JPH04224072A - 二重合金円板の製造方法 - 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、２種以上の合金組成を有する
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、ある合金組成の内側部分と別の合金組成の外側
部分とを有する円板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、超合金中にお
けるγ’　相析出強化剤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、円板の内側部分および外
側部分が相異なる合金材料から成る場合において、内側
部分と外側部分との間の溶接部に弱点または欠陥を生み
出すことのある酸化物層生成の問題を解決しようとする
ものである。

【０００８】

【発明の概要】本発明の目的の１つは、内側部分および
外側部分が２種以上の異なる合金から成る複合円板の製
造方法を提供することにある。

【０００９】また、実質的に酸化物層を介在させること
なしに２種の合金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、内側部分および外側部分に２種
の異なる合金が存在するような円板状構造物を提供する
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
金属の流れが第１のるつぼ（すなわち、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
して回転するマンドレル上に吹付けることにより、マン
ドレル上に予備成形物の第１の層が形成される。このよ
うな第１の層の吹付けを継続し、そして分配るつぼ内に
第１の金属の最後の部分が残留している時点において、
第２のるつぼから少量の第２の金属が分配るつぼ内に注
入されて第２の金属と混合される。吹付成形操作を継続
することにより、予備成形物の第１の層上には分配るつ
ぼからの混合金属が付着し、それによって予備成形物の
直径は増大する。分配るつぼに対して第２のるつぼから
の第２の金属の注入が続けられる結果、分配るつぼから
は第１の金属が実質的に排除され、そして分配るつぼ内
における第２の金属の量が増加する。このようにしてマ
ンドレル上に形成された予備成形物は、マンドレル上に
直接に配置された第１の金属から成る内側部分と、第１
の金属に接合された第２の金属から成る外側部分とから
構成されている。

【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】基体上に別種の組成物を付着させる場合
、両者間に顕微鏡組織的な接着層を得ることはしばしば
困難であることが知られている。その理由としては、酸
化物層が存在すること、清浄度が不十分であること、あ
るいは被覆すべき部品の最適温度制御を達成し得ないこ
とが挙げられる。

【００１６】特に高温下で加工される金属上には、酸化
物層が極めて急速に生成する。かかる酸化物層は、基体
もしくはその上に形成された金属層と引続いて設置され
る金属層との間における望ましい接着層の形成を妨害す
ることがある。

【００１７】このたび本発明者は、添付の図面に関連し
て以下に説明されるような技術の使用によって上記のご
とき従来技術の欠点を解消し得ることを見出した。

【００１８】先ず図１について説明すれば、不活性雰囲
気を満たした密閉容器内において、マンドレル１０が図
示されない手段によって取付けられている。かかるマン
ドレル１０は回転運動および軸方向往復運動を行い得る
ように取付けられている結果、噴霧区域１４から放射さ
れる液滴１２は一定範囲のマンドレル表面上に付着層１
６を形成することができる。かかる付着層１６は予備成
形物を成す。ここで言う「予備成形物」とは、適当な最
終用途（たとえば、航空機エンジンにおける用途）のた
めに適した所望の形状を有する円板などの製品を形成す
るために役立つ特性および形状を持った物体を指す。

【００１９】第１のるつぼ、すなわち分配るつぼ２４内
に存在する第１の溶融金属２２から、溶融金属の流れ１
８が下方に向かって流れ落ち、そして噴霧区域１４に入
る。

【００２０】噴霧区域１４内においては、溶融金属の流
れ１８は噴霧区域１４に向けてノズル２１から放射され
るガス流２０によって噴霧される。ガス供給源は図示さ
れていないが、アルゴンのごとき通常の噴霧用不活性ガ
スが使用される。かかる噴霧目的のために使用された不
活性ガスは、吹付成形法に関して公知のごとく、噴霧さ
れた液滴および吹付けられた付着層の酸化を防止するた
めに役立つ。

【００２１】溶融金属を噴霧し、それによって生じた液
滴を固体表面上に受止めて成形物を製造する方法は公知
の技術であって、当業界においては一般に吹付成形法と
呼ばれている。図示された場合においては、成形物はマ
ンドレル１０上に形成された付着層１６として得られる
。かかる付着層１６の寸法（たとえば、幅、長さ、厚さ
など）は、以後の機械加工によって所望の形状（たとえ
ば、ジェットエンジン用円板の心部または内側部分とし
ての形状）を付与するのに十分なものである。

【００２２】誘導コイル３０によって溶融状態に保持さ
れた第２の溶融金属２８を含む第２のるつぼ２６が分配
るつぼ２４に近接して配置されていて、それから第２の
溶融金属２８を分配るつぼ２４内に注入することができ
る。図１の段階においては、図から明らかなごとく、第
２の溶融金属２８は第２のるつぼ２６内に保持されてい
て、その間に第１の溶融金属２２はかなり少量にまで減
少する。

【００２３】次の図２に示された装置の構成要素は図１
に示されたものに対応していて、それらは同じ参照番号
によって表わされている。

【００２４】図２に示されているのは、分配るつぼ２４
内に第２のるつぼ２６の内容物を注入し始めたところで
ある。その間にも、溶融金属の噴霧およびマンドレル１
０上における予備成形物１６の吹付成形が継続される結
果、既に第１のるつぼ２４内に存在する第１の溶融金属
２２と、第２のるつぼ２６の上部から流れ３２として分
配るつぼ２４内に注入された第２の溶融金属２８との混
合物が吹付けられることになる。

【００２５】上記のごとき注入および連続的な噴霧がも
たらす結果を図３に関連して説明しよう。図３は、第１
の金属に対応する合金Ａの相対容積および第２の金属に
対応する合金Ｂの相対容積を百分率として示すグラフで
ある。時刻Ｔ０　においては、第１のるつぼ（すなわち
、分配るつぼ）内における合金Ａの相対容積は１００％
である。時間の経過に伴って合金Ａの相対容積は減少し
、やがて垂直な破線によって示された時刻Ｔｂ　に到達
する。この時刻においては、分配るつぼ内における合金
Ａの濃度はやはり１００％であるが、それの相対容積は
５０％よりもかなり低い値にまで減少している。垂直な
破線によって示された時刻Ｔｂ　においては、第２のる
つぼ２６からの合金Ｂの注入が開始される。このように
合金Ａが合金Ｂによって希釈される結果、分配るつぼか
ら流れ出る金属は合金Ａと合金Ｂとの混合物になる。な
お、合金Ｂによる合金Ａの希釈は最小限に抑えられる。 すなわち、合金Ｂの注入開始時における合金Ａの容積は
少ないが、しかし溶融金属の流れはとぎれることがない
ように、分配るつぼ内への合金Ｂの注入のタイミングが
決定される。分配るつぼ内における合金Ｂの濃度は次第
に上昇し、そして時刻Ｔｄ　において最大値に達するが
、この時点で第２のるつぼからの注入が完了する。時刻
Ｔｄ　においては、分配るつぼ内には最大量の合金Ｂが
存在するが、これは（時刻Ｔｂ　後における合金Ａの濃
度を示す破線によって表わされるごとく）極めて少量の
合金Ａによって希釈されている。合金Ａの濃度を示す曲
線が破線で描かれている理由は、合金Ｂの添加が開始さ
れる時点において分配るつぼ内に残留する合金Ａの正確
な容積に応じてそれが変動するからである。

【００２６】続いて合金Ｂを吹付けることにより、予備
成形物の外側部分が形成される。かかる操作は、分配る
つぼ内に溶融金属が存在しなくなる時刻Ｔｅまで継続さ
れる。

【００２７】本発明方法の実施に関連して起こる１つの
問題点について述べれば、かかる方法の所望の目的は、
主として第１の金属（この場合には合金Ａ）から成る内
側部分と、主として第２の金属（この場合には合金Ｂ）
から成る外側部分とを有する予備成形物を得ることにあ
る。注入方法および使用する装置の特性によっては、分
配るつぼに合金Ｂ（第２の金属）の主要部分を添加する
前に分配るつぼから合金Ａ（第１の金属）を排除するた
め、複数の注入工程が必要となる場合がある。かかる目
的のためには、分配るつぼ内における合金Ａの容積が極
めて少なくなった時点において少量の合金Ｂを数回にわ
たり分配るつぼ内に添加することが望ましい。このよう
な少量ずつの添加は、合金Ｂの主要部分を分配るつぼに
添加する前に残留する合金Ａを分配るつぼから排出する
ことを促進するという効果を有する。このような少量ず
つの添加はまた、予備成形物の内側部分と外側部分との
間に合金Ａと合金Ｂとの混合物から成る境界部を形成し
、従って望ましくない酸化物層を生成する恐れなしに１
回の連続した吹付成形によってマンドレル上に予備成形
物を形成し得るという効果をも有する。

【００２８】製造される製品（たとえば円板）の性質を
向上させるために組合わせて使用すべき特定の合金を選
定する際の基準は２つある。第１の基準は製品の第１の
部分において要求される性質に関するものであり、また
第２の基準は製品の第２の部分において要求される性質
に関するものである。

【００２９】円板の場合、製品の第１の部分はそれの内
側部分または心部である。この部分について要求される
のは、大きい強度を有する合金である。商業的に入手可
能なルネ９５（Ｒｅｎｅ’　９５）のごとき合金は、円
板の心部において使用するのに適した大きい強度および
その他の望ましい性質を有している。なお、ルネ９５の
組成は米国金属学会発行の「メタルズ・ハンドブック（
Ｍｅｔａｌｓ　Ｈａｎｄｂｏｏｋ）　」のごとき標準的
な参考書中に記載されている。 同様に、円板の外側部分について要求されるのは疲労亀
裂成長速度の小さい合金である。疲労亀裂成長速度の小
さい合金としては、アストロロイ（Ａｓｔｒｏｌｏｙ）
およびワスパロイ（Ｗａｓｐａｌｌｏｙ）　の２種が挙
げられる。これらはいずれも商業的に入手可能な合金で
あって、それらの組成も上記の「メタルズ・ハンドブッ
ク」のごとき標準的な参考書中に記載されている。また
、ルネ９５に対するこれらの合金の相対亀裂成長速度に
関するデータは、米国特許第４８６７８１２号明細書の
図１に示されている。

【００３０】上記のごとき２種の合金の組合せ（すなわ
ち、ルネ９５とワスパロイとの組合せ、またはルネ９５
とアストロロイとの組合せ）を使用した場合、それによ
って得られる円板はかかる合金の１種のみを用いて製造
された円板に比べて優れた総合特性を有するものと考え
られる。なお、その他の組合せの合金を使用することも
できる。更にまた、本発明の方法に従って上記のごとき
２種の合金の組合せから製造される製品は円板状の製品
のみに限定されるわけではない。すなわち、特に部分に
よって暴露温度や要求特性の異なる大形製品の場合には
、本発明の方法に従ってその他の形状の製品を製造する
ことも可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】マンドレル、予備成形物、分配るつぼ、および
第２のるつぼの配置状態を示す略図である。

【図２】第２のるつぼから分配るつぼ内に金属を注入し
ているところを示す、図１と同様な略図である。

【図３】分配るつぼ内に存在する第１の金属の相対容積
および第２の金属の相対容積を縦軸上にプロットしかつ
時間を横軸上にプロットしたグラフである。

【符号の説明】 １０　　マンドレル １２　　液滴 １４　　噴霧区域 １６　　付着層 １８　　溶融金属の流れ ２０　　ガス流 ２１　　ノズル ２２　　第１の溶融金属 ２４　　第１のるつぼまたは分配るつぼ２６　　第２の
るつぼ ２８　　第２の溶融金属 ３０　　誘導コイル

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　（ａ）　溶融状態にある第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
   成形装置を用意し、（ｂ）　前記噴霧区域内に噴霧ガス
   を供給して前記第１の金属の流れを噴霧化し、（ｃ）　
   前記噴霧区域内において噴霧化された前記第１の金属を
   回転するマンドレル上に層として吹付溶着させ、（ｄ）
   　前記分配るつぼ内に前記第１の金属の最後の部分が残
   留している間に、溶融状態にある第２の金属を入れた第
   ２のるつぼから前記分配るつぼ内に前記第２の金属を注
   入し、そして（ｅ）　前記分配るつぼ内に前記第２の金
   属を注入し続けながら前記分配るつぼからの金属の吹付
   溶着を継続することにより、前記工程で形成された予備
   成形物の上に前記第２の金属から成る外層を形成する諸
   工程から成ることを特徴とする、少なくとも２つの異種
   金属から成る同心金属構造物の製造方法。
2. 【請求項２】　　前記第１の金属が高強度のニッケル基
   超合金である請求項１記載の方法。
3. 【請求項３】　　前記第１の金属がニッケル基超合金で
   あり、かつ前記第２の金属が亀裂成長速度の小さいニッ
   ケル基超合金である請求項１記載の方法。
4. 【請求項４】　　前記第１の金属がルネ９５である請求
   項１記載の方法。
5. 【請求項５】　　前記第１の金属が高強度のニッケル基
   超合金であり、かつ前記第２の金属がワスパロイである
   請求項１記載の方法。
6. 【請求項６】　　前記第１の金属が高強度の超合金であ
   り、かつ前記第２の金属がアストロロイである請求項１
   記載の方法。