JPH0373621B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、高い弾性係数を有する軸及びその製
造法に係る。 動力伝達軸は多くの形式装置に用いられてい
る。本発明は特にタービンエンジン軸を対象とし
て開発され、またそれを対象として説明されてい
る。しかし、本発明はガスタービンエンジンに制
限されるものではない。 一般に、ガスタービンエンジンは中空ケーシン
グとその内部に配置された回転軸とを含んでお
り、中空ケーシングには固定ベーンの列が取付け
られており、また回転軸にデイスクが取付けられ
ており、その端に複数個のブレードが取付けられ
ている。交互に配置された固定ブレード及びベー
ンの列は、まず空気を圧縮し、次いで先に圧縮さ
れた空気により燃料を燃焼することにより得られ
たエネルギを吸収する役割をする。回転部分と固
定部分との間の間隙を最小に保つことが、このよ
うなエンジンの効率を高くする上で重要である。
タービン軸の機能は、回転のためにデイスク及び
ブレードを取付け、且エンジンのタービン部分か
らエンジンの圧縮機部分へ動力を伝達することで
ある。高い効率での運転を可能にするためには、
ケースに対してブレードの位置を正確に保つ必要
がある。タービン軸が剛固であり振れ及び振動か
ら自由であることが特に重要である。振れ及び振
動を生ずる応力は内部のエンジン動作からも航空
機の運動に伴う外部の負荷からも生じ得る。 通常、タービン軸は合金鋼から製作され、且最
大の（固有）剛性を得るため中空形態に製作され
ている。 タービン軸のような物品に生ずる振れは弾性係
数又はヤング率に反比例している。従つて、でき
る限り高い弾性係数を有する材料を用いることが
望ましい。 金属材料は一般に結晶形態を有している。即
ち、材料の個々の原子はそれらの隣接原子に対し
て予測可能な関係を有し、この関係が特定の結晶
又は結晶粒を通じて繰返し形態で延びている。ニ
ツケル基超合金は面心立方構造を有する。このよ
うな結晶の性質は方向によつて著しく変化する。 大抵の金属物品は数千の個別結晶又は結晶粒を
含んでおり、そのような物品の特定の方向に於け
る性質は物品を構成する個別結晶の平均方向の反
映である。もし結晶粒又は結晶がランダム方向を
有していれば、物品の性質は等方性であり、すべ
ての方向で等しい。広く仮定されているけれど
も、これは希なケースである。何故ならば、大抵
の鋳造及び成形過程は優先結晶方向又は集合組織
を生ずるからである。変形の際、このような優先
方向は幾つかの因子から生ずる。特定方向の結晶
は他の結晶よりも変形に抵抗する。これらの変形
に抵抗する方向の結晶は変形中に回転する傾向を
有し、それにより優先方向を生ずる。再結晶化の
間、優先方向は優先核生成及び（又は）特定方向
の結晶粒の成長から生ずる。 集合組織化（textured）材料の研究が広範囲に
行われ、幾つかの用途に実際に用いられている。
特に変圧器鋼板のような磁性材料の分野では、集
合組織化により顕著な性能改善が実現されてい
る。これについては、例えば米国特許第3219496
号明細書及びMetal Progress、1953月12月、第
71〜75頁の論文に記載されている。 強度に変形を受けた金属はしばしば、特に腐食
されときに、“繊維状”マクロ構造を呈する。こ
のような構造は介在物、粒界及び第二相のアライ
ンメントから生ずるが、材料の結晶学的組織とは
相関を有さず、本発明の混同されてはならない。 本発明の目的は、特定の種類の材料に応用され
たときに、軸線方向のヤング率又は弾性係数を25
％も増大させ得る処理過程を提案することであ
る。 本発明の他の目的は、それにより得られる高い
弾性係数を有する軸を提案することである。 本発明によれば、強化第二相と中位ないし高位
の積層欠陥エネルギとを有する特定組成のニツケ
ル基合金が、予め定められた方向に高い弾性係数
を有する物品を製造するため、熱間軸対称変形及
び冷間軸対称変形の組合せにより処理される。 本発明の上記及び他の特徴及び利点は以下の説
明及び添付図面から一層明らかになろう。 本発明の動力伝達軸のような物品に係り、また
出発材料組成及び処理パラメータの組合せによる
このような軸の製造法に係る。 本発明の処理と組合せて所要の高い弾性係数を
生ずるであろう材料の必要条件を正確に記述する
ことは困難である。好ましい材料は実質的な量
（即ち体積百分率で約30％以上）のガンマプライ
ム形式の強化相を有するニツケル基合金であると
考えられ、ここにガンマプライムはNi₃X形式
（Ｘはアルミニウム、チタン、タンタムなど）の
化合物である。また、材料が中位ないし高位の積
層欠陥エネルギを有することが重要である。積層
欠陥エネルギは、材料内部の転位の挙動に影響し
且材料の変形により形成される集合組織に強く影
響する材料特性である。 本発明は軸の軸線方向に強い＜111＞集合組織
を形成することにより高い剛性を達成する。この
集合組織は出発材料の熱間及び冷間軸対称変形の
組合せにより形成される。第１図には、二つの異
なる材料の変形により形成される集合組織への積
層欠陥エネルギの影響が示されている。合金１８
５は、本発明と組合せて用いるのに適した合金を
代表する高位積層欠陥エネルギ合金である。図面
から解るように、高い押出し比及び高い温度の組
合せにり所望の＜111＞集合組織が得られる。他
方、１１６として記載されている合金は低位の積
層欠陥エネルギを有し、押出し比及び押出し温度
に組合せによつて必要な特異＜111＞集合組織を
生じない。 先に示したように、中位ないし高位の積層欠陥
エネルギが必要とされる。不都合なことに、積層
欠陥エネルギは、明確に定義された物理的意味を
有してはいるが、測定が困難であり、測定方法が
異なると、同一の材料に対して積層欠陥エネルギ
の測定地が異なる。実際、積層欠陥エネルギを測
定するための多くの方法は、異なる測定者により
測定されたとき異なる結果を与えることが多い。
この理由で、必要な積層欠陥エエネルギを数値的
に記述することは実際的でない。しかし、積層欠
陥エネルギである合金（それよりも高位の積層欠
陥エネルギを有する合金でなければ本発明により
所望の結果を得られないことを示す合金）を記述
することは可能である。従つて、当業者はこの合
金を製作し、その積層欠陥エネルギを測定し且任
意の所望の合金の積層欠陥エネルギを測定し、比
較により意図された合金が必要な積層欠陥エネル
ギを有しているか否かを決定することができる。
この合金は第１表に合金６０７として記載されて
いる合金である。第１表には本発明の用途に関係
のある種々の他の合金の組成も示されている。 中位ないし高位の積層欠陥エネルギ、合金６０
７の積層欠陥エネルギよりも大きい積層欠陥エネ
ルギ、が必要とされることを示す以外に、約６％
以上のモリブテンを含有することが、所望の積層
欠陥エネルギを生ずる合金に必要とされるという
ことができる。６〜18％モリブテン、０〜10％ク
ロム、３〜10％アルミニウム、０〜１％タングス
テン、０〜６％タンタル、０〜６％ニオンの広い
組成範囲が本発明に有用な合金を内包するものと
考えられる。更に、Ｘ＝2Mo＋Ta＋Nb＋1.5Al
の形式の式が本発明に使用するための適性を近似
的に予測すると考えられ、約40〜約55までのこの
式の範囲の値を有する合金が一般に所要の積層欠
陥エネルギを有するものと考えられる。 出発合金は粉末又は鋳物の形態であつてよい。
最終製品に到達するのに必要な種々の処理過程が
第２図に示されている。もし材料が粉末形態であ
れば、最初の過程は粉末を脱気された変形可能な
金属容器の中に置くことである。しかし、鋳造材
料で出発する場合には、この過程は不必要であ
る。次の過程は、所望の特異＜111＞集合組織を
形成するような温度及び変形量で軸対称に材料を
変形することである。もし出発材料が粉末形態で
あれば、変形により粉末は固形体に固められ且接
着される。ここで軸対称変形という用語は、或る
軸線の周りに対称な変形過程を意味している。例
えば押出し、引抜き及びスエージングが一般的な
軸対称の変形過程である。変形がその周りに行わ
れる軸線は＜111＞集合組織がそれに沿つて形成
されるべき軸線に一致している。 再び第１図を参照すると、合金１８５の挙動
は、本発明が応用可能な合金の挙動を代表してお
り、ガンマプライムソルバスに近く但しそれより
も低い温度での変形が必要とされ、また押出し比
の増大が更にガンマプライムソルバス温度以下で
の作動を許し、しかも＜111＞集合組織を形成す
る。10：１を越える全押出し比、好ましくは15：
１を越える押出し比が強い＜111＞集合組織を形
成するために必要であると考えられる（ここで出
発材料は粉末であり、一層高い押出し比が好まし
い）。 変形の最初の過程は、特異＜111＞集合組織を
形成するべく設計された熱間変形過程である。第
二の過程は、その＜111＞集合組織を強化する冷
間変形過程である。再び、冷間変形過程は軸対称
作動（押出し、スエージング又は引抜き）であ
り、約500〓（260℃）以下で行われる。冷間変形
過程で必要とされる変形の量は横断面積に30％又
はそれ以上の減少を生じさせる変形量と等価であ
る。その結果得られる物品は、非集合組織化材料
で観察されるであろう＜111＞集合組織の少なく
とも５倍の軸線方向の＜111＞集合組織の強さを
有する。 第３図には、本質的にランダム組織を生ずる仕
方で処理された合金１８５に対する曲線に沿つて
本発明に従つて処理された合金１０３及び１８５
のヤング率（本発明に対する規範を満足する）が
示されている。比較のために、一般に用いられる
鋼軸材料であるPWA７３３の弾性係数を示す曲
線を示されている。図面から解るように、約60〓
（316℃）までの温度範囲に瓦つて、本発明に従つ
て処理された集合組織化材料は公知の材料及び非
集合組織化材料に比べてヤング率の実質的な改善
を示している。 軸線方向の＜111＞集合組織を強化は他の材料
特性、例えば材料の剪断特性に不利な影響を与え
ることが考えられる。第４図には、再び公知の
PWA７３３鉄基材料と比較して、集合組織化合
金１８５の横弾性係数が示されている。図面から
解るように、約600〓（316℃）までの温度範囲に
瓦つて、集合組織化材料が優れた横弾性係数を示
し、また横弾性係数の優秀さは温度の上昇と共に
増している。 回転機械に応用する場合、多くの材料性質の種
類はその密度により影響される。種々の材料の性
質を比較するため、密度で除算することにより性
質を正規化するのが普通である。第５図には公知
のPWA７３３並びに１８５及び１０３合金の相
対密度が示されており、この図面から解るよう
に、合金１８５及び１０３は公知の鉄基材料より
も密度が高い。しかし、室温若しくは550〓（288
℃）に於ける弾性係数を密度で除算すれば、密度
で正規化された弾性係数に対して本発明の合金は
少なくとも10％良好であることが解り、また幾つ
かの条件下では約23％までの改善が得られる。 これまでの図面に示された材料特性に加えて、
実験によれば、本発明の合金１８５のような合金
は公知の材料と比べて疲労特性の点で実質的な改
善を示すこと、軸受を製作するのに用いられる鋼
材料の熱膨張係数と正確に一致する熱膨張係数を
有すること、従つて広い温度範囲に瓦つて軸受の
嵌合及び性能が阻害されないこと、また材料が使
用温度範囲に瓦つて良好な引張強度を有すること
が示されている。 従つて、本発明は、ランダムに方向付けられた
材料に比べて少なくとも５倍の軸線方向＜111＞
集合組織を有する結果として軸線方向に高い弾性
係数を有する軸を形成するように特定のスケジユ
ールに従つて処理され得る材料のクラスを含んで
いる。 本発明をその詳細な実施例について図示し説明
してきたが、本発明の範囲内でその形態及び細部
に種々の変更が可能であることは当業者により理
解されよう。 【表】

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図及び第１Ｂ図は異なる積層欠陥エネル
ギを有する二つの材料に対して変形量及び変形温
度の関数として集合組織を示す図である。第２図
は本発明の二つの実施例に対する過程を説明する
処理フローチヤートである。第３図は本発明に従
つて処理された典型的な材料と公知の材料とに対
してヤング率と温度との関係を示す図でる。第４
図は本発明に従つて処理された典型的な材料と公
知の材料とに対して横弾性係数と温度との関係を
示す図である。第５図は本発明による典型的な材
料の密度と、本発明に従つて処理された材料と公
知の材料とに対する密度で正規化された弾性係数
とを示す図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 高い弾性係数を有する物品に於て、容積百分
   率で約30％以上のNi₃X形式の強化相を含んでお
   り中位ないし高位の積層欠陥エネルギを有するニ
   ツケル基合金からなつており、特定の軸線に沿つ
   て少なくとも5Xランダムである＜111＞集合組織
   と同一の軸線に沿つて高い弾性係数を有すること
   を特徴とする高い弾性係数を有する物品。 ２ 特定の軸線に沿つて高い弾性係数を有する物
   品の製造法に於て、出発材料として中位ないし高
   位の積層欠陥エネルギを有し且容積百分率で少な
   くとも約30％のNi₃X形式の相を含んでいるニツ
   ケル基合金を用意する過程と、高い弾性係数が望
   まれる軸線に沿つて特異＜111＞集合組織を形成
   するべく前記軸線に沿つて軸対称に前記材料を熱
   間変形する過程と、高い弾性係数が望まれる前記
   軸線の周りに軸対称に前記材料を冷間変形する過
   程とを含んでおり、それによつて＜111＞集合組
   織が少なくとも5Xランダムに強化され、且前記
   所望の軸線に沿つて高められた弾性係数が得られ
   ることを特徴とする高い弾性係数を有する物品の
   製造法。