(57)【要約】      （修正有）【課題】異種材料を接合して構成したタービンロータの接合部の強度などを改善した製造方法の提供。【解決手段】多元合金の多セクション溶接タービンローター１０の製造方法は、一体となったミクロ組織を有する鍛造された多元合金ローターセクションを用意することを含んでおり、このローターセクションは第１の合金組成３２を有する第１の合金３０及び第２の合金組成４２を有する第２の合金４０を含んでおり、第１の合金３０からなる第１の溶接面３４を第１の端部３６に、また第２の合金４０からなる第２の溶接面４４を反対側の第２の端部４６に有している。また、第１の合金組成５２からなる第１のローターセクション５０及び第２の合金組成６２からなる第２のローターセクション６０を用意することも含む。さらに、第１のローターセクション５０を第１の溶接面３４に溶接し、第２のローターセクション６０を第２の溶接面４４に溶接することも含む。【選択図】図１
2011074916.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多元合金多セクション溶接タービンローターを製造する方法（１００）であって、
モノリシック構造を有し、第１の合金組成（３２）を有する第１の合金（３０）及び第２の合金組成（４２）を有する第２の合金（４０）を含み、第１の端部（３６）に第１の合金（３０）を含む第１の溶接面（３４）及び反対側の第２の端部（４６）に第２の合金（４０）を含む第２の溶接面（４４）を含む鍛造された多元合金ローターセクション（２０）を用意し（１１０）、
第１の合金組成（５２）を含む第１のローターセクション（５０）及び第２の合金組成（６２）を含む第２のローターセクション（６０）を用意し（１２０、１３０）、
第１のローターセクション（５０）を第１の溶接面（３４）に溶接し（１４０）、
第２のローターセクション（６０）を第２の溶接面（４４）に溶接する（１５０）
ことを含んでなる方法。
【請求項２】
多元合金鍛造プリフォーム（２１）を形成し（２１０）、
多元合金鍛造プリフォーム（２１）を鍛造して（２２０）、モノリシック構造を有する鍛造された多元合金ローターセクション（２０）を形成する
ことを含む方法（２００）によって鍛造された多元合金ローターセクション（２０）を用意する、請求項１記載の方法（１００）。
【請求項３】
第１の合金組成（３２）を有する粉末を含む第１の部分（３５２）及び第２の合金組成（４２）を有する粉末を含む第２の部分（３５６）を含む多元合金粉末プリフォーム（２１）を形成し（３１０）、
粉末プリフォーム（２１）を圧密化して（３２０）、第１の合金組成（３２）の粉末を焼結し緻密にして第１の合金（３０）を形成すると共に第２の合金（４２）組成の粉末から第２の合金（４０）を形成し、第１の合金（３０）及び第２の合金（４０）が多元合金鍛造プリフォーム（２１）を構成する
方法（３００）によって多元合金鍛造プリフォームを形成する、請求項２記載の方法（２００）。
【請求項４】
第１の合金（３０）又は第２の合金（４０）の一方が他方の半径方向で内側に位置する、請求項３記載の方法（２００）。
【請求項５】
多元合金ローターセクション（２０）が縦軸（２４）を有しており、第１の合金（３０）及び第２の合金（４０）が軸方向に分離されている、請求項３記載の方法（２００）。
【請求項６】
電極軸（５２４）、軸方向に分離された第２の合金組成（４２）を含む第２の電極部分（５１６）に接合された第１の合金組成（３２）を含む第１の電極部分（５１４）を有する多元合金電極（５１２）を用意し（５１０）、
多元合金電極（５１２）を融解して（５２０）多元合金鍛造プリフォーム（２１）を形成する
方法によって多元合金鍛造プリフォームを形成する、請求項２記載の方法（２００）。
【請求項７】
第１の合金組成（３２）を有する第１の電極粉末部分（３５２）及び第２の合金組成（４２）を有する第２の電極粉末部分（３５２）を含む粉末プリフォームを形成し（３１０）、
粉末プリフォーム（２１）を圧密化して（３２０）、第１の合金組成（３２）の粉末及び第２の合金組成（３２）の粉末を焼結し緻密にして多元合金電極（５１２）を形成する
ことによって多元合金電極（５１２）を用意する、請求項６記載の方法（５００）。
【請求項８】
第１の合金（３０）のプリフォームを形成し、
第２の合金（４０）を前記プリフォーム上に付着させて（７１０、９１０）多元合金鍛造プリフォーム（２１）を形成する
方法（７００）によって多元合金鍛造プリフォームを形成する、請求項２記載の方法（２００）。
【請求項９】
モノリシックミクロ組織及び縦軸（２４）を有する多元合金ローターセクション（２０）であって、ローターセクション（２０）が、第１の合金組成（３２）を有する第１の合金（３０）及び第２の合金組成（４２）を有する第２の合金（４０）を含み、第１の合金（３０）を含む第１の溶接面（３４）を第１の端部（３６）に、また第２の合金（４０）を含む第２の溶接面（４４）を反対側の第２の端部（４６）に含みモノリシック構造が鍛造されたミクロ組織を有する多元合金ローターセクション（２０）と、
第１の合金組成を含み、第１の溶接継手により第１の溶接面に接合された第１のローターセクションと、
第２の合金組成を含み、第２の溶接継手により第２の溶接面に接合された第２のローターセクションと
を含んでなる多元合金多セクション溶接タービンローター（１０）。
【請求項１０】
第１の合金（３０）又は第２の合金（４０）の一方が、縦軸（２４）に関して他方の半径方向で内側に、又は縦軸に沿って軸方向に分離されて、又はこれらの組合せで位置している、請求項９記載のタービンローター（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示されている主題は、一般に多元合金タービンローターに関し、より詳細には複数の溶接されたローターセクションを有する多元合金タービンローターに関する。
【背景技術】
【０００２】
タービンローターの作動温度はローターの長さに沿って変わり、第１段が最も高い温度を有し、その後の段の温度は一般に徐々に低くなる。この異なる作動条件のため、適切なローター材料の選択とローターの製造が複雑になる。すなわち、単一の化学成分のモノリシックローター（すなわち、組立品ではないローター）はタービンの低圧（ＬＰ）、中圧（ＩＰ）及び高圧（ＨＰ）セクション又は段の各々の特性必要条件を満たすことができないからである。例えば、産業用ガスタービンのタービンローターのようなタービンローターの入口及び排出領域は異なる材料特性必要条件を有する。高温の入口領域は通例、高いクリープ破断強さを有するが中程度の強靱性しかもたない材料を必要とする。他方、排出領域は同レベルの高温クリープ強度を必要としないが、排出領域に使用されるより長いタービンブレードによって課せられるより高い負荷のため適切な材料は通例非常に高い強靱性をもたなければならない。ローターの性質を調整し、より高いコストの高温高強度合金の利用をローターの必要とされる部分のみに限定し、かつ高い強靱性と必要とされる場合のその他の性質を確保するために、様々なアプローチが利用されて来ている。
【０００３】
上述の理由から、異なる化学成分のセクションを組み立てることで構築されたローターが広く用いられている。ガスタービン及びジェットエンジン用のローターは、一連のディスク及びシャフトを互いにボルト締めすることにより構築することが多い。例えば、大きい蒸気タービンは通例、タービンの異なるセクションに使用される別個のシェル又はフード内に収容された別個のローターからなるボルト締めされた構成を有する。より小さい蒸気タービンでは、ミッドスパンカップリング（mid-span coupling）を利用して、高温及び低温部品を１つのシェル内にボルト締めすることができる。ボルト締めされた構成を有するローターは広く使用されているが、これには部品の数の増大、組立の必要条件の増大、ローターアセンブリの長さの増大、及びローターアセンブリの必要なバランスの達成に関連する複雑さの増大を始めとする幾つかの欠点がある。
【０００４】
ローターのＨＰ及びＩＰセクションのような必要なところには高温高強度合金を提供し、かつローターのＬＰセクションのようなより低温の部分にはより低コストでより低強度の高強靱性合金を利用するワンピース又はモノリシックの多元合金タービンローターが開発されている。モノリシック多元合金ローターは公知であるが、それを大きいローター鍛造品として製造するのに必要な材料と方法は複雑で高価である。さらに、特定のローターセクションの交換は一般に可能ではなく、またこれはタービンの作動寿命の間のメンテナンスのコストの観点から望ましくない。
【０００５】
異なる金属合金を溶接することにより製造された多セクション多元合金ローターも提案されている。しかし、その使用は異なる合金溶接継手に通例伴う１以上の以下の問題のために限定されている。１つの問題は、溶融池における、広い温度範囲にわたって凝固することになり、その結果溶接部内部の広範囲の融点に対応し得る広く異なる化学成分の混合に起因する高い溶接割れ感受性である。別の問題は、共晶相のような低い融解温度相により引き起こされる粒間溶離のような機構による熱影響域亀裂発生、又は歪み時効亀裂発生である。さらに別の問題は、広く異なる化学成分を有する合金の混合による複雑な相の形成に起因する引張強さ、延性、高サイクル及び低サイクル疲労、クリープ破壊、破壊靱性などのような乏しい溶接継手の機械的性質である。さらにもう１つ別の問題は、溶接継手部の熱膨張の不整合に起因する高い一時的な熱的歪みである。別の問題は、高温の作動時の、溶接継手部の複雑な準安定相、及び溶接継手部における様々な金属間相のような脆性相の形成という結果となり得る拡散効果に起因する長期のミクロ組織不安定性の可能性である。さらにもう１つ別の問題は、溶接後熱処理中又は長期供用中の溶接拡散ゾーンにおける炭素、ホウ素、及びその他の元素の偏析である。かかる偏析は溶接部と母材との間の化学成分の変動によって生じる。かかる効果は重要な性質の低下及び亀裂感受性を起こし得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第７０６５８７２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
異なる合金を溶接してタービンローターを形成する過去のアプローチでは、一方又は両方のローターセクションの継手面上に様々な化学成分の融接された肉盛層を設置している。この肉盛層には一様な又は様々な合金化学成分を有するものがある。この肉盛はプリフォームを溶接する前に熱処理され機械加工される。このアプローチは高価で時間がかかり、また異なる金属の溶接に関連する上記の問題の幾つかを軽減し得ない。
【０００８】
様々な多元合金の溶接されたタービンローター構造体及びその製造方法は公知であるが、公知の全ての構造体は異なる金属の溶接を必要とし、多かれ少なかれ上記の関連する問題を有する。
【０００９】
従って、異なる金属の溶接に関連する問題を低減又は排除する溶接された多元合金ローター構成及びその製造方法が望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の１つの局面により、多元合金多セクション溶接タービンローターを製造する方法が提供される。この方法は、モノリシック構造を有しており、第１の合金組成を有する第１の合金及び第２の合金組成を有する第２の合金を含み、第１の端部に第１の合金を含む第１の溶接面を、また反対側の第２の端部に第２の合金を含む第２の溶接面を含む鍛造された多元合金ローターセクションを用意することを含んでいる。また、この方法は、第１の合金組成を含む第１のローターセクション、及び第２の合金組成を含む第２のローターセクションを用意することも含んでいる。この方法はまた、第１のローターセクションを第１の溶接面に溶接し、かつ第２のローターセクションを第２の溶接面に溶接することを含んでいる。
【００１１】
本発明の別の局面により、多元合金多セクション溶接タービンローターが提供される。このローターは、モノリシック構造を有しており、第１の合金組成を有する第１の合金及び第２の合金組成を有する第２の合金を含み、第１の端部に第１の合金を含む第１の溶接面を、また反対側の第２の端部に第２の合金を含む第２の溶接面を含む多元合金ローターセクションを含んでおり、このモノリシック構造は鍛造された粒子形態を有している。このローターはまた第１の合金組成からなる第１のローターセクションを含んでおり、この第１のローターセクションは第１の溶接継手により第１の溶接面に接合されている。また、このローターは第２の合金組成からなる第２のローターセクションも含んでおり、この第２のローターセクションは第２の溶接継手により第２の溶接面に接合されている。
【００１２】
本発明のさらに別の局面により、多元合金ローターセクションが提供される。この多元合金ローターセクションはモノリシックミクロ組織を有しており、第１の合金組成を有する第１の合金部分及び第２の合金組成を有する第２の合金部分を含み、第１の端部に第１の合金からなる第１の溶接面を、また反対側の第２の端部に第２の合金部分からなる第２の溶接面を含んでおり、このモノリシックミクロ組織は鍛造された粒子形態を有している。
【００１３】
本発明と考えられる主題は本明細書に続く特許請求の範囲に明確に規定され記載されている。本発明の上記及びその他の特徴、及び利点は添付の図面を参照した以下の詳細な説明から明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１Ａ及び１Ｂは、本明細書に開示されている、多元合金多セクション溶接タービンローターを製造する方法及びそれにより製造される溶接されたローターの概略図である。
【図２】図２Ａは、本明細書に開示されている、鍛造された多元合金ローターセクションを用いて鍛造された多元合金ローターを製造する方法を図解するフローチャートである。
【図３】図２Ｂは、本明細書に開示されている、鍛造された多元合金ローターセクショを製造する方法を図解するフローチャートである。
【図４】図３Ａ−３Ｅは、本明細書に開示されている、多元合金鍛造プリフォームを製造し、これを鍛造して多元合金ローターセクションを形成する方法の代表的な実施形態の概略図である。
【図５】図３Ｆ−３Ｉは、本明細書に開示されている、多元合金鍛造プリフォームを製造し、これを鍛造して多元合金ローターセクションを形成する方法の代表的な実施形態の概略図である。
【図６】図４Ａ−４Ｅは、本明細書に開示されている、多元合金鍛造プリフォームを製造し、これを鍛造して多元合金ローターセクションを形成する方法の第２の代表的な実施形態の概略図である。
【図７】図４Ｆ−４Ｊは、本明細書に開示されている、多元合金鍛造プリフォームを製造し、これを鍛造して多元合金ローターセクションを形成する方法の第２の代表的な実施形態の概略図である。
【図８】図５Ａ及び５Ｂは、本明細書に開示されている、多元合金多セクション溶接タービンローターを製造する方法及びそれにより製造される溶接されたローターの第２の代表的な実施形態の概略図である。
【図９】図６Ａ−６Ｆは、本明細書に開示されている、多元合金鍛造プリフォームを製造し、これを鍛造して多元合金ローターセクションを形成する方法の第３の代表的な実施形態の概略図である。
【００１５】
図７は、本明細書に開示されている、多元合金多セクション溶接タービンローターを製造する方法及びそれにより製造される溶接されたローターの第３の代表的な実施形態の概略図である。
【図１０】図８Ａ−８Ｄは、本明細書に開示されている、多元合金鍛造プリフォームを製造し、これを鍛造して多元合金ローターセクションを形成する方法の第４の代表的な実施形態の概略図である。
【図１１】図９Ａ−９Ｄは、本明細書に開示されている、多元合金鍛造プリフォームを製造し、これを鍛造して多元合金ローターセクションを形成する方法の第５の代表的な実施形態の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図面中で使用する術語のうち、一般に、下線を引いた要素は方法に関連して使用している。詳細な説明では、図面に関連した例を用いて本発明の実施形態を利点及び特徴と共に説明する。
【００１７】
代表的な多セクション（多数の部分からなる）多元合金溶接タービンローター構造体及びこれらのローターを代表的な鍛造された多元合金ローターセクションを利用して製造する方法が、かかるローターセクションを製造する代表的な方法と共に開示されている。図１Ａ、１Ｂ及び２Ａを参照すると、多元合金多セクション溶接タービンローター１０を製造する方法１００が開示されている。この方法１００は、モノリシック構造２２を有する鍛造された多元合金ローターセクション２０を形成すること１１０を含んでいる。多元合金ローターセクション２０は、第１の合金組成３２を有する第１の合金部分３０及び第２の合金組成４２を有する第２の合金部分４０を含んでいる。第１の合金部分３０及び第２の合金部分４０は、界面２３で画定される部分を有する一体構造からなる。第１の合金３０は多元合金ローターセクション２０の第１の端部３６に第１の溶接面３４をもっている。第２の合金４０は第１の端部３６と反対側の第２の端部４６に第２の溶接面４４をもっている。第１の合金組成３２は第２の合金組成４２と異なっている。第１の合金３０及び第２の合金４０は、本明細書に記載されているものを含めていかなる適切な合金であってもよい。
【００１８】
方法１００はまた、第１のローターセクション合金組成５２及び第１の溶接面３４に近接して配置されるように設定された溶接面５４を有する第１のローターセクション５０を形成すること１２０も含んでいる。第１のローターセクション合金組成５２は溶接面５４の近くで第１の合金組成３２と実質的に同一である。図１Ａ及び１Ｂに示した代表的な実施形態において、第１のローターセクション合金組成５２は溶接面５４の近くで第１の合金組成３２と同一であり、この実施形態の場合組成５２は第１のローターセクション５０全体で実質的に同じである。
【００１９】
方法１００はまた、第２のローターセクション合金組成６２及び第２の溶接面４４に近接して配置されるように設定された溶接面６４を有する第２のローターセクション６０を用意すること１３０も含んでいる。第２のローターセクション合金組成６２は溶接面６４の近くで第２の合金組成４２と実質的に同一である。図１Ａ及び１Ｂに示した代表的な実施形態において、第２のローターセクション合金組成６２は溶接面６４の近くで第２の合金組成４２と同一であり、この実施形態の場合組成６２は第２のローターセクション６０全体で実質的に同じである。
【００２０】
方法１００はまた、第１の溶接面３４と溶接面５４との間で溶接継手７０を形成することにより第１のローターセクション５０を多元合金ローターセクション２０に溶接すること１４０も含んでいる。溶接１４０には、任意の適切な溶接方法又は、類似の金属及び合金を接合する方法、特にＮｉ基、Ｆｅ基及びＣｏ基超合金、若しくはこれらの組合せを始めとする各種の超合金を接合するのに適した方法、並びに各種グレードのステンレス鋼を始めとする各種グレードの鋼を接合するのに適した方法が包含され得る。
【００２１】
方法１００はまた、第２の溶接面４４と溶接面６４との間に溶接継手８０を形成することにより第２のローターセクション６０を多元合金ローターセクション２０に溶接すること１５０も含んでいる。溶接１５０にも、任意の適切な溶接方法又は、類似の金属及び合金を接合する方法、特にＮｉ基、Ｆｅ基及びＣｏ基超合金、若しくはこれらの組合せを始めとする各種超合金を接合するのに適した方法、並びに各種グレードのステンレス鋼を始めとする各種グレードの鋼を接合するのに適した方法が包含され得る。溶接工程１４０及び溶接工程１５０は同じ溶接方法又は異なる溶接方法を利用することができる。１つの代表的な実施形態において、溶接１４０及び溶接１５０はいずれも、融接、例えばタングステン不活性ガス（ＴＩＧ）、サブマージアーク（ＳＡ）電子線（ＥＢ）、レーザー溶接又は溶接される材料のリフローが界面の近くに局在化される他の融接方法を含む。
【００２２】
１つの代表的な実施形態において、方法１００は、第１のローターセクションを溶接する１４０か又は第２のローターセクションを溶接する１５０前に鍛造された多元合金ローターセクション２０を機械加工すること１６０を含んでもよい。機械加工１６０を用いて、第１の端部３６及び第２の端部４６でセクション２０の中央の部分から材料を除去して、図示したような内側に凹んだ面を形成することができる。これらの位置における材料の除去は、第１の溶接面３４及び第２の溶接面４４の形成及び画定と併せて使用することもできる。また、これらの位置における材料の除去により、ハブの内部に望ましい隙間８２が提供され、溶接中溶接面３４及び４４全体がこれらに跨る溶接継手を形成するのに充分な程に近付き得る溶接１５０が可能になり、かつローターセクションの直径全体にわたる溶接部を形成する必要性が排除される。機械加工１６０には、あらゆる適切な形態の金属加工、例えば、ＣＮＣ機械加工、研磨などを始めとする溶接のための溶接面を調製するのに使用される方法が包含され得る。
【００２３】
方法１００はまた、第１のローターセクションを溶接する１４０か又は第２のローターセクションを溶接する１５０前に鍛造された多元合金ローターセクション２０を熱処理すること１７０を含んでいてもよい。熱処理には、第１の合金３０若しくは第２の合金４０、又はその両者の特性を作り出すのに望ましいあらゆる適切な熱処理が包含させ得る。これには、全溶体化（スーパーソルバス）熱処理、部分溶体化（サブソルバス）熱処理（すなわち、合金ミクロ組織の１つ又はその他を十分に再結晶させない）、時効化熱処理、相変態熱処理などが包含され得る。提供されるあらゆる熱処理１７０は、第１の合金３０及び第２の合金４０の両方の特性に与える影響を考慮しなければならない。熱処理１７０はまた、第１の合金３０及び第２の合金４０が異なる最高温度、異なる保持温度、加熱及び冷却速度などを始めとする異なる加熱及び冷却計画に付される様々な形態の差動熱処理も包含し得る。
【００２４】
本明細書に記載されているタービンローター１０構造体は特別に設計された鍛造された多元合金ローターセクション２０を使用する。すなわち、鍛造品の一方の端部の合金化学成分及び冶金学的特性が１つの合金組成（例えば  ＣｒＭｏＶ低合金鋼）を含み、鍛造品の他方の端部が第１の合金組成とは異なる第２の合金組成（例えばニッケル基超合金）を含む。かかる鍛造された多元合金ローターセクション２０は、各端部で同一の合金組成を有するモノリシック合金ローターセクションと溶接することにより有効に接合することができ、確立されている溶接手法に従って優れた低リスクで類似の合金組成溶接部を生成することができる。
【００２５】
方法１００により製造されるタービンローター１０はモノリシック又は差動熱処理を用いて熱処理することができ、この場合、１以上の多元合金セクション２０、又はモノリシックローターセクション５０、６０の熱処理条件（例えば、温度、時間、加熱速度、冷却速度、雰囲気）は、ローター１０内で所望のミクロ組織及び特性を達成するために、例えば、機械的強さ、強靱性など高めるために、他のセクションと、又は１つのセクション（例えば、多元合金セクション２０）内で異なる。
【００２６】
１つの重要な局面は、高温強度、クリープ、及び亀裂抵抗性を有する材料を使用する高温段と、より高い強度及び強靱性を有するがより低いクリープ抵抗性を有する材料を使用する相対的に低温の段との間のギャップを埋めるスペーサーとして、特別に設計された鍛造された多元合金セクション２０を使用することである。かかるスペーサー鍛造品を使用すると、本明細書に記載されたような異なる金属溶接継手を有する溶接されたローターで起こる問題を呈することがなく、以下の利点を有する類似の合金溶接継手が可能になる。先ず第一に、類似の合金溶融池の凝固範囲は異なる合金溶融池よりずっと狭いので、類似合金化学成分は確立されている溶接手法を用いて溶接部及び熱影響域（ＨＡＺ）の亀裂発生のリスクを伴うことなく互いに溶接することができる。第二に、類似の合金溶接継手内は熱膨張の不整合が比較的に低く、このためその継手部の熱的歪みが低くなるので、溶接部及びＨＡＺの亀裂発生のリスクが低くなる。第三に、類似の合金溶接部は複雑な望ましくない冶金学的相のリスクが比較的低く、従って長期のミクロ組織安定性が増大する。鍛造された多元合金ローターセクション２０はそれ自体がローターの作動セクションとして機能するが、ローターの長さに沿って類似の合金溶接継手の使用を可能にするスペーサー又は移行部材としても機能し、同様に本明細書に記載したような乏しい溶接性及び溶接特性を始めとする異なる合金溶接継手の使用に伴うある種の制限及び問題を回避する。第四に、このローターセクション構成によると、非常に高価であり大きいサイズで製造するのが困難であることが知られている大きいモノリシックローター鍛造品を使用するのではなくより小さいローターセクション鍛造品を用いて、必要なところにだけ高いコストの高温合金を使用することによってより低いコスト及び改良された生産性が得られる。本明細書に記載されているローター１０のもう１つ別の独特な局面は、様々な段のクリープ強度要件を生み出すために、ボア及びリム合金の割合及び組成、並びに軸方向の合金差を調整できる能力である。
【００２７】
これらのローター１０は、所望の機械的性質、溶接品質、生産性（より小さいセクションは一般にモノリシックローターより生産性が高い）、耐食性、全体の材料コスト（全体のローター１０ではなく必要な部分の１以上のセクション２０のみに高いコストの合金を使用）、及び所望の溶接継手（異なる合金溶接部ではなく類似の合金溶接部の使用）を提供するのに適当な大きさ及び合金組成又は化学成分の鍛造された多元合金セクション２０を用いて構築することができる。鍛造セクションの化学成分及びミクロ組織は、ローター段の温度能力及び特性必要条件を満たすように選択することができる。多元合金鍛造ローターセクション２０は、本明細書に記載されているいずれかのアプローチを用い、隣接するモノリシックセクション化学成分の割合を変動させて製造することができる。鍛造された多元合金セクション２０の端面の溶接継手は、ローターセクション２０の合金と実質的に同様又は同一の合金組成の隣接するモノリシック合金ローターセクションの類似の合金溶接部を用いて製造することができる。
【００２８】
図１Ａ〜９Ｄを参照して、鍛造された多元合金ローターセクション２０は、一般に本明細書中では鍛造というが、鍛造と共に、熱感圧延のような多元合金鍛造プリフォームを可塑的に変形するその他の方法を包含し得るあらゆる適切な形成方法によって製造することができる。例えば、一般に図１Ａ−１Ｂ及び３Ａ−３Ｉを参照して、これは、本明細書中でさらに記載されるように、粉末金属圧縮体の縦軸に沿って少なくとも軸方向に分離された少なくとも２種の異なる合金組成を様々な割合で含有する粉末金属圧縮体又はプリフォームから形成された特別に設計された多元合金ローターセクションの鍛造２２０を含み得る。この圧縮体は次いで、熱感静水圧プレス（ＨＩＰ）又は何らかの適切な粉末圧縮体圧密化法により圧密化して多元合金鍛造プリフォームを形成した後所望の形態に鍛造するか、或いは押し出し圧密化して鍛造プリフォームを形成した後所望の形態に鍛造することができる（図３Ａ−３Ｉ）。一般に図４Ａ−５Ｂを参照して、多元合金ローターセクション２０の鍛造はまた、半径方向に分離された（例えば、ボア及びリム領域）少なくとも２種の異なる合金を様々な割合で含有する特別に設計された多元合金粉末金属圧縮体の鍛造も含み得る。この圧縮体は次いで、ＨＩＰ又は何らかの適切な粉末圧縮体圧密化法により圧密化して鍛造プリフォーム３４０を形成し、所望の形態に鍛造するか、又は押し出して鍛造プリフォームを形成し、その後鍛造プリフォームの鍛造により鍛造された多元合金ローターセクション２０を形成することができる。一般に図６Ａ−７を参照すると、セクション２０の鍛造はまた、所定の組成上又は化学成分の傾斜を有する多元合金電極のＥＳＲ又はＶＡＲ融解により製造された多元合金ＥＳＲ又はＶＡＲインゴットを含むプリフォームの鍛造も含み得る。これらの電極は、ＨＩＰ若しくは他の適切な粉末圧縮体圧密化法により、又は多元合金鍛造プリフォームを形成するために所望の合金組成のロッドのようなプリフォームを摩擦溶接若しくは慣性溶接することにより形成された圧密化された粉末圧縮体を含み得、その後かかるプリフォームの鍛造により鍛造された多元合金ローターセクション２０を製造する。一般に図８Ａ−８Ｄを参照すると、セクション２０の鍛造はまた、第２の合金組成のプリフォームの上に第１の合金組成物を溶射成形するか、或いは第１の合金組成のプリフォームを溶射成形した後そのプリフォームの上に第２の合金組成物を溶射成形して多元合金鍛造プリフォームを生成することによって製造されたプリフォームを鍛造する方法７００も含み得、その後溶射成形されたプリフォームをＨＩＰにより圧密化し、かかるプリフォームを鍛造（又は圧延）して、鍛造された多元合金ローターセクション２０を形成する。一般に図９Ａ−９Ｄを参照すると、セクション２０の鍛造はまた、第１の合金組成の粉末を第２の合金組成のプリフォームに適用することにより、例えば１つの合金組成の層を（例えば、粒子をレーザー結合することにより）第２の合金組成のプリフォームの溶接継手面に適用することにより製造された鍛造プリフォームの鍛造９００も含み得、その後ＨＩＰにより粉末層を圧密化し多元合金鍛造プリフォームを形成した後、鍛造プリフォームの鍛造により鍛造された多元合金ローターセクション２０を形成する。鍛造された多元合金ローターセクションを形成する方法に使用する多元合金鍛造プリフォームを形成するためのこれらの方法を以下にさらに記載する。
【００２９】
再び図１Ａ及び１Ｂを参照して、多元合金多セクション溶接タービンローター１０は、モノリシックミクロ組織２２及び縦軸２４を有する鍛造された多元合金ローターセクション２０を有している。本明細書で使用する場合、モノリシックミクロ組織とは、多元合金ローターセクション２０がそれらの間に界面２３においてそれぞれの合金の構成成分の限定された相互混合により特徴付けられる一体となったミクロ組織を有するか、或いは２つの合金の間の移行ゾーンが局在化された歪みの集中を回避するために化学成分及びミクロ組織の制御された傾斜を提供するように調整することが可能であるという事実を指していう。界面２３は、第１の合金３０及び第２の合金４０の一方又は両方の融解及び再凝固により特徴付けられ、さらには融解／再凝固に独特なミクロ組織の形態学的特徴、例えばこれらのプロセスに関連する独特な相、特に上記のような低い融解温度相により特徴付けられるミクロ組織を有する溶接継手を含まない。図１Ａ及び１Ｂに示されているように、鍛造された多元合金ローターセクション２０は、円筒型のハブ２６及び、ハブ２６から外側へ突出している複数の軸方向に間隔をあけ軸方向に分離された円筒型のディスク２７、２８、２９を含むように構成され得る。図１Ａ及び１Ｂに示されているように、第１の合金部分３０と第２の合金部分４０は鍛造された多元合金ローターセクション２０に沿って軸方向に分離され得る。また、図１Ａ及び１Ｂに示されているように、第１の合金部分３０と第２の合金部分４０は縦軸２４に関しても半径方向に分離され得る。鍛造された多元合金ローターセクション２０のこれらの局面により、タービンローター１０に課される設計及び性能要件に関して必要とされる場合、異なる合金特性を有する合金を軸方向に間隔をあけて配置することができるという能力を含めて有利な設計自由度が得られる。例えば、ローター１０のＨＰセクション９０において、このセクションに使用される第１の合金３０又は第２の合金４０として選択される合金は高い作動温度における高強度、高温酸化に対する抵抗性、高温保持時間疲労亀裂抵抗性、高温の侵食及び腐食耐性などが必要とされ得る。同様に、作動温度が一般に幾らか低いＩＰセクション９２においては、ＩＰセクション９２の部分、又はこのセクションに位置するタービンディスクの最も外側の部分、例えば突出するディスク２８の最も外側の部分で、ＨＰセクションに関して上記した高温特性の幾つか又は全てを保持するのが望ましいであろう。また、ローター１０のコア部分すなわちハブ２６では、このセクションにおける増大した動的負荷（ダイナミックローディング）のため、より高い強靱性を提供するのが望ましいであろう。さらに、ＬＰセクション９４の場合、ローター１０のこのセクションにおける大幅に低い作動温度のため、上記の高温特性の要件は実質的に低下し得、一方、ローター１０のこのセクションに取り付けられるなお大きくてより重いタービンブレードに関連してローター１０のこのセクションでは動的負荷がさらに大きいため、このセクションはＨＰセクション９０及びＩＰセクション９２と比べて高まった強靱性を有するのが望ましいであろう。
【００３０】
鍛造された多元合金ローターセクション２０は鍛造されたミクロ組織を有する。鍛造されたミクロ組織は鍛造に特徴的な変形を含んでいる。
【００３１】
第１の合金３０と第２の合金４０は異なる合金構成成分、構成成分の相対量、異なる相若しくは異なるミクロ組織形態、又は以上の組合せのいずれかを有する異なる合金組成である。例えば、第１の合金３０又は第２の合金４０の一方はＮｉ基若しくはＦｅ基超合金、又はこれらの組合せを含み得、第１の合金３０又は第２の合金４０の他方はステンレス鋼のような鋼を含み得る。
【００３２】
ＬＰセクション９４合金として使用する第１の合金３０又は第２の合金４０の１つとして適した注目に値する商業用合金としては、様々な量のニッケル、クロム、モリブデン、バナジウム、化学成分又はその他の構成成分を含み、一般に表１に特定されているＮｉＣｒＭｏＶ型の低合金鋼がある。ＩＰセクション９２又はＨＰセクション９０として使用するのに適した合金としては、本明細書に記載されている種類の増大する高温特性を有する各種の合金、例えば従来のＣｒＭｏＶ低合金鋼、様々なレベルのＭｏ、Ｖ、Ｗ、Ｎｂ、Ｂ及びＮを有する９−１４Ｃｒ型ステンレス鋼合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金、又はＮｉ基超合金がある。ＬＰセクション９４に適した合金として次のものがある。
【００３３】
【表１】
2011074916.tif 000003
ＨＰ及び中間セクション９０及び９２として適した合金には次のものがある。
【００３４】
【表２】
2011074916.tif 000004
図２Ｂを参照して、鍛造された多元合金ローターセクション２０は、多元合金鍛造プリフォーム２１を形成し２１０、多元合金鍛造プリフォーム２１を鍛造して２２０鍛造された多元合金ローターセクション２０を形成することを含む方法２００により提供し得る。形成する工程２１０と鍛造する工程２２０は、図３Ａ−９Ｄに示され、以下にさらに記載する幾つかの代表的な実施形態を参照して理解され得る。
【００３５】
図３Ａ−３Ｉを参照して、１つの代表的な実施形態において、多元合金鍛造プリフォーム２１（図３Ｆ）を形成する工程２１０では、多元合金粉末プリフォーム３５０（図３Ｅ）を形成する工程３１０を含む方法３００を使用し得る。多元合金粉末プリフォーム３５０は、第１の合金組成３２を有する第１の金属粉末を含んでなる第１の部分３５２と、第２の合金組成４２を有する第２の金属粉末を含んでなる第２の部分３５６とを含んでいる。方法３００はまた、粉末プリフォーム３５０を圧密化して３２０、第１の合金組成３５４の粉末を焼結し密度を高めて第１の合金３０を形成し、また第２の合金組成３５８の粉末を焼結し密度を高めて第２の合金４０（図３Ｆ）を形成することも含んでおり、この第１の合金３０と第２の合金４０が多元合金鍛造プリフォーム２１を構成する。
【００３６】
図３Ａを参照して、第１の合金組成３２を有する第１の金属粉末の層を金属缶金属缶のような適切な容器３６４に入れる。この層は任意の適切な厚さを有することができる。図３Ｂを参照して、第１の管３６６を容器３６４内に挿入して、第２の合金組成４２の粉末を第１の管３６６の内部に、また第１の合金組成３２の粉末を管３６６の外側に分離して配置すると共に、これらの粉末部分の所定の大きさ及び位置を提供する。この容器３６４に、両方の合金粉末を第１の所定のレベル３６８まで充填する。第１の所定のレベル３６８に達したら、第１の管３６６を引き抜く。図３Ｃを参照して、第２の管３７０を容器３６４内に入れる。図示した実施形態において、第２の管３７０は第１の管３６６より大きい直径を有している。しかし、相対的な直径の大きさが逆転した他の実施形態も可能である。第１の管３６６と第２の管３７０の両方の中心を容器３６４の縦軸３７２と合わせて、粉末を容器３６４内で軸対称に配置することができる。この容器３６４に、再び両方の合金粉末を第２の所定のレベル３７４まで充填する。第２の所定のレベル３７４に達したら、第２の管３７０を引き抜く。このプロセスを様々な直径の任意の数の管を用いて繰り返して、２種の粉末の界面に所望の数の段を形成することができる。図３Ｄを参照して、第２の管３７０を引き抜いたら、容器３６４に再び第２の合金組成４２の粉末を充填する。容器３６４に充填したら、密封状態で容器３６４にカバー３７６を取り付け、容器３６４を、例えば密封管３７８を介して排気した後、図３Ｅに示されているように密閉することにより多元合金粉末プリフォーム３５０を形成する３１０。図３Ｅを参照して、排気した容器３６４と多元合金粉末プリフォーム３５０を圧密化して３２０、一定時間適切に加熱・加圧することにより、例えば、熱感静水圧プレス（ＨＩＰ）で押圧することにより、多元合金粉末プリフォーム３５０を焼結し十分又は理論密度まで緻密にする。その後、容器３６４を、機械加工のような化学的又は機械的方法を始めとする任意の適切な方法によって除去することにより、図３Ｆに示したような多元合金鍛造プリフォーム２１を形成する２１０ことができる（図２Ｂ）。多元合金鍛造プリフォーム２１（例えば、ビレット）は階段状の第２の合金４０の上に第１の合金３０の補完的な階段状の内部構造を有する。この構造により、多元合金鍛造プリフォーム２１内で第１の合金３２と第２の合金４２の軸方向（長手方向）と半径方向の両方向の分離が可能になる。
【００３７】
図３Ｆ及び３Ｇを参照して、多元合金鍛造プリフォーム２１を次いで適切な鍛造プレスで鍛造して２２０、鍛造された多元合金ローターセクション２０を形成することにより、変形及び塑性流れを引き起こし、結果として本明細書に記載される鍛造された多元合金ブランク３９０を得る。
【００３８】
鍛造２２０の後、鍛造された多元合金ブランク３９０はさらに仕上げ加工処理を受けてローターセクション２０を形成する。注目されるように、この構成により、第２の合金４０の可変の直径のコアを覆う第１の合金３０の可変の厚さの被覆が得られ、ここでカバーの厚さとコアの直径は反比例して変化する。また、例示した構成により、実質的に全部が第２の合金である一方の端部と実質的に全部が第１の合金である反対の端部も得られるが、他の構成も可能である。鍛造された多元合金ブランク３９０は次に、図３Ｈに示されているように、溶体化熱処理、部分溶体化熱処理、時効化熱処理、などのような熱処理２４０にかけて特性を引き出すことになろう。
【００３９】
図３Ｉを参照して、鍛造された多元合金ブランク３９０を機械加工２５０して、本明細書に記載されている特徴を有する第１の合金３０と第２の合金４０をもつ鍛造された多元合金ローターセクション２０を形成する。鍛造された多元合金ローターセクション２０は、縦軸２４に沿って軸方向に分離され、また縦軸２４に関して半径方向に分離された第１の合金３０と第２の合金４０を含んでいる。図１Ａ及び１Ｂを参照して、鍛造された多元合金ローターセクション２０は方法１００に従って本明細書に記載されている多セクション多元合金ローターを製造するのに使用することができる。第１の合金３０と第２の合金４０のこの構成は、ハブ２６（図１Ｂ）が実質的又は全体的に第２の合金４０からなり、突出ディスク２７、２８、２９がディスクの周辺の部分に様々な量と厚さの第１の合金３０を有する多元合金ローターセクション２０を提供するのに使用することができ、ここで厚さ（ｔ）はローターセクション２０の長さに沿って軸方向に変化する。この構成を使用して、例えば、ローターセクション２０のＨＰセクション９０及び端部に高温合金を配置すると共に、この合金の厚さをローターの長さに沿ってローターセクション２０のＬＰセクション９４及び反対側の端部に向かって低減することができる。
【００４０】
図４Ａ−４Ｊを参照して、第２の代表的な実施形態において、多元合金鍛造プリフォーム２１はまた、多元合金粉末プリフォーム３５０を形成する工程３１０を含む方法３００によって形成することもできる。多元合金粉末プリフォーム３５０は、第１の合金組成３２を有する第１の金属粉末を含んでなる第１の部分３５２と、第２の合金組成４２を有する第２の金属粉末を含んでなる第２の部分３５６とを含んでいる。方法３００はまた、粉末プリフォーム３５０を圧密化して３２０、第１の合金組成３２の粉末を焼結し緻密にして第１の合金３０を形成すると共に、第２の合金組成４２の粉末を焼結し緻密にして第２の合金４０を形成することも含んでおり、この第１の合金と第２の合金４０が多元合金鍛造プリフォーム２１を構成する。
【００４１】
図４Ａを参照して、第１の管３６６を容器３６４内に挿入して、第２の合金組成４２の粉末を第１の管３６６の内部に、また第１の合金組成３２の粉末を管３６６の外側に分離して配置すると共に、これらの粉末部分の所定の大きさと位置を定める。容器３６４に両方の合金粉末を充填し、第１の管３６６を引き抜く。第１の管３６６は容器３６４の縦軸３７２と中心を合わせて、粉末が容器３６４内で軸対称に配置されるようにすることができる。第１及び第２の合金粉末の軸対称の配置は、粉末が圧密化されたとき得られるローターセクションの長さに沿って軸３７２に対する第１の合金と第２の合金の慣性モーメントの回転のバランスを維持する点で有利である。容器３６４が充填されたら、金属蓋のようなカバー３７６を容器３６４に密封状態で取り付け、図４Ｂに示されているように密封管３７８を介するといったような何らかの適切な排気手段を用いて排気した後密閉することにより多元合金粉末プリフォーム３５０を形成する３１０。図４Ｃを参照して、排気した容器３６４と多元合金粉末プリフォーム３５０を圧密化し３２０て、一定の時間適切に加熱・加圧することにより、例えば熱感静水圧プレス（ＨＩＰ）でプレスすることにより、粉末プリフォーム３５０を焼結し十分な又は理論密度に密度を高めて多元合金鍛造プリフォーム２１（図４Ｅ）を形成する。多元合金鍛造プリフォーム２１は、第２の合金４０の円筒を覆う第１の合金３０の環状のリングを含む構造を有している。この構造により、多元合金鍛造プリフォーム２１内の第１の合金３０と第２の合金４０の半径方向の分離が提供される。或いは、図４Ｄを参照して、多元合金鍛造プリフォーム２１は、第１の合金組成３２の粉末と第２の合金組成４２の粉末を、粉末が圧密化され押出物が形成されるのに充分な温度で押出ダイ３６５に通して矢印３５９で示される方向に押し出すことによって形成してもよい。この押出物は切断して多元合金鍛造プリフォーム２１を形成することができる。
【００４２】
図４Ｄ−４Ｆを参照して、多元合金鍛造プリフォーム２１を次に適切な鍛造プレスで鍛造する２２０ことにより、変形と塑性流れを起こさせ、結果として鍛造されたミクロ組織を得る。
【００４３】
鍛造２２０の後、鍛造された多元合金ブランク３９０をさらに仕上げ加工処理にかけて本明細書に記載されているローターセクション２０を形成する。第１の合金３０と第２の合金４０が圧縮されると、第２の合金４０の均一な円筒と第１の合金３０の環状のリングは外側へ変形し、他の合金の一体型の外側へ膨らんだ円筒を覆って一方の合金の外側へ膨らんだ層又はシェルを形成する。注目されるように、この構造により、第２の合金４０の可変の直径のコアを覆う第１の合金３０の均一な厚さの被覆が得られ、ここでコアの直径は両端における概略同じ直径からコアの中央の領域におけるより大きい直径へと増大し、一方被覆はコアの周辺全体で均一な厚さを維持する。鍛造された多元合金ブランク３９０は場合により、本明細書に記載され、図４Ｇに示されているように、溶体化熱処理、部分溶体化熱処理、時効化熱処理、等、又はこれらの組合せのような熱処理２４０にかけてその特性を引き出すことができる。図４Ｈ、或いは図４Ｉ及び４Ｊを参照して、鍛造された多元合金ブランク３９０を機械加工して２５０、本明細書に記載されている特徴を有する鍛造された多元合金ローターセクション２０を形成する。鍛造された多元合金ローターセクション２０は縦軸２４に沿って半径方向に分離された第１の合金３０と第２の合金４０を含んでいる。鍛造された多元合金ローターセクション２０は、本明細書に記載されている多セクション多元合金ローター１０を製造するのに使用することができる。この第１の合金と第２の合金の構成を使用して、ハブ２６（図１Ｂ）が実質的又は全体的に第２の合金４０からなり、１以上の突出ディスクがディスクの周辺の部分で第１の合金３０の均一な厚さを有し、その厚さ（ｔ）がローターセクション２０の長さに沿って軸方向に変化するような多元合金ローターセクション２０を提供することができる。この構造体は、例えば、ローターセクション２０のＨＰセクション及び高温の端部に高温合金を配置し、この合金の厚さをローターの長さに沿ってローターセクション２０のＬＰセクション及び反対側（比較的に低い温度）の端部に向かって低減するのに使用することができる。図４Ｉ及び４Ｊに示されているように、機械加工２５０を用いて、本明細書に記載されている目的のために例示されている内側に凹んだ面のように、第１の端部３６及び第２の端部４６でセクション２０の中央の部分から材料を除去することもできる。鍛造された多元合金ローターセクション２０を使用して、本明細書に記載されている多セクション多元合金ローター１０を製造することができる。
【００４４】
図５Ａ及び５Ｂを参照すると、多元合金多セクション溶接タービンローター１０を製造する第２の代表的な実施形態の方法４００が開示されている。この方法４００は、各々がモノリシック構造２２．１及び２２．２を有する複数の鍛造された多元合金ローターセクション２０．１及び２０．２を用意する工程４１０を含んでいる。多元合金ローターセクション２０．１は第１の合金組成３２．１を有する第１の合金３０．１部分と第２の合金組成４２．１を有する第２の合金４０．１部分とを含んでいる。第２の合金４０．１部分は多元合金ローターセクション２０．１の第１の端部３６．１に第１の溶接面３４．１を含んでいる。第２の合金４０．１は第１の端部３６．１と反対側の第２の端部４６．１に第２の溶接面４４．１を含んでいる。第１の合金組成３２．１は第２の合金組成４２．１とは異なっており、本明細書に記載されているものを含めていかなる適切なローター合金も含み得る。
【００４５】
多元合金ローターセクション２０．２は第１の合金組成３２．２を有する第１の合金３０．２部分と第２の合金組成４２．２を有する第２の合金４０．２部分とを含んでいる。第２の合金４０．２は多元合金ローターセクション２０．２の第１の端部３６．２に第１の溶接面３４．２を含んでいる。第１の合金３０．２は第１の端部３６．２と反対側の第２の端部４６．２に第２の溶接面４４．２を含んでいる。第１の合金組成３２．２は第２の合金組成４２．２とは異なっており、本明細書に記載されているものを含めていかなる適切な合金も含み得る。第１の合金３０．１と第１の合金３０．２は同じ合金組成とミクロ組織形態又は異なる合金組成とミクロ組織形態を任意の組合せで有し得るが、第２の合金組成４２．１と第２の合金組成４２．２はそれらの間の異なる合金溶接継手の形成を回避するために実質的に同一であるべきである。図５Ａを参照して、第２の合金組成４２．１と第２の合金組成４２．２は実質的に同一でなければならないが、それぞれセクション２０．１及び２０．２における第２の合金組成４２．１及び第２の合金組成４２．２の相対量は異なっていてもよい。例えば、鍛造された多元合金ローターセクション２０．１においては、ハブ２６．１全体と突出ディスクの一部分が第２の合金組成４２．１から形成されているが、鍛造された多元合金ローターセクション２０．２では、ハブ２６．２の一部分のみが第２の合金組成４２．２から形成され、突出ディスクは全くそうなっていない。少なくとも２つの多元合金ローターセクション２０．１、２０．２の組合せにより、第１の合金３０．１及び３０．２の厚さ（ｔ）は異なることができる（例えば、図５Ｂ）。この構成により、有利なことに、第１の合金３０．１及び第１の合金３０．２の厚さをローター１０の長さに沿って変えることが可能になる。さらに、この構成によって、有利なことに、同様な合金溶接部の使用を維持しながら、第１の合金組成３２．１を第１の合金組成３２．２と異なるものとすることも可能になるであろう。
【００４６】
方法４００はまた、第１のローターセクション合金組成５２及び第１の溶接面３４．１に近接して配置されるように構成された溶接面５４を有する第１のローターセクション５０を用意すること４２０も含んでいる。第１のローターセクション合金組成５２は溶接面５４に近接する第２の合金組成４２．１と実質的に同じである。図５Ａ及び５Ｂに示されている代表的な実施形態において、第１のローターセクション合金組成５２は溶接面５４に近接する第２の合金組成４２．１と実質的に同じであり、この実施形態において、組成５２は第１のローターセクション５０全体で実質的同一である。
【００４７】
方法４００はまた、第２のローターセクション合金組成６２及び第２の溶接面４４．２に近接して配置されるように設定された溶接面６４を有する第２のローターセクション６０を用意すること４３０も含んでいる。第２のローターセクション合金組成６２は溶接面６４に近接する第２の合金組成４２．２と実質的に同じである。図５Ａ及び５Ｂに示されている代表的な実施形態において、第２のローターセクション合金組成６２は溶接面６４に近接する第２の合金組成４２．２と実質的に同一であるべきであり、この実施形態において組成６２は第２のローターセクション６０全体で実質的に同一である。
【００４８】
方法４００はまた、第１のローターセクション５０を鍛造された多元合金ローターセクション２０．１に溶接して４４０、同様な合金溶接部７０を形成することも含んでいる。第１の溶接面３４。溶接４４０は、任意の適切な溶接方法又は類似の金属及び合金を接合するための方法、特にＮｉ基、Ｆｅ基及びＣｏ基超合金、又はこれらの組合せを始めとする各種の超合金を接合するのに適切なもの、並びに各種のグレードのステンレス鋼を始めとする各種のグレードの鋼を接合するのに適切なものを包含し得る。
【００４９】
方法４００はまた、第２のローターセクション６０を鍛造された多元合金ローターセクション２０．２に溶接して４５０、第２の溶接面４４．２に沿って類似の合金溶接部８０を形成することも含んでいる。溶接４５０はまた、任意の適切な溶接方法又は類似の金属及び合金を接合する方法、特にＮｉ基若しくはＦｅ基超合金、又はこれらの組合せを始めとする各種の超合金を接合するのに適したもの、及び各種グレードのステンレス鋼を始めとする各種グレードの鋼を接合するのに適切なものを包含し得る。溶接工程４４０及び溶接工程４５０は同じ溶接方法又は異なる溶接方法を利用することができる。１つの代表的な実施形態において、溶接４４０及び溶接４５０には、本明細書に記載されている融接の形態が包含され得る。
【００５０】
方法４００はまた、第２の溶接面４４．１を第１の溶接面３４．２に溶接して類似の合金溶接部７５を形成することによって第１の多元合金ローターセクション２０．１を第２の多元ローター合金セクション２０．２に溶接する工程４６０も含んでいる。溶接４６０はまた、任意の適切な溶接方法又は類似の金属及び合金を接合する方法、特にＮｉ基若しくはＦｅ基超合金、又はこれらの組合せを始めとする各種の超合金を接合するのに適したもの、及び各種グレードのステンレス鋼を始めとする各種グレードの鋼を接合するのに適したものを包含し得る。溶接工程４４０、溶接工程４５０及び溶接工程４６０は本明細書に記載されている融接の形態を包含し得る。
【００５１】
本明細書に記載されているタービンローター１０構造体は、鍛造品の一方の端部における合金化学成分及び冶金学的特性が１つの合金組成（例えばＣｒＭｏＶ低合金鋼）を含み、一方鍛造品の他方の端部が第１の合金組成と異なる第２の合金組成（例えばニッケル基超合金）を含む特別に設計された鍛造された多元合金ローターセクション２０を使用する。かかる鍛造された多元合金ローターセクション２０は、各端部で類似の、又は同じ合金組成を有するモノリシック合金ローターセクションに溶接することにより効果的に接合し、確立されている最良の溶接手法に従って製造される優れた低リスクで類似の合金組成溶接部を与えることができる。
【００５２】
図６Ａ−６Ｆを参照すると、別の代表的な実施形態において、多元合金鍛造プリフォーム２１はまた、電極軸５２４を有する多元合金電極５１２を用意する工程５１０を含む方法５００によって形成することもできる。多元合金電極５１２は、第２の合金組成４２を有する第２の合金４０を含んでなる軸方向に分離された第２の電極部分５１６に接合された第１の合金組成３２を有する第１の合金３０を含んでなる第１の電極部分５１４を有する。方法５００はまた、多元合金電極５１２を融解して５２０多元合金鍛造プリフォーム２１を形成する工程も含んでいる。
【００５３】
図６Ａを参照して、多元合金電極５１２は、第１の合金組成３２を有する第１の合金３０の円筒型のバー又はロッドのような第１の合金の第１の電極部分５１４と、第２の合金組成４２を有する第２の合金４０の円筒型のバー又はロッドのような第２の電極部分５１６とを接合することによって提供する５１０ことができる。第１の合金３０と第２の合金４０の接合は、例えば、摩擦溶接又は様々な形態のアーク溶接のようなあらゆる適切な接合方法を包含し得る。或いは、多元合金電極５１２は、第１の合金組成３２を有する第１の電極粉末部分と第２の合金組成４２を有する第２の電極粉末部分とを含む本明細書に記載されている粉末プリフォームを形成し、この粉末プリフォームを圧密化して、第１の合金組成３２の第１の粉末部分を、また第２の合金組成４２の第２の粉末部分を焼結し緻密にして第１の合金３０を形成し、また第２の合金４０を形成することによって提供する５１０ことができ、これらの合金が共に多元合金電極５１２を形成する。図６Ａに示されている実施形態においては、図５Ａに示されているように第１の電極部分５１４と第２の電極部分５１６との間に平面の界面のようなはっきりと線引きされた界面５１８がある。図３Ａ−３Ｆを参照して上記した多元合金粉末プリフォームを形成し、この粉末プリフォームを圧密化して多元合金鍛造プリフォームを形成する方法を使用しても多元合金電極を形成することができるが、但し、粉末プリフォームは図３Ａ−３Ｆの階段状の構造ではなく２つの別個の軸方向に分離された部分を有する。もう１つ別の代表的な実施形態（図示してない）において、粉末プリフォームは、界面５１８ではなく、第１の電極粉末部分と第２の電極粉末部分との間に位置する所定の合金組成を含む移行粉末部分を含むこともできる。１つの代表的な実施形態において、所定の合金組成は、第１の合金組成３２を有する第１の電極粉末と第２の合金組成４２を有する第２の電極粉末との混合物として得ることができる組成を含み得、第１又は第２の合金組成の一方が０−１００重量％の範囲であり得、残りの他の合金組成は１００％にするのに必要な差である。移行粉末部分はいかなる所定の合金組成を有していてもよく、またいかなる適切な厚さを有していてもよく、第１の粉末部分の第１の界面及び第２の粉末部分の第２の界面は直交平面形状、及びあらゆる湾曲した形状を含めて任意の適切な形状でよく、軸に関して軸対称の界面形状が本明細書に記載されている理由から好ましい。圧密化の際、移行粉末部分は圧密化されて所定の合金組成を有する移行合金を形成する。第１の合金組成３２及び第２の合金組成４２として適切な合金組成は上記のものである。移行合金として適切な所定の移行合金組成としては、第１の合金組成３２及び第２の合金組成４２として記載したものの中間の構成成分量を有する組成がある。
【００５４】
図６Ｂを参照して、方法５００はまた、多元合金電極５１２を融解５２０して多元合金鍛造プリフォーム２１を形成することも含んでいる。融解５２０は任意の適切な方法を用いて実施することができる。適切な方法は一般に第１の合金組成３２と第２の合金組成４２の違いを保持する。
【００５５】
融解５２０に適切な方法は、鋳造技術、好ましくは消耗電極再融解技術、例えばエレクトロスラグ再融解（ＥＳＲ）又は真空アーク再融解（ＶＡＲ）及び類似の融解方法を使用することを含む。従来のＥＳＲ又はＶＡＲ技術と同様に、図６Ｂは、冷却したるつぼ５３２に収容された溶融池５２８の上に吊り下げられた電極５１２を示している。融解中、電極５１２の融解した液滴が凝固して、軸方向の長さに沿って第１の合金３０、中間の合金５３６及び第２の合金４０に対応する別々の領域を有する鍛造プリフォーム２１を生成する。或いは、各々の合金の別個の部材を個別にそして順に融解させて鍛造プリフォーム２１を形成することができよう。この方法が図６Ｂに示されているが、第１の合金３０と第２の合金４０の順序は図示したものと逆転させることができよう。第１の合金３０、中間の合金５３６及び第２の合金４０は鍛造プリフォーム２１の対応するＨＰ、中間及びＬＰ領域を形成するのに適当な長さを有する。鍛造プリフォーム２１の中間の合金５３６は第１の合金３０と第２の合金４０の間の移行ゾーン５３８である。多元合金電極５１２が上記の移行合金を含んでいるか否かに関わらず、本質的に融解プロセス中の第１の合金３０と第２の合金４０の相互混合の結果として中間の合金５３６が形成される。多元合金電極５１２が移行合金を含むように形成されると、中間の合金５３６を制御された中間の合金組成５４０又はある範囲の組成を有するように配合して、インゴット５３４及び鍛造プリフォーム２１内の移行ゾーン５３８の化学成分の傾斜（すなわち、第１の合金３０と第２の合金４０のみの融解及び相互混合の結果とは異なる合金組成）及び／又は幅を制御することができる。移行ゾーン５３８は、溶融池５２８の形状に対応するが、鍛造プリフォーム２１軸５２４に関してある程度非対称であることができる軸方向の境界を有する形状を有し得る。
【００５６】
図６Ｄを参照して、鍛造２２０の際、第１の合金３０、中間の合金５３６及び第２の合金４０は鍛造された多元合金ローターセクション２０（図６Ｅ）の対応する部分を画定し、図６Ｅに示されているように熱処理することができる。図６Ｆを参照して、多元合金ローターセクション２０は、本明細書に記載されているように、ネット若しくは最終の形状又はニアネット若しくはほぼ最終の形状（例えば、図６Ｆ）に鍛造してもよいし、又は所望の形状に機械加工してもよい。
【００５７】
図７を参照して、鍛造された多元合金ローターセクション２０を使用して、本明細書に記載されている方法１００に従って溶接された多元合金多セクションローター１０を製造することができる。従って、鍛造された多元合金ローターセクション２０及びそれから製造される溶接されたローター１０は、第１の合金３０と第２の合金４０のミクロ組織の間に鋭い境界又は線引きではなく自身の鍛造されたミクロ組織を有する中間の合金５３６及び移行ゾーン５３８及び中間の合金組成５４０を含む。
【００５８】
引張強さ、破壊靱性、破壊強度、クリープ疲労、熱安定性、及び高い工程能力（反復可能性及び再現性）、並びにコスト目標のようなセクション２０に所望の性質を実現するためには、鍛造された多元合金ローターセクション２０の異なるＨＰ、ＩＰ及びＬＰセクションに対して様々な特性が要求される。例えば、図１Ｅを参照して、ローターに所望の機械的性質を達成するために、鍛造されたローターセクション２０の多元合金の化学成分は、機械加工の前の差動熱処理が望ましくなるように異なる熱処理温度及び持続時間が必要となるほど充分に異なるのが適当である。このために、多数の温度ゾーンを有する炉（図示してない）を用いて、ローターセクション鍛造品２０の各々の領域９０、９２及び９４に適当な熱処理温度を提供することができる。熱処理は、特定の合金の溶体化又はオーステナイト化処理及び時効化又は焼き戻し処理の両方に対して異なる温度を含み得る。溶体化又はオーステナイト化温度からの差動冷却も好ましく使用される。有害な析出反応を回避し、及び／又は強靱性を高めるべく、十分なセクション硬化を達成するために急冷を使用することができる。徐冷を使用して、熱応力を低減し、焼き割れのリスクを低下させることができる。ローターセクション鍛造品２０に適した特定の温度、持続時間、並びに加熱及び冷却速度は使用する材料に依存し、かかる熱処理パラメーターは一般に当業者の能力の範囲内である。
【００５９】
上記のようにモノリシック多元合金ローターセクション２０製造でき、多元合金溶接ローター１０を提供できることで、他の場合に第１の合金と第２の合金の別個のセクションを接合するのに必要とされる異なる合金の溶接に関連する欠点が排除される。
【００６０】
図８Ａ−８Ｄを参照すると、別の代表的な実施形態において、多元合金鍛造プリフォーム２１はまた、第１の合金組成３２を有する第１の合金３０の層７１２を、第２の合金組成４２を有する第２の合金４０のプリフォーム７１４の上に溶射成形する７１０（図８Ａ）ことを含む方法７００によって形成することもできる。溶射成形７１０は、可動のスプレーノズル７１５、或いは固定ノズルとプリフォーム７１４が配置された可動のテーブル若しくはベッド（図示してない）とを用いて、融解した第１の合金３０のスプレー７１３を吹き付けることによって実施することができる。或いは、複数の層７１２、７１２．１、７１２．２…７１２．ｎを使用してもよく、これらは同じ合金組成でもよいし、又は複数の異なる（例えば、３２、３２．１、３２．２…３２．ｎ）合金組成で、それにより複数の異なる合金（例えば、３０、３０．１、３０．２…３０．ｎ）を形成するようにしてもよい。さらに、第１の合金３０と第２の合金４０の役割を逆転させて（図示してない）、方法７００が第２の合金組成４２を有する第２の合金４０の層を、第１の合金組成３２を有する第１の合金３０を含むプリフォームの上に溶射成形することを含むようにすることができる。層７１２は、例えば、プリフォーム７１４の溶接面となる一部分に設けた層を含んでいてもよい。層７１２は十分又は理論密度未満であり得るので、方法７００は層７１２を圧密化する７２０（図８Ｂ）ことを含んでいてもよい。圧密化には、溶射された合金層を圧密化する任意の適切な方法、例えば溶射成形された層をＨＩＰを用いて圧密化して鍛造プリフォーム２１を形成する方法を含み得る。鍛造プリフォーム２１は、鍛造２２０（図８Ｃ）（又は圧延）にかけて鍛造された多元合金ローターセクション２０（図８Ｄ）を形成してもよい。鍛造された多元合金ローターセクション２０はまた熱処理して、本明細書に記載されているように、冶金学的、機械的又は化学的性質を任意の組合せで引き出すこともできる。
【００６１】
図９Ａ−９Ｄを参照すると、もう１つ別の代表的な実施形態において、多元合金鍛造プリフォーム２１はまた、例えば、可動のスプレーノズル９１５を介して、第１の合金組成３２を有する第１の合金３０の粉末９１３の層９１２、又は複数の層を、第２の合金組成４２を有する第２の合金４０のプリフォーム９１４の上に溶射することにより、適用する９１０（図９Ａ）ことを含む方法９００によって形成することもできる。粉末９１３の層９１２は可動のレーザー９１７を使用して融解させることにより圧密化することができる。或いは、プリフォーム９１４が可動であってもよいし、スプレーノズル及びレーザー９１７の一方又は両方を固定してもよい。或いはまた、複数の層９１２、９１２．１、９１２．２…９１２．Ｎを使用してもよく、これらは同じ合金組成でもよいし、又は複数の異なる（例えば、３２、３２．１、３２．２…３２．Ｎ）合金組成でもよく、これにより複数の異なる合金（例えば、３０、３０．１、３０．２…３０．Ｎを形成するようにしてもよい。さらに、また或いは、第１の合金３０と第２の合金４０の役割を逆転させて（図示してない）、方法９００が第２の合金組成４２を有する第２の合金４０の層を第１の合金組成３２を有する第１の合金３０を含むプリフォームの上に溶射成形することを含むようにすることができる。層９１２は、例えば、プリフォーム９１４の溶接面となる部分に設けられた層を含んでいてもよい。層９１２は十分又は理論密度未満であり得るので、方法９００はまた層９１２を圧密化する９２０（図９Ｂ）ことを含み得る。圧密化９２０は、例えば溶射成形された層をＨＩＰを用いて圧密化して鍛造プリフォーム２１を形成するといったような、溶融粉末粒子合金層９１２を圧密化する任意の適切な方法を含み得る。鍛造プリフォーム２１は、鍛造プリフォーム２１の鍛造２２０（図９Ｃ）（又は圧延）にかけて鍛造された多元合金ローターセクション２０（図９Ｄ）を形成することができる。鍛造された多元合金ローターセクション２０はまた、本明細書に記載されているように熱処理して、冶金学的、機械的若しくは化学的性質を任意の組合せで引き出すこともできる。
【００６２】
限定された数の実施形態に関してのみ本発明を詳細に説明して来たが、本発明がかかる開示された実施形態に限定されないことは容易に理解されるであろう。むしろ、本発明は、記載しなかったが本発明の思想と範囲内に入る任意の数の変形、変更、置換又は均等物を含むように修正することができる。さらに、本発明の様々な実施形態を記載したが、本発明の局面は記載した実施形態の幾つかのみを含み得るものと了解されたい。従って、本発明は以上の説明に限定されることはなく、特許請求の範囲によってのみ限定される。
【符号の説明】
【００６３】
１０     タービンローター
２０     合金ローターセクション
２１     合金鍛造プリフォーム
２２     モノリシックミクロ組織
２３     界面
２４     縦軸
２６     円筒型のハブ
２７     突出ディスク
３０     第１の合金部分
３２     第１の合金組成
３４     第１の溶接面
３６     第１の端部
４０     第２の合金
４２     第２の合金組成
４４     第２の溶接面
４６     第２の端部
５０     第１のローターセクション
５２     セクション合金組成
５４     溶接面
６０     第２のローターセクション
６２     セクション合金組成
６４     溶接面
７０     溶接継手
７５     類似の合金溶接部
８０     溶接継手
８２     望ましい隙間
９０     ＨＰセクション
９２     ＩＰセクション
９４     ＬＰセクション
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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