环状成形体的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及环状成形体的制造方法，该环状成形体例如用作制造诸如航空器用发 动机的祸轮盘等的环状广品的加工原料（stock)。
[0002] 本申请要求2013年3月28日提交的日本专利申请No. 2013-069205的优先权，通 过引用将其全部内容并入本文。
【背景技术】
[0003] 涡轮盘为具有通孔的环状构件，并且被构造成与配置在涡轮盘的外周侧的多个涡 轮叶片一起转动。
[0004] 涡轮盘的外周部暴露于燃烧气体并达到大约600°C至700°C的高温，而内周部维 持在相对低的温度，因而，随着发动机的起动和停止，在涡轮盘内会反复地产生热应力。 因此，期望涡轮盘具有超低的循环疲劳特性。另外，因为归因于在高温下绕着轴线高速 转动而会对外周部施加离心力，所以祸轮盘具有高的抗懦变强度特性（creep strength characteristic)是必要的。此外，要求祸轮盘具有高的抗拉强度和高的屈服强度。
[0005] 为了确保响应于上述各种要求的足够高的机械强度，例如，如专利文献1和专利 文献2中记载的，通过对由Ni基超合金构成的具有高耐热性的材料进行锻造，并且对所获 得的环状锻造体进行切削加工来制得和输出待用于涡轮盘的环状成形体。更具体地，赋予 环状成形体应变，并且通过锻造使材料的晶粒微细化，由此来改善抗拉强度、疲劳强度等。 对于用于施加锻造的装置，优选使用能够严格地控制锻造速度的液压控制锻压机，并且为 了获得环状成形体的在周向上均匀的结构（晶粒），已经认识到优选对整个表面施加锻造， 用于同时成型整个材料。
[0006] 同时，近些年，随着要求航空器用发动机具有高的输出力，已经要求增大涡轮盘的 尺寸。在环状成形体的尺寸随着涡轮盘的尺寸的增大而增大的情况下，具有数万吨生产能 力的大型液压控制锻压机变得必要（例如，参见非专利文献1)。
[0007] 然而，上述大型液压控制锻压机非常昂贵，并且只有极少数该锻压机在世界范围 内是可购得的；因此，如果使用该大型液压控制锻压机，则环状成形体的供给能力可能受 限，并且待制得的产品的成本可能依然高。近些年，对大型涡轮盘的倾向已经达到即使使用 大型液压控制锻压机，也可能难以密闭地进行锻造的如此高的水平，这可能会产生问题，使 得在待锻造的环状成形体的某些区域中难以得到优选的机械性能，并且难以确保产品结构 的均匀性。
[0008] 另一方面，代替通过使用锻压机来成型环状成形体，可以使用通过环乳形成环状 成形体的方法。在这种情况下，能够降低装置的成本，并且易于对应地制得大型环状成形 体。然而，通常，在环乳制得的产品中比在锻压制得的产品中更容易发生机械特性（强度特 性）的各向异性，因而，环乳不适于制得诸如涡轮盘等的要求机械特性的各向同性的产品。
[0009] 可以使用通过锻压和环乳的组合来成型环状成形体的方法；但是，如果使用该方 法，则可能会产生问题，使得必须在环乳之后再实施最终锻造以获得期望的均匀且微细的 结构、制造工艺因而可能会变得复杂并且制造成本可能会变高。
[0010] 为了解决该问题，在专利文献3中，存在组合使用锻造工艺和环乳工艺的方法，在 锻造工艺中，实施多次热锻造，其中锻造体的周向的应变ε Θ1、锻造体的高度方向的应变 eh以及这些值之间的应变比eh/ε Θ1被控制成适当的值，由此能够在确保了优异的均 匀性的情况下，以低成本制得具有微细结晶结构的环状成形体。
[0011] 现有技术文献
[0012] 专利文献
[0013] 专利文献1 :日本特开平07-138719号公报
[0014] 专利文献2 :日本特开昭62-211333号公报
[0015] 专利文献3 :日本特开2011-255409号公报
[0016] 非专利文献
[0017] 非专利文献1 :《2002年度调查报告-关于使用超大型锻压机的革新构件的开 发的调查研究报告（Report Regarding Development of Innovative Members Using Ultra-Large Forging Press Machine)》，（新能源产业技术综合开发机构（New Energy and Industrial Technology Development Organization)，2003年3 月，第 10-11 页和第 37-41 页）
【发明内容】
[0018] 发明要解决的问题
[0019] 同时，最近，高输出的航空器用发动机的生产已经增多，因而，对大型环状成形体 的需求也已经增多。因此，期望如下生产方法：能够通过量产稳定地制得具有均匀结构的环 状成形体。
[0020] 本发明的发明人已经研究了专利文献3中记载的环状成形体的制造方法，结果， 已经得出如下结论：确实，能够通过实施热锻造来获得具有均匀结晶粒度的微细晶粒的环 状成形体，其中锻造体的周向的应变ε Θ1、锻造体的高度方向的应变eh以及这些值之间 的应变比eh/ε Θ1被控制成适当的值；然而，在制造例如大且厚的环状成形体时，归因于 不均匀的操作条件等在某些情况下环状成形体的结晶粒度是不均匀的。
[0021] 已经鉴于这些情况而作出本发明，并且本发明的目的在于提供一种环状成形体的 制造方法，该制造方法能够在确保结构均匀性的同时，稳定且低成本地制得具有十分高的 机械强度的环状成形体。
[0022] 用于解决问题的方案
[0023] 为了解决这些问题和实现上述目的，根据本发明的一方面，一种环状成形体的制 造方法，该制造方法包括：锻造步骤，对合金件进行锻造以制得圆板状的锻造体；以及环乳 步骤，对通过在所述锻造体中形成通孔而制备的环状中间体进行环乳，以制得环状成形体， 并且其特征在于，所述锻造步骤包括至少两次热锻造步骤，各次热锻造步骤均在如下条件 下实施：应变速度至多为0. 5s \所述锻造体的周向的应变的绝对值ε Θ 1至少为〇. 3,所述 锻造体的高度方向的应变的绝对值ε h至少为0. 3,应变的绝对值之间的比ε h/ ε θ 1在 0.4至2. 5的范围内。
[0024] 在根据本发明的环状成形体的制造方法中，锻造步骤中的应变速度至多为0. 5s、 当应变速度超过0. 5s 1时，归因于加工热锻造体的内部温度会过度上升（即，被称作"热积 累"的现象），这会使锻造体内部的晶粒粗化。在锻造之后的环乳中，因为不能对锻造体的 内部赋予足够的应变，所以不能使锻造体的内部的晶粒微细化。根据本发明，应变速度被控 制在0.5s1或更小的范围内，因而，在锻造期间，锻造体的表面温度与锻造体的内部温度之 间的差能够较小，从而使结构更加均匀。为了更确保地获得上述效果，优选地，锻造步骤中 的应变速度至多为0. 15s、
[0025] 应变速度由下式定义。
[0028] 在锻造步骤中，周向的应变的绝对值ε Θ 1被设定成至少为〇. 3的大值，因而，能 够相对地减小在环乳步骤中待对环状中间体赋予的周向的应变量。此外，因为待赋予的高 度方向的应变的绝对值ε h被设定为0. 3或更大的大值，所以能够确保足量地赋予、通过环 乳难以赋予的高度方向的待赋予的应变。因而，能够降低环乳步骤中的加工率，在提高了环 状成形体的强度性能的各向同性的同时，抑制了各向异性，结果，能够获得确保了足够均匀 性的微细结晶结构。
[0029] 比ε h/ ε Θ 1表示待赋予的应变的方向性之间的平衡，并且为用于控制在加工前 后材料中的相对位置变化的指标。在随后的环乳步骤中，归因于制造方法，对应的数值必须 为"0"或近似为"0"，因而，为了抑制各向异性，必须适当地设定在锻造步骤中待赋予的高 度方向的应变比；然而，如果比eh/ε Θ1小于0.4,则其效果可能是不够的。另一方面，如 果比ε h/ ε θ 1超过2. 5,则待赋予的高度方向的应变分配可能会过多，塑性流动可能会因 此变得不稳定，结果，可能会降低对于赋予均匀性不可或缺的轴对称性。
[0030] 根据本发明，应变的绝对值之间的比ε h/ ε θ 1被控制在〇. 4至2. 5的范围内，由 此使塑性流动稳定并确保了轴对称性，以使结构均匀化。
[0031] 在根据本发明的环状成形体的制造方法中，在环乳步骤中，可以实施热乳，使得能 够对环状成形体赋予绝对值ε Θ 2至少为0.5的环状成形体的周向的应变，因而，环状成形 体的产品区域中的结晶粒度为ASTM结晶粒度编号至少为8。
[0032] 在这种情况下，在环乳步骤中，通过执行赋予绝对值ε Θ 2为0.5或更大的环状成 形体的周向的应变的热乳，将待处理和机加工成产品的环状成形体的产品区域中的晶粒确 保地微细化成ASTM结晶粒度编号至少为8。因此，能够可靠地提高从环状成形体获得的产 品的机械强度。
[0033] 理解，按照美国材料试验协会（ASTM，American Society for Testing and Materials)的ASTM E122所规定的标准来确定ASTM结晶粒度编号。
[0034] 另外，在根据本发明的环状成形体的制造方法中，所述环状成形体的沿着包括该 环状成形体的轴线的方向的截面内的产品区域中的结晶粒度之间的差在ASTM结晶粒度编 号±2的范围内。
[0035] 在这种情况下，因为环状成形体的截面内的产品区域中的结晶粒度差在ASTM结 晶粒度编号±2的范围内，所以确保