JPH04221083A - 可変合金組成を有する製品の製造方法 - Google Patents

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】

【０００１】

【発明の背景】本発明は、可変合金組成を有する構造物
の製造に関するものである。更に詳しく言えば本発明は
、ある組成の内側部分と別の組成の外側部分とを有する
構造物を製造するための方法に関する。

【０００２】高温下で大きい強度を要求する用途におい
ては、公知のごとく、ニッケル基および鉄基超合金が広
く使用されてきた。ジェットエンジンの設計は、多くの
点で、エンジン部品の構成材料として使用される超合金
が示し得る性質によって支配される。かかる超合金の性
質が改善されるのに伴い、ジェットエンジンの設計は進
歩し、そしてより大きい推力／重量比が達成される。一
般に、ジェットエンジンの運転温度が高くなるほど燃料
効率は向上する。それ故、運転温度をより高くすること
、およびかかる高温下で使用し得る超合金材料を発見す
ることが、効率のより高いジェットエンジンを製造する
ための絶えざる設計基準となっている。また、ジェット
エンジンの運転性能を向上させようとする努力が続けら
れているのに伴い、高強度超合金の耐熱特性を改善する
ことも常に要望されている。

【０００３】金属学における多くの進歩が高強度超合金
の改良を助けてきた。その実例としては、超合金中にγ
’　相析出強化剤を使用して析出物の体積分率を増大さ
せることが挙げられる。また、粉末冶金技術および等温
鍛造の使用による改良も行われてきた。このようにして
、超合金の高温特性の改善が達成されてきたのである。 更にまた、ジェットエンジンの全ての部品が同じ動作条
件に暴露されるわけではないから、各々のエンジン部品
の要求条件に最も良く適合するようにそれぞれの部品を
相異なる金属組成物で構成し得ることも認められてきた
。

【０００４】一部の部品においては、様々な性質の間に
おけるバランスを調整することが行われてきた。たとえ
ば、部品が十分に大きい場合には、それの動作条件は全
体にわたって一様であるとは限らない。すなわち、ジェ
ットエンジン内に設置されるある種の大形部品において
は、それの様々な部分が相異なる温度に暴露され、従っ
て相異なる要求特性を有することがある。それ故、かか
る大形部品の場合には、該部品のある部位において満足
すべき性質を得るために別の部位における性質を犠牲に
しなければならないことがある。このように相異なる性
質を要求する部品の実例としては、毎分１２０００回以
上の高速で回転する結果として特に外側部分に大きい応
力が加わるようなジェットエンジン用の円板が挙げられ
る。

【０００５】上記のごとき円板の異なる部分における要
求特性の違いを補償するため、かかる円板の外側部分お
よび内側部分に望ましい組合せの性質を付与するための
方法が考案されてきた。たとえば、本発明の場合と同じ
譲受人に与えられた米国特許第４８２０３５８号の明細
書中には、単一の合金から成る円板の内側部分（または
心部）および外側部分（または外周部）に相異なる性質
を付与するための方法が開示されている。このように、
円板の様々な部分において相異なる性質を達成し得たこ
とは貴重な業績である。

【０００６】それ以外にも、円板の内側部分をある合金
で形成しかつそれの外側部分を別の合金で形成するため
の努力も行われてきた。しかしながら、２種の合金を接
合しようとする場合に問題が起こった。すなわち、境界
部に酸化物層が存在する場合には、任意の溶接法の使用
により酸化物の存在に打勝って円板中に弱い区域を残留
させないようにすることは困難なのである。なお、円板
の内側部分と外側部分との間の溶接部に存在する欠陥を
検出することは容易でない。

【０００７】本発明の方法は、吹付成形操作に際して合
金の組成を変化させようとするものである。その結果、
吹付成形物の第１の部分は第１の組成を有することによ
ってある組合せの性質を示す一方、吹付成形物の第２の
部分は第２の組成を有することによって別の組合せの性
質を有することになる。

【０００８】

【発明の概要】本発明の目的の１つは、部分によって２
種以上の異なる組成を有する複合構造物の製造方法を提
供することにある。

【０００９】また、鮮明な境界を形成することなしに２
つの合金部分が接合されて成る構造物を提供することも
本発明の目的の１つである。

【００１０】更にまた、内部に少なくとも２種の異なる
金属が配置されて成る円板の予備成形物の製造方法を提
供することも本発明の目的の１つである。

【００１１】更にまた、部分によって２種の異なる合金
が存在するような合金構造物を提供することも本発明の
目的の１つである。

【００１２】本発明のその他の目的は、以下の説明を読
むことによって自ら明らかとなろう。

【００１３】本発明に従って一般的に述べれば、第１の
金属の流れが分配るつぼから噴霧区域に供給されるよう
な吹付成形装置が用意される。かかる第１の金属を噴霧
区域内において噴霧し、そして支持面上に吹付けること
により、該支持面上に予備成形物の第１の層が形成され
る。このように第１の金属を吹付けて支持面上に予備成
形物を形成する操作が継続される一方、分配るつぼ内に
相当量の第１の金属が残留している時点において、少量
の金属変性剤を分配るつぼ内に添加して第１の金属と混
合することにより、変性金属が調製される。分配るつぼ
から予備成形物の第１の層上への金属の吹付けを継続す
ることによって予備成形物の直径は増大するが、分配る
つぼに対するそれ以上の金属の添加は行われない。その
結果、支持面上に配置された第１の金属から成る内側部
分と、第１の金属に接合された変性金属から成る外側部
分とを有する予備成形物が得られることになる。

【００１４】添付の図面を参照しながら以下の説明を読
めば、本発明は一層明確に理解されよう。

【００１５】

【発明の詳細】合金系の中には、それに含有される添加
剤に応じて性質が顕著に変化するようなものがある。た
とえば、ある種の添加剤は合金系の強度を増大させるこ
とが認められている。すなわち、このような強化剤を低
い濃度で含有する合金はより低いレベルの強度を示すの
に対し、該強化剤を高い濃度で含有する同じ合金はより
高いレベルの強度を示すのである。

【００１６】同様に、合金系の延性を変化させる変性剤
も存在する。すなわち、このような延性付与剤を低い濃
度で含有する合金はより低いレベルの延性を示すのに対
し、該延性付与剤を高い濃度で含有する同じ合金はより
高いレベルの延性を示すのである。

【００１７】本発明は、合金の性質を変化させる変性剤
（たとえば、強化剤、延性付与剤またはその他の変性剤
）のレベルに応じて所望の性質が変化するような合金系
を利用するものである。このような変性剤の一例は、前
記の「発明の背景」中に記載されている。詳しく述べれ
ば、γ’　相析出物によって強化された超合金において
は、析出物の体積分率の増大によって超合金の高い強度
が更に向上することが判明している。換言すれば、γ’
　相生成剤を添加してγ’　相析出物の体積分率を増大
させれば、合金自体の強化が達成されることが判明して
いるのである。

【００１８】本発明に従えば、変性剤を全く含まないか
、あるいは変性剤を低い濃度で含有する合金を用いて吹
付成形操作が開始され、そして吹付成形操作を継続しな
がら該合金に変性剤が添加される。その結果、吹付成形
操作の後半部分においては、吹付成形操作の開始時に使
用された未変性の合金ではなく変性済みの合金が吹付け
られることになる。吹付成形製品の２つの異なる部分に
おいて要求される性質が相異なる場合、該製品の２つの
異なる部分に単一の基礎合金を使用することは顕著な利
益をもたらす。

【００１９】たとえば円板の場合には、心部において要
求される強度よりも外周部において要求される強度の方
が大きいことが知られている。従って、かかる円板の予
備成形物を製造することは本発明の適当な用途の一例を
成すのである。このような予備成形物は、特定の添加剤
または変性剤を低い濃度で含有する基礎合金から成る内
側部分と、同じ添加剤または変性剤を高い濃度で含有す
る外側部分とから構成されている結果、その添加剤また
は変性剤は該予備成形物から最終的に製造される円板の
外側部分に追加の強度を付与することになる。

【００２０】次に、上記の目的を達成するための方法を
図１および２に関連して説明しよう。その後、本発明の
実施例において得られた結果を図３に関連して説明する
。なお図３は、特定の合金系について本発明を実施する
ことによって得られた測定データをプロットしたもので
ある。

【００２１】先ず図１を見ると、本発明を実施するため
に使用し得るような吹付成形装置１０が部分断面立面図
として示されている。詳しく述べれば、るつぼ１２が分
配るつぼとして設置される。この分配るつぼ１２は、溶
融金属１６を収容すると共に、それの直下に位置する噴
霧区域に溶融金属の流れを供給するために役立つ。この
分配るつぼ１２は、互いに嵌合して（ちょうど樽の側板
のごとくに）るつぼの側壁を形成する複数の水冷式金属
セグメントから成る分節型るつぼであることが好ましい
。この場合、各々のセグメントは隣接するセグメントか
ら電気的に絶縁され、また各々のセグメントは個別に水
冷される。水冷がもたらす利益は、分配るつぼの内側に
金属のスカルが形成され、それによって溶融金属中への
セラミック粒子の混入が回避されることである。とは言
え、溶融金属は１組の誘導コイル１４の作用によって運
転温度に維持される。このような分節型るつぼを使用し
た場合、電束は分配るつぼ１２を貫通して内部の溶融金
属に作用し得ることになる。このようにすれば、前記の
「発明の背景」中に述べられているようなセラミック粒
子の問題の一部が解決されるのである。

【００２２】分配るつぼ１２の底部の注ぎ口２０から流
出する溶融金属の流れ１８は噴霧区域２１内に入り、そ
こにおいて図示されない供給源からノズル２２を通して
供給される噴霧ガスの噴流の作用を受ける。

【００２３】噴霧区域２１内において噴霧ガスにより溶
融金属の流れ１８が噴霧される結果、円錐形を成して広
がる溶融金属の液滴２４が発生する。このような液滴の
発生は、吹付成形法の通常の実施の場合と同じである。 かかる液滴は支持面に衝突するが、図示の場合には、こ
の支持面は中空のマンドレル２８から成っている。マン
ドレル２６は、図示されない駆動手段により、矢印で示
されたような回転運動および往復運動を行う。このよう
な運動の結果、支持面上には一様な層が予備成形物２６
として形成される。かかる予備成形物２６の第１の部分
（図示の場合には内側部分）は未変性の合金から形成さ
れることになる。

【００２４】予備成形物２６の第２の部分（図示の場合
には外側部分）は、変性剤（たとえば、強化剤、延性付
与剤またはその他の変性剤）によって変性された合金を
用いて形成される。かかる合金の変性を達成するために
は幾つかの方法があるが、基本的には、分配るつぼ１２
内に残留する溶融金属を添加することによって変性が行
われる。

【００２５】次に図２を見ると、図１と同じ装置が示さ
れており、また予備成形物２６は半分だけ完成した状態
にある。更にまた、分配るつぼ１２内にはほぼ半量の溶
融金属１６が残留している。この時点において、任意適
宜の手段（たとえば、スコップ３０）によって一定量の
変性剤３２が添加される。かかる変性剤は液体または固
体粉末の形態で添加することもできるし、あるいは分配
るつぼ１２内の溶融金属１６中に容易に溶解し得るその
他任意の形態で添加することもできる。誘導コイル１４
が分配るつぼ１２内の溶融金属１６に作用することによ
り、溶融金属１６は加熱されるばかりでなく、絶えず攪
拌される。その結果、添加された変性剤３２は分配るつ
ぼ１２内の溶融金属１６中に急速に混合されかつ溶解さ
れることになる。

【００２６】次に、図３について説明しよう。図３中に
は、比較的少ない量のアルミニウムを添加することによ
って変性させ得る合金を用いて行われた実験から得られ
たデータが示されている。

【００２７】この実験においては、先ず最初に、低いγ
’　相含量を有する合金を用いて予備成形物の第１の部
分（すなわち、内側部分）が形成された。吹付成形操作
中の所定の時点において、残留する溶融金属浴中に既知
量のアルミニウムが添加された。数秒以内に、溶融金属
浴の組成は低γ’　相合金から高γ’　相合金に変化し
た。図３は、横軸上に示された予備成形物の厚さに対し
て合金中におけるアルミニウム濃度の変化をプロットし
たグラフである。図から明らかなごとく、初期アルミニ
ウム濃度は約２．２重量％であって、この濃度は予備成
形物の厚さが約１．５インチに達するまで一定であった
。この時点においてアルミニウムの添加が行われた結果
、図から明らかなごとく、約１．７０インチの厚さにお
いて合金中のアルミニウム濃度の劇的な増加が起こった
。約２．０インチの厚さにおいて、アルミニウム濃度は
約４重量％にまで上昇した。残りの実験時間を通じ、合
金中のアルミニウム濃度は約４重量％に維持された。

【００２８】図３には２回の実験の結果が示されている
が、これらの実験はそれぞれ実験１および実験２として
表わされている。

【００２９】上記の実施例においては、吹付成形操作中
に予備成形物のγ’　相含量を変化させるため溶融金属
にアルミニウムが添加されたが、合金系にその他の変性
剤を添加することによっても吹付成形された予備成形物
の一部分の性質を変化させ得ることは言うまでもない。 たとえば、吹付成形操作の進行中にその他の元素（たと
えば、タンタル）または親合金（アルミニウムを含有し
たもの、もしくは含有しないもの）を分配るつぼ内に添
加することにより、形成される予備成形物の相異なる部
分において所望の顕微鏡組織および所望の組合せの性質
を得ることもできるのである。

【図面の簡単な説明】

【図１】マンドレル、予備成形物および分配るつぼの配
置状態を示す略図である。

【図２】分配るつぼ内に変性剤が添加されるところを示
す、図１と同様な略図である。

【図３】吹付成形操作中にアルミニウムを添加したＢ型
合金について、予備成形物中における変性剤の濃度の変
化を深さに対してプロットしたグラフである。

【符号の説明】

１２　　分配るつぼ １４　　誘導コイル １６　　溶融金属 １８　　溶融金属の流れ ２０　　注ぎ口 ２１　　噴霧区域 ２２　　ノズル ２４　　液滴 ２６　　予備成形物 ２８　　マンドレル ３０　　スコップ ３２　　変性剤

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　（ａ）　吹付成形すべき溶融金属の入
   った分配るつぼを用意し、（ｂ）　前記分配るつぼの直
   下に位置する噴霧区域に溶融金属の流れを供給するため
   の注ぎ口を前記分配るつぼの底部に設け、（ｃ）　前記
   噴霧区域に噴霧ガスを供給することにより、前記分配る
   つぼから前記噴霧区域に供給された前記溶融金属の流れ
   を噴霧化して円錐状に広がる微細な液滴の流れを形成し
   、（ｄ）　前記微細な液滴で被覆されるように溶着表面
   を配置してこれを被覆し、（ｅ）　前記分配るつぼ内に
   存在する前記溶融金属の性質を変化させるために金属変
   性剤を前記分配るつぼ内に添加し、（ｆ）　前記金属変
   性剤を前記溶融金属中に混入し、次いで（ｇ）　吹付成
   形操作を継続することによって変性済みの溶融金属を前
   記予備成形物上に吹付け溶着する諸工程から成ることを
   特徴とする、部分によって相異なる性質を有する予備成
   形物の製造方法。
2. 【請求項２】　　前記溶融金属がニッケル基超合金であ
   る請求項１記載の方法。
3. 【請求項３】　　前記溶融金属が超合金であり、かつ前
   記金属変性剤が強化剤である請求項１記載の方法。
4. 【請求項４】　　前記溶融金属が超合金であり、かつ前
   記金属変性剤がγ’　相生成剤である請求項１記載の方
   法。
5. 【請求項５】　　前記溶融金属が超合金であり、かつ前
   記金属変性剤がアルミニウムである請求項１記載の方法
   。