JPS6171168A - 方向性固化タビーン羽根の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ビン羽根の製造方法に関するものである。

航空機タービン、舶用ターピ／及び陸上ガスタービンを
含む燃焼タービンのタービン羽根を製造する方法が知ら
れており、本発明は、根元部分の微結晶状の（即ち単結
晶でない）、ｌ１１織と翼部分の単結晶の組織とを生成
させるために、２工程の固化を利用すう。

ガスタービン機関は、タービン部を２任で１膨張する時
の高温高圧ガスからエネルギーを取出すことによって作
動する。ガスにより’Ｍ８さｎて実際に回転するコンポ
ーネントは、一般に、ニッケルを主成分とする超合金か
ら製造され、普通タービン羽根として知られている。タ
ービン羽根は、第１図に示すように、高温ガス流によっ
て駆動される翼部分と、タービンローター各て連結され
る３江械切削された根元部分とから２穴っている。ガス
タービンは、カルノーサイクルのＰ＋：質から、高温に
おいてよジ効率的に作動す６ので、高温に耐えられる材
料が望まれている。

航空機用エンジン又は陸上タービン発戒俊に用いられる
タービン羽根の高温下の故障の主要な機械的モードは、
熱的な疲労及びクリープ破断耐性の欠ｐ口であった。こ
ｎらの両方の問題は、王応力軸と直角の方向の結晶粒界
の除去ンこよって減少する。このように、単、結晶の方
向性固化されたタービン羽根は、際立って改善された高
温強度を示すことが几られている。

大きな結晶粒径は、著しく高温の状態下に前記のように
所望の機械的性質を改善するが、低互の下で曇づ、結晶
粒径を小さくすることによって、成る機械的性質が改善
さｎる。特定的には、タービン羽根の根元部分は翼部分
よりも際立って低い温度で作動し、基本的には疲労負荷
される。このように、タービン羽根の翼部分と根元部分
とでは最膚７組織が犬きぐ相違し、従来のタービン羽根
の場合には、少くともどちらかの部分νζついて、何ら
かの調整が必要となっていた。

方向性固化さ九た羅部分と微小結晶状の根元部かとを備
えた混成型の羽根構造によって最適の注１シが達せられ
るものと考えられている。

米ＩＮ　＊許第４，１８４，９００最明、ｔｔａ　Ｗ　
ｔてよｎば、翼部分と根元部分とに異なった性質を得る
だ七′）しこ、２つの別々の方向性固化部分が形成さ几
る。米国特許第５，７９０，５０５　号明細書によれば
、方向性固化された翼部分と非配向性の組織の根元部分
とを備えた混成型のタービン羽根（バケント）を作成す
るために、共晶合金が用いられている。

なお、この共晶組織によれば、この製造方法において非
共晶組織を用いた場合に発生するはずの不均質な組成が
さけらｎ己。

米国特許第３，６９５，９４１　　号明細６　Ｋ　’ｔ
ｉ　Ｘ　固体−液体界面に定常的な直流磁界を適用する
ことを含めて、溶解物からの制御された固化によって固
体の共晶材料を作製する方法が開示さｎている。溶解物
が磁界にさらさｎている間シで、いかなる外部′電流源
も材料に電気的に接洸さｎない。米国特許第３，４９４
，７０９　号明細曹に、ガスタービンの単結晶金属部分
を開示している。根元部分を含めた全ての部分が道結晶
でちる。米国特許第３．９８　＋、３４５　　号明雌會
は、固化の間に金、・≦７が磁界の作用を受けるように
した金属の連続−Ａ遣方圧を開示している。

本発明によって、溶融金属を収容したモールドを＄！Ｉ
　（ｉｆ’ｌ下に冷却して、翼部分の先端に始まる単偕
晶の成長を許容するように十分に緩慢な固化を起こさせ
ることにより、燃焼タービン用の７１ｏ］惟固化さｎた
ターピッ羽根を製造する方法′、でおいて、固化をモニ
ターし、根元部分の固化のほぼ開拓において、残りの溶
融金属の磁気的・昆合全１是し、次に、方向性固化の生
ずる速度よりも早い速度までタービン羽根の冷却速度を
７Ｊ大させることしでより、単結晶の翼部分と微少結晶
粒の根元部分とを有するが、該翼部分と根元部分との界
面に実質的に不均質な部分を有しないタービン羽根を製
作することを特徴とする方同性圀化タービン羽根の人造
方法が提供されるＱ 不発明によるタービン羽根は、混ｒｉＸ、７詰晶粒組嘱
を示し、非共晶合金組成物を用いて製造され６０翼部分
に正活晶であるが、根元３６分は、微小結晶状の、非方
向性固化組織を有している。

本発明による製造方法には、固化のモニターと共に、翼
部分の先端に始まるｉｆｆ晶の成長を許容するに足る遅
い速度の固化を利用する。この固化が翼部分と根元部分
との界面に到達した時、今正に固化した部分に隣接した
不均質な部分を除′くための磁気的混合を開始する。次
に、　゛単結晶の成長又は方向惟固イヒの生ずる連間よ
ジも早い速度に冷却速度全増速する。磁気的混合の開始
とほぼ同時に、結晶粒界補彊材（好ましくは炭素）を添
加するのが好ましい。このようにして、単結晶の翼部分
と微少結晶の根元部分とから成り、翼部分と根元部分と
の１″ＦｒＩに実β的に不均質な部分を含まないタービ
ン羽根が作成される。

次に本発明の好ましい実施例を示す添付図面を参照して
説明する。

微小粒状の根元部分と共に単結晶の翼部分を作製するだ
めの、以前から知られた技術１′ｉ、非共晶合成につい
ては非実用的であった。それは、翼部分こ根元部分との
間の界面に重大な組成の不均質を生じ、十ｎに伴なって
、機械的な性質か劣化するためである。第２Ａ〜２０図
に示すように固化が進行した場合、単結晶の翼部分と微
結晶状の根元部分とを有する非共晶合金製のタービン羽
根を本発明のように、即ち、最初に（第２　Ａ図参照）
翼部分を単結晶成長に適した条件（低成長速度、高熱勾
配）の下におき、欠番で根元部分（第２Ｃ図参照）を、
その固化に適した÷ａ大成長速度の下におくことをせず
に製造した場合、成長速度の変化がなされた時に固化し
つつある領域（第２Ｂ図参照）においては、＠質量の結
立った増大が生ずる（第２Ｃ図の曲１卓の左側の突部参
照−この突部は本発明によって４効的に除かれる）。ガ
スタービ／のタービン羽根に−と通に使用さするニッケ
ルを主成分とする超合金の大部分は、非共晶合金である
。こ几らのタービン羽根に２いて前述の不均質が存在す
ると、憬惧的性質の際立って方っだ領域を生ずることと
なろう。

本発明によれば、単結晶の翼部分が微結晶状の根元部分
に移行する領域に不均質な組成の領域が生ずることを防
ぐために、磁気的混合を利用して、この領域を実質的に
除去する。磁気的混合は、比較的質量の犬な、なおも＠
融している根元部分の、溶質を多く含む帯域を混合する
ことにより、組成の際立った変化が生ずることを防止す
る。本明細書において、「不均質な部分」という用語は
、溶質を多く含むことを意味し、結晶粒界補強材の添加
のような固化の間の意図的な添加による組成の変化は意
味しない。

磁気的混合は、磁界内はある電気導体が、電流ベクトル
と磁界ベクトルとを含む平面と直角の力を１径鏡すると
いう原則に基づいている。導体が液状であると、この力
によってせん断が起こり、混合効果が発生する。磁気的
混合は、例えば米国特許第４，２５６．＋　６５　　号
明細薔に開示さルたように、例えば連続鋳造に用いられ
ている。

本発明は、固化中の単結晶の翼部分の前方に生じた溶質
の集結を再分配させるために、磁気的混合を利用するこ
とにより、根元部分において望まれる微佑晶状の組織を
生ずるために冷却速Ｉを増大させた時の不均質な領域を
基本的に゛阻止する。

単話晶の成長は、米国特許第３，４９４，７０９　’−
号明畑貫しで開示されている。単結晶を成長させるに、
霊、−例として、第３Ａｉ′２１及び第３Ｂ図に示　。

す工うに、銅製チル基板から固化を進行させ、炉の高温
域からチル基板とモールドとを徐々に除去することによ
り、制御下の固化を生じさせる。この場合、根元部分；
’：ｔ　、頂部に向けらｎ。

翼部分：１最初に炉から取出さｎる０この取出し速ヴを
早くすることによってよりすみやかに固化させることが
可能となる。タービン羽根の根元部分に均質な微結晶粒
の組、論を得るには、成長裏Ｕ（の増大とほぼ同時に磁
気的混合を開始するべきである。即ち、比較的緩慢な取
出しの下に成長が生ずる翼部分のところで同化が開始さ
几、自だ対流によるｌ沃の混合にごくわずかである。モ
ールドを引出すにつれて、固化前線は、翼部分と根元部
分との界面に到達する。この時点で、単、結晶を生成す
る引出し速度よりも、引出し速度を高くし、磁気的混合
を開始する（磁気的混合の開始は、引出し速度の増大と
同彎か、又はその直前とする）。磁気的混合は、（所要
の磁界を生成させるために）磁気コイル及び液に通電す
るように装置全体をオンとすることによって１用始する
。この場合には、よりｆ！１１．ｊｌＢでより等軸の結
晶粒組織を生ずるより迅速な固化は、より迅速な取出し
によって生ずる。前進する界面の前方に形成される溶質
は、強制的な磁気的混合によって液中に分散さｎ１全体
的に均質な組織が形成さルる。

浴融物の混合は、電流が流れている磁界Ｈのみ体力；磁
界及び′電流と直角の力を受ける。混合作用によって、
集結プロフィルが除かれると共に、溶融物の温度勾配も
均質になる。そのため、固化した物質の樹枝状組織は、
熱的な均質化によっても、また構造的にも過熱される。

ツブ枝状組−は中心部がない（コアリングされている）
ため、この構造的な過熱（周知の構造的過冷効果と同等
の動滑をもつ）は、ｍ；Ｉ’ａ状組織組織元の近くで＠
に増大する。従って、いわゆるメルトバンクのために系
全体が平衡状態に向かって変化する時、樹脂状組織１−
１よじられ、直流電流及び磁界による力のために分断さ
八、磁気的混合光の下に押し流さｎる。その場合の引出
し速度は十分に速くシ、分断さｎた樹脂状組織の先端が
溶解物中に溶解せずに、等軸の結晶粒の固化を開始させ
るための成長可能な核として固体状態で存在しうるよう
にするに足る冷却速度が得られるようにすべきである。

一気的混合を利用することの別の利点は、１以上の結晶
粒界補強光：Ａ（炭化物形成体Ｃ，，ＢＩ。

Ｚｒ、Ｍｏ、Ｗ及びＴａ）を組込みうろことにある。

単結晶合金は、結晶粒界の補強を必要としないため、そ
のための強度を与える前記元素は、一般に、単結晶合金
の化学組成中に組込まれなへしかし、タービン羽根の単
結晶部分が結晶粒界情強元累全必要としていないとして
も、結晶粒界「炭化物」の補強効果を生ずる元素の岨込
みは、等軸部分を改善する。結晶粒界の？Ｉｉｉ強元素
全元素した化学的組成の合金からタービン羽根を鋳造す
ることは、単結晶の鋳物の作成上の困難を大きくする。

磁気的混合を利用すると、タービン羽根の同化過程中の
任意の時点において前記元素を添加し均質に分散させる
ことが可能になる。

このようにして、（根元部分と翼部分との界面において
）固化速度が高くなる個所に溶質集結帯域を生ずること
なく、実用的な非共品合金全用いて、翼部分には単結晶
の組織を備え根元部分に／−ｉ微結晶状の組織を備えた
タービン羽根が作製さする。

冷却速度を制御する特別の形態及び方法並びに磁気的混
合の特別の形態は、もちろん単なる例示であり、それ以
外の方向性固化及び磁気的混合方法も希望により適用す
ることかできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、翼部分と根元部分とを宵えた典型的なタービ
ン羽根を示す斜視図、第２Ａ図、第２Ｂ図、第２Ｃ図は
、固化中の溶質集結領域及び固化速度の増大による不均
質を４説明するための線間、第３Ａ図及び第５Ｂ図は、
炉からの制帥下の引出しによる単結晶の生成を説明する
ための略配列図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 溶融金属を収容したモールドを制御下に冷却して、翼部
   分の先端に始まる単結晶の成長を許容するように十分に
   緩慢な固化を起こさせることにより、燃焼タービン用の
   方向性固化されたタービン羽根を製造する方法において
   、固化をモニターし、根元部分の固化のほぼ開始におい
   て、残りの溶融金属の磁気的混合を開始し、次に、方向
   性固化の生ずる速度よりも早い速度までタービン羽根の
   冷却速度を増大させることにより、単結晶の翼部分と微
   少結晶粒の根元部分とを有するが、該翼部分と根元部分
   との界面に実質的に不均質な部分を有しないタービン羽
   根を製作することを特徴とする、方向性固化タービン羽
   根の製造方法。