環狀成形體的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及環狀成形體的制造方法，該環狀成形體例如用作制造諸如航空器用發 動機的禍輪盤等的環狀廣品的加工原料（stock)。
[0002] 本申請要求2013年3月28日提交的日本專利申請No. 的優先權，通 過引用將其全部內容并入本文。
【背景技術】
[0003] 渦輪盤為具有通孔的環狀構件，并且被構造成與配置在渦輪盤的外周側的多個渦 輪葉片一起轉動。
[0004] 渦輪盤的外周部暴露于燃燒氣體并達到大約600°C至700°C的高溫，而內周部維 持在相對低的溫度，因而，隨著發動機的起動和停止，在渦輪盤內會反復地產生熱應力。 因此，期望渦輪盤具有超低的循環疲勞特性。另外，因為歸因于在高溫下繞著軸線高速 轉動而會對外周部施加離心力，所以禍輪盤具有高的抗懦變強度特性（creep strength characteristic)是必要的。此外，要求禍輪盤具有高的抗拉強度和高的屈服強度。
[0005] 為了確保響應于上述各種要求的足夠高的機械強度，例如，如專利文獻1和專利 文獻2中記載的，通過對由Ni基超合金構成的具有高耐熱性的材料進行鍛造，并且對所獲 得的環狀鍛造體進行切削加工來制得和輸出待用于渦輪盤的環狀成形體。更具體地，賦予 環狀成形體應變，并且通過鍛造使材料的晶粒微細化，由此來改善抗拉強度、疲勞強度等。 對于用于施加鍛造的裝置，優選使用能夠嚴格地控制鍛造速度的液壓控制鍛壓機，并且為 了獲得環狀成形體的在周向上均勻的結構（晶粒），已經認識到優選對整個表面施加鍛造， 用于同時成型整個材料。
[0006] 同時，近些年，隨著要求航空器用發動機具有高的輸出力，已經要求增大渦輪盤的 尺寸。在環狀成形體的尺寸隨著渦輪盤的尺寸的增大而增大的情況下，具有數萬噸生產能 力的大型液壓控制鍛壓機變得必要（例如，參見非專利文獻1)。
[0007] 然而，上述大型液壓控制鍛壓機非常昂貴，并且只有極少數該鍛壓機在世界范圍 內是可購得的；因此，如果使用該大型液壓控制鍛壓機，則環狀成形體的供給能力可能受 限，并且待制得的產品的成本可能依然高。近些年，對大型渦輪盤的傾向已經達到即使使用 大型液壓控制鍛壓機，也可能難以密閉地進行鍛造的如此高的水平，這可能會產生問題，使 得在待鍛造的環狀成形體的某些區域中難以得到優選的機械性能，并且難以確保產品結構 的均勻性。
[0008] 另一方面，代替通過使用鍛壓機來成型環狀成形體，可以使用通過環乳形成環狀 成形體的方法。在這種情況下，能夠降低裝置的成本，并且易于對應地制得大型環狀成形 體。然而，通常，在環乳制得的產品中比在鍛壓制得的產品中更容易發生機械特性（強度特 性）的各向異性，因而，環乳不適于制得諸如渦輪盤等的要求機械特性的各向同性的產品。
[0009] 可以使用通過鍛壓和環乳的組合來成型環狀成形體的方法；但是，如果使用該方 法，則可能會產生問題，使得必須在環乳之后再實施最終鍛造以獲得期望的均勻且微細的 結構、制造工藝因而可能會變得復雜并且制造成本可能會變高。
[0010] 為了解決該問題，在專利文獻3中，存在組合使用鍛造工藝和環乳工藝的方法，在 鍛造工藝中，實施多次熱鍛造，其中鍛造體的周向的應變ε Θ1、鍛造體的高度方向的應變 eh以及這些值之間的應變比eh/ε Θ1被控制成適當的值，由此能夠在確保了優異的均 勻性的情況下，以低成本制得具有微細結晶結構的環狀成形體。
[0011] 現有技術文獻
[0012] 專利文獻
[0013] 專利文獻1 :日本特開平07-138719號公報
[0014] 專利文獻2 :日本特開昭62-211333號公報
[0015] 專利文獻3 :日本特開號公報
[0016] 非專利文獻
[0017] 非專利文獻1 :《2002年度調查報告-關于使用超大型鍛壓機的革新構件的開 發的調查研究報告（Report Regarding Development of Innovative Members Using Ultra-Large Forging Press Machine)》，（新能源產業技術綜合開發機構（New Energy and Industrial Technology Development Organization)，2003年3 月，第 10-11 頁和第 37-41 頁）

【發明內容】

[0018] 發明要解決的問題
[0019] 同時，最近，高輸出的航空器用發動機的生產已經增多，因而，對大型環狀成形體 的需求也已經增多。因此，期望如下生產方法：能夠通過量產穩定地制得具有均勻結構的環 狀成形體。
[0020] 本發明的發明人已經研究了專利文獻3中記載的環狀成形體的制造方法，結果， 已經得出如下結論：確實，能夠通過實施熱鍛造來獲得具有均勻結晶粒度的微細晶粒的環 狀成形體，其中鍛造體的周向的應變ε Θ1、鍛造體的高度方向的應變eh以及這些值之間 的應變比eh/ε Θ1被控制成適當的值；然而，在制造例如大且厚的環狀成形體時，歸因于 不均勻的操作條件等在某些情況下環狀成形體的結晶粒度是不均勻的。
[0021] 已經鑒于這些情況而作出本發明，并且本發明的目的在于提供一種環狀成形體的 制造方法，該制造方法能夠在確保結構均勻性的同時，穩定且低成本地制得具有十分高的 機械強度的環狀成形體。
[0022] 用于解決問題的方案
[0023] 為了解決這些問題和實現上述目的，根據本發明的一方面，一種環狀成形體的制 造方法，該制造方法包括：鍛造步驟，對合金件進行鍛造以制得圓板狀的鍛造體；以及環乳 步驟，對通過在所述鍛造體中形成通孔而制備的環狀中間體進行環乳，以制得環狀成形體， 并且其特征在于，所述鍛造步驟包括至少兩次熱鍛造步驟，各次熱鍛造步驟均在如下條件 下實施：應變速度至多為0. 5s \所述鍛造體的周向的應變的絕對值ε Θ 1至少為〇. 3,所述 鍛造體的高度方向的應變的絕對值ε h至少為0. 3,應變的絕對值之間的比ε h/ ε θ 1在 0.4至2. 5的范圍內。
[0024] 在根據本發明的環狀成形體的制造方法中，鍛造步驟中的應變速度至多為0. 5s、 當應變速度超過0. 5s 1時，歸因于加工熱鍛造體的內部溫度會過度上升（即，被稱作"熱積 累"的現象），這會使鍛造體內部的晶粒粗化。在鍛造之后的環乳中，因為不能對鍛造體的 內部賦予足夠的應變，所以不能使鍛造體的內部的晶粒微細化。根據本發明，應變速度被控 制在0.5s1或更小的范圍內，因而，在鍛造期間，鍛造體的表面溫度與鍛造體的內部溫度之 間的差能夠較小，從而使結構更加均勻。為了更確保地獲得上述效果，優選地，鍛造步驟中 的應變速度至多為0. 15s、
[0025] 應變速度由下式定義。
[0028] 在鍛造步驟中，周向的應變的絕對值ε Θ 1被設定成至少為〇. 3的大值，因而，能 夠相對地減小在環乳步驟中待對環狀中間體賦予的周向的應變量。此外，因為待賦予的高 度方向的應變的絕對值ε h被設定為0. 3或更大的大值，所以能夠確保足量地賦予、通過環 乳難以賦予的高度方向的待賦予的應變。因而，能夠降低環乳步驟中的加工率，在提高了環 狀成形體的強度性能的各向同性的同時，抑制了各向異性，結果，能夠獲得確保了足夠均勻 性的微細結晶結構。
[0029] 比ε h/ ε Θ 1表示待賦予的應變的方向性之間的平衡，并且為用于控制在加工前 后材料中的相對位置變化的指標。在隨后的環乳步驟中，歸因于制造方法，對應的數值必須 為"0"或近似為"0"，因而，為了抑制各向異性，必須適當地設定在鍛造步驟中待賦予的高 度方向的應變比；然而，如果比eh/ε Θ1小于0.4,則其效果可能是不夠的。另一方面，如 果比ε h/ ε θ 1超過2. 5,則待賦予的高度方向的應變分配可能會過多，塑性流動可能會因 此變得不穩定，結果，可能會降低對于賦予均勻性不可或缺的軸對稱性。
[0030] 根據本發明，應變的絕對值之間的比ε h/ ε θ 1被控制在〇. 4至2. 5的范圍內，由 此使塑性流動穩定并確保了軸對稱性，以使結構均勻化。
[0031] 在根據本發明的環狀成形體的制造方法中，在環乳步驟中，可以實施熱乳，使得能 夠對環狀成形體賦予絕對值ε Θ 2至少為0.5的環狀成形體的周向的應變，因而，環狀成形 體的產品區域中的結晶粒度為ASTM結晶粒度編號至少為8。
[0032] 在這種情況下，在環乳步驟中，通過執行賦予絕對值ε Θ 2為0.5或更大的環狀成 形體的周向的應變的熱乳，將待處理和機加工成產品的環狀成形體的產品區域中的晶粒確 保地微細化成ASTM結晶粒度編號至少為8。因此，能夠可靠地提高從環狀成形體獲得的產 品的機械強度。
[0033] 理解，按照美國材料試驗協會（ASTM，American Society for Testing and Materials)的ASTM E122所規定的標準來確定ASTM結晶粒度編號。
[0034] 另外，在根據本發明的環狀成形體的制造方法中，所述環狀成形體的沿著包括該 環狀成形體的軸線的方向的截面內的產品區域中的結晶粒度之間的差在ASTM結晶粒度編 號±2的范圍內。
[0035] 在這種情況下，因為環狀成形體的截面內的產品區域中的結晶粒度差在ASTM結 晶粒度編號±2的范圍內，所以確保