JPS6314802A - 粉末Ｎｉ基超合金製タ−ビンデイスク等の製造方法 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は粉末Ｎｉ基超合金製タービンディスクよびホイ
ール（本明細書中ではタービンディスク等と略記する。

）の製造方法に係り、特に熱間静水圧加圧（以下、ＨＩ
Ｐと略記する。）と超塑性鍛造をとり入れ、異種粉末か
らなるディスク中心部（ハブ部）と外周部分（リム部）
の接合境界面の信頼性を向上せしめた上記タービンディ
スク等の製造方法に関するものである。

（従来の技術） 一般に発電用小型タービンのディスク、ホイールあるい
は航空機用ガスタービンディスクなどのタービンホイー
ル、ディスクは中心部分（ハブ部）と外周部分（リム部
）で夫々要求される特性が異なっている。即ち、リム部
はハブ部に比較して温度が高く、主としてクリープ特性
が重要となる。

これに対してハブ部は温度は低いが大きな遠心力に耐え
得る引張強度と低サイクル疲労特性が要ルの使用性能を
向上させる上で極めて重要な技術要素である。

ところで、現在までにこのようなデュアル特性をもつデ
ィスク等の製造方法について種々、検討が加えられてお
り、その代表的な方法として次のような方法がある。

（１）　　一方向再結晶熱処理による外周リム部分のク
リープ特性の向上としてＨＩＰによって固化した粉末性
ディスクについて、外周部から中心部への温度分布を制
御し、外周から中心に向かって一方向に再結晶粗大化さ
せて外周部近傍のクリープ特性を向上させる方法。

（２）中心部分にのみ鍛造を加える方法で、前記（１）
とは逆に中心部分の引張特性、疲労特性を向上させるた
めに粉末ＨＩ　Ｐ材の中心部分のみに加工を加え、再結
晶微細化する方法。

（３）翼部の鋳造リングと、ＨＩＰディスクを拡散接合
しタービンホイールを製造する方法で、リム部から翼を
含んだリングを鋳造で製作し、結晶粒の大きな組織とし
てクリープ特性をもたせる一方、中心部ディスクをＨＩ
Ｐで製作して引張強度の高い微細組織とし、最後にこれ
らをＨＩＰで拡散接合する方法。

（４）異種粉末同志を同時にＨＩＰする方法で、夫々の
部分に所定の特性が得られるように特性の異なった２種
類の粉末を配し、これを同時にＨＩＰ処理する方法。

Ｔ５）ＨＩＰ固化固定材種粉末をＨＩＰにより拡散接合
する方法で、予めＨＩＰしたリム部に異種粉末をＨＩＰ
で拡散接合させてハブ部を製造する方法である。この場
合、ハブ部製造時のＨＩＰ温度はリム部の場合より低く
するのが一般的である。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、上記の如き各方法には夫々、次のような
問題がある。

即ち、上記各方法のうち、（３）〜（５）のＨ，Ｉ　Ｐ
による拡散接合を利用する方法は前述の（１１（２）の
各方法に比較して製造コストが低廉で、有利であるが、
（３）と（５）の方法については拡散接合面の信頼性に
十分満足すべきものが得られず、なかでもＨＩＰ固化固
定材種粉末を拡散接合する（５）の方法においては未だ
に満足な継手は得られない。一方、異種粉末を同時にＨ
ＩＰ処理する（４）の方法は異種粉末同志の混入があり
、境界部を制御することが困難で信頼性に欠けるという
ことである。

従って、結局、何れも満足な方法には至っていない。

本発明は上述の如き実状に対処し、特に上記（５）の方
法の改善により接合境界面の信頼性を確保することを課
題とし、ＨＩＰ後、超塑性鍛造を行い、未接合部分の完
全な接合を図ることを目的とするものである。

（問題点を解決するための手段） 即ち、本発明の特徴とするところは、前記中心部と外周
部の特性が異なる粉末Ｎｉ基超合金製タービンディスク
の製造において、各特性に適合し、かつ溶体化温度を異
にする異種合金粉末を使用し、溶体化温度の高い粉末を
中心部に配して、中心部あるいは外周部の何れか一方を
予めＨＩＰ処理あるいは押し出しにより固化せしめた後
、残りの部に他の異種粉末を配してＨＩＰあるいは押し
出しにより接合固化し、しかる後、超塑性鍛造し、更に
両粉末の溶体化温度間の範囲で溶体化処理を行い、結晶
粒を調整することにある。

ここで、先ず、ディスク等製造の最も重要な点は中心部
と外周部の夫々の特性を考慮し、これに適合した粉末を
選択使用することである。

そして、この場合、夫々、特性に合わせて選択された粉
末は、中心部あるいは外周部の何れか一方において予め
ＨＩＰあるいは押し出しにより接合固化されるが、これ
は前述した（５）の方法と同様である。

しかし、本発明にあっては、更に上記ＨＩＰあるいは押
し出しにより接合固化された後に超塑性鍛造と溶体化処
理による粒度の調整が行われる。

そのためには、前記粉末材料の選択にあたっては、超塑
性鍛造現象が示される材料であることが肝要となる。こ
れは既に超塑性鍛造において既知であるが、超塑性鍛造
するためには微細結晶粒が必要となる。

この製造方法としては、例えば、出願中の特許「超塑性
特性を有する粉末超合金の製造方法」に示された方法が
有効である。

即ち、直径が１０５μｍ以下の微粉末を再結晶粗大化開
始温度以下の温度で、かつ真密度が得られる圧力条件下
でＨＩＰする方法により、微細な再結晶組織が得られる
。

しかし、問題は鍛造後の熱処理であり、ミクロ組織は非
常に微細化しており、熱処理によって外周部、即ちリム
部の結晶粒を粗大化する必要がある。

勿論、ここで前述の（１）の方法と同様の一方向再結晶
熱処理により粗大化させることも可能であるが、コスト
的に不利であるので、通常、行われる１回の溶体化処理
でリム部のみを粗大化することができれば最も簡単で効
果的である。

そのため溶体化処理における中心部と外周部の状態を把
握し、前記各粉末の選択条件を決める。

即ち、Ｎｉ基超超合金結晶粒を粗大化させるためには強
化相であるγ′相が固溶する温度以上の温度で溶体化処
理する必要がある。今、リム部の材料のγ′相の完全溶
体化温度をＴ、Ｉとすると、一方の中心部は粗大化を防
止する必要があり、従って、この部分の材料のγ′の完
全溶体化温度Ｔ１はＴ、ｌより高いことが必要である。

換言すれば、材料選択の条件として次式、即ちＴＲ＜７
’、を満足させる必要がある。

これをγ′相の点からみればリム部より中心部の方にγ
′相の多い材料を使用することを意味している。

ところで、通常、クリープ特性を向上させるためにγ′
相を増加させているが、この点からすれば上記条件式は
常識に反している。しかしγ′相が１０％増加してクリ
ープ特性が上昇する量はそれ程大きくはない。

例えば第１図にγ′量とクリープ破断寿命との関係を示
しているが、ｒ’Ｎが４０％から５０％に、あるいは６
０％に増大してもクリープ寿命は精々２倍程度増大する
だけである。これに対して結晶粒の大きさは超塑性鍛造
材（２〜１０μｍ）と、それを熱処理して粗大化させた
もの（２０〜１００μｍ）とでは５〜１０倍程度は容易
に変化させることができ、第２図に示すようにクリープ
寿命は１０〜５０倍程度増大させることができる。

もとより、実際の熱処理での温度制御の誤差を考えれば
、その誤差範囲は±４℃程度とみておく必要があり、実
際には前記条件式よりも下記式、Ｔ＋、　　Ｔ＊≧８℃ の式に従うのがより現実的である。

従って、以上のようにして材料の選択を行い、ＨＩＰ処
理あるいは押し出ししたものをその後、超塑性鍛造して
接合界面の未溶着部を完全に接合し、次いでそれをＴＩ
≦Ｔ　＜　Ｔ　ｈの温度範囲における所定温度（Ｔ）で
溶体化処理し結晶粒度を請訓することにより、ディスク
全領域で要求される種々の特性を満足し得る高性能ディ
スクの製造が可能となるのである。

（実施例） 以下、上記本発明による具体的効果を確認するため、下
記に従って試験した。

（１）材料選択 ハブ部用合金　；　　Ａ（Ｔｈ＝１２００℃）リム部用
合金　；　　Ｂ（Ｔ＋ｔ＝１１９０℃）溶体化温度が１
０℃異なる上記２種の合金を使用した。各合金の組成を
第１表に示す。

第　　　　１　　　　表 （２）素材の製造 （イ）１５０メツシユ、直径１０５μｍ以下の８合金粉
末を１００龍φのステンレス容器に密封し、１０５０℃
Ｘ　１　Ｂ　００ｋｇ／ｃａｌＸ　２　ｈの条件でＨＩ
Ｐ処理し、リム部のＨＩＰ固化材を作成した。

（ロ）上記ＨＩＰ材より外径８５ｍφ、内径６５龍φの
円筒を製作し、ステンレス容器に入れた後、Ａ合金粉末
を中心部に充填密封し、ＨＩＰ処理した。ＨＴＰ条件は
超塑性が得られるように８合金粉末と同し条件とした。

（ハ）かくして上記ＨＩＰ材より７８ｍｍφｘ５０１Ｉ
Ｉ′″の鍛造素材を製作した。

（３）超塑性鍛造および熱処理 次に上記得られた鍛造素材に対し、４００）ン超塑性鍛
造プレスを使用し、１０８０℃で歪速度５　Ｘ　１０−
’／Ｓで５０ｆｉ’　−”２０ｍ’まで圧下し、その後
、１１９０℃Ｘ２ｈ／ＡＣ＋７６０℃×１６ｈ　／ＡＣ
の熱処理を行い所要のディスクを得た。

（４）試験状況 上記ディスクにつき、下記の項目に従って試験を実施し
た。

試験項目 （イ）接合界面を含む引張試験 （ロ）リム部（Ｂ合金）のストレスラブチャー試験及び
引張試験 （ハ）ハブ部（Ａ合金）の引張試験 なお、試験片は平行部２０鶴、直径６龍のものを使用し
た。又、試験条件は 引張試験；７６０℃、歪速度Ｏ，ＯＳ％／Ｓ。

ストレスラブチャー試験；７６０℃Ｘ６０．５ｋｇ　／
　ｍ　” であった。

（５）　　試験結果 得られたリム部及びハブ部のミクロ組織を添付第３図（
顕微鏡写真）　（（）（１＋）に示す。同図（イ）より
１１９０℃の溶体化処理によってＢ合金（リム部）は３
０８℃程度の結晶粒径になっている。

一方、ハブ部は（０）図に示すように１０μｍ以下の結
晶粒径が得られている。従って、本発明方法によりミク
ロ組織の点からは目的とするものが得られた。

次に引張試験の結果を下記第２表に示す。

第　　　　２　　　　表 上記第２表よりハブ部即ち中心部は微細組織により強度
、伸び共にリム部、即ち外周部を上回る特性が得られて
いる。又、ハブとリムを含む試験ではリム部の強度に依
存することが示されている。

因にこの試験片はリム部のＢ合金で破断しており、接合
部の異状は認められなかった。

一方、これに対してストレスラブチャーテストの結果、
寿命は２９０時間であった。なお、Ａ合金を同じく結晶
粗大化させて得た同条件下のストレスラブチャー寿命は
９８時間で寿命の増大が明らかであった。

以上の結果より総合し、本発明により単独の合金では達
成できない特性をもつ高性能ディスクの製造が可能とな
ることが明らかとなった。

（発明の効果） 以上のように本発明によれば中心部と外周部に夫々、適
切な特性をもつ、例えば中心部は微細組織をもち、引張
特性と低サイクル疲労特性に優れ、外周部は結晶粒の大
きいクリープ特性の優れたディスク等を通常行われてい
る熱処理によって容易に製造することが可能であり、し
かも超塑性鍛造を行うことにより接合部の信頬性も増大
し、高性能のディスクを製造することができる顕著な効
用を有し、更に所定の特性をもつ合金を選択使用するこ
とにより前記デュアル組織の実現が達成され、全体とし
てディスク、ホイールの使用性能を高め、その製作を経
済的ならしめ、工業性を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は設計γ′量とクリープ破断寿命との関係を示す
図表、第２図はラブチャー寿命に及ぼす結晶粒径の影響
を示す図表、第３図（イ）　（ＩＩ）は本発明実施例に
より得られたリム部及びハブ部合金のミクロ組織を示す
顕微鏡写真（ｘ４００）であり、（イ）はリム部、（Ｄ
）はハブ部を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、中心部と外周部の特性が異なる粉末Ｎｉ基超合金製
   タービンディスク等の製造において、中心部と外周部に
   超塑性鍛造可能で、かつγ′相の完全溶体化温度（以下
   、単に溶体化温度と略記する）を異にする異種合金粉末
   を選択使用し、溶体化温度の高い合金粉末を中心部に配
   して中心部あるいは外周部の何れか一方を予め熱間静水
   圧加圧あるいは押し出しにより固化せしめた後、残りの
   部分に他の合金粉末を充填密封して再び熱間静水圧加圧
   処理あるいは押し出しにより接合固化せしめ、しかる後
   、超塑性鍛造し、次いで両合金粉末の溶体化温度間の温
   度範囲で溶体化熱処理を行い、結晶粒度を調整すること
   を特徴とする粉末Ｎｉ基超合金製タービンディスク等の
   製造方法。 ２、中心部と外周部の両合金粉末の溶体化温度の差が少
   くとも８℃である特許請求の範囲第１項記載の粉末Ｎｉ
   基超合金製タービンディスク等の製造方法。