JPS59105902A - タ−ビンロ−タ及びロ−タディスクの形成方法 - 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】 本発明はブレードと一体に形成されｌこディスクに係る
。

自動ψ用カスタービン１ンジンや航空機用ガスタービン
エンジンのタービンガスに使用される、ブレードと一体
に形成された鋳造ディスクは、ディスクの縁部に於て低
勺イクル疲労亀裂を生じやすいことが知られている。こ
の亀裂のＲ生は、高温のタービンガスに直接さらされて
いるディスクの縁部と比較的低温のディスクの中火部と
の間に（ｊ在づる温度勾配によって引き起こされる。従
来のブレード飼さのｆ′イスクに於てこの問題はない。

何故ならば縁部はブレードブラットフオームによって高
温から保護されており、又縁部に於てディスク金属が幾
らか動くことを可能に１へく形成されたブレード溝があ
るために縁部が不連続になっているからて゛ある。ブレ
ードと一体に形成された鋳造ア゛イスクの縁部に於ける
応力を緩和覆るために、縁部のブレードとブレードどの
間に穴又は溝が形成される。これらの溝は縁部に於（）
る熱応力を幾らか緩和する。それぞれの溝の底部或いは
半径方向の最も内側の位置に比較的大きな形を右覆る穴
がドリルによって形成される。これらの穴は亀裂が溝の
底部に於て発生しディスクの内部へ進展することを防ぐ
。ガス漏出を防ぐためにそれぞれの穴へはリベットが挿
入されるが、溝自体による漏出の発生はなくならない。

望ましくないガスの漏出に加えて、応力緩和溝とイれに
伴なうリベッ１〜はタービン臼−夕のコストの大きな部
分を占めこの点からも望ましくない。

に」−タのハブ或いはア”イスク部分を鍛造づるＩノ法
を改善し、鍛造品の引き伸はされた縁部をル−トに加工
す゛る、もしくはディスクをプルレードと完全に　体に
鍛造りるために、現在研究が進行中である。かかる鍛造
は（木精ｎと）共通の所イＪＩＩ′ｉをイＪ’ＴＪる米
用性情第１１．０５１，７０８号にｉ、Ｌ！載されてい
る０ａｔ０１’１Ｚｉｎ（１（登録商標）鍛造上程など
によつ（行われる。これらの鍛′）モされた【−１−タ
ディスクの縁部（こ於ける濡麿勾綿による亀裂の発生を
防ぐことが望ましい。しかしながら、かかる亀裂の発生
を防ぐことにより生ずる従来技術に於て存在りるガスの
漏出とそれに伴なうコス１への上昇を最小限に押えるこ
とも必要である。

本発明の目的は、ブレードと一１木に形成されＩこア゛
イスクの縁部に於ける低サイクル疲労亀裂の発生を除去
することである。

本発明の他の一つの目的は、ディスクにｂっで漏れ溝を
形成覆ることなしに、ブレードと一体に形成された１」
−夕の縁部に於て応力緩和を実現させる手段を提供づる
こと（・ある。

本発明によれば、グレードと一体の］」−タディスクを
形成づるｙｊ法は以下の二つの段階を含ｌνでいる。即
ち、円周方向に隔置された複数の応力緩和溝をディスク
のａ清面部品の外周に形成し、溝の表面が接着し合うこ
とがないＪ：うに鍛造（こにつて溝を閉じる。閉じられ
た溝は鍛造面部品から形成されるブレードの間に配置さ
れる。

？八は鍛造によって閉じられているが、ロータディスク
完成品の縁部に於て必要な応力緩和を円周１．６カを除
去覆ることによって提供する。溝が鍛造によつＣ閉じら
れる際に溝の表面が接着し合うことを防ぐために、表面
が１−でに酸化層を有している場合を除いて、その表面
は酸化物によって被覆されるか適当な熱処理によって６
９化される。

鍛造ＯＦ１部品の、イれぞれの満は、応力集中を避ける
ためにその底部に於てある曲率半径を有するへく形成さ
れる。必ず必鼓な注意ではないが、閉じられた）蔦の底
部が丸い形状を確実に維持覆るように、溝が鍛造によっ
て閉じられる際に円形断面をイラする棒が溝の底部に配
置されることも可能である。

本５を明の一つの実施例にＪ、れば、？１テ径り向のｉ
ト１は外周に於てグレードに加工される部分をイ」りる
４に状の鍛造面部品の外周から内部に向か−）−（形成
されている。溝４つ（〕５れた鍛造面部品は嵩の表面を
酸化りるために空気炉の中で熱処理される。

鍛造＋”＋Ｆｒ部品は適当な型板を右−４る鍛造プレス
内に煮かれる。イしく例えば本明細ｆｌに参考としく　
！：ｊ載されＣいる木特訂ど同一の所右名をイＪりる米
国特８′１第３，５１９，５０３号及び第４．０り１゜
７０８号に記載されているＱａｔｏｒｉｚｉｎｇ鍛造」
稈などによつ（、ｉイスクが鍛造され潜が閉じられ同時
にｊ゛イスク外周に於Ｃ閉しられＡ：　ｌＦ＋の間にプ
レートか形成される、。

木花明はブレードと一体の鍛造タービン＝ｉ゛イスクの
縁部に於（〕る応応力用を１−イスク内に漏出路を轡入
りることなしに実現させる安価な手段を１１１供するし
のである。

以下に添イリの図を参照しつつ、本発明を実施例につい
で訂細に説明する。

ブレードと一体のロータディスクを形成づる方法に関し
−（多くの技術が知られているが、本ｇｅ明は少なくと
もロータのディスク部分が＠造によつ（形成されている
ようなブレードと一体のロータに対し′Ｃ適用されるも
のである。

本文に於Ｃ、パ鍛清面部品″という詔は完成品を形成す
るｌこめに少なくとももう一回の鍛造工程を杼なりれば
ならない鋼片或いは部品をざし°Ｃいる。“器状の″鍛
造前部品は慨して円形成いは環状の断面をイｊし且その
外径がその厚さよりも大きい鍛造的部品のことをさして
いる。

第１図及び第２図に図示されている通り、ＩＩＩ状の鍛
造的部品１０は縁もしくは外周１４から鍛造前ｌ；１３
品の中央へ向かって延在している＄ｉ数の溝１２を右し
ている。溝１２は鍛造的部品１０の外周１４に於て円周
上に配置され、Ａ鍛造前部品１０の厚さ方向に亙って延
在している。叉溝１２は、それぞれが完成された［１−
夕に於て隣接し合うブレードの間にｉｏ、　＠−４べく
配置されている。

満１２は、例えば研磨盤を用５ｖた加Ｊ方法な２Ｐによ
って形成されることが可能である。鍛造面部品１０自体
が鍛造によって作製される場合は、嵩′１２は鍛造的部
品の鍛造上程の間に適当な型板の使用にＪ、り形成され
ることが可能ζ−ある。第１図に示されている通り、応
力集中を避りるためにイれぞれの漏１２の底部１６はあ
る曲率平径をイ’ｉ　−５１べく形成されることが望ま
しい。

満１２は次の鍛造過程に於Ｃ完全に閉じられる。

この次の鍛造■稈の結果として溝１２の表面１８がｎい
に接着或いは′７８着したとすると本発明の１−１的は
達成されないので、確実にかかる接着や溶着が生しない
様に１稈がとられることが必要である。

はんだイ１に於−Ｃ使用されるぬれ停止剤（Ｍ　Ｃｔａ
ｌｓｌ−１ａｎｄｌ）ｏｏｋ　、　ｇｔｌ＋　　［ｄｉ
ｔｉｏｎ、　Ｖｏｌ、　Ｏ，”Ｗ（！１ｄｉｎｇ　　ａ
ｎｄ　　Ｅ３ｒａｚｉｎｇ”　　、ｐＨ，６０２−６０
３，△ｍｅｒｉｃａｎ　５ｏｃｉｅｔｙ　ｏｆ　１ｙｌ
ｅｔａｌｓ　、　ＱＩ＋ｉｏ　　（１９７１）参照）と
類似の酸化層が溝゛１２の表面１８１こ適用或いは形成
されることが望ましい。これは適切な熱処理或いは単に
満１２の両面に適切なぬれ停止剤（例えば窒化ホウ素）
を塗布することによっで達成される。例えば、鍛造的部
品１０が焼結されたＩ　Ｎ　１００の様なニラクル活用
合金て゛作られている場合、鍛造的部品１０を空気ｗｒ
　＋ｔｑに於てＪ　３　ｄ°０以−１−の温度のもとで
′３０分以十加熱することにＪ、つＣ酸化層が形成され
る。鍛造１ｆＱ　ａｎ　＋Ｉｉ＾１０が形成される際に
溝１２が鍛造前部品内に鍛造によって形成される場合、
鍛造ｖｒ　ｉこ酸イヒ層力く表面′１８に５１　？Ｊ’
るのて゛・新たな酸化処理は必要な（八。

１ｊ４がイ（１（］られだ鍛造前部品１０は鍛造プレス
の中にｊＦ？かれ、［１−タディスク１９へと１）１け
さｔし、ｔＭ　１２　Ｇよ完全に閉じられてそれぞｉｔ
の溝の位置（、：鍛造による小なり合い部分２０（第３
図参照）　ｂ＼影形成れる。実際にはこれらの鍛造によ
る兎なり合い部分が肉眼にＪ、・〕−（識別されること
は回動〇′あろう。ＩＭ　１２が閉じられる際に同１＋
、′ｉｃこ−ｆシレーｚ２２が鍛造によって形成される
場合とされな（Ｘ場合とがある。例えば、新たな鍛造工
程によってテ′ｒスクが整形されブレードが形成される
ことｌｆｉ　＋＋１能Ｃある。又、溝が閉じられ１．：
後にＩｌｌ造さ′￥ｔたディスクの外周部分から（例え
ば電気化学的或ＶＳＩよ放電加Ｕｌなどによって）ブレ
ードが加重されることがｉ−Ｊ　ｆｉｔ：である。

低すイクル疲労亀裂の主な弁生要囚（よ、ディスク内に
ｈつで存在りる半径方向のハしい温度勾配によつ−（高
い円周応力が引き起こされることＣある。溝（鍛造によ
る重なり合い）が円周を切断りることによりこれらの応
力は緩和される、１鍛造による中＜ｆり合いの底部２４
に於て円周がｉＱび形成されるが、底部２４からディス
クの中火８１ＸまでｔこＢる渇＋ｉ勾配はより小さいの
で円周応ツノはかなり小さくなる。完成されたに１−夕
に於【ノる重なり合い２０の底部２４に於て低ナイル疲
労亀裂が発生しない稈応力が低くなる様に、鍛造的部品
１０に形成される１ｒ＾′１２の長さが選ばれる。最小
σ〕満長さは最初理論解析によって決定され得るが、最
終的に（ま試行錯誤が必要とされるであろう。鍛造によ
る重なり合い２０の長さは勿論ディスク１９の半径Ｖ以
下である。

鍛造による川なり合い２０の底部２４に於て応力集中が
生じるために低すイクル疲労亀裂が発生づる問題がなＪ
’ｉ残っている場合は、溝が鍛造されて閉しられる際に
溝の底部に沿つ゛Ｃ円円形面を右づる棒が配置され溝の
底部がその周りを包む形で閉しられることによってｉＭ
の底部は閉じられた後に適当に大きな曲率半径を維持す
ることが出来る。

゛′棒″という詔は１金やリベツ１−等を含んだ広義の
意味で用いられている。棒は鍛造的部品と同一の材お１
或いは鍛造的部品と同一の膨張係数を右づる金属によっ
て作られている。

第４図は木ブし明によるブレードど一体に形成されたデ
ィスク２５の一部を図示しており、この図に於Ｃ応力緩
和溝が溝の底部に沿っＣ配置された棒２６（断面図で示
されている）の周りに於て鍛造されて閉じられ゛（いる
。図かられかる通り、棒２６は幾分楕円形に圧縮されて
いるが閉じられた溝の底部に於てある凸出半径を維持し
ている。

本発明の方法は前）！のＧａｔｏｒｉｚｉｎｇ鍛造工程
と結合されて使用されることが特に以下に言及される。

適当な大きさを有する円柱鋼片、或いはく整形のために
）平板の間もしくは型板の間に於てアブヒラ（〜された
鋼片が鍛造的部品として使用されよう。前述の米国１）
許第３，５１９．５０３弓に１相に説明されている通り
、鍛造的部品のＨ石とｈる鍛造的部品或いは…ハはＨ縮
、例えＬＪ押し出し等の手段によって加工されたｂの′
Ｃな１ノればイ１らない。このＩＩ　ｌ１ｒｉ加工の条
（！１は、この圧縮加」−の結果どしてこの後に続く等
温鍛造過程に於ｉＪるｊｌみ速１良と湿度とのらとで合
金が茗しい結晶粒成長を受（ｊずに超塑性挙動を呈する
べく設定される。

合金は鍛造された後、従来の熱処理り法によっ“Ｃ通常
の高強度及び硬さを右づる状態に回復されることが可能
Ｃ゛ある。Ｇａｔｏｒｉｚｉｎｇ　■稈は、チタン、ニ
ッケル、］パル１〜、鉄などの合金に限定されるＪ、う
な高強度の析出硬化型合金に対してイ」効て′ある。

ＱａｌＯｒｉｌｉｌ１ｇ工稈が本発明と結合されＣ使用
されるために、半径方向に適当な長さを右し円周状に隔
置された適当な数の溝は、Ｑ　ａｔｏ＋・ｉ　ｚ　ｉ　
＋＋す」稈の要求通りに加工された適切な外形を有づる
鍛造的部品の厚さ方向全体に亙って（例えばカーバイ１
〜（ｄｌ　ｌｊ９盤等により）加工される。満は最終的
に完成されたＩＩ＝夕の複数のプ゛レードの間の中火部
に位置すｌ＼く配置される。例えば鍛造的部品の材料が
ニラクル基超合金で′あるＩ　Ｎ　’＋　００である場
合、溝の内面は窒化ホウ素によって被覆されよう。被覆
された鍛造的部品は、本明細出に参考として記載され且
鍛造装置に関する詳細な情報が記載されでいる同一の所
イ（３者を右する米ｌ↓１狛ム′１第４．０７４．５５
９号の中で示され石いる型のＧａｔｏｒｉｚｉｎり鍛造
プレスの中に１αかれる。鍛造的部品の外周付近の超塑
性材料ｔ、１円周状に配置されたブレード形成型板の間
に押し込まれ、同１時にディスクかはほぞの最終的な形
状に形づくられる時に溝は鍛造によつＣ閉じられる。そ
の後ブレードと一体の）゛゛イスク型板から取外され、
該ディスクの材料である合金は従来の熱処理方法によっ
て通常の高強度及び映さを有する状態に回復される。

一つの実施試験によれば、皿状の鍛造的部品は約１２０
．９ｍｍの直径と約１１．６８ｍｍの厚みをイｊしてい
た。本発明に関しては重要な点ではないが、鍛造的部品
はセンタ孔を有しておらず鍛造６に１部品の側面から外
向きに延（Ｆ−！Ｊる長さ約３１　、　７５１１１ｍ、
　１仔２２　、　２２１１１ｍの棒と一体に形成されて
いｌ、：。この鍛造的部品はＱａｔ旧゛ｉ　ｉ　ｉ　ｎ
り鍛）２シＬ稈により渇磨１９２−１〜１１３５°Ｃ２
初期歪み迷電０゜５　ｃｍ／ｃｍ／　ｍｉｎ、の条１′
１のもとに、焼結された析出硬化型ニラクル基合金（△
Ｆ　２−１　ＤΔ）の内材…ハから鍛造された。その後
鍛造前部品の厚さｌｊ向全全体Ｂつで円周上に隔置され
に′１０個の溝が加ＸＩ］された。（れぞれの溝は１３
．２０ｎ＋ｎ＋の長さと１７．７８ｎ＋ｍの幅とを有し
且その底部に於℃曲率半径を右していた３、溝をつけら
れＩＣＣ鍛造品部品空気中に於て９８２℃の渇麿のらと
Ｃ１峙間加だ）され、全一（の表面に酸化被膜が形成さ
れＩこ。鍛造的部品と類似の（しかしより低い耐熱性を
右する）材料からなり且前記溝の幅とほぼ等しい直径を
右づる棒が（れぞれの溝の底部に配置された。

その後溝をつ【）られた鍛造的部品はＧａｔｏｒｉｚｉ
ｎｇ工程によつで再び鍛造され、約１０．ＩＣ３ｎ＋ｍ
の長さを右づる３０個のブレードを含む最終形状が形成
された。（、ｌＩａｔｏｒｉｚｉｎｇ工程の温度は前述
のものと四　Ｃ゛あったが、今回の鍛造過稈を通して歪
み速Ｉｆｆ　ＩｒＡ　０　、　１　ａｍ／　ａｍ／　ｍ
ｉｎ、に肩１持された。このプレー１〜形成過程の間に
溝は完全に閉じられる。そして、最終的に１］−夕の直
径と厚さくブレードを除く）とは溝をつりられた鍛造面
部品のそれらとほぼ等しくなっていた。完成された部品
は第４図ＩＪ小されるノ゛レー１”　（＝Ｊきの１」−
夕ど類似の形状を右していた。この部品は８７１°Ｃの
縁部温度と３′１６℃の中火部温度とのくつまり温度差
Δ］−は５５５℃）条件下で稼動すべく設ｈ１されてい
た。稼動時の応力を大まか−に′シミュレート１べくδ
■Ｉされたこの部品のサイクル試験に於て、縁部は加熱
され−ｈ中央部は比較的低温に維持された。４ノ、イク
ル試融の間、ディスクに於（プる亀裂の発生は生じなか
った。

以」−に於−（は本ブを明を特定の実施例について１細
に説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるも
のＣ′はなく、本発明の範囲内にて種々の実施例が可能
ぐあることは当業者にとって明らか

【図面の簡単な説明】

第１図は、木ｙ卜明による溝を有する鍛造面部品を示１
Ｊ＋１−面図Ｃある。 第２図は、第１図の鍛造面部品を慨し【線２−２に沿っ
Ｃ見た部分断面図である。 第３図は、本発明によって第１図の鍛造面部品から形成
されたプレートと一体に形成されｌζ１」−タア゛イス
クを示づ。 第４図は、本発明の他の別の実施例にＪ、るル−トど一
体に形成された１」−タディスクの一部分を示１゜ １０・・・鍛造面部品、、　　１２・・・溝、１４・・
・外周、１６・・・溝の底部、１８・・・溝の表面、１
９・・・１−１−タγイスク、２０・・・手なり合い部
分、２２・・・プレート。 ２４・・・重なり合い部分の底部、２５・・・プレート
と一体に形成された″ｉコイスク、２６・・・棒特許出
願人　　ユナイテッド・デクノロシーズ・コーボレ、イ
シ三］ン 代　　理　　人　　　弁理士　　　明　　石　　昌　　
毅ＦＩＧ、／　　　　　　　　　２４−１２◆」 ・＼ 一！ ／ ／ Ｆ／Ｇ、ｔ’ □

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）タービン１」−夕にして、前記タービン［１−夕
   は外周部と前記外周部から半径方向外向きに延在し且前
   記外周部と一体に形成された複数の円周上に隔置された
   ブレードとを有する鍛造されたディスクを含んでＪ３す
   、前記ディスクは複数の円周状に隔置された鍛造による
   閉じた重なり合い部分を含み、前記型なり合い部分は前
   記ディスクの外周部から前記ディスクの半径よりも小さ
   い距離にｈつで半径り面内向きに延在し且ｊ！′イスク
   の厚み仝休にＩｉ　−、）　Ｕ軸方向に延在してＪ５す
   、それぞれの前記型なり合いは一対の隣接づる前記ブレ
   ードの間に配置されてａ５す、前記型なり合いの内面ど
   うしは接触しているが接着してはいないことを特徴とす
   るタービンに１−タ。
2. （２）縁部を右Ｊる皿状の鍛造的部品からブレートと一
   体に形成されたロータディスクを形成り゛る方法にして
   、前記鍛造的部品の円周」ニに隔置され、底部を右し、
   前記縁部から前記底部までに亙っＣ延在し、■前記鍛造
   前部量の厚み全体に屋っで軸方向に延在Ｊる複、数の溝
   を形成づる段階と、前記鍛造的部品から前記ロータブレ
   ードを形成し前記鍛造的部品からディスクを鍛造し同時
   に前記溝の内面を接着されることなく前記溝を鍛造によ
   って閉じる段階とを含み、前記閉じられた溝は円周上に
   隣接する前記ブレードの間に配置されていることを特徴
   とする方法。