異種金属の接合方法並びに関連装置
【課題】
異なる材料からなる第１の物品と第２の物品を接合する方法が開示されている。
【解決手段】
本方法では、第１の物品と第２の物品の間に配置された二元合金部材を使用する。二元合金部材は第１の材料、この第１の材料とは異なる第２の材料及び第１の材料と第２の材料の間の鍛錬領域からなる。本方法ではさらに、第１の物品の材料の局所領域と第１の材料とを一緒に溶融させて、第１の材料と第２の材料との相互混合が実質的に存在しない第１の溶接継手を生じさせ、第２の物品の材料の局所領域と第２の材料とを一緒に溶融させて、第２の材料と第１の材料との相互混合が実質的に存在しない第２の溶接継手を生じさせ、もって第１の物品と第２の物品を接合せしめる。
異なる材料からなる第１の物品と第２の物品を接合する方法が開示されている。
【解決手段】
本方法では、第１の物品と第２の物品の間に配置された二元合金部材を使用する。二元合金部材は第１の材料、この第１の材料とは異なる第２の材料及び第１の材料と第２の材料の間の鍛錬領域からなる。本方法ではさらに、第１の物品の材料の局所領域と第１の材料とを一緒に溶融させて、第１の材料と第２の材料との相互混合が実質的に存在しない第１の溶接継手を生じさせ、第２の物品の材料の局所領域と第２の材料とを一緒に溶融させて、第２の材料と第１の材料との相互混合が実質的に存在しない第２の溶接継手を生じさせ、もって第１の物品と第２の物品を接合せしめる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、一般にタービンローターに関し、特に複数の異種金属からなるタービンローターの溶接に関する。例えばガス及び蒸気タービンのようなタービンの作動条件には、高い温度、速度及び力が含まれる。タービンローターは、タービンローターの作動寿命を延ばすのに適した材料特性を有する先端材料から製造されることが多い。さらに、例えば温度のような作動条件は、タービン内の位置によって変動することが知られている。そのため、タービン内の位置に対応する条件に最も適した異なる又は異種先端材料からタービンローターを構築するのが好ましい。
【背景技術】
【０００２】
タービンローター用の先端材料はタービンローターに相当する大きさでの製造が難しいので、タービンローターは小さなサブアセンブリ同士を接合して製造することが多い。タービンローターの一つの構築法は、嵩張ったセグメントのサブアセンブリ同士をボルト留めすることであり、その結果非常に複雑で質量の大きいタービンローターが得られる。タービンローターの別の構築法では、質量と複雑さの低減したサブアセンブリ同士を溶接する。しかし、異なる又は異種合金部品同士の溶接は、部品の溶接継手又は隣接する熱影響部に亀裂を生じるおそれがあるだけでなく、溶接継手における機械的性質に劣るおそれもある。その原因は、異なる合金の溶接継手の溶融池がいずれかの母材よりも広い温度域で凝固する傾向があるためであり、溶接継手の最後に凝固する部分が周囲の固体金属よりも弱くなり、溶接継手の収縮によって割れを生じる。さらに、異なる化学成分の溶融と凝固（融合としても知られる）の結果、そのミクロ組織、有害な化学相及び高温作動条件下での長期応答の点で予測できないことの多い化学的及び金属学的遷移部を生じる。合金の化学的及び物理的性質（例えば熱膨張など）の差が大きいほど、溶接性及び溶接継手の性質が悪化する。異なる材料を有するローターサブアセンブリ同士を溶接するための現在の方法では、溶接性を向上させるため、部品の接合面に中間的化学組成又は軟質合金からなる溶接又はクラッド中間層を設けている。かかる方法は手間がかかり、複雑で費用がかかるだけでなく、異種合金の融合と特性のトレードオフを依然として伴っており、溶接継手の健全性を損ないかねない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
そこで、当技術分野では、これらの短所を克服するタービンローターの溶接処理に対するニーズが存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の一実施形態は、異種材料からなる第１の物品と第２の物品との接合法に関する。本方法では、第１の物品と第２の物品の間に配置された二元合金部材であって、第１の材料と、該第１の材料とは異なる第２の材料と、それらの間の鍛錬領域とを含む二元合金部材を使用する。この方法ではさらに、第１の物品の材料の局所領域と第１の材料とを一緒に溶融させて、第１の材料と第２の材料との相互混合が実質的に存在しない第１の溶接継手を生じさせるとともに、第２の物品の材料の局所領域と第２の材料とを一緒に溶融させて、第２の材料と第１の材料との相互混合が実質的に存在しない第２の溶接継手を生じさせ、もって第１の物品と第２の物品を接合せしめる。
【０００５】
本発明の別の実施形態は、第１の物品と第２の物品とからなるアセンブリに関する。本アセンブリは、第１の物品と第２の物品の間に配置された二元合金部材を含む。二元合金部材は、第１の材料を含む第１の領域と、該第１の材料とは異なる第２の材料を含む第２の領域と、第１の領域と第２の領域の間の鍛錬遷移領域とを含む。第１の領域と第１の物品の間には第１の溶接継手が設けられており、第１の溶接継手には第１の材料と第２の材料との相互混合は実質的に存在しない。第２の領域と第２の物品の間には第２の溶接継手が設けられており、第２の溶接継手には第２の材料と第１の材料との相互混合は実質的に存在しない。
【０００６】
本発明のさらに別の実施形態はタービンローターに関する。本タービンローターは、第１のサブアセンブリと、第２のサブアセンブリと、それらの間に溶接された二元合金部材とを含む。二元合金部材は、第１の材料を含む第１の領域と、該第１の材料とは異なる第２の材料を含む第２の領域と、第１の領域と第２の領域の間の鍛錬遷移領域とを含む。第１の領域と第１のサブアセンブリの間には第１の溶接継手が設けられており、第１の溶接継手には第１の材料と第２の材料との相互混合は実質的に存在しない。第２の領域と第２のサブアセンブリの間には第２の溶接継手が設けられており、第２の溶接継手には第２の材料と第１の材料との相互混合は実質的に存在しない。
【０００７】
上記その他の効果及び特徴については、添付の図面と併せて本発明の好ましい実施形態に関する以下の詳細な説明を参照することによって容易に理解されよう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面を参照するが、図面において同様の要素には同様の参照番号を付した。
【０００９】
本発明の一実施形態では、鍛錬（例えば鍛造又はリング圧延のような塑性変形）二元合金遷移部材を用いて、異なる合金からなる部品を接合するプロセスを提供する。二元合金遷移部材の両端はそれぞれ異なる合金組成の成分を含んでおり、それらの間に化学遷移領域がある。二元合金遷移部材は、本明細書に記載する代表的な金属加工法のいずれかで製造することができ、二元合金遷移部材の各端部において同種材料間で形成された健全性の高い溶接継手で部品同士を接合できる。二元合金遷移部材の使用によって、部品間で機械力を伝達するのに適した構造強度が得られる。
【００１０】
遷移部材における化学遷移領域の性状及び範囲は、二元合金遷移部材を用いて形成される継手の熱応力が最小限となるように製造プロセスで制御できる。また、二元合金遷移部材は、その機械的性質を最適化するため一体熱処理（monolithic heat treatment）又は傾斜熱処理（differential heat treatment）を用いて熱処理することができる。かかる最適化処理は、例えばタービンローターのような重い大型部品に現在用いられている異種合金を用いた概して狭い継手では実施できないことは明らかであろう。
【００１１】
ここで図１を参照すると、外枠２６に対するローター２４の回転によって熱及び運動エネルギーを機械エネルギーに変換するためローター２４と作動可能に連動した複数のタービン動翼を用いるタービン２０の一実施形態の概略図が記載されている。タービン２０はガスタービンであってもよく、燃焼ガス１２の膨張で生じる熱及び運動エネルギーが機械エネルギー又は発電のために変換される。或いは、タービン２０は蒸気タービンであってもよく、高温蒸気１２の膨張で生じる熱及び運動エネルギーが例えば様々な用途のための機械エネルギーへと変換される。
【００１２】
図２は、ローター２４の一実施形態の断面図である。ローター２４は２以上のセクション２５，２６，２７を含む。セクション２５，２６，２７はいずれも他のセクション２５，２６，２７のいずれとも異なる材料から製造して、互いに溶接してもよい。かかる製造法によって、用途で必要とされる位置だけに高価な耐熱合金を使用して、総コストを削減し、ローター２４の製造性を高めることができる。
【００１３】
次に図３を参照すると、タービン２０の部分断面図が記載されている。第１のローターサブアセンブリのような第１の物品２８と、第２のローターサブアセンブリのような第２の物品３２と、二元合金遷移部材３６（本明細書では単に部材ともいう。）とが描かれている。一実施形態では、第１のローターサブアセンブリ２８及び第２のローターサブアセンブリ３２はタービン２０の作動条件での使用に適した先端材料から造られ、部材３６はサブアセンブリ２８，３２間に配置されたリング部材である。先端材料の例としては、７１８、７０６、Ｒｅｎｅ９５、６２５のような超合金、Ｍ１５２、４０３、４５０のようなマルテンサイト系ステンレス鋼、ＮｉＣｒＭｏＶ、ＣｒＭｏＶのような低合金鋼、並びにＴｉ−６−４、Ｔｉ６Ｑ２のようなチタン合金が挙げられる。これらの具体例は例示にすぎず、限定的なものではない。
【００１４】
第１のローターサブアセンブリ２８はタービン２０にそれを配置したときの第１の位置に付随する作動条件での使用に適した第１の材料から造られ、第２のローターサブアセンブリ３２はタービン２０にそれを配置したときの第２の位置に付随する作動条件での使用に適した第２の異種材料から造られる。例えば、第１のローターサブアセンブリ２８が第２の位置よりも温度の高いタービン２０内の位置に配置される場合、第１のローターサブアセンブリ２８は第１の位置に付随する温度での作動に適した材料から製造される。同様に、第２のローターサブアセンブリ３２は第２の位置に付随する温度での作動に適した材料から製造される。なお、以上は単なる例示にすぎず、適当な材料の選択には２以上の作動条件の考察を伴う可能性が高いことは自明であろう。
【００１５】
本明細書で用いる「異種」という用語は化学組成の異なる合金をいう。なお、あるクラスの合金（例えば鋼）に属する複数の合金が、化学組成に基づいて異種と分類されることもあることは自明であろう。本明細書において、溶接に関連した２つの合金について用いる「同種」という用語は、化学組成の同じ２つの合金をいう。組成の同じ同種合金が、例えば結晶粒度、強度及びミクロ組織などの異なる金属学的性質を有し得ることも自明であろう。従って、２つの同種合金間の溶接継手には、異種合金の溶接で得られるような欠陥が存在しない。さらに、２つの同種材料間の性質（例えば、機械的、化学的、金属学的及び熱的性質並びにミクロ組織的性質など）は、２種類の異種材料間の溶接継手に比べて残留応力の低減した２つの同種材料間の溶接継手を生じる。かかる残留応力の低下によって、溶接後の各種加工処理（例えば熱処理及び機械加工など）に対する溶接継手の適合性が高まる。
【００１６】
部材３６は、ローターサブアセンブリ２８，３２の各々と溶接させるため第１のローターサブアセンブリ２８と第２のローターサブアセンブリ３２の間にそれらに接触して配置される。第１のローターサブアセンブリ２８及び第２のローターサブアセンブリ３２の各々に部材３６を溶接すると、部材３６は、タービン２０の作動に随伴する力をローターサブアセンブリ２８，３２間で伝達するのに適した強度（タービン２０内の部材３６が配置された位置に付随する作動条件での）を有する溶接継手をもたらす。すなわち、部材３６は、第１の物品２８と第２の物品３２との構造的結合をもたらす。本明細書で用いる「構造的結合」という用語は、第１の物品２８と第２の物品３２との間の物理的、機械的及び／又は金属結合をもたらす結合をいう。また、「構造的結合」という用語は、第１の物品２８及び第２の物品３２（ローターサブアセンブリ２８，３２など）を作動して一方の物品２８，３２から他方の物品２８，３２に予測される力を伝達する際に予測される条件下で適当な強度を与える結合をいう。構造的結合は例えば２つのローターサブアセンブリ２８，３２間での力の伝達をもたらすが、これはローターサブアセンブリ２８，３２が用いられるタービン２０などの用途で所定の限度内のローターサブアセンブリ２８，３２間の相対運動を伴うものであってもよい。
【００１７】
部材３６は第１の領域４０と第２の領域４４と遷移領域４８とを含む。第１の溶接継手５２で第１の領域４０が第１の物品２８と接合し、第２の溶接継手５６で第２の領域４４が第２の物品３２と接合する。第１の領域４０は、第１の物品２８が造られた材料と同種の第１の材料を含む。第２の領域４４は、第１の材料とは異種の第の材料であって、第２の物品３２が造られた材料と同種の第２の材料を含む。同種材料間の溶接継手５２，５６は、タービン２０内の作動条件、例えばローターサブアセンブリ２８，３２間に存在する作動条件で予測される力の伝達に適している。
【００１８】
部材３６の遷移領域４８は第１の材料と第２の材料の間の化学的及びミクロ組織的な傾斜又は遷移領域を含む。すなわち、遷移領域４８の少なくとも一部は第１の材料と第２の材料との組合せ又は混合物を含む。さらに、遷移領域４８の少なくとも一部は第１の領域４０の材料のミクロ組織と第２の領域４４の材料のミクロ組織との組合せを含む。
【００１９】
部材３６を接合した物品２８，３２の一方から部材３６へと伝わる力は遷移領域４８を通して伝達しなければならない。例えば、第１の物品２８から第１の溶接継手５２を介して第１の領域４０へと伝わる力も、遷移領域４８を通して第２の領域４４、次いで第２の溶接継手５６を介して第２の物品３２へと伝達しなければならない。同様に、第２の物品３２から第１の物品２８へと伝わる力も遷移領域４８を介して伝達されることは明らかである。従って、部材３６の塑性変形又は成形（これについては、以下でさらに詳しく説明する）によって、第１の物品２８と第２の物品３２（タービン２０内のローターサブアセンブリ２８，３２など）の構造的結合をもたらすのに適した構造強度を与える。
【００２０】
次に図４を参照すると、二元合金遷移部材３６のような二元合金遷移部材を製造するためのプロセス段階のフローチャート１００を示す。プロセスは、段階１０４での適当な材料の選択（例えば、第１の物品２８の材料と同種の第１の材料、第２の物品３２の材料と同種の第２の材料など）によって開始される。
【００２１】
本プロセスは次いで、段階１０８で、第１の材料と第２の材料を冶金的に結合して、第１の材料からなる第１の領域４０と第２の材料からなる第２の領域４４とを含むプリフォームにする。本プロセスでは、次の段階１１２でプリフォームを成形して、プリフォームの強度を増大させるとともに、第１の領域４０と第２の領域４４の間の遷移領域４８の化学組成及びミクロ組織の傾斜を与える。
【００２２】
段階１１２での成形は、溶接欠陥、内部不連続性、異方性又は許容できない化学的偏析のない、充分に再結晶した等軸晶均質ミクロ組織を特徴とする鍛錬組織を与える。かかる鍛錬組織は鋳造したままの組織に比べて向上した強度、延性、靱性及び疲労性能を示す。溶接中間層の使用によって得られる鋳造したままの組織は、化学的不均一性又は偏析及び潜在的溶接欠陥（例えば、ポロシティ、融合不良、ミクロ割れ（microfissure）、粒界欠陥、液化（liquation）、酸化物又はスラグ巻込みなど）を呈する方向性凝固デンドライト間結晶粒組織によって特徴付けられる。さらに、これらの欠陥は遷移領域４８の強度、延性、疲労性能及び靱性に悪影響を及ぼす傾向がある。
【００２３】
本プロセスは、さらに段階１１６で、プリフォームを完成部材３６の概略形状に賦形する。段階１１６の賦形によって、完成部材３６に要求される最終的な幾何形状及び寸法公差を与えるための後段のプロセス段階（例えば機械加工など）で必要とされる材料除去の量が最小限となる。本プロセスの最終段階は段階１２０の機械加工であり、段階１１６の賦形で得られた概略形状を機械加工して、部材３６を物品２８，３２間に配置して溶接するための望ましい幾何形状及び寸法公差とする。
【００２４】
一実施形態では、本プロセスは、部材３６の特性（例えば、部材３６の強度、硬さ、延性、耐酸化性、耐腐食性、応力腐食耐性、クリープ耐性及び耐衝撃性のような１以上の特性）を向上させるための熱処理も含む。一実施形態では、熱処理は、第１の材料と第２の材料の間の化学組成及びミクロ組織傾斜の拡散の結果として部材の特性を向上させるためのものである。
【００２５】
次に図５を参照すると、第１の領域４０と第２の領域４４と遷移領域４８とを有する二元合金スペーサーリング１３０のような部材３６の代表的な製造プロセスの概略を図解する。二元合金スペーサーリング１３０の製造プロセスの一実施形態を図解したが、本発明の技術的範囲はこれに限定されるものではなく、本発明が２つの物品２８，３２間に配置してそれらを接合するのに適した他の幾何形状の部材３６にも適用できることは自明であろう。
【００２６】
代表的な実施形態では、段階１０４での適当な材料の選択は、粉末金属成分を選択し、圧粉体１３４を製造することを含む。粉末金属成分の選択は、上述の通り、第１の物品２８の材料と同種の第１の成分及び第２の物品と同種の第２の成分を含む。
【００２７】
段階１０８での冶金的結合は、圧粉体１３４をダイ１３８内で押出して、超塑性成形又は通常の成形のための微細な再結晶粒組織を有するプリフォーム１４２又はビレットを得ることを含む。段階１１２の成形は、等温鍛造、通常の鍛造、又は熱間等方圧プレス後の鍛造を含み、これによって第１の材料と第２の材料の異種合金の一様な流れが生じる。段階１１６での賦形は、「ドーナツ型」プリフォーム１５０を製造するための再度の鍛造１４６及び二元合金スペーサーリング１３０を製造するリング圧延１５３を含む。
【００２８】
次に図６を参照すると、二元合金スペーサーリング１３０のような部材３６の別の製造プロセスの概略を図解する。図６に示すプロセスでは、初期プロセス入力として二元合金電極１５４を利用する。一実施形態では、段階１０４での適当な材料の選択は、第１及び第２のローターサブアセンブリ２８，３２のそれぞれの材料と同種の第１の材料及び第２の材料からそれぞれ造られた第１の電極１５５及び第２の電極１５７を選択する。段階１０４での適当な材料の選択は、さらに、２つの電極１５５，１５７の融接及びイナーシャ式摩擦圧接の少なくともいずれかによって二元合金電極を製造することを含む。段階１０８での冶金的結合は、二元合金電極１５４のエレクトロスラグ再融解（ＥＳＲ）によって、中心部に狭い化学遷移領域を有する二元合金インゴット１５８をプリフォームとして得ることを含む。段階１１２の成形では、プリフォーム１５８をサイジングするとともに所望の強度増加を与えるため鍛造する。段階１１６での賦形では、別の鍛造１４６で「ドーナツ型」プリフォーム１５０を製造し、リング圧延１５３で二元合金スペーサーリング１３０を得る。
【００２９】
次に図７を参照すると、二元合金スペーサーリング１３０のような部材３６の別の製造プロセスの概略を図解する。一実施形態では、段階１０４での適当な材料の選択は、第１の物品２８の材料と実質的に同種の第１の材料と第２の物品３２の材料と実質的に同種の第２の材料とを選択し、真空チャンバー１６６内に配置された溶融るつぼ１６２に入れ、「ドーナツ型」プリフォーム１７０を製造する。段階１０８の冶金的結合では、第１の材料及び第２の材料を溶融させ、アトマイザー１７４から回転プリフォームマンドレル１７８上に噴霧する。段階１１２の成形では、「ドーナツ型」プリフォームをサイジング及び強化し、段階１１６の賦形では、リング圧延１５３して二元合金スペーサーリング１３０を準備する。
【００３０】
以上から、部材３６は、異なる材料でできた２つの物品の接合方法を容易にする。ここで図８を図３と併せて参照すると、異なる材料でできた２つの物品（第１の物品２８と第２の物品３２など）を接合するためのプロセス段階のフローチャート２００を示す。
【００３１】
この方法は、段階２０４における第１の物品２８と第２の物品３２の間に配置された二元合金遷移部材３６の使用によって開始される。部材３６は、第１の物品２８と第１の溶接継手５２を形成するための第１の領域４０と、第２の物品３２と第２の溶接継手５６を形成する第２の領域４４と、第１の領域４０と第２の領域４４の間の鍛錬遷移領域４８とを有している。遷移領域４８は、第１の領域４０の第１の材料と第２の領域４４の第２の材料の間の化学組成傾斜も含んでいる。
【００３２】
この方法では、次いで、第１の物品２８と部材３６の第１の領域４０の間に熱を発生させ、段階２０８で、第１の物品２８の材料の局所領域を部材３６の第１の領域４０の第１の材料と一緒に溶融させる。熱の発生は、第１の物品２８の材料と部材３６の第１の材料との溶融で、第２の領域４４の第２の材料の溶融が起こらないように制御される。従って、部材３６の第２の領域４４の第２の材料との相互混合が実質的に存在しない第１の溶接継手５２が得られる。したがって、第１の溶接継手５２には、異種溶融材料との相互混合に起因し溶接継手５２の強度を損なう欠陥が存在しない。本明細書で用いる「実質的に存在しない」という用語は、従来の２種類の材料の相互混合に起因する欠陥の作用を受けない部材３６の溶接をいう。
【００３３】
この方法は、次いで、第２の物品３２と部材３６の第２の領域４４値の間に熱を発生させ、段階２１２で、第２の物品３２の材料の局所領域を部材３６の第２の領域４４の第２の材料と一緒に溶融させる。熱の発生は、第２の物品３２の材料及び第２の材料の溶融で、第１の領域４０の第１の材料の溶融が起こらず、それによって部材３６の第１の領域４０の第１の材料の相互混合が実質的に存在しない第２の溶接継手５６が得られるように制御される。従って、第２の溶接継手５２は、異種溶融材料との相互混合に起因し溶接継手５６の強度を損なう欠陥が存在しない。
【００３４】
第１の溶接継手５２と第２の溶接継手５６を形成すると、第１の物品２８と第２の物品３２とが部材３６を介して接合し、第１の物品２８と第２の物品３２との構造的結合をもたらす。
【００３５】
一実施形態では、段階２０８及び段階２１２の少なくとも一方での溶融のための熱の発生は、溶接工具と被接合材料との間での電気アークの発生を含む。別の実施形態では、段階２０８と段階２１２の少なくとも一方での溶融のための熱の発生は、物品２８、３０及び部材３６間の相対運動によって摩擦を生じさせることを含む。
【００３６】
一実施形態では、本方法は、さらに、部材３６の機械的性質を最適化するための溶接後熱処理を含む。一実施形態では、部材３６を、強度、延性、耐衝撃性及び硬さのような性質を最適化するための均一な熱処理パラメーター（温度及び暴露時間など）を用いて、単一のモノリシック部材として熱処理する。別の実施形態では、第１の領域４０と第２の領域４４の各々に対して異なる熱処理パラメーターを用いて部材３６を熱処理し、熱処理パラメーターは、例えば化学組成及びミクロ組織のような第１の材料と第２の材料の特性に応じて選択される。さらに別の実施形態では、物品２８，３２と溶接継手５２，５６と第１の領域４０及び第２の領域４４の性質を最適化するため第１の材料及び第２の材料の特性に応じた選択されたパラメーターを用いて、部材と接合した物品２８，３２の少なくとも一部を第１の領域４０及び第２の領域４４と共に熱処理する。
【００３７】
上述の通り、本発明の幾つかの実施形態は、ローターサブアセンブリの溶接によってタービンローターの複雑さ及び質量を低減できること、各々が暴露される作動条件に対して最適化された異種先端材料からなるタービンローター部品同士の溶接性を向上させることができること、異種金属からなる２つの物品間の２つの溶接継手を、各々同種材料間の溶接継手として実施できること、という効果の幾つかを含む。
【００３８】
なお、二元合金リングを例にとって本発明の実施形態を説明してきたが、本発明の技術的範囲はこれに限定されるものではなく、また本発明の実施形態は３種以上の合金を含む部材３６にも適用できることは自明であろう。
【００３９】
代表的な実施形態を参照して本発明を説明してきたが、本発明の技術的範囲から逸脱せずに、様々な変更をなすことができるし、本発明の要素を均等物で置換することもできる。また、特定の状況又は材料を本発明の教示内容に適合させるべく、本発明の本質的な技術的範囲から逸脱せずに、多くの修正をなすことができる。従って、本発明は、発明を実施するための最良又は唯一の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に属するあらゆる実施形態を包含する。また、図面及び明細書に本発明の代表的な実施形態を開示し、特定の用語を用いてきたが、これらは、特記しない限り、包括的で説明のために用いたものにすぎず、限定的なものではなく、本発明の技術的範囲を限定するものではない。さらに、第１、第２などの用語の使用は、順序又は重要性を意味するものではなく、ある要素を他の要素から区別するためのものである。なお、単数形で記載したものであっても、数量を限定するものではなく、そのものが１以上存在することを意味する。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の一実施形態に係るタービンの概略図。
【図２】本発明の一実施形態に係るタービンローターの断面図。
【図３】本発明の一実施形態に係る第１の物品と第２の物品の間の部材の断面図。
【図４】本発明の一実施形態に係る部材の製造法のプロセス段階のフローチャート。
【図５】本発明の一実施形態に係る部材の製造法の一実施形態を図解した図。
【図６】本発明の一実施形態に係る部材の製造法の一実施形態を図解した図。
【図７】本発明の一実施形態に係る部材の製造法の一実施形態を図解した図。
【図８】本発明の一実施形態に係る異なる材料からなる２つの物品を接合するためのプロセス段階のフローチャート。
【符号の説明】
【００４１】
２０ タービン
２４ ローター
２８ 第１の物品
３２ 第２の物品
３６ 二元合金遷移部材
４０ 第１の領域
４４ 第２の領域
４８ 遷移領域
５２ 第１の溶接継手
５６ 第２の溶接継手
１００ フローチャート
１３０ 二元合金スペーサーリング
１３４ 圧粉体
１３８ ダイ
１４２ プリフォーム
１４６ 鍛造
１５０ プリフォーム
１５３ リング圧延
１５４ 二元合金電極
１５５ 電極
１５７ 電極
１５８ 二元合金インゴット
１６２ 溶融るつぼ
１６６ 真空チャンバー
１７０ プリフォーム
１７４ アトマイザー
１７８ プリフォームマンドレル
【技術分野】
【０００１】
本願は、一般にタービンローターに関し、特に複数の異種金属からなるタービンローターの溶接に関する。例えばガス及び蒸気タービンのようなタービンの作動条件には、高い温度、速度及び力が含まれる。タービンローターは、タービンローターの作動寿命を延ばすのに適した材料特性を有する先端材料から製造されることが多い。さらに、例えば温度のような作動条件は、タービン内の位置によって変動することが知られている。そのため、タービン内の位置に対応する条件に最も適した異なる又は異種先端材料からタービンローターを構築するのが好ましい。
【背景技術】
【０００２】
タービンローター用の先端材料はタービンローターに相当する大きさでの製造が難しいので、タービンローターは小さなサブアセンブリ同士を接合して製造することが多い。タービンローターの一つの構築法は、嵩張ったセグメントのサブアセンブリ同士をボルト留めすることであり、その結果非常に複雑で質量の大きいタービンローターが得られる。タービンローターの別の構築法では、質量と複雑さの低減したサブアセンブリ同士を溶接する。しかし、異なる又は異種合金部品同士の溶接は、部品の溶接継手又は隣接する熱影響部に亀裂を生じるおそれがあるだけでなく、溶接継手における機械的性質に劣るおそれもある。その原因は、異なる合金の溶接継手の溶融池がいずれかの母材よりも広い温度域で凝固する傾向があるためであり、溶接継手の最後に凝固する部分が周囲の固体金属よりも弱くなり、溶接継手の収縮によって割れを生じる。さらに、異なる化学成分の溶融と凝固（融合としても知られる）の結果、そのミクロ組織、有害な化学相及び高温作動条件下での長期応答の点で予測できないことの多い化学的及び金属学的遷移部を生じる。合金の化学的及び物理的性質（例えば熱膨張など）の差が大きいほど、溶接性及び溶接継手の性質が悪化する。異なる材料を有するローターサブアセンブリ同士を溶接するための現在の方法では、溶接性を向上させるため、部品の接合面に中間的化学組成又は軟質合金からなる溶接又はクラッド中間層を設けている。かかる方法は手間がかかり、複雑で費用がかかるだけでなく、異種合金の融合と特性のトレードオフを依然として伴っており、溶接継手の健全性を損ないかねない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
そこで、当技術分野では、これらの短所を克服するタービンローターの溶接処理に対するニーズが存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の一実施形態は、異種材料からなる第１の物品と第２の物品との接合法に関する。本方法では、第１の物品と第２の物品の間に配置された二元合金部材であって、第１の材料と、該第１の材料とは異なる第２の材料と、それらの間の鍛錬領域とを含む二元合金部材を使用する。この方法ではさらに、第１の物品の材料の局所領域と第１の材料とを一緒に溶融させて、第１の材料と第２の材料との相互混合が実質的に存在しない第１の溶接継手を生じさせるとともに、第２の物品の材料の局所領域と第２の材料とを一緒に溶融させて、第２の材料と第１の材料との相互混合が実質的に存在しない第２の溶接継手を生じさせ、もって第１の物品と第２の物品を接合せしめる。
【０００５】
本発明の別の実施形態は、第１の物品と第２の物品とからなるアセンブリに関する。本アセンブリは、第１の物品と第２の物品の間に配置された二元合金部材を含む。二元合金部材は、第１の材料を含む第１の領域と、該第１の材料とは異なる第２の材料を含む第２の領域と、第１の領域と第２の領域の間の鍛錬遷移領域とを含む。第１の領域と第１の物品の間には第１の溶接継手が設けられており、第１の溶接継手には第１の材料と第２の材料との相互混合は実質的に存在しない。第２の領域と第２の物品の間には第２の溶接継手が設けられており、第２の溶接継手には第２の材料と第１の材料との相互混合は実質的に存在しない。
【０００６】
本発明のさらに別の実施形態はタービンローターに関する。本タービンローターは、第１のサブアセンブリと、第２のサブアセンブリと、それらの間に溶接された二元合金部材とを含む。二元合金部材は、第１の材料を含む第１の領域と、該第１の材料とは異なる第２の材料を含む第２の領域と、第１の領域と第２の領域の間の鍛錬遷移領域とを含む。第１の領域と第１のサブアセンブリの間には第１の溶接継手が設けられており、第１の溶接継手には第１の材料と第２の材料との相互混合は実質的に存在しない。第２の領域と第２のサブアセンブリの間には第２の溶接継手が設けられており、第２の溶接継手には第２の材料と第１の材料との相互混合は実質的に存在しない。
【０００７】
上記その他の効果及び特徴については、添付の図面と併せて本発明の好ましい実施形態に関する以下の詳細な説明を参照することによって容易に理解されよう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面を参照するが、図面において同様の要素には同様の参照番号を付した。
【０００９】
本発明の一実施形態では、鍛錬（例えば鍛造又はリング圧延のような塑性変形）二元合金遷移部材を用いて、異なる合金からなる部品を接合するプロセスを提供する。二元合金遷移部材の両端はそれぞれ異なる合金組成の成分を含んでおり、それらの間に化学遷移領域がある。二元合金遷移部材は、本明細書に記載する代表的な金属加工法のいずれかで製造することができ、二元合金遷移部材の各端部において同種材料間で形成された健全性の高い溶接継手で部品同士を接合できる。二元合金遷移部材の使用によって、部品間で機械力を伝達するのに適した構造強度が得られる。
【００１０】
遷移部材における化学遷移領域の性状及び範囲は、二元合金遷移部材を用いて形成される継手の熱応力が最小限となるように製造プロセスで制御できる。また、二元合金遷移部材は、その機械的性質を最適化するため一体熱処理（monolithic heat treatment）又は傾斜熱処理（differential heat treatment）を用いて熱処理することができる。かかる最適化処理は、例えばタービンローターのような重い大型部品に現在用いられている異種合金を用いた概して狭い継手では実施できないことは明らかであろう。
【００１１】
ここで図１を参照すると、外枠２６に対するローター２４の回転によって熱及び運動エネルギーを機械エネルギーに変換するためローター２４と作動可能に連動した複数のタービン動翼を用いるタービン２０の一実施形態の概略図が記載されている。タービン２０はガスタービンであってもよく、燃焼ガス１２の膨張で生じる熱及び運動エネルギーが機械エネルギー又は発電のために変換される。或いは、タービン２０は蒸気タービンであってもよく、高温蒸気１２の膨張で生じる熱及び運動エネルギーが例えば様々な用途のための機械エネルギーへと変換される。
【００１２】
図２は、ローター２４の一実施形態の断面図である。ローター２４は２以上のセクション２５，２６，２７を含む。セクション２５，２６，２７はいずれも他のセクション２５，２６，２７のいずれとも異なる材料から製造して、互いに溶接してもよい。かかる製造法によって、用途で必要とされる位置だけに高価な耐熱合金を使用して、総コストを削減し、ローター２４の製造性を高めることができる。
【００１３】
次に図３を参照すると、タービン２０の部分断面図が記載されている。第１のローターサブアセンブリのような第１の物品２８と、第２のローターサブアセンブリのような第２の物品３２と、二元合金遷移部材３６（本明細書では単に部材ともいう。）とが描かれている。一実施形態では、第１のローターサブアセンブリ２８及び第２のローターサブアセンブリ３２はタービン２０の作動条件での使用に適した先端材料から造られ、部材３６はサブアセンブリ２８，３２間に配置されたリング部材である。先端材料の例としては、７１８、７０６、Ｒｅｎｅ９５、６２５のような超合金、Ｍ１５２、４０３、４５０のようなマルテンサイト系ステンレス鋼、ＮｉＣｒＭｏＶ、ＣｒＭｏＶのような低合金鋼、並びにＴｉ−６−４、Ｔｉ６Ｑ２のようなチタン合金が挙げられる。これらの具体例は例示にすぎず、限定的なものではない。
【００１４】
第１のローターサブアセンブリ２８はタービン２０にそれを配置したときの第１の位置に付随する作動条件での使用に適した第１の材料から造られ、第２のローターサブアセンブリ３２はタービン２０にそれを配置したときの第２の位置に付随する作動条件での使用に適した第２の異種材料から造られる。例えば、第１のローターサブアセンブリ２８が第２の位置よりも温度の高いタービン２０内の位置に配置される場合、第１のローターサブアセンブリ２８は第１の位置に付随する温度での作動に適した材料から製造される。同様に、第２のローターサブアセンブリ３２は第２の位置に付随する温度での作動に適した材料から製造される。なお、以上は単なる例示にすぎず、適当な材料の選択には２以上の作動条件の考察を伴う可能性が高いことは自明であろう。
【００１５】
本明細書で用いる「異種」という用語は化学組成の異なる合金をいう。なお、あるクラスの合金（例えば鋼）に属する複数の合金が、化学組成に基づいて異種と分類されることもあることは自明であろう。本明細書において、溶接に関連した２つの合金について用いる「同種」という用語は、化学組成の同じ２つの合金をいう。組成の同じ同種合金が、例えば結晶粒度、強度及びミクロ組織などの異なる金属学的性質を有し得ることも自明であろう。従って、２つの同種合金間の溶接継手には、異種合金の溶接で得られるような欠陥が存在しない。さらに、２つの同種材料間の性質（例えば、機械的、化学的、金属学的及び熱的性質並びにミクロ組織的性質など）は、２種類の異種材料間の溶接継手に比べて残留応力の低減した２つの同種材料間の溶接継手を生じる。かかる残留応力の低下によって、溶接後の各種加工処理（例えば熱処理及び機械加工など）に対する溶接継手の適合性が高まる。
【００１６】
部材３６は、ローターサブアセンブリ２８，３２の各々と溶接させるため第１のローターサブアセンブリ２８と第２のローターサブアセンブリ３２の間にそれらに接触して配置される。第１のローターサブアセンブリ２８及び第２のローターサブアセンブリ３２の各々に部材３６を溶接すると、部材３６は、タービン２０の作動に随伴する力をローターサブアセンブリ２８，３２間で伝達するのに適した強度（タービン２０内の部材３６が配置された位置に付随する作動条件での）を有する溶接継手をもたらす。すなわち、部材３６は、第１の物品２８と第２の物品３２との構造的結合をもたらす。本明細書で用いる「構造的結合」という用語は、第１の物品２８と第２の物品３２との間の物理的、機械的及び／又は金属結合をもたらす結合をいう。また、「構造的結合」という用語は、第１の物品２８及び第２の物品３２（ローターサブアセンブリ２８，３２など）を作動して一方の物品２８，３２から他方の物品２８，３２に予測される力を伝達する際に予測される条件下で適当な強度を与える結合をいう。構造的結合は例えば２つのローターサブアセンブリ２８，３２間での力の伝達をもたらすが、これはローターサブアセンブリ２８，３２が用いられるタービン２０などの用途で所定の限度内のローターサブアセンブリ２８，３２間の相対運動を伴うものであってもよい。
【００１７】
部材３６は第１の領域４０と第２の領域４４と遷移領域４８とを含む。第１の溶接継手５２で第１の領域４０が第１の物品２８と接合し、第２の溶接継手５６で第２の領域４４が第２の物品３２と接合する。第１の領域４０は、第１の物品２８が造られた材料と同種の第１の材料を含む。第２の領域４４は、第１の材料とは異種の第の材料であって、第２の物品３２が造られた材料と同種の第２の材料を含む。同種材料間の溶接継手５２，５６は、タービン２０内の作動条件、例えばローターサブアセンブリ２８，３２間に存在する作動条件で予測される力の伝達に適している。
【００１８】
部材３６の遷移領域４８は第１の材料と第２の材料の間の化学的及びミクロ組織的な傾斜又は遷移領域を含む。すなわち、遷移領域４８の少なくとも一部は第１の材料と第２の材料との組合せ又は混合物を含む。さらに、遷移領域４８の少なくとも一部は第１の領域４０の材料のミクロ組織と第２の領域４４の材料のミクロ組織との組合せを含む。
【００１９】
部材３６を接合した物品２８，３２の一方から部材３６へと伝わる力は遷移領域４８を通して伝達しなければならない。例えば、第１の物品２８から第１の溶接継手５２を介して第１の領域４０へと伝わる力も、遷移領域４８を通して第２の領域４４、次いで第２の溶接継手５６を介して第２の物品３２へと伝達しなければならない。同様に、第２の物品３２から第１の物品２８へと伝わる力も遷移領域４８を介して伝達されることは明らかである。従って、部材３６の塑性変形又は成形（これについては、以下でさらに詳しく説明する）によって、第１の物品２８と第２の物品３２（タービン２０内のローターサブアセンブリ２８，３２など）の構造的結合をもたらすのに適した構造強度を与える。
【００２０】
次に図４を参照すると、二元合金遷移部材３６のような二元合金遷移部材を製造するためのプロセス段階のフローチャート１００を示す。プロセスは、段階１０４での適当な材料の選択（例えば、第１の物品２８の材料と同種の第１の材料、第２の物品３２の材料と同種の第２の材料など）によって開始される。
【００２１】
本プロセスは次いで、段階１０８で、第１の材料と第２の材料を冶金的に結合して、第１の材料からなる第１の領域４０と第２の材料からなる第２の領域４４とを含むプリフォームにする。本プロセスでは、次の段階１１２でプリフォームを成形して、プリフォームの強度を増大させるとともに、第１の領域４０と第２の領域４４の間の遷移領域４８の化学組成及びミクロ組織の傾斜を与える。
【００２２】
段階１１２での成形は、溶接欠陥、内部不連続性、異方性又は許容できない化学的偏析のない、充分に再結晶した等軸晶均質ミクロ組織を特徴とする鍛錬組織を与える。かかる鍛錬組織は鋳造したままの組織に比べて向上した強度、延性、靱性及び疲労性能を示す。溶接中間層の使用によって得られる鋳造したままの組織は、化学的不均一性又は偏析及び潜在的溶接欠陥（例えば、ポロシティ、融合不良、ミクロ割れ（microfissure）、粒界欠陥、液化（liquation）、酸化物又はスラグ巻込みなど）を呈する方向性凝固デンドライト間結晶粒組織によって特徴付けられる。さらに、これらの欠陥は遷移領域４８の強度、延性、疲労性能及び靱性に悪影響を及ぼす傾向がある。
【００２３】
本プロセスは、さらに段階１１６で、プリフォームを完成部材３６の概略形状に賦形する。段階１１６の賦形によって、完成部材３６に要求される最終的な幾何形状及び寸法公差を与えるための後段のプロセス段階（例えば機械加工など）で必要とされる材料除去の量が最小限となる。本プロセスの最終段階は段階１２０の機械加工であり、段階１１６の賦形で得られた概略形状を機械加工して、部材３６を物品２８，３２間に配置して溶接するための望ましい幾何形状及び寸法公差とする。
【００２４】
一実施形態では、本プロセスは、部材３６の特性（例えば、部材３６の強度、硬さ、延性、耐酸化性、耐腐食性、応力腐食耐性、クリープ耐性及び耐衝撃性のような１以上の特性）を向上させるための熱処理も含む。一実施形態では、熱処理は、第１の材料と第２の材料の間の化学組成及びミクロ組織傾斜の拡散の結果として部材の特性を向上させるためのものである。
【００２５】
次に図５を参照すると、第１の領域４０と第２の領域４４と遷移領域４８とを有する二元合金スペーサーリング１３０のような部材３６の代表的な製造プロセスの概略を図解する。二元合金スペーサーリング１３０の製造プロセスの一実施形態を図解したが、本発明の技術的範囲はこれに限定されるものではなく、本発明が２つの物品２８，３２間に配置してそれらを接合するのに適した他の幾何形状の部材３６にも適用できることは自明であろう。
【００２６】
代表的な実施形態では、段階１０４での適当な材料の選択は、粉末金属成分を選択し、圧粉体１３４を製造することを含む。粉末金属成分の選択は、上述の通り、第１の物品２８の材料と同種の第１の成分及び第２の物品と同種の第２の成分を含む。
【００２７】
段階１０８での冶金的結合は、圧粉体１３４をダイ１３８内で押出して、超塑性成形又は通常の成形のための微細な再結晶粒組織を有するプリフォーム１４２又はビレットを得ることを含む。段階１１２の成形は、等温鍛造、通常の鍛造、又は熱間等方圧プレス後の鍛造を含み、これによって第１の材料と第２の材料の異種合金の一様な流れが生じる。段階１１６での賦形は、「ドーナツ型」プリフォーム１５０を製造するための再度の鍛造１４６及び二元合金スペーサーリング１３０を製造するリング圧延１５３を含む。
【００２８】
次に図６を参照すると、二元合金スペーサーリング１３０のような部材３６の別の製造プロセスの概略を図解する。図６に示すプロセスでは、初期プロセス入力として二元合金電極１５４を利用する。一実施形態では、段階１０４での適当な材料の選択は、第１及び第２のローターサブアセンブリ２８，３２のそれぞれの材料と同種の第１の材料及び第２の材料からそれぞれ造られた第１の電極１５５及び第２の電極１５７を選択する。段階１０４での適当な材料の選択は、さらに、２つの電極１５５，１５７の融接及びイナーシャ式摩擦圧接の少なくともいずれかによって二元合金電極を製造することを含む。段階１０８での冶金的結合は、二元合金電極１５４のエレクトロスラグ再融解（ＥＳＲ）によって、中心部に狭い化学遷移領域を有する二元合金インゴット１５８をプリフォームとして得ることを含む。段階１１２の成形では、プリフォーム１５８をサイジングするとともに所望の強度増加を与えるため鍛造する。段階１１６での賦形では、別の鍛造１４６で「ドーナツ型」プリフォーム１５０を製造し、リング圧延１５３で二元合金スペーサーリング１３０を得る。
【００２９】
次に図７を参照すると、二元合金スペーサーリング１３０のような部材３６の別の製造プロセスの概略を図解する。一実施形態では、段階１０４での適当な材料の選択は、第１の物品２８の材料と実質的に同種の第１の材料と第２の物品３２の材料と実質的に同種の第２の材料とを選択し、真空チャンバー１６６内に配置された溶融るつぼ１６２に入れ、「ドーナツ型」プリフォーム１７０を製造する。段階１０８の冶金的結合では、第１の材料及び第２の材料を溶融させ、アトマイザー１７４から回転プリフォームマンドレル１７８上に噴霧する。段階１１２の成形では、「ドーナツ型」プリフォームをサイジング及び強化し、段階１１６の賦形では、リング圧延１５３して二元合金スペーサーリング１３０を準備する。
【００３０】
以上から、部材３６は、異なる材料でできた２つの物品の接合方法を容易にする。ここで図８を図３と併せて参照すると、異なる材料でできた２つの物品（第１の物品２８と第２の物品３２など）を接合するためのプロセス段階のフローチャート２００を示す。
【００３１】
この方法は、段階２０４における第１の物品２８と第２の物品３２の間に配置された二元合金遷移部材３６の使用によって開始される。部材３６は、第１の物品２８と第１の溶接継手５２を形成するための第１の領域４０と、第２の物品３２と第２の溶接継手５６を形成する第２の領域４４と、第１の領域４０と第２の領域４４の間の鍛錬遷移領域４８とを有している。遷移領域４８は、第１の領域４０の第１の材料と第２の領域４４の第２の材料の間の化学組成傾斜も含んでいる。
【００３２】
この方法では、次いで、第１の物品２８と部材３６の第１の領域４０の間に熱を発生させ、段階２０８で、第１の物品２８の材料の局所領域を部材３６の第１の領域４０の第１の材料と一緒に溶融させる。熱の発生は、第１の物品２８の材料と部材３６の第１の材料との溶融で、第２の領域４４の第２の材料の溶融が起こらないように制御される。従って、部材３６の第２の領域４４の第２の材料との相互混合が実質的に存在しない第１の溶接継手５２が得られる。したがって、第１の溶接継手５２には、異種溶融材料との相互混合に起因し溶接継手５２の強度を損なう欠陥が存在しない。本明細書で用いる「実質的に存在しない」という用語は、従来の２種類の材料の相互混合に起因する欠陥の作用を受けない部材３６の溶接をいう。
【００３３】
この方法は、次いで、第２の物品３２と部材３６の第２の領域４４値の間に熱を発生させ、段階２１２で、第２の物品３２の材料の局所領域を部材３６の第２の領域４４の第２の材料と一緒に溶融させる。熱の発生は、第２の物品３２の材料及び第２の材料の溶融で、第１の領域４０の第１の材料の溶融が起こらず、それによって部材３６の第１の領域４０の第１の材料の相互混合が実質的に存在しない第２の溶接継手５６が得られるように制御される。従って、第２の溶接継手５２は、異種溶融材料との相互混合に起因し溶接継手５６の強度を損なう欠陥が存在しない。
【００３４】
第１の溶接継手５２と第２の溶接継手５６を形成すると、第１の物品２８と第２の物品３２とが部材３６を介して接合し、第１の物品２８と第２の物品３２との構造的結合をもたらす。
【００３５】
一実施形態では、段階２０８及び段階２１２の少なくとも一方での溶融のための熱の発生は、溶接工具と被接合材料との間での電気アークの発生を含む。別の実施形態では、段階２０８と段階２１２の少なくとも一方での溶融のための熱の発生は、物品２８、３０及び部材３６間の相対運動によって摩擦を生じさせることを含む。
【００３６】
一実施形態では、本方法は、さらに、部材３６の機械的性質を最適化するための溶接後熱処理を含む。一実施形態では、部材３６を、強度、延性、耐衝撃性及び硬さのような性質を最適化するための均一な熱処理パラメーター（温度及び暴露時間など）を用いて、単一のモノリシック部材として熱処理する。別の実施形態では、第１の領域４０と第２の領域４４の各々に対して異なる熱処理パラメーターを用いて部材３６を熱処理し、熱処理パラメーターは、例えば化学組成及びミクロ組織のような第１の材料と第２の材料の特性に応じて選択される。さらに別の実施形態では、物品２８，３２と溶接継手５２，５６と第１の領域４０及び第２の領域４４の性質を最適化するため第１の材料及び第２の材料の特性に応じた選択されたパラメーターを用いて、部材と接合した物品２８，３２の少なくとも一部を第１の領域４０及び第２の領域４４と共に熱処理する。
【００３７】
上述の通り、本発明の幾つかの実施形態は、ローターサブアセンブリの溶接によってタービンローターの複雑さ及び質量を低減できること、各々が暴露される作動条件に対して最適化された異種先端材料からなるタービンローター部品同士の溶接性を向上させることができること、異種金属からなる２つの物品間の２つの溶接継手を、各々同種材料間の溶接継手として実施できること、という効果の幾つかを含む。
【００３８】
なお、二元合金リングを例にとって本発明の実施形態を説明してきたが、本発明の技術的範囲はこれに限定されるものではなく、また本発明の実施形態は３種以上の合金を含む部材３６にも適用できることは自明であろう。
【００３９】
代表的な実施形態を参照して本発明を説明してきたが、本発明の技術的範囲から逸脱せずに、様々な変更をなすことができるし、本発明の要素を均等物で置換することもできる。また、特定の状況又は材料を本発明の教示内容に適合させるべく、本発明の本質的な技術的範囲から逸脱せずに、多くの修正をなすことができる。従って、本発明は、発明を実施するための最良又は唯一の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に属するあらゆる実施形態を包含する。また、図面及び明細書に本発明の代表的な実施形態を開示し、特定の用語を用いてきたが、これらは、特記しない限り、包括的で説明のために用いたものにすぎず、限定的なものではなく、本発明の技術的範囲を限定するものではない。さらに、第１、第２などの用語の使用は、順序又は重要性を意味するものではなく、ある要素を他の要素から区別するためのものである。なお、単数形で記載したものであっても、数量を限定するものではなく、そのものが１以上存在することを意味する。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の一実施形態に係るタービンの概略図。
【図２】本発明の一実施形態に係るタービンローターの断面図。
【図３】本発明の一実施形態に係る第１の物品と第２の物品の間の部材の断面図。
【図４】本発明の一実施形態に係る部材の製造法のプロセス段階のフローチャート。
【図５】本発明の一実施形態に係る部材の製造法の一実施形態を図解した図。
【図６】本発明の一実施形態に係る部材の製造法の一実施形態を図解した図。
【図７】本発明の一実施形態に係る部材の製造法の一実施形態を図解した図。
【図８】本発明の一実施形態に係る異なる材料からなる２つの物品を接合するためのプロセス段階のフローチャート。
【符号の説明】
【００４１】
２０ タービン
２４ ローター
２８ 第１の物品
３２ 第２の物品
３６ 二元合金遷移部材
４０ 第１の領域
４４ 第２の領域
４８ 遷移領域
５２ 第１の溶接継手
５６ 第２の溶接継手
１００ フローチャート
１３０ 二元合金スペーサーリング
１３４ 圧粉体
１３８ ダイ
１４２ プリフォーム
１４６ 鍛造
１５０ プリフォーム
１５３ リング圧延
１５４ 二元合金電極
１５５ 電極
１５７ 電極
１５８ 二元合金インゴット
１６２ 溶融るつぼ
１６６ 真空チャンバー
１７０ プリフォーム
１７４ アトマイザー
１７８ プリフォームマンドレル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
異なる材料からなる第１の物品と第２の物品を接合する方法であって、
第１の物品と第２の物品の間に配置された二元合金部材であって、第１の材料と、該第１の材料とは異なる第２の材料と、それらの間の鍛錬領域とを含む二元合金部材を使用し、
第１の物品の材料の局所領域と第１の材料とを一緒に溶融させて、第１の材料と第２の材料との相互混合が実質的に存在しない第１の溶接継手を生じさせ、第２の物品の材料の局所領域と第２の材料とを一緒に溶融させて、第２の材料と第１の材料との相互混合が実質的に存在しない第２の溶接継手を生じさせ、もって第１の物品と第２の物品を接合せしめることを含んでなる方法。
【請求項２】
第１の物品の材料の局所領域と第１の材料とを一緒に溶融させること及び第２の物品の材料の局所領域と第２の材料とを一緒に溶融させることの少なくともいずれかが電気アークを生じさせることを含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
第１の物品の材料の局所領域と第１の材料とを一緒に溶融させること及び第２の物品の材料の局所領域と第２の材料とを一緒に溶融させることの少なくともいずれかが、二元合金部材を第１の物品及び第２の物品の少なくともいずれかに対して相対運動させることによって摩擦熱を生じさせることを含む、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記二元合金部材が二元合金スペーサーリングからなる、請求項１記載の方法。
【請求項５】
第１の物品が第１のタービンローターサブアセンブリからなり、第２の物品が第２のタービンローターサブアセンブリからなる、請求項４記載の方法。
【請求項６】
二元合金部材を熱処理することをさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記二元合金部材の熱処理が、
第１の材料を含む第１の領域を、第１の材料の特性に応じた第１の組の熱処理パラメーターで熱処理し、
第２の材料を含む第２の領域を、第２の材料の特性に応じた第２の組の熱処理パラメーターで熱処理する
ことを含み、第２の組の熱処理パラメーターが第１の組の熱処理パラメーターとは異なる、請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記二元合金部材の熱処理が、
第１の物品の材料の少なくとも一部と第１の領域を、第１の材料の特性に応じたパラメーターで熱処理し、
第２の物品の材料の少なくとも一部と第２の領域を、第２の材料の性質に応じたパラメーターで熱処理する
ことを含む、請求項７記載の方法。
【請求項９】
第１の材料が、超合金、マルテンサイト系ステンレス鋼、低合金鋼及びチタン合金から選択される１種以上を含む、請求項１記載の方法。
【請求項１０】
第１の物品と第２の物品とからなるアセンブリであって、
第１の物品と第２の物品の間に配置された二元合金部材であって、第１の材料を含む第１の領域と、該第１の材料とは異なる第２の材料を含む第２の領域と、第１の領域と第２の領域の間の鍛錬遷移領域とを含む二元合金部材、
第１の領域と第１の物品の間に設けられた第１の溶接継手であって、第１の材料と第２の材料との相互混合が実質的に存在しない第１の溶接継手、及び
第２の領域と第２の物品の間に設けられた第２の溶接継手であって、第２の材料と第１の材料との相互混合が実質的に存在しない第２の溶接継手
を備えるアセンブリ。
【請求項１１】
前記鍛錬遷移領域が第１の物品と第２の物品との構造的結合をもたらす、請求項１０記載のアセンブリ。
【請求項１２】
第１の物品がタービンの第１のローターサブアセンブリからなり、第２の物品がタービンの第２のローターサブアセンブリからなる、請求項１０記載のアセンブリ。
【請求項１３】
前記二元合金部材が二元合金スペーサーリングである、請求項１２記載のアセンブリ。
【請求項１４】
第１の材料が、超合金、マルテンサイト系ステンレス鋼、低合金鋼及びチタン合金から選択される１種以上を含む、請求項１０記載のアセンブリ。
【請求項１５】
前記鍛錬遷移領域の一部が第１の材料と第２の材料の間の化学組成傾斜を含む、請求項１０記載のアセンブリ。
【請求項１６】
第１のサブアセンブリと、第２のサブアセンブリと、それらの間に溶接された二元合金部材とを含んでなるタービンローターであって、上記二元合金部材が、
第１の材料を含む第１の領域と、該第１の材料とは異なる第２の材料を含む第２の領域と、第１の領域と第２の領域の間の鍛錬遷移領域とを含んでおり、
第１の領域と第１のサブアセンブリの間に設けられた第１の溶接継手であって、第１の材料と第２の材料との相互混合が実質的に存在しない第１の溶接継手、及び
第２の領域と第２のサブアセンブリの間に設けられた第２の溶接継手であって、第２の材料と第１の材料との相互混合が実質的に存在しない第２の溶接継手
を含む、タービンローター。
【請求項１７】
前記鍛錬遷移領域が第１のサブアセンブリと第２のサブアセンブリとの構造的結合をもたらす、請求項１６記載のタービンローター。
【請求項１８】
前記二元合金部材が二元合金スペーサーリングである、請求項１６記載のタービンローター。
【請求項１９】
第１の材料が、超合金、マルテンサイト系ステンレス鋼、低合金鋼及びチタン合金から選択される１種以上を含む、請求項１６記載のタービンローター。
【請求項２０】
前記鍛錬遷移領域の一部が第１の材料と第２の材料の間の化学組成傾斜を含む、請求項１６記載のタービンローター。
【請求項１】
異なる材料からなる第１の物品と第２の物品を接合する方法であって、
第１の物品と第２の物品の間に配置された二元合金部材であって、第１の材料と、該第１の材料とは異なる第２の材料と、それらの間の鍛錬領域とを含む二元合金部材を使用し、
第１の物品の材料の局所領域と第１の材料とを一緒に溶融させて、第１の材料と第２の材料との相互混合が実質的に存在しない第１の溶接継手を生じさせ、第２の物品の材料の局所領域と第２の材料とを一緒に溶融させて、第２の材料と第１の材料との相互混合が実質的に存在しない第２の溶接継手を生じさせ、もって第１の物品と第２の物品を接合せしめることを含んでなる方法。
【請求項２】
第１の物品の材料の局所領域と第１の材料とを一緒に溶融させること及び第２の物品の材料の局所領域と第２の材料とを一緒に溶融させることの少なくともいずれかが電気アークを生じさせることを含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
第１の物品の材料の局所領域と第１の材料とを一緒に溶融させること及び第２の物品の材料の局所領域と第２の材料とを一緒に溶融させることの少なくともいずれかが、二元合金部材を第１の物品及び第２の物品の少なくともいずれかに対して相対運動させることによって摩擦熱を生じさせることを含む、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記二元合金部材が二元合金スペーサーリングからなる、請求項１記載の方法。
【請求項５】
第１の物品が第１のタービンローターサブアセンブリからなり、第２の物品が第２のタービンローターサブアセンブリからなる、請求項４記載の方法。
【請求項６】
二元合金部材を熱処理することをさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記二元合金部材の熱処理が、
第１の材料を含む第１の領域を、第１の材料の特性に応じた第１の組の熱処理パラメーターで熱処理し、
第２の材料を含む第２の領域を、第２の材料の特性に応じた第２の組の熱処理パラメーターで熱処理する
ことを含み、第２の組の熱処理パラメーターが第１の組の熱処理パラメーターとは異なる、請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記二元合金部材の熱処理が、
第１の物品の材料の少なくとも一部と第１の領域を、第１の材料の特性に応じたパラメーターで熱処理し、
第２の物品の材料の少なくとも一部と第２の領域を、第２の材料の性質に応じたパラメーターで熱処理する
ことを含む、請求項７記載の方法。
【請求項９】
第１の材料が、超合金、マルテンサイト系ステンレス鋼、低合金鋼及びチタン合金から選択される１種以上を含む、請求項１記載の方法。
【請求項１０】
第１の物品と第２の物品とからなるアセンブリであって、
第１の物品と第２の物品の間に配置された二元合金部材であって、第１の材料を含む第１の領域と、該第１の材料とは異なる第２の材料を含む第２の領域と、第１の領域と第２の領域の間の鍛錬遷移領域とを含む二元合金部材、
第１の領域と第１の物品の間に設けられた第１の溶接継手であって、第１の材料と第２の材料との相互混合が実質的に存在しない第１の溶接継手、及び
第２の領域と第２の物品の間に設けられた第２の溶接継手であって、第２の材料と第１の材料との相互混合が実質的に存在しない第２の溶接継手
を備えるアセンブリ。
【請求項１１】
前記鍛錬遷移領域が第１の物品と第２の物品との構造的結合をもたらす、請求項１０記載のアセンブリ。
【請求項１２】
第１の物品がタービンの第１のローターサブアセンブリからなり、第２の物品がタービンの第２のローターサブアセンブリからなる、請求項１０記載のアセンブリ。
【請求項１３】
前記二元合金部材が二元合金スペーサーリングである、請求項１２記載のアセンブリ。
【請求項１４】
第１の材料が、超合金、マルテンサイト系ステンレス鋼、低合金鋼及びチタン合金から選択される１種以上を含む、請求項１０記載のアセンブリ。
【請求項１５】
前記鍛錬遷移領域の一部が第１の材料と第２の材料の間の化学組成傾斜を含む、請求項１０記載のアセンブリ。
【請求項１６】
第１のサブアセンブリと、第２のサブアセンブリと、それらの間に溶接された二元合金部材とを含んでなるタービンローターであって、上記二元合金部材が、
第１の材料を含む第１の領域と、該第１の材料とは異なる第２の材料を含む第２の領域と、第１の領域と第２の領域の間の鍛錬遷移領域とを含んでおり、
第１の領域と第１のサブアセンブリの間に設けられた第１の溶接継手であって、第１の材料と第２の材料との相互混合が実質的に存在しない第１の溶接継手、及び
第２の領域と第２のサブアセンブリの間に設けられた第２の溶接継手であって、第２の材料と第１の材料との相互混合が実質的に存在しない第２の溶接継手
を含む、タービンローター。
【請求項１７】
前記鍛錬遷移領域が第１のサブアセンブリと第２のサブアセンブリとの構造的結合をもたらす、請求項１６記載のタービンローター。
【請求項１８】
前記二元合金部材が二元合金スペーサーリングである、請求項１６記載のタービンローター。
【請求項１９】
第１の材料が、超合金、マルテンサイト系ステンレス鋼、低合金鋼及びチタン合金から選択される１種以上を含む、請求項１６記載のタービンローター。
【請求項２０】
前記鍛錬遷移領域の一部が第１の材料と第２の材料の間の化学組成傾斜を含む、請求項１６記載のタービンローター。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００９−５６５１２（Ｐ２００９−５６５１２Ａ）
【公開日】平成２１年３月１９日（２００９．３．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２１９１１４（Ｐ２００８−２１９１１４）
【出願日】平成２０年８月２８日（２００８．８．２８）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年３月１９日（２００９．３．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年８月２８日（２００８．８．２８）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
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