残留応力を規制するための目標回転数を決定するとともに、前記ブランクディスク鍛造物を予備回転させることにより、残留応力の規制に必要な塑性変形の目標変形量を決定するステップＳ１と、
   ステップＳ１は、
   前記ブランクディスク鍛造物の残留応力を規制するための予測回転数を、シミュレーション計算により取得するステップＳ１１と、
   ステップＳ１１は、
   前記ブランクディスク鍛造物の熱処理をシミュレーションして前記ブランクディスク鍛造物の残留応力分布を取得するステップＳ１１１と、
   ステップＳ１１１は、前記ブランクディスク鍛造物の実際の残留応力を検出し、前記実際の残留応力を利用して前記ブランクディスク鍛造物のシミュレーション結果を補正して、前記ブランクディスク鍛造物を熱処理した後の残留応力分布を得ることを含み、
   前記ブランクディスク鍛造物が異なる回転数で前記予備回転を行うことをシミュレーションして、前記予測回転数を決定し、ただし、前記予測回転数で行われた前記予備回転により、前記ブランクディスク鍛造物の残留応力が４００ＭＰａ以下に規制され、かつ、前記ブランクディスク鍛造物の目標変形量が０．０５％～１．９５％になるステップＳ１１２と、を含み、
   前記ブランクディスク鍛造物が前記予測回転数で前記予備回転を行い、前記ブランクディスク鍛造物の変形量を監視するステップＳ１２と、
   前記目標回転数を決定するために、監視された前記ブランクディスク鍛造物の変形量に応じて前記予測回転数を調整するステップＳ１３と、を含み、
   ステップＳ１３は、
   前記ブランクディスク鍛造物が前記予測回転数で前記予備回転を行う際に監視された前記ブランクディスク鍛造物の変形量が前記目標変形量に達した場合、前記予測回転数が前記目標回転数であるステップＳ１３１、又は、
   前記ブランクディスク鍛造物が前記予測回転数で前記予備回転を行う際に監視された前記ブランクディスク鍛造物の変形量が前記目標変形量を下回る場合、最終回転数で前記予備回転を行う際に監視された前記ブランクディスク鍛造物の変形量が前記目標変形量に達するまで、前記予備回転の回転数を徐々に増加し、前記最終回転数が前記目標回転数であるステップＳ１３２を含み、
   ステップＳ１３２は、前記ブランクディスク鍛造物が前記予測回転数で前記予備回転を行う際に監視された前記ブランクディスク鍛造物の変形量が前記目標変形量を下回る場合、１分当たり２５～１００回転の段階で前記予備回転の回転数を徐々に増加することを含み、
   前記ブランクディスク鍛造物が前記目標回転数で前記予備回転を行い、前記ブランクディスク鍛造物の変形量を監視し、前記ブランクディスク鍛造物の変形量が前記目標変形量に達したことが監視されると、前記予備回転を停止するステップＳ２と、
   予備回転後の前記ブランクディスク鍛造物の残留応力分布図を描くステップＳ３と、を含み、
   好ましくは、ステップＳ３は、
   前記ブランクディスク鍛造物が前記目標回転数で予備回転することをシミュレーションして、予備回転後の前記ブランクディスク鍛造物の残留応力分布を取得するステップＳ３１と、
   前記ブランクディスク鍛造物の特徴部位の実際の残留応力を検出し、前記実際の残留応力を利用して予備回転後の前記ブランクディスク鍛造物のシミュレーション結果を補正して、予備回転後の前記ブランクディスク鍛造物の残留応力分布を得るステップＳ３２と、を含む、
   ことを特徴とする高温合金のブランクディスク鍛造物の残留応力の予備回転による規制方法。
2. 前記予備回転を行うとき、少なくとも現在の回転数で３０秒維持してから前記ブランクディスク鍛造物の変形量を監視する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の高温合金のブランクディスク鍛造物の残留応力の予備回転による規制方法。
3. 前記ブランクディスク鍛造物の変形量を監視するとき、前記ブランクディスク鍛造物の変形量が安定した値に達したとき、及び／又は、
   ステップＳ２は、前記ブランクディスク鍛造物の変形量が前記目標変形量に達したことが監視されると、前記予備回転の回転数を停止するまで徐々に低下させることを含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載の高温合金のブランクディスク鍛造物の残留応力の予備回転による規制方法。
4. 前記高温合金は、変形した高温合金、粉末高温合金或いは鋳造高温合金である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の高温合金のブランクディスク鍛造物の残留応力の予備回転による規制方法。
5. 前記ブランクディスク鍛造物は、環状ブランクディスク鍛造物、コンプレッサーディスクブランクディスク鍛造物、タービンディスクブランクディスク鍛造物を含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載の高温合金のブランクディスク鍛造物の残留応力の予備回転による規制方法。
6. 前記予備回転は、操作温度が－５０℃～７５０℃である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の高温合金のブランクディスク鍛造物の残留応力の予備回転による規制方法。