JPS6137387A - 異なる金属が接合された一体物を製造する方法 - 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】 技術分野 本発明は一体の多重合金から成る金属部品を製造するた
めの方法に係る。

背景技術 ガスタービンエンジン等のロータは典型的な高い応力及
び高い温度に曝される。それらの設計、ｌｌｌ造及び材
料はしばしば、それらのが使用されるｌ！置に制限を課
する。これらの［ｊ−夕を一層高い運転温度で運転可能
にするべく、且（又はｚＩｍを軽減し、使用寿命を延長
するため新規な合金、新規な製造方法、及び新規な部品
設計を開発するべく多くの努力が成されてきた。

ジェット航空機用のガスタービンエンジンのような高湿
、高速の用途の最も一般的なロータ段目はディスクリム
に機械的に取付けられているブレード又はエーロフオイ
ルを有するディスクを含／ｖでい５゜ディスクに使用さ
れる合金は高い引張強度及び良好な低サイクル疲労耐性
の要求を満足りるように選択されている。このような性
質は例えば等軸細粒超合金材料に見出される。ガス流路
の一層高い濡痕及び一層大きな遠心負荷に曝されている
エーロフオイルは応力破断及びクリープが制限されてお
り、従ってそれらは一層粗い結晶粒の材料に典型的な良
好な応力破断及びクリープ特性を右する材料から製作さ
れている。特異な微細構造に処理された合金は、設計者
の熟練若しくは部品重量に過大な要求を課づることな（
して、進歩したタービンエンジン内のディスク部分及び
■−ロフォイル内の条件により要求される最適な性質を
与え得ない。半径流タービンロータのような一体の遠心
ロータは類似の問題を有する。

ブレード及びハブ又はディスクに対して異なる材料を使
用して一体のブレード（＝Ｊき［Ｊ−夕を＠ｌ造するた
めの多くの方法が開示されている。、（本明細書に於て
′異なる材料″とは異なる性質を有する材料を意味し、
同一の組成を有していてもよいし、有していなくてもよ
い。従って、同一の組成を有するが互に異なる性質を早
りるように異イＩる処理をされた合金は異なるＩｆＡ料
゛′と見做される）。二つのこのような方法が米国特許
第４．０９６゜６１５号号及び第４．２７０．２５６号
明細書に記載されている。これらの特許の何れに於ても
、一つの材料のブレードを他の材料のディスクに拡散ボ
ンドするためにホット・アイソスタティック・プレッシ
ングが使用されている。何れの特許明細書に於ても、隣
接するエーロフオイル部品の間の寸法を正確に保つのは
困郵であることが認識されている。何れの特許による方
法もブレードの一体のリングを形成するための比較的複
雑な過程を含んでいる。リングの半径方向に内方を向い
た表面が、ブレードとは異なる材料から成るロータディ
スクの半径方向に外方を向いたボンディング表面と雌雄
接触するのに適してボンディング表面を形成するべく精
密な直径に機械加工される。リングはディスクの上に置
かれ、また酸素及び他の汚染物が真空ｎ＋ｘガスと、そ
れに続くろう付番プ拐利による外部接合線のシーリング
とによりボンディング表面から除去される。次いでホラ
１〜・アイソスタティック・プレッシングがブレードを
ディスクに拡散ボンドするために使用される、。

前記両特許に含まれている過程ににり示されているよう
に、ホット・アイソスタティック・プレッシング以前に
ブレードをディスクの周りに置く際の複雑さは別として
、一層基本的な問題が存在する。公知の拡散ボンディン
グ方法は完全に満足な固相拡散ボンドを安定に生じない
。ボンドは１）によっては非常に良好であるが、見かけ
、には同一の条件のもとに時によっては全く不良ぐある
。即ち再現性がない。本発明はこの欠点を克服して、拡
散ボンディングの準備段階としてブレードをディスクの
周りに置くための比較的簡単な方法を提供するものであ
る。

前記両特許に加えて、米国特許第・３　、、．１２２　
。

８２３号による方法は一体のブレード付きロータを鍛造
するため通常の鍛造方法を使用している。

一層最近の開発は米国特許第３．５１９．５０３号（本
願の譲受人と同一の譲受人に譲渡されている）に記載さ
れている高温超合金に有用なガトライジング（Ｑ　ａｔ
ｏｒｉｚｉｎｇ　）等温鍛造方法であり、その開示内容
は超合金から一体のブレートイ」きロータを鍛造するの
に使用され得る装置を記載している米国特許第４．０７
４．５５９号及び４，２６５．１０５４（何れも本願の
譲受人と同一の譲受人に譲渡されている）と組合せて使
用され得る。

二重材料ロータの製造に関する他の特許は米国特許第２
．４７９．０３９号、第２，７０３．９９２号、第２．
８９４．３１８＠、第３．０４７゜９３６号、第３．５
９８．１６９号、第３．９０５．７２３号、第４，０５
１，５８５号、第４゜０６３．９３９号、第４．０９７
．２７６号及び第４．１７５．９１１号（半径タービン
車）である。

一体のブレード付きの超合金ロータの従来の技術は、金
属粉末産業協会（ｊ’Ｊｊ　ｅｔａ　ｌ　　ｐ　０Ｗｄ
Ｏｒ　　Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ　　Ｆｅｄｅｒａｔｉｏ
ｎ　）により出版された粉末冶金に於ける最近の開発（
Ｍ　ｏｄｅｒｎ　　Ｄｃｖｃｌｏｐａｍ＋３＋１ｔＳ　
　［ｎ　ｐｏｗｄｅｒ　　ＭｅｔａｌｌＬＩｒ（Ｊｙ）
第１４巻、特殊材料、１９８０年６月２２１」のに：ｘ
　−（１−１ｕｅｈｅＳ　）　、アンダーソン（Ａ　ｎ
ｄｅｒｓｏｎ）及びアヒイ（Ａ　ｔｈｅｙ）の論文゛小
型ガスタービン用のニッケル基超合金一体ブレード付き
ロータの製造及び熱処］！ｌ　（Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏ
ｎ　　Ａｎｄ　　１−ｆｅａｔ　Ｔｒａａｔｍｃｎｔｏ
ｆ　　Ｎ１ｃｋｅｌ　　Ｂａ５ｅ　　５ｕｐｅｒａｌｌ
ｏｙ　ＩｎｔｅｏｒａｌｌＶ　　Ｂｌａｄｅｄ　　Ｒｏ
ｔｏｒ　　ｆｏｒ　　５ＩＲｅｌｌ　　Ｑａｓ　　”＋
−ｕｒｂｉｎｅ　　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　）　”
に一層完全に記載されている。ロータのエーロフオイル
とハブ部分どの間の性質の所望の相違は、１−ロフメイ
ル先端からハブのリム内へ所望の距離１までエーロフオ
イルを方向性再結晶させることにより得られＣいる。

ハブはその微細な等軸結晶粒を保つ。この過程の後に熱
処理サイクルが続く。

ディスクとは異なる材料から製作されたブレードを有す
る一体のブレード刊きロータを形成するための一層良好
な開示が尚必要とされ【いる。

発明の開示 本発明の目的は、同一の材料又は貢なる材料の間の高い
品質の固相拡散ボンドを安定に得るための方法を提供す
ることである。

本発明の他の目的は一体のブレード付きロータを製造づ
“るための改良され１＝過程を提供することである。

本発明の別の目的は、ブレードをブレードとは異なる材
料のディスクに拡散ボンドするための改良された方法を
提供することである。

本発明の他の目的は、多結晶超合金材料を好ましい結晶
学的方位の単結晶超合金に固相拡散ボンドするための改
良された方法を提供することである。

本発明の別の目的は、ディスク及びエクスデューサ・ブ
レードとは異なる材料から製作されたインペラ・ブレー
ドを有する一体の半径流タービンを製造するための過程
を提供することである。

本発明によれば、高められた瀉麿で超塑性を呈するよう
に製造された材料から成る第一の金属部品が、これらの
部品をボンディング表面を−ｔＭ雄接触させてプレス内
に置くことと、前記第一の部品にホンディング境界面に
於て超塑性変形を生じさせ旧前記部品の間に固相拡散ボ
ンディングを生じさせるべく同時に且十部な時間にＥり
十分な熱及び圧力を与えることと、その後に強度及び硬
痘を回復するべ（ボンドされた組立体を熱処理り゛るこ
ととにより他の金属部品に拡散ボンドされる。本明細書
に於てパ金属″と言う用５！ｉ【よ金属合金も純粋金属
も含んでいる。

本発明の一層詳細な特徴によれば、一体のブレード付き
の双金属ロータが、個々のブレード要素をディスク・ブ
レフォーｌ＼の周縁に接触ざＵてあくことにより製造さ
れ、ディスク・プレフォーム材料は高められた温度で超
塑ｆ１になる超合金から製造されており、またブレード
要＊　４１１＋は所定の所望の結晶学的粒子方位を６す
る。周囲にブレード要素を置かれたディスク・プレフオ
ームはプレス内に置かれ、またディスク・ブレフＡ　　
ｌ）どブレード要素との境界面に超塑性変形を生じさせ
、且その境界面に固相拡散ボンディングを生じさせるの
に十分な時間に亙り十分な大きさの温度及び圧力が与え
られる。その後に組立体は強度及び硬度を得るべく熱処
理される。もしブレード要素が最初に１−ロフオイル形
状を有していなければ、拡散ボンディング後に、熟処理
前若しくは熱処理後にブレード要素の材料から機械加工
され得る。

本発明の方法の重要な特徴は、互にボンドされる部品の
一方又は双方のボンディング表面に於ける超塑性変形で
ある。このことは拡散ボンディング過程を促進し、また
拡散ボンディングが受入れ可能である確率を大幅に改善
する。

変形圧力はガトライジング鍛造過程として知られている
米国特許第３．５１９．５０３号（本願の譲受人と同一
の譲受人に譲渡されている）に記載されている条件下に
等温鍛造により与えられてよく、上記特許の内容を参照
によりここに組入れたものとする。ホット・アイソスタ
ティック・プレツシング（ＨＩＰ）も部品の超塑性変形
及び拡散ボンティングを得るのに使用され得る。部品が
拡散ボンドされた後、組立体は最終製品に所望の性質を
得るべ（通常の方法又は他の方法で熱処理される。

拡散ボンディングの分野でよく知られているように、互
にボンドされるべき表面は拡散ボンディング過程中に酸
素及び他の不純物を含んでいてはならない。このことは
任意の公知の過程により、例えば部品を容器内に置き、
容器内を真空どし、次いで容器を脱ガスすることにより
達成される。

また、粉末冶金法により製作される幾つかの合金では、
カーバイドが材料自体内から自由表面（即ちボンディン
グ表面）へ向かって移動し、拡散ボンディングが典型的
に行われる！＋１で一層カーバイドを形成する。これら
のカーバイドはしばしば良好な拡散ボンディングを阻害
する可能性がある。

コノヨうな場合に、本発明によれば、カーバイドが形成
する温度よりも低い温度、但し材料の超塑性温度範囲内
の温度でボンディング境界面で超塑性変形を生じさせる
ことが好ましい、、詔帽に１．菱形が行われた後、ボン
ディング表面にライン−オン−ライン接触が生じ、もは
やカーバイドが形成し得る自由表面は存在しない。温度
は次いで、妥当な時間中に固相拡散ボンディングを得る
のに必要な温度に高められ得る。

本発明の方法は双金属ガスタービンエンジンタービン〇
−タを製造するのに特によ（適している。

ディスク材料は好ましくは、高められた温度で超塑性を
呈するように処理されＩζ細粒鍛練合金である。この材
料がディスク・プレフォーム内に形成されている。ブレ
ード要素は好ましくは、好ましい結晶学的結晶粒方位に
再結晶又は方向性凝固されているブレード材料のブロッ
クである。ブレード要素は例えば適当な結晶学的方位の
単結晶鋳造として製造されてよく、又は結晶粒は柱状で
あってよい。本発明は単結晶又は柱状晶ブレードの使用
に制限されるものではない。

各ブレード要素はディスク・プレフォームの半径方向に
外方を向いたボンディング表面と雌雄接触するのに適し
たボンディング表面を有する。これらのボンディング表
面は非常に清浄でな番プればならず、また電気研磨され
ていることがＯｒましい。

〇−夕の各ブレードに対するブレード要素ｔ３１、ボン
ディング過程中に互に相対的にまたディスク・プレフォ
ームに対してブレード要素の正しい方向及び相対的位置
を維持する任意の適当な手段ににリディスク・プレフォ
ームの周縁に正確に置かれる。例えば、各ブレード要素
は、全でのブレード要素がディスク・プレフォームの周
縁に買かれた時に、それらが区分された完全なリングを
形成するように、隣接ブレード要素の対応１Ｊる面と当
接する周縁方向に反対向きの表面を右していてよい。

適当な直径の円筒状のキャンが全てのこれらのブレード
要素及びディスク・プレフォームをボンディング過程中
に接触状態に保つのに使用されてよい。部品に圧力を加
えるのに先立つ（全ての酸素及び湿気のような他の汚染
物がボンドされるべき表面から除去され、またこれらの
表面がボンディング過程を通じて汚染物の無い状態に維
持される。

例えば、汚染物の除去°は真空脱ガス及びキ１７ンのシ
ーリングにより達成されてにい。

真空にされたキャンがその内部のディスク・プレフォー
ム及びブレード要素と共にプレス内に置かれる。本明細
書に於てパブレス″という用語は、部品をホット・アイ
ソスタティック・プレッシングするための装置又は鍛造
プレスのように非常に高い圧力のもとに部品を押し合わ
せるための装置を含むものとする。部品はプレス内で少
なくともディスク・プレフォームを超塑性条件に入れの
に十分な温度に加熱される。次いで、ブレード要素の全
ての全ボンディング表面上にライン−オン−ライン接触
を生じさせるべくそのボンディング表面に超塑性変形を
ディスク・プレフォームに生じさせるように、十分な圧
力が部品に与えられる。

高い圧力及び温度が、同相拡散ボンディングが達成させ
るまで保たれる。ブレード要素は、もし単結晶又は柱状
晶であれば、拡散ボンディング過程中に超塑性変形をせ
ず、また拡散ボンディング段階を通じて互に又ディスク
・プレフォームに対して相対的に正確な位置に止まる。

拡散ボンディングの後に一体のブレード及びディスク組
立体はディスク及びブレード内に所望の強度及び性質を
得るべく熱処理される。ニー〇フォイルが熱処理過程の
前若しくは後にブレード要素の各々から機械加工されて
−よい。

後で一層詳細に説明するように、本発明の方法は二つ又
はそれ以上の異なる月ネ３１から製作された半径流ター
ビンロータのような遠心ロータ４を製造するのにもよく
適している。

本発明の前記及び他の目的、特徴及び利点は以下にその
好ましい実施例を詳細に説明する中で一層明らかになろ
う。

発明を実施するための最良の形態 Ａ、軸流ロータの製造 軸流ガスタービンエンジンのタービンのような軸流１コ
ータの製造にあたっては、所望の結晶学的結晶粒方位を
有するブレード要素が適当な強度及び耐熱性を有する選
択された材料から製造される。

超合金は好ましく、２２００下（１２０４℃）以上のタ
ービン入口温度を有する現在のガスタービンエンジンに
使用される。ここで使用される超合金という用語はクロ
ーム、チタン、アルミニウム及び耐熱性金属合金添加物
を有するニッケル基又はコバルト基合金を意味している
。ニッケルは好ましい部材である。分離したブレード要
素はロータの各ブレードに対して製造される。一つのこ
のような要素１０は第１図中に示されている。この実施
例で各要素１０は、特定のロータ応用及び設計に対して
最適なブレードの機械的性質を生ずるように、所望の結
晶学的方位（例えばく１１２）または＜１１．１＞）の
単結晶構造を生じるべく処理されているニッケル基超合
金のブロックである。

複数個のこれらの要素が、第２図中に示されているよう
に、区分されたリング１２を形成するべく円内に隣接し
て置かれる。各要素１０は、リング１２を形成するとき
に、隣接要素の対応する表面と雌雄接触する周縁方向に
反対向きの一対のボンディング表面１４を有する。図示
されている実施例には設けられていないが、ブレード要
素は完成製品に於て冷却流体を運ぶための通路又は溝を
設けられていてもよい。

ブレード要素は次いで、ブレード要素１０の相対的な正
しい方向を保つ任意の手段、例えばホット・アイソスタ
ティック・プレツシングによりそれらの雌雄接触表面１
４で互にボンドされる。ホット・アイソスタティック・
プレツシングは■却接触表面に拡散ボンドを生じる。拡
散ボンディングの分野でよく知られているように、拡散
ボンドされるべき表面は酸素及び他の汚染物を除去され
なければならず、また拡散ボンディング過程を通じてそ
の状態に維持されなければならない。このことは、例え
ば、ボンドされていないリング１２をヂャンバ内に置き
、チャンバの脱ガスを行い、次いで汚染物が再び入るの
を防止づ−るように継目１６の全てを真空ろう付はシー
リングすることにより行われ得る。組立体は次いで表面
を拡散ボンドするようにホット・アイソスタティック・
プレンリングをされる。代替的に、ボンドされ−（いな
いリング１２の全体がシールされたキレン内に封入され
てよい。空気が主１シンから除去され、また次いでリン
グ１２がホット・アイソスタティック・プレッシングを
される。１０００下（５３８℃）のオーダーの温度及び
１５０００ｐｓｉのオーダーの圧力がホット・アイソス
タティック・プレッシングに対して典型的である。圧力
及び温度は個相拡散ボンドが達成されるまで保たれる。

リング１２は今や一体のブレードリング１８（第３図）
である。ブレードリングの半径方向に内向きの面１５が
次の過程に対して適当な寸法及び形状に正確に機械加工
される。

次の過程はブレードリングを、好ましくは鍛練超合金で
ある適当な材料のディスク・プレフォームに拡散ボンド
する過程である。好ましい材料はニッケル基超合金ＡＦ
２−１８Ａである。他の使用可能な材料は同じくニッケ
ル基超合金ｌＮ−１００である。ディスク材料はブレー
ドリングをディスク・プレフォームに拡散ボントリ゛る
ために必要な温度を含む温度範囲に厘り超塑性を呈する
ように米国特許第３．０１９．００３号（参照によりこ
こに組入られている）の開示に従って処理される。第３
図中に示されているように、一体のブレードリングが、
その半径方向に内向きのボンディング表面１５がディス
ク・プレフォーム２０の半径方向に外向きのボンディン
グ表面２４とＮｍ接触するようにディスク・プレフォー
ム２０の周縁に置かれる。ディスク・プレフォーム２０
及びブレードリング１８から成る組立体が、プレフオー
ムを超塑性変形させ且表面１５と２４との間に固相拡散
ボンドを生じさせる目的で、鍛造プレス２５（第４図中
に概要を示され−（いる）内に置かれる。一体のブレー
ドリング１８の製造過程と同様に、表面１５．２４は拡
散ボンディング過程中に酸素及び他の汚染物を除去され
ていなければならない。

第４図中に示されている本発明の一つの実施例によれば
、ブレードリング１８及びディスク・プレフォーム２０
はキャン２６内に置かれている。

キャンは真空にされ、次いで他の存在し１ｑる汚染物を
除去するべく加熱及び真空脱圧される。少なくとも！”
ｉ　Ｘ　１　（”）４−ｒｏｒｒの真空が推奨されるが
、少なくとも５Ｘ１０５Ｔｏｒｒの真空が好ましい。

高い真空が、拡散ボンドされるべき表面から全ての酸素
分子又は他の汚染物の除去を保証するために必要である
。シールにされたキャン２６が鍛造プレス２５の鍛造型
２８内に置かれる。鍛造型２８は下側の固定されたダイ
３０及び上側の可動のダイ３２を有する。下側のダイは
支え３１により所定の位置に保たれている。鍛造型２８
がプレス２５のチャンバ３８内に置かれ、また加熱要素
４０により包囲されている。チャンバ３８はダイを酸化
から保護するべく真空にされている。ブレードリング１
８及びディスク・プレフォーム２０が、ディスク・プレ
フォームを超塑性の条件に入れるのに十分な温度に加熱
される。カーバイド生成の問題を有していないＡＦ２−
ＩＤＡのような材料に対しては、これは２０２５下（１
１０７℃）と２０７５下（１１３５℃）との間の温度で
ある。

ブレードリング１８は単結晶材料から製造されているの
で、この過程中は弾性的であり、塑性的ではなく、変形
する。

一旦所望のアプセット温度が到達されると、ディスク・
プレフォーム２０の超塑性によりプレフォーム材料の変
形がボンディング表面に生じてボンディング境界面４２
の全体に亙っでライン−オン−ライン接触を生ずるよう
に十分な圧力を用いて、上側ダイ３２が下側ダイ３ｏに
向けて押（＝Ｉけられる。この押付は中に（プレフォー
ムの軸線方向厚みに関して）５％を越えるアプセットが
好ましい。少なくとも１５０００ｐｓｉの鍛造圧力が好
ましい。その圧力で、加熱されたディスク・プレフォー
ム材料は流体のように作用するく即ち超塑性変形が生ず
る）。１２０００ｐｓｉ　Ｊ：りもがなり低い圧力も満
足であるが、５０００ｐｓｉの圧力は低過ぎることは知
られている。プレフオームをアプセットした後、温度が
（必要であれば）所望の拡散ボンディング温度に高めら
れる。圧力は１５ｏ　ｏ　ｏ　ｐｓｉ又はそれ以上の圧
力に維持される。ボンディング圧力及び温度は、同相拡
散温度が境界面４２に於て達成されるまで保ｌこれる。

このことは材料、温度及び圧力に関係して２時間又はそ
れ以上の時間を必要とし得る。

大抵の材料に対してアプセット温度及び所望の拡散ボン
ディング温度は同一であるが、ｌＮ−１００のような幾
つかの粉末冶金材料に対し゛（は、カーバイドが好まし
い拡散ボンディング温度で自由表面に生成する傾向があ
る。これらの場合には、カーバイドが精製する温度より
も低い超唄性温麿範囲内の温度でディスク・プレフォー
ムをアプセットすることが好ましい。ｒＮ−ｉｏｏに対
して好ましいアプセット温度範囲は１８００乃至１８５
０下（９８２乃至１０１０℃）である。アプセット後に
温度は１９７５下（１０７９℃）と２０００”Ｆ（１０
９３℃）との間の温度に高められる。

アプセットされたプレフォーム２０（技術的にはもはや
“プレフォーム″ではないが、本明細書では理解を容易
にするためブレフオームと呼ぶ）及びブレードリング１
８は今や一体の組立体である。次いでエーロフオイルが
一体の組立体の各ブレード要素２０から機械加工される
。更に、もし必要であれば、ディスク・プレフォームの
機械加工が行われてよい。完成されたロータ５０が第６
図中に示されている。プレフオーム２０の幾つかの形状
は適当な形状の上側及び下側ダイ３０１３２を用いるこ
とにより鍛造／拡散ボンディング過程中に発生され得る
。エーロフオイルの機械加工中に、隣接ブレード要素１
０の間の拡散ボンドされた範囲は、鍛練超合金被覆のリ
ムへの固相拡散ボンドにより一体に取付けられた適当な
結晶学的方位の単結晶エーロフオイルのみを残して除去
される。ブレード要素１０の間のボンド（よブレードリ
ングをディスク・プレフォーム２０にこ拡散ボンドする
間にブレード要素１０を互に相対的に一時的に位置決め
る役割しかしないので、これらのボンドの一体性は臨界
的ではない。従っ（、拡散ボンディング以外の方法がブ
レード要素１０をリング１８内に接合するために使用さ
れ得る。

ブレードリング１８をディスク・プレフォーム２０に拡
散ボンドした後、且ブレードリング内にエーロフオイル
を機械加工等により形成する前又は形成した後に、一体
の組立体がディスク・プレフォーム及びブレード材料に
対する所望の強度及び硬度に熱処理される。再び言及す
ると、材料は高められた温度で超塑性を早するように処
理される時またボンディングをされる時には劣化してい
る。

ブレードリング１８をディスク・ブレラ４−ム２０に拡
散ボンドするための代替的な方法は、ブレードリング１
８を形成するべくブレード要素１０を互に拡散ボンドす
る場合について説明したようなホット・アイソスタティ
ック・プレッシングによる方法である。第５図中に示さ
れているように、真空にされ且シールされたキャン２６
を鍛造プレス２５内に置く代りに、キャン２６はチャン
バ５２及び加熱コイル５４を含むプレス５１内に置かれ
る。キャン２６は環状のカットアウト５６を有する支え
５３の上に載っている。ボンドされるべき部分は、ディ
スク・プレフォーム材料を超塑性条件に入れる目的で最
初に前記の温度にコイル５４により加熱される。次いで
チャンバ５２は境界面４２にライン−オン−ライン接触
を得るべく圧力を与えられる。その後、圧ツノ及び適当
な拡散ボンディング温度が、固相拡散ボンドが小ツ］〜
・アイソスタティック・プレツシングの過程を通じて達
成されるまで保たれる３、その後に、拡散ボンドされた
一体の組立体が必要に応じて機械加工され且熱処理され
る。

Ｂ、半径流タービンロータの製造 本発明に従って製作された半径流タービン［１−夕が第
７図に示されており、参照符号１００を付けられている
。この典型的な実施例に於てロータはその中心で約３．
５インチ（８，９ｃｎ＋）の厚みを有し、また５、８イ
ンチ（１４，７ｃｍ）の最大直径を有する。ロータ１０
０は軸線１０４を有するディスク１０２を含んでいる。

複数個の周縁方向に間隔をおいたブレード（全体として
参照符号１０６を付けられている）がディスク１０２か
ら半径方向に外方に延びており、〉したディスク１０２
と一体である。ブレード１０６＆よ各々インペラ一部分
１０８及びエクスデューリ一部分１１０を含んでいる。

エクヌ、デューサ８１９分１１０はインペラ一部分１０
６と一体である。予想寿命を最大化するため、ロータ１
００の異なる部分は異なる材料から製造されていること
、即ち異なる性質を有する材料から製造されていること
が望ましい。第８図にはロータ１００がその軸線を通る
断面で示されている。同一の性質を右づるロータの部分
は同一の交差ハツチングを施されている。■ウスデユー
サブレード１１０は中程度に高い温度及び比較的高い応
力を受け、粗粒クリープ耐性及び破断耐性を必要とする
。インペラーブレード１０８は高い温度及び応力を受け
、単結晶材料から製造されていることが好ましい。ディ
スク１０２は好ましくは外側バブリング１１２を含んで
おり、それにインペラーブレード及び１クスデユーザブ
レードが取付番プられており、また内側コア１１４を含
んでいる。バブリングはエクスデューサブレードと同一
の材料から製造されていることが好ましいが、このこと
は必ずしも必要ではない。ディスク１０２のコアは低い
温度及び高い応力を受け、従って良好な引張り強度及び
低サイクル疲労耐性を有りる細粒多結晶材料から製造さ
れていることが好ましい。ロータ１００は第８図中に破
線で示されている拡散ボンディング境界面Ａ、Ｂ及びＣ
を生ずるように三つのボンディング段階で製造された。

第９図はボンドＡに対する部品を分解図て示している。

部品はインペラーディスク・ブレフオーム１１６、複数
個のインペラー要素１１８及び複数個のスペーサブロッ
ク１２０を含んでいる。スペーサブロック１２０はブレ
ード要素を互にまたプレフォーム１１６に対して相対的
にｉＬ確に位置決めし且方向付けるために使用されてい
る。この実施例でインペラーディスク・プレフォーム１
１６は、高められた温度で超塑性になるにうに処理され
た細粒ニッケル基超合金Ａ　Ｉ−’　２−１０Δであっ
た。インペラーブレード要素１１８は結晶学的方位−ぐ
１１０〉を有する単結晶ニッケル／クローム／アルミニ
ウム基超合金から製造された。これらのブレード要素は
粉末冶金製品から製造された。

これらはｖｊ−造され−Ｃもよいが、鋳造過程で好まし
い結晶学的方位を得ることは困ｆｉＣある。スペーサブ
ロック１２０はアストロロイ（Ａｓ口ｏ１ｏｙ　）と呼
ばれる粗粒鋳造ニッケル基超合金から製造された。

第１０図中に最もよく示されているように、前記の方法
と同様にして、軸流ロータを製造するため、部品がキャ
ン１２２内に置かれた。この場合、キャン１２２はイン
コネル（［ｎｃｏｎｅｌ）　６２５、ニッケル合金から
製造された。インペラ要素１１８及びスペーサブロック
１２０はインペラディスク・プレフォーム１１６の周縁
に交互に置かれた。

周縁方向に反対向きの表面１２４（第９図）は隣接スペ
ーサブロック１２０の周縁方向に反対向きの表面１２６
と雌雄接触し、それによりボンドされていない区分され
たリングを確定する。ブレード要素１１８及びスペーサ
ブロック１２０の半径方向に内向きの表面１２８．１３
０はそれぞれ１Ｑ５Ｔｏｒｒの真空にされ、またボンド
されるべき表面から酸素及び汚染物の全てを除去するべ
く高真空で脱ガスされた。次いでキャンはシールされた
。

次に第１１図を参照すると、軸流ロータの製造に関連し
て先に説明した方法と同様にして、シールされたキシン
が真空チャンバ１３４及び鍛造ツーリング１３５を含む
鍛造ブレス１３３内に置かれた。鍛造型はその内部のキ
ャン１２２と共にヒータコイル１３６により包囲されて
いる。鍛造型１３５は支え１４０に取付けられている固
定の下側ダイ１３８を含んでいる。下側ダイ１３８は円
筒状のキャビティ１４２を含んでおり、このキャビティ
内に円筒状のフィラブロック１４４が置かれた。キャン
１２２はフイラブロ、ツクの頂部に置かれた。固定の環
状の外側ダイ部分１４８を含んでいる上側ダイ１４６は
スペーサブロック１２０及びインペラブレード要素１１
８の上に置かれた。

上側ダイ１４６も下側ダイ部分１４８内の円筒状間口１
５２内に置かれた軸線方向に運動可能な円筒状の中心部
分１５０ｅ−含んでおり、またインペラディスク・プレ
フォーム１１６と整合している。

ラム１５４は中心ダイ部分１５０を加工物内へ動かず。

キャン１２２及びその内容物並びに鍛造ダイ及びフィラ
ブロック１４４はインペラディスク・プレフォーム１１
６を超塑性条件に入れるのに十分な温度（約２０５０下
（１１２１℃））に加熱された。一旦この温度が到達さ
れると、可動の。

ダイ１５０はディスク・プレフォームを軸線方向に約１
０％だけアプセットするべくキャン１２２に向けて押付
けられた。このアプセットの大きさは、それぞれディス
ク・プレフォーム１１６はスペーサブロック及びブレー
ド要素１２０，１１８の間のボンディング境界面１５６
（第８図中のボンド境界面Ａ）全体に屋りライン−オン
−ライン接触を保証するべく選択された。第１１図中に
示されているように、鍛造前には、インペラディスク・
プレフォーム１１６の軸線方向の厚みはスペーサブロッ
ク又はブレード要素の軸線方向の厚みよりも大きかった
。この場合、鍛造過程はディスク・プレフォームの最初
の厚みをスペーサブロック及びブレードエレメントの厚
みまで減じた。約１５０００ｐｓｉの鍛造圧力が使用さ
れた。

鍛造によりプレフォームをアプセットした後、インペラ
ディスク・プレフォームとブレード要素との間の境界面
に固相拡散ボンドが速成されるまで、温度は約２０５０
下（，１１２１℃）に保たれ、また圧力は１５０００ｐ
ｓｉに保たれた３、この例の材料に対しては、圧力及び
温度は約２１１，１間にηり保たれた。この例で使用さ
れたスペーサブロック材料もブレード要素材料もボンデ
ィング過程中に超塑性を早さないことは特記されるべき
である。

従って、これらの材料は鍛造及びボン１″インク過程中
に変形せず、このような過程を通じ（正確な位置に留ま
った。第１２図には、キ１２ン１２２が全ての表面から
機械加工により除去された後の鍛造されボンドされたイ
ンペラブレードリング組立体が参照符号１５８を付して
示されている。インペラブレードが次の過程Ｃ１ＦＩｌ
ｉ製されるＩｌ、′ｉにスペーサブロック１２０は場合
によっては機械加工により除去されるのでブレード要素
１１８とインペラディスク・プレフォーム１１Ｂとの間
の拡１１（ボンドのみが臨界的であることは特記される
べさ′である。この理由て比較的高価でない材お１がス
ペーサブロックに対して選択されている。上記の過程の
代りに、一体のインペラディスク組立体１５８が軸流タ
ービンの製造に対して本明細書のＡ部に説明されたスペ
ーサブロックを使用しない方法ににり製作されてよい。

逆に、このＢ部の方、法が軸流タービンを製造するのに
使用されてよく、実際に次の二つの理由で好ましい。第
一に分離した拡散ボンディングの過程を無くすことがで
き、第二に高価なブレード材料をそれよりも安価なスペ
ーサ材料に置換えることにより費用が低減される。

第１３図を参照すると、次の過程では、平らな円形表面
１６２を有する円筒状のエクスデューサディスク・プレ
フォー４１６０がインペラブレードリング組立体１５８
にボンドされる。この場合、必須ではないが、エクスデ
ューサディスク・プレフォーム１６０はインペラディス
ク・プレフォームと同一の材料から、即ち高められた温
度ぐ超塑性を呈Ｊ“るように処理されたＡＦ２−１ＤＡ
から製造された。エクスデューサディスク・プレフォー
ム１６０及びインペラブレードリング組立体１５８が、
表面１６２が表面１６４と平らになるＪ：うにプレフォ
ーム１６０を組立体１５８の上側にしてキャン１６６（
第１４図）内に置かれ１．：１６次いでキャンは真空に
され且高真空で脱ガスされた真空にされたキャン１６６
及びぞの内容物は先に使用された下側固定鍛造ダイ１３
８のキャビティ１４２内に置かれ、フィラブロック１４
４が除去された。

もう一度、要素の全てがエクスデューサディスク・プレ
フォーム材料の超塑性湯度（約２０５０下（１１２１℃
）〉以上に加熱され、またラム１５４がキャン１６６の
上側円形表面１７０全体に向けて上側ダイ１６８を下方
に押付け、ｌｌｌｌ１ｍ接触する表面１６２と１６４と
の間にラインー−オン−ライン接触を生じさせるように
エクスデュ−サディスク・プレフォーム１６０をアプセ
ットした。

その後に、固相拡散ボンドがエクスデューサディスク・
プレフォーム１６０とインペラル−トリング組立体１５
８との間の境界面全体を横切って形成されるまで、約２
時間にＴｌ−）’Ｃｍ度が２０５０下（１１２１℃）に
保たれ、また圧力が約１５０００　ｐｓｉに保たれた。

これは第８図中に示されているボンド境界面Ｂである。

この新しい組立体は以下に於てインペラ／エクスデュー
サ組立体１６９と呼ばれる。完成ロータを形成する段階
でスペーサブロックは場合によっては機械加工により除
去されるのでスペーサブロック１２０とエクスデューサ
ディスク・プレフォーム１６０との間のボンドは臨界的
でないことは特記されるべきである。キャン１６６が次
の過程に先立って機械加工により除去された。

この典型的な実施例ではインペラ／エクスデューサ組立
体１６９はＡＦ２−１ＤＡのガンマ・プライム・ソルバ
ス以上の温度に加熱された。この熱処理は、材料の強度
及び硬度を回復するべく、材料の結晶粒構造を粗くした
。再び言及すると、スペーサ材料は、高められた温度ぐ
超塑性を早さない粗粒材料である。単結晶であるブレー
ド要素材料も超塑性を呈さない。

前記のように、完成されたロータが高い引張強度及び低
サイクル疲労耐性を呈づるコアを右づることは望ましい
。第１５図を参照すると、ＰＩ　Ｉｔ状の孔１７０はイ
ンペラ／エクスデューサ組立体１６つの中心を通って機
械加工された。第１６図中に最もよく示されているコア
プレフォーム１７２が孔１７０と同一の形状を有するも
のとして、また孔１７０の中に置かれた時にその円な１
＃状表面と雌雄接触１゛る外側円錐状表面１７４を有す
るものとして製造された。この例ではコアプレフォーム
１７２は高められた温度で超塑性を呈するＪ、うに処理
された細粒材料Ａ　Ｆ　２、−１　Ｄ　Ａから製造され
た。先の段階のように、また第１７図中に最もにく示さ
れているように、孔１７２内に冒かれたコアプレフォー
ム１７２を右する組立体１６０がキャン１７６内に封入
された。空気及び他の汚染物が少なくとも１０５Ｔｏｒ
ｒの高い真空のｂとにキャンから引抜かれた。キャンは
シールされまた真空チャンバ１３４内に置かれた鍛造型
１７８内に置かれた。下側固定鍛造ダイ１３８は先の鍛
造／拡散ボンディング過程で説明したものと同一であつ
だ。上側ダイは固定の外側部分１８０とその中の開口１
８４内を軸線方向に運動する可動の内側部分１８２とを
含んでいる。コアプレフォーム１７２の軸線方向の高さ
は組立体１６９の高さよりも大きい。コアプレフォーム
１７２と組立体１６９との間の境界面１８６（第８図中
のボンド境界面Ｃ）に於ける固相拡散ボンドは拡散ボン
ドＡ及びＢに関して先に説明した方法と同一の方法で達
成された。即ち、部品はコアプレフォーム１７２の細粒
材料が超塑性となる渦電（約２０５０下（１１２１℃）
）に加熱された。次いで上側ダイの可動部分１８２が、
コアプレフォーム１７２を少なくとも５％だけ軸線方向
にアプセットして境界面１８６にライン−オン−ライン
を生じさせるべく、キャン１７６及びコアプレフォーム
１７２の上側表面に向けて押付けられた。約１５０００
０Ｓｉの鍛造圧力が使用された。圧力及び濡麿は境界面
１８６に固相拡散ボンドが生ずるのに十分な時間に亙り
保たれた。キャン１７６及びその内容物がプレスから取
除かれ、またキャン材料が第１８図中に示されている未
完成のＤ−９組立体１８８を残して機械加工により除去
された。ロータ相立体１８８が、結晶粒寸法を少し粗り
（シかし周囲のエクスデューサディスク及びインペラデ
ィスク材料よりも少ない程度に）するため、またカーバ
イドを安定化するため、コアプレフォーム１７２のガン
マ・プライム・ソルバス８！度以下の温度に加熱された
。続いて、期待される運転湿度及び条件に於て組立体全
体に最適な強度を与えるため、エージング熱処理が行わ
れた。

次いで部品は第７図の形態に最終的に機械加工された。

スペーサブロック材料は残らなかった。

インペラブレード１０８の主要な半径方向の長さは好ま
しい結晶学的結晶粒方位を有する単結晶材料であった。

エクスデューサブレード１１０は最初にエクスデューサ
ディスク・プレフォーム材料であった材料からカットさ
れ、第８図の同相拡散ボンドＰを介してインペラブレー
ド１０８と一体である。インペラブレード１０８の半径
方向に最も内側の端部は拡散ボンドＡを介してインペラ
ディスクφプレフォーム１１２の材料と一体であった。

以上の例では三つの分離したボンディング過程を含む遠
心ロータの製造方法を説明したが、ボンディング過程の
実際の数及び各段階で使用される部品の形状は所望の最
終日−タ形状、主要材料、ロータの必要な物理的な性質
及び製造費用を含む多くの考察により定められる。例え
ば、前記の例の最初の二つのボンディング過程（ボンド
Ａ及びＢ）を組合せることにより製造コストを減するこ
とも可能であろう。ダイ及びプレフォームの形態も若干
変形されなければならない場合があろう。

以上に於ては本発明を特定の実施例について詳細に説明
したが、本発明はかかる実施例に限定されるものではな
く、本発明の範囲内にて種々の実施例が可能であること
は当業者にとって明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は第２図の区分されたリングを形成づ°るブレー
ド要素の一つの斜視図である。 第２図は本発明の方法の次の過程でＤ−タブレードに形
成される個々のブレード要素から形成された区分された
リングの斜視図である。 第３図はボンドされるべきディスク・プレフォーム周り
に置かれた第２図のリングの斜視図である。 第４図はボンドずべき第３図の要素に鍛造圧力を加える
過程を示す断面図である。７ 第５図は互にボンドするための代替的な方法どして第３
図の要素に作用づるホット・アイソスタティック・プレ
ッシング装置゛の断面図である１、第６図は本発明の方
法によりＩｉｌ造された一体のブレード付きの双金属ロ
ータブレードの完成品の正面図である。 第７図は本発明により製造された半径流タービンロータ
の斜視図である。 第８図は第７図のロータの中心軸線に沿う断面図である
。 第９図はｖＫ７図のロータの製造の第一の段階で互にボ
ンドされるべきインペラ要素の分解図である。 第１０図は互に要素をボンドする以前に封入キャン内の
位置で第９図のインペラ要素を一部切欠いて示す斜視図
である。 第１１図は第１０図のキャン内の第１０図のインペラ要
素に作用する鍛造プレスの断面図である。 第１２図は対１１図の鍛造装置内で互にボンドされた後
の第９図のインペラ要素の斜視図である。 第１３図はボンディング以前の第１２図のインペラ要素
上の位置でエクスデユーリプレフオームを示す斜視図で
ある。 第１４図は第１３図の部品上に作用する鍛造プレスの断
面図である。 第１５図は互にボンドされ且コアキャビティを内部に機
械加工された後の第１３図の部品の斜視図である。 第１６図は第１５図中に示されている一体の組立体内に
差込まれ且それにボンドされるべきコア要素の斜視図で
ある。 第１７図は内部に差込まれた第１６図のコア要素を有す
る第１５図の一体の組立体に作用する鍛造プレスの断面
図である。 第１８図は第１６図のコア要素がその中心キ１７ビテイ
内にボンドされノζ後の第１５図のロータ組立体の斜視
図である。 １０・・・ブレード要素、１２・・・区分されたリング
。 １４・・・ボンディング表面、１６・・・継目、１８・
・・一体のブレードリング、２０・・・ディスク・プレ
フオーム、２６・・・キャン、２５・・・鍛造プレス、
２８・・・鍛造型、３０・・・固定ダイ、３２・・・ｌ
１Ｉ１１ｒダイ、３８・・・チャンバ、４１・・・加熱
要素、４２・・・ボンディング表面、５０・・・完成さ
れたロータ、５４・・・コイル、５６・・・環状力ット
アウ１〜．１００・・・ロータ。 １０２・・・ディスク、１０６・・・ボンド、１０８・
・・インペラ部分、１１０・・・エクスガユーザΔＩＳ
分、１１２・・・バブリング、１１４・・・内側コア、
１１６・・・インペラディスク・プレフォーム、１１８
・・・インペラ要素、１２０・・・スペーサブロック、
１２２・・・キ１ンン、１３３・・・Ｍ造プレス、１３
’ｌ・・・真空チ１７ンバ、１３５・・・鍛造型、１３
８・・・ｆ、Ｉ１１定ダイ、１４０・・・支え、１４２
・・・円筒状キ１ｒビテイ、１４４・・・円筒状フィラ
ブロック、１４６・・・上側ダイ、１４８・・・外側ダ
イ部分、１５０・・・中心ダイ部分、１６０・・・円筒
状エクスデューリ゛ディスク・プレフォーム。 １６２・・・円形表面、１６６・・・キャン、１６９・
・・インペラ／エクスデューサ組立体、１７０・・・円
錐状孔、１７２・・・コアプレフォーム、１７８・・・
鍛造型。 １８０・・・固定外側部分、１８２・・・可動内側部分
。 １８６・・・境界面 特許出願人　　ユナイテッド・チクノロシーズ・コーポ
レイション 代　　理　　人　　　弁　　理　　士　　　明　　石　
　昌　　毅ＦＩ６．４ ＦＩＧ、／４ ＦＩＧ、／６ ＦＩＧ、／θ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）第一の超合金材料から成る第一の要素を前記第一
   の材料と異なる材料の金属から成る第二の要素に接合す
   るための方法に於て、 前記第一の材料が後続の加熱及び圧力印加の過程中に超
   塑性となる性質を呈するように前記第一の材料を処理し
   、また前記処理された第一の材料から前記第一の要素を
   製造する過程を含んでおり、前記第一の要素はボンディ
   ング表面を有し、前記第二の要素も前記第一の要素のボ
   ンディング表面と雌雄接触するべく構成されたボンディ
   ング表面を有しており、 前記第一及び第二の要素を、それらのボンディング表面
   が雌雄接触するようにプレス内に置く過程を含んでおり
   、 １）前記表面上にライン−オン−ライン接触を生じさせ
   るべく、前記第二の要素のボンディング表面と雌雄接触
   する前記第一の要素のボンディング表面に於て前記第一
   の要素の超塑性変形を生じさせるように、２）一体の組
   立体を形成するべく、前記雌雄接触表面に於て固相拡散
   を生じさせるように、前記第一及び第二の要素を前記プ
   レス内で加熱し、また同時にそれらに圧力を加える過程
   を含んでいることを特徴とする一体の多重合金部品の製
   造方法。
2. （２）所定の望ましい結晶学的結晶粒方位を有する金属
   の第一の材料から成るブレードを有し、前記ブレードが
   前記第一の材料と異なる性質を有する超合金から成るデ
   ィスクと一体であり、前記ブレードが前記ディスクのリ
   ムに直接にボンドされている一体のブレード付きロータ
   を製造するための方法に於て、 ディスク・プレフォームを、前記プレフォームが高めら
   れた温度に於て超塑性になる性質を有するように前記超
   合金ディスク材料を処理することにより製造する過程を
   含んでおり、また前記プレフォーム上に半径方向に外方
   を向いた第一のボンディング表面を形成する過程を含ん
   でおり、前記第一の材料の個々のプレート要素を、各々
   が前記の望ましい結晶粒方位を有するように、また各々
   が前記第一のボンディング表面と雌雄接触するべく構成
   された半径方向に内方を向いた第二のボンディング表面
   を有するように、製造する過程を含んでおり、 前記ブレード要素を、部品の第一の群を形成するべく、
   それらの第二のボンディング表面を前記プレフォームの
   第一のボンディング表面と雌雄接触させて、前記ディス
   ク・プレフォームの周縁に互に正確に相対的位置を保つ
   ように置く過程を含んでおり、また部品の前記群をプレ
   ス内に置く過程を含んでおり、 部品の前記群を前記プレス内で加熱し、また同時にそれ
   に圧力を加えて、 １）前記第一及び第二のボンディング表面の境界面に於
   ける前記ディスク・プレフォームの超塑性変形と、 ２）一体の組立体を形成するための前記境界面に於ける
   固相拡散と を生じさせる過程を含んでおり、 前記組立体内の材料の強度及び硬度を得るべく前記一体
   の組立体を処理する過程を含んでいることを特徴とする
   一体のブレード付きロータの製造方法。