JPH03177525A - デュアル式合金製タービンディスク - Google Patents

デュアル式合金製タービンディスク

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JPH03177525A
JPH03177525A JP2265312A JP26531290A JPH03177525A JP H03177525 A JPH03177525 A JP H03177525A JP 2265312 A JP2265312 A JP 2265312A JP 26531290 A JP26531290 A JP 26531290A JP H03177525 A JPH03177525 A JP H03177525A
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alloy
approximately
rim
hub
turbine disk
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Daniel D Krueger
ダニエル・ドナルド・クリューガー
Bruce P Bardes
ブルース・ポール・バーデス
Richard G Menzies
リチャード・ゴードン・メンジズ
Swami Ganesh
スワーミ・ガネシュ
Jeffrey F Wessels
ジェフリイ・フランシス・ウェッセルス
Sulekh C Jain
スレク・チャンド・ジャイン
Michael E Sauby
マイケル・ユージン・ソービイ
Keh-Minn Chang
ケー―ミン・チャン
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Original Assignee
General Electric Co
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    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/22—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating taking account of the properties of the materials to be welded
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F5/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product
    • B22F5/009—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product of turbine components other than turbine blades
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/04—Making non-ferrous alloys by powder metallurgy
    • C22C1/0433—Nickel- or cobalt-based alloys
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/28—Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2300/00—Materials; Properties thereof
    • F05D2300/60—Properties or characteristics given to material by treatment or manufacturing
    • F05D2300/603—Composites; e.g. fibre-reinforced
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はガスタービンに用いられるタイプのディスク、
より具体的にはガスタービン用のデュアル合金ディスク
に関する。かかるディスクは二つの独立した部材から構
成され、各部材は異なる合金からできている。これら部
材は次に接合されて一体型の物品を形成する。
発明の背景 ガスタービンエンジンのタービンブレードを支えるディ
スクは高温環境中を高速で回転する。これらのタービン
ディスクは半径方向に沿って、中央部すなわちハブ部か
ら外縁部すなわちリム部へかけて、遭遇する作動条件が
異なる。タービンブレードは、タービンを回転させる高
温の燃焼ガスにさらされる。これらタービンブレードは
ディスクの外縁部へ熱を伝達する。その結果、この部分
の温度はハブ部すなわちボア部の温度より高くなる。ま
た、応力条件もディスクの半径方向に沿って変化する。
最近までは、ディスク全体に亘って変化する応力および
温度の条件を満足することができる単一の合金製ディス
クを設計することが可能であった。
しかし、現代のガスタービンでは、増大したエンジン効
率と改良されたエンジン性能が必要とされるため、エン
ジンのより高い作動温度が課せられている。その結果、
これらの最新型エンジンのタービンディスクは従前のエ
ンジンより高い温度にさらされるため、ディスク用途に
使用する合金に寄せられる要求はさらに大きくなってい
る。外周部すなわちリム部の温度は１５００°Ｆに達し
得るが、内部すなわちハブ部の温度は通常それより低く
、たとえば１０００”Ｆ程度である。
このように半径方向に温度勾配があることに加えて応力
の勾配もある。すなわち、通常のディスクの場合、温度
が低い方のハブ領域では応力が高く、高めの温度のリム
領域では応力が低めである。
ディスクの半径方向に沿ったこれらの作動条件の違いの
ため、異なるディスク領域で異なる機城的性質が要求さ
れる。すなわち、リム部は苛酷なりリープおよび保持時
間疲れ亀裂成長条件にさらされ、ハブ部は苛酷な疲れお
よび高応力条件にさらされる。最新型のタービンエンジ
ンにおいて効率と性能の点で最大の作動条件を達成する
ためには、リム部が優れた保持時間疲れ亀裂成長耐性お
よび高温クリープ耐性を有しつつ、ハブ部は適度な温度
で高い引張強さおよび疲れ亀裂耐性を有するディスク合
金を利用するのが望ましい。
約１５００°Ｆまでの温度で作動する最新型タービンエ
ンジンのタービンディスクに要求される苛酷な機械的特
性要件に合致することができるディスクを得るために、
今までにさまざまな解決法が試みられて来た。効率とパ
ワーがより大きくなった最新型エンジンで要求される高
い作動温度に合致するためのひとつの解決策は、応力レ
ベルを下げるために、充分な高温安定性を有する合金か
ら作成されたディスクの重量を増やすことである。
この方法は、系の重量が望ましくない程に増大して、パ
ワーと効率が上昇した利点を打消してしまうので、航空
機にとっては不満である。
別のアプローチは、異なる部分が違った性質を有する単
一の合金ディスクを作製することであった。そのような
タービンディスクの製造方法の概略は、１９８６年８月
２６日に発行された米国特許第４，６０８，０９４号に
述べられている。このディスクは、いろいろな機城的性
質を得るために異なる領域で異なる加工処理をしである
迅−の合金から作製される。しかし、そのようなディス
クは必然的に、使用する単一合金の制限を受ける。
あるいは、１ｌｌｊ−合金ディスクが、米国特許第４゜
８２０．３５８号に記載されているように、異なる温度
で、または同一の温度で異なる峙間熱処理にかけである
異なる部分をもっていてもよい。そのような差動的な熱
処理をすると、異なる部分で異なる機械的性質を有する
ディスクが生成する。
しかし、それでもこのディスクはすでに述べたように使
用する単一合金の１１１限を受ける。
１９７６年２月２４日に発行された米国特許第３．９４
０，２６８号はタービンディスク／ブレードアセンブリ
に関し、金型内に置かれた放射状に外へ向かう複数の翼
部材に連結されて熱間静水圧プレス（ｒＨＩＰＪ）によ
るディスクエレメントの形成の間に冶金学的に接合され
た粉末金属材料のディスクを開示している。この米国特
許第３゜９４０．２６８号に記載された方法によってい
るいろな材料のディスクにブレードを接合することがで
きるが、そのような方法で形成されるハイブリッドすな
わち複合のタービンロータ構造体では隣接する翼部材間
で精密な寸法コントロールができないことがある。その
ようなコントロールは、ディスクに連結された翼部材の
隣接通路内を通る所望のガス流を維持するために必要で
ある。しかし、米国特許第３．９４０．２６８号では、
ディスクの別々の部分を接合するための手段は提供され
てない。
もうひとつ別のアプローチは、所望の特性に応じてディ
スクの異なる部分に異なる合金が使用されているデュア
ル式合金製ディスクを利用することである。このディス
クは、一体型の物品を形成するために異なる合金が互い
に接合される接合領域をもっている。デュアル式合金デ
ィスクを製造するための各種の方法が提案され評価され
て来ている。デュアル式合金ディスクを製造する今まで
に知られている技術はすべて、形状、費用または合金組
成に関する特別な問題のために限定されている。本明細
書で使用する接合（部）という用語は、つながれる部材
がボルトやリベットなどのような機械的手段によって接
触状態に保持される機械的接合とは違って、拡散鑞付ま
たは拡散溶接の場合のようにつながれる部材がその金属
または第三金属の溶融により一体として保持される冶金
学的な接合（部）を指す。接合（部）およびそれに近接
する変化した金属の領域を接合領域とよぶ。
ディスクのリム部を粗い結晶粒子で形成し、ディスクの
中心部を細かい結晶粒子で形成するという概念は、米国
航空宇宙局（ＮＡＳＡ）の「デュアル合金ディスクに関
する材料とプロセスの開発（ＤＯＶａｌｏｐｍｅｎｔ　
ｏｆ’　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ａｎｄ　Ｐｒｏｃｅｓｓ
　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒ　Ｄｕａｌ　Ａ１１ｏｙ
　Ｄｉｓｋｓ）Ｊと題するレポート第ＣＲ−１６５２２
４号に開示されている。このレポートの示しているとこ
ろによると、ディスクのリム部はＨＩＰによって粉末金
属から形成される。
その後そのディスクのハブ部が金属粉末で充填され、容
２非中に封入される。こうして封入したリム部と粉末金
属をＨＩＰ操作にかけてデュアル合金タービンディスク
を生成する。ＨＩＰの欠点は、ＨＩＰにかける前に接合
部に存在していた不純物はすべてそこに残るということ
である。ＨＩＰに類似したある方法では、鍛錬した２つ
のセクションをＨＩＰ操作によって互いに接合する。こ
の技術では、接合領域の露出された側面の同りに個別の
缶または溶接部もしくは鑞付部のような気密なエンクロ
ージャが必要になる。このＨＩＰ法のさらに別の変形で
は、鍛練した２つの部材の間に環状の粉末リングを配置
して全体をＨＩＰにかける。
融接も示唆されてはいるが、ディスクに使用するような
ニッケル基超合金をこの方法で溶接するのは困難である
。
代わりの方法としてイナーシャ溶接が可能である。しか
し、非常に異なる合金の場合、加貼されたゾーンで不均
一な流れ、不適当な接合部清浄および初期融解が起こる
可能性がある。
異なる合金から作製された部材を接合するための別の技
術は、ニッケル基合金に適用されるような拡散接合によ
るものである。しかし、この方法は、現在のところ、デ
ュアル式合金ディスクを製造するのに充分な信頼性があ
るとは考えられていない。
さらに別の方法はパイキャスティングといわれており、
物品の一部分（たとえば鍛錬または鍛造したハブ）に対
して直接他の部分（たとえばリム）を鋳造するものであ
る。この方法で得られるのは望ましくない機械的接合で
あって冶金学的な接合とは区別される。さらに、物品の
一部分を鋳造しなければならないという事実が意味する
ことは、少なくともその部分には異質物、収縮、介在物
および多孔質巣などの特徴的な鋳傷が存在し得るという
ことである。そのような欠陥が存在することは高速で回
転する部材にとって望ましくない。
共抑出および等温鍛造によって作製され、コアが１種の
合金からなり、また外側部が他の合金からなるビレット
は、従来から比較的大きな困難もなく製造されている。
しかし、鍛造法を発展させて、接合された部材間の界面
の正確な位置決めと形状を制御するためにはさらに開発
が必要である。
異種の合金をいろいろな組合せで溶接するには従来から
爆発溶接が利用されている。この方法は、ひとつの合金
の表面上に他の合金を被覆するのに有用であることが分
かつている。しかしながら、デュアル合金ディスクの接
合領域の形状はノ）ブをリムに接合するための爆発エネ
ルギーを導入するのに適していないため、この爆発溶接
法をデュアル合金ディスクの接合に使用することは現状
では不可能である。
発明の概要 本発明のひとつの目的は、長いタービンディスク寿命を
確保するために引張強さと低サイクル疲れ亀裂伝播耐性
とを最大にした材料からなる独立したハブ部、および、
優れた高温クリープ耐性と応力破断強さをもち、しかも
優れた保持時間疲れ亀裂成長耐性を有する材料からなる
独立したリム部といった別個の部材を一緒に接合して、
実質的に欠陥をもたない接合領域を有する一体型夕−く
ンディスクを形成することによって物品を提供すること
である。
また、本発明の目的は、ひとつの超合金組成物から作製
されたハブ部をもち、これとは違う超合金組成物から作
製されたリム部に接合されているタービンディスクを提
供することである。
本発明の別の目的は、異なる合金から構成された金属物
品で、ひとつの部分の機械的性質が他の部分の機械的性
質とは異なっているような金属物品を提供することであ
る。
さらに、本発明の別の目的は、ひとつの超合金からなる
部分がそれとは異なる超合金から構成される他の部分に
接合されており、その接合領域がほとんど欠陥をもって
いないような金属物品を提供することである。
本発明のさらに別の目的は、ディスクのハブ部て引張特
性と低サイクル疲れ亀裂成長耐性とが改良され、かつそ
のリム部では保持時間疲れ亀裂成長耐性、クリープおよ
び応力破断耐性が改良されたガスタービンディスクを提
供することである。
本発明のもうひとつ別の目的は、第一の合金から作製さ
れたハブと第二の合金から作製されたリムとの間に健全
な冶金学的接合を有し、その界面ｎｆｌ域で大規模な局
所的変形が行なわれると共に、欠陥をちっているかもし
れない材料が特別に作成されたダイに形成されたキャビ
ティー中に排除された結果、その界面領域からほとんど
すべての汚染物および欠陥が除かれているようなデュア
ル合金ディスクである。
本発明により、異なる機械的性質を有する少なくとも２
つの異なる部材から作製された一体型の物品が開示され
る。これらの異なる部材は、突合わされる部材の相対す
る表面が互いにほぼ合致するように予備成形する。これ
らの部材を特別なりローズドダイに入れ、欠陥をもって
いるかもしれない材料を接合領域から追出すような接合
技術を用いてそれらの塑性温度範四で互いに接合して、
異なる部分が異なる性質をもち接合領域に欠陥をほとん
どもたない一体型デュアル合金物品を生成する。
ひとつの態様では、異なる合金から作製された２つの部
材を有するタービンディスクが開示される。ひとつの部
材は、良好な保持階間疲れ亀裂成長耐性、高い応力破断
耐性およびクリープ耐性を有する合金から作製されたリ
ムである。二番目の部材のハブまたはボアは、高い引張
強さと良好な低サイクル疲れ亀裂耐性を有する合金から
作製される。このハブとリムは、その対応する噛合い面
すなわち界面が互いにほぼ合致するようにあらかじめ予
備成形される。次に、これらのハブとリムは、特別な接
合技術により互いに冶金学的に接合される。このハブと
リムがそれらの塑性温度範囲の少なくとも最低温度にあ
るうちに、そのハブとリムを一諸にしてクローズドグイ
に入れる。このクローズドダイは接合される部材を完全
に包囲する。ただし、グイ中のキャビティーは、はぼ合
致する表面同士が接する接合領域に近接して位置するこ
とになる。鍛逍力を加えると、ハブとリムは接合領域で
互いに接合されるが、欠陥をもっているかもしれない材
料はこの接合領域からグイキャビティー中へ追出されて
、その結果接合領域はほとんど欠陥を含まなくなる。本
明細書中で使用する「はぼ合致する表面」という用語は
、互いに接合されることになる部材のそれぞれの表面を
さしており、これらは鍛造力がかかったときに欠陥をも
っているかもしれない材料が接合領域からＤＩ除される
ように特別に設計され製造されたものである。
「残部が本質的にニッケルからなる」という表現は、そ
の合金の残部が、ニッケルに加えて、特性および／また
は量の点でその合金の有利な特徴に悪影響を及ぼさない
不純物や不可避元素も少量含んでいてもよいことを意味
する。
本発明の上記の目的とその他の目的、特徴および利点は
、添付の図面を参照して以下の詳細な説明をみれば最も
良く理解できるであろう。
発明の詳細な説明 領域によって異なる機械的性質を有する物品は、その物
品の異なる領域が、異なる機械的性質を要求するいろい
ろな作動環境にさらされるような用途で使用される。こ
れらの不均一な作動条件が、ひとつの均質な材料ではい
ろいろな機械的特性要件を満たすことができないほどに
苛酷になると、２つの異なる材料から作製された物品、
すなわち複合材が必要になる。本明細書で使用する「複
合材」という用語は、各々が異なる組成もしくは異なる
機械的性質を有するかまたは各々組成と機械的性質の両
方が異なる２種以上の材料（金属または合金）から作製
された物品をさすものとする。
本発明による物品は、同一の合金から作製されたいくつ
かの部分を有し、その各々の部分がその物品の特定の部
分に要求される機械的性質をもつように熱／機械加工処
理されているものでもよいし、あるいはまた、同族種類
（たとえばニッケル基合金）の中の異なる合金から作製
され、各々の合金がその物品の特定の部分の機械的特性
要件を満たすように選択されているものでもよい。また
、本発明は、異なる種類（たとえば、チタン基合金と鉄
基合金）の合金または金属から作製された異なる部分か
らなる物品も包含する。
本発明のいくつかの態様において、タービンディスクの
各々の部分（各部）は特定の組成を有する高品質の超合
金粉末から形成される。この粉末を、締固めおよび伸出
プロセスを用いてビレットに加工する。このビレットは
、この形態でさらに加工してもよいし、または後に鍛造
してブレフォムとしてもよい。次に、こうしてＫｉられ
た製品は、あらかじめ成形された別々の界面を有するハ
ブかリムに成形することができ、さらにその後特別な機
械的性質をもたせるように処理することができる。プレ
フォームに与えられる特別な処理は選択した合金および
所望の機械的性質に応じて変化するということが理解さ
れよう。ひとつの具体例では、ハブとリムのプレフォー
ムが、各々が２つの相（すなわちγマトリックスとγ′
析出物）を有するニッケル基超合金から作製される。こ
のγ′は冷却の際および時効処理の際に形成され、ソル
バス温度といわれる温度より高温に加熱すると溶解する
。このソルバスより高い温度はスーパーソルバス温度と
いわれる。ハブとリムのプレフォームは、それらのスー
パーソルバス温度範囲内でγ′相がγマトリックス中に
溶解して固溶体になれるように充分な時間溶体化処理す
ることができる。次にこのハブとリムのプレフォームを
急冷して最初の均一なγ′相を析出させた後、スーパー
ソルバス温度より低い温度でγマトリックス中に適当な
結晶粒度の細かいγ′相が生成するのに充分な時間特効
処理する。
同時係属中の米国特許出願第（代理人名簿番号１３ＤＶ
−９７２９）号に開示されているように、リムを作製す
るのに好ましい超合金は、コバルトを約１０．７〜１９
．２％、クロムを約１０．８〜約１４．０％、モリブデ
ンを約３．３〜約５゜８％、アルミニウムを約１．９〜
４．７％、チタンを約３．３〜５．６％、ニオブを約０
．９〜約２．７％、ホウ素を約０．００５〜０．０４２
％、炭素を０．０１〜約０．０６２％、ジルコニウムを
０〜約０．０６２％、そして場合によってハフニウムを
θ〜約０．３２％含み、残部が本質的にニッケルからな
る組成を有する。
また、同時係属中の米国特許出願第４１７，０９７号に
開示されているように、ハブを作製するのに好ましい超
合金は、コバルトを約１１．８〜１８．２％、クロムを
約１３．８〜約１７．２％、モリブデンを約４．３〜６
，２％、アルミニウムを約１．４〜３．２％、チタンを
約３．０〜５゜４％、ニオブを約０，９０〜３．２％、
ホウ素を約ｏ、ｏｏｓ〜０．０４０％、炭素を約０．０
１０＝０．０９０％、ジルコニウムを約０．０１０〜約
０．０９０％、そして場合によってタングステンを約３
．０〜約６．０％、さらに場合によってハフニウムおよ
びタンタルより成る群の中から選択される元素を約０．
　４％までで含み、残部が本質的にニッケルからなる組
成を有する。この合金の具体例のひとつで場合によって
使用することがあるタングステンは超合金の強度を増大
させるが、その超合金の密度が望ましくないほどに上昇
してしまう。
本発明の複合物品の設計上唯一の制限は、ある接合方法
により、接合領域に対立したキャビティーを有するクロ
ーズドダイ中で部材を互いに接合することによって有害
な欠陥をほとんどもたない接合領域が得られるように、
部材の対応する隣接部分を適当な形状に正しく形成しな
ければならないということである。また、これらの部材
を構成する合金は適合性でなければならない。すなわち
、これらの合金は接合領域で冶金学的な結合を形成する
ことができなければならない。
ここで第１図を参照する。第１図には、異なる部材２と
３から作製された物品１が示されている。
部材２は部材３とは異なる超合金から作製してもよいし
、あるいは部材３とは異なる熱／機械加工処理を受けた
同一の超合金から作製してもよい。
こうして、各部材は異なる機械的性質を示すようになっ
ている。第１図は、接合プロセスの結果得られる一体型
物品１の上面７にリブ４を形成する接合領域５から排出
された材料を示している。リブ４には、接合プロセスで
生じる典型的な欠陥である亀裂や酸化物の介在物などの
欠陥が存在し得る。このリブ４はその後の加工処理の間
に通常の除去技術によって除去できる。接合領域５の最
終形状は接合される部材の最初の形状によって定まり、
この例では円錐形である。
第２図に、耐クリープ性で保持時間疲れ亀裂耐性の合金
製リム１１と、高い引張強さをもち低サイクル疲れ耐性
の合金製ハブ１３とを有するデュアル合金タービンディ
スク１０を示す。同時係属中の米国特許出願第４１７，
０９５号に開示されているように、リム１１とハブ１３
は、まず最初に、これらのハブ１３とリム１１の隣接す
る表面が互いにほぼ合致するように軸対称的に予備成形
する。予備成形は、機械加工や成形加工などのような公
知技術のいずれで行なってもよい。次に、ハブ１３とリ
ム１１との間に接合領域が形成されるような接合プロセ
スを用いてハブ１３とリム１１を冶金学的に互いに接合
する。すなわち、クローズドダイ中でハブをリム内に配
置し、ハブ合金とリム合金の両者がそれぞれの塑性変形
温度範囲内になるのに必要とされる最低の温度に加熱す
る。
ハブとリムは、これらのハブとリムの両方の合金の超塑
性変形が可能になるような最低の温度まで加熱すると好
ましい。クローズドダイは接合領域に隣接してそれと同
じ平面内に位置するキャビティーをもっている。鍛造後
、欠陥をもっている可能性のある材料１４は接合領域か
らこのキャビティー内に排出される。材料１４はその後
の処理で除去される。
接合に関連して本明細書に記載したタイプのりローズド
ダイ中での鍛造では、２個のダイ部（これらは−諸にな
って製品の全側面を包囲する）の壁またはキャビティー
の内部の熱い金属が完全に賦形される。この鍛造用のイ
ンプレッションは全体が上側のダイ部もしくは底側のダ
イ部にあってもよいし、または２つのダイ部間に分配さ
れていてもよい。鍛造はブロッカ−型鍛造、通常の鍛造
、または精密公差鍛造のいずれでもよいが、精密公差タ
イプが好ましい。
出発材料として使用する予備成形部品は特定の形態であ
る必要はなく、たとえば鋳放し品、鍛造品または押出品
でよい。また、接合前にいずれかの部材に対して広範囲
に亘る塑性変形を施すこともできる。接合中の変形は接
合部付近の比較的小さい領域に限られるのが普通である
。部材間の界面の位置は接合される部分を機械加工する
ことによって調節することができる。本明細書には円錐
形の接合部を与える円錐形の界面を有する部材を開示し
であるが、他にもたくさんの代替法が存在する。接合部
は複雑な（すなわち２つの異なる頂角をもつ）表面を有
するひとつの部材で構成されていてもよい。双方の部材
が凌雑な表面をもっていてもよい。複雑な曲率の表面も
使用できる。これらの組合せはいずれも、「はぼ合致す
る」表面という表現によって包含される。接合部の形状
を選択する上で使用すべきひとつの基準は、その形状が
、元々の表面材料を、完成した接合部からこの接合部に
隣接する空間すなわちキャビティー内へ排出するのに有
効であるかどうかということである。
接合に先立ち、いずれかの部分を従来の方法によって熱
処理してもよい。ただし、その熱処理の間に発達した組
織が接合プロセスによって悪影響を受けてはならないし
、熱処理された組織が接合プロセスに対して悪影響を及
ぼしてはならない。
ディスクの各領域で改良された性質を有するデュアル式
合金製タービンディスクでは、高温でリム部に要求され
るクリープ耐性と保持時間疲れ亀裂成長耐性の要件を満
足することができ、一方それより低温ではあるがそれよ
り高い応力にさらされるディスクのハブ部に要求される
所望の強度を維持することができる、より大きいディス
クが得られるために、エンジンの作動効率が改良される
ことになる。したがって、従来単一合金ディスクにより
高い作動温度で経験されていた制限を克服できる。
通常、ハブ材料は低サイクル疲れ亀裂伝播に対する抵抗
性が最大になるように選択するが、リム材料は長いター
ビン寿命を確保するために保持時間疲れ亀裂成長耐性、
クリープ耐性および応力破断耐性が最大になるように選
択する。
関連の米国特許出廓第（代理人名簿番号１３ＤＶ−９１
３７）号の発明に係る方法に従って製造されたとき、本
発明のデュアル式合金製ディスクは、特に接合領域に比
較的欠陥が少ない可能性があるという点で、それ自体が
ひとつの発明を構成する。以下の特定の実施例で本発明
に包含される物品を説明する。これらの合金の組合せの
多くを普通のタービンディスクの実物大模型または直方
体形状のクーポンとして互いに接合した。これらは例示
の目的で挙げるものであり、限定の意味はまったくない
。
実施例１ リム１１７５（、重量％で、コバルトを約１０．９〜約
１２．９％、クロムを約１１．８〜約１３゜８％、モリ
ブデンを約４．６〜約５．６％、アルミニウムを約２．
１〜約３．１％、チタンを約４゜４〜約５．４％、ニオ
ブを約１．１〜約２．１％、ホウ素を約０．００５〜約
０．０２５％、炭素を約０．０１〜約０．０６％、ジル
コニウムを０〜約０．０６％、ハフニウムを０〜約０゛
、３％有Ｌ、残部が本質的にニッケルである合金ＳＲ３
という超合金から作製されている第２図のタービンディ
スク１０゜ 実施例２ リム１１が、重量％で、コバルトを約１７．０〜約１９
．０％、クロムを約１１，０〜約１３゜０％、モリブデ
ンを約３．５〜約４．５％、アルミニウムを約３．５〜
約４．５％、チタンを約３゜５〜約４．５％、ニオブを
約１．５〜約２，５％、ホウ素を約０．０１〜約０．０
４％、炭素を約０゜０１〜約０２０６％、ジルコニウム
を０〜約０６０６％有し、残部が本質的にニッケルであ
る合金ＫＭ４という超合金から作製されている第２図の
タービンディスク１０゜ 実施例３ ハブ１３が、重量％で、コバルトを約１６〜約１８％、
クロムを約１４〜約１６％、モリブデンヲ約４．５〜約
５，５％、アルミニウムを約２〜約３％、チタンを約４
．２〜約５．２％、ニオブを約１．１〜約２．１％、ホ
ウ素を約０．０２０〜約０．０４０％、炭素を約０．０
４０〜約０゜０８０％、ジルコニウムを約０．０４０〜
約０゜０８０％有し、残部が本質的にニッケルである合
金Ａ３という超合金から作製されている第２図のタービ
ンディスク１０゜ 実施例４ ハブ１３が、重量％で、コバルトを約１２〜約１４％、
クロムを約１５〜約１７％、モリブデンを約５．　０〜
約６．　０％、アルミニウムを約１゜６〜約２．６％、
チタンを約３．２〜約４．２％、ニオブを約１．５〜約
２．５％、ホウ素を約０゜００５〜約０．０２５％、炭
素を約０．０１０〜約０．０５０％、ジルコニウムを約
０．０１０〜約０．０５０％、場合によりハフニウムお
よびタンタルより成る群の中から選択される元素を約０
゜３％まで有し、残部が本質的にニッケルである合金Ｗ
５という超合金から作製されている第２図のタービンデ
ィスク１０゜ 実施例５ ハブ１３が、重量％で、コバルトを約１７〜約１９％、
クロムを約１５〜約１７％、モリブデンを約４．５〜約
５．５％、タングステンを約２゜５〜約３．５％、アル
ミニウムを約２〜約３％、チタンを約２．５〜約３．５
％、ニオブを約２゜５〜約３，５％、ホウ素を約０．０
２０〜約０６０４０％、炭素を約０．０３０〜約０．０
７０％、ジルコニウムを約０．０３０〜約０．０７０％
有し、残部が本質的にニッケルである合金ＫＭ２という
超合金から作製されている第２図のタービンディスク１
０゜ 実施例６ リム１１が、重工％で、コバルトを約１２〜約１４％、
クロムを約１５〜約１７％、モリブデンを約３，５〜約
４．５％、タングステンを約３゜５〜約４，５％、アル
ミニウムを約１，５〜約２゜５％、チタンを約３．２〜
約４．２％、ニオブを約０．５〜約１．０％、ホウ素を
約０．０１〜約０．０４％、炭素を約０．０１〜約０．
０６％、ジルコニウムを約０．０１〜約０．０６％、バ
ナジウムを０〜約０．０１％、ハフニウムを０〜約０．
３％、イツトリウムを０〜約０．０１％有し、残部が本
質的にニッケルであるルネ（Ｒｅｎｅ’）　８８という
超合金から作製されている第２図のタービンディスク１
００ 実施例７ ハブ１３が、重量％で、コバルトを約１２〜約１４％、
クロムを約１５〜約１７％、モリブデンを約３，５〜約
４．５％、タングステンを約３゜５〜約４．５％、アル
ミニウムを約１，５〜約２゜５％、チタンを約３．２〜
約４．２％、ニオブを約０．５〜約１．０％、ホウ素を
約０６０１〜約０．０４％、炭素を約０．０１〜約０．
０６％、ジルコニウムを約０．０１〜約０．０６％、バ
ナジウムを０〜約０．０１％、ハフニウムを０〜約０．
３％、イツトリウムを０〜約０．０１％有し、残部が本
質的にニッケルであるルネ（Ｒｅｎｅ’）　８８という
超合金から作製されている第２図のタービンディスク１
０゜ 実施例８ ハブ１３が、重量％で、コバルトを約７〜約９％、クロ
ムを約１２〜約１４％、モリブデンを約３．３〜約３．
７％、タングステンを約３．３〜約３６７％、アルミニ
ウムを約３．３〜約３，７％、チタンを約２．３〜約２
．７％、ニオブを約３．３〜約３．７％、ジルコニウム
を約０．０３〜約０．７％、炭素を約０．０４〜約０．
０９％、ホウ素を約０．００６〜約０．０１５％有し、
残部が本質的にニッケルであるルネ（Ｒｅｎｅ’）　９
５という超合金から作製されている第２図のタービンデ
ィスク１０゜ 実施例９ リム１１が、公称重量％で、コバルトを約１５％、クロ
ムを約１０％、モリブデンを約３％、アルミニウムを約
５６５％、チタンを約２．２５％、タンタルを約２．７
％、ニオブを約１．３５％、ジルコニウムを約０．０６
％、バナジウムを約１゜０％、炭素を約０．０５％、ホ
ウ素を約０．０３％有し、残部が本質的にニッケルであ
るＨＫ−３６という超合金から作製されている第２図の
タービンディスクｌＯ０ 実施例１０ リム１１が合金ＳＲ３から作製され、ハブ１３が合金Ａ
３から作製されている第２図のタービンディスク。
実施例１１ リム１１が合金ＳＲ３から作製され、ハブ１３が合金Ｗ
５から作製されている第２図のタービンディスク。
実施例１２ リム１１が合金ＳＲ３から作製され、ハブ１３がルネ（
Ｒｅｎｅ’）　９５から作製されている第２図のタービ
ンディスク。
実施例１３ リム１１が合金ＳＲ３から作製され、ハブ１３が合金Ｋ
Ｍ２から作製されている第２図のタービンディスク。
実施例１４ リム１１が合金ＳＲ３から作製され、ハブ１３がルネ（
Ｒｅｎｅ゛）　８８から作製されている第２図のタービ
ンデイろり。
実施例１５ リム１１が合金ＫＭ４から作製され、ハブ１３が合金Ａ
３から作製されている第２図のタービンディスク。
実施例１６ リム１１が合金ＫＭ４から作製され、ハブ１３が合金Ｗ
５から作製されている第２図のタービンディスク。
実施例１７ リム１１が合金ＫＭ４から作製され、ハブ１３がルネ（
Ｒｃｎｏｏ）９５から作製されている第２図のタービン
ディスク。
実施例１８ リム１１が合金ＫＭ４から作製され、ハブ１３が合金Ｋ
Ｍ２から作製されている第２図のタービンディスク。
実施例１９ リム１１か合金ＫＭ４から作製され、ハブ１３がルネ（
Ｒｅｎｅ’）　８８から作製されている第２図のタービ
ンディスク。
実施例２０ リム１１がＨＫ−３６から作製され、ハブ１３が合金Ａ
３から作製されている第２図のタービンディスク。
実施例２１ リム１１がＨＫ−３６から作製され、ハブ１３が合金Ｗ
５から作製されている第２図のタービンディスク。
実施例２２ リム１１がＨＫ−３６から作製され、ハブ１３がルネ（
Ｒｅｎｅ’）　９５から作製されている第２図のタービ
ンディスク。
実施例２３゛ リム１１がＨＫ−３６から作製され、ハブ１３がルネ（
Ｒｅｎｅ’）　８８から作製されている第２図のタービ
ンディスク。
実施例２４ リム１１がＨＫ−３６から作製され、ハブ１３が合金Ｋ
Ｍ２から作製されている第２図のタービンディスク。
実施例２５ リム１１がルネ（Ｒｅｎｅ’）　８８から作製され、ハ
ブ１３が合金Ａ３から作製されている第２図のタービン
ディスク。
実施例２６ リム１１がルネ（Ｒｅｎｅ’）　８　ｇから作製され、
ハブ１３が合金Ｗ５から作製されている第２図のタービ
ンディスク。
実施例２７ リム１１がルネ（Ｒｅｎｅ’）　８　ｇから作製され、
ハブ１３が合金Ｋ　Ｍ　２から作製されている第２図の
タービンディスク。
実施例２８ リム１１がルネ（Ｒｅｎｃ’）　８８から作製され、ハ
ブ１３がルネ（Ｒｅｎｅｏ）８８から作製されており、
これらのリムとハブが異なる機械的性質をもつように加
工処理されている第２図のタービンディスク。
本発明の実施例１〜２７では、ハブを構成する超合金の
γ′の容積分率が、たとえば４０〜５０％程度と計算さ
れ、リムの超合金（たとえば４５〜６５％と計算される
）に対して比較的低い。このアプローチは、ハブにおけ
る引張り、低サイクル疲れおよび亀裂成長と共にリムに
おけるクリープ、亀裂成長および保持時間疲れ亀裂成長
の最良のバランスを与えると予想される。しかし、この
アプローチはおそらくなんらかの形態の別個の熱処理を
必要とするであろうが、これは困難であると思われる。
この情況で、ハブ合金のγ′ソルバス温度は一般にリム
合金のγ′ソルバス温度より低いであろう。
本発明のもうひとつ別の具体例（下記実施例２９）では
、γ′容積分率が比較的高い超合金を予備成形してデュ
アル合金ディスクのハブ部とすることができ、γ′容積
分率がそれより低い超合金を予備成形してリムとするこ
とができる。これは、このハブ合金のγ′　ソルバス（
Ｔ、１）がリム合金（ＴＲ）より高いことを意味し得る
であろう。したがって、このデュアル合金ディスクをＴ
Ｈ＞Ｔ〉ＴＲの温度Ｔで熱処理して、その部材のハブは
細かい粒子のままにする（たとえばＡＳＴＭが１０また
はそれより細かい）と共にリムの結晶粒度を粗くする（
たとえばＡＳＴＭが９またはそれより粗い）ことが可能
であろう。この考え方によって、ハブにおける優れた引
張および低サイクル疲れ特性を得ることができようが、
亀裂成長特性の低下が起こるであろう。このリム合金の
クリープ特性はγ′容積分率が高い合金を使用したとき
と同程度であろうが、保持時間亀裂成長耐性は低くなる
かもしれない。
本発明のデュアル合金ディスクの特定例を以下に挙げる
。この例のリム合金はγ′の容積分率が比較的低くてγ
′ソルバス温度が低めであり、ハブ合金はγ′の容積分
率が高めでγ′ソルバス温度が高めであって、したがっ
て、所望の特性を引出すために一体となったディスク全
体をそれらのγ′ソルバス濃度の中間の温度で均一な熱
処理にかけることが可能である。この特定の実施例は本
発明に包含される物品を説明するために挙げる単なる例
示であり、上記の特性を有するその他の超合金を組合せ
て本発明を達成することができるのであるから、この特
定例を限定と考えるべきではない。
実施例２９ リム１１がルネ（Ｒｅｎｅ’）　８８から作製され、ハ
ブ部３がルネ（Ｒｅｎｅ’）　９５から作製されている
第２図のタービンディスク。
以上、具体例に関連して本発明を説明して来たが、上記
の教示に照らして当業者には本発明の多くの修正、組合
せおよび変形が明らかであろう。
したがって、本発明の上記特定実施例に対して、特許請
求の範囲に定義した本発明の範囲内に入る変更をなし得
るものと理解されたい。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本明細書中に開示した接合方法によって互い
に鍛造された２つの部材の断面図である。 第２図は、本明細書中に開示した接合方法によって互い
に接合されたタービンディスクのハブとリムの断面図で
ある。 １・・・物品、２．３・・・各部材、５・・・接合領域
、１０・・・デュアル合金タービンディスク、１１・・
・リム、１３・・・ハブ、１４・・・欠陥をもっている
可能性がある材料。

Claims (22)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）少なくとも第一の部分と第二の部分とを含み、こ
    れらの部分が、実質的に欠陥をもたない接合領域で互い
    に接合されている製品。
  2. （２）前記部分が、同一の種類ではあるが異なる機械的
    性質を有する合金からなる、請求項１記載の製品。
  3. （３）前記部分が、異なる種類で異なる機械的性質を有
    する金属または合金からなる、請求項１記載の製品。
  4. （４）第一の金属のリムを含み、さらに第二の金属のハ
    ブを含んでいるデュアル式合金製タービンディスクであ
    って、前記ハブと前記リムは接合領域で互いに冶金学的
    に接合されており、前記接合領域は、一体型の製品とし
    て前記ディスクを形成するための接合の間に、潜在的に
    欠陥をもっている材料が排除されたために実質的に欠陥
    をもっていない、前記デュアル式合金製タービンディス
    ク。
  5. （５）前記リムが、本質的に、コバルト約１０．７〜１
    ９．２％、クロム約１０．８〜１４．０％、モリブデン
    約３．３〜５．８％、アルミニウム約１．９〜４．７％
    、チタン約３．３〜５．６％、ニオブ約０．９〜２．７
    ％、ハフニウム０〜約０．３２％、ホウ素約０．００５
    〜０．０４２％、炭素０〜約０．０６２％、およびジル
    コニウム０〜約０．０６２％を含み、残部が本質的にニ
    ッケルからなる合金で構成されている、請求項４記載の
    タービンディスク。
  6. （６）前記ハブが、本質的に、コバルト約１１．８〜１
    ８．２％、クロム約１３．８〜１７．２％、モリブデン
    約４．３〜６．２％、アルミニウム約１．４〜３．２％
    、チタン約３．０〜５．４％、ニオブ約０．９〜３．２
    ％、ホウ素約０．００５〜０．０４０％、炭素約０．０
    １０〜０．０９０％、ジルコニウム約０．０１０〜０．
    ０９０％、場合によりタングステン約３．０〜約６．０
    ％、ハフニウムおよびタンタルより成る群の中から選択
    される元素０〜約０．４％、ならびにタングステン０〜
    約３．５％を含み、残部が本質的にニッケルからなる合
    金で構成されている、請求項４記載のタービンディスク
    。
  7. （７）前記リムの合金が、合金ＳＲ３、合金ＫＭ４、ル
    ネ（Ｒｅｎｅ’）８８およびＨＫ−３６より成る群の中
    から選択されるものである、請求項４記載のタービンデ
    ィスク。
  8. （８）前記ハブの合金が、合金Ａ３、合金Ｗ５、合金Ｋ
    Ｍ２、ルネ（Ｒｅｎｅ’）９５およびルネ（Ｒｅｎｅ’
    ）８８より成る群の中から選択されるものである、請求
    項４記載のタービンディスク。
  9. （９）前記リムの合金が合金ＳＲ３、合金ＫＭ４、ルネ
    （Ｒｅｎｅ’）８８およびＨＫ−３６より成る群の中か
    ら選択されるものであり、前記ハブの合金が合金Ａ３、
    合金Ｗ５、合金ＫＭ２、ルネ（Ｒｅｎｅ’）９５および
    ルネ（Ｒｅｎｅ’）８８より成る群の中から選択される
    ものである、請求項４記載のタービンディスク。
  10. （１０）高い耐クリープ性および保持時間疲れ亀裂成長
    耐性を有する第一の合金のリムを含み、さらに高い引張
    強さおよび低サイクル疲れ亀裂成長耐性を有する第二の
    合金のハブを含んでいるデュアル式合金製タービンディ
    スクであって、前記ハブと前記リムはある接合領域全体
    で互いに冶金学的に接合されており、前記接合領域は、
    一体型の製品として前記ディスクを形成するための接合
    の間に、潜在的に欠陥をもっている材料が排除されたた
    めに実質的に欠陥をもっていない、前記デュアル式合金
    製タービンディスク。
  11. （１１）前記リムが、本質的に、コバルト約１０．７〜
    １９．２％、クロム約１０．８〜１４．０％、モリブデ
    ン約３．３〜５．８％、アルミニウム約１．９〜４．７
    ％、チタン約３．３〜５．６％、ニオブ約０．９〜２．
    ７％、ハフニウム０〜約０．３２％、ホウ素約０．００
    ５〜０．０４２％、炭素０〜約０．０６２％、およびジ
    ルコニウム０〜約０．０６２％を含み、残部が本質的に
    ニッケルからなる合金で構成されている、請求項１０記
    載のタービンディスク。
  12. （１２）前記ハブが、本質的に、コバルト約１１．８〜
    １８．２％、クロム約１３．８〜１７．２％、モリブデ
    ン約４．３〜６．２％、アルミニウム約１．４〜３．２
    ％、チタン約３．０〜５．４％、ニオブ約０．９〜３．
    ２％、ホウ素約０．００５〜０．０４０％、炭素約０．
    ０１０〜０．０９０％、ジルコニウム約０．０１０〜０
    ．０９０％、場合によりタングステン約３．０〜約６．
    ０％、ならびに、場合によりハフニウムおよびタンタル
    より成る群の中から選択される元素０〜約０．４％を含
    み、残部が本質的にニッケルからなる合金で構成されて
    いる、請求項１０記載のタービンディスク。
  13. （１３）前記リムの合金が、合金ＳＲ３、合金ＫＭ４、
    ルネ（Ｒｅｎｅ’）８８およびＨＫ−３６より成る群の
    中から選択されるものである、請求項１０記載のタービ
    ンディスク。
  14. （１４）前記ハブの合金が、合金Ａ３、合金Ｗ５、合金
    ＫＭ２、ルネ（Ｒｅｎｅ’）９５およびルネ（Ｒｅｎｅ
    ’）８８より成る群の中から選択されるものである、請
    求項１０記載のタービンディスク。
  15. （１５）前記リムの合金が合金ＳＲ３、合金ＫＭ４、ル
    ネ（Ｒｅｎｅ’）８８およびＨＫ−３６より成る群の中
    から選択されるものであり、前記ハブの合金が合金Ａ３
    、合金Ｗ５、合金ＫＭ２、ルネ（Ｒｅｎｅ’）９５およ
    びルネ（Ｒｅｎｅ’）８８より成る群の中から選択され
    るものである、請求項１０記載のタービンディスク。
  16. （１６）リムの超合金と比較して低い容積分率のγ′を
    有する超合金のハブを含んでいる、デュアル式合金製タ
    ービンディスク。
  17. （１７）リム超合金のγ′容積分率が約４５〜約６５％
    である、請求項１６記載のデュアル式合金製タービンデ
    ィスク。
  18. （１８）ハブ超合金のγ′容積分率が約４０〜約５０％
    である、請求項１６記載のデュアル式合金製タービンデ
    ィスク。
  19. （１９）リムの超合金と比較して高い容積分率のγ′を
    有する超合金のハブを含んでいる、デュアル式合金製タ
    ービンディスク。
  20. （２０）ハブ超合金がルネ（Ｒｅｎｅ’）９５であり、
    リム超合金がルネ（Ｒｅｎｅ’）８８である、請求項１
    ９記載のデュアル式合金製ディスク。
  21. （２１）リムの超合金のγ′ソルバス温度より低いγ′
    ソルバス温度を有する超合金のハブを含んでいる、デュ
    アル式合金製タービンディスク。
  22. （２２）リムの超合金のγ′ソルバス温度より高いγ′
    ソルバス温度を有する超合金のハブを含んでいる、デュ
    アル式合金製タービンディスク。
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