JPS5854163B2 - 複合タ−ビンホイ−ルおよび同様物を製造する方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は複合されたタービンホイールおよびこれに類す
るものを製造するための方法に関する。

これ迄、車輛、バス、トラック、道路材走行の土工装置
等に使用されるのに好適な形式のガスタービン動力装置
に使用されるタービンホイールを製造するための種々の
方法が提案されている。

翼Ｗガスタービンエンジンの組立に採用される製造技術
は極めて高価であり、ガソリンおよびデイーゼル燃料の
往復動内燃機関と価格上競い合うような低価格の車輛用
タービン動力装置の大量生産するには応用できない。

ガスタービンホイールをつくるためにこれ迄提案されて
きた種々の製造技術は、高価につくか、或は機械的強度
および或は耐久性が不十分であるか、或はまた大量生産
に適しないかのいずれかであった。

これ迄提案されたものへ一例として、インベストメント
鋳造法を利用して高強度高温合金（ｈｉ ｇｈｓｔｒｅ
ｎｇｔｈ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａ
ｌｌ。

ｙ）から一体鋳造物としてタービンホイールを製造する
方法がある。

残念ながら、一体鋳造によるホイールの凝固速度は、ホ
イールの羽根部においては極く微細な（ｆｉｎｅ−ｓｉ
ｚｅｄ）グレイン組織をもち、バブ又はローターの中央
部においては粗大（ｍａｃｒｏ−ｓｉｚｅｄ）グレイン
組織をもつこととなり、それ故バブ部分においては脆く
て靭性と強度とが不足するが、このバブ部にはタービン
ホイールにか５る遠心力のために使用中においては高応
力がか＼るのである。

一方、羽根の微細グレイン組織は最適な高温強度および
疲労耐久特性がつくられるのを防止する。

上記の問題を解決するために、米国特許第２，８９４，
３１８号のように、羽根要素を別個につくり、その後で
この羽根要素を鋳造された中央バブ又はローターに鋳造
により一体的に接合することにより複合タービンホイー
ルを形成することが提示されている。

或はまた、米国特許第３，０３２，８６４号のように、
多数の別個につくられた羽根要素を別個に形成された中
央バブ部分に機械的に接合することにより、つまり高温
鋳造によりバブ部分が羽根要素と機械的に相互連結すべ
くバブ部分を変形することにより複合タービンホイール
をつくることが提案されている。

これ迄提案された前述のおよび他の先行技術は多くの理
由の中のいづれかによって満足できるものではなく、本
発明はこれ迄に出会った問題点や不利益を解消し、満足
できる強度と耐久性をもった複合タービンホイールを大
量生産技術を用いて商業的に受入れ可能なコストで生産
することを可能とする。

本発明の利点と長所は、翼形の羽根部分であって、該羽
根部分の基部に一体的に固定されかつ該羽根部分の軸方
向に伸びるルート（ｒｏｏｔ）又トング（ｔａｎｇ）を
もつ羽根部分からなる多数の同一形状の羽根要素を形成
することによって得られる。

羽根要素は、正確な最終寸法に形成され、これは超合金
（５ｕｐｅｒａｌｌｏｙ）、セラミックおよび他の等価
材料のごとき高強度耐熱材料からつくられる。

羽根要素は、鋳造、鋳造束は金属パウダーを焼結するこ
とによって形成され、その後で所望の最終寸法公差迄正
確に機械加工される。

モールド或は固定手段には半径方向に伸びかつ円周方向
に間隔をおいた多数の翼形の空所或は凹所が設けられて
いて各羽根要素の羽根部分を収容するようになっており
、タービンホイールのバブ或はローターの形を限界して
いる中央モールド凹所まわりに羽根要素を正確に位置決
めするようになっている。

羽根のルート部分はモールド凹所の内方に伸び、その状
態で凹所は所要の強度と高温抵抗特性（ｈｉｇｈ ｔ
ｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｒｅｓｉ−ｓｔａｎｃｅ
ｐｒｏｐｅｒｔｉｅ）をもった金属合金パウダーで充填
される。

金属合金パウダーはモールド内にゆるめに充填され、少
くとも１００％理論密度の６５咎、そして好ましくは７
０％以上に突き固められ、その後モールド組立体は上昇
温度に加熱されて金属パウダーはバブを形成する一体的
な塊りに焼結され、同時に焼結されたパウダーは羽根要
素のルート部の表面と金属的に拡散結合（ｄｉｆｆｕｓ
ｉｏｎ ｂｏｎｄｉｎｇ）せしめられる。

焼結は金属パウダーをさらに高密度化させ、好ましくは
１００％理論密度の約９５％を超える。

焼結作用の完了により、一体化したタービンホイールが
モールドより除去されて高温均等プレス（ｈｏｔ １
ｓｏｓｔａｔｉｃ ｐｒｅｓｓｉｎｇ）にかけられる
。

該プレスの温度はだいたい焼結温度の範囲内にあり、ま
たその圧力は少くとも約７０ｋｙ／１（１０００ｐｓｉ
）であり好ましくは７００ｋｙ／ｆｆ１（１０００ｐｓ
ｉ）から１４００ｋｇ／ｆｆ１（２０００ｐｓｉ）の間
であって、焼結されたバブ部分の高密度化がさらに１０
０％理論密度に近づくのに十分な時間であって、ルート
部と焼結されたノ）ブとの間の拡散接合がさらに高強度
金属結合を形成するのに十分な間上記プレスが行われる
。

こうしてつくられた複合タービンホイールは、その後機
械加工されてロータ一部分に所要の寸法公差が与えられ
、さらにその機械的特性を適当なものにするため熱処理
を施すことができる。

本発明の付加的な長所、利点は添附図面とともに述べら
れる以下の記載から明らかとなろう。

図面、特に第１図を参照すると、中央のローター或はハ
ブ部分１２と該ハブ部分の周囲に該周囲に沿って正確な
円弧間隔（ａｒｃｕａｔｅ １ｎｃｒｅ −ｍｅｎｔ
ｓ）で固定された多数の羽根１３とからなる展望的なタ
ービンホイール１０が図示されている。

適当な軸１４がガスタービンエンジン内でタービンホイ
ールを回転可能に支持するためにロークーの中心に固定
されるようになっている。

本発明の方法は、また複合されたコンプレッサーホイー
ルや他の回転要素をつくるためにも応用でき、これによ
って複合されたタービンホイールをつくるのに得られる
利益と同様な利益が得られる。

複合されたタービンホイールは、種々の技術の中いずれ
かの方法により別個につくられ、そして所望の最終的な
正確な寸法に仕上げられかつ表面仕上げされた多数の個
々の羽根要素を有する。

プレインタイプ（ｐｌａｉｎ ｔｙｐｅ）の羽根要素
１６が第２図に示されており、該要素は翼形の羽根部分
１８と、該羽根部分と一体的に結合されかつ該部分の基
部軸線方向に伸びて当該羽根要素をハブに固定的に係合
すべくタービンホイールのハブ内に埋設されるようにさ
れたフット（ｆｏｏｔ）或はルート（ｒｏｏｔ ）部分
２０とを備えている。

他の満足できる羽根要素２２が第３図に示されており、
該要素は翼形の羽根部分２４と該羽根部分の基部に一体
的に固定された円弧形のプラットフォーム２６とを有す
る。

円弧形プラットフォーム２６の円周方向長さは、多数の
羽根要素２２を組立てたとき、実質的に連続したセグメ
ント状のリング（図示想像線で部分的に示す）が、ある
プラットフォームの端部が隣接するプラットフォームの
対応する軸方向縁に対して対向して整列した関係に配置
されるごとく、形成されるように調整される。

又、プラットフォーム２６は隣接する羽根の間のスペー
スより短い円弧長さのものをすることができ、このため
隣接する羽根要素の対向した軸方向に伸びる縁部間に形
成されるギャップがハブ部分が構成される材料によって
充填される。

第２図に示された羽根要素１６の場合と同様に、羽根要
素２２もまた該エレメントをタービンホイールのハブ部
分に係止するために羽根部分基部の軸方向に伸びるルー
ト部分２８とプラントフオームとを形成されている。

さらに他の満足できる羽根要素３０が第４図に示されて
おり、該要素は翼形の羽根部分３２と該羽根部分の基部
に固定された円弧状のプラットフォーム３４と羽根部分
の先端に固定された円弧状の囲い（ｓｈｒｏｎｄ）３６
とを備えている。

囲い部分の円周方向或は円弧長さは、多数の羽根要素を
組み立てたとき、隣接する囲い要素（想像線にて部分的
に図示）の軸方向に伸びる対向縁が衝合関係に配置され
て、組み合わされた状態にて羽根部分の外周まわりに伸
びる連続したセグメント状のリングを形成するように調
整される。

羽根要素３０もまた、一体形成の軸方向に伸びるルート
部分３８を設けられ、当該羽根要素をタービンホイール
のハブ部分に係止するようになっている。

第２図から４図にまで代表的に示された羽根要素は、い
かなる高強度耐熱材料からもつくることができ、その材
料は羽根が使用中に受ける応力および温度環境に耐え得
る所要の高温機械強度と酸化および腐蝕抵抗特性をもつ
ものである。

成る応用例においては窒化シリコン、シリコンカーバイ
ド、アルミナ等のセラミック合放物や公知の種々の形式
のサーメット合成物が利用可能であるが、羽根要素は、
好ましくは、いわゆる超合金からつくられ、中でもニッ
ケルーベースの超合金が好ましく、そして一般にはそれ
らの鋳型（ｃａｓｔ）や錬製造型（ｗｒｏｕｇｈｔ
ｆｏｒｍ）に通常、カーバイド強化剤やガンマ−プライ
ム強化剤を有しているものとして特徴づけられる。

そのようなニッケルーベースの超合金は、通常ガンマ−
プライムとニッケルークロミウムガンママトリックスの
複合カーバイドの比較的大量の第二相を含み、これは優
れた高温機械特性に貢献し、ガスタービンエンジンの作
用中に高温燃焼ガスにさらされる羽根要素をつくるには
極めて適切なものとしている。

商業的に入手可能な一連のニッケルーペース超合金の展
望的なノミナル構成が第１表に示されている。

個々の羽根要素は、インベストメント鋳造技術、粗製の
鋳造要素の鋳造、粉末冶金技術（ｐｏｗｄｅｒｍｅｔａ
ｌｌｕｒｇｉｃａｌ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ）のいず
れかの技術を利用することにより、或は前述の技術の組
合わせにより個々につくることができる。

超合金のグレインサイズとマイクロ組織はその合金の高
温機械特性を決定するので、通常は羽根要素は比較的大
きなグレインサイズのものにつくることが望ましく、こ
れにより適当な高温強度と疲労抵抗とを与える。

大きなグレインサイズは、羽根要素の正確な最終寸法に
相応して形成された凹所をもつ耐火モールドを利用して
超合金をインベストメント鋳造法により鋳造することに
より得られる。

又、個々の羽根要素は制御された条件の下で超合金パウ
ダーを焼結することによってつくることもでき、これに
よって焼結された羽根要素の１００饅理論密度に近い密
度が得られる。

粉末金属の焼結技術によりつくられた羽根要素は、一般
に、元の粉末粒子のサイズにはゾ相応する比較的微細な
グレインサイズをもつものとして特徴づけられる。

第６図は、下方部分４０と上方部分４２からなる三片型
の難溶性モールドを示し、該モールドは上、７部分が組
み合って、第３図に示す羽根要素２２に相応する形状を
もつ凹所４４を形成している。

凹所４４は所望部分の金属パウダーにより充填され、モ
ールドは好ましくは超音波振動装置を利用することによ
って振動され、これにより１００係理論密度の少くとも
約６５％、好ましくはｉｏ。

係理論密度の７０％から約７５％迄のゆるいバッキング
密度をつくる。

金属パウダーにより充填されたモールドは、その後以下
に詳述する条件の下で制御された環境の中で上昇温度に
おいて焼結される。

第６図に示されたモールド構成は、また溶解した高温合
金を利用して羽根要素を鋳造するのにも適した展望的な
モールドであって、鋳造物は凝固した際に敗り除かれ、
所望の最終寸法に機械加工仕上げされるとともに表面仕
上げされる。

また、羽根要素は鋳造した羽根部分を備えることができ
、該羽根部分は第２図で１８にて示されるが、該羽根部
分に焼結されたルート部分２０が高温焼結作用によって
固定される。

これはルート部分とは独立に、引きつづく鍛造作用と共
に或は該鍛造作用を要することなしに、インベストメン
ト鋳造法を利用することにより鋳造又は練造（ｗｒｏｕ
ｇｈｔ）羽根部分の形成を可能とする。

弓きつづいて、第５図に示したハで部分の焼結に利用さ
れた条件と同様な条件の下に、或は第６図に示されたよ
うなモールド内で金属パウダーを焼結して羽根要素を製
造するに利用され条件と同様な条件の下に、ルート部分
は、それから、高温焼結作用の間に高強度金属拡散接合
により羽根部分に固定され得る。

羽根要素を形成するのに特に満足的な粉末冶金技術は、
米国特許第３，６５５，４５８号に示されている。

上記米国特許に示された方法によると、約２００ ｐｐ
ｍ以下の酸素と最大的７００ｐｐｍのカーボンとを含む
超合金パウダーが高温で１００多理論密度に近い予備状
態に高密度化される。

ビレットは超塑性形態を有し、例えは熱間鍛造によって
羽根要素の所望の翼部分と正確に形づくられたルート部
分とをもつように変形せしめられ、その後鍛造された羽
根要素は以下に述べる時間の間高温で熱処理される。

即ち、上記熱処理の時間は、合金のグレイン成長が適当
な高温状態において強度と疲労抵抗を含む物理特性が得
られるようなグレインサイズになるのに十分な時間であ
る。

その後、羽根要素は加炭処理を施され、その炭素含有レ
ベルが少くとも約５００ ｐｐｍから約２０００ｐｐｍ
に迄、或はそれ以上のレベルに増加するように調整され
、これによって羽根要素の大きなグレイン組織の安定化
が得られる。

加炭処理はそれ以上のグレイン成長を仰えるために、む
しろガンママトリックスにおいてよりもグレイン境界に
おいて優先的に炭化物形成を増進すべく行われる。

その後、羽根要素は好ましくは溶体化焼鈍処理（ｓｏｌ
ｕｔｉｏｎ ａｎｎｅａｌｉｎｇ ｔｒｅａｔｍｅ
ｎｔ）を施され、その均質化が強められる。

第５図を参照すると、４６で示す多数の完成された羽根
要素が、下方モールド部分５０内に円周方向に間隔をお
いて半径方向に伸びるごとく形成された翼形の凹所４８
内に挿入され、これによって羽根部分５２は形成される
べきロータ一部分に対して適当な位置合わせ関係に正確
に位置決めされる。

各羽根要素４６は、円弧状のプラットフォーム部分５４
が、形成されるべきバブ部分の形を限界している円形の
モールド凹所５８の円周面５６に対して衝合する関係に
配置され、これにより各羽根要素のルート部分６０はモ
ールド凹所５８の半径方向内方に延在する。

上方モールｈ”ｉｌＪ分６分離２ド方モールド部分５０
の上方面に対して適当な整合関係になるごとく位置決め
され、これは、上方モールド部分の下方面に設けられた
指示突起６４を下方モールドに設けられた相応する形状
の孔６６内に滑動可能に収容すべく協動させることによ
って得られる。

上方モールド部分の中央部には注ぎ口６８が形成されて
おり、該注ぎ口を通して所望構成の金属パウダーがモー
ルド凹所５８内に導入される。

７０で示した金属パウダーは、実質的にモールド凹所を
完全に充填し、当該金属パウダー内の個々の羽根要素の
ルート部分６０の埋設部が引きつづいて行われる焼結段
階において当該羽根要素の係止をなすべく凹所内に導入
される。

粉末冶金技術を利用して羽根要素をつくる場合のように
、モールド凹所内の金属パウダーは好ましくは超音波に
よって振動させられ、１００係理論密度の少くとも約６
５φ、そして好ましくは約７０％から７５％のゆるいバ
ッキング密度を与えるようにする。

これに関連して、金属パウダーは平均約１ミクロンから
約２５０ミクロンの範囲に亘る粒子サイズ、そして好ま
しくは約１０ミクロンから約１５０ミクロンの粒子サイ
ズのものが満足的に使用される。

また金属パウダーの密度を最大にするために、パウダー
粒子のサイズを上記の範囲に分散させるのが好ましい。

個々の焼結された羽根要素をつくる場合と同様に、バブ
部分をつくるためにニッケルーベースの超合金パウダー
を使用する場合には、満足すべき機械的特性を得るため
に、金属パウダーの酸素含有量は２００ｐｐｍ以■、好
ましくは１１００ｐｐ以下であることが重要である。

所望粒子サイズと純度とをもった超合金パウダーは種々
の公知技術のいずれによっても都合よく効果的につくら
れ、その中でもイナートガス分子化により金属合金の溶
体（ｍｏｌｔｅｎｍａｓｓ）をマイクロキャスティング
（ｍｉｃｒｏｃａｓｔｉｎｇ）する方法は好適である。

この目的のための装置が米国特許第３，２５３，７８３
号に記載されており、その技術はこＳでは参照的に導入
される。

第１表は都合よく合金成分として微少量のアルミニウム
とチタニウムを含み、これら２つの要素の高反応性とマ
イクロキャスティングが行われる高温状態での酸素と反
応する傾向は、パウダー生成物が酸化によって汚染する
のを最少限にするために分子化および集成チャンバ内に
真空或はイナートガス雰囲気を使用することを必要とす
る。

そのような酸化物が一般に約２００ｐｐｍ以上存在する
と、それからつくられる結果的な焼結されそして高密度
化された成分の適当な物理的特性が得られなくなる。

特に満足的な結果は、分子化および集成並にクラス別は
チャンバ内にヘリウム又は商業的に入手可能なアルゴン
イナートガスを使用することにより得られ、これによっ
て平均２５０ミクロン以下、そして好ましくは約１０ミ
クロンから約１５０ミクロン迄の範囲に亘って分散した
金属パウダーであって約１１００ｐｐ以Ｆの酸素を含ん
だ金属パウダーを形成する。

第５および６図を参照すると、第５図に示したようなバ
ブ部分と、第６図に示したような羽根要素とのモールド
凹所が焼結作用に先立って所望成分のパウダーにより充
填される。

前述したように、充填作用はパウダーの密度を最大にす
るように行われ、それは一般に１００咎理論密度の約６
５優からできるだけ高く７５φの範囲に亘る。

パウダーのゆるやかなバッキング密度は、充填作用の間
およびその後モールドとその内容物たるパウダーとを音
波或は超音波振動にかけることにより最大にすることが
できる。

パウダーを充填されたモールドは、その後焼結炉内にお
かれ、所定の時間の間高温加熱されるが、その時間は個
々のパウダー粒子の拡散接合が互いにつくられそして上
記パウダー粒子が羽根要素のルート部分６０に拡散接合
して一体形成の塊りをつくるに十分な時間である。

上記の一体形成の塊りは、パウダーの密度が１００咎理
論密度の少くとも約９０％、そして好ましくは約９５係
或はそれ以上に迄さらに高密度化されることによりつく
られる。

焼結作用の特別な温度、雰囲気、持続時間は使用される
金属パウダーの具体的な形式および成分により変えられ
る。

第１表に示された形式のニッケルーペース超合金パウダ
ーの場合には、単一段階の焼結が行われ、その温度は一
般に約１０９５°Ｃ（２００００Ｆ）から合金の初期融
点以下の温度範囲、そして好ましくは約１２０４℃（２
２０００Ｆ）から約１２６０°Ｇ（２３００’Ｆ）の範
囲にある。

また上記焼結は真空内で約２４時間行われ、当該焼結の
段階でパウダーの異常な高密度化がｉｏｏφ密度の少く
とも９０％、そして好ましくは少くとも約９５係の焼結
された塊りが得られるように行われる。

使用される焼結温度は当該焼結作用中にパウダーの最大
高密度化を得るために、超合金パウダーを焼結するのに
通常使用うるのを許される温度の中上方範囲内で調整さ
れる。

一段階の焼結作用の代りに、二段階のニッケルーペース
超合金パウダーの焼結作用が「金属パウダー焼結作用」
と題する米国特許出願番号第３０１．４３３号（米国特
許３，８８８，６６３号）に記載されて技術に従って行
なうことが出来る。

簡単に述べると、その特許に記載されている方法は約８
７０°Ｃ（１６００°Ｆ）から約１０９５８Ｃ（２００
０°Ｆの範囲に亘る温度で真空中において第１段階の低
温焼結作用を行い、この焼結作用はパウダー粒子内の最
初のカーバイド（ｐｒ ｉｍａｒｙ ｃａｒｂｉｄｅ
ｓ″′。

を複合カーバイドに変化させ、またパウダー粒子間の接
触点において拡散接合とネック形成（ｎ ｅ ｃ ｋｆ
ｏｒｍａｔｉｏｎ）を開始するのを促す。

その後、この予備的に焼結された塊り（ｍａｓｓ）は第
１段階の焼結温度より高くパウダー粒子の初期融点より
低いレベルの第２段階の焼結温度に加熱され、この加熱
はネック生成と一体化された焼結体の形成をさらに行わ
せるのに十分な時間桁われる。

焼結作用が終了すると、冷却の後、複合タービンホイー
ルがモールドから除去されて高温均等プレス作用に先立
って検査される。

プレス作用は製品をさらに高密度させるとともに金属パ
ウダーのロータ一部分と該ローター内に埋設されたルー
ト部分との間の接合をさらにつよめる。

又、プレスされる前の段階で、所望に従ってバブ部分の
予備的な機械加工が行われ、例えば第５図に想像線７０
で示すごとくバブの中央を通る軸方向孔を明ける。

透孔７０をタービンホイールのロータ一部分に設けると
、例えば、第１図に示されたごとき軸１４の軸端を上記
孔に挿入することにより引きつづく高温均等プレスの段
階で組立体の作用を可能とする。

上記軸は高温均等プレス作用により焼結されるようにな
りロータ一部分に金属結合させられる。

軸それ自体は鍛造又は線速（ｗｒｏｕｇｈｔ ）構成に
よる高強度ニッケルーベース合金からつくられ、これは
予備的に最終寸法に近い寸法に機械加工されるとともに
さらにシャンク部にスプライン或は機械加工による溝を
形成されて透孔の長手方向に沿って伸びる相応する突起
と機械的内部結合をするようにされ、これによってさら
に複合組立体の強度を増大させている。

高温均等プレス作用は、圧力容器或はオートクレーブ（
ａｕｔｏｃｌａｖｅ）を利用して行われ、それはアルゴ
ンのごとく商業性をもつ流体を利用して加圧することが
でき、複合組立体の全表面領域に均等に圧力を加える。

高温とともに加えられる上記圧力は焼結されたバブ部分
を１ｏｏ％理論密度に近い密度迄さらに固化（ｃｏｎｒ
ｏｌｉｄａｔｉｏｎ）させかつ高密度化させる。

高温均等プレスに使用されるに好適な圧力は、約７０ｋ
ｇ／ｉ（１０００ｐｓｉ）から使用されたオートクレー
ブの強度限界を考りよした可能な高圧迄の範囲に亘る。

好ましくは約７００ｋｇ／ｆｆ１（１００００ｐｓｉ
）から約１４００ｋｇ／ｆｆ１（２００００ｐｓｉ ）
迄である。

高温均等プレス段階で使用される温度は、焼結作用中に
使用される温度と似ており、そしてそれはバブ部分をつ
くるのに使用された金属パウダーの具体的構成により変
えられる。

第１表に示された形式のニッケルーペース超合金パウダ
ーにとっては、上記温度は一般に約１０４０℃（１９０
０’Ｆ）から金属合金のはゾ初期融点の範囲に亘り、好
ましくは約１０９５°Ｇ（２０００°Ｆ）から約１２６
０’Ｃ（２３０００Ｆ）である。

高温均等プレス段階の接続時間は、使用される温度、圧
力、および焼結されたバブの密度によって変る。

一般に、ポーラスに焼結された９５優理論密度のバブ部
分をｉｏｏ％理論密度に近い９９φを超える最終的に圧
縮された密度に高密度化させるには、約１０９５°Ｃ（
２０００’Ｆ）から１２６０°Ｃ（２３０００Ｆ）迄の
温度において約７００ｋｇ／ｃｒｉＬ（１００００ｐｓ
ｉ ）から約１４００ｋｇ／ｉ（２００００ｐｓｉ ）
迄の圧力で、約１時間から約１０時間の持続時間が満足
的である。

高温均等プレス段階が終了すると、複合タービンホイー
ルは冷却されて除去され、その後機械加工されて所要の
公差内に収められる。

単−又は複数の焼結段階の間、および高温均等プレス段
階の間、高強度な均一金属拡散接合が羽根要素のルート
部６０の表面と、バブ部分を構成する金属パウダーとの
間に形式される。

形成される結果的な金属拡散接合は、ルート部表面とバ
ブ部分を構成するパウダ一層との間の境界線を解る程に
示すものではなくなり、むしろ一体的な組立体のグレイ
ン構造特性の均一な変化を示す。

焼結されたバブ部分とルート部分の表面との間の展望的
な金属拡散接合の顕微鏡写真が第７図に図示されている
。

顕微鏡写真は１００倍の倍率で示され、ｌＮ７９２より
なる粗大グレインの鋳造羽根部分（写真の上半分）とｌ
Ｎ７９２よりなる微細グレインの粉末冶金バブ部分（写
真の下半分）との間に得られた金属拡散接合を示す。

第７図は明確なボンドラインを示しておらず、むしろ焼
結作用と引き続く高温均等プレス作用の間つくられた界
面を通してのいくつかのグレイン生長のあとがみられる
。

前述の方法によれば、羽根部分のグレインサイズは最適
の強度と疲労耐久度を与えるようなサイズに増大させる
ことができ、一方ハズ又はロータ一部分のグレインサイ
ズはバブ部分を形成するのに使用された当初のパウダー
粒子のサイズにはマ一致する比較的微細なグレインサイ
ズに維持することができる。

このようにして、羽根部分の粗大グレイン組織は羽根の
最適な高温特性を形成し、一方ハブ部分の極めて微細な
グレイン組織はバブ部分が作用中に受ける高応力とより
低い温度とに耐えるに必要な最適な強度と靭性とを形成
し、これによって最適な性能を与える。

従って、複合タービンホイールはその機械的特性を最適
にするために合金成分とグレイン組織を調整され、一方
において、同時に材料の最も効果的な利用と複合組立体
の最大の経済性とを得る。

これとは対照的に、公知技術によってつくられたこれ迄
知られた形式の一体鋳造のタービンホイールは、羽根部
分において極めて微細なグレインサイズを有し、このた
め高温強度と疲労耐久度が十分ではなく、一方中央ハブ
部分は冷却速度と凝固速度に差があるために粗大グレイ
ン組織となり、このため脆く、最も高い応力範囲におい
て靭性と強度とが不足する。

また、本発明方法においては、ローター或はバブ部分そ
れ自体を予め金属パウダーをモールド内で焼結して形成
しておき、その後これを羽根部分と組み合わせ、その後
さらに焼結と引きつづく高温均等プレスを行って一体化
したタービンホイール組立体をつくることも意図される
。

第８図に示すように、予め形成されたバブ或はホイール
部分７２は中実軸部分７４とディスク部分７６とを備え
、該ディスク部分の外周にはその周りに正確に間隔づけ
られた位置に多数の軸方向に伸びるノツチ７８が形成さ
れており、該ノツチは羽根要素８２のルート部分８０を
滑動可能に収容しかつ正確に位置決めするようになって
いる。

予め形成されるバブ部分７２は前述したパウダ一部分の
ものと同じものからつくられ、それは第９図に示したモ
ールド組立体８４を使用することによってつくられる。

モールド組立体８４はＦ方モールド部分８６と上方モー
ルド部分８８とからなり、組合わされた際にバブ部分７
２に実質的に相応した形状の内部モールド凹所９０をつ
くる。

内部モールド凹所９０は上方モールド部分８８の中央上
方端内にある孔９２を通してパウダーを充填され、前述
のとと＜１００％理論密度の少くとも約６５饅、好まし
くは７００Ｉ）かそれ以上のゆるいバッキング密度をつ
くる。

パウダーは引きつづいて、羽根要素をつくるために前述
したと同様な方法で焼結され、一体化したタービン組立
体は少くとも約８５咎の理論密度、そして好ましくは約
９０％から約９５饅の理論密度の予め焼結された予備形
成体をつくる。

この予備形成体は、つづいて第８図に示すごとく所要数
の羽根要素８２と組み合わされ、これによってルート部
分とノツチ７８とが共働して羽根要素をディスク部分７
６の外周まわりに適当な半径方向位置と周方向位置とに
位置合わせすべく正確に保持する。

結果的な組立体は、さらに前述したと同様な条件のｆに
焼結され、予備形成体と羽根要素との間に金属拡散接合
を形成する。

結果的な焼結組立体は、その後前述したと同様な方法で
高温均等プレスにかけられ、１００％理論密度に近い一
体的なタービンホイールにつくられ、そこでは第７図に
関連して述べたと同様な金属接合によって羽根はバブ部
分に一体的に接合されている。

又、第１０図に示すように、羽根要素９６のルート部分
９４はドブテイル形にすることができ、これによって予
備形成されたバブ部分のディスク部分１００の相応する
形状のノツチ９８と機械的結合させることもできる。

羽根要素と予備形成されたバブ部分との間にこのような
機械的結合を与えると、最終的に高温均等プレスをかけ
られた組立体の一体性を強めると同時に、最終的な焼結
作用の間に羽根要素のバブ部分に対するいかなるズしを
も生ずることがなく、バブ部分と羽根要素とを保持或は
支持するのに要する固定手段の複雑性を最少限にするか
或はかなり減少せしめる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法によりつくられた展望的な複合ター
ビンホイールの斜視図、第２図はプレイン（ｐｌａｉｎ
）型の羽根要素の斜視図、第３図は基部に円弧状のプラ
ットフォーム部分を組み込んだ羽根要素の斜視図、第４
図は羽根部分の基部に円弧状のプラットフォームをそし
て先端部に円弧状の覆いを組み込んだ羽根要素の斜視図
、第５図は焼結段階に先立って耐火モールド内に多数の
羽根要素を組み込みそしてその中央凹所には金属パウダ
ーを充填した該モールドの垂直横断面図、第６図は焼結
されるべき金属パウダーにより充填された羽根要素を限
界する凹所をもつ耐火モールドの横断面図、第７図は羽
根要素と焼結されて高密度化されたバブ部分との間に形
成された金属的接合部の顕微鏡写真、第８図は本発明の
変形例の分解的斜視図、第９図は第８図に示された焼結
バブ部分を予め形成するためのモールドを示す斜視図、
第１０図はバブ部分と相互連結した羽根部分の部分的平
面図である。 １０・・・・・・タービンホイール、１２・・・・・・
バブ部分、１３・・・・・・羽根、１６，２２，３０，
４６・・・・・・羽根要素１８，２４，３２，５２・・
・・・・羽根部分、２０゜２８．３８，６０・・・・・
・ルート部分、４４．４８・・・・・・凹所、５０，６
２・・・・・・モールド部分。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ バブ周囲に多数の羽根が結合された複合タービンホ
   イールおよび同様物を製造する方法であって、高温強度
   並に疲労耐久性を有する材料から羽根部分と該羽根部分
   の基部軸線方向に伸びる一体結合のルート部分とを包む
   多数の羽根要素を形成する段階と、該羽根要素を正確な
   最終寸法に仕上げする段階と、前記羽根要素を半径方向
   に向けかつ周方向に正確に間隔を置いた関係にしてモー
   ルド内に位置決めし前記羽根要素のルート部分がモール
   ド空所を内方に伸びて当該タービンホイールのバブ形状
   をなすごとく配置する段階と、前記モールド空所を所望
   構成の金属パウダーにて充填する段階であってこれによ
   り１００％理論密度の少くともは’＝’６０％のゆるい
   バッキング密度をつくりかつ前記ルート部分を当該金属
   パウダー内に埋設される段階と、前記モールドと前記組
   合わせられた羽根要素および金属パウダーを上昇温度に
   加熱し当該金属パウダーを一体的塊りに焼結させるとと
   もに該パウダーを前記ルート部分に接合させる段階と、
   前記焼結された金属パウダーが１００多理論密度の少く
   ともはｆ９０φの密度を得かつ前記ルート部分と前記焼
   結された金属パウダーとの間に金属拡散接合を形成して
   一体的な組合わせ体を形成するまで前記加熱および焼結
   作用を持続する段階と、前記一体的な組合わせ体を十分
   な圧力ｆにおけ上昇温度にて高温均等プレスにかける段
   階であってその持続時間が前記バブを形成している焼結
   された金属パウダーの密度がｉｏｏ％理論密度に近い密
   度にまでさらに高密度化させるに十分な時間であるよう
   なプレス段階とからなる複合タービンホイールおよび同
   様物を製造する方法。 ２ 前記モールド空所を金属パウダーにて充填する段階
   において少くとも理論密度のは７７０％のゆるいバッキ
   ング密度を得るようにした第１項の方法。 ３ 前記加熱および焼結作用を持続する段階において焼
   結されたパウダーが少くとも理論密度の９５優を得るよ
   うにした第１項の方法。 ４ 前記モールド空所を充填する段階が超合金金属パウ
   ダーを利用することにより充填するようにした第１項の
   方法。 ５ 前記モールド空所を充填する段階が粒子サイズがほ
   く１００メツシユ以下であってから酸素含有量かはＳＳ
   １００ｐｐ以下の超合金金属パウダーを利用することに
   より充填するようにした第１項の方法。 ６ 前記金属パウダーを上昇温度に加熱する段階におい
   て該金属パウダーの焼結がはｆ１０９５°Ｃ（２０００
   ’Ｆ）からはゾ１２６００Ｃ（２３０００Ｆ）に亘る範
   囲の温度にて行われるようにした第４項の方法。 ７ 前記金属パウダーを焼結するために上昇温度に加熱
   する段階が、はゾ８７０℃（１６００°Ｆ）からはＮ１
   ０９５°Ｃ（２０００°Ｆ）の範囲に亘る温度で真空中
   で行われる第１段階の低温焼結段階と、該第１段階の焼
   結後、該第１段階の焼結温度よりは高いが当該金属パウ
   ダー粒子の初期融点以Ｆのレベル温度にて行われる第２
   段階の焼結段階とを含む第４項の方法。 ８ 前記多数の羽根要素を形成する段階が、高温強度並
   に疲労耐久性を有する材料の溶融体を所望形状のモール
   ド空所内で鋳造することにより行われるようにした第１
   項の方法。 ９ 前記多数の羽根要素を形成する段階が、高温強度並
   に疲労耐久性を有する材料からなる微細に分子化された
   パウダーを上昇温度で焼結して一体化したかなり濃密度
   の塊りにつくることによって行われるようにした第１項
   の方法。 １０前記多数の羽根要素を形成する段階が、高温強度並
   に疲労耐久性を有する金属合金からなる微細に分子化し
   たパウダーをはく８７０℃（１６００°Ｆ）からはゾ１
   ０９５°Ｃ（２０００°Ｆ）に亘る範囲の温度にて真空
   中で第１段階の低温焼結段階に加熱し、しかる後該第１
   段階の焼結温度より高いが当該パウダー粒子の初期融点
   よりは低いレベルの温度にて第２段階の焼結を行うこと
   により形成するようにした第１項の方法。 １１ 前記多数の羽根要素を形成する段階が、高温強度
   並に疲労耐久性をもつ超合金を使用することにより行わ
   れる第１項の方法。 １２前記多数の羽根要素を形成する段階が、初めにセラ
   ミックの羽根部分を形成し、しかる後一体的な羽根要素
   を形成すべく金属性のルート部分を前記羽根部分の基部
   に焼結することにより行われるようにした第１項の方法
   。 １３前記一体化された組合わせ体を高温均等プレスする
   段階が、１０４０’Ｃ（１９０００Ｆ）から当該組合わ
   せ体を構成する成分の初期融点に至る範囲の上昇温度に
   て行われるようにした第１項の方法。 １４前記一体化された組合わせ体を高温均等プレスする
   段階が、はＷ７００ｋｙ／ｉからプレス容器の強度限界
   に至る範囲の圧力にて行われるようにした第１項の方法
   。 １５バブ周囲に多数の羽根が結合された複合タービンホ
   イールおよび同様物を製造する方法であって、高温強度
   並に疲労耐久性を有する材料から羽根部分と当該羽根部
   分の基部軸方向に伸びる一体結合のルート部分とを有す
   る多数の羽根要素を形成する段階と、前記羽根要素を正
   確な最終寸法に仕上げする段階と、前記バブ部分の形状
   をなしかつ当該バブ部分の外周囲まわりに正確に間隔づ
   けられた多数のノツチを形成されたモールド空所内に金
   属パウダーをおくことによりバブ部分を形成する段階と
   、前記金属パウダーを加熱し予備形成体をつくるべく当
   該パウダーを少くともはゾ８５ダの理論密度の一体的塊
   りに焼結する段階と、前記予備形成体をモールドから取
   り出し前記羽根要素のルート部分が前記バブ部分のノツ
   チ内に半径方向を向きかつ周方向に正確に間隔をおいた
   関係で接触させるべく前記羽根要素を位置決めする段階
   と、前記予め組み合わされたバブおよび羽根部分を上昇
   温度に加熱する段階にして焼結された前記バブ部分が少
   くとも理論密度の９０φの密度を得るとともに前記ルー
   ト部分とバブ部分との間に金属拡散接合を形成して一体
   化された組合わせ体を形成するに十分な時間加熱する段
   階と、前記一体化された組合わせ体を十分な圧力下にお
   ける上昇温度にて高温均等プレスを行い焼結された前記
   バブ部分を１００咎理論密度に近い密度にまでさらに高
   密度化させる段階とからなる複合タービンホイールおよ
   び同様物を製造する方法。 １６前記羽根要素およびバブ部分を形成する段階におい
   て、前記ルート部分とノツチとが、前記羽根要素をバブ
   部分に組を付けた際に機械的に結合されるようにした第
   １５項の方法。