溶接方法及びその方法によって形成した構成要素
【課題】回転構成要素（５０）を製作する方法及びその方法によって形成した回転構成要素（５０）を提供する。
【解決手段】本回転構成要素（５０）は、回転軸線（８８）、少なくとも１つのリム部材（５２）、少なくとも１つのディスク部材（５４）及び少なくとも１つの翼形部材（５６）を有する。リム及びディスク部材（５２、５４）は、互いに溶接されて、本回転構成要素（５０）の回転軸線（８８）に平行でない第１の平面内に位置した第１の固体溶接継手（８２）を形成する。翼形部材（５６）は、リム部材（５２）に溶接されて、本回転構成要素（５０）の回転軸線（８８）に平行でない第２の平面内に位置した第２の固体溶接継手（８４）を形成する。リム部材（５２）は、ディスク部材（５４）の半径方向外側方向に設置され、また翼形部材（５６）は、リム部材（５２）の半径方向外側方向に設置される。
【解決手段】本回転構成要素（５０）は、回転軸線（８８）、少なくとも１つのリム部材（５２）、少なくとも１つのディスク部材（５４）及び少なくとも１つの翼形部材（５６）を有する。リム及びディスク部材（５２、５４）は、互いに溶接されて、本回転構成要素（５０）の回転軸線（８８）に平行でない第１の平面内に位置した第１の固体溶接継手（８２）を形成する。翼形部材（５６）は、リム部材（５２）に溶接されて、本回転構成要素（５０）の回転軸線（８８）に平行でない第２の平面内に位置した第２の固体溶接継手（８４）を形成する。リム部材（５２）は、ディスク部材（５４）の半径方向外側方向に設置され、また翼形部材（５６）は、リム部材（５２）の半径方向外側方向に設置される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的には接合作業を含む製作方法に関する。より具体的には、本発明は、例えばターボ機械の回転構成要素のような回転ハードウェアを製作する方法、それらの製作で使用する接合法、及びそれらによって形成したハードウェアを対象とする。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンの燃焼器及びタービンセクション内の構成要素は、燃焼器内で発生した高温燃焼ガスにより生じた高い温度においても許容可能な機械的特性を達成するために、一般的にはチタン基、コバルト基、ニッケル基及び鋼鉄基超合金材料で形成されることが多い。最新式の高圧力比ガスタービンエンジンにおけるより高い圧縮機出口温度もまた、ブレード、スプール、ディスク（ホイール）、ブリスク及びその他の構成要素を含む圧縮機構成要素に対して高性能超合金を使用することを必要とさせる可能性がある。所定の構成要素のための好適な合金組成及び微細組織は、該構成要素が受ける特定の温度、応力及びその他の条件に応じて決まる。例えば、圧縮機並びにタービンのブレード（バケット）及びベーン（ノズル）のような翼形部は、ガスタービンエンジンのそれらのそれぞれのセクション内でそれらが受ける高い温度及び応力に耐える等軸の方向性凝固（ＤＳ）又は単結晶（ＳＸ）超合金鋳造品として形成されることが多く、一方、翼形部が取付けられるタービンディスク並びに圧縮機スプール及びディスクのような回転ハードウェアは一般的に、制御した鍛造、熱処理及び表面処理を注意深く行なって制御粒状組織及び所望の機械的特性を実現しなければならない超合金で形成される。それらの異なる要求の故に、翼形部及びそれらの支持回転ハードウェアは一般的に、異なる合金で形成される。ブレード合金の具体的実例には、Ａ２８６及びＡＭ−３５５のような鋼、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ及びＴｉ−８Ａｌ−１Ｖ−１Ｍｏのようなチタン基合金、Ｕ７２０、ＩＮ７１８のような鋳造及び鍛造用多結晶ガンマプライム（γ’）析出強化ニッケル基合金、並びにＭＸ４（米国特許第５，４８２，７８９号）、Ｒｅｎｅ Ｎ５（米国特許第６，０７４，６０２号）、Ｒｅｎｅ Ｎ６（米国特許第５，４５５，１２０号）、ＣＭＳＸ−１０、ＣＭＳＸ−１２及びＴＭＳ−７５のような鋳造用モノクリスタル又は単結晶ガンマプライム析出強化ニッケル基合金が含まれる。ディスク合金の具体的実例には、Ｒｅｎｅ ８８ＤＴ（米国特許第４，９５７，５６７号）、Ｒｅｎｅ １０４（米国特許第６，５２１，１７５号）、並びに商標Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）、Ｎｉｍｏｎｉｃ（登録商標）及びＵｄｉｍｅｔ（登録商標）の下で市販されている一部のニッケル基合金のようなガンマプライム析出強化ニッケル基合金が含まれる。
【０００３】
上記を考慮すると、ガスタービンエンジンの圧縮機内で使用されるブリスク（ブレード付きディスク及び一体ブレード付きロータとも呼ばれる）は、ディスク及びブレードを別個に製造しかつ次にディスクに対してブレードを機械的に締結するのとは対照的にそれらのディスク及びブレードは単一一体形部品として製造されるので、一定の妥協を必要とすることが多い。図１は、ガスタービンエンジンで使用することができるタイプのブリスク１０の部分断面図である。ブリスク１０は、リム１２と、ディスク（ホイール）１４と、ブレード（バケット）１６（その１つのみを図示する）とを備えた単体構造構成を有するものとして示している。各ディスク１４は、その半径方向最内側範囲におけるボア（ハブ）１８と、そのボア１８及びリム１２間の比較的薄肉のウェブ２０とを有する。ボア１８内において中心に貫通孔２２を設置して、エンジンのタービンセクションによって駆動されるシャフト（図示せず）上にディスク１４を取付けるようにし、従ってディスク１４の共通中心軸線２４は、ブリスク１０の回転軸線と一致する。ブリスク１０のその他の態様並びにその中にブリスク１０を据付けることができる圧縮機及びエンジンの構成及び作動は、当技術分野では公知であり、従ってここでは詳細には説明しないことにする。
【０００４】
図１に示すタイプの単一合金ブリスクの重量及びコストにより、鍛造重量及びコストを低減することができる材料、製作方法及びハードウェア設計を開発する要望が促進されてきた。１つの解決法は、ブリスクのボア及びウェブがそれらのリム及びブレードよりも低い作動温度を有し、従ってリム及びブレードが必要とする特性とは異なる特性を備えた合金で形成することができるという事実によって押し進められている。使用する特定の１つ又は複数の合金に応じて、ボア、ウェブ、リム及びブレードに最適な微細組織もまた一般的に、異なるものとなる。例えば、比較的粗粒の粒径（粒子サイズ）は、リムにおいて引張り強度及び耐低サイクル疲労性を向上させるのに最適なものとすることができ、一方、より細粒の粒子サイズは、ボア及びウェブにおいて耐クリープ性、耐応力破断性及び耐割れ成長性を向上させるのに最適なものとすることができる。
【０００５】
米国特許出願公開第２００８／０１２０８４２号及び第２００８／０１２４２１０号には、ディスクのボア及びリムを異なる材料で別個に形成しかつ次に冶金学的接合法を使用してハブ及びリムをそれらの間のウェブ領域において接合することによって製作された複数合金ロータ組立体が記載されている。この目的のためには米国特許出願公開第２００８／０１２４２１０号に開示されているイナーシャ溶接のような多様な接合法が使用可能である。ロータ組立体の場合には、ブレードは、ブリスクのケースのようにリムとの単一一体形部品として製造される代わりに、リムの外周部におけるスロット内に保持される。従って、ブリスクは、米国特許出願公開第２００８／０１２０８４２号及び第２００８／０１２４２１０号の教示を使用して複数合金回転ハードウェアを製作することに対して付加的な課題をもたらす。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第６，９６９，２３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、例えばターボ機械の回転構成要素のような回転ハードウェアを製作する方法、それらの製作で使用する接合法、及びそれらによって形成した回転ハードウェアを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の態様によると、本方法は、構成要素の回転軸線と一致した対称軸を有するように少なくとも１つのリム部材、少なくとも１つのディスク部材及び少なくとも１つの翼形部材を別個に製作するステップと、ディスク部材の半径方向外側方向にリム部材が設置されるようにそこで該リム及びディスク部材を接合することができる溶接前接合表面を該リム及びディスク部材上に形成しかつリム部材の半径方向外側方向に翼形部材が設置されるようにそこで該リム及び翼形部材を接合することができる溶接前接合表面を該リム及び翼形部材上に形成して、それら接合表面が構成要素の回転軸線に平行でない平面内に位置するようにするステップとを含む。次に、リム、ディスク及び翼形部材のうちの２つの部材間で相対軸方向及び回転運動を生じさせかつ該２つの部材の溶接前接合表面において第１の固体溶接継手を形成することにより該リム、ディスク及び翼形部材のうちの２つの部材を互いにイナーシャ溶接してそれによって溶接部分組立体を形成し、また次に溶接部分組立体並びにリム、ディスク及び翼形部材のうちの第３の部材間で相対軸方向及び回転運動を生じさせかつ該溶接部分組立体及び第３の部材の溶接前接合表面において第２の固体溶接継手を形成することにより該リム、ディスク及び翼形部材のうちの第３の部材に対して該溶接部分組立体をイナーシャ溶接するイナーシャ溶接プロセスを実行する。
【０００９】
本発明の別の態様は、回転構成要素であり、本回転構成要素は、回転軸線と、その半径方向外側範囲にプラットフォームをまたその半径方向内側範囲に第１のウェブ部分を有する少なくとも１つのリム部材と、その半径方向外側範囲に第２のウェブ部分を有する少なくとも１つのディスク部材と、少なくとも１つの翼形部材とを有する。リム及びディスク部材の第１及び第２のウェブ部分は、互いに溶接されて、回転構成要素の回転軸線に平行でない第１の平面内に位置した第１の固体溶接継手を形成する。リム部材は、ディスク部材の半径方向外側方向に設置され、また第１及び第２のウェブ部分は、ディスク部材に対してリムを固定するウェブを形成する。翼形部材は、リム部材に溶接されて、本回転構成要素の回転軸線に平行でない第２の固体溶接継手を形成しかつリム部材の半径方向外側方向に設置される。
【００１０】
本発明の技術的効果は、２つよりも多い部分構成要素を含む回転ハードウェアを製作することができることであり、そのような回転ハードウェアの具体的な実施例には、複数合金回転構成要素がある。この能力は、例えばそれらの異なる作動条件に合せて調整するか又はその他の方法で選択することができる異なる材料で或いは異なる方法によって形成したリム、ボア及びブレードを有する複数合金ブリスクを製作する場合に有利である。本発明は、多種多様の合金、熱処理及び加工処理条件に適用して、ブリスクのリム、ボア及びブレード内に異なる粒子サイズ及び組織を得るのを可能にすることができる。
【００１１】
本発明のその他の態様及び利点は、以下の詳細な説明からより良好に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】従来技術による、一体構造構成を有するガスタービンエンジンブリスクの部分断面図。
【図２】本発明の実施形態による、図１に示すブリスクと同様であるが部分構成要素を含むブリスクの分解組立図。
【図３】本発明の実施形態による、図２に示すブリスクの部分構成要素をイナーシャ溶接するプロセスで実行するステップを示す図。
【図４】本発明の実施形態による、図２に示すブリスクの部分構成要素をイナーシャ溶接するプロセスで実行するステップを示す図。
【図５】図３及び図４に示すステップによって形成したブリスクの部分断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明は、ターボ機械、特に高バイパスガスタービンエンジンのブリスクで使用するタイプの回転ハードウェアに関連して説明する。便宜上、本発明は、特に図５に示すブリスク５０に関連して説明するが、本発明の教示及び利点はこの特定のブリスク５０に限定されるものではなくまた広範囲の回転ハードウェアに採用しかつ適用することができることを理解されたい。
【００１４】
図２には、図５のブリスク５０におけるまたブリスク５０の個々の部分構成要素５２、５４及び５６を接合する前における分解組立図を示している。部分構成要素５２、５４及び５６には、リム部材５２、ディスク部材５４及び翼形部材５６が含まれ、これらにより、後で複数翼形部を取出すことができる。その回転軸線８８（図５）の周りで高速で回転する構成要素として、ブリスク５０は軸対称構成を有するが、便宜上、ブリスク５０の正反対部分は図２又は図５には図示しておらず、またブリスク５０を組立てる手順を示している図３及び図４にも図示していない。さらに、リム部材５２及びディスク部材５４は各々、ブリスク５０の回転軸線８８とほぼ一致した対称軸を有する。リム部材５２は、環状形状リム５８と、リム５８から半径方向内向きに延びる一体形ディスク及びウェブ部分６０及び６８と、リム５８から半径方向外向きに延びるプラットフォーム部分６６とを含む。リム部材５２の一体形ディスク部分６０は、その半径方向最内側範囲におけるボア（ハブ）６４と、ボア６４及びリム５８間の比較的薄肉のウェブ６２とを有する。同様に、ディスク部材５４は、その半径方向最内側範囲におけるボア（ハブ）７２と、その半径方向最外側範囲における比較的薄肉のウェブ部分７０とを有する。それぞれ一体形ディスク部分６０及びディスク部材５４のボア６４及び７２内において中心に貫通孔（図示せず）を設置して、エンジンのタービンセクションによって駆動されるシャフト（図示せず）上にブリスク５０を取付けるようにする。従って、貫通孔は、ブリスク５０の回転軸線８８（図５）、従ってリム及びディスク部材５２及び５４の対称軸とも一致した中心軸線を有する。
【００１５】
リム、ディスク及び翼形部材５２、５４及び５６は、粉末冶金法（Ｐ／Ｍ）、鍛造法、鋳鍛造処理法、スプレー鋳造形成法、並びに有核等軸の方向性凝固（ＤＳ）及び単結晶（ＳＸ）鋳造法を含む多様な公知の方法によって製作することができる。具体的な実施形態では、リム及びディスク部材５２及び５４は、粉末冶金法により形成した鍛造ビレットによって製作され、また翼形部材５６は、等軸鋳鍛造処理法によって製作される。より大まかに言うと、ディスク（ボア）部材５４は、粉末冶金法又は鋳鍛造法によって製作することができ、リム（ウェブ）部材５２は、粉末冶金法又は鋳鍛造法によって製作することができ、また翼形部材５６は、等軸鋳鍛造法、等軸ＤＳ又はＳＸ鋳造法、或いは粉末冶金法によって製作することができる。加えて、リム、ディスク及び翼形部材５２、５４及び５６は、ガスタービンエンジンのようなターボ機械内にブリスク５０を据付けた時に該リム、ディスク及び翼形部材５２、５４及び５６が受けることになる作動条件に基づいて選択した多種多様な材料で製作することができる。好適な材料の非限定的な実施例には、上述したチタン基、コバルト基、ニッケル基及び鋼鉄基合金が含まれる。本発明は特に、ニッケル合金を互いに溶接すること及びチタン合金を互いに溶接することに適用可能であると共に、異種合金を互いに溶接する場合における適用可能性を有していると思われる。重要なことには、リム、ディスク及び翼形部材５２、５４及び５６を異なる合金で製作して、ブリスク５０が、それらのリム、ディスク及び翼形部材５２、５４及び５６を該リム、ディスク及び翼形部材５２、５４及び５６が受けることになる異なる作動条件に合せてより良好に調整した材料で製作することができる複数合金構成要素となるようにすることができる。具体的には、リム部材５２は、ニッケル基合金で製作しかつ耐クリープ性、耐応力破断性及び耐割れ成長性を促進する比較的粗粒を有することができ、ディスク部材５４は、異なるニッケル基合金で製作しかつリム部材５２で見られる温度よりも比較的低い温度において引張り強度及び耐低サイクル疲労性を促進する比較的より細粒を有することができ、また翼形部材５６は、リム及びディスク部材５２及び５４で見られる温度よりも高い温度において耐高サイクル疲労性（ＨＣＦ）を促進する細粒等軸微細組織を有するか或いは耐クリープ性を促進する等軸ＤＳ又はＳＸ微細組織を有するさらに別のニッケル基合金で製作することができる。
【００１６】
図２では、リム、ディスク及び翼形部材５２、５４及び５６は、図３及び図４においてそこでイナーシャ溶接によって接合を行なう溶接前接合表面７４、７６、７８及び８０を形成した機械加工表面を有するものとして示している。溶接前接合表面７４及び７６は、それぞれリム及びディスク部材５２及び５４のウェブ部分６８及び７０上に設置されているものとして示している。溶接前接合表面７８及び８０は、それぞれリム部材５２のプラットフォーム部分６６上に及び翼形部材５６の半径方向内向き面上に設置されているものとして示している。溶接前接合表面７４、７６、７８及び８０は、ブリスク５０の軸線８８に対して平行以外の角度で配向された平面内に位置し、図３の矢印の方向において翼形部材５６を環状形状リム部材５２と組合せかつ結合するのを可能にする溶接前接合角度を構成し、かつ図４の矢印の方向においてリム部材５２をディスク部材５４の周りに組合せかつ結合するものとして示している。好ましい溶接前接合角度は、ブリスク５０の回転軸線８８に対して約３０〜約６０°の範囲内であると思われる。図５に示す得られた溶接後継手８２及び８４もまた、それらの溶接前接合表面７４、７６、７８及び８０とほぼ同じ角度で傾斜している。しかしながら、溶接後継手８２及び８４の部分は、特にそれらの最外側端縁部付近では、ブリス軸線８８に平行にすることができると予測できる。
【００１７】
当技術分野では公知であるように、イナーシャ溶接は、固相（固体）溶接法である。様々なイナーシャ溶接法、装置及びツールを使用してブリスク５０のイナーシャ溶接を実行することができる。図３及び図４のステップによって示したイナーシャ溶接法は、ブリス軸線８８の周りでのリム、ディスク及び翼形部材５２、５４及び５６間の相対回転運動によって達成された非限定的な実施例である。図３及び図４は、最初にリム部材５２にイナーシャ溶接して溶接部分組立体９０を形成するものとして翼形部材５６を示しており、次に部分組立体９０に対してディスク部材５４がイナーシャ溶接される。しかしながら、最初にリム及びディスク部材５２及び５４を互いに溶接して溶接部分組立体を形成し、次に部分組立体に対して翼形部材５６を溶接することができることを理解されたい。
【００１８】
便宜上、図３に示すイナーシャ溶接ステップでは、翼形部材５６を固定状態に保持することができ、リム部材５２を回転させている。相対回転を行なわせながら、リム及び翼形部材５２及び５６のいずれか又は両方を該リム及び翼形部材５２及び５６のそれぞれの溶接前接合表面７８及び８０が接触状態になるまでリム部材５２の対称軸に平行な径路に沿って運動させる。軸方向力を増大させることと組合せて相対回転を継続すると、溶接前接合表面７８及び８０は、摩擦熱を発生して、リム及び翼形部材５２及び５６の表面７８及び８０の下に位置する領域の温度を部材５２及び５６を形成している材料の初期溶融温度に接近した温度まで上昇させる。好ましい実施形態では、さらに二次コレット又は油圧アーバを使用するなどにより翼形部材５６に対して半径方向力を加えて半径方向変形を回避し、それによってより良好に寸法要件を達成することができる。それに代えて、翼形部材５６は、半径方向変形に対する耐性を増大させるように修正することができるが、そのようにすることの欠点は、最終溶接ブリスク５０において付加的重量を回避する必要がある場合に除去しなければならなくなる付加的重量である。部材５２及び５６をイナーシャ溶接するのに必要な溶接初期の軸方向力（また任意選択的な半径方向力）、相対回転速度及び入力回転エネルギー、並びに相対移動量は、該部材５２及び５６の寸法、質量及び材料、並びにそれらの溶接前接合表面７８及び８０の表面積に応じて変化することになる。部材５２及び５６は、これらの条件の下で、回転速度がゼロまで低下した時にそれらの溶接前接合表面７８及び８０に沿って結合を促進するのに十分な時間の間にわたって接触状態に保持されて、イナーシャ溶接の間に維持された温度の結果としての細粒材料を含有する固体溶接継手８４（図４）を形成する。
【００１９】
図４に示すように、ディスク部材５４は、図３のイナーシャ溶接ステップによって製作した溶接部分組立体９０に対してイナーシャ溶接される。便宜上、部分組立体９０を固定状態に保持することができ、ディスク部材５４を回転させている。相対回転を行なわせながら、ディスク部材５４及び部分組立体９０のいずれか又は両方を該ディスク部材５４及び部分組立体９０のそれぞれの溶接前接合表面７４及び７６が接触状態になるまでディスク部材５４の対称軸に平行な径路に沿って運動させかつ軸方向力を増大させることによりそれらの溶接前接合表面７４及び７６の下に位置する領域の温度を上昇させるのに十分な摩擦熱を発生させて、最終的にリム及び翼形部材５２及び５６のイナーシャ溶接について上記したのと同様な固体溶接継手８２を形成する。ここでも同様に、部分組立体９０に対して任意選択的な半径方向力を加えることができ、またリム及びディスク部材５２及び５４をイナーシャ溶接するのに必要な軸方向力、半径方向力（加える場合には）、相対回転速度及び入力回転エネルギー、並びに相対移動量は、該部材５２及び５４の寸法、質量及び材料、並びにそれらの溶接前接合表面７４及び７６の表面積に応じて変化することになる。
【００２０】
別の実施例として、最初にリム及びディスク部材５２及び５４を互いに溶接して溶接部分組立体を形成し、次にこの部分組立体に対して翼形部材５６を溶接して溶接組立体を製作し、この溶接組立体は、適切な付加的加工処理の後に図５のブリスク５０を製作することができることに関するイナーシャ溶接法について以下に説明する。しかしながら、前のものと同様に、最初にリム及びディスク部材５２及び５４を互いに溶接して溶接部分組立体を形成し、次にこの部分組立体に対してディスク部材５４を溶接することができることを理解されたい。
【００２１】
イナーシャ溶接プロセスを開始すると、リム及びディスク部材５２及び５４の溶接前接合表面が互いに接触するまで該ディスク部材５４の回転軸線に平行な方向に該リム部材５２を運動させながら該ディスク部材５４を回転させることによって、リム及びディスク部材５２及び５４を運動させかつ互いにイナーシャ溶接する。前のものと同様に、リム部材５２はさらに、リム及びディスク部材５２及び５４が互いにイナーシャ溶接されて固体溶接継手８２によって互いに冶金学的に保持された溶接部分組立体を形成するまで、回転軸線に対して半径方向に力を加える二次コレット又は油圧アーバと係合させることができる。
【００２２】
その後、前のステップで製作した溶接部分組立体に対して、翼形部材５６をイナーシャ溶接する。リム及び翼形部材５２及び５６の溶接前接合表面が互いに接触するまで回転軸線に平行に溶接部分組立体を運動させながら、翼形部材５６を該翼形部材５６の回転軸線の周りで回転させる。前のものと同様に、回転軸線に対して軸方向にかつ好ましいが任意選択的に該回転軸線に対して半径方向に、翼形部材５６に力を加えながら、リム及び翼形部材５２及び５６を互いにナーシャ溶接して、溶接後継手８２及び８４によって互いに冶金学的に接合された最終溶接組立体を形成する。
【００２３】
リム及びディスク部材５２及び５４によって形成した溶接部分組立体に対して翼形部材５６をナーシャ溶接するのに先立って、部分組立体を過溶解度熱処理して該部分組立体内にほぼ均一な粒子サイズを得るのが望ましい場合がある。リム及びディスク部材５２及び５４内、特にリム部材５２のリム部分５８、一体形ディスク部分６０及びウェブ部分６８並びにディスク部材５４のウェブ部分７０及びボア７２内における粒子サイズはさらに、該リム及びディスク部材５２及び５４を製作した方法によって制御しまた必要に応じて修正することができる。例えば、リム部材５２は、ディスク部材５４よりも高い温度で比較的緩速な鍛造を行なって、該リム部材５２内により粗粒の粒子サイズを、従って該リム部材５２のリム部分５８、一体形ディスク部分６０及びウェブ部分６８内により粗粒の粒子サイズを生じさせることができる。それに加えて又はそれに代えて、部分組立体に対して二重熱処理を行なって、リム及びディスク部材５２及び５４に異なる過溶解度温度及び／又は安定化／エージング温度を与えて該リム及びディスク部材５２及び５４の粒子サイズ及び特性を最適にすることができる。好適な鍛造及び熱処理条件は、リム及びディスク部材５２及び５４の特定の材料及び粒子サイズにより決まることになりかつ一般的に当業者の知識及び能力の範囲内にあり、従ってここではさらに詳細には説明しないことにする。
【００２４】
以上の説明から明らかなように、上記の方法は、３つ又はそれ以上の部分構成要素を備えたブリスク（又はその他の回転ハードウェア）を製作するために使用することができ、これら３つ又はそれ以上の部分構成要素は、必要に応じてその個々の部分構成要素を異なる材料で形成することができかつ／又はその個々の部分構成要素が異なる微細組織を有することができる複数合金ブリスクを製作することができる。この能力は、ブリスクのリム、ボア及びブレードが特に温度、振動、疲労、並びに機械的及び熱的誘起応力及び歪みに関して一般的に異なる作動条件を受けることを考慮すると有利であり、従って一般的にリム、ボア及びブレード内に異なる粒子サイズ及び微細組織を達成することができる異なる材料及び異なる方法で形成することにより利点が得られることになる。
【００２５】
特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、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。
【符号の説明】
【００２６】
１０ ブリスク
１２ リム
１４ ディスク（ホイール）
１６ ブレード（バケット）
１８ ボア（ハブ）
２０ ウェブ
２２ 貫通孔
２４ 軸線
５０ ブリスク
５２ リム部材
５４ ディスク部材
５６ 翼形部材
５８ リム部分
６０ ディスク部分
６２ ウェブ部分
６４ ボア
６６ プラットフォーム部分
６８ ウェブ部分
７０ ウェブ部分
７２ ボア
７４ 表面
７６ 表面
７８ 表面
８０ 表面
８２ 継手
８４ 継手
８８ 回転軸線
９０ 部分組立体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的には接合作業を含む製作方法に関する。より具体的には、本発明は、例えばターボ機械の回転構成要素のような回転ハードウェアを製作する方法、それらの製作で使用する接合法、及びそれらによって形成したハードウェアを対象とする。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンの燃焼器及びタービンセクション内の構成要素は、燃焼器内で発生した高温燃焼ガスにより生じた高い温度においても許容可能な機械的特性を達成するために、一般的にはチタン基、コバルト基、ニッケル基及び鋼鉄基超合金材料で形成されることが多い。最新式の高圧力比ガスタービンエンジンにおけるより高い圧縮機出口温度もまた、ブレード、スプール、ディスク（ホイール）、ブリスク及びその他の構成要素を含む圧縮機構成要素に対して高性能超合金を使用することを必要とさせる可能性がある。所定の構成要素のための好適な合金組成及び微細組織は、該構成要素が受ける特定の温度、応力及びその他の条件に応じて決まる。例えば、圧縮機並びにタービンのブレード（バケット）及びベーン（ノズル）のような翼形部は、ガスタービンエンジンのそれらのそれぞれのセクション内でそれらが受ける高い温度及び応力に耐える等軸の方向性凝固（ＤＳ）又は単結晶（ＳＸ）超合金鋳造品として形成されることが多く、一方、翼形部が取付けられるタービンディスク並びに圧縮機スプール及びディスクのような回転ハードウェアは一般的に、制御した鍛造、熱処理及び表面処理を注意深く行なって制御粒状組織及び所望の機械的特性を実現しなければならない超合金で形成される。それらの異なる要求の故に、翼形部及びそれらの支持回転ハードウェアは一般的に、異なる合金で形成される。ブレード合金の具体的実例には、Ａ２８６及びＡＭ−３５５のような鋼、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ及びＴｉ−８Ａｌ−１Ｖ−１Ｍｏのようなチタン基合金、Ｕ７２０、ＩＮ７１８のような鋳造及び鍛造用多結晶ガンマプライム（γ’）析出強化ニッケル基合金、並びにＭＸ４（米国特許第５，４８２，７８９号）、Ｒｅｎｅ Ｎ５（米国特許第６，０７４，６０２号）、Ｒｅｎｅ Ｎ６（米国特許第５，４５５，１２０号）、ＣＭＳＸ−１０、ＣＭＳＸ−１２及びＴＭＳ−７５のような鋳造用モノクリスタル又は単結晶ガンマプライム析出強化ニッケル基合金が含まれる。ディスク合金の具体的実例には、Ｒｅｎｅ ８８ＤＴ（米国特許第４，９５７，５６７号）、Ｒｅｎｅ １０４（米国特許第６，５２１，１７５号）、並びに商標Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）、Ｎｉｍｏｎｉｃ（登録商標）及びＵｄｉｍｅｔ（登録商標）の下で市販されている一部のニッケル基合金のようなガンマプライム析出強化ニッケル基合金が含まれる。
【０００３】
上記を考慮すると、ガスタービンエンジンの圧縮機内で使用されるブリスク（ブレード付きディスク及び一体ブレード付きロータとも呼ばれる）は、ディスク及びブレードを別個に製造しかつ次にディスクに対してブレードを機械的に締結するのとは対照的にそれらのディスク及びブレードは単一一体形部品として製造されるので、一定の妥協を必要とすることが多い。図１は、ガスタービンエンジンで使用することができるタイプのブリスク１０の部分断面図である。ブリスク１０は、リム１２と、ディスク（ホイール）１４と、ブレード（バケット）１６（その１つのみを図示する）とを備えた単体構造構成を有するものとして示している。各ディスク１４は、その半径方向最内側範囲におけるボア（ハブ）１８と、そのボア１８及びリム１２間の比較的薄肉のウェブ２０とを有する。ボア１８内において中心に貫通孔２２を設置して、エンジンのタービンセクションによって駆動されるシャフト（図示せず）上にディスク１４を取付けるようにし、従ってディスク１４の共通中心軸線２４は、ブリスク１０の回転軸線と一致する。ブリスク１０のその他の態様並びにその中にブリスク１０を据付けることができる圧縮機及びエンジンの構成及び作動は、当技術分野では公知であり、従ってここでは詳細には説明しないことにする。
【０００４】
図１に示すタイプの単一合金ブリスクの重量及びコストにより、鍛造重量及びコストを低減することができる材料、製作方法及びハードウェア設計を開発する要望が促進されてきた。１つの解決法は、ブリスクのボア及びウェブがそれらのリム及びブレードよりも低い作動温度を有し、従ってリム及びブレードが必要とする特性とは異なる特性を備えた合金で形成することができるという事実によって押し進められている。使用する特定の１つ又は複数の合金に応じて、ボア、ウェブ、リム及びブレードに最適な微細組織もまた一般的に、異なるものとなる。例えば、比較的粗粒の粒径（粒子サイズ）は、リムにおいて引張り強度及び耐低サイクル疲労性を向上させるのに最適なものとすることができ、一方、より細粒の粒子サイズは、ボア及びウェブにおいて耐クリープ性、耐応力破断性及び耐割れ成長性を向上させるのに最適なものとすることができる。
【０００５】
米国特許出願公開第２００８／０１２０８４２号及び第２００８／０１２４２１０号には、ディスクのボア及びリムを異なる材料で別個に形成しかつ次に冶金学的接合法を使用してハブ及びリムをそれらの間のウェブ領域において接合することによって製作された複数合金ロータ組立体が記載されている。この目的のためには米国特許出願公開第２００８／０１２４２１０号に開示されているイナーシャ溶接のような多様な接合法が使用可能である。ロータ組立体の場合には、ブレードは、ブリスクのケースのようにリムとの単一一体形部品として製造される代わりに、リムの外周部におけるスロット内に保持される。従って、ブリスクは、米国特許出願公開第２００８／０１２０８４２号及び第２００８／０１２４２１０号の教示を使用して複数合金回転ハードウェアを製作することに対して付加的な課題をもたらす。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第６，９６９，２３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、例えばターボ機械の回転構成要素のような回転ハードウェアを製作する方法、それらの製作で使用する接合法、及びそれらによって形成した回転ハードウェアを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の態様によると、本方法は、構成要素の回転軸線と一致した対称軸を有するように少なくとも１つのリム部材、少なくとも１つのディスク部材及び少なくとも１つの翼形部材を別個に製作するステップと、ディスク部材の半径方向外側方向にリム部材が設置されるようにそこで該リム及びディスク部材を接合することができる溶接前接合表面を該リム及びディスク部材上に形成しかつリム部材の半径方向外側方向に翼形部材が設置されるようにそこで該リム及び翼形部材を接合することができる溶接前接合表面を該リム及び翼形部材上に形成して、それら接合表面が構成要素の回転軸線に平行でない平面内に位置するようにするステップとを含む。次に、リム、ディスク及び翼形部材のうちの２つの部材間で相対軸方向及び回転運動を生じさせかつ該２つの部材の溶接前接合表面において第１の固体溶接継手を形成することにより該リム、ディスク及び翼形部材のうちの２つの部材を互いにイナーシャ溶接してそれによって溶接部分組立体を形成し、また次に溶接部分組立体並びにリム、ディスク及び翼形部材のうちの第３の部材間で相対軸方向及び回転運動を生じさせかつ該溶接部分組立体及び第３の部材の溶接前接合表面において第２の固体溶接継手を形成することにより該リム、ディスク及び翼形部材のうちの第３の部材に対して該溶接部分組立体をイナーシャ溶接するイナーシャ溶接プロセスを実行する。
【０００９】
本発明の別の態様は、回転構成要素であり、本回転構成要素は、回転軸線と、その半径方向外側範囲にプラットフォームをまたその半径方向内側範囲に第１のウェブ部分を有する少なくとも１つのリム部材と、その半径方向外側範囲に第２のウェブ部分を有する少なくとも１つのディスク部材と、少なくとも１つの翼形部材とを有する。リム及びディスク部材の第１及び第２のウェブ部分は、互いに溶接されて、回転構成要素の回転軸線に平行でない第１の平面内に位置した第１の固体溶接継手を形成する。リム部材は、ディスク部材の半径方向外側方向に設置され、また第１及び第２のウェブ部分は、ディスク部材に対してリムを固定するウェブを形成する。翼形部材は、リム部材に溶接されて、本回転構成要素の回転軸線に平行でない第２の固体溶接継手を形成しかつリム部材の半径方向外側方向に設置される。
【００１０】
本発明の技術的効果は、２つよりも多い部分構成要素を含む回転ハードウェアを製作することができることであり、そのような回転ハードウェアの具体的な実施例には、複数合金回転構成要素がある。この能力は、例えばそれらの異なる作動条件に合せて調整するか又はその他の方法で選択することができる異なる材料で或いは異なる方法によって形成したリム、ボア及びブレードを有する複数合金ブリスクを製作する場合に有利である。本発明は、多種多様の合金、熱処理及び加工処理条件に適用して、ブリスクのリム、ボア及びブレード内に異なる粒子サイズ及び組織を得るのを可能にすることができる。
【００１１】
本発明のその他の態様及び利点は、以下の詳細な説明からより良好に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】従来技術による、一体構造構成を有するガスタービンエンジンブリスクの部分断面図。
【図２】本発明の実施形態による、図１に示すブリスクと同様であるが部分構成要素を含むブリスクの分解組立図。
【図３】本発明の実施形態による、図２に示すブリスクの部分構成要素をイナーシャ溶接するプロセスで実行するステップを示す図。
【図４】本発明の実施形態による、図２に示すブリスクの部分構成要素をイナーシャ溶接するプロセスで実行するステップを示す図。
【図５】図３及び図４に示すステップによって形成したブリスクの部分断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明は、ターボ機械、特に高バイパスガスタービンエンジンのブリスクで使用するタイプの回転ハードウェアに関連して説明する。便宜上、本発明は、特に図５に示すブリスク５０に関連して説明するが、本発明の教示及び利点はこの特定のブリスク５０に限定されるものではなくまた広範囲の回転ハードウェアに採用しかつ適用することができることを理解されたい。
【００１４】
図２には、図５のブリスク５０におけるまたブリスク５０の個々の部分構成要素５２、５４及び５６を接合する前における分解組立図を示している。部分構成要素５２、５４及び５６には、リム部材５２、ディスク部材５４及び翼形部材５６が含まれ、これらにより、後で複数翼形部を取出すことができる。その回転軸線８８（図５）の周りで高速で回転する構成要素として、ブリスク５０は軸対称構成を有するが、便宜上、ブリスク５０の正反対部分は図２又は図５には図示しておらず、またブリスク５０を組立てる手順を示している図３及び図４にも図示していない。さらに、リム部材５２及びディスク部材５４は各々、ブリスク５０の回転軸線８８とほぼ一致した対称軸を有する。リム部材５２は、環状形状リム５８と、リム５８から半径方向内向きに延びる一体形ディスク及びウェブ部分６０及び６８と、リム５８から半径方向外向きに延びるプラットフォーム部分６６とを含む。リム部材５２の一体形ディスク部分６０は、その半径方向最内側範囲におけるボア（ハブ）６４と、ボア６４及びリム５８間の比較的薄肉のウェブ６２とを有する。同様に、ディスク部材５４は、その半径方向最内側範囲におけるボア（ハブ）７２と、その半径方向最外側範囲における比較的薄肉のウェブ部分７０とを有する。それぞれ一体形ディスク部分６０及びディスク部材５４のボア６４及び７２内において中心に貫通孔（図示せず）を設置して、エンジンのタービンセクションによって駆動されるシャフト（図示せず）上にブリスク５０を取付けるようにする。従って、貫通孔は、ブリスク５０の回転軸線８８（図５）、従ってリム及びディスク部材５２及び５４の対称軸とも一致した中心軸線を有する。
【００１５】
リム、ディスク及び翼形部材５２、５４及び５６は、粉末冶金法（Ｐ／Ｍ）、鍛造法、鋳鍛造処理法、スプレー鋳造形成法、並びに有核等軸の方向性凝固（ＤＳ）及び単結晶（ＳＸ）鋳造法を含む多様な公知の方法によって製作することができる。具体的な実施形態では、リム及びディスク部材５２及び５４は、粉末冶金法により形成した鍛造ビレットによって製作され、また翼形部材５６は、等軸鋳鍛造処理法によって製作される。より大まかに言うと、ディスク（ボア）部材５４は、粉末冶金法又は鋳鍛造法によって製作することができ、リム（ウェブ）部材５２は、粉末冶金法又は鋳鍛造法によって製作することができ、また翼形部材５６は、等軸鋳鍛造法、等軸ＤＳ又はＳＸ鋳造法、或いは粉末冶金法によって製作することができる。加えて、リム、ディスク及び翼形部材５２、５４及び５６は、ガスタービンエンジンのようなターボ機械内にブリスク５０を据付けた時に該リム、ディスク及び翼形部材５２、５４及び５６が受けることになる作動条件に基づいて選択した多種多様な材料で製作することができる。好適な材料の非限定的な実施例には、上述したチタン基、コバルト基、ニッケル基及び鋼鉄基合金が含まれる。本発明は特に、ニッケル合金を互いに溶接すること及びチタン合金を互いに溶接することに適用可能であると共に、異種合金を互いに溶接する場合における適用可能性を有していると思われる。重要なことには、リム、ディスク及び翼形部材５２、５４及び５６を異なる合金で製作して、ブリスク５０が、それらのリム、ディスク及び翼形部材５２、５４及び５６を該リム、ディスク及び翼形部材５２、５４及び５６が受けることになる異なる作動条件に合せてより良好に調整した材料で製作することができる複数合金構成要素となるようにすることができる。具体的には、リム部材５２は、ニッケル基合金で製作しかつ耐クリープ性、耐応力破断性及び耐割れ成長性を促進する比較的粗粒を有することができ、ディスク部材５４は、異なるニッケル基合金で製作しかつリム部材５２で見られる温度よりも比較的低い温度において引張り強度及び耐低サイクル疲労性を促進する比較的より細粒を有することができ、また翼形部材５６は、リム及びディスク部材５２及び５４で見られる温度よりも高い温度において耐高サイクル疲労性（ＨＣＦ）を促進する細粒等軸微細組織を有するか或いは耐クリープ性を促進する等軸ＤＳ又はＳＸ微細組織を有するさらに別のニッケル基合金で製作することができる。
【００１６】
図２では、リム、ディスク及び翼形部材５２、５４及び５６は、図３及び図４においてそこでイナーシャ溶接によって接合を行なう溶接前接合表面７４、７６、７８及び８０を形成した機械加工表面を有するものとして示している。溶接前接合表面７４及び７６は、それぞれリム及びディスク部材５２及び５４のウェブ部分６８及び７０上に設置されているものとして示している。溶接前接合表面７８及び８０は、それぞれリム部材５２のプラットフォーム部分６６上に及び翼形部材５６の半径方向内向き面上に設置されているものとして示している。溶接前接合表面７４、７６、７８及び８０は、ブリスク５０の軸線８８に対して平行以外の角度で配向された平面内に位置し、図３の矢印の方向において翼形部材５６を環状形状リム部材５２と組合せかつ結合するのを可能にする溶接前接合角度を構成し、かつ図４の矢印の方向においてリム部材５２をディスク部材５４の周りに組合せかつ結合するものとして示している。好ましい溶接前接合角度は、ブリスク５０の回転軸線８８に対して約３０〜約６０°の範囲内であると思われる。図５に示す得られた溶接後継手８２及び８４もまた、それらの溶接前接合表面７４、７６、７８及び８０とほぼ同じ角度で傾斜している。しかしながら、溶接後継手８２及び８４の部分は、特にそれらの最外側端縁部付近では、ブリス軸線８８に平行にすることができると予測できる。
【００１７】
当技術分野では公知であるように、イナーシャ溶接は、固相（固体）溶接法である。様々なイナーシャ溶接法、装置及びツールを使用してブリスク５０のイナーシャ溶接を実行することができる。図３及び図４のステップによって示したイナーシャ溶接法は、ブリス軸線８８の周りでのリム、ディスク及び翼形部材５２、５４及び５６間の相対回転運動によって達成された非限定的な実施例である。図３及び図４は、最初にリム部材５２にイナーシャ溶接して溶接部分組立体９０を形成するものとして翼形部材５６を示しており、次に部分組立体９０に対してディスク部材５４がイナーシャ溶接される。しかしながら、最初にリム及びディスク部材５２及び５４を互いに溶接して溶接部分組立体を形成し、次に部分組立体に対して翼形部材５６を溶接することができることを理解されたい。
【００１８】
便宜上、図３に示すイナーシャ溶接ステップでは、翼形部材５６を固定状態に保持することができ、リム部材５２を回転させている。相対回転を行なわせながら、リム及び翼形部材５２及び５６のいずれか又は両方を該リム及び翼形部材５２及び５６のそれぞれの溶接前接合表面７８及び８０が接触状態になるまでリム部材５２の対称軸に平行な径路に沿って運動させる。軸方向力を増大させることと組合せて相対回転を継続すると、溶接前接合表面７８及び８０は、摩擦熱を発生して、リム及び翼形部材５２及び５６の表面７８及び８０の下に位置する領域の温度を部材５２及び５６を形成している材料の初期溶融温度に接近した温度まで上昇させる。好ましい実施形態では、さらに二次コレット又は油圧アーバを使用するなどにより翼形部材５６に対して半径方向力を加えて半径方向変形を回避し、それによってより良好に寸法要件を達成することができる。それに代えて、翼形部材５６は、半径方向変形に対する耐性を増大させるように修正することができるが、そのようにすることの欠点は、最終溶接ブリスク５０において付加的重量を回避する必要がある場合に除去しなければならなくなる付加的重量である。部材５２及び５６をイナーシャ溶接するのに必要な溶接初期の軸方向力（また任意選択的な半径方向力）、相対回転速度及び入力回転エネルギー、並びに相対移動量は、該部材５２及び５６の寸法、質量及び材料、並びにそれらの溶接前接合表面７８及び８０の表面積に応じて変化することになる。部材５２及び５６は、これらの条件の下で、回転速度がゼロまで低下した時にそれらの溶接前接合表面７８及び８０に沿って結合を促進するのに十分な時間の間にわたって接触状態に保持されて、イナーシャ溶接の間に維持された温度の結果としての細粒材料を含有する固体溶接継手８４（図４）を形成する。
【００１９】
図４に示すように、ディスク部材５４は、図３のイナーシャ溶接ステップによって製作した溶接部分組立体９０に対してイナーシャ溶接される。便宜上、部分組立体９０を固定状態に保持することができ、ディスク部材５４を回転させている。相対回転を行なわせながら、ディスク部材５４及び部分組立体９０のいずれか又は両方を該ディスク部材５４及び部分組立体９０のそれぞれの溶接前接合表面７４及び７６が接触状態になるまでディスク部材５４の対称軸に平行な径路に沿って運動させかつ軸方向力を増大させることによりそれらの溶接前接合表面７４及び７６の下に位置する領域の温度を上昇させるのに十分な摩擦熱を発生させて、最終的にリム及び翼形部材５２及び５６のイナーシャ溶接について上記したのと同様な固体溶接継手８２を形成する。ここでも同様に、部分組立体９０に対して任意選択的な半径方向力を加えることができ、またリム及びディスク部材５２及び５４をイナーシャ溶接するのに必要な軸方向力、半径方向力（加える場合には）、相対回転速度及び入力回転エネルギー、並びに相対移動量は、該部材５２及び５４の寸法、質量及び材料、並びにそれらの溶接前接合表面７４及び７６の表面積に応じて変化することになる。
【００２０】
別の実施例として、最初にリム及びディスク部材５２及び５４を互いに溶接して溶接部分組立体を形成し、次にこの部分組立体に対して翼形部材５６を溶接して溶接組立体を製作し、この溶接組立体は、適切な付加的加工処理の後に図５のブリスク５０を製作することができることに関するイナーシャ溶接法について以下に説明する。しかしながら、前のものと同様に、最初にリム及びディスク部材５２及び５４を互いに溶接して溶接部分組立体を形成し、次にこの部分組立体に対してディスク部材５４を溶接することができることを理解されたい。
【００２１】
イナーシャ溶接プロセスを開始すると、リム及びディスク部材５２及び５４の溶接前接合表面が互いに接触するまで該ディスク部材５４の回転軸線に平行な方向に該リム部材５２を運動させながら該ディスク部材５４を回転させることによって、リム及びディスク部材５２及び５４を運動させかつ互いにイナーシャ溶接する。前のものと同様に、リム部材５２はさらに、リム及びディスク部材５２及び５４が互いにイナーシャ溶接されて固体溶接継手８２によって互いに冶金学的に保持された溶接部分組立体を形成するまで、回転軸線に対して半径方向に力を加える二次コレット又は油圧アーバと係合させることができる。
【００２２】
その後、前のステップで製作した溶接部分組立体に対して、翼形部材５６をイナーシャ溶接する。リム及び翼形部材５２及び５６の溶接前接合表面が互いに接触するまで回転軸線に平行に溶接部分組立体を運動させながら、翼形部材５６を該翼形部材５６の回転軸線の周りで回転させる。前のものと同様に、回転軸線に対して軸方向にかつ好ましいが任意選択的に該回転軸線に対して半径方向に、翼形部材５６に力を加えながら、リム及び翼形部材５２及び５６を互いにナーシャ溶接して、溶接後継手８２及び８４によって互いに冶金学的に接合された最終溶接組立体を形成する。
【００２３】
リム及びディスク部材５２及び５４によって形成した溶接部分組立体に対して翼形部材５６をナーシャ溶接するのに先立って、部分組立体を過溶解度熱処理して該部分組立体内にほぼ均一な粒子サイズを得るのが望ましい場合がある。リム及びディスク部材５２及び５４内、特にリム部材５２のリム部分５８、一体形ディスク部分６０及びウェブ部分６８並びにディスク部材５４のウェブ部分７０及びボア７２内における粒子サイズはさらに、該リム及びディスク部材５２及び５４を製作した方法によって制御しまた必要に応じて修正することができる。例えば、リム部材５２は、ディスク部材５４よりも高い温度で比較的緩速な鍛造を行なって、該リム部材５２内により粗粒の粒子サイズを、従って該リム部材５２のリム部分５８、一体形ディスク部分６０及びウェブ部分６８内により粗粒の粒子サイズを生じさせることができる。それに加えて又はそれに代えて、部分組立体に対して二重熱処理を行なって、リム及びディスク部材５２及び５４に異なる過溶解度温度及び／又は安定化／エージング温度を与えて該リム及びディスク部材５２及び５４の粒子サイズ及び特性を最適にすることができる。好適な鍛造及び熱処理条件は、リム及びディスク部材５２及び５４の特定の材料及び粒子サイズにより決まることになりかつ一般的に当業者の知識及び能力の範囲内にあり、従ってここではさらに詳細には説明しないことにする。
【００２４】
以上の説明から明らかなように、上記の方法は、３つ又はそれ以上の部分構成要素を備えたブリスク（又はその他の回転ハードウェア）を製作するために使用することができ、これら３つ又はそれ以上の部分構成要素は、必要に応じてその個々の部分構成要素を異なる材料で形成することができかつ／又はその個々の部分構成要素が異なる微細組織を有することができる複数合金ブリスクを製作することができる。この能力は、ブリスクのリム、ボア及びブレードが特に温度、振動、疲労、並びに機械的及び熱的誘起応力及び歪みに関して一般的に異なる作動条件を受けることを考慮すると有利であり、従って一般的にリム、ボア及びブレード内に異なる粒子サイズ及び微細組織を達成することができる異なる材料及び異なる方法で形成することにより利点が得られることになる。
【００２５】
特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、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。
【符号の説明】
【００２６】
１０ ブリスク
１２ リム
１４ ディスク（ホイール）
１６ ブレード（バケット）
１８ ボア（ハブ）
２０ ウェブ
２２ 貫通孔
２４ 軸線
５０ ブリスク
５２ リム部材
５４ ディスク部材
５６ 翼形部材
５８ リム部分
６０ ディスク部分
６２ ウェブ部分
６４ ボア
６６ プラットフォーム部分
６８ ウェブ部分
７０ ウェブ部分
７２ ボア
７４ 表面
７６ 表面
７８ 表面
８０ 表面
８２ 継手
８４ 継手
８８ 回転軸線
９０ 部分組立体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸線（８８）を有しかつ少なくとも１つのリム部材（５２）、少なくとも１つのディスク部材（５４）及び少なくとも１つの翼形部材（５６）を備えた回転構成要素（５０）を製作する方法であって、
前記構成要素（５０）の回転軸線（８８）と一致した対称軸を有するように前記リム、ディスク及び翼形部材（５２、５４、５６）を別個に製作するステップと、
前記ディスク部材（５４）の半径方向外側方向に前記リム部材（５２）が設置されるようにそこで該リム及びディスク部材（５２、５４）を接合することができる溶接前接合表面（７４、７６）を該リム及びディスク部材（５２、５４）上に形成し、前記リム部材（５２）の半径方向外側方向に前記翼形部材（５６）が設置されるようにそこで該リム及び翼形部材（５２、５６）を接合することができる溶接前接合表面（７８、８０）を該リム及び翼形部材（５２、５６）上に形成し、かつ前記溶接前接合表面（７４、７６、７８、８０）が前記構成要素（５０）の回転軸線（８８）に平行でない平面内に位置するようにするステップと、
前記リム、ディスク及び翼形部材（５２、５４、５６）のうちの２つの部材間で相対軸方向及び回転運動を生じさせかつ該２つの部材の溶接前接合表面（７４、７６又は７８、８０）において第１の固体溶接継手（８２又は８４）を形成することにより該リム、ディスク及び翼形部材（５２、５４、５６）のうちの２つの部材を互いにイナーシャ溶接してそれによって溶接部分組立体（９０）を形成し、また次に前記溶接部分組立体（９０）並びに前記リム、ディスク及び翼形部材（５２、５４、５６）のうちの第３の部材間で相対軸方向及び回転運動を生じさせかつ該溶接部分組立体（９０）及び第３の部材の溶接前接合表面（７４、７６又は７８、８０）において第２の固体溶接継手（８２又は８４）を形成することにより該リム、ディスク及び翼形部材（５２、５４、５６）のうちの第３の部材に対して該溶接部分組立体（９０）をイナーシャ溶接することによって該リム、ディスク及び翼形部材（５２、５４、５６）をイナーシャ溶接するステップと、を含む、
方法。
【請求項２】
前記イナーシャ溶接するステップが、
前記リム及び翼形部材（５２、５６）の対称軸に平行に該リム及び翼形部材（５２、５６）の少なくとも１つを運動させかつ該リム及び翼形部材（５２、５６）の溶接前接合表面（７８、８０）において該リム及び翼形部材（５２、５６）を互いにイナーシャ溶接して、該翼形部材（５６）が該リム部材（５２）の半径方向外側方向に設置されかつ第１の固体溶接継手（８４）により該リム部材（５２）に冶金学的に接合されて、前記構成要素（５０）の回転軸線（８８）と一致した対称軸を有する溶接部分組立体（９０）を形成するようにするステップと、
前記溶接部分組立体（９０）及びディスク部材（５４）の対称軸に平行に該溶接部分組立体（９０）及びディスク部材（５４）の少なくとも１つを運動させかつ前記リム部材（５２）及びディスク部材（５４）の溶接前接合表面（７４、７６）において該溶接部分組立体（９０）及びディスク部材（５４）を互いにイナーシャ溶接して、該リム部材（５２）が該ディスク部材（５４）の半径方向外側方向に設置されかつ第２の固体溶接継手（８２）により該ディスク部材（５４）に冶金学的に接合されるようにするステップと、を含むことを特徴とする、
請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記リム及び翼形部材（５２、５６）を運動させかつ互いにイナーシャ溶接するステップが、
前記リム部材（５２）の回転軸線の周りで該リム部材（５２）を回転させるステップと、
前記リム及び翼形部材（５２、５６）の溶接前接合表面（７８、８０）が互いに接触するまで該リム部材（５２）の回転軸線に平行な方向に該翼形部材（５６）を運動させるステップと、
前記リム及び翼形部材（５２、５６）が互いにイナーシャ溶接されて前記第１の固体溶接継手（８４）及び溶接部分組立体（９０）を形成するまで、該リム部材（５２）を回転させ続けかつ該翼形部材（５６）に対して半径方向力を加えるステップと、を含むことを特徴とする、
請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記溶接部分組立体（９０）及びディスク部材（５４）を運動させかつ互いにイナーシャ溶接するステップが、
前記ディスク部材（５４）の回転軸線の周りで該ディスク部材（５４）を回転させるステップと、
前記リム及びディスク部材（５２、５４）の溶接前接合表面（７４、７６）が互いに接触するまで該ディスク部材（５４）の回転軸線に平行な方向に前記溶接部分組立体（９０）を運動させるステップと、
前記リム及びディスク部材（５２、５４）が前記第２の固体溶接継手（８２）により互いにイナーシャ溶接されるまで、該ディスク部材（５４）を回転させ続けかつ前記溶接部分組立体（９０）に対して半径方向力を加えるステップと、を含むことを特徴とする、
請求項２又は請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記イナーシャ溶接するステップが、
前記リム及びディスク部材（５２、５４）の対称軸に平行に該リム及びディスク部材（５２、５４）の少なくとも１つを運動させかつ該リム及びディスク部材（５２、５４）の溶接前接合表面（７４、７６）において該リム及びディスク部材（５２、５４）を互いにイナーシャ溶接して、該リム部材（５２）が該ディスク部材（５４）の半径方向外側方向に設置されかつ第１の固体溶接継手（８２）により該ディスク部材（５４）に冶金学的に接合されて、前記構成要素（５０）の回転軸線（８８）と一致した対称軸を有する溶接部分組立体を形成するようにするステップと、
前記溶接部分組立体及び翼形部材（５６）の対称軸に平行に該溶接部分組立体及び翼形部材（５６）の少なくとも１つを運動させかつ前記リム部材（５２）及び翼形部材（５６）の溶接前接合表面（７８、８０）において該溶接部分組立体及び翼形部材（５６）を互いにイナーシャ溶接して、該翼形部材（５６）が該リム部材（５２）の半径方向外側方向に設置されかつ第２の固体溶接継手（８４）により該リム部材（５２）に冶金学的に接合されるようにするステップと、を含むことを特徴とする、
請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記リム及びディスク部材（５２、５４）を運動させかつ互いにイナーシャ溶接するステップが、
前記ディスク部材（５４）の回転軸線の周りで該ディスク部材（５４）を回転させるステップと、
前記リム及びディスク部材（５２、５４）の溶接前接合表面（７４、７６）が互いに接触するまで該ディスク部材（５４）の対称軸に平行に該リム部材（５２）を運動させるステップと、
前記リム及びディスク部材（５２、５４）が互いにイナーシャ溶接されて前記第１の固体溶接継手（８２）及び溶接部分組立体を形成するまで、該ディスク部材（５４）を回転させ続けかつ該リム部材（５２）に対して半径方向力を加えるステップと、を含むことを特徴とする、
請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記溶接部分組立体及び翼形部材（５６）を運動させかつ互いにイナーシャ溶接するステップが、
前記翼形部材（５６）の回転軸線の周りで該翼形部材（５６）を回転させるステップと、
前記リム及び翼形部材（５２、５６）の溶接前接合表面（７８、８０）が互いに接触するまで該翼形部材（５６）の回転軸線に平行な方向に前記溶接部分組立体を運動させるステップと、
前記リム及び翼形部材（５２、５６）が前記第２の固体溶接継手（８２）により互いにイナーシャ溶接されるまで、該翼形部材（５６）を回転させ続けかつ該翼形部材（５６）に対して半径方向力を加えるステップと、を含むことを特徴とする、
請求項５又は請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記リム及びディスク部材（５２、５４）が、前記イナーシャ溶接するステップに先だって鍛造によって形成され、また
前記翼形部材（５６）が、前記イナーシャ溶接するステップに先だって鋳造によって形成される、
ことを特徴とする、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】
前記リム、ディスク及び翼形部材（５２、５４、５６）の少なくとも１つが、異なる合金で形成されることを特徴とする、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】
請求項１から請求項９のいずれか１項記載の方法によって形成された回転構成要素（５０）。
【請求項１】
回転軸線（８８）を有しかつ少なくとも１つのリム部材（５２）、少なくとも１つのディスク部材（５４）及び少なくとも１つの翼形部材（５６）を備えた回転構成要素（５０）を製作する方法であって、
前記構成要素（５０）の回転軸線（８８）と一致した対称軸を有するように前記リム、ディスク及び翼形部材（５２、５４、５６）を別個に製作するステップと、
前記ディスク部材（５４）の半径方向外側方向に前記リム部材（５２）が設置されるようにそこで該リム及びディスク部材（５２、５４）を接合することができる溶接前接合表面（７４、７６）を該リム及びディスク部材（５２、５４）上に形成し、前記リム部材（５２）の半径方向外側方向に前記翼形部材（５６）が設置されるようにそこで該リム及び翼形部材（５２、５６）を接合することができる溶接前接合表面（７８、８０）を該リム及び翼形部材（５２、５６）上に形成し、かつ前記溶接前接合表面（７４、７６、７８、８０）が前記構成要素（５０）の回転軸線（８８）に平行でない平面内に位置するようにするステップと、
前記リム、ディスク及び翼形部材（５２、５４、５６）のうちの２つの部材間で相対軸方向及び回転運動を生じさせかつ該２つの部材の溶接前接合表面（７４、７６又は７８、８０）において第１の固体溶接継手（８２又は８４）を形成することにより該リム、ディスク及び翼形部材（５２、５４、５６）のうちの２つの部材を互いにイナーシャ溶接してそれによって溶接部分組立体（９０）を形成し、また次に前記溶接部分組立体（９０）並びに前記リム、ディスク及び翼形部材（５２、５４、５６）のうちの第３の部材間で相対軸方向及び回転運動を生じさせかつ該溶接部分組立体（９０）及び第３の部材の溶接前接合表面（７４、７６又は７８、８０）において第２の固体溶接継手（８２又は８４）を形成することにより該リム、ディスク及び翼形部材（５２、５４、５６）のうちの第３の部材に対して該溶接部分組立体（９０）をイナーシャ溶接することによって該リム、ディスク及び翼形部材（５２、５４、５６）をイナーシャ溶接するステップと、を含む、
方法。
【請求項２】
前記イナーシャ溶接するステップが、
前記リム及び翼形部材（５２、５６）の対称軸に平行に該リム及び翼形部材（５２、５６）の少なくとも１つを運動させかつ該リム及び翼形部材（５２、５６）の溶接前接合表面（７８、８０）において該リム及び翼形部材（５２、５６）を互いにイナーシャ溶接して、該翼形部材（５６）が該リム部材（５２）の半径方向外側方向に設置されかつ第１の固体溶接継手（８４）により該リム部材（５２）に冶金学的に接合されて、前記構成要素（５０）の回転軸線（８８）と一致した対称軸を有する溶接部分組立体（９０）を形成するようにするステップと、
前記溶接部分組立体（９０）及びディスク部材（５４）の対称軸に平行に該溶接部分組立体（９０）及びディスク部材（５４）の少なくとも１つを運動させかつ前記リム部材（５２）及びディスク部材（５４）の溶接前接合表面（７４、７６）において該溶接部分組立体（９０）及びディスク部材（５４）を互いにイナーシャ溶接して、該リム部材（５２）が該ディスク部材（５４）の半径方向外側方向に設置されかつ第２の固体溶接継手（８２）により該ディスク部材（５４）に冶金学的に接合されるようにするステップと、を含むことを特徴とする、
請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記リム及び翼形部材（５２、５６）を運動させかつ互いにイナーシャ溶接するステップが、
前記リム部材（５２）の回転軸線の周りで該リム部材（５２）を回転させるステップと、
前記リム及び翼形部材（５２、５６）の溶接前接合表面（７８、８０）が互いに接触するまで該リム部材（５２）の回転軸線に平行な方向に該翼形部材（５６）を運動させるステップと、
前記リム及び翼形部材（５２、５６）が互いにイナーシャ溶接されて前記第１の固体溶接継手（８４）及び溶接部分組立体（９０）を形成するまで、該リム部材（５２）を回転させ続けかつ該翼形部材（５６）に対して半径方向力を加えるステップと、を含むことを特徴とする、
請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記溶接部分組立体（９０）及びディスク部材（５４）を運動させかつ互いにイナーシャ溶接するステップが、
前記ディスク部材（５４）の回転軸線の周りで該ディスク部材（５４）を回転させるステップと、
前記リム及びディスク部材（５２、５４）の溶接前接合表面（７４、７６）が互いに接触するまで該ディスク部材（５４）の回転軸線に平行な方向に前記溶接部分組立体（９０）を運動させるステップと、
前記リム及びディスク部材（５２、５４）が前記第２の固体溶接継手（８２）により互いにイナーシャ溶接されるまで、該ディスク部材（５４）を回転させ続けかつ前記溶接部分組立体（９０）に対して半径方向力を加えるステップと、を含むことを特徴とする、
請求項２又は請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記イナーシャ溶接するステップが、
前記リム及びディスク部材（５２、５４）の対称軸に平行に該リム及びディスク部材（５２、５４）の少なくとも１つを運動させかつ該リム及びディスク部材（５２、５４）の溶接前接合表面（７４、７６）において該リム及びディスク部材（５２、５４）を互いにイナーシャ溶接して、該リム部材（５２）が該ディスク部材（５４）の半径方向外側方向に設置されかつ第１の固体溶接継手（８２）により該ディスク部材（５４）に冶金学的に接合されて、前記構成要素（５０）の回転軸線（８８）と一致した対称軸を有する溶接部分組立体を形成するようにするステップと、
前記溶接部分組立体及び翼形部材（５６）の対称軸に平行に該溶接部分組立体及び翼形部材（５６）の少なくとも１つを運動させかつ前記リム部材（５２）及び翼形部材（５６）の溶接前接合表面（７８、８０）において該溶接部分組立体及び翼形部材（５６）を互いにイナーシャ溶接して、該翼形部材（５６）が該リム部材（５２）の半径方向外側方向に設置されかつ第２の固体溶接継手（８４）により該リム部材（５２）に冶金学的に接合されるようにするステップと、を含むことを特徴とする、
請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記リム及びディスク部材（５２、５４）を運動させかつ互いにイナーシャ溶接するステップが、
前記ディスク部材（５４）の回転軸線の周りで該ディスク部材（５４）を回転させるステップと、
前記リム及びディスク部材（５２、５４）の溶接前接合表面（７４、７６）が互いに接触するまで該ディスク部材（５４）の対称軸に平行に該リム部材（５２）を運動させるステップと、
前記リム及びディスク部材（５２、５４）が互いにイナーシャ溶接されて前記第１の固体溶接継手（８２）及び溶接部分組立体を形成するまで、該ディスク部材（５４）を回転させ続けかつ該リム部材（５２）に対して半径方向力を加えるステップと、を含むことを特徴とする、
請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記溶接部分組立体及び翼形部材（５６）を運動させかつ互いにイナーシャ溶接するステップが、
前記翼形部材（５６）の回転軸線の周りで該翼形部材（５６）を回転させるステップと、
前記リム及び翼形部材（５２、５６）の溶接前接合表面（７８、８０）が互いに接触するまで該翼形部材（５６）の回転軸線に平行な方向に前記溶接部分組立体を運動させるステップと、
前記リム及び翼形部材（５２、５６）が前記第２の固体溶接継手（８２）により互いにイナーシャ溶接されるまで、該翼形部材（５６）を回転させ続けかつ該翼形部材（５６）に対して半径方向力を加えるステップと、を含むことを特徴とする、
請求項５又は請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記リム及びディスク部材（５２、５４）が、前記イナーシャ溶接するステップに先だって鍛造によって形成され、また
前記翼形部材（５６）が、前記イナーシャ溶接するステップに先だって鋳造によって形成される、
ことを特徴とする、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】
前記リム、ディスク及び翼形部材（５２、５４、５６）の少なくとも１つが、異なる合金で形成されることを特徴とする、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】
請求項１から請求項９のいずれか１項記載の方法によって形成された回転構成要素（５０）。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−１６９４６３（Ｐ２０１１−１６９４６３Ａ）
【公開日】平成２３年９月１日（２０１１．９．１）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１１−２８１９２（Ｐ２０１１−２８１９２）
【出願日】平成２３年２月１４日（２０１１．２．１４）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月１日（２０１１．９．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２８１９２（Ｐ２０１１−２８１９２）
【出願日】平成２３年２月１４日（２０１１．２．１４）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【Ｆターム（参考）】
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