JPS6049586B2 - 熱機関のブレ−ドおよびその製法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は耐熱合金を基材とする複合材料に関する。

さらに本発明はこの複合材料の製法およびその使用に関
する。

実質上金属の基材よりなる高温複合材料は多数の組合せ
が研究され、それぞれ文献から公知である。

これらはとくに高負荷の未来の熱機関を構成する際重要
な役割を演する。この種の材料は種々の文献に記載され
る（たとえばＰ．Ｒ．ザーム（Ｓａｈｍ）およびＭ．Ｏ
．シユパイデル（Ｓｐｅｉｄｅりのハイ（Ｈｉｇｈ）
テンペラチア マテリアル イン ガス ターピンズ，
エルスビア，アムステルダムーロンドンーニユーヨーク
（Ｔｅｍｐｅｒａｔｌｌｒ′ｅ〜ＢｔｅｒｉａｌｌｎＧ
ａｓＴｕｒｂｉｎｅｓ，Ｅｌｓｅｖｉｅｒ，Ａｒｒｌｓ
ｔｅｒ（１１Ａｍ上０ｎｄ０ｎ−ＮｅｗＹＯｒｋ）１９
７桿；Ｄ．Ｃ．ドレンネン（Ｄｒｅｎｎｅｎ）のタービ
ン ブレーズウイズ サーマル フアテイーグ レジス
タントエツジス，バトル コロンブス ラボラトリーズ
，オハイオ，レビュー オブ メタルズ テクノロジー
，（ＴｕｒｂｉｎｅＢｌａｄｅｓＷｉｔｈｔｈｅｒｍａ
ｌｆａｔｉｇｕｅｒｅｓｉｓｔａｎｔＥｄｇｅｓ，Ｂａ
ｔｔｅｌｌｅＣＯｌｕｎｌＢｕｓレＢＯｒａｔＯｒｉｅ
ｓ，ＯｈｊＯ，ＲｅｖｉｅｗＯｆＭｅｔａｌｓＴｅｃｈ
ｎＯｌＯｇｙ）１９７拝１月２８日参照）。一般に強化
繊維、ワイヤ、バーまたはネットとして形成された心材
料を、外形を決定する基材として役立つ本来の構造材料
中に埋込み、または前者を後者て被，覆することが試み
られている。この目的で溶解−、粉末治金法およびその
組合せが使用される。明白な縦軸を有する物体の製造に
はとくに浸漬法および連続鋳造法などの連続的作業法が
使用される（前記ザームの文献参照）。これは一般に心
材料の融点が１定の最小値だけの基材の融点より高いこ
とを前提とする。公知の例はタングステン繊維で強化し
たニツケルスーパアロイ、とくに熱機関の高負荷構造部
材用のものである。他の方法は粉末状の基材から出発し
、この中へ振動台上で強化繊維が真空下に埋込まれ、そ
の際第１回の圧縮が達成される。プラズマスプレーも使
用される。いずれの場合も溶解または粉末治金法によつ
て得られる粗成形体は高温において焼結、圧力適用下の
焼結、押出しなどによつて付加的圧縮が行われ、その際
著しい断面減少が伴われる。高温複合材料の品質を判断
する場合、使用条件下の耐劣化性が主因子である。

材料は化学的にできるだけ安定であり、その治金的組成
および組織は時の経過により変化してはならない。前述
の形のタングステン−ニッケルの材料組合せはこれらの
条件をきわめて不十分にしか充足しない。というのはニ
ッケルがタングステン繊維の早期脆化の原因となるから
である。この状態は常用の細いタングステン繊維（とく
に５０〜３００μ）を使用する際ニッケル含有基材との
接触面積が大きく、拡散行程が小さくなるほど著しくな
る。それゆえ脆化は短時間にタングステン繊維のほぼ全
断面に行きわたる。製造面からはできるだけ広範な簡単
化、低コスト化および製造工程の短縮が望まれる。

これはとくに基材が先行する鋳造、鍜造または粉末治金
法の適用による成形によつてすでにほぼ最終製品の形を
有し、強化要素のあとからの組込が非常に困難であるか
、またはまつたくできない場合も同様である。本発明の
目的はその要素が時間的劣化現象なしに化学的に互いに
融和性であり、高温で常用材料より高いクリープ強度お
よび疲労限を有する、高い作業温度用の複合材料を開発
することである。

さらに本発明により製法が簡単化され、とくに費用を要
する製造工程、強化材料の細い繊維の基材による含浸ま
たは粉末治金的被覆およびそれに伴う温度制限が回避さ
れなければならない。さらに本発明によつて高温な原料
の使用を避け、最終製品の価格が低下されなければなら
ない。この目的は本発明により分散型合金よりなる心材
料を耐熱合金よりなる基材の中へ埋め、基質材料によつ
て全面的に包囲し、これと密に結合することにより達成
される。

この複合材料はその仕上加工前に中空空間を生ずるよう
に成形し、心材料を基材の中空空間に相当する形にし、
基材へ密に嵌めこみ、基材によつ”て完全に蔽い、真空
気密に封鎖し、このように得た材料をあとから圧縮およ
び最終的に成形することによりとくに有利に製造される
。

本発明の思想は最終的外形を決定する基材（たとえばニ
ツケルスーパアロイ）を強化するため、．基材と類似ま
たは同じ型の合金の分散硬化した心材料（たとえばニツ
ケルスーパアロイ＋酸化イットリウム）を使用すること
にある。

いかなる場合にも２つの材料はその成分に関し互いに融
和性であり、その組成は硬化する分散物質は別として互
ノいに著しく異なつてはならない。さらに成形に関する
たとえば精密鋳造の利点を、とくに場合により存在する
冷却通路を製造する際、熱に安定な複合法による高いク
リープ強度および高温疲労限のような分散型合金の利点
と組合せることができる。この複合技術によつてさらに
分散型合金の経済的使用に関する前提が初めて得られる
。これまで分散型合金の一般的および単独の使用は成形
および比較的低い剛性（高温における疲労限の挙動）の
問題のため阻止されていた。本発明による複合材料は組
成および使用目的に応じて種々のクラスに分類される。

化学的構造を基準にすれは次のとおり分類される。ニッ
ケルまたはコバルトスーパアロ，イの基材：Ｎｉ−Ｃｒ
−（ＣＯ）型またはＣＯ−Ｃｒ−（Ｎｉ）型に属するこ
の合金はとくにガスターピンブレードの材料として適し
、添加物Ｃ，Ｗ，ＭＯ，Ｔａ，Ｎｂ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｒ
およびＢを含む。

強化に使用する心材料の組成はほとんど基材の組成に相
当するけれど、硬化物質として元素Ｙ，Ｃａ，Ｌａ，Ｂ
ｅ，Ｔｈ，Ｃｅ，Ａｌの少なくとも１つの分散した酸化
物またはこの種酸化物の混合物を付加的に含む点で異な
る。ニッケルまたはコバルト系合金にはとくに酸化イッ
トリウムまたはーランタンまたは一トリウム０．５〜３
％の添加が有利なことが実証された。鉄合金の基材：こ
の中にはＦｅ−Ｃｒ型およびＦｅ−Ｎｉ−Ｃｌｇのフェ
ライトおよびオーステナイト耐熱鋼が含まれ、これはと
くに熱機関構造の高負荷部材に使用される。

それぞれの合金型に属する心材料は硬化のため分散物質
として元素Ｙ，Ｃａ，レ，Ｂｅ，Ｔｌｌ，Ｃｅ，Ａｌ，
Ｔｌ，Ｃｒの少なくとも１つの酸化物を付加的に含む。
クロム合金フェライト鋼の場合、とくに分散硬化添加物
として酸化チタン（ＴｉＯ２）または酸化クロム（Ｃｒ
２Ｏ３）０．５〜５％が有利なこと．が明らかになつた
。モリブデンおよびチタンを数％含む１３％クロム鋼の
場合、さらに酸化イットリウム１．５％の添加が有効な
ことが実証された。これらすべての分散硬化したクロム
含有鉄合金は高い機械的制動および６００〜７００℃の
温度範囲におけ．る高いクリープ被壊強度を特徴とし、
それによつて前記使用分野の構造部材の強化心材料とし
てとくに有利に使用することができる。タングステンま
たはモリブデン合金の基材：高融点金属タングステン、
モリブデンおよびそ・の合金はその酸素に対する高い親
和力および高温における常用作動媒体に対する低い耐食
性のため熱機関にはまつたく使用されない。

しかしこれらの金属は電極材料として電子管およびガス
放電管の分野を広く支配している。純金属のほかにこれ
らの元素の相互の合金およびたとえばモリブデンにチタ
ン、ジルコニウムおよび炭素を少量添加した合金も使用
される。それぞれの心材料は基本的組成は基材とほとん
ど異ならないけれど、酸化イットリウム、酸化ランタン
または酸化トリウムが添加されている点が異なる。この
種の複合材料はとくに電子管のカソードおよびグリッド
の製造に適する。ここで本発明の複合材料は、酸化トリ
ウ）ムが電子仕事関数を低下し、放出電流密度を上昇す
る目的を有する常用のトリウム化したタングステンカソ
ードとは共通点が少しもないことを強調しなければなら
ない。トリウム化したタングステンカソードの場合、酸
化トリウムはとくに表面直・下のゾーンに必要であるけ
れど、本発明の複合材料の場合、心すなわち断面の内部
に内蔵されている。しかしこれは場合により機械的およ
び電子的の２つの機能を互いに組合せることができない
か、または指示していないことを意味するもので”はな
い。本発明による製法は費用を要する特殊な工程を避け
て、基材を最初常用の成形法により最終製品に近い形に
変えることを前提とする。

これは鍜造もしくは鍜造とくに精密鋳造または粉末治金
法によつて可能なことが実証され、その際心材料を収容
するためおよび場合により冷却通路を形成するための中
空空間があらかじめ設けられる。心材料の成分から常用
の粉末治金により製造される心材料は基材中のそれぞれ
の中空空間をできるだけよく充てんするように、熱間ま
たは冷間押出によりその適当な形に成形される。この方
法で用意した心材料は基材の中空空間へ導入され、全面
的に閉鎖される。これはビーム、レーザビーム、アルゴ
ンアークまたはサブマージアーク溶接法により真空下お
よび金属板またはプラグを使用して行われる。カバー板
を基材と同じ材料からつくるのが適当であるけれど、電
子ビーム溶接可能なことを前提にして類似組成の材料か
ら形成することもできる。心材料が基材中に真空気密に
封鎖されることが重要である。次に材料は高温で後圧縮
され、最終的形を得る。この場合原料合金のすべての間
隙および存在する孔は閉鎖され、完全にモノリシックな
複合材料が形成される。部材の形状に応じて後圧縮は熱
間鍜造、熱間圧延、熱間押出し、熱間引抜きまたはアイ
ソスタチツクによつて行なわれる。最終的成形の後、部
材は一般に粒子成長焼鈍および析出硬化が行われ、使用
条件にできるだけ適する組織が与えられる。次に本発明
を図面により説明する。

第１図には基材１および心材料２よりなる複合材料製法
の基本的工程が示される。

基材から形成される部材の成形は基本的には種々の方法
で行うことができる。Ａによればとくに精密鋳造を使用
して型５へ鋳造され、Ｂによれば型６内で鍜造され、Ｃ
によれば粉末が型７で圧縮され、あとから炉８で焼結さ
れる。この例では冷却通路の形成および心材料収容のた
めの中空空間を形成する際の方法の技術的および経剤的
利点を利用するには精密鋳造が有利であつた。

基材１からなる精密鋳造部材は合金１Ｎ一７３８に相当
し、次の組成を有した：ＣＯ．ｌ７％，Ｃｒｌ６％，Ｃ
Ｏ８．５％，ＭＯＩ．７５％，Ｗ２．６％，Ｔａｌ．７
５％，ＮｂＯ．９％，Ａｌ３．４％，Ｔｉ３．４％，Ｂ
Ｏ．Ｏｌ％，ＺｒＯ．ｌ％，Ｎｉ残部基材１Ｎ−７３８
からなる粗成形体は他の熱処理を行なわなかつた。

心材料の製造および成形はＤにより粉末治金法を使用し
て行われた。

Ｎｉｌ５Ｔｉｌ５ＡｌおよびＮｉ２ヅｒ型の前合金を真
空下に丸棒に鋳造し、回転電極法によりアルゴン雰囲気
中で粒子サイズ２００μの粉末に粉砕した。次に粉末を
ボールミルで１満間８μの粒子サイズに摩砕した。この
ように得た粉末をそれぞれの元素および酸化イットリウ
ムの付加的粉末と混合し、次の組成の生成物を得た：Ｃ
ｒｌ６％，ＣＯ８．５％，ＭＯｌ．７５％，Ｗ２．６％
，Ｔａｌ．７５％，ＮｂＯ．９％，Ｎｌ４４％（Ｎｉｌ
５Ｔｉ］５Ａ１２２．７％）Ｎ］２ヅＲＯ．２５％，Ｙ
２Ｏ３ｌ．５％粉末混合物（１１２０ｙ）を厚さ３７ｎ
Ｉｎの炭素鋼（ＣＯ．３５％）のカプセル９へ充てんし
、これを次に１０−３トルの動真空下に３０００Ｃに加
熱した。このために鋼カプセル９は排気管１０を備え、
これは排気過程終了後、つまみ取り、溶接して真空気密
に閉鎖した。粉末を充てんしたカプセルを２時間予熱し
、１１００℃のブレス温度に上げ、筒径５４ＴｎＩｎの
押出機１１で８１８ＮＩＴｒｄのラム圧力および断面縮
小比１：１６でバーに圧縮加工した。このように製造し
た心材料２のバーから基材１の中空空間の寸法に相当す
る断片を切取り、精密鋳造の前記空間へ導入した。次に
基材１内の残りの凹所を真空溶解したＩＮ−７３８のカ
バー板３によつて閉鎖し、電子ビーム法により溶接した
。カバー板３は必ずしも基材１と同じ組成であることを
要しない。材料１および３が化学的に融和性であり、電
子ビーム法により溶接しうることが必要である。溶接シ
ーム４はこの場合完全に真空気密でなければならない。
このように製造した部材を適当なブレス１１内で１０５
０℃の温度および３０００バールの圧力においてアルゴ
ン雰囲気中で１時間アイソスタチツク圧縮した。この過
程の間に基材１および心材料２は互いに完全に溶接され
、１つのモノリシック物体が生じる。さらに基材１の鋳
造に基くすべての気泡が閉鎖されるので、治金的性質が
改善されるとともに、後の材料試験を簡単にすることが
できる。これはとくにガスターピンブレード製造の際有
利である。複合材料は圧縮後、１２２５造Ｃのアルゴン
中で１時間粒子成長焼鈍が行われ、次に空気中で冷却さ
れる。続いて部材は析出硬化のため８５０℃で２４時間
熱処理される。第２図には基材１、心材料２、カバー板
３および溶接シーム４よりなる複合材料の基本的構造が
示される。

第３図は上記複合材料を使用した実施例によるガスター
ピンブレードの斜視図である。

１はそれぞれの中空空間を有する精密鋳造した翼形の基
材を表わす。

角筒形心材料２は中空空間１２へ挿入され、空所１３に
適する基材のカバー板３によつて閉鎖される。カバー板
は翼の端面と前記方法にノより溶接される。１４は心材
料よりなるもう１つの角筒形強化要素である。

１５は円筒形、１６は翼形のブレードを貫通する冷却通
路を表わす。

もちろん強化部材の実施方式は第３図の例に拘束されな
い。第４図はブレード断面内の基材、心材料ｊおよび冷
却通路の他の断面形を示す。第４ａ図は冷却通路のない
ブレード断面である。

基材１よりなるブレードは入口端部に断面が円形１７の
、中央部に正方形１８の、後部に矩形１９の強化心材料
を有する。第４ｂ図には円形のフ冷却通路１５と円形の
強化要素１７を有する断面が示される。円形の断面形は
製造技術上とくに有利であり、複合材料の構成に非常に
よく適する。とくに第４ｂ図のように均一な棒径を使用
するのが有利である。第４ｃ図にはとくにジェット機エ
ンジンの場合のようにきわめて高い要求のためのガスタ
ーピンブレード断面が示される。

この楊合基材１の断面は完全に格子に分解される。心材
料は格子へ円形１７、パラボラ形２０短辺を丸くした矩
形２１の強化要素の形で組込まれる。入口端部にもつと
も近い冷却通路から孔２３がブレードの表面へ通じ、こ
の孔から冷却媒体が流出し、流れの方向で後部のブレー
ドを冷却および断熱フィルム（境界層）て包囲する。複
合材料の実施方式および基材１と心材料２の断面積比は
第３および４図に示す断面に限定されない。

部材の用途に応じて基材と心材料の断面比は１：２０〜
２：１に変化する。前者の場合外形を決定する基材は心
の周囲に薄い皮膜を形成し、後者の場合は断面の主要部
を占める。さらに心材料の空間形状は円筒または角筒に
限らない。とくに精密鋳造による基材の多様な形の可能
性のため、強化要素も円錐、巻いた平または型棒（コイ
ル）またはスパイラルの形で実施することができる。本
発明による新規複合材料によつて基材に比して高温の性
質が改善された材料が得られる。心材料として分散硬化
した合金を使用するため、非融和性要素間の化学反応に
よつて脆化の生ずる危険なしに、高温におけるクリープ
強度および疲労限，を上昇することができる。そのため
構造部材の長寿命が保証される。ニッケル系スーパアロ
イの場合クリープ強度は心と基材の断面比によつて与え
られる値、すなわち分散型合金金と鋳造合金の強度差の
ほぼ７０％を付加的に上昇することができる。剛性心と
周囲の可塑性被覆の組合せによつて作業中生ずるピーク
応力は心材料と基材の界面範囲で吸収され、好ましい高
温疲労挙動が達成される。本発明の製法によつて強化繊
維の含浸または粉末治金による被覆、引続く工業的に制
御困難な成”形のような費用を要する過程が避けられる
。

それによつて同じ機械的高温強度値で最終製品の価格が
低下される。本発明による複合材料はとくに熱および機
械的に高負荷の機械部材たとえばガスターピンブレード
の構成に使用することができる。

この方法で強化したスーパアロイは定置ガスタービンの
１０００〜１０５０℃の作業温度で冷却された中空ブレ
ードの使用を可能にする。

【図面の簡単な説明】

第１図は複合材料製造の各工程を示す図、第２図は複合
材料の構造を示す断面図、第３図は複合材料を使用した
ガスターピンブレードの斜視図、第４ａ〜４ｃ図はガス
ターピンブレードの種々の実施方式の断面図てある。 １・・・基材、２・・・心材料、３・・・カバー板、４
・・・溶接シーム。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 心材料２として酸化物分散硬化型合金からなる少な
   くとも１つの内側部材および基材１としてこの内側部材
   を全面的に埋蔵および包囲する耐熱性の非分散硬化型合
   金からなる形状を決定する外側部材からなり、心材料２
   が基材１と物理的−治金的に融和性であり、基材ととも
   に強固に結合した閉鎖したモノリシック部材を形成し、
   基材１と心材料２の断面積の比が１：２０〜２：１であ
   り、心材料がＹ，Ｃａ，Ｌａ，Ｂｅ，Ｔｈ，Ｃｅ，Ａｌ
   ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｚｒの少なくとも１つの元素の少なくと
   も１つの酸化物を最高１０重量％の全量で含むことを特
   徴とする耐熱合金を基材とする熱機関のブレード。 ２ 基材１が Ｃ０．１５〜０．２％ Ｃｒ１５．７〜１６．３〃 Ｃｏ８〜９〃 Ｍｏ１．５〜２〃 Ｗ２．４〜２．８〃 Ｔａ１．５〜２〃 Ｎｂ０．６〜１．１〃 Ａｌ３．２〜３．７〃 Ｔｉ３．２〜３．７〃 Ｂ０．００５〜０．０１５〃 Ｚｒ０．０５〜０．１５〃 Ｎｉ残部 の組成を有するニッケル系スーパアロイであり、心材料
   ２がイットリウム、ランタンまたはトリウムの少なくと
   も１つの元素の少なくとも１つの酸化物０．５〜３％を
   含むニッケル合金である特許請求の範囲第１項記載のブ
   レード。 ３ 基材１が Ｃ０．６％ Ｎｉ１０〃 Ｃｒ２３．５〃 Ｗ７．０〃 Ｔａ３．５〃 Ｔｉ０．２〃 Ｚｒ０．５〃 Ｃｏ残部 の組成を有するコバルト系スーパアロイであり、心材料
   がイットリウム、ランタンまたはトリウムの少なくとも
   １つの元素の少なくとも１つの酸化物を０．５〜３％含
   むコバルト合金である特許請求の範囲第１項記載のブレ
   ード。 ４ 基材１が Ｃｒ１５％ Ｎｉ２６〃 Ｍｏ１．３〃 Ａｌ０．２〃 Ｔｉ２〃 Ｃ０．０５〃 Ｂ０．０１５〃 Ｆｅ残部 の組成を有する鉄合金であり、心材料２が主成分として
   鉄を含み、Ｙ，Ｃａ，Ｌａ，Ｂｅ，Ｔｈ，Ｃｅ，Ａｌ，
   Ｔｉ，Ｃｒの少なくとも１つの元素の少なくとも１つの
   酸化物を含む特許請求の範囲第１項記載のブレード。 ５ 基材１が Ｃ０．１７〜０．２３％ Ｓｉ０．１０〜０．５０〃 Ｍｎ０．３〜０．８〃 Ｐ最大０．０３５〃 Ｓ最大０．０３５〃 Ｃｒ１１〜１２．５〃 Ｎｉ０．３〜０．８〃 Ｍｏ０．８〜１．２〃 Ｖ０．２５〜０．３５〃 の組成を有する鉄合金であり、心材料２がＣｒ１３％、
   Ｍｏ２％、Ｔｉ３．５％、Ｙ＿２Ｏ＿３１．５％を含む
   鉄合金である特許請求の範囲第１項記載のブレード。 ６ 基材１が Ｃ０．０８〜０．１５％ Ｓｉ最大０．８〃 Ｍｎ最大１．０〃 Ｐ０．０１〃 Ｓ０．０１〃 Ｃｏ１５．５〜１８〃 Ｎｉ１３〜１６〃 Ｍｏ最大０．５〃 Ｗ２．５〜４．０〃 Ｔｉ最小Ｃ％×５，最大１％ の組成を有する鉄合金であり、心材料２がＣｒ１７％，
   Ｎｉ１３％，Ｍｏ０．５％、Ｗ３％，Ｙ＿２Ｏ＿３１．
   ５％を含む鉄合金である特許請求の範囲第１項記載のブ
   レード。 ７ 基材１が鉄合金であり、心材料２がＴｉＯまたはＣ
   ｒ＿２Ｏ＿３０．５〜５％を分散質として含むクロム含
   有鉄合金である特許請求の範囲第１項記載のブレード。 ８ 心材料および基材が同系の成分で形成され、心材料
   の組成が分散物質の添加のみで基材と異なる特許請求の
   範囲第１項記載のブレード。９ 心材料２として酸化物
   分散硬化形合金からなる少なくとも１つの内側部材およ
   びこの部材を全面的に包囲する基材１としての耐熱合金
   からなる外側部材からなる熱機関のブレードの製法にお
   いて、基材１を乾式治金または粉末治金により製造し、
   鋳造および（または）熱間および（または）冷間鍛造に
   よつて心材料２を収容するための少なくとも１つの中空
   空間が発生するように成形し、心材料２を乾式治金およ
   び（または）粉末治金によつて製造し、熱間および（ま
   たは）冷間鍛造によつて基材１の中空空間に相当する形
   に加工し、基材１へ密に嵌めこみ、完全に基材で蔽い、
   電子ビーム−、レーザビーム−、アルゴンアーク−また
   はサブマージ溶接によつて真空気密に封鎖し、このよう
   に得た素材を後圧縮し、高温アイソスタチツクプレス、
   熱間鍛造または熱間圧延によつて最終成形することを特
   徴とする熱機関のブレードの製法。 １０ 素材を付加的に１２００〜１２５０℃で１／２〜
   ２時間アルゴン雰囲気中で粒子成長焼鈍し、８００〜９
   ００℃の温度範囲の２４時間加熱によつて析出硬化させ
   る特許請求の範囲第９項記載の製法。