(57)【要約】【課題】粉末冶金法を用いて発電ガスタービンエンジンのタービンロータ及びその他の大型回転構成部品を製造する方法を提供する。【解決手段】本方法は、その粒子の直径が約０．１００ｍｍ又はそれよりも小さいガンマプライム又はガンマダブルプライム析出強化ニッケル基超合金の粉末を形成するステップを含む。粉末は、缶内に配置され、本質的に完全密度の圧密体を生成するように圧密化され、圧密体は次に、熱間加工されて少なくとも２３００ｋｇの鍛造品を形成するのに十分な寸法のビレットを生成する。ビレットは、ＡＳＴＭ１０の又はそれよりも微細な均一な微粒子を有する鍛造品を生成する温度及びひずみ速度で鍛造される。その後、鍛造品は、熱処理を行って、ＡＳＴＭ１０の又はそれよりも微細な均一な粒子サイズを保持しながら所望の機械的特性のバランスを達成することができる。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガンマプライム又はガンマダブルプライム析出強化ニッケル基超合金で構成部品を製造する方法であって、
前記超合金の粉末を形成するステップと、
前記粉末で缶を満たし、制御環境内で前記缶を真空排気しかつ密封するステップと、
圧密体を生成するための温度、時間及び圧力で前記缶及びその中の粉末を圧密化するステップと、
前記圧密体を熱間加工して少なくとも２３００ｋｇの鍛造品を形成するのに十分な寸法のビレットを生成するステップと、
全体にわたってＡＳＴＭ１０の又はそれよりも微細な均一な微粒子を有する鍛造品を生成するための温度及びひずみ速度で前記ビレットを鍛造するステップと、
を含む方法。
【請求項２】
前記ニッケル基超合金が、重量で１９〜２３％のクロム、７〜８％のモリブデン、３〜４％のニオブ、４〜６％の鉄、０．３〜０．６％のアルミニウム、１〜１．８％のチタン、０．００２〜０．００４％のホウ素、最大０．３５％のマンガン、最大０．２％のケイ素、最大０．０３％の炭素、残部のニッケル及び付随不純物からなる組成を有する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記形成するステップが、制御環境内で前記ニッケル基超合金の溶解物を生成するステップと、次に前記溶解物を急速に冷却して前記粉末を形成するステップとを含む、請求項１及び請求項２のいずれか１項記載の方法。
【請求項４】
前記形成するステップが、制御環境内で前記粉末をふるいにかけて直径が０．１００ｍｍよりも大きい粒子を全て除去するステップをさらに含む、請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記形成するステップが、前記粉末を前記ニッケル基超合金の第２の粉末と混合するステップをさらに含む、請求項３又は請求項４のいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
前記圧密化ステップによって形成された圧密体が、少なくとも９９．９％の理論密度を有する、請求項１から請求項５のいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
前記鍛造ステップによって生成された鍛造品が、少なくとも２３００ｋｇの重量である、請求項１から請求項６のいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
前記熱間加工ステップによって形成されたビレットが、前記鍛造品の重量の１．２〜１．５倍の重量である、請求項１から請求項７のいずれか１項記載の方法。
【請求項９】
前記熱間加工ステップによって形成されたビレットが、前記ロータ構成部品の重量の１．８〜４倍の重量である、請求項１から請求項８のいずれか１項記載の方法。
【請求項１０】
前記構成部品が、タービンホイール及びスペーサから成る群から選択されたガスタービンエンジンロータ構成部品である、請求項１から請求項９のいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、出発材料として金属粉末を用いて大型鍛造品を製造する方法に関する。より具体的には、本発明は、粉末冶金法を用いてタービンエンジンのタービンロータ及びその他の大型回転構成部品を製造する方法を対象とする。
【背景技術】
【０００２】
現在、本発明の出願人のＨ及びＦＢクラスのガスタービンのような、発電産業において使用される一部の最新式地上設置ガスタービンエンジン用のロータ構成部品は、合金７１８及び合金７０６のようなガンマダブルプライム（γ’’）析出強化ニッケル基超合金で形成される。例えば、ホイール及びスペーサは、約２７〜約３６インチ（約７０〜約９０ｃｍ）の直径を有する三重溶解（真空誘導溶解（ＶＩＭ）／エレクトロスラグ再溶解（ＥＳＲ）／真空アーク再溶解（ＶＡＲ））したインゴットで、このインゴットを次にビレット化しかつ鍛造して形成される。潜在的な化学的又は微細構造的偏析とインゴットから最終鍛造品までに生じる予想熱間加工損失とのために、出発インゴットの重量は、最終鍛造品の重量の約１．５〜３倍、また最終機械加工部品の重量の約２．５〜７倍でなければならない。これらの大きな材料損失に加えて、現在の最良の処理実施法では一般的に、ビレット（例えば、ＡＳＴＭ００又はそれよりも大きい）及び最終鍛造品（例えば、ＡＳＴＭ８．０又はそれよりも大きい）（全体を通して、米国材料試験協会によって確立された標準スケールによるＡＳＴＭ粒子サイズを参照）内に不均一かつ比較的粗粒な微細構造を生じる。ビレット粒子サイズは、大き過ぎて何らかの適正な超音波検査で潜在的な寿命制限欠陥を識別することができず、その結果、超音波検査は現在使用されているビレットには実施されない。従って、最終鍛造品は、潜在的な寿命制限欠陥を超音波検査しなければならず、一般的に最小０．２５インチ（約６ｍｍ）厚さの音波形状検査用外被を必要とし、この外被が、最終鍛造形状のエンベロープを形成することになる。
【０００３】
これと対照的に、航空機ガスタービンエンジンのロータ構成部品は、粉末冶金（ＰＭ）法によって形成されることが多く、この粉末冶金法は、クリープ、引張り及び疲労割れ成長特性の良好なバランスをもたらして航空機ガスタービンエンジンの性能要件を満たすことが知られている。一般的に、粉末金属構成部品は、金属粉末を押出し圧密体のような何らかの形態として圧密化し、次に圧密化材料を所望の外形に等温又は熱間型鍛造し、最後に鍛造品を熱処理した後に最終機械加工して製造プロセスを完了することによって製造される。圧密化及び鍛造の処理ステップは、材料内に非常に微細な粒子サイズを保持して、ビレットの高分解能超音波検査を可能にし、金型荷重を最小にし、かつ最終鍛造品の形状形成を向上させるように設計される。最新式地上設置ガスタービンエンジンのタービンシステムとは異なり、航空機ガスタービンエンジンのＰＭロータ構成部品は一般的に、これら部品に要求される非常に高い温度及び応力性能を有するガンマプライム（γ’）析出強化ニッケル基超合金で形成されてきた。高温での耐疲労割れ成長性及び機械的特性を改善するために、これら合金の幾つかは、そのガンマプライムソルバス温度以上に熱処理（通常、超ソルバス熱処理と呼ばれる）されて、粒子の顕著かつ均一な粗大化を引き起こす。大型発電タービンに使用するニッケル基超合金ロータは、現在ではその使命及び構成部品機械特性要件を満たすのに耐熱ガンマプライム合金もこの粒子粗大化処理も必要としないが、そのような耐熱合金は、近い将来に、タービン効率を高めるか又は構成部品の寿命を延ばすために必要なものになると予測できる。
【０００４】
粉末金属ニッケル基超合金は、一般的に２０００ポンド（約９００ｋｇ）よりも軽い航空機エンジンタービンロータ鍛造品における使用では処理されてきたが、粉末金属法は、５０００ポンド（約２３００ｋｇ）を超える重量になる可能性がある、発電産業で使用するガスタービンに必要な非常に大型の鍛造品を製造するのには用いられてこなかった。しかしながら、粉末冶金法を用いて発電ガスタービンエンジンのロータ構成部品に適した大型ニッケル基超合金鍛造品を製造することができることは、よりニアネットシェイプの鍛造品を製造し、それによって材料損失を低減する可能性をもたらすことになる。最近まで、これら発電タービン合金は、低合金含有量、すなわち比較的容易にかつ最小限の化学的又は微細構造的偏析で溶解及び処理することが可能である３つ又は４つの主要元素を有する鉄又はニッケル基であった。これら合金の粉末金属バージョンは、容易にロータ鍛造品に転換することができる鋳造インゴットに比べて、処理の容易さ又は特性利得のいずれにおいてもＰＭの基準原価がより高いことを補うほど大きな利点をもたらさないことになる。しかしながら、合金７１８及びそれ以上の合金のようなより複雑な合金が好ましくなり、また鍛造品の寸法が増大し続けるにつれて、化学的及び微細構造的偏析、粗大粒子インゴットを最終鍛造品に転換することに関連する高い材料損失、及び大型かつ高強度鍛造品を処理する生産能力の限界についての関心により、より高い基準原価のＰＭ合金は潜在的により費用効果があるものになってきている。処理損失の低減、生産能力の拡大、微粒子ＰＭビレット及び部品の検査性の向上、並びによりニアネットシェイプの鍛造品を製造することができることは全て、現在の鋳造プラス鍛造実施法によるよりもＰＭからより低価格の大型ロータ鍛造品を達成することに対する推進要因である。
【特許文献１】米国特許第６，３１５，８４６号公報
【特許文献２】米国特許第６，５３１，００２号公報
【特許文献３】米国特許第５，４１３，７５２号公報
【特許文献４】米国特許第５，５２９，６４３号公報
【特許文献５】米国特許第５，５７１，３４５号公報
【特許文献６】米国特許第５，５８４，９４７号公報
【特許文献７】米国特許第５，５８４，９４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、粉末冶金法を用いて発電ガスタービンエンジンのタービンロータ及びその他の大型回転構成部品を製造する方法を提供する。本方法は、粗大粒子インゴットから微粒子鍛造品への転換の間における収率損失を排除することによって最終鍛造品重量に対する投入重量の比率を著しく低下させる。本方法はまた、実質的に化学的及び微細構造的偏析を排除し、また微細かつ均一な粒子サイズ（ＡＳＴＭ１０の又はそれよりも微細な）をもたらし、この微細かつ均一な粒子サイズは必要な音波形状外被を減少させ、従って最終鍛造品重量をさらに軽減する利点がある。加えて、微粒子ＰＭビレットの使用は、最終鍛造品を生成するのに必要な押込み力を低下させ、それによって資本設備費用を低減しかつ潜在的な供給基盤を拡大する可能性を有する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の方法は、その粒子の直径が約０．００４インチ（約０．１００ｍｍ）又はそれよりも小さい析出強化（ガンマプライム又はガンマダブルプライム）ニッケル基超合金の粉末を形成するステップを含む。粉末は、缶内に配置して缶を制御環境内で真空排気しかつ密封し、次に本質的に完全密度の圧密体を生成する温度、時間及び圧力で圧密化される。圧密体は次に、ＡＳＴＭ１０の又はそれよりも微細な均一な粒子サイズを有しかつ少なくとも５０００ポンド（約２３００ｋｇ）の鍛造品を形成するのに十分な寸法のビレットを生成する温度で熱間加工される。ビレットは次に、全体にわたってＡＳＴＭ１０の又はそれよりも微細な均一な微粒子を有する鍛造品を生成するように選択した温度及びひずみ速度で鍛造される。その後、鍛造品には、ＡＳＴＭ１０の又はそれよりも微細な粒子サイズを保持しながら所望の機械的特性のバランスを達成するように設計された熱処理を行うのが好ましい。
【０００７】
上記方法の結果として、以前は従来型の鋳造及び鍛造法による処理に限定されていた非常に大型のロータ構成部品が、今や粉末冶金法によって、材料損失を低減しかつこの粉末冶金法で達成することができる微細構造的、組成的及び機械的特性の利点を有する状態で形成することができる。
【０００８】
本発明の他の目的及び利点は、以下の詳細な説明から一層よく理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明は、粉末冶金法を用いて、一般的に５０００ポンド（約２３００ｋｇ）を超える非常に大型のニッケル基合金ロータ鍛造品を製造する方法を提供する。粉末金属合金を用いてニッケルベースの圧密体が生成され、次に圧密体はビレットに熱間加工され、その後、発電産業で使用する大型ガスタービンエンジンに適した寸法の大型タービンホイール、スペーサ又はその他の回転構成部品に鍛造される。
【００１０】
本発明の利点を示すのに特に適した合金は、市場で購入可能な合金７２５に基づいたガンマプライム析出強化ニッケル基超合金である。本明細書でＡＲＡ７２５として特定した超合金は、重量で約１９〜約２３％のクロム、約７〜約８％のモリブデン、約３〜約４％のニオブ、約４〜約６％の鉄、約０．３〜約０．６％のアルミニウム、約１〜約１．８％のチタン、約０．００２〜約０．００４％のホウ素、最大約０．３５％のマンガン、最大約０．２％のケイ素、最大約０．０３％の炭素、残部のニッケル及び付随不純物の組成を有する。Ｈｉｂｎｅｒ他の米国特許第６，３１５，８４６号及びＨｅｎｒｙ他の米国特許第６，５３１，００２号に記載されており、合金を非常に大型の鍛造品を粉末金属で製造するのに特に良く適したものにすると考えられる従来型の鋳造プラス鍛造ＡＲＡ７２５の特性は、合金７１８と同様な室温及び高温引張り強度及び延性を含み、合金７１８に比べて耐時間依存割れ成長性が著しく改善されている。ＡＲＡ７２５の粉末冶金バージョンに使用できる機械的特性データはまだないが、適正に処理した粉末金属鍛造品は、鋳造プラス鍛造の鍛造品と同様又は場合によってはそれよりも良好な特性を有することになると予測される。本発明はＡＲＡ７２５合金に関して説明するが、本発明の教示は、合金６２５、ＬＣ  Ａｓｔｒｏｌｏｙ（Ｕ７００）、Ｕｄｉｍｅｔ７２０、ＡＲＡ０５４、ＡＲＡ０１７のようなその他のガンマプライム及びガンマダブルプライム析出強化ニッケル基超合金、並びに合金７１８と同等又はそれよりも良好な引張り特性と共に合金７１８に比べて優れた耐時間依存割れ成長性を有するその他のあらゆるニッケル基超合金に適用可能である。
【００１１】
本発明の関心のある用途では、最適な処理性及び機械的特性が、ＡＳＴＭ１０よりも大きくない均一な粒子サイズによって達成される。ＡＳＴＭ１０よりも大きい粒子サイズは、そのような粒子の存在が構成部品の耐低サイクル疲労性を著しく低下させるおそれがあり、引張り及び高サイクル疲労（ＨＣＦ）強度のような構成部品の他の機械的特性に悪影響を与えるおそれがあり、熱間加工荷重要件を増大させ、またビレット及び厚肉鍛造品の徹底的な超音波検査を妨げるという点で望ましくない。従って、本発明の好ましい態様は、ニッケル基超合金内に均一な粒子サイズを達成することであり、このニッケル基超合金内では不規則な粒子成長を防止してＡＳＴＭ１０の又はそれよりも微細な最大粒子サイズを生成するようにする。
【００１２】
本発明の方法は、その化学的性質が所望の合金（例えば、ＡＲＡ７２５）の性質である溶解物を形成するステップを含む。これは一般的に、ＶＩＭ処理法によって達成されるが、ＥＳＲ又はＶＡＲ処理法の適応によっても行うことができ、その後の微粒化又は他の粉末製造方法のための溶解物を形成することができる。好ましいガンマプライム及びガンマダブルプライム析出強化合金内に含まれた元素（例えば、アルミニウム及びチタン）の反応性を考慮すると、溶解物は真空下又は不活性環境内（以下では、制御環境）で形成される。溶解条件内及び化学的仕様範囲内にある間に、合金は、微粒化法又はほぼ球形の粉末粒子を生成するのに適した別の処理法によって粉末に転換される。本発明の好ましい態様によると、粒子は、微粒化法によって、その大部分が０．００４インチ（約０．１００ｍｍ）又はそれより小さい直径を有するように生成される。粉末は次に、制御環境内でふるいにかけられ、その後のビレット／鍛造品の欠陥の可能性を減少させる目的で０．００４インチ（約０．１００ｍｍ）よりも大きい粒子を実質的に全て除去される。より大きい粉末サイズは、０．００４インチ（約０．１００ｍｍ）よりも大きい不良粒子（例えば、セラミックスなど）をスクリーニング法による以外の方法で除去することができる場合には、許容可能とすることができる。本発明で要求される寸法、例えば５０００〜２００００ポンド（約２３００〜約１００００ｋｇ）のビレットを生成するのに必要な大量の粉末の故に、本発明の方法に用いるのに十分な粉末を蓄積するように複数の微粒化ステップにより生成した粉末を混合することが必要である場合がある。そのような粉末のあらゆる必要な保存は、制御環境容器内にするのが好ましい。
【００１３】
十分な量の粉末が生成されると、粉末は、その寸法が圧密化後にビレット寸法要件を満たすことになる適当な缶、好ましくは軟鋼缶内に配置される。缶の装填は制御環境（不活性ガス又は真空）内で行われ、その後缶は、中温加熱（例えば、約２００°Ｆ（約９３°Ｃ）以上）を行って湿気及びあらゆる揮発物を放出させながら真空排気され、次に密封される。その後、缶及びその内容物は、少なくとも約９９．９％の理論密度を有する圧密体を生成するのに十分な温度、時間及び圧力で圧密化される。圧密体は、熱間静水圧圧縮成形（ＨＩＰ）、押出し、又は他の適当な圧密化方法によって達成することができる。
【００１４】
粉末圧密体は次に、押出し、すえ込み及び引抜き、などのような幾つかの方法のいずれかによって熱間加工され、鍛造に適当な投入ビレット寸法を生成する。投入ビレットを生成するのに用いる条件は、最終部品形状に鍛造する前にその超音波検査を可能にするために、全体にわたって均一なＡＳＴＭ１０の又はそれよりも微細な粒子サイズを生じるものにすべきである。
【００１５】
ビレットは次に、大型産業用タービンの合金７０６及び合金７１８ロータ鍛造品を製造するのに現在使用されているが、微粒子ビレット法の利点を持つように改良した方法のような公知の方法を用いて鍛造される。鍛造は、最終鍛造ダイ空洞の完全な充填を可能にし、破損を防ぎ、かつ材料内にＡＳＴＭ１０よりも大きくない均一な微粒子サイズを生成又は保持するような温度及び荷重条件で行われる。特に、化学的及び微細構造的偏析が実質的に排除され、また非常に微細な粒子サイズを粉末金属出発材料の使用により達成することができるので、最終鍛造品重量に対する投入（ビレット）重量の比率は、著しく低下させることができる。例えば、出発ビレットの重量は、最終鍛造品の重量のわずか約１．２〜約１．５倍、また最終機械加工ロータ構成部品の重量の約１．８〜約４倍と少なくすることができる。この重量軽減は、微粒子ビレットの処理性の改善とその音波検査性の増大とによって可能になる。
【００１６】
得られたロータ鍛造品には、潜在的な寿命制限欠陥の超音波検査を行うのが好ましい。しかしながら、投入ビレットの超音波検査性が高められることによって、構成部品処理のこのステップは、場合によっては排除することができ、このことによって、よりニアネットシェイプの鍛造品を製造することが可能になり、また投入重量をさらに減少させることが可能になることになる。
【００１７】
検査（実行した場合には）の後に、あらゆる適当な公知の方法によって最終機械加工を行って、最終機械加工ロータ構成部品を生成する。ロータ構成部品の必要な機械的特性を達成するために、機械加工に先だって、鍛造品は、長期間の産業用ガスタービンの稼働のための好ましい特性のバランスを達成する温度及び時間で溶体化熱処理及びエージング処理される。ＡＲＡ７２５合金のための適正な熱処理法の例示的な実施例は、約１６５０°Ｆ（約９００°Ｃ）の温度でおよそ４時間溶体化熱処理し、その後２つのステップ、すなわち約１４００°Ｆ（約７６０°Ｃ）の温度でおよそ８時間エージングするステップと、次に約１１５０°Ｆ（約６２０°Ｃ）まで毎分１００°Ｆ（約５６°Ｃ）の速度で冷却しておよそ８時間その温度に保持し、その後空気冷却するステップとが続く処理を含む。
【００１８】
好ましいＡＲＡ７２５合金に加えて、上記の方法は、その組成及び温度性能が様々な特定の製品要求を満たす広範な金属合金に適用することができる。例えば、不動酸化物、窒化物及び／又は炭化物のような従来型の強化及び／又は粒界固定分散質又はナノ分散質を含む合金は、長期安定性を与えるのに望ましいといえる。コバルト、タングステン、モリブデン、タンタル、ニオブなどのような高温強化元素をより高いレベルで含む合金は、最大１８００°Ｆ（約１０００°Ｃ）又はそれよりも高い温度での稼働を必要とする用途に望ましいといえる。特定の合金組成の直接溶解及び微粒化に加えて、２つ又はそれ以上の別個に処理した粉末を機械的に合金化することもまた、ロータ構成部品の所望の特性を得るために使用することができる。
【００１９】
本発明を好ましい実施形態に関して説明してきたが、当業者がその他の形態を採用することができることは明らかである。従って、本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲によってのみ限定されることになる。