(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋳造材よりなるリング状の外側ディスクの内周面と、鍛造材よりなる内側ディスクの外周面を拡散接合により接合する複合構造ディスク製造方法において、
前記外側ディスクの内周面は複合構造ディスクの回転軸に対して所定角傾斜しており、前記内側ディスクの外周面も前記回転軸に対して前記所定角傾斜しており、
前記外側ディスクの前記内周面を前記内側ディスクの前記外周面に嵌合させた嵌合状態にする第１ステップを有し、前記嵌合状態では、前記回転軸に対して前記所定角傾斜した方向に前記内周面が前記外周面に対してずれていることで、内側ディスクと外側ディスクとに段差が存在しており、
前記第１ステップの後に、前記嵌合状態の前記内側ディスクと前記外側ディスクに対し拡散接合を行う第２ステップを有し、前記拡散接合では、前記内側ディスクと前記外側ディスクが加熱された状態で、前記内側ディスクを前記外側ディスクに押し込むように前記内側ディスクに圧力を作用させることで、前記段差を無くし、
前記第２ステップの後に、前記段差とほぼ同等の厚さを、前記拡散接合の後のディスク上下面の外側から少なくとも接合面を含む範囲で除去する第３ステップを有する、ことを特徴とする複合構造ディスク製造方法。
【請求項２】
前記内周面と外周面の粗さをＲａ０．３μ以下にしたことを特徴とする請求項１に記載の複合構造ディスク製造方法。
【請求項３】
前記第２ステップでは、真空状態でほぼ９５０℃前後に加熱し接合面の圧力をほぼ５０〜５５ＭＰａとしほぼ１時間保持して拡散接合を行い、その後ほぼ７２０℃で約８時間加熱した後、ほぼ６２０℃で約１０時間熱処理を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の複合構造ディスク製造方法。
【請求項４】
前記外側ディスクの周囲にチタン合金箔を置き、接合面の酸化を防止するようにしたことを特徴とする請求項１、２または３に記載の複合構造ディスク製造方法。
【請求項５】
前記拡散接合により、ディスク下面において、前記段差が無くなる、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の複合構造ディスク製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、タービン、ジェットエンジンなど用いられる歯車やディスクの外周にブレードを取り付けた羽根車などのディスクに係わり、特にこれらのディスクを鋳造材と鍛造材を接合して構成する複合構造ディスクの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンや航空機用ジェットエンジンなどには歯車や羽根車が多く用いられている。これらは図１に示すようにディスク外周のリム部１に歯車を構成する歯やブレードが設けられ、回転軸と結合するボア部３と、このボア部３とリム部１を結ぶウェブ部２より構成されている。これらの歯車や羽根車は高温状態で高速回転し、高負荷を受けるという厳しい条件で使用されている。
【０００３】
これら歯車や羽根車は従来、鍛造材か鋳造材で一体で製作されている。リム部１の外側は歯やブレード植え込み部など複雑な形状をしているので、鍛造材でディスクを作り、機械加工するか、または全体を鋳造材で成形している。なお、強度上からはリム部１は高温での高い疲労強度が要求され、ウェブ部２、ボア部３はクリープ強度が要求される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来ウェブ部２やボア部３のクリープ強度の要求を満たすため鍛造材で製作し、リム部１の複雑な形状を機械加工する場合が多かった。またリム部１の製作を容易にするため鋳造材で製作する場合は、ウェブ部２やボア部３のクリープ強度の要求が高くないところに用いられていた。このため鍛造材のクリープ強度に強いという利点は機械加工という欠点で相殺されていた。また、鋳造材は複雑な形状の製品の製作に適し、リム部１に要求される疲労強度にも強いという利点があるが、クリープ強度が大きくないという欠点で相殺されていた。このような欠点を除去するため、本出願人は特開平７−２０８１０３において、鋳造材よりなるリング状の外側ディスクの内周面と、鍛造材よりなる内側ディスクの外周面とを拡散接合により接合する複合構造ディスクを提案した。しかしこの提案で示した接合方法は接合部の強度が弱い方の鋳造材の７０％あればよいとして開発されたため、母材強度より弱い強度となっている。
【０００５】
本発明は上述の問題点に鑑みてなされたもので、鍛造材と鋳造材のそれぞれの利点を生かした複合構造ディスクの接合部の強度を母材強度とほぼ同じ程度とする製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明では、鋳造材よりなるリング状の外側ディスクの内周面と、鍛造材よりなる内側ディスクの外周面を拡散接合により接合する複合構造ディスク製造方法において、
前記外側ディスクの内周面は複合構造ディスクの回転軸に対して所定角傾斜しており、前記内側ディスクの外周面も前記回転軸に対して前記所定角傾斜しており、
前記外側ディスクの前記内周面を前記内側ディスクの前記外周面に嵌合させた嵌合状態にする第１ステップを有し、前記嵌合状態では、前記回転軸に対して前記所定角傾斜した方向に前記内周面が前記外周面に対してずれていることで、内側ディスクと外側ディスクとに段差が存在しており、
前記第１ステップの後に、前記嵌合状態の前記内側ディスクと前記外側ディスクに対し拡散接合を行う第２ステップを有し、前記拡散接合では、前記内側ディスクと前記外側ディスクが加熱された状態で、前記内側ディスクを前記外側ディスクに押し込むように前記内側ディスクに圧力を作用させることで、前記段差を無くし、
前記第２ステップの後に、前記段差とほぼ同等の厚さを、前記拡散接合の後のディスク上下面の外側から少なくとも接合面を含む範囲で除去する第３ステップを有する。前記拡散接合により、ディスク下面において、前記段差が無くなる。
【０００７】
接合面で加圧前は相手面に接しておらず、加圧によって接合するようになった接合部の上面と下面近傍の部分は酸化層が存在する可能性の高いところである。酸化層があると拡散接合が充分行われず、接合部の強度低下が起こる。このためこのような部分を除去することにより接合部の強度低下を防止することができる。
【０００８】
請求項２の発明では、前記内周面と外周面の粗さをＲａ０．３μ以下にする。
【０００９】
接合面の粗さを少なくすると接合圧力を接合面に均一に加えることができ、接合が安定し接合強度のばらつきが少なくなり、接合強度の低下を防止する。
【００１０】
請求項３の発明では、前記第２ステップでは、真空状態でほぼ９５０℃前後に加熱し接合面の圧力をほぼ５０〜５５ＭＰａとしほぼ１時間保持して拡散接合を行い、その後ほぼ７２０℃で約８時間加熱した後、ほぼ６２０℃で約１０時間熱処理を行う。
【００１１】
ほぼ９５０℃、ほぼ５０〜５５ＭＰａで１時間拡散接合処理を行った後、後熱処理として、ほぼ７２０℃で８時間溶体化処理をし、その後ほぼ６２０℃で１０時間時効処理を行うことにより、拡散接合処理による熱や応力の母材への影響を後熱処理により除去することにより、母材と接合部の強度低下を防止し、接合部の強度を母材強度とほぼ同じくすることができる。
【００１２】
請求項４の発明では、前記外側ディスクの周囲にチタン合金箔を置き、接合面の酸化を防止するようにする。
【００１３】
外側ディスクの周囲にチタン箔を置くことにより、真空および高温の状態でチタンの脱酸素作用が働き、接合面の酸化を防止し、接合面の強度低下を防止する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
図１は本実施例の複合構造ディスクを示し、（ａ）は歯車（ｂ）は羽根車を示す。これらはコジェネガスタービンや航空機ジェットエンジンの高性能ディスクとして用いられる。（ａ），（ｂ）いずれもリム部１は鋳造材で製作され、歯やブレード５の植え込み部の複雑な形状の製作を容易にしている。ウェブ部２とボア部３は鍛造材で一体に製造され、接合部４は拡散接合により接合され、ウェブ部２の外周面とリム部１の内周面を接合している。
【００１５】
図２は接合プロセスの概略図である。本装置は真空炉内に設けられている。治具の上にリム側プリフォーム１ａが置かれ、リム側プリフォーム１ａの内側に設けられた水平面より角度θの傾斜を有する開口に、ボア側プリフォーム２ａが嵌合する。このボア側プリフォーム２ａの外周面も水平面より角度θ傾斜している。リム側プリフォーム１ａとボア側プリフォーム２ａとは同一厚みであるが、加圧前の状態では図示したようにｈだけボア側プリフォーム２ａが上がっており、ｈが圧縮代となっている。プリフォームとは、図１に示すような最終形状に加工する前の形状を表し、接合後最終形状に加工する。リム側プリフォーム１ａはニッケルＮｉ系の鋳造材ＩＮ１００を用いボア側プリフォーム２ａはＮｉ系の鍛造材ＩＮＣＯ７１８を用いた場合を示す。この鋳造材や鍛造材の材質は一例を示したものである。なお、リム側プリフォーム１ａの下面には脱ガス用溝が設けられ加圧時ボア側プリフォーム２ａの下面と治具の間に閉じ込められるガスを抜くようにしている。また、リム側プリフォーム１ａの外側はチタンＴｉ箔で囲まれており、拡散接合時脱酸作用を行い、接合面６の酸化を防止している。
【００１６】
図３は拡散処理のタイムチャートである。真空炉の真空度は１×１０-5ｍｍＨｇ以下に保たれる。先ず炉を加熱してリム側プリフォーム１ａとボア側プリフォーム２ａからなる被処理材を９５０℃に加熱しこの温度を維持しながらボア側プリフォーム２ａに垂直荷重を与える。垂直荷重は接合面６に垂直な圧力が５０〜５５ＭＰａとなるようにする。この荷重によりボア側プリフォーム２ａは押し込まれ、下面側のｈは零となり、ボア側プリフォーム２ａとリム側プリフォーム１ａの下面は同一面となる。この状態を１時間持続した後、接合後熱処理に入る。接合後熱処理では、７２０℃に８時間保持して溶体化処理を行い、続いて６２０℃にして１０時間の時効処理を行う。なお、治具の形状については、ボア側プリフォーム２ａの下面をリム側プリフォーム１ａの下面より突出させることができる。
【００１７】
拡散処理終了後、械加工が行われ、図１に示す形状に仕上げられる。この機械加工に当たっては、図２に示した接合面６のｈの範囲は除去できるように設計寸法を定めておく。図４は接合面の酸化皮膜発生部を取り除くことを示す図で、酸化皮膜が発生している恐れのある上下面から深さｈの斜線で示す範囲を除去する。このように酸化皮膜の発生し易い接合面６の部分を削除するので、ほぼ母材と同じ接合強度が得られる。接合面６の粗さはＲａ０．３μ以下になるように仕上た状態で接合する。このように接合面６の粗さを小さくすることにより均一に加圧され接合面６の強度が一様な強さとなる。
【００１８】
図５はこのようにして製作されたタービンディスクの温度と強度を示す。図の上部にはタービンディスクの断面の模式図が示されている。軸中心線Ｃよりボア部３、ウェブ部２があり、接合部４によりリム部１が接続されている。ボア部３とウェブ部２は鍛造材ＩＮＣＯ７１８よりなり、リム部１は鋳造材ＩＮ１００よりなる。タービンディスクは中心軸Ｃからの距離により温度が変わる。図中の太線はこの接合材（ＢＡＳ材としている）の軸中心線Ｃからの位置における温度と、その温度におけるＢＡＳ材の引張強さを表している。なお軸中心線Ｃからの位置における温度分布は図に示すような単純な１次分布ではないが、説明を容易にするためこのような分布と仮定している。軸中心線Ｃより接合部までの強度は鍛造材ＩＮＣＯ７１８の母材強度であり、接合部４ではこの位置における温度７５０℃の両部材（ＩＮＣＯ７１８とＩＮ１００）の強度と接合部４の強度とは一致している。接合部４より先の強度は鋳造材ＩＮ１００の強度となっている。
【００１９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、外側ディスクに鋳造材、内側ディスクに鍛造材を用いて複合構造ディスクを構成し、拡散接合処理による熱や応力の母材への影響を後熱処理により除去することにより、母材と接合部の強度低下を防止し、接合部の強度を母材強度とほぼ同じにすることができる。さらにチタン箔を用い炉内を脱酸素雰囲気にすることにより接合面の酸化を防止する。また接合面の粗さを少なくすることにより接合面が均一に加圧され一様な接合強度が得られる。さらに接合面端部の酸化膜発生部を除去することにより接合面を健全な面とすることができる。これらの処理により接合面の強度を母材強度と同じくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の斜視図で、（ａ）は歯車、（ｂ）は羽根車を示す。
【図２】接合プロセス概略図である。
【図３】拡散処理のタイムチャートである。
【図４】接合面両端の酸化膜形成部を除去する説明図である。
【図５】接合材の各位置における引張強さ分布の一例を示す図である。
【符号の説明】
１  リム部（外側ディスク）
１ａ  リム側プリフォーム
２  ウェブ部（内側ディスク）
２ａ  ボア側プリフォーム
３  ボア部（内側ディスク）
４  接合部
５  ブレード
６  接合面
【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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