JPS63252663A - 複合ガスタービン羽根およびその製法 - Google Patents

複合ガスタービン羽根およびその製法

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JPS63252663A
JPS63252663A JP63063776A JP6377688A JPS63252663A JP S63252663 A JPS63252663 A JP S63252663A JP 63063776 A JP63063776 A JP 63063776A JP 6377688 A JP6377688 A JP 6377688A JP S63252663 A JPS63252663 A JP S63252663A
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JP63063776A
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クレメンス・フエルポールト
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BBC Brown Boveri AG Switzerland
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    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10T29/00—Metal working
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    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
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    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

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】 産業上の利用分野： きわめて高度のガスタービンの場合、効率の上昇は高い
ガス温度、したがって個々の構成部材のために耐熱性の
高い素材、適当な素材組合せおよび一層良好な構造を必
要とする。もっとも重要でクリティカルな構成部材はこ
の場合タービンの羽根である。
本発明は機械的および（または）熱的に高く負荷される
ガスタービンの羽根に関し、その際分散硬化型合金の有
利な性質を特定種類の負荷のため非分散硬化型合金の性
質と最適の方法で組合わさなければならない。
とくに本発明は脚部材、羽根本体およびカバー板または
カバー帯から構成した複合ガスタービン羽根の製法に関
し、その際羽根本体は縦方向に配向した粗大な桿状結晶
の状態の酸化物分散硬化型ニッケル系スーパーアロイ（
超耐熱合金）からなる。
さらに本発明は脚部材、羽根本体およびカバー板または
カバー帯から構成した複合ガスタービン羽根に関し、こ
の場合羽根本体は縦方向に配向した粗大な桿状結晶の状
態の酸化物分散硬化型ニッケル系スーパーアロイからな
る。
従来の技術； 回転熱機関（たとえは蒸気およびガスタービン）の場合
、少なくとも数段で羽根の端部にカバー板および（また
は）カバー帯が備えられる。
その理由は流体工学的、熱工学的および幾何学的なもの
である。すなわちこの手段によって機械の空気力学、熱
力学および機構が改善され、安定に形成される。これに
関してカバー板およびカバー帯ならびにその製造または
羽根上端部への固定（羽根本体と１体に形成したモノリ
シック構造も）の無数の実施態様および材料組合せが公
知になった。これに対してとくに下記の文献が引用され
る： Ｗａｌｔｅｒ　Ｔｒａｕｐｅｌ、　Ｔｈｅｒｍｉｓｃｈ
ｅ　Ｔｕｒｂｏｍａｓｃｈｉｎｅｎ。
２、Ｂｄ、Ｒｅｇｅｌｖｅｒｈａｌｔｅｎ、Ｆｅｓｔｉ
ｇｋｅｉｔ　　ｕｎｄｄｙｎＨｍｉｓｃｈｅ　　Ｐｒｏ
ｂｌｅｒｎｅ、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ　　Ｖｅｒｌａｇ　１
９＜Ｓ。
）ｉ、Ｐｅｔｅｒｍａｎｎ、Ｋｏｎｓｔｒｕｋｔｉｏｎ
　　ｕｎｄ　　Ｂａｎｄｅｌｅｍｅｎｉｅｖｏｎ　Ｓｔ
ｒ６ｍｕｎｇｓｍａｓｃｈｉｎｅｎ、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ
　Ｖｅｒｌａｇｌ　９６０ Ｆｒｉｔｚ　　Ｄｉｅｔｚｅｌ、Ｄａｍｐｆｔｕｒｂｉ
ｎｅｎ、（）ｅｏｒｇＬｉｅｂｅｒｍａｎｎ　Ｖｅｒｌ
ａｇ　　１　９５０Ｆｒｉｔｚ　　Ｄｉｅｉｚｅｌ、Ｄ
ａｍｐｆｔｕｒｂｉｎｅｎ、Ｂｅｒｅｃｈｎｕｎｇ。
Ｋｏｎｓｉｒｕｋｔｉｏｎ、Ｃａｒｌ　　Ｈａｕｓｅｒ
　　Ｖｅｒｌａｇ。
高負荷ガスタービンの羽根素材として最近酸化物分散硬
化型ニッケル系スーパーアロイが提案された。それはこ
れが常用の鋳造および鍛造スーパーアロイに比して高い
運転温度を許容するからである。高温で最高の強度値（
高い疲労破壊強度）を達成するため、羽根の軸に配向し
た縦に伸びた粗い結晶を有するこれら合金の構成部材が
使用される。製造の途中で一般に素材（半製品）は帯域
焼鈍を実施しなければならない。種々の理由（熱力学、
結晶化法則）からこのような羽根材料の断面寸法は粗い
粒子の状態に制限される。したがって羽根の寸法が同様
制限される。カバー板の表面積は一般にそれぞれの羽根
本体の断面積の数倍になるので、特定寸法の本体および
カバー板を１つの塊からモノリシックに製造することは
できない。相対寸法で非常にかさ高になる羽根の脚部材
に関しても同様である。酸化物分散硬化型スーパーアロ
イを好結果をもって一般的に使用するため、したがって
羽根本体とカバー板および脚部材とに分割する要求が生
ずる。固定位置における強度および材料負荷から生ずる
このような分割に対する他の理由もある。羽根本体の上
端部におけるカバー板の純機械的固定は問題を根本的に
解決するけれど、複雑であり、付加的固定要素を必要と
し、運転中制御困難な付加的応力が発生する。
溶接結合は局部的溶解によって酸化物分散硬化型素材の
組織がほとんど破壊されるので、除外される。ロウ接ま
たは拡散接合による結合は非常にきれいに処理した接触
面を必要とし、工業的には困難である。
金属部材の金属材料（多くは低い融点を有する）による
鋳ぐるみは工業的に多数の適用分野から公知である。と
くに鋼を鋳鉄の中に鋳ぐるみすることはすでに提案され
た。この場合鋼はできるだけ鋳鉄より小さいまたは高く
とも等しい膨張係数を有することに注意しなければなら
ない。これにはたとえばＣｒ含量１０〜１８チの鋼が適
当である。この方法はとくにタービン羽根の鋳ぐるみに
使用された（スイス特許第４８０　４４５号明細書参照
）。この場合酸化物の中間層が有利なことが明らかにな
った。
高負荷熱機関とくにガスタービンを建造する場合、酸化
物分散硬化型スーパーアロイをますます多く使用し、し
たがってメーカに構造的形成をできるだけ自由に保ちな
がらこの合金全最適に使用しうる技術的手段を開示する
大きい要求がある。
発明が解決しようとする課題： 本発明の目的は脚部材、羽根本体およびカバー板または
カバー帯からなる複合ガスタービン羽根およびその製法
を得ることであり、その際酸化物分散硬化型ニッケル系
スーパーアロイ全、縦方向に配向した粗大な桿状結晶の
状態で限定的にしか使用し得ない横断面寸法全十分に考
慮しながら羽根本体のために最適に使用し、他面脚部材
およびカバー板またはカバー帯の適当な材料選択および
構造的形成ならびにその製造によって羽根本体に対する
最適の配置したがってすべての熱的および機械的運転条
件にもつとも良く耐える複合構造を達成しなければなら
ない。
この場合羽根の脚部材、羽根本体、羽根上部部材および
カバー板またはカバー帯の種々の熱的および機械的負荷
を、正常運転、運転中断（タービンの停止および始動）
および突然の負荷解放（機械群の回転が続く際タービン
と結合する発電機の突然の遮断）とともに考慮に入れな
ければならない。
課題を解決するための手段： この目的は首記の方法において羽根本体の上端部および
脚端部の表面に凹所および（または）突起部を備え、羽
根本体をカバー板および脚部材のネガ型を有する鋳型へ
、上端部および脚端部が鋳型の中空空間へ突出するよう
に挿入し、羽根本体を羽根本体素材の最低温温融解相の
固相線温度より５０〜３００℃低い温度へ予熱し、鋳型
の中空空間をカバー板および脚部材のための非分散硬化
型ニッケル系スーパーアロイの溶湯によってこの合金の
最高温融解相の液相線温度より最高１００℃高い温度を
もって１羽根本体の上端部および脚端部を完全に＄１ぐ
るみするように充てんし、鋳造過程終了後および凝固の
間の溶湯の温度ならびに羽根本体の温度を羽根本体の溶
解開始および羽根本体の素材とカバー板および脚部材の
素材の間の冶金的結合を避けるように制御し、全複合体
を室温まで冷却することによって解決される。
さらにこの目的は前記複合ガスタービン羽根において脚
部材およびカバー板が非分散硬化型ニッケル系鋳造スー
パーアロイからなり、脚部材およびカバー板が凹所およ
び（または）突起部を介して羽根本体Ｏ脚端部および上
端部の表面に、金属の中断を維持しながら冶金的結合な
しに純機械的に鋳ぐるみによって固定されていることに
よって解決される。
実施例： 次に本発明の実施例を図面により説明する。
第１図には鋳ぐるみする羽根本体の上端部のための鋳造
装置の縦断面が示される。１は酸化物分散硬化型ニッケ
ル系スーパーアロイの羽根本体であり、その縦軸は垂直
位置にある。鋳ぐるみすべき上端部２は上にある。この
端部は羽根本体１の実効断面に対して横方向に段を有し
、鋳ぐるみによって製造および固定されるカバー板（第
２図の６）の機械的に良好な固定のため、１周する凹所
４および同様の突起部５を有する。
８はセラミックの鋳型であり、その凹面は製造するカバ
ー板の形（ネガ型）に相当する。９は鋳型８の横に設置
した鋳入口である。鋳造温度を低く保持するため、高い
熱流出流れの臨界位置に断熱バッキング１０または加熱
板１１が鋳型８の外面に備えられる。場合に↓９ニッケ
ル系スーパーアロイの溶湯１３が羽根本体１の表面と鋳
型８の間のギャップから浸出するのを防ぐため、鋳型外
面の相当する突合せコーナに羽根の全横断面を１周する
セラミックー接着剤からなるカラー状シール１２が設け
られる。第１図には鋳造過程の終了時点が示される。１
４は溶湯１３のカバー板を形成する部分を示す。
第２図はガスタービンの複合案内羽根の縦断面を示す。
１は酸化物分散硬化型ニッケル系スーパーアロイからな
る帯域焼鈍によって縦方向に配向した粗い桿状結晶を有
する羽根本体である。２は羽根の上端部３は脚端部であ
り、両方ともそれぞれ１周する凹所４および突起５を有
する。６はカバー板またはカバー帯、７は羽根の脚部材
である。両方ともそれぞれ非分散硬化ａ＝ニッケル鋳造
スーパーアロイからなる。６および７は一般に組成、鋳
造温度および冷却条件に応じて微粒子から中粒子までの
結晶構造を有する。
第６図はガスタービン案内羽根の脚部材の縦断面を示す
。この場合脚部材は冷却通路を有し、脚部材と羽根本体
のｔ”ｄ」に中間層が存在する。
１５は羽根の脚部材７内の冷却通路である。
１６は羽根本体１と脚部材７０間の冶金的結合を避ける
だめの酸化物からなる断熱性酸化物層である。この層は
羽根本体１に自然に発生する厚さ数μｍの酸化物層また
はとくに羽根本体１０表面に設けた元素Ｃｒ、　　Ａ７
．　　Ｓｉ、　　Ｔｉ、　　Ｚｒから選択した酸化物の
厚さ５〜２００μｍの層である。
第４図にはカスタービンの複合回転羽根の縦断面が示さ
れる。原則的にすべての参照番号は前記図面のそれに相
当する。構成部材の形が異なるだけである。羽根の脚部
材はもみの木彫の歯形を有し、タービンのロータ本体へ
の良好な固定が保証される。
第５図は脚部材に中間層および冷却通路を有する複合回
転羽根の縦断面を示す。個々の構成部材および参照番号
は原則的に第４図に相当する。酸化物分散硬化型ニッケ
ル系スーパーアロイからなる羽根本体１の上端部２に固
定のため凹所４および突起部５を有する非酸化物分散硬
化型ニッケル系鋳造スーパーアロイからなるカバー板６
が存在する。羽根本体１の脚端部３は凹所４および突起
部５によってもみの木彫に形成され、ニッケル系鋳造ス
ーパーアロイからなるもみの木彫脚部材７に挿込まれる
。脚部材７は冷却通路１５を有する。羽根本体１の脚端
部３と脚部材７０間に酸化物からなる厚さ２００μｍま
での中間層が存在する。この層は運転条件（熱ショック
等）が急速に変化する際、固定力および伸びの差を弾性
的に吸収し、かつ羽根とロータ本体の間を断熱するため
に役立つ。
例１： 第１および２図参照。
酸化物分散硬化型ニッケル系スーパーアロイからガスタ
ービン案内羽根の羽根本体１を機械加工によって製造し
た。素材は帯域焼鈍により再結晶した粗粒子状態で幅１
００ｍｍ、厚さ３２鶴の矩形断面を有する角筒形半製品
の形で存在した。縦に配向した桿状結晶は平均して長さ
２０朋、幅６ｍ、厚さろ朋である。ＩＮＣ’Ｏ社の商品
名ＭＡ６０００と称する材料は次の組成を有する： Ｃｒ　　　　１５重量係 ｐ、１４．．５　　〃 Ｔｉ　　　　　　２．５　　ｌｌ Ｍｏ　　　　　　２．Ｑ　　〃 Ｗ４．Ｑ　　。
Ｔａ　　　　　　２．０　　〃Ｚ ｒ　　　　　　Ｏ，２５〃 Ｂ　　　　　０１０１〃 ｃ　　　　　　Ｏ，０５η Ｙ２Ｏ３１，１〃 Ｎ　ｉ　　　　　残部 翼形断面を有する羽根本体１は次の寸法を有する： 全　　長　　　１８０朋 最大羽＾　　　８５間 最大厚さ　　２４朋 断面高さ　　６０朋 羽根本体１の上端部２はその表面に段を有した。段部は
深さ４朋、幅２，５朋の１周する円くした溝の形の凹所
４を有した。それによって外側端部に突起部５が形成さ
れた。
羽根本体１を１１４０℃の温度に加熱し、同様子熱した
セラミックの鋳型８へ上端２が鋳型の中空空間へ突出す
るように挿入した。鉤型８を羽根本体１に対しセラミッ
クー接着剤からなるシール１２によシ封鎖した。鋳込口
９からスーパーアロイの浴湯を鋳型８の中空空間へ鋳込
み、その際後にカバー板を形成する部分１４は羽根本体
１の上端部２を包囲した。溶湯１３に使用するｌＮＣ０
の商品名ｌＮ７３８の非分散硬化型ニッケル系鋳造スー
パーアロイの組成は次のとおりであった： Ｃｒ　　　　　１６．０重量係 Ｃｏ　　　　　　８．５　　ｔ’ Ｍｏ　　　　　　１．７５” Ｗ２６６重量多 Ｔａ　　　　　　　　　１．７５　　／ｚＮｂ　　　　
　　　　　　　　　０．９　　　　／ノＡｌ　　　　　
　　　３．４　　ｔｌ Ｔｉ　　　　　　　　　　３．４　　　”Ｚｒ　　　　
　　　　　［１，１〃Ｂ 　　　　　　　　　　Ｏ，０１〃ＣＯ ，１１〃 Ｎ１　　　　　　残部 この合金の液相線温度は約１３１５℃であった。鋳造温
度は最高１３８０’Ｃであった。＃湯１４の比較的急退
な凝固の後、工作物を徐冷した。鋳造温度が低いためカ
バー板６の中〜微粒子組織が達成された。カバー板の寸
法は次のとおりであった： 平均厚さ　　１０間 幅　　　　　　　　７０　ｌ／ 長さ　　　　　９０１１ 試験の結果、羽根本体１とカバー板６の間には冶金的結
合が存在せず、すなわち上端部２の組織は融解していな
いことが明らかになった。
結合は純機械的であり、その際羽根本体１の表面の厚さ
約６μｍの自然の酸化物層が直接的金属間接触を防いだ
。
製造した羽根を５分サイクルで約２００’Ｃと約１０Ｄ
Ｏ０（、！の温度変化処理し、その熱／ヨツク安定性を
試験した。５００サイクル後クラツクおよびカバー板６
と羽根本体１０間の弛みは認められなかった。これら２
つの部材の間の自然の酸化物皮膜はすでに断熱層として
作用したので、カバー板は最高でも８００　’Ｃの温度
にしか達しなかった。これは運転中にもとくにスイッチ
遮断または発電機側の負荷解放の際有利に作用する。
まったく一般的にこの場合羽根本体１の予熱温度は１１
４０〜１１８０ＱＣ１爵湯１３の鋳造温度は最高１３８
０’Ｃである。
例２： 第１および２図参照。
例１のとおり羽根本体１を酸化物分散硬化型ニッケル系
スーパーアロイから製造した。合金組成および寸法は正
確に例１に相当した。羽根本体１を１１６０’Ｃに予熱
し、その上端部２を第１図の鋳型８へ、脚端部３全相当
する鋳型（図示されず）へ挿入した。両方の鋳型の中空
空間に同時にｌＮＣ０のＩＮ９ろ９の商品名を有する非
分散硬化型ニッケル系鋳造スーパーアロイの浴湯１３を
充てんした。合金は次の組成を有した： Ｃｒ　　　　　２２．４重量飴 Ｃｏ　　　　　１９．Ｏ〃 Ｔａ　　　　　　１．４　　〃 Ｎｂ　　　　　　１．０　　〃Ａ ｌ１．９１１ Ｔｉ　　　　　　３．７　　” Ｚｒ　　　　　　Ｏ，１〃 ＣＯ，１５〃 Ｎｉ　　　　　残部 この合金の液相線温度は約１６４０’Ｃであった。鋳造
温度は最高１４００　℃であった。その他は正確に例１
のとおり実施した。試験の結果、羽根本体１とカバー板
６または脚部材７０間に冶金的結合がないことが明らか
になった。温度変化安定性試験の結果クラックのないこ
とおよびカバー板６または脚部材７の羽根本体１からの
弛みがないことが明らかになった。
収縮孔をなくシ、できるだけ多孔性を低くするため、カ
バー板６およびとくに脚部材７の構造的形成の際鋳造ス
ーパーアロイの材料肉厚化を避けるように注意しなけれ
ばならない。
まったく一般的にこの場合羽根本体１の予熱温度は１１
６０〜１２００℃１浴湯１３の鋳造温度は最高１４００
℃である。
例６： 第１および５図参照： 酸化物分散硬化型ニッケル系スーパーアロイからガスタ
ービン案内羽根の羽根本体１を機械加工によって製造し
た。出発材料としての縦方向に配向した粗粒子桿状結晶
を有する半製品お↓ぴ製造した羽根本体は例１と同じ寸
法を有した。合金組成は次のとおりであった： Ｃｒ　　　　　２０．ＯＮ危％ ＡＩＪ　　　　　　６．０　　〃 Ｍ・０　　　　２．Ｏ〃 Ｗ　　　　　　　　　ろ、５　　〃 Ｚｒ　　　　　　　　　０．１９　〃 ｆ３　　　　　０．０１　〃 Ｃ口、０１　　〃 Ｙ２Ｏ３１，１〃 Ｎ１　　　　　残部 羽根本体１の脚端部３はその表面に段を有し、矩形凹所
４の深さは１０朋、幅は１４朋、対応する突起部は厚さ
１０ｍｍ、幅１３ｍｍであった。
羽根本体１の脚端部３の全表面にプラズマスプレー法に
より厚さ約１５０μｍのＡｌ２Ｏ３の中間層１６を設け
た。
続いて例１記載のとおり実施した。羽根本体１を１１２
０’Ｃに加熱し、セラミックからなる鋳型へ挿入した。
使用した鋳造スーパーアロイエＮ７３８は例１とまった
く同じであった。＠造温度は最大１３８００Ｃであった
。脚部材７の良好な冷却および材料肉厚化の回避ならび
に軽い構造のため、この部材は冷却通路１５を備えた。
中間層１６があるにも抱らず、羽根本体１と脚部材７の
間の機械的結合は非常に良好であった。温度変化安定性
は高かった。ｉ　ｏｏｏサイクル後クラックは認められ
なかった。中間層１６は断熱層として優れていることが
明らかになった。羽根本体の平均温度が１０００’Ｃの
場合、脚部材は約７００℃に達しただけである。
まったく一般的にこの場合羽根本体の予熱温度は１１２
０〜１１６０℃１溶湯１３の鋳造温度は最高１６８０℃
である。
例４： 第１および４図参照： 酸化物分散硬化型ニッケル系スーパーアロイからガスタ
ービン回転羽根の羽根本体１を機械加工によって製造し
た。素材は幅１００ｍｍ、厚さ３０ｍｍの矩形断面を有
する角筒形半製品の形で帯域焼鈍により再結晶しだ粗粒
子状態で存在した。縦に配向した桿状結晶は平均して長
さ２５朋、幅８朋、厚さ３．５朋であった。半製品を機
械加工前に桿状結晶の長さ方向に対し垂直の靭性を上昇
するため熱処理した。この処理はγ基地中のγ′相のた
めの最低可能の溶体化処理温度またはそれより少し高い
温度における焼鈍に最高５℃／　ｍｉｔ＋の冷却速度に
よる冷却が続いた。
素材は正確に例ろによる組成に相当した。
羽根本体１は下記寸法の翼形断面を有した：全　　長　
　　　　２００龍 最大幅　　　　７０ｍ算 最大厚さ　　　２０朋 断面高さ　　　２８朋 羽根本体１の上端部２はその表面に段を有した。段部は
深さ２ｍｍ、幅２朋の底部を円くした１周する溝の形の
凹所４を備えた。溝の間にある突起部は同様の寸法を有
した。
羽根本体１を１１２０℃に予熱し、同様子熱した第１図
の８と類似の鋳型へ挿入した。以後の経過は例１と同様
であった。浴湯１３としては例２の組成による鋳造スー
パーアロイエＮ９３９を使用した。鋳造温度は最高１４
００℃であった。凝固は比較的短時間に行われ、その結
果微粒組織が得られた。凝固後、素材を徐冷した。カバ
ー板６の寸法は次のとおりであった：平均厚さ　　　８
　ｘｘ 幅　　　　　８０正（羽根に対し斜めに測った。） 長さ　　　　１００關 羽根本体１とカバー板６の間の自然の酸化膜の平均厚さ
は３〜５μｍであった。
２００〜１０００℃の範囲の温度変化安定性は非常に良
好であった。５００サイクル後羽根本体１またはカバー
板６にクランクは認められなかった。
まったく一般的にこの場合羽根本体１の予熱温度は１１
２０〜１１６Ｄ０Ｃ１溶湯１３の鋳造温度は最高１４０
０℃である。
例５： 第１および４図参照。
例４のとおり羽根本体１を酸化物分散硬化型スーパーア
ロイから製造した。合金組成金欠のとおり選択した： ｃｒ　　　　　１７．ｏ：ａｉ量チ Ａｌ　　　　　　６．０　　〃Ｍ ｏ　　　　　　　　　　　　　　　２．０　　　　　ノ
！”ＪＪ　　　　　　３．５　　〃Ｔａ 　　　　　　２．Ｏ〃 Ｚｒ　　　　　　Ｏ，１５〃 Ｂ　　　　　　Ｏ，０１’ （’　　　　　　０．０５　〃 Ｙ２Ｏ３１，１ｎ Ｎ１　　　　　　残部 しかし例４と異なり半製品を靭性上昇のためあらかじめ
熱処理しなかった。
羽根本体の寸法は例４のそれに相当した。羽根本体１の
脚端部３はタービンロータの軸を含む断面で見て６つの
凹所４および３つの突起部５を有するもみの木彫を有し
、それによって脚部材７内の安定な固定が保証された（
第４図参照）。
羽根本体１を１１３０℃に予熱し、その上端部２および
脚端部３をそれぞれ予熱した鋳型へ挿入し、セラミック
ー接着剤で封鎖した。２つの鋳型の中空空間に例１によ
る組成を有する鋳造スーパーアロイｌＮ７６８を同時に
充てんした。鋳造温度は１３８０℃であった。その他は
先行例のとおり実施した。脚部材７の鋳型はロータの軸
を含む断面で脚部材が最終状態でもみの木彫を有するよ
うに形成した。５つの凹乃１と交互に５つの突起があり
、これらは羽根本体１の脚端部３に近いほぼ相当する凹
所４および突起部５と相対する。それによって冶金的結
合がないにも抱らず羽根本体１／脚部材７／ロータの優
れた噛合が達成される。
熱シヨツク試験Ｖこは満足に耐えた。１０００サイクル
後クランクも羽根本体１とカッぐ一板６および脚部材７
との間の固定の弛みも認められなかった。
まったく一般的にこの場合羽根本体１の予熱温度は１１
３０〜１１７０℃１溶湯１３の鋳造温度は最高１３８０
０Ｇである。
例６： 第１および５図参照。
靭性上昇のための熱処理による前処理をしなかった例５
による半製品として存在する酸化物分散硬化型ニッケル
系スーパーアロイからガスタービン回転羽根の羽根本体
１を機械加工によって製造した。素材の組成ならびに羽
根本体の寸法および形は例１に示した値と完全に同じで
あった。
羽根本体１のもみの木彫脚端部３の全表面はプラズマス
プレー法によりＹ２Ｏ３１％全ドープしたＺｒＯ２から
なる平均厚さ８０μｍの中間層１６を有した。
羽根本体１を１１８０’Ｃに加熱し、素材のｒ基地中に
γ′相をできるたけ大部分固溶体化した。
次に羽根本体１の脚端部３をコアを有する予熱した鋳型
へ挿入し、セラミックー接着剤で個鎖した。浴湯１３と
して液相線温度約１３４０℃の例２の組成を有する鋳造
スーパーアロイｌＮ９６９を使用した。鋳造温度は１３
８０℃であった。冷却通路１５のためのコアにより脚部
材７の範囲内の許容外の材料肉厚化が避けられた。
それによって凝固過程が最適に経過し、微粒組織が得ら
れた。素材の以後の冷却を注意深く監視した。冷却速度
は６００℃まで最高５℃、／　ｍｉｘに維持した。以後
素材はその自然冷却にまかせた。
この手段によって羽根本体素材のとくに縦に配向した桿
状結晶に対し横方向の靭性は供給状態に比して著しく上
昇した。これはとくに羽根本体１の脚端部３の固定部の
運転条件のためきわめて重要である。靭性の上昇によっ
て羽根の高負荷範囲内でのクランクまたは弛みに対する
安全性が大きく上昇した。
同時に周期的に張力を負荷しながら実施した１００℃と
１０００℃の間の１０００サイクルの熱シヨツク試験に
より動的状態のもとにこの非金属結合の優れた熱的、機
械的および熱機械的挙動が明らかになった。中間層１６
は断熱層として作用するのみならず、弾性的負荷の伝達
要素としてぎ−ク応力発生の際重要な機械的機能を果す
。さらに種々の負荷に対するほぼ理想的な複合体が得ら
れる：非常に高い温度における高いクリープ強度のため
粗い粒子を有する羽根本体１；中間温度における高い機
械的交番負荷のため微粒子を有する脚部材７；組織を損
傷する臨界的移行ソゝ−ンを有する１と７の間の冶金的
結合がない。
まったく一般的にこの場合羽根本体１の予熱温度は１１
６０〜１１８０℃１溶湯１３の鋳造温度は最高１４００
℃である。
例７： 第１および４図参照。
例５のとおり酸化物分散硬化型ニッケル系スーパーアロ
イから羽根本体１を製造した。合金組成および寸法は例
５に示す値に相当した。
羽根本体ｔｉｉｉｓｏ℃の温度に加熱し、その上六部お
よび脚端部３をそれぞれ相当する予熱した鋳型へ挿入し
、セラミックー接着剤で封鎖した。鋳型の中空空間を例
１による組成を有する鋳造スーパーアロイＩ　Ｎ７３８
の浴湯１３で同時に充てんした。鋳造温度は１３７０℃
であった。冷却は溶湯１３が凝固した後１２００℃から
６００℃までの温度範囲を僅か２時間で通過するように
制御した。それによって羽根素相の靭性上昇が達成され
た。
製造した工作物のカバー板６および脚部材７の範囲を後
圧縮した。工作物をまず圧力を適用せずに１１４０℃の
温度にした。この温度は羽根本体素材ならびにカバー板
６および脚部材７の素材の再結晶温度より少なくとも１
００℃、しかし最高ｉｓｏ’ｃ低い範囲であった。次に
工作物に２０００バールの全面的圧力を負荷し、したが
って６時間熱間等静圧圧縮した。冷却は５℃／ｍの速度
で実施した。それによって羽根本体１の横方向の最大可
能の靭性が達成された。
試験の結果カバー板６および脚部材７に対し理論値の１
００％の密度を達成したことが明らかになった。
この両方の部材６および７の強度は少なくとも普通に高
温で鋳造し、ち密に凝固した比較体の値に達した。熱シ
ヨツク試験および高温の動的負荷は優れた結果を示した
。複合体中のクラックも弛みも認められなかった。
本発明は実施例に制限されない。原則的に羽根本体１の
ための酸化物分散硬化型ニッケル系スーパーアロイなら
びにカバー板（カバー帯）６および脚部材７のための非
酸化物分散硬化型ニッケル系スーパーアロイは前記組成
以外の組成のものを使用することもできる。羽根本体１
の予熱温度は羽根本体素材の低温融解相の固相線温度よ
り５０〜３００℃低い範囲にあり、非分散硬化型ニッケ
ル系スーパーアロイの溶湯１３の鋳造温度はこの合金の
最高温融解相の液相線温度より最高１００’Ｃ！高い。
鋳造過程終了後および凝固の間の溶湯１３の温度ならび
に羽根本体１の温度は羽根本体１の溶解および羽根本体
１とカバー板６または羽根本体１と脚部材７の間の冶金
「９結合を避けるように制御しなければならない。工作
物全体を次に制御下に室温へ冷却する。
羽根本体素材（半製品）または羽根本体１自体は桿状結
晶の長さ方向と垂直の靭性全上昇するため有利に鋳ぐる
みの前に、羽根本体素材のγ−基地中のγ′相の溶体化
処理温度またはそれより少し高い温度における焼鈍およ
び引続く最高５℃／馴の冷却からなる熱処理が実施され
る。
選択的に羽根本体１はγ′相の最低可能の溶体化処理温
度より少なくとも５０’Ｃ低い温度へ予熱することがで
きる。鋳造後、羽根本体１の冷却速度は６００℃まで最
高５℃／ｍでなければならない。次に工作物は任意の冷
却速度で室温まで冷却することができる。
羽根本体１はとくに少なくとも上端部２および脚端部３
に鋳ぐるみ前に元素Ｃｒ＋　　Ａｌｌ　　Ｓ　１　。
Ｔｉ、Ｚｒの少なくとも１つの酸化物からなる厚さ５〜
２０口μｍの中間層１６を備えることができる。
カバー板６および脚部材７の後圧縮のため工作物全体を
有利に室温へ冷却後もう１度１０５０〜１２００’Ｃ！
の温度にもたらし、少な（とも６および（または）Ｔを
熱間等静圧フ０レスし、その際工作物は羽根本体１なら
びにカバー板６および脚部材７の素材の再結晶温度より
少なくとも１００℃、しかし最高１５０℃低い温度に加
熱し、１０００〜３ＯＯロバールの圧力下にこの温度で
２〜２４時間保持し、次に少なくとも６００’Ｃまで最
高５℃／　ｍｉｎの速度で冷却する。
いかなる場合にも製造した複合ガスタービン羽根の羽根
本体１とカバー板６または脚部材７の間に金属の中断が
あυ、冶金的結合がないように注意しなければならない
。中断は一部自然の酸化膜、一部中空空間からなり、最
大５μｍの厚さを有する。しかし金属の中断部に元素Ｃ
ｒ、　　Ａｌ．　　Ｓｉ、　　Ｔｉ、　　Ｚｒの少なく
とも１つの元素の厚さ５〜２００μｍの酸化物からなる
中間層１６が存在してもよい。この層は主としてｋｌ　
２０３、またはＹ２Ｏ３で安定化したＺ　ｒ　Ｏ２から
なる厚さ少なくとも１００μｍの羽根本体１に固着した
層として形成される。
有利に羽根本体１は桿状結晶の長さ方向と垂直に高い靭
性を有する酸化物分散硬化型で非析出硬化型のニッケル
系スーパーアロイからなる。
すなわちこの場合可撓性を保持するため故意に付加的析
出硬化は使用しない。
【図面の簡単な説明】
第１図は鋳ぐるみする羽根本体の上端部のための鋳造装
ね、の縦断面図、第２図はガスタービンの複合案内羽根
の縦断面図、第６図は羽根本体と脚部材の間に中間層を
有する脚部の縦断面図、第４図はガスタービンの複合回
転羽根の縦断面図、第５図は脚部材に中間層および冷却
通路を有する回転羽根の縦断面図である。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、羽根本体（１）が縦に配向した粗い桿状結晶の状態
    にある酸化物分散硬化型ニッケル系スーパーアロイから
    なる、脚部材（７）、羽根本体（１）およびカバー板（
    ６）またはカバー帯（６）よりなる複合ガスタービン羽
    根の製法において、羽根本体の上端部（２）および脚端
    部（３）の表面に凹所（４）および（または）突起部（
    ５）を備え、羽根本体 （１）をカバー板（６）および脚部材（７）のネガ形を
    有する鋳型（８）へ、上端部（２）および脚端部（３）
    が鋳型（８）の中空空間へ突出するように挿入し、羽根
    本体（１）をその素材の最低温融解相の固相線温度より ５０〜３００℃低い温度へ予熱し、鋳型（８）の中空空
    間を、カバー板（６）および脚部材（７）のための非分
    散硬化型ニッケル系スーパーアロイの溶湯（１３）でこ
    の合金の最高温融解相の液相線温度より最高１００℃高
    い鋳造温度をもつて、羽根本体（１）の上端部（２）お
    よび脚端部（３）を完全に鋳ぐるみするように充てんし
    、鋳造過程終了後および凝固の間の溶湯の温度ならびに
    羽根本体（１）の温度を羽根本体（１）の溶解および羽
    根本体（１）の素材とカバー板（６）および脚部材（７
    ）の素材の間の冶金的結合を避けるように制御し、全複
    合体を室温まで冷却することを特徴とする複合ガスター
    ビン羽根の製法。 ２、羽根本体（１）を桿状結晶の長さ方向と直角方向に
    靭性を上昇するためあらかじめ熱処理した半製品から加
    工し、または羽根本体 （１）をその製造後羽根本体素材のγ基地中のγ′相の
    ための最低可能の溶体化処理温度もしくはそれより少し
    高い温度における熱処理および引続く最高５℃／ｍｍの
    冷却速度による徐冷からなる熱処理により処理する請求
    項１記載の方法。 ３、羽根本体（１）を鋳ぐるみ前に羽根本体素材のγ基
    地中のγ′相のための最低可能の溶体化処理温度より少
    なくとも５０℃低い温度へ予熱し、羽根本体（１）を鋳
    ぐるみ後最高 ５℃／ｍｍの冷却速度をもつて少なくとも６００℃以下
    の温度まで冷却し、カバー板（６）および（または）脚
    部材（７）を形成する凝固した溶湯を任意の冷却速度で
    冷却する請求項１記載の方法。 ４、羽根本体（１）の少なくとも上端部（２）および脚
    端部（３）に鋳型へ挿入する前に、元素Ｃｒ、Ａｌ、Ｓ
    ｉ、Ｔｉ、Ｚｒの少なくとも１つの元素の酸化物からな
    る厚さ５〜２００μｍの中間層（１６）を設ける請求項
    １記載の方法。 ５、羽根本体（１）の酸化物分散硬化型ニッケル系スー
    パーアロイが次の組成： Ｃｒ　　　　１５．０重量％ Ａｌ　　　　　４．５〃 Ｔｉ　　　　　２．５〃 Ｍｏ　　　　　２．０重量％ Ｗ　　　　　　４．０〃 Ｔａ　　　　　２．０〃 Ｚｒ　　　　　０．１５〃 Ｂ　　　　　　０．０１〃 Ｃ　　　　　　０．０５〃 Ｙ＿２Ｏ＿３　１．１〃 Ｎｉ　　　　　残部 を有し、羽根本体（１）を１１４０〜 １１８０℃の温度に予熱し、さらに脚部材 （７）およびカバー板（６）のニッケル系スーパーアロ
    イが下記の組成： Ｃｒ　１６．０重量％ Ｃｏ　　８．５〃 Ｍｏ　　１．７５〃 Ｗ　　　２．６〃 Ｔａ　　１．７５〃 Ｎｂ　　０．９〃 Ａｌ　　３．４〃 Ｔｉ　　３．４〃 Ｚｒ　　０．１重量％ Ｂ　　　０．０１〃 Ｃ　　　０．１１〃 Ｎｉ　　残部 を有し、上記組成の溶湯（１３）の鋳造温度が最高１３
    ８０℃である請求項１記載の方法。 ６、羽根本体（１）の酸化物分散硬化型ニッケル系スー
    パーアロイが下記の組成： Ｃｒ　　　　１５．０重量％ Ａｌ　　　　　４．５〃 Ｔｉ　　　　　２．５〃 Ｍｏ　　　　　２．０〃 Ｗ　　　　　　４．０〃 Ｔａ　　　　　２．０〃 Ｚｒ　　　　　０．１５〃 Ｂ　　　　　　０．０１〃 Ｃ　　　　　　０．０５〃 Ｙ＿２Ｏ＿３　１．１〃 Ｎｉ　　　　　残部 を有し、羽根本体（１）を１１６０〜 １２００℃の温度に予熱し、さらに脚部材 （７）およびカバー板（６）のニッケル系スーパーアロ
    イが次の組成： Ｃｒ　２２．４重量％ Ｃｏ　１９．０〃 Ｔａ　　１．４〃 Ｎｂ　　１．０〃 Ａｌ　　１．９〃 Ｔｉ　　３．７〃 Ｚｒ　　０．１〃 Ｃ　　　０．１５〃 Ｎｉ　　残部 を有し、前記組成の溶湯（１３）の鋳造温度が最高１４
    ００℃である請求項１記載の方法。 ７、羽根本体（１）の酸化物分散硬化型ニッケル系スー
    パーアロイが下記の組成： Ｃｒ　　　　２０．０重量％ Ａｌ　　　　　６．０〃 Ｍｏ　　　　　２．０〃 Ｗ　　　　　　３．５〃 Ｚｒ　　　　　０．１９重量％ Ｂ　　　　　　０．０１〃 Ｃ　　　　　　０．０５〃 Ｙ＿２Ｏ＿３　１．１〃 Ｎｉ　　　　　残部 を有し、羽根本体（１）を１１２０〜 １１６０℃の温度に予熱し、さらに脚部材 （７）およびカバー板（６）のニッケル系スーパーアロ
    イが次の組成： Ｃｒ　１６．０重量％ Ｃｏ　　８．５〃 Ｍｏ　　１．７５〃 Ｗ　　　２．６〃 Ｔａ　　１．７５〃 Ｎｂ　　０．９〃 Ａｌ　　３．４〃 Ｔｉ　　３．４〃 Ｚｒ　　０．１〃 Ｂ　　　０．０１〃 Ｃ　　　０．１１〃 Ｎｉ　　残部 を有し、上記組成の溶湯（１３）の鋳造温度が最高１３
    ８０℃である請求項１記載の方法。 ８、羽根本体（１）の酸化物分散硬化型ニッケル系スー
    パーアロイが次の組成： Ｃｒ　　　　２０．０重量％ Ａｌ　　　　　６．０〃 Ｍｏ　　　　　２．０〃 Ｗ　　　　　　３．５〃 Ｚｒ　　　　　０．１９〃 Ｂ　　　　　　０．０１〃 Ｃ　　　　　　０．０５〃 Ｙ＿２Ｏ＿３　１．１〃 Ｎｉ　　　　　残部 を有し、羽根本体（１）を１１２０〜 １１６０℃の温度に予熱し、さらに脚部材 （７）およびカバー板（６）のニッケル系スーパーアロ
    イが下記の組成： Ｃｒ　２２．４重量％ Ｃｏ　１９．０〃 Ｗ　　　２．０重量％ Ｔａ　　１．４〃 Ｎｂ　　１．０〃 Ａｌ　　１．９〃 Ｔｉ　　３．７〃 Ｚｒ　　０．１〃 Ｃ　　　０．１５〃 Ｎｉ　　残部 を有し、前記組成の溶湯（１３）の鋳造温度が最高１４
    ００℃である請求項１記載の方法。 ９、羽根本体（１）の酸化物分散硬化型ニッケル系スー
    パーアロイが下記の組成： Ｃｒ　　　　１７．０重量％ Ａｌ　　　　　６．０〃 Ｍｏ　　　　　２．０〃 Ｗ　　　　　　３．５〃 Ｔａ　　　　　２．０〃 Ｚｒ　　　　　０．１５〃 Ｂ　　　　　　０．０１〃 Ｃ　　　　　　０．０５〃 Ｙ＿２Ｏ＿３　１．１重量％ Ｎｉ　　　　　残部 を有し、羽根本体（１）を１１３０〜 １１７０℃の温度に予熱し、さらに脚部材 （７）およびカバー板（６）のニッケル系スーパーアロ
    イが下記の組成： Ｃｒ　１６．０重量％ Ｃｏ　　８．５〃 Ｍｏ　　１．７５〃 Ｗ　　　２．６〃 Ｔａ　　１．７５〃 Ｎｂ　　０．９〃 Ａｌ　　３．４〃 Ｔｉ　　３．４〃 Ｚｒ　　０．１〃 Ｂ　　　０．０１〃 Ｃ　　　０．１９〃 Ｎｉ　　残部 を有し、前記組成の溶湯（１３）の鋳造温度が最高１３
    ８０℃である請求項１記載の方法。 １０、羽根本体（１）の酸化物分散硬化型ニッケル系ス
    ーパーアロイが下記組成： Ｃｒ　　　　１７．０重量％ Ａｌ　　　　　６．０〃 Ｍｏ　　　　　２．０〃 Ｗ　　　　　　６．５〃 Ｔａ　　　　　２．０〃 Ｚｒ　　　　　０．１５〃 Ｂ　　　　　　０．０１〃 Ｃ　　　　　　０．０５〃 Ｙ＿２Ｏ＿３　１．１〃 Ｎｉ　　　　　残部 を有し、羽根本体（１）を１１３０〜 １１７０℃の温度に予熱し、さらに脚部材 （７）およびカバー板（６）のニッケル系スーパーアロ
    イが下記組成： Ｃｒ　２２．４重量％ Ｃｏ　１９．０〃 Ｗ　　　２．０〃 Ｔａ　　１．４〃 Ｎｂ　　１．０重量％ Ａｌ　　１．９〃 Ｔｉ　　３．７〃 Ｚｒ　　０．１〃 Ｃ　　　０．１５〃 Ｎｉ　　残部 を有し、上記組成の溶湯（１３）の鋳造温度が最高１４
    ００℃である請求項１記載の方法。 １１、工作物全体を室温へ冷却後もう１度１０５０〜１
    ２００℃の温度へ加熱し、少なくとも脚部材（７）およ
    びカバー板（６）を高温等静圧圧縮によつて後圧縮し、
    その際工作物をまず羽根本体（１）ならびにカバー板（
    ６）および脚部材（７）の素材の再結晶温度より最低１
    ００℃、最高１５０℃低い温度に加熱し、次に１０００
    〜３０００バールの圧力下にこの温度に２〜２４時間保
    持し、次に最高５℃／ｍｍの速度で少なくとも６００℃
    以下の温度まで冷却する請求項１から１０までのいずれ
    か１項記載の方法。 １２、羽根本体（１）が縦に配向した粗い桿状結晶の状
    態の酸化物分散硬化型ニッケル系スーパーアロイからな
    る、脚部材（７）、羽根本体（１）およびカバー板（６
    ）よりなる複合ガスタービン羽根において、脚部材（７
    ）およびカバー板（６）が非分散硬化型ニッケル系鋳造
    スーパーアロイからなり、脚部材（７）およびカバー板
    （６）が羽根本体（１）の脚端部（３）および上端部（
    ２）の表面に凹所（４）および（または）突起部（５）
    を介して、金属の中断を維持しながら冶金的結合なしに
    純機械的に鋳ぐるみによつて固定されていることを特徴
    とする複合ガスタービン羽根。 １３、羽根本体（１）とカバー板（６）および（または
    ）脚部材（７）の間の金属中断が一部自然の酸化膜、一
    部中空空間によつて形成された最大５μｍ幅のギヤツプ
    の形で存在する請求項１２記載のガスタービン羽根。 １４、羽根本体（１）とカバー板（６）および（または
    ）脚部材（７）の間の金属中断部の羽根本体の表面に元
    素Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｚｒの少なくとも１つの酸
    化物の厚さ５〜 ２００μｍの中間層が存在する請求項１２記載のガスタ
    ービン羽根。 １５、中間層（１６）が羽根本体（１）の表面に固着す
    る、厚さ少なくとも１００μｍの運転中断熱性の層とし
    て形成され、かつ主としてＡｌ＿２Ｏ＿３、またはＹ＿
    ２Ｏ＿３で安定化したＺｒＯ＿２からなる請求項１４記
    載のガスタービン羽根。 １６、羽根本体（１）が桿状結晶の長さ方向と垂直に高
    い靭性を有する酸化物分散硬化型で非析出硬化型のニッ
    ケル系スーパーアロイからなる請求項１２記載のガスタ
    ービン羽根。 １７、羽根本体（１）が次の組成： Ｃｒ　　　　１５．０重量％ Ａｌ　　　　　４．５〃 Ｔｉ　　　　　２．５〃 Ｍｏ　　　　　２．０〃 Ｗ　　　　　　４．０〃 Ｔａ　　　　　２．０〃 Ｚｒ　　　　　０．１５重量％ Ｂ　　　　　　０．０１〃 Ｃ　　　　　　０．０５〃 Ｙ＿２Ｏ＿３　１．１〃 Ｎｉ　　　　　残部 の合金からなる請求項１２記載のガスタービン羽根。 １８、羽根本体（１）が次の組成： Ｃｒ　　　　２０．０重量％ Ａｌ　　　　　６．０〃 Ｍｏ　　　　　２．０〃 Ｗ　　　　　　３．５〃 Ｚｒ　　　　　０．１９〃 Ｂ　　　　　　０．０１〃 Ｃ　　　　　　０．０５〃 Ｙ＿２Ｏ＿３　１．１〃 Ｎｉ　　　　　残部 の合金からなる請求項１２記載のガスタービン羽根。 １９、羽根本体（１）が次の組成： Ｃｒ　　　　１７．０重量％ Ａｌ　　　　　６．０〃 Ｍｏ　　　　　２．０〃 Ｗ　　　　　　３．５〃 Ｔａ　　　　　２．０〃 Ｚｒ　　　　　０．１５〃 Ｂ　　　　　　０．０１〃 Ｃ　　　　　　０．０５〃 Ｙ＿２Ｏ＿３　１．１〃 Ｎｉ　　　　　残部 の合金からなる請求項１２記載のガスタービン羽根。 ２０、脚部材（７）およびカバー板（６）が次の組成： Ｃｒ　１６．０重量％ Ｃｏ　　８．５〃 Ｍｏ　　１．７５〃 Ｗ　　　２．６〃 Ｔａ　　１．７５〃 Ｎｂ　　０．９〃 Ａｌ　　３．４重量％ Ｔｉ　　３．４〃 Ｚｒ　　０．１〃 Ｂ　　　０．０１〃 Ｃ　　　０．１１〃 Ｎｉ　　残部 の合金からなる請求項１２記載のガスタービン羽根。 ２１、脚部材（７）およびカバー板（６）が次の組成： Ｃｒ　２２．４重量％ Ｃｏ　１９．０〃 Ｗ　　　２．０〃 Ｔａ　　１．４〃 Ｎｂ　　１．０〃 Ａｌ　　１．９〃 Ｔｉ　　３．７〃 Ｚｒ　　０．１〃 Ｃ　　　０．１５〃 Ｎｉ　　残部 の合金からなる請求項１２記載のガスタービン羽根。
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