JP2014188580A - 環状成形体の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】合金素体を鍛造して円板状の鍛造体を作製する鍛造工程S2と、前記鍛造体に貫通孔を形成してなる環状中間体をリング圧延して環状成形体を作製するリング圧延工程S4と、を備える環状成形体の製造方法であって、鍛造工程S2では、ひずみ速度が 0.5s−1以下、前記鍛造体の周方向のひずみの絶対値εθ1が0.3以上、前記鍛造体の高さ方向のひずみの絶対値εhが0.3以上、これらひずみの絶対値同士の比εh/εθ1が0.4以上2.5以下の範囲内となる熱間鍛造を、少なくとも2回以上行うことを特徴とする。
【選択図】図3
Description
前述のタービンディスクおいては、その外周部が燃焼ガスに晒されて600〜700℃程度の高温になる一方、内周部の温度は比較的低く抑えられており、エンジンの起動や停止にともなって、繰り返し内部に熱応力が生じることになる。そのため、優れた低サイクル疲労特性が求められるとともに、外周部では高温下で軸周りの高速回転に起因した遠心力を受けることから、高いクリープ強度特性を合わせ持つ必要がある。また、高い引張・降伏強度も要求される。
しかしながら、前述した大型の油圧制御鍛造プレスは、非常に高価であるばかりか世界的に見ても数が少なく、このような大型の油圧制御鍛造プレスを用いた場合、環状成形体の供給能力が制限されるとともに製品コストも高止まりしてしまうことになる。また、近年のタービンディスクの大型化傾向は、大型の油圧制御鍛造プレスを用いたとしても密閉鍛造が困難な程度にまで達しており、鍛造する環状成形体の一部領域では望ましい機械的特性が得られ難く、組織の均一性が確保し難いといった課題が生じていた。
また、鍛造プレスとリング圧延とを組み合わせて環状成形体を成形する手法も考えられるが、所望の均一微細組織を得るには、前記リング圧延後にさらに最終鍛造を施す必要性が生じて、製造工程が複雑となるとともに製造コストが嵩んでしまうといった問題があった。
ここで、特許文献3に記載の環状成形体の製造方法について、本発明の発明者が検討した結果、鍛造体の周方向のひずみεθ1と高さ方向のひずみεθ1およびこれらひずみ比εθ1/εθ1を適正な値に制御した熱間鍛造を複数回実施することにより、確かに結晶粒径が微細で均一な環状成形体が得られることは確認されたものの、例えば肉厚の厚い大型の環状成形体においては、操業条件のばらつき等によって、稀に環状成形体の結晶粒径が不均一となることがあった。
なお、ひずみ速度は、以下の式で定義される。
そこで、本発明では、ひずみの絶対値同士の比εh/εθ1を0.4以上2.5以下の範囲内に規定することで、塑性流動を安定させて軸対称性を確保し、組織の均一化を図ることが可能となる。
この場合、リング圧延工程において、環状成形体の周方向のひずみの絶対値εθ2を0.5以上付与する熱間圧延を行うことで、環状成形体において機械加工により製品とされる製品領域の結晶粒度が、ASTM結晶粒度番号で8以上に確実に微細化される。したがって、環状成形体から得られる製品の機械的強度を確実に高めることが可能となる。
なお、ASTM結晶粒度番号とは、American Society of Testing and Materials(米国材料試験協会)のASTM規格E122に規定する基準によって決定されるものである。
この場合、環状成形体の断面内の製品領域における結晶粒度差が、ASTM結晶粒度番号差で±2の範囲内とされているので、この環状成形体は、径方向及び高さ方向における結晶粒度の均一性が確保されている。
この場合、鍛造工程において、前述のように高いひずみ量を付与することによって、鍛造体の結晶粒度がASTM結晶粒度番号で7以上に微細化できる。従って、次のリング圧延工程において付与するひずみ量を低減しつつも、環状成形体の組織の微細化が可能となる。
この場合、環状中間体における径方向の厚さTと高さHとの比T/Hが0.6以上2.3以下の範囲内となるように環状中間体を成形した後、リング圧延することにより、環状成形体における周方向の等価位置同士の結晶粒度差をASTM結晶粒度番号差で±1.5の範囲内に抑制することができる。すなわち、この環状中間体を成形して得られる環状成形体は、周方向における結晶粒度の均一性が確保される。詳しくは、リング圧延は局部加工であるものの一般的な部分鍛造とは異なり、加工の連続性を有することから成形後の組織の軸対称性が高く、環状成形体における周方向の材料特性の偏差が小さくなることが知られている。本発明では、リング圧延前の環状中間体において前記比T/Hを前述の範囲内に設定することによって、成形された環状成形体の形状(真円度)及び組織の軸対称性を一段と高くできる。
本実施形態に係る環状成形体10は、航空機用エンジンのタービンディスクを成形する加工素材として使用されるものである。
また、環状成形体10は、耐熱性に優れたNi基超合金で構成されており、本実施形態では、Ni基合金Alloy718で構成されている。
まず、Ni基合金Alloy718の溶湯を溶製する。ここで、前述したNi基合金Alloy718の成分範囲になるように、溶解原料を調製し、真空誘導加熱溶解(VIM:Vacuum Induction Melting)を行って、インゴットを製出する。次に、このインゴットをエレクトロスラグ再溶解(ESR:Electro Slag Remelting)して、再度インゴットを製出する。さらに、このインゴットを、真空アーク再溶解(VAR:Vacuum Arc Remelting)した後、熱間鍛造を行い円柱状のビレット(合金素体)を製出する。
次に、ビレットに対して、該ビレットの軸線方向に押圧するように鍛造加工を行い、円板状の鍛造体を作製する。
この鍛造工程S2においては、ビレットの温度を、例えば950〜1075℃に加熱した状態で、鍛造体の周方向のひずみの絶対値εθ1が0.3以上、鍛造体の高さ方向のひずみの絶対値εhが0.3以上、かつ、これらひずみの絶対値同士の比εh/εθ1が0.4以上2.5以下の範囲内となるように熱間鍛造を、少なくとも2回以上実施する。
本実施形態においては、鍛造工程S2の熱間鍛造を、油圧制御鍛造プレス装置を用いて実施している。この油圧制御鍛造プレス装置は、油圧制御によって、鍛造時のひずみ速度を上述の範囲内となるように精度良く調整することが可能である。なお、本実施形態では、鍛造工程S2の熱間鍛造におけるひずみ速度を0.01s−1以上としている。
この鍛造工程S2により、鍛造体の高さは、例えば60mm〜500mm程度に調整される。このような鍛造工程によって、鍛造体にはひずみが十分に付与されて、該鍛造体の結晶粒度はASTM結晶粒度番号で7以上に微細化される。
次いで、得られた鍛造体の中央部に、ウォーターカッターによって断面円形の貫通孔を形成する。さらに、貫通孔形成後に必要に応じて中間リング圧延を行う。この穿孔加工+中間リング圧延工程S3によって、環状中間体20が製出されることになる。
本実施形態では、環状中間体20は、図4に示すように、周方向に直交する断面が概略多角形状をなしており、軸線Oに対して略直交する方向に延びる上面及び下面を有する基体部21と、この基体部21から径方向内方に向けて突出した内側凸部22と、基体部21から径方向外方に向けて突出した外側凸部23と、を備えている。
次に、この環状中間体20に対してリング圧延を行う。なお、このリング圧延は熱間圧延で行われ、その温度は、例えば900℃〜1050℃の範囲内とされている。
ここで、リング圧延装置30は、図5に示すように、環状中間体20の外周側に配設されるメインロール40と、環状中間体20の内周側に配設されるマンドレルロール50と、環状中間体20の軸線O方向端面(本実施形態では、基体部21の上面および下面)に当接される一対のアキシャルロール31、32と、を備えている。
そして、このリング圧延工程S4では、環状成形体10における周方向のひずみの絶対値εθ2を0.5以上付与することとしている。詳しくは、少なくとも1回以上の熱間圧延を施して、前記ひずみの絶対値εθ2が総計で0.5以上1.3以下の範囲内に設定されるようにしている。
前述のようにして製出された環状成形体10は、熱処理によって特性が調整されるとともに、切削加工によって最終形状に成形され、航空機用エンジンのタービンディスクとされる。
例えば、環状成形体10及び環状中間体20の形状は、本実施形態に限定されるものではなく、製出するタービンディスク等の環状製品の形状を考慮して適宜設計変更することが可能である。
また、環状成形体10及び環状中間体20がNi基合金Alloy718で構成されたものとして説明したが、これに限定されることはなく、その他の材質(例えば、Waspaloy(登録商標)(United Technology Inc.)、Alloy720、Co基合金、Fe基合金等)で構成されたものであってもよい。
また、ビレットを前述の三重溶解により製出する代わりに、二重溶解(VIM+ESR、又はVIM+VAR)により製出してもよい。
まず、Ni基合金Alloy718の溶湯を溶製した。詳しくは、前述の実施形態で説明したNi基合金Alloy718の成分範囲になるように溶解原料を調製した。そして、この溶湯に対して三重溶解を施した。詳しくは、真空誘導加熱溶解(VIM)、エレクトロスラグ再溶解(ESR)、真空アーク再溶解(VAR)を施して、直径φ254mmの円柱状のビレットを製出した。
鍛造工程は、鍛造体の周方向のひずみの絶対値εθ1、鍛造体の高さ方向のひずみの絶対値εh、これらひずみの絶対値同士の比εh/εθ1、ひずみ速度について、表1に示す条件で実施した。
次いで、環状成形体10に熱処理を実施した。直接時効材として、リング圧延後水冷し、718℃/8時間+621℃/8時間+A.C.時効処理を施したものを作製した。また、溶体化時効材として、リング圧延後970℃/1時間+W.Q.溶体化処理後、718℃/8時間+A.C.時効処理を施したものを作製した。
作製された環状成形体10を用いて、仮想平面VS1、VS2を含む断面内の製品領域における最大結晶粒度と最大結晶粒周辺の平均結晶粒度を測定し対比した。なお、最大結晶粒周辺の平均結晶粒度は、最大結晶粒確認部(最大結晶粒を除く)の平均結晶粒度とした。結果を表2に示す。
前述のように作製された環状成形体10のうち本発明例1と比較例3について、図1の仮想平面VS1、VS2を含む等価位置から周方向、高さ方向、径方向の引張試験片をそれぞれ採取し、650℃高温引張試験をそれぞれ行った。なお、試験は平行部径6.35mmのASTM E8 small size試験片を用いてASTM E21に準拠して実施し、引張強さ、耐力(0.2%耐力)及び絞りについてそれぞれ測定した。また、周方向、高さ方向、径方向の各測定値の偏差を確認するため、周方向の測定値を1(100%)とした場合の高さ方向及び径方向の割合を算出した。図8に引張強さ−絞り相関図を、図9に耐力−絞り相関図をそれぞれ示す。
一方、鍛造工程におけるひずみ速度が0.5s−1以下とした本発明例1−4においては、最大結晶粒度とその周辺の平均結晶粒度との差が小さく、組織が十分に均一化されていることが確認される。ひずみ速度を0.5s−1以下の範囲内とすることにより、鍛造時における鍛造体の表面と内部との温度差が小さくなり、組織の均一化を図ることができたと推測される。なお、ひずみ速度を0.15s−1以下とした本発明例1,2,4においては、さらに組織の均一化が図られている。
20 環状中間体
H 環状中間体の軸線方向に沿う高さ
O 軸線
S2 鍛造工程
S4 リング圧延工程
T 環状中間体における径方向の厚さ
VS1 仮想平面(等価位置)
VS2 仮想平面(等価位置)
Claims (4)
- 合金素体を鍛造して円板状の鍛造体を作製する鍛造工程と、前記鍛造体に貫通孔を形成してなる環状中間体をリング圧延して環状成形体を作製するリング圧延工程と、を備える環状成形体の製造方法であって、
前記鍛造工程では、ひずみ速度が0.5s−1以下、前記鍛造体の周方向のひずみの絶対値εθ1が0.3以上、前記鍛造体の高さ方向のひずみの絶対値εhが0.3以上、これらひずみの絶対値同士の比εh/εθ1が0.4以上2.5以下の範囲内となる熱間鍛造を、少なくとも2回以上行うことを特徴とする環状成形体の製造方法。 - 前記環状成形体の軸線を含む断面内における該環状成形体の製品領域の結晶粒度差が、ASTM結晶粒度番号差で±2の範囲内であることを特徴とする請求項1に記載の環状成形体の製造方法。
- 前記鍛造工程では、前記鍛造体の結晶粒度をASTM結晶粒度番号で7以上とすることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の環状成形体の製造方法。
- 前記環状中間体における径方向の厚さTと該環状中間体の軸線方向に沿う高さHとの比T/Hが0.6以上2.3以下の範囲内となるように該環状中間体を成形した後、リング圧延して、前記環状成形体に周方向均等に設定した複数の等価位置同士の結晶粒度差を、ASTM結晶粒度番号差で±1.5の範囲内とすることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の環状成形体の製造方法。
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