JP5263580B2 - ガスタービン用リング状ディスク - Google Patents

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Description

この発明は、ガスタービンにおけるブレードを支持するためのリング状ディスクに関するものであり、特にジェットエンジンなどの航空機エンジン用ガスタービンにおけるブレードを支持するための強度、特に低サイクル疲労強度に優れたリング状ディスクに関するものである。
一般に、図４の一部斜視図に示されているように、ガスタービンにおけるリング状ディスク１の外周にはブレード２が嵌め込まれて取付けられており、このリング状ディスク１およびブレード２が共に高速回転する構造になっている。このリング状ディスク１は、質量％で（以下、％は質量％を示す）、Ｎｉ：５０．００〜５５．００％、Ｃｒ：１７．０〜２１．０％、Ｎｂ：４．７５〜５．６０％、Ｍｏ：２．８〜３．３％、Ｔｉ：０．６５〜１．１５％、Ａｌ：０．２０〜０．８０％、Ｃ：０．０１〜０．０８％を含有し、残りがＦｅおよび不可避不純物からなる成分組成を有し、素地中にδ相が分散している組織を有する耐熱性に優れたＮｉ基合金（例えば、Ｉｎｃｏｎｅｌ ７１８など）により作製されている。そして、かかる成分組成を有するＮｉ基合金からなるリング状ディスクは図２の斜視図に示される予備成形リング素材３を図３に示されるように上型４および下型５をそれぞれ矢印ＡおよびＢの上下方向から押圧し、型鍛造してリング状鍛造体９を作製し、これを切削加工して所定の形状のリング状ディスクに加工することにより作製していた（非特許文献１，２参照）。
Ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙ７１８，６２５，７０６ａｎｄ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ２００５ Ｅ．Ａ．Ｌｏｒｉａ編、ＴＭＳ（Ｔｈｅ Ｍｉｎｅｒａｌｓ，Ｍｅｔａｌｓ＆Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｏｃｉｅｔｙ），２００５ 第５７〜６７ページ。 Ｓｕｐｅｒａｌｌｏｙ７１８，６２５，７０６ａｎｄ Ｖａｒｉｏｕｓ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ Ｅ．Ａ．Ｌｏｒｉａ編、ＴＭＳ（Ｔｈｅ Ｍｉｎｅｒａｌｓ，Ｍｅｔａｌｓ＆Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｏｃｉｅｔｙ），１９９４ 第５４５〜５５５ページ。
近年、航空機の大型化に伴って航空機エンジンのガスタービンは一層の高出力化と同時にますます大型化されており、それに伴って航空機エンジン用ガスタービンに使用される部品の一層の高強度化が求められている。特にリング状ディスクはガスタービンの大型化に伴って遠心力が一層大きくかかるようになり、さらにリング状ディスクの中心側と外周側との温度差が大きくなって円周方向にかかる熱応力が大きくなり、さらにリング状ディスクが強度不足で破損するようなことがあると、航空機の墜落につながる恐れがあることから、リング状ディスクの一層の高強度化が求められていた。
また、従来、リング状ディスクは前述のごとく型鍛造により製造しており、リング状ディスクの大型化に伴って、一層大型の型鍛造機が必要とされてきた。しかし、大型の型鍛造機は装置そのものがコスト高となる共に大型の型鍛造機を設置するに際して地盤を一層強化する必要があることなどから型鍛造機が大型化するほどコストがかかることは避けられないのが現状であった。
そこで、本発明者等は、低コストで一層高強度を有する大型のリング状ディスクを製造すべく研究を行った。その結果、
（イ）Ｎｉ基合金素地中に周方向に伸びた扁平なδ相が多く分散した組織を有するリング状ディスクは従来の型鍛造して得られたリング状ディスクに比べて強度が一層向上するようになり、前記扁平なδ相の最大長の方向がリング状ディスクの半径方向に対して６０〜１２０°の方向を向いているδ相が素地中に析出分散している全δ相の内の６０％以上存在している組織を有するリング状ディスクは従来の型鍛造により得られたリング状ディスクよりも強度、特に低サイクル疲労強度が大幅に上昇する、
（ロ）前記組織を有するリング状ディスクは、予備成形リング素材３を、図１に示されるように、主ロール６、マンドレルロール７およびアキシャルロール８、８´を使用したリングローリングミルにより圧延して得られる、などの研究結果が得られたのである。
この発明は、かかる研究結果に基づいて成されたものであって、
（１）Ｎｉ：５０．００〜５５．００％、Ｃｒ：１７．０〜２１．０％、Ｎｂ：４．７５〜５．６０％、Ｍｏ：２．８〜３．３％、Ｔｉ：０．６５〜１．１５％、Ａｌ：０．２０〜０．８０％、Ｃ：０．０１〜０．０８％を含有し、残りがＦｅおよび不可避不純物からなる成分組成を有し、素地中にδ相が析出分散しているＮｉ基合金からなるリング状ディスクにおいて、
前記リング状ディスクの素地中に析出分散しているδ相は、扁平なδ相の最大長の方向がリング状ディスクの半径方向に対して６０〜１２０°の方向を向いているδ相が素地中に析出分散している全δ相の内の６０％以上存在している組織を有するリング状ディスク、に特徴を有するものである。
この発明のガスタービンのリング状ディスクを構成するＮｉ：５０．００〜５５．００％、Ｃｒ：１７．０〜２１．０％、Ｎｂ：４．７５〜５．６０％、Ｍｏ：２．８〜３．３％、Ｔｉ：０．６５〜１．１５％、Ａｌ：０．２０〜０．８０％、Ｃ：０．０１〜０．０８％を含有し、残りがＦｅおよび不可避不純物からなる成分組成を有し、素地中にδ相が析出分散しているＮｉ基合金は、例えば、Ｉｎｃｏｎｅｌ７１８としてすでに知られているので、その成分組成に関する限定理由の説明は省略する。
かかるＮｉ基合金からなる図２に示される予備成形リング素材３を、図１に示されるようにリング圧延すると、得られたリング状ディスクはＮｉ基合金素地中に周方向に伸びた扁平なδ相が多く分散した組織を有するようになり、かかる周方向に伸びたδ相が多く分散した組織を有するリング状ディスクの素地中に析出分散しているδ相は、扁平なδ相の最大長の方向がリング状ディスクの半径方向に対して６０〜１２０°の方向を向いているδ相が素地中に析出分散している全δ相の内の６０％以上存在している組織を有するようになると、従来の型鍛造により得られたリング状ディスクよりも強度、特に低サイクル疲労強度が大幅に上昇する。
この発明のガスタービンのリング状ディスクにおける組織を「扁平なδ相の最大長の方向がリング状ディスクの半径方向に対して６０〜１２０°の方向を向いているδ相が素地中に析出分散している全δ相の内の６０％以上」と定めたのは、扁平なδ相の最大長の方向がリング状ディスクの半径方向に対して６０°未満また１２０°を越える角度で扁平なδ相が分散していても十分な強度が得られないからであり、最大長の方向がリング状ディスクの半径方向に対して６０〜１２０°の方向を向いているδ相が素地中に全δ相の内の６０％以上分散していないと十分な強度が得られないからである。
この発明のガスタービンのリング状ディスクを製造するには、Ｉｎｃｏｎｅｌ７１８などとしてすでに知られているＮｉ：５０．００〜５５．００％、Ｃｒ：１７．０〜２１．０％、Ｎｂ：４．７５〜５．６０％、Ｍｏ：２．８〜３．３％、Ｔｉ：０．６５〜１．１５％、Ａｌ：０．２０〜０．８０％を含有し、残りがＦｅおよび不可避不純物からなる成分組成を有するＮｉ基合金を真空誘導炉で溶解して一次インゴットを作製し、このインゴットをエレクトロスラグ再溶解して二次インゴットを作製し、この二次インゴットを真空アーク再溶解して三次インゴットを作製し、この三次インゴットを熱間鍛造して平均粒径がＡＳＴＭ Ｎｏ．４あるいはそれより微細粒からなるビレットを作製し、このビレットを温度：１０００〜１０７５℃で据え込み鍛造して、あるいは据え込み鍛造後にリングローリングミルによる圧延を実施して、予備成形リング素材を作製し、この予備成形リング素材を温度：９５０〜１０１５℃で回転対象軸方向と径方向を含む断面の断面減少率が２０％以上となるようにリングローリングミルにより圧延し、時効熱処理または溶体化熱処理したのち時効処理して製造することができる。この時、圧延前加熱と圧延は複数回の組合せであってもよい。
この発明のガスタービン用リング状ディスクは、従来のガスタービン用リング状ディスクに比べて強度が高く、したがって、ガスタービンが大型化してリング状ディスクが大型化しても破損することがなく安心して使用できる。
つぎに、この発明のガスタービン用リング状ディスクについて具体的に説明する。
実施例１
真空誘導溶解、エレクトロスラグ溶解、真空アーク溶解からなる三重溶解で溶製し、熱間鍛造により成形した平均結晶粒径がＡＳＴＭ Ｎｏ．６より細粒を有し、表１〜２に示される成分組成を有する直径：１７８ｍｍ、高さ：３７７ｍｍの寸法のビレットを用意し、このビレットを温度：１０００℃でビレットの長さ方向に平行に据え込み鍛造したのち目打ち鍛造して外径：３４０ｍｍ、内径：１７３ｍｍおよび厚さ：１０８ｍｍを有する予備成形リング素材を作製した。
この予備成形リング素材を表１に示される温度で表１に示される断面減少率となるようにリングローリングミルにより圧延したのち水冷し、その後、７１８℃に保持された炉に入れ、８時間保持した後、２時間かけて連続的に炉の温度を６２１℃まで下げ、６２１℃に達したのち１５時間保持し、炉から取り出して本発明リング状ディスク１〜９、比較リング状ディスク１〜３を作製した。
従来例１
さらに、実施例１と同様にして外径：４００ｍｍ、内径：２８５ｍｍおよび厚さ：１１５ｍｍを有し、表１に示される成分組成を有する予備成形リング状素材を作製した。この予備成形リング状素材を表１に示される温度および高さ減少率となるように型鍛造し、型鍛造後水冷し、その後、７１８℃に保持された炉に入れ、８時間保持した後、２時間かけて連続的に炉の温度を６２１℃まで下げ、６２１℃に達したのち１５時間保持し、炉から取り出して従来リング状ディスク１を作製した。
このようにして作製した本発明リング状ディスク１〜９、比較リング状ディスク１〜３および従来リング状ディスク１の軸に直角な面の顕微鏡組織写真を撮り、この顕微鏡組織写真に見られる全δ相の内の最大長方向が半径方向に対して６０〜１２０°の範囲内に向いているδ相の数を測定し、その結果を表１に示し、さらに本発明リング状ディスク１〜９、比較リング状ディスク１〜３および従来リング状ディスク１について下記の条件で低サイクル疲労試験を行い、これらの測定結果を表１に示した。
低サイクル疲労試験条件：
前記本発明リング状ディスク１〜９、比較リング状ディスク１〜３および従来リング状ディスク１から、円周方向に平行に平行部長さ：１８．５ｍｍ、平行部直径：６．３５ｍｍ、測定部長さ：１３ｍｍの寸法を有する低サイクル疲労試験片を切り出して採取し、この低サイクル疲労試験片を温度：４００℃に加熱し、この加熱された低サイクル疲労試験片に最大歪：０．８％、Ａ−ｒａｔｉｏ（歪振幅／平均歪）＝１．０の引張および圧縮を周波数：３０サイクル／分で繰り返し付与することにより低サイクル疲労試験を行い、前記低サイクル疲労試験片が破断するまでのサイクル数を測定し、その結果を表１に示した。
Figure 0005263580
表１に示される結果から、本発明リング状ディスク１〜９は、比較リング状ディスク１〜３および従来リング状ディスク１に比べて低サイクル疲労試験片が破断するまでのサイクル数が格段に多いことから、本発明リング状ディスク１〜９は、比較リング状ディスク１〜３および従来リング状ディスク１に比べて低サイクル疲労強度が格段に優れていることがわかる。
予備成形リング素材をリングローリングミルにより圧延している状態を示す斜視説明図である。 予備成形リング素材の斜視説明図である。 従来の型鍛造を示す断面図である。 ガスタービンにおけるリング状ディスクの外周にブレードが嵌め込まれて取付けられている状態を示す一部斜視図である。

Claims (1)

  1. 質量％で（以下、％は質量％を示す）、Ｎｉ：５０．００〜５５．００％、Ｃｒ：１７．０〜２１．０％、Ｎｂ：４．７５〜５．６０％、Ｍｏ：２．８〜３．３％、Ｔｉ：０．６５〜１．１５％、Ａｌ：０．２０〜０．８０％、Ｃ：０．０１〜０．０８％を含有し、残りがＦｅおよび不可避不純物からなる成分組成を有し、素地中にδ相が析出分散しているＮｉ基合金からなる航空機エンジン用リング状ディスクにおいて、
    前記リング状ディスクの素地中に析出分散しているδ相は、扁平なδ相の最大長の方向がリング状ディスクの半径方向に対して６０〜１２０°の方向を向いているδ相が素地中に析出分散している全δ相の内の６０％以上存在している組織を有することを特徴とする航空機エンジン用リング状ディスク。
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