(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
陸用タービンのタービン翼を製造する方法であって、
タービン翼を形成する単結晶スーパーアロイを選択し、
スーパーアロイの複数の個々の鋳物により形成されるタービン翼の複数のセグメントを選択し、
複数のセグメントをスーパーアロイを複数の鋳型で鋳造することにより形成し、
複数のセグメントを過渡液相結合により結合し、
結合した複数のセグメントを折出熱処理するステップよりなり、
複数のセグメントの部位は隣接するセグメント間の接合部が低応力箇所に来るように選択されていることを特徴とするタービン翼の製造方法。
【請求項２】
結合表面の横断方向の応力が、スーパーアロイの強度の３０％未満であるようにセグメントの部位を決定することをさらに含む請求項１の方法。
【請求項３】
結合表面の横断方向の応力が、結合ステップ時生じる結合の強度よりも小さいようにセグメントの部位を決定するステップをさらに含む請求項１の方法。
【請求項４】
結合した複数のセグメントを折出熱処理前に溶体化熱処理するステップをさらに含む請求項１の方法。
【請求項５】
単結晶スーパーアロイがニッケル系である請求項１の方法。
【請求項６】
単結晶ニッケル系スーパーアロイがＣＭＳＸ−４より成る請求項５の方法。
【請求項７】
多結晶スーパーアロイの少なくとも１つのセグメントを単結晶スーパーアロイのセグメントに結合するステップをさらに含む請求項１の方法。
【請求項８】
多結晶スーパーアロイはニッケル系である請求項７の方法。
【請求項９】
多結晶ニッケル系スーパーアロイが、８．１重量パーセントのＣｒ、９．２重量パーセントのＣｏ、５．６重量パーセントのＡｌ、０．７重量パーセントＴｉ、０．５重量パーセントのＭｏ、３．２重量パーセントＴａ、９．５重量パーセントのＷ、１．４重量パーセントＨｆ、０．０１５重量パーセントのＺｒ、０．０１５重量パーセントＢ、０．０７重量パーセントのＣより成り、残量がＮｉである請求項８の方法。
【請求項１０】
タービン翼の全長が少なくとも３０．４８ｃｍ（１２インチ）、翼形の翼弦が少なくとも１０．１６ｃｍ（４インチ）、翼形の厚さが少なくとも０．７９４ｃｍ（５／１６インチ）である請求項１の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【関連出願への相互参照】
本願は、１９９７年１０月２７日付け米国仮出願第６０／０６３、６４０の優先権を主張する。
【０００２】
【発明の分野】
本発明は、発電用燃焼ガスタービンに関し、さらに詳細には、スーパーアロイ鋳物の多数のセグメントより成るタービン翼の製造方法に関する。
【０００３】
【背景情報】
現在の高効率発電用燃焼タービン機関に使用されている最先端の動翼及び静翼は単結晶合金のような高品質材料で製造され、その部品の内側及び外側寸法は正確に制御されている。これらの部品はサイズが大きいため、いくつかの方面から低コスト製造法開発への努力が続けられている。
現在開発中の最新式タービンシステム（ＡＴＳ）のような陸用ガスタービンは、最先端材料で製造される低コストで高性能の部品を必要とする。タービンの第１列及び第２列の動翼及び静翼は複雑な内側及び外側構造を有するため、欠陥のない材料で製造しなければならない。かかる特徴を有する部品は航空機のエンジン用として開発されているが、発電用タービンの部品はサイズが大きいためその開発には多大な困難を伴う。現在のところ、鋳造により欠陥のない大型部品をかなり高い歩留まりで製造することは不可能である。
【０００４】
別の製造方法として、本質的に欠陥のない小さい副部品を鋳造し、その後それらの副部品を高品質の結合プロセスにより接合することが考えられる。しかしながら、現在、ＡＴＳクラスのエンジンへの使用が検討されているＣＭＳＸ−４のような最先端の単結晶スーパーアロイを結合するために必要な技術は存在しない。
【０００５】
【発明の概要】
ガスタービン高温部の翼は、高品質の鋳造部品を結合した単結晶スーパーアロイ鋳物により製造される。本発明によると、歩留まりが非常に低いと同時に個々の部品コストが高くなるタービン翼を単片部品として鋳造する従来の方法とは対照的に、大型で高品質のタービン翼を小さい高品質部分に分けてそれらを結合することにより製造するのが可能になる。
【０００６】
本発明は、ガスタービン用の大型単結晶部品を高い歩留まりで生産するのを可能にする。この方法によると、タービン翼のコストが商業用の用途にとって受け入れ可能な範囲に低下する。また、従来の単結晶材料の鋳造方法では得られなかった、部品の正確な輪郭と最適な材料品質及び性能を同時に得ることができる。本発明の方法は、鋳型の中子を不用にすることにより、部品内部の幾何学的形状及び特徴部分の制御を可能にする。さらに、製造時内部の冷却チャンネルへのアクセスが可能なため、内部冷却チャンネルの特徴部分及び壁の寸法を正確に制御することができる。内部の粒子構造及び欠陥の存在も調べることができる。本発明によると、非常に低いコストで単結晶のタービン翼を高い精度で製造できる。
【０００７】
タービン翼は、結合ラインが翼の低応力箇所に来るように設計される。翼の各部は高い精度でぴったりと結合できるように、特に余剰部分をもつように鋳造される。正しい輪郭を持ち、ぴったり適合するように部品を成形するため  に法を用いることができる。タービン翼の各部は、共ＥＤＭ(co-EDM)等の切削加工プロセスにより０．００２５ｃｍ（０．００１インチ）のオーダーの非常に精密な適合が可能なように調整される。翼の各部の間の結合ギャップには、その後、フォイルまたはペーストを充填する。結合用フォイル及び熱プロセスは、高品質及び高強度の結合部を提供するように選択する。１つの実施例において、単結晶部品を他の単結晶部品と結合する。別の実施例では、単結晶部品を方向性凝固部分を含む多結晶部品と結合することにより低コストのハイブリット翼の製造が可能になる。
【０００８】
設計するタービン翼は、低応力箇所に沿って２またはそれ以上の部分に分割する。１つの実施例では、翼をカンバ線にほぼ沿う単一表面に沿って分割することにより、高品質の鋳物を効率的に結合することが可能となり、従来法では欠陥なしに高い歩留まりで製造できなかった単結晶スーパーアロイ鋳物より成る本質的に欠陥のない翼が製造される。別の実施例では、翼形のカンバ線にほぼ沿う単一表面の元の断面に加えて根元部分をさらに２つの表面に沿って分割することにより、設計翼を４つの部分に分ける。従って、これら４つの部分は、元の２つの部分をさらに２つの小部分に分けることによって画定される。これら２つの小部分は、好ましくは翼の根元部分にある。それらは低応力表面に亘って提供され、翼の根元部分の外表面の表面輪郭と内側の結合表面の輪郭とで画定される。後で多数の部分を鋳造し、過渡液相結合により結合して単一の構造体にすると、高品質の鋳物が効率的に結合された、非常に高温度で動作可能で、本質的に欠陥のない翼が製造される。
【０００９】
さらに別の実施例において、タービン翼の翼形部分は単結晶合金として鋳造し、根元の外側部分は多結晶合金として鋳造する。個々の高品質部分を高い歩留まりで鋳造し、その後過渡液相結合のような結合プロセスにより結合すると、本質的に欠陥のない高品質のタービン翼が低コストで製造できる。
【００１０】
鋳物の各部のサイズを減少すると、最終製品の品質が向上する。即ち、鋳物の各部が小さいと、粒界、裂片及び小斑点の発生が減少する。さらに、鋳造部分を中実部分として選択できるため、比較的かどばった形の中子の周りでの鋳造に関連する問題を回避できる。これらの方法により、欠陥鋳物が製造される確率が減少し、鋳造の歩留まりが８０乃至９０％のオーダーとなる。
【００１１】
翼構造のセグメント方式による組立てを基本とする本発明の方法は、脆弱性の低い結合面が熱的、空気力学的及び機械的条件を総合的に満足するようにセグメントに分割する。このセグメント化は、部品の鋳造を容易にし、組立を簡単化し、また結合面を最小応力箇所に位置させる、小さなセグメントへの分割より成る。セグメント化設計プロセスは好ましくは、結合面に亘って有意な荷重を受けない連続性のあるゆっくりした曲面を突き止める。部品表面から急激な曲率及び凹んだ及び突出した特徴部分をなくすることにより、鋳造の歩留まりが向上するだけでなく、結合時、結合用媒体の適用並びに部品の取付け具への装着が容易になる。
【００１２】
過渡液相結合プロセスは、最先端の単結晶の大型翼を結合する機会を与える。結合用フォイルの化学的性質を単結晶構造の結合領域にわたって構造が連続するように調製することができるが、これは母材金属中だけでなく結合領域においても最適のγ／γ´構造が得られるように結合後の熱処理を適合できることを条件とする。結合領域の微細構造を母材の微細構造とマッチさせるだけでなく、結合用フォイルを母材に用いる熱処理プロセスに適合するように選択する。
【００１３】
ＣＡＤを最新式の有限要素モデル（ＦＥＭ）法と組み合わせると、セグメント化した小部品の製造及び機械的分析が極めて容易になる。これらの手法は、中実のモデルを別個のドメインに分割するセグメント化した表面により翼の幾何学的形状の画定を可能にする。セグメント化は、原型の翼からスタートして、セグメント化表面となり得る表面を選択し、それらを表面にかかる予想荷重の観点から量的に評価することにより行う。次いで、鋳造及び結合を容易にする滑らかで連続する表面を提供するという観点から、それらの表面を質的に検討する。その後、鋳造品質を損ない結合を不可能にするかどばった隅部のような特徴部分を無くするように、選択した表面を修正することができる。修正済みの表面を、その後、ＦＥＭにより再分析して結合ラインにかかる可能性のある荷重を再評価することができる。
【００１４】
現在の翼設計における条件には、高サイクル疲労、低サイクル疲労、クリープ、塑性、熱-機械的疲労が含まれる。結合表面となり得る表面のＦＥＭ分析により、結合する金属の機械的特性がこれらの条件を満たすか否かが分かる。実際、結合領域の特性はこれらの条件により決まる特性を越えるものでなければならない。この結合プロセスは母材金属の性能の９０％を目標とすることが好ましいが、その結果得られた材料特性は結合部で低下しているため、結合表面を動作時にかかる応力が最小のところにくるようにする。
【００１５】
本発明によると、陸用タービンのタービン翼を製造する方法であって、タービン翼を形成する単結晶スーパーアロイを選択し、スーパーアロイの複数の個々の鋳物により形成されるタービン翼の複数のセグメントを選択し、複数のセグメントをスーパーアロイを複数の鋳型で鋳造することにより形成し、複数のセグメントを過渡液相結合により結合し、結合した複数のセグメントを折出熱処理するステップよりなり、複数のセグメントの部位は隣接するセグメント間の接合部が低応力箇所に来るように選択されていることを特徴とするタービン翼の製造方法が提供される。
【００１７】
本発明の上記及び他の側面は、以下の説明からさらに明らかになるであろう。
【００１８】
【詳細な説明】
本発明によると、単結晶スーパーアロイ製タービン翼を高い歩留まりで製造することにより、タービン用単結晶翼のコストが削減される。現在、大型の陸用タービン翼については、単一の鋳物としての翼の予想歩留まりは２０％未満であるが、主要な問題点は鋳物の厚さにある。鋳物の厚さを約２または２．５ｃｍ（約０．７５または１インチ）未満に減少させると、欠陥が少なくなり歩留まりが増加する。翼の半部の鋳造歩留まりは、厚さが薄いため９０％のオーダーになる筈である。結合歩留まりもまた約９０％になるはずである。従って、本発明の結合翼の製造歩留まりは、単一の鋳物の予想歩留まり２０％とは対照的に、約８０％またはそれ以上である。
【００１９】
本明細書中に用いる用語「タービン翼」は陸用ガスタービンの部品を意味するものであり、かかるタービンの動翼及び静翼を含む。動翼は通常、翼形部分と、プラットフォームを含む根元部分とより成る。静翼は通常、中央の翼形部分と、動翼の根元部分に匹敵すると考えられる２つのシュラウド部分とより成る。タービン翼は比較的大型の部品で、好ましくは全長が少なくとも３０．４８ｃｍ（１２インチ）、翼形の翼弦が少なくとも１０．１６ｃｍ（４インチ）、翼形の厚さが０．７９ｃｍ（５／１６インチ）である。動翼の翼形部分の最小長さは好ましくは約１７．７８ｃｍ（７インチ）であるが、その翼の根元部分の最小長さは少なくとも約１２．７ｃｍ（５インチ）である。かかる動翼の根元部分は少なくとも約７．６２ｃｍ（３インチ）の幅を有する。本発明の方法により製造されるタービン翼は通常、全長が約４５．７２ｃｍ（１８インチ）であり、その翼形部分の長さは約２７．９４ｃｍ（１１インチ）、根元部分の長さは約１７．７８ｃｍ（７インチ）である。翼形部分の翼弦は通常、約１５．２４ｃｍ（６インチ）であるが、翼形部分の厚さは通常、約２．５４ｃｍ（１インチ）である。根元部分は約１０．１６ｃｍ乃至１２．７ｃｍ（４乃至５インチ）の幅を持つのが一般的である。動翼の翼形部分は翼の全重量のほぼ約２０パーセントを占めるが、根元部分は全重量のほぼ８０パーセントである。本発明の方法により製造されるタービン翼の重量は４．５４ｋｇ（１０ポンド）以上であるのが好ましく、通常は約９．０８乃至１３．６２ｋｇ（２０乃至３０ポンド）である。これは、重量が通常、約０．９１ｋｇ（２ポンド）で各部の寸法が小さい航空機用タービン翼とは対照的である。
【００２０】
本発明によると、結合部のない単体として鋳造されるのが一般的であるガスタービンの翼を、結合表面が低応力と予想される箇所に沿うところにある場合、また結合面が鋭いかどばった突出部または凹部を含まない場合、２またはそれ以上の部分に分けて鋳造し、その後これらの部分を結合することができる。低応力と予想される１つの領域は、翼形のほぼ中間面またはカンバ線に沿ったところにある。その後、このカンバ線の面を翼の根元部分に延長して翼を完全に分離する。その後、過渡液相結合法のような高品質の結合プロセスによりこの表面に沿って結合すると、運転時最小の応力を経験するに過ぎないと予想される領域に高い一体性をもつ結合部が得られる。
【００２１】
カンバ線に応じて選択する表面は、通常、運転時非常に低い横断方向の応力がかかる表面である。翼内の応力はこの領域で比較的緩やかに変化するため、実際の結合表面として、このカンバ線の表面に非常に近いところに選択することができる。結合表面は、運転時結合面を横断する方向に応力集中が生じるため、結合面を横切る鋭い凹部及び突出部は回避しなければならない。カンバ線の面に近く、しかしながら突出部及び凹部を回避するという２つの基準を組み合わせるこの好ましい方法は、カンバ線に基づく幾何学的断面からスタートし、その断面上の任意の凹部及び突出部の曲率半径を増加させることである。この修正した断面を有限要素分析法により分析すると、全ての点における応力がその材料の性能限界よりも充分に小さいことを確認することができる。結合表面上の凹部及び突出部を完全になくすことは必要条件ではなく、またかかる凹部及び突出部が存在すると、特に、タービンの回転により発生する遠心応力が作用することにより、結合した翼の機械的性質を改善するある程度の機械的噛み合いが得られる。
【００２２】
中心線は、翼セグメントの最初の主要な結合面を画定する。翼形の先端部及び後端部の外壁面へ切込みを、その後、幾何学的関係を考慮して修正する。先端部の壁の切込みは、通常は単体鋳物のワックスパターンの中子鋳型の分割ラインである先端部の半径の頂点によって決まる。後端部では同じ方法を用いるが、後端部の半径の頂点が結合面の位置を決定する。セグメント方法を修正した後、新しい結合面にかかる予想設計応力を有限要素モデルを用いて再分析し、結合する金属の予想特性と比較する。
【００２３】
本発明のさらに別の実施例によると、翼形をプラットホーム及び根元部分から分離することにより、非常に厳格な条件下で翼形を非常に高精度の構造体として鋳造することが可能になり、同時にプラットホーム及び根元部分を異なる条件で鋳造することもできる。個々の鋳物の長さ及び厚さを減少することにより、鋳造歩留まりを改善できる。この構成において、翼形からプラットホームへの連続部分は翼形−プラットホームの隅肉半径の底のパターンに追従し、プラットホーム内に少なくとも充分に深く延びるため、局部的な半径方向の応力は結合する材料特性の目標レベルよりも低下する。これは、応力が断面に亘って非常に低く均一な翼形の壁厚に等しい深さで生じる。この位置で、運転温度もまた翼形の温度よりも数百度低下する。
【００２４】
翼の残りの部分のセグメント化は、プラットホーム及び根元のシャンク領域を分割して対にすることより成る。このセグメント化により主として鋳物各部のサイズが減少するため、鋳造歩留まりがさらに向上する。根元の残りの部分をほぼ等しい厚さになるように分割することが可能である。この分割により、本質的に１つの方向に連続して湾曲した表面が得られる。
【００２５】
必要な強度が、例えば親金属の約８０％未満である結合表面を選択することにより、全ての設計基準を満足することができる。結合プロセスはモジュラスを変化させず翼の最終的幾何学的形状は結合した鋳物或いは単片の鋳物と同じであるため、周波数の変化は予想されない。結合表面は熱−機械疲労または低サイクル疲労が限界値に近付くそれらの場所から離れた所に特別に選択する。特に、結合領域では、熱-機械疲労及び低サイクル疲労寿命を越えると特性がかなり減少する。種々のモードの定常及び振動応力の方向は結合平面の横断方向ではなくて、それに平行であり、或いは非常に低いレベルである。
【００２６】
図１は、セグメント方式により従来のコア付き翼をその中間で実質的に分割して２つの翼半部を形成する態様を示す。根元部分の結合表面は、翼のカンバ線から根元部分の中心面への結合面の推移を可能にする比較的緩やかな曲面である。
【００２７】
図２は、翼形の一部の有限要素分析の結果を示す輪郭応力図であり、予想される応力が翼材料の予想性能特性よりも充分に低いことを示す。
【００２８】
ＣＭＳＸ−４のような単結晶スーパーアロイにおける結合面の選択は、本発明の過渡液相結合プロセスによると、母材金属の予想される性能のほぼ８０または９０％の性能が結合領域で得られるという事実に基づく。この結果を、有限要素分析法により求めた必要な性能／強度と比較すると、選択した結合表面に必要とされるのは母材金属の特性の２０％以下であることが分かる。
【００２９】
単結晶翼の重要な横断面は、例えば約１０２ｍｍ（４インチ）の厚さであろう。翼を多数の部分から構成されるように設計すると、この横断面を最も幅広の箇所でほぼ２５ｍｍ（１インチ）またはそれ以下に減少できる。翼高の大部分では、鋳物の厚さは約１３ｍｍ（０．５インチ）未満である。横断面の幅を、例えば約１３ｍｍ（０．５インチ）から６ｍｍ（０．２５インチ）へさらに減少すると、鋳物品質及び歩留まりがさらに向上する。
【００３０】
別の実施例によると、タービン翼の根元部分を２つの小部分として鋳造することができる。このようにすると、欠陥レベルが高い厚い根元部分に関連する鋳造の歩留まりが低いという問題を回避できる。根元部分の歩留まりは、鋳物の断面のサイズを減少させると、一般的に増加する。その結果、単結晶翼を高い歩留まりで製造することが可能となり、タービン翼のコストが減少する。
【００３１】
この実施例では、通常は単片部品として鋳造するガスタービン翼を４つの小部分よりなるものとして鋳造し、後でそれらの滑らかに変化する結合面に沿って結合する。カンバ線に沿う翼形部分の最初の分割は、上述したように行う。これら各セグメントを翼の根元部分に亘ってさらに分割する。この分割により生じる表面は、本質的に一連の平面部分である鋳物の外側表面と、前のセグメント化により画定される内側の結合表面との間のほぼ中程にある。
【００３２】
この表面は、運転中低荷重にさらされるはずであり、急な凹部または突出部が含まれるようにすべきではない。内側の／元の結合表面は表面輪郭を最小にするような制約があるため、新しい結合表面は曲率半径が大きい凹部及び突出部をもつように制限される。従って、それらは、翼の最初の分割により生じるものよりも格段に低い応力集中を与える。さらに、根元部分の厚い横断面及びその根元部分が曝される比較的低い温度により、これらの二次結合ラインにかかる応力は比較的小さい。
【００３３】
修正した断面を有限要素分析法により分析することにより、全ての点における応力が材料の性能限界以下であることを確かめることができる。結合表面の凹部及び突出部を完全になくすることは必要条件ではない。外部の根元部分と内部の根元／翼形部分との間には、ある程度の機械的な噛合いのあることが望ましい。かかる噛合いは、二次結合表面を外部根元表面と内部の一次結合面の間のほぼ中間に位置させる条件を設定すると実質的に得られる。最後に、根元／翼形領域における各部の急激な移行を回避するためには、翼形の内側鋳物セグメントを翼の根元部分に入る所で僅かに末広がりにし、外側部分をこの移行部分を収容するために中空にする。このようにすると、遠心荷重下において機械的な一体性を与える、ある程度の機械的な噛み合いが得られる。
【００３４】
図３は、４つのセグメント１２，１４，１６，１８よりなるタービン翼１０を示す。
【００３５】
図４は、これら４つのセグメント１２，１４，１６，１８を組立てた状態のタービン翼１０を示す。
【００３６】
図４ａは、図４の多セグメントタービン翼１０のプラットホーム／根元部分に沿う横断面図であり、組立てたタービン翼の部分１２，１４，１６，１８の横断面を示す。
【００３７】
図５は、４つのセグメント１２，１４，１６，１８より構成されるように設計された組立て済み翼の斜視図である。この実施例では、合金、例えばＣＭＳＸ−４の性能の２０％を越える応力は結合表面にかかっていなかった。
【００３８】
本発明方法のさらに洗練された態様として、翼形部分を、根元の全長にわたって延びず、根元部分と翼形部分の間の適当な接着を可能にする深さまで延びる長さにすることができる。或いは、翼形の断面が薄いため、翼形を単片鋳物として鋳造することにより翼形の２半部の結合を不要にすることができる。これら２つの特徴はそれぞれ独立に採用可能であるが、図６は、これらを同時に採用して翼形の質量を減少させると共に結合プロセスを節減する方法を示している。図６では、３つの別個のセグメント２２，２４，２６を結合することによりタービン翼２０を組立てる。
【００３９】
用途により、単結晶の性能が必要であるのはタービン翼の翼形部分だけに過ぎない。翼質量の大部分を占める根元部分は、単結晶材料を必要とする高い温度と応力には曝されない。単結晶翼形の採用により翼の品質及び歩留まりが向上するだけでなく、翼の根元部分を多結晶で製造すると、翼の多結晶部分のコストが低いため翼のコストを著しく削減できる。この実施例は、全体を単結晶で製造するタービン翼と比べると実質的なコストの削減を可能にする。
【００４０】
この実施例において、ガスタービン翼を４つの部分に分けて鋳造し、その後これらを結合して、少なくとも１つの単結晶部分と少なくとも１つの多結晶部分とよりなる完全な翼を形成する。製造した翼の外側根元部分は多結晶スーパーアロイよりなるが、翼形部分は単結晶スーパーアロイ鋳物よりなる。それらの分割は上述したように行う。しかしながら、全部の鋳造セグメントを単結晶合金から鋳造するのではなくて、外側根元部分を単結晶と適合する低コストの多結晶合金から、結合媒体及び熱処理プロセスを用いて鋳造する。
【００４１】
この実施例において、２つの多結晶セグメントは、翼形の基部から翼の根元の端部へ延びる。多結晶材料が結合サイクルを生き延びるためには、全ての結合プロセスを多結晶材料熱処理サイクル及び温度能力に適合する温度で行う必要がある。或いは、単結晶材料を最初に高温で結合した後、多結晶材料を低温で結合する。
【００４２】
コストを削減するためには根元部分の単結晶材料の量を減らす必要があるため、翼形部分を根元部分内に少ない距離だけ延びるように短くしてもよい。多結晶の根元部分を、単結晶部分から変位した材料の代わりになるように調整する。翼形を単体として鋳造し、２つの単結晶セグメントの結合を不要にする、即ち３つの部分よりなる構成にすることも可能である。
【００４３】
結合可能な材料を選択するにあたり、材料の熱処理サイクル適合性だけでなく微細構造の適合性を考慮する必要がある。普通はフォイルである結合媒体は、局部的融点を過渡的に低下させ、また凝固後の結合領域の化学的性質を制御するために、選択する。熱処理サイクルは、結合を可能にし且つ結合領域だけでなく合金本体内に適当な微細構造が発生するように選択する。単結晶及び多結晶合金は異なる温度で熱処理されまた結合され、単結晶の温度は多結晶の温度よりも一般的に高いため、単結晶セグメントを多結晶セグメントと結合する熱プロセスは単結晶及び多結晶セグメントに最適構造が生じるように注意深く選択する必要がある。
【００４４】
過渡液相結合のような高品質の結合プロセスを用いる目的は、通常、金属セグメントの本体内と同一の化学的性質及び微細構造を結合領域内に発生させることである。これは、一般的に、溶解及び再凝固時に優先的に生じる偏折を考慮して、結合用フォイルの化学的性質を母材金属の化学的性質にマッチさせることにより達成する。しかしながら、Ｔｉ及びＡｉのような元素は、母材金属から浸出して、凝固後結合ラインの中央に偏折する傾向があるため、結合用フォイル中のそれらの元素の量を母材金属に比べてを減少させなければならない。多結晶合金及び単結晶合金は化学的組成が異なるため（表１を参照）、結合用フォイルの組成を単結晶−多結晶結合部の両側で同一となるようにマッチさせることはできない。しかしながら、合金の組合せによっては組成及びγ′相体積率が非常によく似たものがあるため、同様な組成の多結晶合金及び単結晶合金を選択して、それらの組成を個々の合金のいずれかの結合に用いる結合用フォイルにマッチさせることが可能である。
【００４５】
表１は、幾つかの単結晶及び多結晶合金の組成を示す。この表から、単結晶合金の幾つかの組は幾つかの多結晶合金に組成が近い、例えばＣＭＳＸ−４とＣＭ１８６、ＰＷＡ１４８０とＭａｒＭ２４７、ＳＣ−１６とＩＮ７３８があることが分かる。実際、ＣＭＳＸ−４とＣＭ２４７は過渡液相結合プロセスにより良好な結合を形成できるほど十分に化学的性質及び構造が近い。これは、これら合金間の実質的違いがレニウムの含有量にあり、レニウムは固相及び液相状態で容易に拡散しないからである。さらに、結合領域を横切る方向でレニウム量に勾配をつけると、結合部の性能にとって有害でない緩やかな変化が構造及び特性に得られる。
【００４６】
【表１】
0004240808.tif 000002
【００４７】
表２は、単結晶及び多結晶合金の組を結合するために使用可能な結合用合金の例を示す。アルミニウムの豊富な単結晶の合金の適当な組合せは、Ｎｉ−Ｆｌｅｘ型合金を用いて結合することにより得られる。これらのフォイルはまた、このタイプの多結晶合金（例えば、ＣＭ２４７、ＭａｒＭ２４７及びＭａｒＭ００２）にも使用できる。従って、これらの結合用フォイルを用いてＣＭＳＸ−４型単結晶合金を、例えばＣＭ２４７である同じクラスの多結晶合金に結合することができる。逆に、クロムの豊富な材料、例えば単結晶ＳＣ−１６型をＩＮ７３８型多結晶合金に結合するためには、ＭＦＢ８０／８０Ａなどのタイプのフォイルの使用が好ましい。
【００４８】
【表２】
0004240808.tif 000003
【００４９】
単結晶合金を多結晶合金に結合する一例として、単結晶ＣＭＳＸ−４を多結晶ＣＭ２４７合金に結合する。好ましい結合プロセスは、０．０５ミクロンの仕上げに機械研磨した表面と、１．３％のホウ素を含むＮｉ−Ｆｌｅｘ１１０フォイルと、２２５０°Ｆの結合温度と、４時間の結合時間である。
【００５０】
図７は、結合ラインの構造を低い倍率で示す。
【００５１】
図８は、単結晶ＣＭＳＸ−４と多結晶ＣＭ２４７の間の結合の対応する化学的性質の変化を示す。
【００５２】
翼部品を完全なプロセスとして結合するためには、その部品の単結晶及び多結晶部分の両方の熱処理サイクルを一体化することが好ましい。特に、従来の多結晶材料鋳物は単結晶材料に使用する溶体化熱処理のための高温に耐えることは一般的に不可能である。表３ａ−ｃは、単結晶合金ＣＭＳＸ−４及び多結晶合金ＣＭ２４７に使用可能な典型的な熱処理サイクルと、２つのサイクルから完全な単結晶／多結晶製翼を結合する熱処理サイクルの組み合わせをいかに導き出すかを示している。
【００５３】
【表３ａ】
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【００５４】
【表３ｂ】
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【００５５】
【表３ｃ】
0004240808.tif 000006
【００５６】
この組み合わせサイクルでは、単結晶部分は鋳造のままの状態で結合される。その後、結合した単結晶部分を比較的高い温度で溶体化処理する。溶体化処理した単結晶セグメント及び鋳造のままの状態の多結晶セグメントは、多結晶材料を結合するために使用する条件で結合する。このステップは、単結晶合金中に一次γ′相の成長を誘起する。その後、結合した部品に別の時効ステップを施して多結晶合金中に一次γ′相を成長させ、また単結晶合金中に一次γ′相をさらに成長させる。この結合体を最終的な低温時効ステップにかけるが、このステップにより両方の合金中において一次γ′相が変性されると共に二次γ′相が成長して、単結晶／多結晶製の翼中に最適化された微細構造が生じる。前の表に示す温度及び時間は、全体構造及び特性を最適化させるために完全な熱処理サイクルを選択する方法を示している。
【００５７】
単結晶ニッケル系スーパーアロイを結合するためには、母材と組成が同一であるがフォイルの融点を低下させるための融点抑制剤を約１乃至約３重量％含む結合用フォイルを用いる。主要な元素の組成は、凝固後結合領域に亘ってほぼ均一な化学的分布が得られるように母材に近い。
【００５８】
ベースト状またはフォイル状の結合フォイルの化学的性質及び結合に必要な熱サイクルは、その結果得られる接合の化学的性質及び微細構造が連続的な勾配をもつように、また接合領域の特性が一般的に母材単結晶または多結晶材料間にあるか或いは弱い方の母材部品の特性の少なくとも約８０％であるように制御する。しかしながら、翼形の領域のようなタービン翼の重要な部分では、母材の完全特性を実現する。
【００５９】
結合プロセスは、フォイルの融点よりも高いが合金のマクロな融点よりも低い、例えば約１００乃至１５０°Ｆ低い温度で等温的に行う。結合熱サイクルは、固相拡散によりホウ素を結合界面から離れる方向に十分に分散させて局部的融点を上昇させ、それによって材料が単結晶の従来の熱処理に適するようにする。その方法は、ＣＭＳＸ−４などのような単結晶合金の結合に使用できる。
【００６０】
陸用ガスタービンの翼のような大型部品を結合するための部品の調製を行うには、２つの結合表面が、約０．００２５ｃｍ（０．００１インチ）のオーダーで非常に良好にマッチ、またはぴったり適合しなければならない。この精度は、部品鋳造後に表面を低応力研削／切削加工するかまたは結合部品を共電気放電加工（co-electrodischarge machining）することによって得る。これらの手順により、約０．００２５ｃｍ（０．００１インチ）内にある表面輪郭が得られる。この方法はまた、単結晶合金の高温溶体化処理、例えば２４０８°ＦにおけるＣＭＳＸ−４の溶体化熱処理を含むその後の結合及び熱処理時に、再結晶を生ぜしめないように十分にひずみのない表面を形成させる。
【００６１】
本発明の一実施例によると、ガスタービン部品の単結晶部分を互いに結合できるため、欠陥のない単結晶の動翼及び静翼を低コストで製造できるだけでなく、従来の単片鋳造によっては製造できなかった正確に波形の冷却チャンネルのような最先端の幾何学的特徴部分を組み込んだ最新式部品の製造が可能である。本発明の方法により、ガスタービン用の複雑で欠陥の全くない単結晶部品を高い歩留まりで製造できる。
【００６２】
単結晶ガスタービン部品が曝される過酷な温度及び応力動作条件のため、結合した単結晶は結合ラインを横切る方向で連続するほぼ最適の化学的性質、結晶組織及び微細構造をもつ必要がある。これらの条件下では、結合領域の性質が、母材の機械的性質が満足する必要のある条件を決定する。特に、耐高温強度条件により、結合領域におけるγ／γ′相の微細構造は単結晶の他の部分の微細構造と実質的に等価でなければならない。合金ＣＭＳＸ−４のような第２世代のスーパーアロイでは、これはほぼ０．５μｍのγ′立方形の連続する規則的な構成で、立方形間のγチャンネルにはγ′相の細かい球状の二次及び三次分布がある。
【００６３】
図９は、単結晶合金ＣＭＳＸ−４のこの最適構造を示す。この構造は、クリープ抵抗のような最適の高温時間依存特性を与えるように最適化されている。
【００６４】
過渡液相結合は、スーパーアロイに高品質の接合部を形成する接合方法である。等温プロセスでは、結合材、例えばフォイルもしくは塊状ペーストの薄い条片を結合される２つの材料部分の間に配置する。この結合材は基部の材料と同じであるが、合金中において迅速な固相拡散を示す融点抑制元素を別に含む。ニッケル系合金では、ＳｉとＢが好ましい融点抑制剤である。単結晶部品の結合を必要とする高温の用途では、Ｓｉには腐食の問題があるため、ホウ素が好ましい。
【００６５】
本発明の結合方法は、フォイルの融点よりも高いが母材のかさ融点より低い温度の実質的に等温プロセスで実施する。ホウ素が豊富なフォイルは、溶融するにつれて、接合部の両側の母材を湿潤化し、母材金属の一部を溶解させて広い液相領域を与える。液相領域が広くなるにつれて、ホウ素が平衡液化濃度になる程融液プールがホウ素につき十分に希釈化されるまで液体中のホウ素濃度が減少する。それと同時に、固相拡散によりホウ素が結合プール領域から除去される。これら２つのプロセスにより、結合材プール中の融点抑制剤が欠乏状態となり、結合剤プールが等温再凝固して最後に２つの凝固フロントが結合剤のほぼ中心線で交わる。
【００６６】
結合媒体の化学的性質及び結合プロセスの温度を注意深く制御することにより、結合領域内の母材の化学的性質及び微細構造を再生するように本発明の等温結合プロセスを制御することができる。
【００６７】
結合プロセス時、ある特定のパラメータを制御するのが好ましい。融点抑制剤は、結合用フォイルが母材よりも著しく（即ち、数百°Ｆ）低い温度で溶解するように十分な量でなければならない。結合温度は、結合用フォイル及びそれと同様な厚さの母材とを溶解させて、よく混合された、優れた結合領域を形成するに十分な値でなければならない。結合用フォイルの量は、母材を溶融させ且つよく制御された、優れた結合部を提供するような十分な大きさでなければならない。結合領域の溶融及び再凝固は、結合領域内に有害な化学的及び相分離が生じないように十分によく制御しなければならない。結合用フォイルの主要な元素（即ち、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂなど）の化学的性質を結合すべき材料と十分にマッチさせることにより、結合領域の化学的性質及び構造が母材のそれと実質的に連続性を有するようにする必要がある。結合用フォイルの組成は、溶融領域で幾分かの混合が生じるため母材と同一である必要はない。また、Ａｌ及びＴｉは偏析して最終材料となり固化するから、これらの元素を結合用フォイルから除去して結合部の中心線に有害なγ´共晶が形成されないようにする。さらに、用途によっては、結合部にわたる結晶の性質を制御またはマッチさせる、即ち、結合される部分の結晶方向をマッチさせるのが好ましい。母材の組成及びその融点、結合用フォイルの主要元素の組成、等温結合のための温度及びホウ素の量は全て、本発明のプロセスにより生じる結合部の化学的性質及び構造を決定する相互に作用する変数である。ホウ素をニッケル系合金に添加すると、その融点が１重量パーセント当たり約１００-１５０°Ｆ抑制される。融点が２４００°Ｆを超え、偏析した鋳造のままの形態の初期融点が幾分低いと、約１乃至約３重量パーセントのホウ素を含むフォイルの融点は２０００°乃至２３００°Ｆの領域まで低下し、それにより全体でなくて局部的な溶融が可能になる。結合用フォイルの主要な元素組成の理想は母材に非常に近いことであるが、その間にかなりの差があっても実際には問題ない。単結晶スーパーアロイ中の多数の合金元素により、組成に小さな変化があっても融点が著しい影響を受けることはない。また、母材が結合領域の溶融プール内に溶解すると、結合用フォイル及び母材金属の組成の差が補償されるようになる。さらに、レニウムのような一部の高価な元素は、コストを低下させるためには、フォイルにとっては望ましいものではない。最後に、結合領域の再凝固時、共晶γ´の形成を抑制するために、結合用フォイル中のチタン及びアルミニウムの含有量を減少させる必要がある。
【００６８】
本発明の方法は、ニッケル系単結晶スーパーアロイＣＭＳＸ−４に適用可能である。この合金の組成を表４に示す。また、ＣＭＳＸ−４の単結晶との過渡液相結合部を形成するために使用可能な幾つかの結合用フォイルの組成も表４に示す。
【００６９】
【表４】
0004240808.tif 000007
【００７０】
タングステン（Ｗ）のフォイル１乃至４は、ＣＭＳＸ−４合金の組成の派生物であり、融点抑制剤として１．５重量パーセントのホウ素が添加されたものである。Ａｌ及びＴｉの量は、ＣＭＳＸ−４結合部の化学的性質及び構造に対する共晶γ´を形成する添加物の影響を調べるため調整される。Ｎｉ−Ｆｌｅｘのフォイルは、Materials Development Corporation of Medford, MAからシリーズで市販されているフォイルである。これらフォイルの組成はＣＭＳＸ−４と大きな違いがあるように思えるが、以下に述べるように、これらのフォイルのいくつかにより優れた結合部分が形成された。
【００７１】
結合温度は、フォイルの融点と母材の融点との間になるように選択する。ホウ素はニッケル合金の融点を１重量パーセント増加させる毎に約１００乃至１５０°Ｆ低下させるため、１乃至３重量パーセントのホウ素で単結晶合金の融点を２４００°Ｆから２０００乃至２３００°Ｆの範囲内に抑制する。結合温度をホウ素の含有量に関して制御すると、結合領域の幅、溶解時に生じる元素の混合及び再凝固時に起こる偏析が決まる。高温で結合させると、融解したフォイルによって結合表面が迅速に湿潤化され、結合部のプールがよく混合され、ホウ素の固相拡散が加速されて再凝固プロセスの速度が増加する。高温での結合はまた、少ない量のホウ素を含むフォイルの使用を可能にするため、凝固プロセス時固相拡散を広範囲に生ぜしめホウ化物の粒子を形成させる必要がなくなる。
【００７２】
初期の試行後、結合用フォイルに対して２２５０°Ｆで４時間行う結合サイクルを選択したが、その理由は、この温度が結合領域形成の制御を可能にし、有害なγ´相を成長させないように思えたからである。母材合金及びフォイルの合金成分の含有量が多いため、フォイルの金属元素の組成は母材合金の融点の低下にはそれほど影響を及ぼさない。しかしながら、再凝固した結合領域の化学的組成及び熱処理時に結合領域内に生じる微細構造にはかなりの影響を与える。
【００７３】
凝固後の結合領域内の元素の化学的偏析は、結合領域のサイズ及び結合プロセスの第１段における母材金属の溶解度により制御される。それはまた、母材の状態、即ち偏析されるか均質化されるかにより、異なる影響を受ける。この問題は、偏析された鋳物のγ´が豊富な樹枝状間領域が優先的に溶解することにより結合ラインにγ´共晶が形成される、鋳造のままのＣＭＳＸ−４をホウ素含有量の多いフォイルにより結合する際明らかとなる。この共晶材料はその後結合ラインに再溶着する。この問題は、ホウ素を多量に含むフォイルを用いる場合、均質化され且つ溶体化処理されたＣＭＳＸ−４を用いることにより軽減または回避することが可能である。この場合、均質化された構造物は均一に融解して、γ´共晶を形成する元素の濃度が低い融解プールを生ぜしめる。その結果、再凝固した結合領域は有害なγ´共晶を有しない。
【００７４】
【表５】
0004240808.tif 000008
【００７５】
結合後の熱処理により、結合領域上だけでなく母材金属の残りの部分における化学的性質及び構造を最適化する必要がある。この熱処理サイクルは鋳造及び再凝固後に得られる偏析構造を均質化し、また強化γ´析出物の最適の形態を析出及び成長させる必要がある。ＣＭＳＸ−４について推奨される従来の溶体化及び熱処理サイクルは、これを達成するのに適切である。溶体化処理は、表５に示すタイプの勾配熱処理である。このサイクルの間温度をゆっくり増加すると、初期の融解を、局部的な融解温度を上昇させる固相相互拡散を許容することによって実質的に回避することができる。この結合及び溶体化熱処理プロセスは鋳造のままの単結晶を均質化するのに効果的であり、また再凝固した結合領域を均質化するのにも効果的である。さらに、単結晶をホウ素が分散する速度を増加させ、これによりホウ素が豊富な結合ラインの溶融を阻止するのにも効果的である。例えば、温度勾配を緩やかにすると、２２５０°Ｆで４時間処理した後に形成された結合領域が母材ＣＭＳＸ−４の２４０８°Ｆの溶体化処理ピーク温度よりも低い融点を持つという潜在的な問題を回避する手助けとなる。２２５０°Ｆで４時間の処理は偏析した単結晶の均質化を促進し、またホウ素の拡散は金属合金元素の拡散よりもより早いため、このサイクルを短縮化する可能性が存在する。
【００７６】
溶体化熱処理後、強化γ´析出物の最適な形態を生ぜしめるために析出熱処理手順を実行するのが好ましい。ほぼ０．５μｍの立方形一次γ´析出物を生ぜしめ、立方形間の母材チャンネルに球状の二次及び三次γ´析出物を分散させるために、２０８４°Ｆで４時間、そして１６５０°Ｆで２４時間の処理を行う。単結晶母材合金を処理するために生み出されたこれらの熱処理を施すことにより、結合領域だけでなく結合部品の未結合部分の微細構造の熱処理を最適に行う。
【００７７】
図１０及び１１は、単結晶ニッケルスーパーアロイの母材領域及び結合領域をそれぞれ示す顕微鏡写真であり、好ましい条件下で結合された試料の結合領域と結合領域から離れた所に同じような構造が生じていることが分かる。ＣＭＳＸ−４の単結晶を結合する好ましい条件は、１．３重量パーセントのホウ素を含むフォイルを使用し、２２５０°Ｆで４時間結合処理をした後、最高２４０８°Ｆの勾配熱処理により溶体化熱処理を行い、４乃至６時間の間ホールドし、室温まで冷却した後、２０８４°Ｆで４時間、そして１６５０°Ｆで２４時間析出熱処理を行う。この処理により好ましい構造が得られる。このプロセスの他の変形例を用いて受け入れ可能な微細構造を生ぜしめることも可能である。
【００７８】
【表６】
0004240808.tif 000009
【００７９】
【表６ａ】
0004240808.tif 000010
【００８０】
表６及び６ａは、表４に示すフォイルを処理して均一な結合構造を得るための方法を示す。この表はまた、処理時に生まれる重要な微細構造の特徴を示す。
【００８１】
図１２は、ＣＭＳＸ−４をホウ素含有量の低い結合用フォイルの１つにより結合すると生じるクリーンな結合領域を示す。
【００８２】
図１３は、溶体化熱処理後の対応顕微鏡写真を示す。
【００８３】
図１４は、溶体化処理済み領域の化学的分析結果を示すグラフである。
【００８４】
図１５及び１６は、この処理により生じる最適γ´構造を示す。
【００８５】
比較のため、図１７，１８，１９及び２０は、ホウ素含有量の多いフォイルによる結合時に生じた構造を示す。結合後に現れる共晶粒子（図１７及び１８）はその後の溶体化処理により除去され（図１９）ており、最適構造に近い構造を析出熱処理により生ぜしめすことができる(図２０)ことに注意されたい。
【００８６】
本発明の一実施例によると、製造された単結晶タービン部品を過渡液相結合することにより、結合表面間に非常に小さい、よく制御されたギャップが得られる時は、高品質の結合部が形成される。これらの厳密な寸法公差の表面条件は、表面輪郭形成法により再生的に満足することができる。さらに、これらの表面輪郭形成法により生まれる応力は、結合及び熱処理を含むその後の熱サイクル時においてこれらの応力により常温の被加工物の変形層に再結晶が生じないように十分に小さいものでなければならない。
【００８７】
過渡液相結合のための表面は、表面が十分に平らな場合は低応力研削により、また電気的条件が被加工物と工具との間に約０．００２５ｃｍ（０．００１インチ）のスパークギャップを維持するに十分であれば電気放電加工（ＥＤＭ）により、調製できる。ぴったり合わせる必要のある複雑な輪郭の部品の場合、アノードとして一方の結合片を、またカソードとしてもう一方の結合片を用いる共ＥＤＭ（co-EDM）又は共ＥＣＭ（co-ECM）により、かかる表面輪郭を形成できる。その後、例えば厚さ０．００２５ｃｍ（０．００１インチ）のフォイル材又はペースト状の等価物を用いて結合を行うことにより、結合時十分な溶融と再凝固を達成できる。結合領域の材料とその結合材に隣接する材料は、結合サイクルの間あるいはその後の単結晶材料の高温溶体化処理の間、再結晶しない。
【００８８】
再結晶は、成形時歪んだ又は変形した領域を十分に小さい領域に維持することにより、回避するのが好ましい。過渡液相結合プロセスは用いなければ、材料の変形は最小限に抑えられるため、再結晶が生じないか、あるいは生じてもその深さは結合用フォイルの厚さのオーダー、例えば約０．００２５ｃｍ（０．００１インチ）である。結合用フォイルがある場合、冷間加工した層は過渡溶融プロセスにより急速に消費され、母材から単結晶が成長して再凝固プロセスが生じる。これら条件の組み合わせの下において、結合領域における過渡溶融以前には再結晶は起こらない。その後の溶融及び凝固により、欠陥のない単結晶が再生される。単結晶を鋳造のままで切削加工し結合する場合、その後の溶体化熱処理を約２４１０°Ｆもの高い温度で行うことが可能であり、その際結合領域において再結晶は生じない。
【００８９】
単結晶合金ＣＭＳＸ−４は、表面が低応力研削されておれば、以下のプロセスに従って、鋳造のままの状態で結合された後熱処理される。以下のプロセスとは、単結晶部品を鋳造し、粒度９０グリットの粒子と、１００ｐｓｉ未満の空気とを用いた軽いサンドブラストにより鋳型を清浄にし、結合表面を０．００２５ｃｍ（０．００１インチ）以内に平坦に且つ平行に低応力研削し、１．３重量パーセントのホウ素を含むＮｉ−Ｆｌｅｘ１１０フォイルを用い真空状態で６０分の間１６００°Ｆから２２５０°Ｆへ勾配加熱することによって約２２５０°Ｆで結合を行い、表２に示すサイクル（最高温度２４０８°Ｆで４時間、サイクル時間が約１６乃至２４時間）を用いて真空中で結合物体を溶体化処理し、析出処理（例えば、２０８４°Ｆで４時間、１６５２°Ｆで２４時間の２つのステップで析出処理）することである。
【００９０】
低応力研削を行うと、非常に高い寸法公差で仕上げを行うことのできる平坦で平行な表面が１０００分の１インチ以下のオーダーで得られるだけでなく、ニッケル系スーパーアロイに比較的歪みのない表面領域が生じる。かかる研削表面には十分な塑性仕事が貯蔵されていないため、表面に近い領域に再結晶が生じることはない。これらの表面を熱処理する時、表面に再結晶は生じない。特に、結合結材が切削加工表面上に溶融すると、再結晶が阻止される。固相γ´の溶解、局部的な表面溶融及び再結晶の競合するプロセスでは、この局部的表面溶融は最も迅速な速度を有するプロセスである。
【００９１】
図２１は、結合及び熱処理前に低応力研削により調製された２つのＣＭＳＸ−４単結晶の結合部の横断面を示す顕微鏡写真である。表面研削されている試料の別の未結合表面上では、再結晶は抑制されなかった。
【００９２】
別法として、結合表面が約０．００２５ｃｍ（０．００１インチ）のギャップを生じる電気的条件を用いて共電気放電加工により調製されている場合、単結晶合金ＣＭＳＸ−４は、鋳造のままの状態で結合された後、熱処理される。以下のプロセスが使用される。即ち、単結晶部品を鋳造し、粒度９０グリットの粒子と、１００ｐｓｉ未満の空気とを用いた軽いサンドブラストにより鋳型を清浄にし、０．００２５ｃｍ（０．００１インチ）のスパークギャップを生じるに十分な電圧及び電流を用いて結合表面を共ＥＤＭし、１．３重量パーセントのホウ素を含むＮｉ−Ｆｌｅｘ１１０フォイルを用い真空状態で６０分の間１６００°Ｆから２２５０°Ｆへ加熱することによって約２２５０°Ｆで結合を行い、表２に示すサイクル（最高温度２４０８°Ｆで４時間、サイクル時間が約１６乃至２４時間）を用いて真空中で結合物体を溶体化処理し、析出処理（例えば、２０８４°Ｆで４時間、１６５２°Ｆで２４時間の２つのステップで析出処理）する。
【００９３】
図２２は、共ＥＤＭを施した後の試料の表面を含む横断面図である。この図において、ＥＤＭにより形成された薄い再鋳造層は試料の表面にある非常に軽い膜のようとして思える。
【００９４】
図２３は、結合及び熱処理後のＣＭＳＸ−４の横断面図であり、このプロセスにより単結晶の凝固が生じ、結合領域の化学的性質が再凝固されたままの構造を保持していることを示している。
【００９５】
本発明のプロセスは、結合表面近くにおいて材料の再結晶を阻止するに十分な程歪みを発生させない。この特性は、ＣＭＳＸ−４のような単結晶材料に受け入れ可能な過渡液相結合を形成するのに必要である。これらの加工プロセスに加えて、機械的研削による６００グリットの仕上げと、例えばダイアモンド研磨材を用いる０．２５μｍの研磨のような低応力プロセスを用いて、結合に適した歪みが適当に低い表面を生ぜしめることができる。
【００９６】
陸用タービン部品はサイズが大型であるため、設計仕様からのずれが非常に小さい場合でも部品の所望の輪郭からの絶対偏差が大きくなる場合がある。これらのずれは、単片鋳物でも問題であるが、結合部品では部品間の相対的な適合度に影響が及ぶため重大な問題になる。実際、２つの部品間の相対的なゆがみが非常に小さな場合でも非常に大きなギャップが生じ、結合プロセスによって閉じようとしても不完全又はうまく行かない場合がある。受け入れ可能な品質の結合部品を製造するためには、かかるギャップを制限するように鋳造プロセスを制御するか、あるいは部品間のギャップを調整するように鋳造後の処理を修正することが望ましい。提案されるプロセス手順によると、かかるギャップを制御できる簡単な一連の手順及び有効な結合手順が提供される。
【００９７】
本発明の順序に従ってプロセスを実施すると、有害な再結晶を発生を回避できる。再結晶は、金属加工プロセスとその後の熱処理サイクルの組み合わせにより、局部的に新しい粒子を形成させるに十分な常温仕事が貯蔵され、熱エネルギーが発生する場合に生ずることがある。タービン部品に用いるニッケル系単結晶において、かかる加工プロセスには、曲げ加工、押し込み加工、金属加工工具によるチッピング及びグリットまたはショットブラスティングによる過激な清浄が含まれる。これらのプロセスにより生じる損傷は、それらの後にかかる単結晶に必要とされる約２４００°Ｆでの溶体化処理を行う場合、再結晶を生ぜしめる原因となることがある。本発明の好ましい実施例によると、最初の鋳物から製造部品を製造するプロセスは、清浄、結合及び熱処理サイクルを順番に行うことを必要とする。結合部品については、結合前に部品から鋳造用殻の残留物の実質的に全て取り除くことが望ましい。さらに、結合は溶体化処理の前に行うのが好ましい。従って、部品処理の各ステップを再結晶の可能性を回避するように制御し正しい順序で行うことが肝要である。本発明による処理ルーチンを用いると、処理により部品に生じるひずみの量が制限され、結合領域だけでなく結合領域から離れた単結晶内部に最適な特性を与える熱処理サイクルが可能になる。
【００９８】
低応力で注意深く清浄プロセスを実施し、高温成形を制御された態様で行い、且つ適合した部品を共ＥＤＭすることにより、この方法は、多数の鋳造部品から単結晶のタービン翼を製造する簡単で低コストの手順を提供する。
【００９９】
単結晶ガスタービン翼は、以下の手順で、別々に鋳造した部品より製造することができる。即ち、結合前に部品を機械的に清浄にし、高温溶体化熱処理を施す前に部品を結合し、清浄時表面の局部的なひずみにより発生する熱処理中の再結晶の発生を回避し、結合表面にわたって結合部品の良好な適合（例えば、０．００２５ｃｍ（０．００１インチ））を実現し、翼の全長にわたって良好な部品の輪郭を与える。処理された部品の過渡液相結合を含む一体化された手順により、これらの目的を達成できる。
【０１００】
鋳造部品を清浄にし、次の熱処理時に再結晶を生ぜしめるひずみを発生させることなく鋳造部品を所望の形状に正確に合致させることが好ましい。単結晶鋳造部品の鋳型の清浄は再結晶を回避するため溶体化熱処理後に便宜行うが、これらの部品は結合前に十分に清浄にする。溶体化熱処理前に結合すると最もよい特性が得られるため、この清浄ステップは溶体化熱処理の前に行う必要がある。再結晶を発生させる危険性があるため、機械的な磨耗により清浄時に生じるひずみを最小限に抑える必要がある。この必要性により、低応力清浄が絶対必要であるが、結合サイクルの導入により溶体化処理時再結晶が発生する傾向が少なくなる。
【０１０１】
ＣＭＳＸ−４では、研磨粒子が６０グリットよりも良い値に制限され、（駆動）ガス圧が９０ｐｓｉに制限される研磨材による清浄により、単結晶を表５のサイクルを用いて後で溶体化熱処理すると再結晶を回避することが示されている。
【０１０２】
部品の将来の内側表面の清浄が必要であり、また外側表面については結合表面にわたってぴったりと閉じたギャップを維持するための機械的取付け具に接触する全ての領域について清浄作業を行う必要がある。
【０１０３】
長い鋳物について部品の良好な輪郭を維持する問題は、鋳造精度を向上させるかあるいは鋳造部品を機械的に処理することにより解決することができる。鋳造及び熱によるひずみを補償するため部品の鋳型を連続して適合させると、部品及び鋳型の規則的な且つマクロなひずみを受けやすい寸法公差内の輪郭をもつ部品の製造手段が与えられる。しかしながら、部品と鋳型を変えても、作業と作業の間のばらつき及び所望の輪郭からの規則的でないずれは補償されない。小さなずれは、大型の陸用タービン部品の長さ方向にわたり必要な輪郭からのかなりの絶対的片寄りを生ぜしめることがあるため、これらの非規則的あるいは作業と作業の間のばらつきは他の手段によって吸収させる必要がある。多結晶合金は室温で機械的にまっすぐにできるが、単結晶を従来のやり方で処理すると再結晶の危険性があるため、かかる機械的なひずみを回避することができる。しかしながら、温度及びひずみ速度を事実上制御すると、ニッケル系スーパーアロイの単結晶を約４０％のひずみを生じるように折り曲げても再結晶は生じない。このプロセスは、部品の直線化、例えば約２乃至３％の適当な形状変化に利用することができる一方、その後の溶体化熱処理時に有害な再結晶の発生を阻止する。
【０１０４】
本発明によると、部品をオーバーサイズで鋳造し、結合表面から余分な材料を協調した態様で切削することにより、結合する部品間に最小且つ一定のギャップを発生させるという問題を解決できる。次いで、結合表面を約０．００２５ｃｍ（０．００１インチ）以内に整列させて、良好な過渡液相結合が確実に得られるようにする。共放電加工は、結合する部品の表面を仕上げることができるだけでなく、十分に滑らかな仕上げを可能にする。さらに、再鋳造層を制御する場合、結合後の単結晶の再結晶を回避できる。共ＥＤＭ加工では、両方の加工片から材料が除去されるが、これは各加工片を交番的にカソード及びアノードとして用いるからである。部品をオーバーサイズで鋳造することにより、材料を除去する際の寸法交差を大きくすることができる。材料を除去する際電流を制御すると、部品間のギャップ（及びこのギャップの精度）を制御できるだけでなく、再鋳造層の深さも制御できる。再鋳造層の深さは、後の熱処理時に表面及び表面下の割れ及び再結晶の発生を回避するよう最小限に抑える必要がある。加工片間に約０．００２５ｃｍ（０．００１インチ）のギャップを与えるレベルにＥＤＭ電流を維持すると、再鋳造層が後の過渡液相結合時に消耗するように十分に小さい値に制限される。
【０１０５】
図２４は、翼形１０のカンバー線に沿って分離した２つの部分３２、３４より成るタービン翼の翼形３０の横断面図である。これらの部分３２及び３４の界面となる表面には余分な材料３６及び３８が存在する。図２４は、余分の材料の適当な幾何学的関係及びＥＤＭ加工時における電極の運動にこれが如何に関係するかを示す。余分の材料３６及び３８は、図２４に示すように、共ＥＤＭプロセスにおいて電極の運動により除去されるとは逆の方向において結合表面にわたり提供する必要がある。この運動は結合部の全体平面に垂直であるが、結合部の局部平面には垂直ではない。これは、内部に冷却チャンネルを備えたガスタービン翼のようなリブ付き部品には特に重要である。
【０１０６】
結合表面にわたって鋳物に約０．０７６２ｃｍ（０．０３０インチ）の余分の材料が存在するようにし、０．００２５４ｃｍ（０．００１インチ）のギャップになるように共ＥＤＭ加工すると、過渡液相結合に必要な優れた部品の適合が得られる。
【０１０７】
結合時に部品の適合関係を維持するためには、部品が炉内で加熱される際結合表面にわたって応力を維持するように固定することが必要である。この固定用の取付け具は、結合時の高温に耐えなければならない。熱膨張率の差により部品にギャップを閉じる圧縮性応力を発生させるためのセラミック又はニッケル合金点荷重要素を備えたモリブデンの取付け具を用いることができる。
【０１０８】
部品を取付け具に装着する前に、結合表面にフォイル又はペースト状の結合媒体を適用することができる。取付け具を用いると、部品を炉内に挿入する前にギャップを確実に閉じることができるだけでなく、部品を加熱する際ギャップを閉じたままの状態に維持することが可能となる。結合熱及び圧力サイクルは、所望であれば、結合用ペーストに含まれる結合材のガスを放出できるように制御することができる。その後、単結晶材料につき指定されたサイクルを用いて部品を結合することができる。
【０１０９】
部品に最適の総合特性を与える好ましいプロセス／手順は、以下の通りである。適合プロセス時に除去するに十分な加工部分を提供するべく、結合表面に垂直に０．０７６２ｃｍ（０．０３０インチ）の余分の材料が存在するように翼の単結晶部品をオーバーサイズで鋳造（成長）し、振動を伝達させて（例えば、シード、ランプ又はライザーのような鋳物の廃棄可能部分を手で把持したハンマーでたたく）セラミックの鋳型を清浄にし、低圧のサンドブラスティング（例えば、９０ｐｓｉ未満の空気圧と１２０グリット未満の砂の粒子）により接着剤のセラミックが除去されるように清浄にし、結合表面にわたって良好な適合を実現するために部品を共電気放電加工し、ＥＤＭ表面から炭素質の残留物（即ち、単結晶表面のＥＤＭ加工時に形成されることのある炭素薄膜）を除去するためにアルコール（メチル又はエチル）、アセトン又は水石鹸系の洗浄液を用いて結合表面を清浄にし、表面の炭素層を破壊して破片が清浄用流体中に浮遊するのを助けるために清浄時表面を固いブラシで軽くブラシがけし、部品間のギャップ内に結合用媒体を適用し、即ちフィルム又はフォイルをその形状に切断するかあるいはペーストを付着させて過渡液相結合媒体の約０．００２５ｃｍ（０．００１インチ）の結合用充填物を提供し、結合平面に直角に整列し部品全体にわたりギャップを最大限閉じるような位置にあるピンを用いて部品の外表面の一部に直角に荷重をかけるべく結合表面にわたって制御された荷重を与える固定用取付け具に部品を固定し、単結晶合金に対して指示された温度サイクル（ＣＭＳＸ−４では、２２５０°Ｆで４時間）を用いて高い真空度（１０-5τ）で結合を行い、室温まで冷却した後取付け具を取り外し、合金に適宜用いる処理法を使用して溶体化熱処理を行い、オプションとして外面を清浄にし（これは析出熱処理後に行うことができる）、特性を最適化するために析出熱処理を行い（ＣＭＳＸ−４の場合、２０８４°Ｆで４時間、１６５２°Ｆで２４時間の２つのステップより成る析出熱処理プロセス）、タービン翼を定型になるよう機械的に調製し研磨するステップより成る。
【０１１０】
さらに別のステップとして、結合する部品を再結晶を生ぜしめないプロセスを用いて曲げることによりまっすぐにできるが、これはオプションである。このプロセスには、再結晶を生ぜしめるに十分なひずみを誘発させることなく部品を変形させる高温低ひずみ率変形（超塑性変形と同じ）が含まれる。
【０１１１】
このようにして、単結晶部品を結合してタービン翼を完成させるための一体化処理手順が提供される。この手順による処理ステップにより、ガスタービンエンジンの部品にとって望ましい極めて高い温度で機能する高品質の単結晶部品を製造するに必要な熱処理ステップと材料品質が提供される。それは、最適な部品の輪郭だけでなく最適な結合ギャップの適合及び処理を実現するための全ての部品処理プロセスを提供する。
【０１１２】
要約すると、この方法は、好ましくは、軽ブラスティングによりセラミックの鋳型から取り出した鋳造のままの部品を用い、結合する部品をぴったり合うように電気放電加工し、実質的に鋳造のままの状態で部品を結合し、溶体化熱処理を施した後、部品を析出熱処理する。予め結合した部品を高温において制御した態様で成形することにより輪郭及び部品の適合を改善するようなこの手順の変更が可能である。
【０１１３】
【実施例】
結合用フォイルの化学的性質及び熱処理の微細構造及び機械的性質に対する影響を実験的に評価した。最初に、いくつかの結合用フォイルの化学的性質及び熱プロセスを利用して、金属組織学的評価のための試料を作成した。結合ラインにわたってまた母材金属全体について最も均質な化学的性質及び微細構造を生ぜしめたプロセスを、引張性及びクリープ特性のテストによりさらに評価するため選択した。
【０１１４】
ＣＭＳＸ−４母材を、約９．５×７６．２×１５２．４ｍｍ（０．３７５×３×６インチ）の単結晶スラブとして鋳造のままの状態で用意した。結合用媒体として、厚さ５０μｍ（０．００２インチ）の市販の結合用フォイルを用意した。結合用フォイルのホウ素レベルは実際、Ｂレンジであったが、これは２つのフォイルがホウ素レベルがわずかに異なるいくつかの形態で提供されていたからである。即ち、ホウ素レベルが１．３％、１．７％及び２．５％のＮｉ−Ｆｌｅｘ１１０と、ホウ素レベルが１．５％、１．７％、１．９％のＮｉ−Ｆｌｅｘ１２０を用意した。さらに、これらのフォイルは拡散プロセスにより製造されているため、ホウ素濃度はフォイルの深さにわたって均一でなかったことに注意されたい。表に示すホウ素レベルは、ホウ素の深さにわたる平均濃度である。
【０１１５】
このプログラムの金属組織学的及び機械的テストのための試料は同じように調製したが、唯一の違いは機械的テスト用試料として大きな試料を用いたこと、またプログラムの初期に開発した改良型表面調製方法が機械的テスト用試料を結合するために利用可能であったことである。金属組織学的テスト用試料の結合表面は、低応力研削、１２０グリット、３２０グリット又は６００グリットの研磨、若しくは電解研磨により仕上げを行ったが、機械的テスト用試料の結合表面は低応力研削だけで仕上げを行った。
【０１１６】
試料のミスオリエンテーションに関する問題を回避するため、結合する試料を全て、個々の単結晶を切断して再び接合することにより調製した。即ち、元の単結晶スラブをその結晶成長方向に対して垂直に切断し、そのようにして形成した表面の仕上げを行った後再び結合した。試料の最初の切断は全て、炭化珪素の金属研磨ホイールを用いて実施したが、このホイールはスラブの幅方向により小さい金属組織学的テスト用試料を切り出すためにも使用した。金属組織学的評価のための結合試料は約１３×１３×１３ｍｍ（０．５×０．５×０．５インチ）の平行六面体であり、一方機械的テスト用試料を作成するための試料は９．５×７６．２×３８ｍｍ（０．３７５×３×１．５インチ）、即ちスラブの高さが全幅の１／４であった。
【０１１７】
結合は高真空度の炉内で行い、その間試料をモリブデンの取付け具により定位置に保持させた。結合前にフォイル及び単結晶の脱脂を完全に行った。結合用フォイルを結合部の横断面に正確に適合するように切断し、試料を取付け具に組み込む際２つの結合表面間の定位置に配置した。この取付け具は単結晶の整列関係を維持するだけでなく、炉内加熱時、結合温度で結合線にわたって０．１乃至１．０ＭＰａ（１５−１５０ｐｓｉ）のオーダーの制御された荷重を発生させた。
【０１１８】
ＣＭＳＸ−４のスラブを、鋳造のままの状態であるいは溶体化処理した状態で結合した。この合金にとっては普通の溶体化処理を不活性ガス雰囲気中で実施したが、これは１５９３Ｋ（１３２０°Ｃ、２４０８°Ｆ）で最大６時間保持する勾配サイクルであった。溶体化処理後の冷却速度は平均でほぼ４３３Ｋ／分（１６０°Ｃ／分、３００°Ｆ／分）であった。単結晶を結合する２つの異なる結合サイクルをテストした。サイクルＡは１５４３Ｋ（１２７０°Ｃ、２３１８°Ｆ）で４時間、サイクルＢは１５０５Ｋ（１２３２°Ｃ、２２５０°Ｆ）で４時間であった。両方の結合サイクルを、１．３×１０-2Ｐａ（１×１０-5トル）よりも良い真空状態で実施した。
【０１１９】
結合後、試料を溶体化処理して析出時効させるか、ただ析出時効させた。結合後の溶体化処理は結合前の溶体化処理と同一であった。析出時効は、この合金にとって望ましい２つのステップより成る標準の熱処理であった。さらに詳しく説明すると、４時間かけて１４１３Ｋ（１１４０°Ｃ、２０８４°Ｆ）へゆっくりと温度を上昇させた後、２０−２４時間かけて冷却用空気で１１２３Ｋ（８５０°Ｃ、１５６２°Ｆ）へ空冷した。評価したフォイルの化学的性質及び熱処理条件の組み合わせを表７に要約して示す。
【０１２０】
【表７】
0004240808.tif 000011
【０１２１】
表７に示す試料は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）とエネルギー分散型分光（ＥＤＳ）化学分析法を用いて特性を測定した。光学的顕微鏡分析、電子プローブ微量分析及び走査−透過電子顕微鏡分析（ＳＴＥＭ）を、選択した試料について行った。結合した後で、場合によっては、結合後の溶体化処理を行った後で、結合領域にわたっる均一性を評価するために試料を調べた。その後、析出時効の後、試料を調べてγ´構造の形態及び均一性をチェックした。
【０１２２】
表７に示す全ての状態下で、結合ラインにわたりかなり均一な化学的性質が生じており、結合領域内のγ´相の体積率は高くなっていた。熱処理及び結合部の組成の関数としてγ´相の特定の体積率、特にγ´相の形態に差が認められた。最適の熱処理を施した母材合金と等価な最適構造が試料Ｉに生じていたが、これは１．３％のホウ素を含むＮｉ−Ｆｌｅｘ１１０のフォイルと、１５０５Ｋ（１２３２°Ｃ、２２５０°Ｆ）の低結合温度を用い、その後溶体化処理及び析出時効を施したものであった。
【０１２３】
高い結合温度サイクルを高いホウ素レベルと共に用いると、試料の側部に液体が流下することにより分かる結合材の過剰流動性が観察された。結合材の過剰流動性は精密構造を接合する場合は望ましくない。ホウ素含有量を低くし結合温度を低くすると過剰流動性を回避できるが、もしそれで良好な結合領域を持つ構造が生じる場合は、好ましい結合システムになるはずである。
【０１２４】
主要な構成要素についてのフォイルの化学的性質は結合領域の化学的性質にほとんど影響を及ぼさないように思えるが、結合領域のγ´相の形態への影響は著しいものがあった。フォイルＮｉ−Ｆｌｅｘ１１５で作成した試料の結合領域に形成されたγ´相は、フォイルＮｉ−Ｆｌｅｘ１１０で作成した結合領域に形成されたものよりはより丸い。より立方形のγ／γ´構造は、クリープ条件の下で大きな異方性及び安定性を示すからより好ましい。従って、Ｎｉ−Ｆｌｅｘ１１０をＣＭＳＸ−４用の好ましい結合用フォイルとして選択した。
【０１２５】
種々のフォイル、種々基材条件及び種々の結合後熱処理条件により生じた構造を調べると、これら全てのパラメータは結合プロセスが母材金属を溶解しその後結合領域の化学的性質及び構造を制御する度合いに影響を与えることがわかる。母材金属の溶解により液体プールの組成が母材金属とほぼ同じ組成で凝固する程十分であるが、結合ラインに最終凝固時何らかの共晶γ´を形成するには不十分である時、最適の微細構造が得られる。
【０１２６】
母材金属が過度に溶解することによって、結合ラインに後で共晶γ´が生じたことが、２．５％のホウ素で結合した試料Ｃで観察された。結合用フォイルは母材合金よりもアルミニウム及びチタンの含有量が少ないが、これらの元素を結合プールに積極的に溶解させると、後で共晶γ´が形成される。共晶粒子が小さい場合、結合後溶体化処理により溶解させることが可能である。ホウ素の多い結合部では、より良いγ´微細構造を生ぜしめるために結合後溶体化処理が必要であることがわかった。しかしながら、結合後溶体化処理は大きな共晶粒子を必ずしも溶解させるわけではないので、ホウ素のレベルを低く且つ結合温度を低くするのが好ましそうである。
【０１２７】
逆に、アルミニウムとチタンが母材金属から溶解すると、結合領域のγ´相の化学的性質及び構造が変化する。この減少の結果、γ´相の体積率が減少し、強化γ´立方形が丸くなる。γ´相中のアルミニウムが多いとよりかどばった形態が生じるため、母材金属のアルミニウムの溶解が増加すると異方性及びクリープ安定性が良くなる。試料Ｉでは、基材は鋳造のままの状態、試料Ｍでは、基材は結合前の溶体化処理を施した状態であった。試料Ｉは、恐らく鋳造のままの構造の共晶及び樹枝状晶間の領域からより多くのアルミニウムが溶解するため、好ましいかどばったγ´相形態を示した。
【０１２８】
結合品質に対する表面調製の影響を評価するため、対向する表面を、１２０グリット乃至３２０グリット及び６００グリットの重研磨、６００グリットの軽研磨、低応力研削及び電解研磨にわたる仕上げ範囲で調製した。何れの表面調製によっても再結晶は生じなかったが、より重い機械研磨により結合領域に非常に小さくて丸いγ´粒子が生じると共に、６００グリットの軽研磨、低応力研削及び電解研磨により大きな立方形の最適なγ´相形態が生じた。電解研磨によると優れた応力のない滑らかな表面が得られるが、試料の端部が丸くなる傾向があり、電解研磨した試料の結合部はこの影響により端部にノッチが生じていることが多かった。低応力研削により最適な結合領域が得られるため、またこの表面仕上げによりテストブロックの精密研削加工が可能になるため、機械的なテスト試料の結合表面を調製する方法として選択した。
【０１２９】
状態Ｉ、Ｎ、Ｂ及びＯは機械的テストのためのさらに検討を行うために選択されている。しかしながら、プログラムのこの部分では、全ての資料について結合サイクルＢ（１５０５Ｋ）１２３２°Ｃ、２２５０°Ｆで４時間）は用いられていなかった。組み合わせ（Ｉ）鋳造のままの母材でホウ素が少ない）へは、最初のオプションの最良の微細構造を生ずるため選択された。このプロセスにより母材金属と結合領域の両方に優れたγ′の形態が生まれる。組み合わせＮは、適当な微細構造を生じるために選択され、結合後の溶体化処理を除外する可能性を評価するために含まれていた。組み合わせＢ及びＯは、結合前の溶体化処理を含むオプションを評価するために含まれていた。これらの資料は、以前に完了した金属組織学的仕事により予め溶体化処理した材料がホウ素の多いフォイルにより結合されると良好なγ′形態を生じることが分かっていたためホウ素の含有量の多いフォイルにより結合された。
【０１３０】
機械的テスト用試料は、元の鋳造スラブの四半部分のうちの２つを結合して９．５×７６．２×７６ｍｍ（０．３７５×３×３インチ）のスラブを形成することにより調製した。これらのスラブを後で幅９．５ｍｍ（０．３７５インチ）の試料ブランクに切断し、これらのブランクを後で直径が０．６ｍｍ（０．２５インチ）のクリープ及び引張試料に加工した。従って、テスト試料の軸は、単結晶スラブの元の結晶方向と平行であった。
【０１３１】
引張テストは、室温、１１７２Ｋ（８９９°Ｃ、１６５０°Ｆ）及び１２５５Ｋ（９８２°Ｃ、１８００°Ｆ）で行った。これらの試料は、良好なＣＭＳＸ−４単結晶において予想される値に近い強度を発生させた。しかしながら、幾つかの延性値は、ＣＭＳＸ−４で予想される値よりも幾分低かった。それにもかかわらず、記録された値は同じ条件でテストした多結晶スーパーアロイの値と比べると依然として高い。さらに、結合した引張試料のほとんど全ての破断は母材において生じた。
【０１３２】
結合性の良好な単結晶の機械的特性は、従来の、未結合で最適の熱処理を施された単結晶の機械的性質に非常に近いものであることが分かっている。表８は、結合した試料の幾つかの引張特性データを示すもので、これらのデータを基準とるＣＭＳＸ−４のデータと比較する。
【０１３３】
【表８】
0004240808.tif 000012
【０１３４】
【表８ａ】
0004240808.tif 000013
【０１３５】
【表９】
0004240808.tif 000014
【０１３６】
【表９ａ】
0004240808.tif 000015
【０１３７】
表９は、同一の結合プロセスのためのクリープ破断データを基準となるＣＭＳＸ−４の予想データと共に示す。クリープテストは５０及び８０ｋｓｉで温度１１７２Ｋ（８９９°Ｃ、１６５０°Ｆ）において、また２８及び４５ｋｓｉで温度１２５５Ｋ、９８２°Ｃ、１８００°Ｆ）で行われた。これらは各温度において約１００及び１０００時間のクリープ破断寿命を生ぜしめる意図があった。完全性を求めるため、幾つかの元の単結晶スラブから取ったベースとなる合金資料もテストした。
【０１３８】
表８及び９に示す特性は結合された単結晶の特性を反映したものであり、結晶の２つの部分がよく整列しており、テストの軸がニッケル系単結晶の最も強いテスト方法である００１方向に非常に近い。結合された単結晶の特性は、結合されない単結晶の特性と同じ結晶方向依存性を示すものと予想される。微細構造は元の界面に亘って連続するため、結晶ラインに対する鉛直線から離れた機械的テスト軸の結合領域の方向より脆弱性のある余分の平面は得られず、２つの結合部分が同一の結晶方向を共有するとき従来の単結晶のふるまいから外れることはない。
【０１３９】
２つの結晶部分が同一の方向にない場合は異なる状況が存在する。この場合、２つの結晶構造間の方向づれにより結合の２つの部分間に結合後において２つの部分間に粒界構造が形成される。高温の単結晶では、粒界は脆弱性の発生源及び早すぎる破壊場所であると知られている。ニッケル系のスーパーアロイでは、材料の特性は粒界の方向づれが増加するに従って劣化する。
【０１４０】
本発明の結合プロセスによると、最大約１０°の粒界の存在が許容されるが、場合によっては１５°乃至２０°の方向づれも許容できる。大きな方向づれが存在しても結合時に形成される粒界の構造には影響を与えないため、結合された粒界の特性は従来の鋳物に形成される粒界と同じである。従って、結合された粒界に亘る許容可能なミスマッチは鋳造された粒界、例えば粒界に許容されるミスマッチ、例えば受入れ可能な基準によって１０°、１５°または２０°に等しいはずである。結合による処理を確実にするため、結合される部品の結晶方向はこれらの限界内に収まるべきである。
【０１４１】
引張破断とは対照的に、全てのクリープ破断は結合領域内で起こる傾向があった。それにもかかわらず、クリープ破断寿命はＣＭＳＸ−４の予想寿命に非常に近いだけでなく、幾つかのケースでは、同一の鋳造バッチから取り出した未結合単結晶試料の寿命を超えていた。しかしながら、破断が結合領域内に局在化するのは、結合した試料の延性が未結合試料と比べて常に小さいためであった。結合領域にわたって微細構造に勾配が存在しない場合、この制約が生じる理由は容易に明らかでない。最も性能の良い試料のクリープ破断延性値が常に１０乃至２０％の範囲にあるため、結合した構造は使用に耐える十分以上の強度と延性を持つものと思われる。
【０１４２】
クリープ及び引張テストの強度及び延性値は、単結晶ＣＭＳＸ−４を結合する結合用フォイル及び熱処理条件の選択をサポートするものである。このプログラムにおいて得られた機械的特性は、結合したＣＭＳＸ−４単結晶が純粋な単結晶ＣＭＳＸ−４が示す熱及び機械的特性の大きな部分（少なくとも９０％）を示すことがわかる。これらの特性を製造される翼の結合面となるであろう面にかかる設計荷重を支持するために必要な特性と比較すると、結合領域は製造される翼の脆弱性が生まれる部分であってはならないことがわかる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、本発明の一実施例によるタービン翼の半部及び結合されたタービン翼を示す斜視図である。
【図２】  図２は、タービン翼の翼形の横断面における応力輪郭図であ
【図３】  図３は、本発明の一実施例による４つのタービン翼セグメント部品の側面図である。
【図４】  図４は、図３に示す別個のセグメントから組み立てたタービン翼の側面図である。
【図４ａ】  図４ａは、図４の多セグメントタービン翼の横断面図である。
【図５】  図５は、図４の組み立て済みタービン翼の斜視図である。
【図６】  図６は、本発明の一実施例による多セグメントタービン翼の組み立てを示す斜視図である。
【図７】  図７は、本発明の一実施例による単結晶スーパーアロイと他結晶スーパーアロイの結合部の微細構造を示す顕微鏡写真である。
【図８】  図８は、単結晶スーパーアロイと多結晶スーパーアロイの接合の結合領域に亘る種々の元素の濃度を示すグラフである。
【図９】  図９は、単結晶ニッケル系スーパーアロイの好ましい微細構造を示す顕微鏡写真である。
【図１０】  図１０は、本発明の一実施例により接合された単結晶ニッケル系スーパーアロイの微細構造を示す顕微鏡写真である。
【図１１】  図１１は、図１０のスーパーアロイの過渡液相結合領域の微細構造を示す顕微鏡写真である。
【図１２】  図１２は、ホウ素を含むフォイルで結合された単結晶ニッケル系スーパーアロイの鋳造のままの構造を示す顕微鏡写真である。
【図１３】  図１３は、熱処理後の図１２のスーパーアロイの微細構造を示す顕微鏡写真である。
【図１４】  図１４は、ホウ素を含むフォイルで結合した単結晶ニッケル系スーパーアロイの過渡液相結合領域に亘る幾つかの元素の濃度を示すグラフである。
【図１５】  図１５は、本発明の一実施例に従って過渡液相結合及び熱処理を施した単結晶ニッケル系スーパーアロイの微細構造を示す顕微鏡写真である。
【図１６】  図１６は、本発明の一実施例に従って結合及び熱処理を施した単結晶ニッケル系スーパーアロイの好ましい微細構造を示す顕微鏡写真である。
【図１７】  図１７は、ホウ素を多く含むフォイルで結合した単結晶ニッケル系スーパーアロイの結合ラインにおいて形成された有害なホウ化物を示す顕微鏡写真である。
【図１８】  図１８は、図１７の結合ラインを高い倍率で示す顕微鏡写真である。
【図１９】  図１９は、ホウ素を多く含むフォイルを用いて結合した単結晶ニッケル系スーパーアロイの溶体化結合領域を示す顕微鏡写真である。
【図２０】  図２０は、本発明の一実施例による溶体化及び析出処理を施した単結晶ニッケル系スーパーアロイの結合領域における改善された微細構造を示す顕微鏡写真である。
【図２１】  図２１は、単結晶ニッケル系スーパーアロイの対抗表面間の結合ラインを示す顕微鏡写真である。
【図２２】  図２２は、本発明の一実施例に従って過渡液相結合前の単結晶ニッケル系スーパーアロイのセグメントの２つの対抗表面間の狭い隙間を示す顕微鏡写真である。
【図２３】  図２３は、単結晶ニッケル系スーパーアロイのセグメント間の結合ラインを示す顕微鏡写真である。
【図２４】  図２４は、本発明の一実施例により機械加工したタービン翼の翼形セグメントの断面図である。
【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４ａ】
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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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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