JPH0661604B2

JPH0661604B2 - 超耐熱合金製ディスクの製造方法

Info

Publication number: JPH0661604B2
Application number: JP1077121A
Authority: JP
Inventors: 幸夫西山; 照司田中; 靖隆戸谷; 勝西口
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd; Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Nippon Steel Corp; Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 1989-03-28
Filing date: 1989-03-28
Publication date: 1994-08-17
Anticipated expiration: 2009-08-17
Also published as: JPH02255268A; US5101547A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）この発明は、燃料消費率の向上が要求される航空機及び
発電用ガスタービンエンジンの主要な回転体部材である
超耐熱合金製ディスクの製造方法に関するものである。

（従来の技術）従来の航空機用及び発電用ガスタービンエンジンのター
ビンディスク材料は、以前は主に溶解した鋳型間を鍛造
する方法で製造されるNi基超耐熱合金が使用されてき
た。しかし、ガスタービンエンジンのより一層の高性能
化（熱効率の向上、高速化、軽量化）の要求に対し、タ
ービンディスク材料組織中のγ′析出相の体積率を増大
することが余儀なくされる結果、上記タービンデイスク
材料の高温での変形抵抗の上昇、鍛造可能範囲の縮小、
及びインゴットの大型化にともなう偏析の増大により、
またさらにこれらが重なって増幅されることによって、
複雑な形状のタービンディスクの鍛造効果は極めて困難
となった。

この課題を克服する方法として、「神鋼技報；1987-3」
に紹介される如く、粉末を原料とした超塑性鍛造による
ディスクのニアネットシェイプ加工法が開発されてい
る。この加工法は第８図に示すように、第１工程４０で
上記文献に記載の通りに所定合金成分に設計された溶解
材から、Arガスを用いたガスアトマイズ法等によって微
粉末を製造し、次に第２〜第４工程４１〜４４で微粉末
の固化材が鍛造時に超塑性を示すように熱間押出しや熱
間静水圧加圧（HIP ）によるビレット成形を行う。しか
る後に、第５工程４５で超塑性挙動を示す２×10^-4／se
c.の低歪速度域まで変形抵抗を下げ、素材と金型との温
度をともに例えば1100℃の恒温状態に保ち、最終製品に
近い形状（ニアネットシェイプ）に鍛造加工を行い、そ
して最後に第６工程４６で熱処理を行うものである。

（発明が解決しようとする課題）以上のような粉末鍛造法によるディスク製造法には次の
ような欠点がある。

低い生産性変形抵抗を下げ、変形能を改善する方法として低歪速度
加工である超塑性鍛造法を利用するため、加工時間が長
く極めて生産性が悪い。また、金型潤滑材が長時間にわ
たって高温に曝されるため金型の劣化も激しい。

多い製造工程合金元素の均一化を図り、且つ超塑性変形を起こさせる
ためには、原料の微粉末化が必要であり、そのために充
填工程に相当する粉末キャニングの工程４１と、固化工
程に相当する上記HIP 及び熱間押出しの工程４２、４３
との余分な工程が必要になり、またそのための設備も必
要になる。

品質管理が困難微粉末を取扱うため粉末表面の酸化防止、及び各プロセ
スでの異材混入防止に厳重な管理が必要であり、信頼性
確保のために多大の労力が必要である。

高い製造コスト第３工程４２のHIP 及び第５工程４５での超塑性鍛造工
程での加熱時間が長く、このため消費エネルギが多くな
り、生産効率の低下、設備費の増大、経費率の増加等に
よって、製造コストが極めて高くなる。

この発明は上記粉末鍛造材の欠点を解決するためになさ
れたものであって、その目的は、粉末鍛造材と同等の性
能及び材料の高歩留りを達成しながら、生産性が高く、
且つ低コストでタービンディスク材等を製造できる超耐
熱合金製ディスクの製造方法を提供することにある。

（課題を解決するための手段及び作用）そこで第１請求項記載の超耐熱合金製ディスクの製造方
法においては、第１図に示すように、真空中又は不活性
ガス雰囲気中で溶解した超耐熱合金の溶湯を、真空中又
は不活性ガス雰囲気中において鋳型内に注湯した後、例
えば偏心遠心による外力で溶湯を揺動させることにより
結晶粒の微細な鋳造荒地を準備する段階２０と、上記鋳
造荒地を、上型の回転中心軸を下型の回転中心軸に対し
て傾斜させた状態で回転鍛造加工する段階２１とから成
ることを特徴としている。なお必要に応じて、熱処理工
程２２において、鍛造後のディスクを熱処理する。

上記構成によると、鍛造荒地を偏心遠心などの外力によ
る半凝固揺動効果を溶湯に与え続けることにより、結晶
粒の微細化を図りながら、同時に造形が可能となる。こ
れによって、合金元素の偏析が軽減されるとともに、歩
留りが高い鍛造性の優れた鋳造荒地を得る。すなわち、
普通の鋳塊では避けることができない合金元素の偏析と
結晶粒の粗大化による高温での高い変形抵抗を低減させ
るため、溶湯の結晶粒微細化を図る点が特徴である。そ
の手段として、例えば詳しくは後述する特開昭62-13416
3 号に記載された方法、つかり高真空中又は不活性ガス
雰囲気中での偏心遠心揺動鋳造法を採用し、この鋳造法
で超耐熱合金の微細結晶粒鍛造用素材（鋳造荒地）を溶
製する。この素材の採用で、従来の鋳塊鍛造ではとても
鍛造できないような、すなわち高合金で高温強度の著し
く高い超耐熱合金の鍛造も可能になった。

また上記素材の鍛造法としては、一般的には素材加熱温
度と金型温度が等しい恒温鍛造或いは金型温度が素材加
熱温度より300 ℃程度低いホットダイ鍛造を採用するの
が普通である。事実、これらの鍛造法により上記素材の
鍛造は可能であるが、その他の方法も含めて種々検討し
た結果、上記回転鍛造法が最適であることを見出した。
この回転鍛造法を採用することで、動的再結晶に伴う結
晶粒の微細化が鍛造中に発生して延性が良くなり、従来
の鍛造法よりも容易に変形してニアネットシェイプ状の
ディスクが得られることになる。つまりこの鍛造法で
は、素材の変形が一様になり、加工限界が大幅に高く、
更に他の上記鍛造法よりも小さな鍛造力で鍛造できるよ
うになった。また上型の回転中心軸を下型の回転中心軸
に対して傾斜させた状態で回転鍛造加工することによ
り、優れた鍛造効果が得られる。

また第２請求項記載のように、鍛造荒地の結晶粒径が約
100 μｍ以下であり、また上記回転鍛造時の圧下歪速度
が10⁰／sec.以下で、かつ10^-2／sec.以上であるような
条件を採用すると、より一層良好な加工が行えることに
なる。

（実施例）この発明による超耐熱合金製ディスクの製造方法の具体
的な実施例を詳細に図面を参照して説明する。

第２図、第３図に基づいて先ず本方法の実施に使用する
装置の一例について説明する。図において、１は超耐熱
合金の鋳造装置であって、回転駆動装置２の回転テーブ
ル３の上に取付けられており、次のように構成されてい
る。すなわち上記回転テーブル３の上に同心状に取着さ
れる脚軸４の上端部に金型載置テーブル５を固着し、こ
の金型載置テーブル５の上に外筒６及び内筒７と、金型
（鋳造用鋳型）８等を配置することによって構成されて
いる。この場合、外筒６はその下端部を上記金型載置テ
ーブル５の上面に固定され、内筒７はこの外筒６の内周
面に周方向にそれぞれ複数個のバネ９を介して取着さ
れ、水平方向に移動自在とされている。そして上記金型
８は、この内筒７内において上記金型載置テーブル５上
に多数の鋼球１０を介して載置されている。

上記装置１を用いて超耐熱合金を次のように鋳造する。
避ず超耐熱合金の溶湯１１を金型８に注湯する。なお金
型８のキャビティは図示の形状に限らず、ガスタービン
エンジン用のタービンディスクに好適な所定のプロファ
イル（形状）に形成できる。この場合の鋳込み温度は、
鋳込み可能な範囲でできる限り低く設定する。そして注
湯後、直に回転駆動装置２を駆動して上記鋳造装置１全
体を、例えば60〜250 r.p.m.の速さで回転させる。そう
すると鋼球１０の上にある金型８は偏心遠心による外力
によって回転しつつ水平方向に移動し、内筒７内の一側
に寄る状態となる。そしてこの移動した金型８の側面を
内筒７が受ける状態となり、金型８に押された内筒７は
さらに外筒６内の一側にバネ９に抗して寄る状態とな
る。この場合、上記金型８は鋼球１０の上にあるので、
完全にテーブル５の回転に追従するわけではなく、上記
のような水平方向への移動をランダムに繰返し複雑な動
きをなすことになる。これにより上記金型８内の溶湯１
１は均一に揺動攪拌されることになる。したがって、溶
湯１１に半凝固揺動効果を与え続けることにより、結晶
粒の微細化を達成すると同時に、造形を行い、合金元素
の偏析が軽減されると共に高歩留りで、鍛造性に優れた
鋳造荒地が得られる。

以上の鋳造法は、低温鋳込みによる溶湯１１の冷却効果
と偏心遠心揺動効果とが重なって結晶粒を細かくするも
のであり、こうして得られた組織は第４図に示すよう
に、約100 μｍ以下の非常に微細な結晶粒を呈し、高温
での鍛造性が著しく改善される。さらに加えて、本鋳造
法では、溶湯１１の表面には鋳込み直後に固化し、内部
だけが半凝固の状態にあるので、後の揺動過程で表面に
浮遊した有害な酸化物を製品内部に巻き込んで介在物の
ような欠陥を生成することも少なく、より健全な組織の
素材、すなわち鋳造荒地が得られる。

次に第５図で、鍛造装置１２を説明する。この鍛造装置
１２は共に耐熱鋼製の下金型１３と上金型１４との間
に、鍛造素材１５（鋳造荒地）を挟み、上記上下金型１
３、１４を所定の速度で回転駆動するようになされてい
る。下金型１３は中心線Ｏ１回りに回転し、上金型１４
ほ中心線Ｏ１に対して傾角αだけ傾斜した中心線Ｏ２回
りに回転しながら、矢印Ａ方向の加圧力が付与される。
この両金型１３、１４の周囲には環状の誘導加熱コイル
１６が設けられている。このように上金型１４の回転中
心軸Ｏ２を下金型１３の回転中心軸Ｏ１に対して傾斜さ
せてあるのは、鍛造効果を改善するためである。

上記装置１２によって、鍛造素材１５を高温で回転鍛造
法によって圧縮すると、通常の恒温鍛造法やホットダイ
法より容易に素材１５が変形して、ニアネットシェイプ
状のタービンディスクが得られる。すなわち、本件発明
者らの実験によると、熱間変形能を表す相当歪ε−鍛造
温度Ｔのグラフである第６図に示すように、通常のプレ
ス法の場合には、境界２３の左側領域で「割れなし」で
あったが、境界２３の右側領域では「割れ発生」にな
る。一方上記回転鍛造法の場合では、境界２４の左側領
域まで「割れなし」の鍛造可能範囲が広がり、境界２４
の右側領域になって初めて割れが発生する結果を得た。
なお、上記実験に使用した供試品は上記微細結晶粒を有
するインコネル792+hf材である。

この理由は、鍛造法の違いによる相当歪分布の相違を表
す第７図に示すように、第７図(a)の回転鍛造法の場合
では鍛造素材１５の外周自由表面２５の近傍にまで加工
が加わり、動的再結晶に伴う結晶粒の微細化が鍛造中に
発生して延性が改善されているのに対して、通常のプレ
ス法の場合の第７図(b)では、自由表面２５近傍は加工
が加わらず、このため鍛造組織がそのまま残ることによ
り、より低い加工度で組織が破断するためであると考え
られる。したがって、第７図(b)の場合では自由表面２
５に表面クラックが発生する。なお、第７図中で、領域
２６は相当歪εが0.8 ％以上の範囲を、領域２７は相当
歪εが0.5〜0.8 ％の範囲を、領域２８は相当歪ε0.2
〜0.5 ％の範囲を、領域２９は相当歪εが0.2 ％以下の
範囲をそれぞれ示している。

以下に具体例を説明するが、本発明はこの実施例に限定
されず、本願特許請求の範囲内で種々応用できる。例え
ば、ガスタービンエンジン用タービンディスクに限ら
ず、他の部品にも適用できる。

具体例供試品として、後述する所定の成分を有するNi基超耐熱
合金インコネル100 、インコネル792+Hfを使用し、これ
を上記第２図、第３図の装置を使用して半凝固揺動法に
よって鋳造し、結晶粒径が約100μｍ（ASTM粒度No.：４
〜５）の鋳造荒地を、インコネル792+Hf製の場合の本発
明品１と、インコネル100 製の本発明品２として２種類
溶製した。一方比較品1a、1bとして別の鋳造法で結晶粒
度がASTM粒度No.で０〜１と−１〜−５とに設定された
鋳造荒地（インコネル792+Hf）を準備した。なお、上記
インコネル100 の材質は各成分を重量％で表すと、Cr:1
2.4 、Co:18.5 、Mo:3.2、Al:5.0、Ti:4.3、V:0.8 、Z
r:0.06、B:0.02、c:0.07、Ni: 残部、である。同様に上
記インコネル792+Hfは、Cr:12.4 、Co:8.9、Mo:1.8、w:
4.4、Ta:4.0、Al:3.4、Ti:3.9、Zr:0.05、Hf:0.9、B:0.
01、C:0.12、Ni: 残部、である。鋳造時の真空度はいず
いれの場合も10^-4torrの高真空であり、使用した金型は
鋳鉄製の割型であった。この荒地の押湯部分を切り離し
供試品が完成する。

その後、供試品を電気炉で1100℃まで加熱し、次に第５
図に示す装置１２で回転鍛造法によって鍛造する。この
鍛造は誘導加熱コイル１６で上下両金型１３、１４を約
600 〜1000℃にまで予め加熱しておいて、高温状態の両
金型１３、１４に上記供試品をセットして回転鍛造法に
よる加工を加えた。

本願発明者らは、上記４種類の供試品について、鍛造条
件を種々変更した場合の鍛造性可否を判定する実験を行
い、第１表に示す結果を得た。この第１表から、本発明
を採用した微細結晶粒鋳造材が鍛造性の向上に有効であ
ることが分かる。そして、本発明の微細結晶鋳造材の場
合でも鍛造性は圧下歪速度の値に依存することが分か
る。すなわち、発明品１（No.１）、発明品２（No.２）
は、特に鍛造時の圧下歪速度が10^０≧≧10^-2の範囲
で全体的に比較品1a、1b（No.1a、No.1b）より良好な表
面性状を示し、高歩留りでニアネットシェイプ加工が可
能であることが明白である。

更に、インコネル792+Hf製の本発明による微細結晶粒鋳
造材製のディスク体及その鋳造材に回転鍛造を施したデ
ィスク体を熱処理(1108 ℃ ２時間・空冷、860 ℃ ４
時間・空冷、760 ℃ 16時間・空冷）した後の、室温で
の実体引張特性を測定し、次の第２表に示す。これから
回転鍛造を加えることにより強度、伸びの両方がいずれ
も改善され、粉末鍛造材と略同等以上の性能が得られた
ことが明らかである。

（発明の効果）上記したように、第１請求項記載の超耐熱合金製ディス
クの製造方法においては、鋳造荒地を偏心遠心による半
凝固揺動効果を溶湯に与え続けることができ、結晶粒の
微細化を図りながら、同時に造形できる。これによっ
て、合金元素の偏析を軽減できるとともに、歩留りが高
い鍛造性の優れた鋳造荒地を製造できる。そしてこの微
細結晶粒の鋳造荒地を回転鍛造加工法により圧縮する
と、動的再結晶に伴う結晶粒の微細化が鍛造中に発生し
て延性が向上し、従来の鍛造法よりも容易に変形して所
望のディスクを得ることができることになり、この結
果、高い生産性のもとに、かつ低コストでタービングデ
ィスク材等を製造し得ることになる。また上型の回転中
心軸を下型の回転中心軸に対して傾斜させた状態で回転
鍛造加工することにより、優れた鍛造効果が得られる。

また第２請求項記載の条件を選択すれば、より一層良好
な加工が行えることになる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の製造プロセスを示す工程図、第２図
は鋳造装置を示す断面図、第３図は鋳造装置の平面図、
第４図は半凝固揺動鋳造法で得られた超耐熱合金の金属
組織を示す顕微鏡写真、第５図は回転鍛造装置の構造略
図、第６図は熱間変形能を示すグラフ、第７図は鍛造法
の違いによる相当歪分布を示す構造略図、第８図は従来
の製造プロセスを示す工程図である。１……鍛造装置、１２……鍛造装置、２０……鋳造工
程、２１……鍛造工程。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者戸谷靖隆大阪府大阪市此花区島屋５丁目１番109号住友金属工業株式会社製鋼所内 (72)発明者西口勝兵庫県尼崎市西長洲本通１丁目３番地住友金属工業株式会社研究開発本部内 (56)参考文献特開昭62−134163（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−33039（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空中又は不活性ガス雰囲気中で溶解した
超耐熱合金の溶湯を、真空中又は不活性ガス雰囲気中に
おいて鋳型内に注湯した後、この鋳型に外力を加えて揺
動させることにより結晶粒の微細な鋳造荒地を準備する
段階と；上記鋳造荒地を、上型の回転中心軸を下型の回転中心軸
に対して傾斜させた状態で回転鍛造加工する段階と；から成ることを特徴とする超耐熱合金製ディスクの製造
方法。
【請求項２】上記鋳造荒地の結晶粒径が約100 μｍ以下
であり、また上記回転鍛造時の圧下歪速度が10^０／sec.
以下で、かつ10^-2／sec.以上であることを特徴とする第
１請求項記載の超耐熱合金製ディスクの製造方法。