JP2007038298A - 異種金属の液相拡散接合 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は異種材料、特に銅又は銅合金と非銅合金との改善された液相拡散接合に関する。
【解決手段】部品を形成する方法において、ろう付け材料を第１と第２の壁部の間に集めてサンドイッチを形成する。第１の壁部は本質的に銅又は銅基合金のみからなる。第２の壁部は少なくとも非銅基合金を含んでなる。サンドイッチは加熱される。加熱によりろう付け材料が溶融して、第１の壁部の少なくとも一部が第２の壁部に液相拡散接合される。
【選択図】図３

Description

本発明は液相拡散（ＴＬＰ）接合に関する。より詳細には、本発明は、銅合金の非銅合金への液相拡散接合に関する。

切削（ｍｉｌｌｅｄ）チャネル熱交換器の分野は、ブラインド溶接の問題に悩まされてきた。一例の切削チャネル熱交換器は、ダムガール等（Ｄａｍｇａａｒｄ ｅｔ ａｌ）の「ＲＬ６０エンジンのためのレーザ溶接されたサンドイッチノズルエキステンション」（ＡＩＡＡ−２００３−４４７８、２００３年、米国ヴァージニア州レストンのＡＩＡＡ（Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｉｎｃ．）刊）に示されるようなロケットノズルの壁である。この開示はその全体を説明したと同様に、参照として本開示に組み入れる。代表的な切削チャネル熱交換器では、チャネルの列が、チャネル間にリブを残すベース材料中に機械処理（ｍｉｌｌｅｄ）されている。カバーシート即ちパネルが、リブの最頂部に配置されてそこに（例えば、ベース層から離れて面しているシート側からレーザや電子ビームによって）溶接される。

銅合金は、熱交換器用途に提案されている。米国特許出願第２００４−００１１０２３Ａ１明細書は、熱交換器用途に、ＮＡＳＡグレン研究センターによる合金ＧＲＣｏｐ−８４（原子百分率でＣｕ−８Ｃｒ−４Ｎｂの公称組成）の使用を言及している。米国特許出願第１１／０１１，３１４号明細書は、そのような銅合金と異種材料からなるように形成された熱交換器壁構造を開示している。
米国特許出願第２００４−００１１０２３Ａ１の明細書 米国特許出願第１１／０１１，３１４号明細書 米国特許第３，６７８，５７０号明細書

本発明は異種材料、特に銅又は銅合金と非銅合金との改善された液相拡散接合に関する。

本発明は、サンドイッチを形成するために第１と第２の壁部にろう付け材料を集めるステップであって、第１の壁部が本質的に銅又は銅基合金からなり、第２の壁部が少なくとも非銅基合金を含んでなるステップと、サンドイッチを加熱してろう付け材料を溶融して少なくとも第１の壁部を第２の壁部に液相拡散接合する、加熱するステップを含んでなることを特徴とする、部品の形成方法を提供する。そのような部品は熱交換器を包含し得る。第１の壁部は切削領域で分離された複数の隆起領域を含み、かつ、上記方法は第１の壁部中においてそれら切削領域を機械加工するステップをさらに含んでよい。そのような切削加工するステップは機械加工することを含んでもよい。また、加熱するステップの前において、第１の壁部が本質的に不純物濃度を超える量のクロムとニオブを有する銅合金のみからなるものであってもよい。あるいは、加熱するステップの前において、第１の壁部が本質的に原子百分率でＣｕ−８Ｃｒ−４Ｎｂのみからなり、かつ、第２の壁部が本質的にニッケル基超合金、ステンレス鋼又は鉄基超合金のみからなるものであってもよい。さらには、加熱するステップが、電気抵抗真空オーブン内で加熱することを含むものであってよい。また、加熱するステップは１０００から１０３５℃のピーク温度まで加熱することを含む。

上記ろう付け材料は、少なくとも１重量％のＢを有するニッケル基合金、少なくとも１．５重量％のＢと少なくとも４重量％のＳｉを有するニッケル基合金、約７重量％のＣｒ、３重量％のＦｅ、４．５重量％のＳｉ、３．２重量％のＢ及び残余成分がＮｉという公称組成を有するニッケル基合金、又は、約４．５重量％のＳｉ、３．２重量％のＢ及び残余成分がＮｉという公称組成を有するニッケル基合金の少なくともいずれか１つを含んでなるものである。

本発明の接合により、前記銅又は銅基合金の最終引っ張り強度の少なくとも９０％、好ましくは少なくとも１００％の最終引っ張り強度を有する接合部が提供される。

本発明の方法は、ロケットノズル又は燃焼室の製造に使用することができる。

本発明は又、本質的にニッケル基超合金、ステンレス鋼、又は鉄基超合金のみからなる第１の金属部材である第１の層と、本質的に銅又は銅基合金のみからなる第２の金属部材である第２の層と、第１と第２の層を接合する拡散領域であって、第１の層に近接し、第１の層よりも高含量のホウ素を有する第１の領域と、第２の層に近接し、第２の層よりも高含量のホウ素を有する第２の領域とを有する領域を含んでなることを特徴とする、第１と第２の金属部材の接合された結合体を提供する。この拡散領域においては、第１と第２の領域の間にあり、かつ、本質的に少なくとも１重量％のＢを有するニッケル基合金、少なくとも１．５重量％のＢと少なくとも４重量％のＳｉを有するニッケル基合金、約７重量％のＣｒ、３重量％のＦｅ、４．５重量％のＳｉ、３．２重量％のＢ及び残余成分がＮｉという公称組成を有するニッケル基合金、又は、約４．５重量％のＳｉ、３．２重量％のＢ及び残余成分がＮｉという公称組成を有するニッケル基合金の少なくともいずれか１つのみからなる層をさらに含むことが可能である。また、拡散領域は第２の金属部材の最終引っ張り強度の少なくとも９０％、好ましくは少なくとも１００％の最終引っ張り強度を有する接合部を提供する。

本発明の上記結合体は、少なくとも、燃焼室又はロケットノズルの一部を形成するのに使用することができる。例えば、本発明の結合体は、熱交換器の少なくとも一部を形成し、拡散領域が第１と第２のチャネル又はチャネル部分を分け、チャネル又はチャネル部分は前記第１と第２の層の間に位置する構成を有する。その場合、第１と第２の層のそれぞれは１．０ｍｍを超える部分的な厚さを有し得る。

本発明の第１の態様は部品を形成する方法に関連する。ろう付け材料を第１と第２の壁部分の間に集めて、サンドイッチ状態を形成する。第１の壁部は、本質的に銅又は銅基合金からなる。第２の壁部は少なくとも１つの非銅基合金を含む。サンドイッチを加熱する。加熱によりろう付け材料が溶融して、少なくとも第１の壁部の一部が第２の壁部へ液相拡散接合される。

様々な実施において、本発明の方法は、第１の壁部における切除された領域を機械加工する（ｍｉｌｌｉｎｇ）ことをさらに含んでもよい。第１の壁は、本質的にＣｕ−８Ｃｒ−４Ｎｂからなるものであってよい。第２の壁は、本質的にニッケル基超合金、ステンレス鋼、又は鉄基超合金からなるものであってよい。部品はロケットチャンバ又はノズル用の熱交換器を包含してもよい。

本発明の１つ又はより多くの実施態様の詳細を、関連する図面と以下の説明において詳述する。本発明のその他の特徴、目的及び利点は、その説明及び図面、並びに特許請求の範囲から明らかになるであろう。

異なる図面における同様の符号並びに名称は同様の構成要素を示す。

図１は燃焼室２２を有するロケットエンジン２０を示している。ノズル２４は、燃焼室から出口２６まで下流に延びている。ノズルは、つり鐘型を有し、エンジンの長手方向中心軸５００について概ね線対称であってよい。図２は、室２２とノズル２４の熱交換器壁構造４０を概略的に示している。壁４０は外側面４２を有する。外側面４２の反対側には、室／ノズルの内部に沿った内側面４４があり、排出される排気ガスにさらされる。壁４０は内部チャネル４６を備える。エンジンの運転において、チャネルは熱交換流体の流れに対応する。例示的な熱交換流体は、燃焼前の推進燃料又はそれらの成分（例えば、単一推進燃料や、燃料と酸化剤のいずれか一方）である。流体は排気ガスからの熱を受容して壁４０を冷却する。

壁４０は、多層サンドイッチ構造を一体化することによって組み立てられるものであってよい。図３は、例示的なサンドイッチ形部品の分解組立図である。第１の層５０は、最終的に外側面４２の壁を形成する第１の面を有する。第１の層５０は、第１の面の反対側の第２の面５２を有する。第１の層５０は、（例えば、強度、腐食耐性、熱伝導性や侵食耐性などの）構造的又は環境的な特性を目的として選択してよい。

第２の層６０は、最終的に内側面４４の壁を形成する第１の面を有する。第２の層６０は、第１の面４４の反対側にある第２の面６２を有する。例示的な、非限定的な製造方法において、１つ又はより多くの開放チャネル６４が、面６２の下方に切削される（ｍｉｌｌｅｄ）。チャネル６４は、無傷の隆起した／高い領域、即ちリブ６６で隔てられ、完全な材料で接合された除去された／くぼんだ領域を画定する。第２の層６０の材料は、機械加工やその他の形成を簡単にし、高い伝熱、軽量などを目的として選択することができる。材料の例としては銅基合金がある。層及びサンドイッチは平坦又はその他の形状であってよい。例えば、層とサンドイッチは、（後につり鐘型に形成される）ロケットノズル前駆体において長手方向に走るチャネルを有するフルストコニカル（ｆｒｕｓｔｏｃｏｎｉｃａｌ）形であってよい。

第１と第２の層を一体化するために、サンドイッチは、第１の層５０と第２の層６０の間にボンド層７０を有する。ボンド層７０は、第１と第２の対向する面７２，７４を有する。サンドイッチを組み立てるとき、面７２，７４は、それぞれ面５２，６２に接触する。例示的な接合材料は、拡散液相を形成する拡散ろう付け材料である。ニッケル基超合金同志のＴＬＰ拡散接合は公知である（例えば、米国特許第３，６７８，５７０号明細書参照）。加熱すると、ろう付け材料の１つ又はより多くの成分が隣接する材料に拡散する。拡散する成分は、拡散液相を形成する隣接する材料の融点を一時的に低下させる。さらなる拡散によってそれら成分の濃度が低減されると、低下した融点が元の融点に戻り、一体化した固体構造を形成する。本発明の異種材料の組み合わせを接合するための例示的なろう付け材料には、典型的には反比例の関係にある、１〜４重量％のホウ素濃度と４〜８重量％のケイ素濃度を有するニッケル基超合金が包含される。ろう付け材料の例示的な厚さは３７〜５０μｍ、より広範囲では２５〜１５０μｍである。

図４は、そのような２つの材料の間の例示的な接合部を示している。第１の材料８０は、本質的に微細構造的に変更されていない、析出硬化可能な鉄基超合金であってよい。図示する第１の材料は、合金Ａ２８６（公称組成が重量％で２５．５Ｎｉ、１５Ｃｒ、１．２５Ｍｏ、２．１Ｔｉ、０．３Ｖ、残余が鉄のＵＮＳ Ｓ６６２８６（ＵＳＮは米国のステンレス鋼材の規格））である。第２の材料８２は、本質的に変更されていないＧＲＣｏｐ―８４銅合金であってよい。図４では、２つの材料は、ＭＢＦ−２０（公称組成が重量％で、７Ｃｒ、３Ｆｅ、４．５Ｓｉ、３．２Ｂ、残余がニッケルのＡＭＳ４７７７であり、ＭＢＦはメトグラス社製のＭｅｔｇｌａｓ（登録商標） Ｂｒａｚｉｎｇ Ｆｏｉｌ（ろう箔帯））である、７５μｍ厚のろう付け材料を利用した、液相拡散接合工程によって接合されている。加熱は、電気抵抗真空オーブン中で、１０１０℃のピーク温度まで投入することによって行われる。得られる接合部の微細構造では、概して完全なろう付け材料の微細層８４が図４では示されていると考えられる。ろう付け材料の微細層８４の両側には拡散領域８６，８８が存在する。

拡散領域８６，８８のそれぞれにおいて、異なる成分の差動移動によって層状の外観が生じると考えられる。ホウ素は固溶液中に急速に拡散すること、及びホウ素はクロムと反応して様々な化学量論のホウ化クロムを生成することが知られている。領域８６における糸状の組織は、元のろう付け材料からホウ素が鉄基合金中に拡散した結果生じたホウ化クロムであると考えられる。また、同様なホウ素の拡散とクロムとの反応も領域８８中で生じていると考えられ、そこでは領域８６より多くて厚い糸状組織が見られる。

破壊強度試験を行った際、接合部の分離ではなく銅合金内における破壊が生じた。このことは接合部が完全に結合していることを確認するものである。実施態様の引っ張り強度の測定値は約４００ＭＰａであった。破損した接合部でさえ、ＧＲＣｏｐ−８４銅合金の最大引っ張り強度の９０％近くの引っ張り強度測定値を有していた。ニッケル基超合金（例えば、ニッケル合金６２５（ＵＮＳ Ｎ０６６２５））とステンレス鋼（例えば、ＳＳ ３４７（ＵＮＳ Ｓ３４７００））の第１の材料においても、同様の微細構造が観察された。また、ＭＢＦ−３０ろう付け材料（重量％での公称組成が、４．５Ｓｉ、３．２Ｂ、残余ＮｉのＡＭＳ ４７７８）でも同様の微細構造が観察された。

図５は、同じ方法で形成され得る代替の熱交換器１００を示している。第１のチャネルグループ１０２が、銅合金層１１０の一方の側面上に切削加工されており、第２のチャネルグループ１０４が、反対側の側面上に切削加工されており、それらチャネルグループの間にはウェブが残されている。（例えば、図３の第１の層５０と同じ）非銅層１１２，１１４が、ＴＬＰ接合により層１１０のそれぞれの側面に接合され、チャネル１０２，１０４がそれぞれ封じ込められている。そのような構成は、チャネル１０２，１０４内の第１と第２のそれぞれにおける流体の流れの間で熱交換を生じさせるのに使用することができる。図示するチャネル１０２，１０４は、熱交換器の平行な流れ又は向流などのように平行であるが、直交流を含むその他の形態も可能である。

本発明の１つ又はより多くの実施態様を説明してきた。しかしながら、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく様々な変更が可能であることは理解されるであろう。例えば、形成する特定の部品の細部は、特定の実施態様の細部に影響を与えるであろう。さらには、いくつかの実施態様においてロケット用途の熱交換器をここで開示したが、本発明はそれらに限定されるものではない。本発明は、液相拡散接合により非銅基合金に接合される銅基合金に関するものである。従って、その他の実施態様は特許請求の範囲内である。

ロケットエンジン燃焼室及び排気ノズルの概略図。 図１のエンジンのノズルの熱交換器壁の断面図。 一体化する前の図２の壁の分解組立図。 図２の壁の一体化領域における顕微鏡写真。 代替の熱交換器の断面図。

Claims (19)

1. サンドイッチを形成するために第１と第２の壁部にろう付け材料を集めるステップであって、第１の壁部が本質的に銅又は銅基合金からなり、第２の壁部が少なくとも非銅基合金を含んでなるステップと、
   サンドイッチを加熱してろう付け材料を溶融して少なくとも第１の壁部を第２の壁部に液相拡散接合する、加熱するステップ、
   を含んでなることを特徴とする、部品の形成方法。
2. 前記部品が熱交換器を含むことを特徴とする、請求項１の方法。
3. 前記第１の壁部が、切削領域で分離された複数の隆起領域を含み、かつ、前記方法が前記第１の壁部中においてそれら切削領域を機械加工するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１記載の方法。
4. 前記切削加工するステップが機械加工することを含むことを特徴とする、請求項３記載の方法。
5. 前記加熱するステップの前に、前記第１の壁部が本質的に不純物濃度を超える量のクロムとニオブを有する銅合金のみからなることを特徴とする、請求項１記載の方法。
6. 前記加熱するステップの前に、前記第１の壁部が本質的に原子百分率でＣｕ−８Ｃｒ−４Ｎｂのみからなり、かつ、前記第２の壁部が本質的にニッケル基超合金、ステンレス鋼又は鉄基超合金のみからなることを特徴とする、請求項１記載の方法。
7. 前記ろう付け材料が、少なくとも１重量％のＢを有するニッケル基合金、少なくとも１．５重量％のＢと少なくとも４重量％のＳｉを有するニッケル基合金、約７重量％のＣｒ、３重量％のＦｅ、４．５重量％のＳｉ、３．２重量％のＢ及び残余成分がＮｉという公称組成を有するニッケル基合金、又は、約４．５重量％のＳｉ、３．２重量％のＢ及び残余成分がＮｉという公称組成を有するニッケル基合金の少なくともいずれか１つを含んでなることを特徴とする、請求項１記載の方法。
8. 前記加熱するステップが、電気抵抗真空オーブン内で加熱することを含むことを特徴とする、請求項１記載の方法。
9. 前記加熱するステップが、１０００から１０３５℃のピーク温度まで加熱することである、請求項１記載の方法。
10. 前記接合することにより、前記銅又は銅基合金の最終引っ張り強度の少なくとも９０％の最終引っ張り強度を有する接合部が提供されることを特徴とする、請求項１記載の方法。
11. 前記接合することにより、前記銅又は銅基合金の最終引っ張り強度の少なくとも１００％の最終引っ張り強度を有する接合部が提供されることを特徴とする、請求項１記載の方法。
12. ロケットノズル又は燃焼室の製造に使用されることを特徴とする、請求項１記載の方法。
13. 本質的にニッケル基超合金、ステンレス鋼、又は鉄基超合金のみからなる第１の金属部材である第１の層と、
    本質的に銅又は銅基合金のみからなる第２の金属部材である第２の層と、
    第１と第２の層を接合する拡散領域であって、第１の層に近接し、第１の層よりも高含量のホウ素を有する第１の領域と、第２の層に近接し、第２の層よりも高含量のホウ素を有する第２の領域とを有する領域、
    を含んでなることを特徴とする、第１と第２の金属部材の接合された結合体。
14. 前記拡散領域が、前記第１と第２の領域の間にあり、かつ、本質的に少なくとも１重量％のＢを有するニッケル基合金、少なくとも１．５重量％のＢと少なくとも４重量％のＳｉを有するニッケル基合金、約７重量％のＣｒ、３重量％のＦｅ、４．５重量％のＳｉ、３．２重量％のＢ及び残余成分がＮｉという公称組成を有するニッケル基合金、又は、約４．５重量％のＳｉ、３．２重量％のＢ及び残余成分がＮｉという公称組成を有するニッケル基合金の少なくともいずれか１つのみからなる層をさらに含むことを特徴とする、請求項１３記載の結合体。
15. 前記拡散領域が前記第２の金属部材の最終引っ張り強度の少なくとも９０％の最終引っ張り強度を有する接合部を提供することを特徴とする、請求項１３記載の結合体。
16. 前記拡散領域が前記第２の金属部材の最終引っ張り強度の少なくとも１００％の最終引っ張り強度を有する接合部を提供することを特徴とする、請求項１３記載の結合体。
17. 少なくとも燃焼室又はロケットノズルの一部を形成する、請求項１３記載の結合体。
18. 熱交換器の少なくとも一部を形成し、前記拡散領域が第１と第２のチャネル又はチャネル部分を分け、チャネル又はチャネル部分は前記第１と第２の層の間に位置することを特徴とする、請求項１３記載の結合体。
19. 前記第１と第２の層のそれぞれが１．０ｍｍを超える部分的な厚さを有することを特徴とする、請求項１３記載の結合体。