(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンブレード用予備成形体を熱間鍛造し、翼部と根部とを有するタービンブレード用素材を製造するために用いられる熱間鍛造用金型において、
前記タービンブレード用予備成形体は、鍛造されて翼部になる部分と根部になる部分とが一体に成形された本体部を有し、前記本体部の軸方向の両端部にはそれぞれ軸方向に突出する突起部を備え、
前記熱間鍛造用金型は、前記両端部の突起部を収納して前記タービンブレード用予備成形体を位置決めする突起収納部を備え、
前記突起収納部が前記熱間鍛造用金型に脱着可能な別部品であり、
前記タービンブレード用予備成形体の突起部と前記突起収納部の底面とは非接触である
ことを特徴とする熱間鍛造用金型。
【請求項２】
前記タービンブレード用予備成形体の突起部と前記突起収納部側面との間には、０．８〜２ｍｍの隙間が形成される間隔を有することを特徴とする請求項１に記載の熱間鍛造用金型。
【請求項３】
前記タービンブレード用予備成形体の突起部と前記突起収納部の底面との間には、５ｍｍ以上の隙間が形成される間隔を有することを特徴とする請求項２に記載の熱間鍛造用金型。
【請求項４】
タービンブレード用予備成形体を熱間鍛造し、翼部と根部とを有するタービンブレード用素材を製造する熱間鍛造方法において、
鍛造されて翼部になる部分と根部になる部分とが一体に成形された本体部と、前記本体部の軸方向の両端部にそれぞれ軸方向に突出する突起部と、を備えるタービンブレード用予備成形体を準備する工程と、
前記タービンブレード用予備成形体の突起部を収納して前記タービンブレード用予備成形体を位置決めする突起収納部を備えた熱間鍛造用下金型を準備する工程と、
前記熱間鍛造用下金型とともに前記タービンブレード用予備成形体を熱間鍛造する熱間鍛造用上金型を準備する工程と、
前記突起収納部に前記突起部を収納させて、前記熱間鍛造用下金型に前記タービンブレード用予備成形体を配置し、その後前記熱間鍛造用下金型と前記熱間鍛造用上金型とにより、前記タービンブレード用素材を熱間鍛造する工程と、を備え、
前記突起収納部が前記熱間鍛造用下金型に脱着可能な別部品であり、
前記タービンブレード用予備成形体の突起部と前記突起収納部の底面とは非接触である
ことを特徴とする熱間鍛造方法。
【請求項５】
前記タービンブレード用予備成形体の突起部と前記突起収納部側面との間には、０．８〜２ｍｍの隙間が形成される間隔を有することを特徴とする請求項４に記載の熱間鍛造方法。
【請求項６】
前記タービンブレード用予備成形体の突起部と前記突起収納部の底面との間には、５ｍｍ以上の隙間が形成される間隔を有することを特徴とする請求項５に記載の熱間鍛造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱間鍛造にてタービンブレード用素材を製造する際に用いる熱間鍛造用金型及びそれを用いた熱間鍛造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、蒸気タービンの高効率化の要請により、蒸気タービンに用いられるタービンブレードも長尺化してきている。約１５００ｍｍを超える長尺のタービンブレード用素材を製造する場合では、素材を上型と下型の間に挟み込んで、大型のプレス鍛造でタービンブレード用素材に成形する方法が主流である。
この大型タービンブレードを製造する方法として、例えば、特開昭６３−２４１１１８号公報（特許文献１）に開示されているような、三次元形状に複雑に捩れた大型タービン翼を鍛造により製造する方法において、翼根から翼先端に亘って水平状態を維持したまま型鍛造し、該型鍛造終了後タービン翼に所要の捩り加工を施し、かかる状態下において強制拘束矯正を行った後拘束状態で熱処理する大型タービン翼の製造方法の発明がある。
また、タービンブレード用予備成形体に着目した発明としては、例えば、特開平２−８０１４９号公報（特許文献２）に開示されているような、単純形状の素材を用い、翼部はダイスにより、一方、翼根部は密閉金型内に前後方押出により成形し、かつ、さらにつば部を据え込みにより成形するタービンブレード用予備成形体の成形方法の発明がある。
【０００３】
上述した特許文献１に記載の方法では、捩り加工という特殊な加工が必要であり、加工の工数が増えることから経済的ではない。効率よくブレード用素材を熱間鍛造で得ようとするのであれば、ニアネット形状の金型を用いて熱間鍛造を行うのが有利である。しかし、特許文献２で示されるようなタービンブレード用予備成形体では、金型にタービンブレード用予備成形体を載置した際に位置決めを行う手段がないことから、ニアネット形状の金型を用いて熱間鍛造すると位置ずれを起こして欠肉等の欠陥を生じるおそれがある。また、この欠肉を防止するにはタービンブレード用予備成形体の重量を大きくする方法もあるが、歩留まりが悪くなるだけでなく、熱間鍛造時の荷重も大きくなってしまう。
この問題を解決し、大型タービンブレードを製造する方法として、例えば、国際公開ＷＯ２０１５／０５００１３パンフレット（特許文献３）に開示されるように、予備成形体の両端部に突起部を設け、その突起部を熱間鍛造用金型に形成された位置決め溝部に挿入して熱間鍛造する方法の発明がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６３−２４１１１８号公報
【特許文献２】特開平２−８０１４９号公報
【特許文献３】国際公開ＷＯ２０１５／０５００１３パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した特許文献３に示す方法は、大型熱間鍛造機を用いて大型の製品を製造するのに好適な方法であり、数万トンの荷重で、しかも、１ブローで大型タービンブレードを製造することが可能である。
ところで、今後益々タービンブレードは大型化することが予想される。その場合、特許文献３に示される方法では、位置決め溝部が熱間鍛造用金型に形成されるため、突起部の寸法が変化することが予想されるが、熱間鍛造用金型に直接溝部を形成する方法では、その溝部に応じた加工が必要となる。
本発明の目的は、高い生産性を維持しながら、より大型のタービンブレードにも適応可能で、より確実に欠陥の無い大型鍛造品を得ることができる熱間鍛造用金型とそれを用いた熱間鍛造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものである。
すなわち本発明は、タービンブレード用予備成形体を熱間鍛造し、翼部と根部とを有するタービンブレード用素材を製造するために用いられる熱間鍛造用金型において、前記タービンブレード用予備成形体は、鍛造されて翼部になる部分と根部になる部分とが一体に成形された本体部を有し、前記本体部の軸方向の両端部にはそれぞれ軸方向に突出する突起部を備え、前記熱間鍛造用金型は、前記両端部の突起部を収納して前記タービンブレード用予備成形体を位置決めする突起収納部を備え、前記突起収納部が前記熱間鍛造用金型に脱着可能な別部品であり、前記タービンブレード用予備成形体の突起部と前記突起収納部の底面とは非接触である熱間鍛造用金型である。
前記熱間鍛造用金型は、前記タービンブレード用予備成形体の突起部と前記突起収納部
側面との間には、０．８〜２ｍｍの隙間が形成される間隔を有することが好ましく、突起
部と前記突起収納部の底面との間には、５ｍｍ以上の隙間が形成される間隔を有すること
が更に好ましい。
また、本発明は、タービンブレード用予備成形体を熱間鍛造し、翼部と根部とを有する
タービンブレード用素材を製造する熱間鍛造方法において、鍛造されて翼部になる部分と
根部になる部分とが一体に成形された本体部と、前記本体部の軸方向の両端部にそれぞれ
軸方向に突出する突起部と、を備えるタービンブレード用予備成形体を準備する工程と、
前記タービンブレード用予備成形体の突起部を収納して前記タービンブレード用予備成形
体を位置決めする突起収納部を備えた熱間鍛造用下金型を準備する工程と、前記熱間鍛造
用下金型とともに前記タービンブレード用予備成形体を熱間鍛造する熱間鍛造用上金型を
準備する工程と、前記突起収納部に前記突起部を収納させて、前記熱間鍛造用下金型に前
記タービンブレード用予備成形体を配置し、その後前記熱間鍛造用下金型と前記熱間鍛造
用上金型とにより、前記タービンブレード用素材を熱間鍛造する工程と、を備え、前記突
起収納部が前記熱間鍛造用下金型に脱着可能な別部品であり、前記タービンブレード用予備成形体の突起部と前記突起収納部の底面とは非接触である熱間鍛造方法である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、予備成形体の突起部の寸法が変化しても、一部の部品の交換により対応することが可能で、更に、より確実に欠陥の無い大型鍛造品を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】タービンブレード用予備成形体の一例を示す模式図である。
【図２】突起収納部と突起部との関係の一例を示す模式図である。
【図３】突起収納部と突起部との関係の別な一例を示す模式図である。
【図４】タービンブレード用予備成形体を本発明の熱間鍛造用金型（下型）に設置したときの一例を示す本発明の模式図である。
【図５】タービンブレード用予備成形体を本発明の熱間鍛造用金型（下型）に設置したときの一例を示す従来例の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明を図面を用いて詳しく説明する。
図１はタービンブレード用予備成形体１の模式図である。このタービンブレード用予備成形体１は、熱間鍛造によって翼部になる部分と根部になる部分とが一体に成形されており、軸方向に径の異なる部分を有する本体部２と、前記本体部両端部にはそれぞれ軸方向に突出する突起部３が形成されている。なお、軸方向とは図１中の一点鎖線で示すように、タービンブレード用予備成形体１の中心軸の方向を言う。なお、タービンブレード用予備成形体の直径が大きくなっている部分は、前記の根部に成形するために径が変化している場所であり、直径が小さい部分は翼部となる部分である。軸方向の両端部にはそれぞれ軸方向に突出する突起部３が形成されている。
【００１０】
前述の突起部の形成は、本体部とは別な部品として本体部に接合するのが好ましい。本発明の突起部は、所謂“つかみ代”とは異なり、“位置決め用部材”として機能するものである。そのため、所定の場所に突起部を設けることが重要となる。例えば、熱間鍛造等の熱間加工で本体部と突起部とを一体物として成形しようとすると、突起部が本体部の所望の位置から外れる可能性がある。これに対し、別な部品として本体部に接合すると、確実に所望の位置に突起部を接合することができる。なお、別部品の突起部を本体部に接合する位置は、突起部が接合する面側の本体部の中心位置とすることが良い。好ましくは、本体部の中心軸上に接合するのが良い。これにより、より確実に位置ずれを防止し、欠肉等の欠陥を防止することが可能となる。
また、突起部の材質としては、本体部の材質と同一とするのが好ましい。これは、突起部は熱間鍛造後のタービンブレード用素材からバリとともに除去されたとき、バリと共にリサイクルの原料として再利用することができるためである。
【００１１】
また、突起部の接合の方法としては、ネジによる嵌め合わせ、或いは／更に、溶接によって接合するのが簡便である。勿論、ネジによる嵌め合せの後、溶接を行っても良い。また、溶接のみで突起部を接合する場合は、生産性を高めることが可能な摩擦圧接を適用するのが好ましい。
なお、突起部の寸法は、タービンブレードの大きさによって変化し、その直径はおおよそ３０〜６０ｍｍ程度の円柱状のものであれば良い。円柱状とするのは、熱間鍛造用金型に形成された位置決め溝への載置が容易であるためである。また、過度に突起部の直径が細くなると、タービンブレード用予備成形体の熱間鍛造温度への加熱時に撓み等の変形を生じるおそれがある。
上述する本体部はＴｉ合金であることが好ましい。Ｔｉ合金製のタービンブレードは、今後ますます長翼化、大型化することが予想されることから、本発明はタービンブレード用予備成形体への適用が好適である。
なお、本発明で言う熱間鍛造とは、熱間プレス、ホットダイ鍛造、恒温鍛造を含むものとする。
【００１２】
図５は従来例である。かかる従来例を用いて、突起部による位置決めの機能を説明する。図５に示すように、突起部３は、下型４に設けられた位置決め溝５に設置される。位置決め溝５は、予め、熱間鍛造によって欠肉等の欠陥を生じない箇所に設けられている。そして、突起部３によって、熱間鍛造前にタービンブレード用予備成形体１を所定の位置に載置し、更に、熱間鍛造時にタービンブレード用予備成形体１が熱間鍛造型内で位置ずれを起こすのを防止する。特に、数万トン規模の大きな荷重で、しかも、１ブローで製造しようとすると、熱間鍛造型（上型及び下型）内で、狙い通りの場所から順次押圧が開始されなければ、欠肉等の欠陥となり易い。これを防止するため、熱間鍛造用金型の所望の位置に載置し、熱間鍛造時には所望の押圧場所から順序良く熱間鍛造を行うために、突起部の形成は必要不可欠である。
【００１３】
次に、本発明のタービンブレード用予備成形体を用いる熱間鍛造用金型について説明する。図４に示すように本発明の熱間鍛造用金型１１は、タービンブレード用予備成形体１の両端部の突起部３を収納してタービンブレード用予備成形体を位置決めする突起収納部１２を備えている。そして、この突起収納部１２が熱間鍛造用金型１１に脱着可能な別部品としてある。この突起収納部はタービンブレード用予備成形体１の位置決め溝の役割を奏する。
従来のように、突起収納部が加工溝として直接熱間鍛造用金型に加工されたものの場合、その幅や深さを変更しようとすると、金型本体を加工する必要がある。しかしながら、大型のタービンブレードを製造するための熱間鍛造用金型はその重量が数トンもあり、運搬や加工に多大のコストが必要になる。また、加工溝の加工に失敗した場合、大型の金型本体が不良となってしまう恐れもある。一方、本発明のように突起収納部１２を脱着可能な別部品にしておけば、突起部の形状、直径に応じて突起収納部のみを交換することで、種々の突起部の形状に対応が可能となる。
なお、本発明を示す図４と従来例を示す図５とでは、熱間鍛造用金型（下型）とタービンブレード用素材との関係も異なっている。従来例では下型とタービンブレード用予備成形体の本体部とは非接触となっているのに対し、本発明を示す図４では下型とタービンブレード用素材の本体部とが部分的に接触している。これにより、熱間鍛造開始直後は、２つの突起収納部と下型とタービンブレード用素材の本体部との接触部分によりタービンブレード用素材の移動を防止して、より確実に所定の位置から鍛造を開始させることができる。そのため、欠肉等の形状欠陥の発生をより確実に防止することができる。
これを可能にするのも、突起収納部を別部材として、その深さを適宜変更しやすい構造としているからである。
【００１４】
突起収納部１２は熱間鍛造用金型に嵌め合うことが可能な形状とするのが良い。例えば、図４には、突起収納部１２の突出した部分（突出部）１３が熱間鍛造用金型の本体に設けられたキー溝状の部分に嵌め合った場合の模式図が示されている。この突出部１３によって、突起収納部１２と熱間鍛造用金型とが固定されると共に、タービンブレード用素材の軸方向に移動するのを拘束する。その場合の固定方法としては、単に嵌め合うことでも良いが、ボルトなどの締結部材で固定しておく方が強固な固定ができて好ましい。
また、突起収納部１２には突起部３の収納を容易にするために、面取り部１４を設けておくことが好ましい。これは、たいていの場合、加熱されたタービンブレード用予備成形体はマニピュレータを用いて熱間鍛造用金型の所定の位置に配置されることになる。このとき、突起収納部内に突起部をスムースにセットするためである。
また、突起収納部の形状は、は図２に示すような一体物としても良いが、図３に示すように２つ以上の別部材としても良い。
【００１５】
本発明の熱間鍛造用金型１１は、図２や図３で示すようにタービンブレード用予備成形体の突起部３の側面と突起収納部側面との間には、０．８ｍｍ以上の隙間が形成される間隔を有することが好ましい。これは、タービンブレード用予備成形体は加熱によって熱膨張するため、突起部３と突起収納部１２側面の間に隙間を確保するものである。そのため、０．８ｍｍ以上の間隔を設けて、加熱された突起部を突起収納部内へ挿入するのを容易にする。なお、隙間の間隔の上限は２ｍｍ程度で良い。過度に隙間が広すぎると所定の位置からずれてしまう心配がある。好ましくは１．５ｍｍ以下である。なお、ここでいう“隙間”とは図２や図３で示す（Ａ）と（Ａ’）の合計の間隔であり、熱間鍛造温度にタービンブレード用予備成形体を加熱する前の状態での間隔である。仮に、（Ａ）と（Ａ’）の隙間がゼロとなっても、もう一方の隙間を０．８ｍｍ以上確保することも許容されるが、隙間（Ａ）と（Ａ’）は均等な間隔をもつようにして、突起部と側面とが接触しないようにするのが更に好ましい。
また、特に、突起部と突起収納部１２の底面側の隙間（（Ｂ）として示す）は５ｍｍ以上の大きな隙間としておくのが好ましい。突起収納部の底面が突起部と接触していると、熱間鍛造を行う際に接触面同士が擦れたり、突起部が突起収納部の底面に引っかかることでタービンブレード用予備成形体の本体部が所定の位置からずれてしまう場合があるためである。なお、突起部３の底面側の隙間を大きく形成しようとすると、図３の突起収納部１２のように、突起部３の左右両側に個別に突起収納部品を設けておくのが好ましい。
つまり、突起収納部１２と突起部３は非接触の状態とするのが良い。そのためには、図２や図３で示すように、突起収納部の側面同士を一定の間隔が保てるように平行な場所を設けておき、熱間鍛造中に突起部の移動を拘束させないようにしておくのが良い。
【実施例】
【００１６】
本発明のタービンブレードの製造方法について実施例で示しながら説明する。
先ず、図１に示すようなタービンブレード用予備成形体１を用意した。材質はＴｉ合金である。５０インチクラスのタービンブレード用予備成形体１は、本体部２の断面形状を円形状とし、翼部と根部に成形するために断面積を変化させた形状である。なお、今回の実施例では、断面形状を円形状としたが、例えば、更に長尺のタービンブレード用素材を得ようとすると、断面は矩形状であっても良い。
本体部２の中心軸の延長線上の翼部側端面と根部側端面を研削して、直径が４５ｍｍの円筒状の突起部用のＴｉ合金を摩擦圧接にて本体部２と接合させて、本体部２の中心軸の延長線上に突起部３を有するタービンブレード用予備成形体１とした。なお、突起部３のＴｉ合金と本体部２のＴｉ合金は共に同一組成である。
【００１７】
次に、図５に示す従来例の熱間鍛造用金型（上型（図示してない）と下型）を用意した。突起収納部と突起部の関係は、タービンブレード予備成形体を加熱したときに突起収納部側面と突起部との間隔が０．１ｍｍ程度の間隔とし、突起収納部（位置決め溝５）の底面に載置するものである。また、１ブローの熱間鍛造にて、ニアネット形状のタービンブレード用素材とするため、熱間鍛造型翼部と根部を形成する型彫り面が形成されたものを用いた。図５（上面図、側面図）に示すように、下型４にはタービンブレード用予備成形体１を配置したときに前記突起部３が配置される位置決め溝５を有するものである。
次に、前記のタービンブレード用予備成形体に潤滑剤を被覆し、鍛造温度９４０℃に加熱して、タービンブレード用予備成形体１の突起部３を位置決め溝５に配置するようにタービンブレード用予備成形体１を下型４に配置した。配置後の状態は図５に示すような状態であった。
続いて、上型（図示しない）の押圧により１ブローで熱間鍛造を行った。用いた熱間鍛造機は最大荷重が５万トンの大型熱間鍛造機である。熱間鍛造中に突起部の観察を行った結果、所望の形状に対し、左右のバランスが悪く、形状不備となることが懸念されたため、位置決め溝部の追加修正加工を要した。
追加加工した対面は追加加工した分の薄板を溶接し、仕上加工をすることで一定の溝幅を確保した。これにより、修正工数、コストが増大しただけでなく、多本数の鍛造を行うに際し、溶接部が外れるといった懸念事項も残った。
【００１８】
そこで、図４（上面図、側面図）に示すように、位置決め溝５を廃止し、脱着可能な突起収納部１２を設置した本発明の熱間鍛造用金型（下型）に交換した。嵌め込み式の個別部品とした結果、位置決め位置不備による修正が必要になった場合でも、容易に交換が可能となった。また、修正の際の運搬費や修正工数、コストを低減することができた。なお、図４（上面図、側面図）に示すように、熱間鍛造用金型（下型）にはタービンブレード用予備成形体１を配置したときに前記突起部３を収納して前記タービンブレード用予備成形体の位置決めする突起収納部１２を有するものを用いた。突起収納部の構造は、図３に示す構造とし、面取り部も設けた。突起収納部と突起部の関係は、タービンブレード予備成形体を熱間鍛造温度に加熱したときに突起収納部側面と突起部との間隔が０．５ｍｍ程度の間隔とできるよう、加熱前の隙間（（Ａ）＋（Ａ’））を１ｍｍとした。また、突起部と突起収納部の底面とは約２０ｍｍの隙間があった。また、タービンブレード用予備成形体１を熱間鍛造用金型（下型）に配置したとき、タービンブレード用素材１の本体部２と熱間鍛造用金型（下型）とが僅かに接触した状態となるようにした。
そして、前記と同じ熱間鍛造条件で複数回の熱間鍛造を行ったが、この間、特に問題を生じることなく、全ての熱間鍛造が行えた。これは、突起部と位置決めを行う突起収納部との間隔を適切にしたことと、熱間鍛造用金型（下型）とタービンブレード用素材１の本体部２とが僅かに接触した状態となるようにした効果である。なお、面取り部の形成と、突起収納部側面と突起部との間隔を適切としたことで、加熱したタービンブレード予備成形体の熱間鍛造用金型（下型）への設置は何の問題もなく行えた。
【００１９】
以上の結果から、予備成形体の本体部の長手方向の軸となる両方の箇所に熱間鍛造位置を決める位置決め部が形成されていることから、鍛造中に予備成形体が位置ずれをおこすこともなく、欠肉等の欠陥を防止することができる。また、予備成形体の重量も軽減でき、歩留まりを向上させることができることは明らかである。
さらに、位置決め部となる突起収納部を個別部品にすることにより、実機（大型熱間鍛造機）での鍛造結果にて位置修正が必要となった際、突起収納部を交換することで対応可能となる。
【符号の説明】
【００２０】
１  タービンブレード用予備成形体
２  本体部
３  突起部
１１  熱間鍛造用金型
１２  突起収納部
１３  突出部
１４  面取り部
【図１】
0006677901.tif 000002
【図２】
0006677901.tif 000003
【図３】
0006677901.tif 000004
【図４】
0006677901.tif 000005
【図５】
0006677901.tif 000006