JP2007253238A - 超合金のバタリング溶接 - Google Patents

Abstract

【課題】大きい応力を誘起せずにニッケル基超合金の溶接を可能にし、かくして溶接領域内での亀裂の形成を低減する。
【解決手段】超合金からなる第一の物品にバタリング層を形成する。超合金からなる第二の物品にバタリング層を形成する。バタリング層と超合金との間の残留応力を除去する。物品のバタリング層の位置に互いの接合面を形成する。そして、熱影響部がバタリング層内となるように接合面同士を溶接する。
【選択図】 図４

Description

本願は、一般的には、超合金の溶接方法に関する。

超合金材料は、一般に、高温で長期間にわたり良好な強度、耐クリープ性、破壊靭性及び他の機械的性質を要求する用途で使用される。ニッケル基超合金（例えば、γ′強化超合金）は、約５０重量％以上のニッケルと、これらの合金の機械的及び物理的性質を向上させるために添加する合金元素とを含む合金である。

超合金、特にγ′強化ニッケル基超合金は、溶接した場合に極めて割れを生じやすい。溶接割れは、溶接及び時効サイクル時に生じる残留応力にある程度起因する。例えばアルミニウム及びチタンを始めとする他の元素を多量に含むγ′強化ニッケル基超合金からなる物品を溶接する場合には、割れが特に起こりやすい。アルミニウム及びチタンは、ニッケル基超合金の強度を高めるγ′相を生成する主な元素であるが、その延性も低下させる。割れの問題は、溶接が材料の肉厚部分同士を融着させる必要がある場合、又は溶接部の幾何学的形状が溶接収縮応力の干渉を引き起こす場合に一層厳しくなる。

以前には、割れの問題は、ろう付け、溶接継手に溶加材のシム片を用いる溶接、又は溶接継手における薄いクラッディング層の形成で解決されてきた。ろう付けは許容差要件の点から必ずしも選択肢とは限らず、シム溶接は幾何学的な応力の干渉を解消するのに十分な延性を与えないことがあり、薄いクラッディング層は応力が超合金基材及び熱影響部（ＨＡＺ）に影響を及ぼすのを防止できないことがある。
米国特許第６４８９５８３号明細書 米国特許第６５９６４１１号明細書 米国特許第６６５２６７７号明細書

したがって、上述の欠点を考慮すれば、超合金を溶接するための代替法に対するニーズが存在している。

本明細書では、超合金物品の溶接方法について開示する。超合金からなる第一の物品にバタリング層を結合する。超合金からなる第二の物品にバタリング層を結合する。バタリング層と超合金との間の残留応力を除去する。物品のバタリング層の位置に互いに整合した接合面を確立する。次いで、物品の接合面同士を溶接して溶接アセンブリを形成する。この場合、溶接後に熱影響部がバタリング層内にある。

本明細書ではさらに、超合金物品の溶接方法について開示する。超合金からなる第一の物品にバタリング層を結合する。超合金からなる第二の物品にバタリング層を結合する。バタリング層と超合金との間の残留応力を除去する。物品のバタリング層の位置に互いに整合した接合面を確立する。次いで、物品の接合面同士を溶接して溶接アセンブリを形成する。この場合、溶接後に超合金が誘起応力を含まない。

本明細書ではさらに、超合金物品の溶接方法について開示する。超合金からなる第一の物品にバタリング層を結合する。超合金からなる第二の物品にバタリング層を結合する。バタリング層と超合金との間の残留応力を除去する。バタリング層の位置に互いに整合した接合面を確立する。次いで、物品の接合面同士を溶接して溶接アセンブリを形成する。この場合、溶接後にバタリング層が溶接で得られる溶接部及び熱影響部より大きい厚さを有する。

かかる方法はさらに、超合金にバタリング層を結合する段階がさらに、ニッケル基超合金にバタリング層を結合すること、或いはγ′強化ニッケル基超合金にバタリング層を結合すること、或いはアルミニウム及び／又はチタンを含むγ′強化ニッケル基超合金にバタリング層を結合することからなる態様を含んでいる。

かかる方法はさらに、バタリング層を機械加工する段階がさらに熱影響部を包囲し得る寸法にバタリング層を機械加工することからなる態様、さらに溶接アセンブリを冷却する段階を含み、冷却後に熱影響部が実質的に亀裂を含まない態様、残留応力を除去する段階がさらに各物品について熱処理操作を実施することからなる態様、並びに接合面を確立する段階がさらに物品のバタリング層について機械加工操作を実施することからなる態様を含んでいる。

添付図面について説明すると、これらの図面では類似の構成要素は同じ番号で表す。

超合金は、高温で良好な強度、耐クリープ性、破壊靭性及び他の機械的性質を要求する用途で有用である。超合金又は高性能合金とは、優れた機械的強度、良好な表面安定性、耐食性、及び酸化又は機械的性質の低下なしに高温に耐える能力を有する合金である。代表的な用途は、宇宙航空産業分野（例えば、ジェットエンジン用のタービン羽根）である。

超合金は、通例、ニッケル、コバルト又は鉄を基材としている。普通のもの及び特異なものを含め、多くの他の元素が存在し得る。クロム、モリブデン、タングステン、アルミニウム、ジルコニウム、ニオブ、レニウム、炭素及びケイ素はほんの若干の例である。

単結晶超合金（ＳＣ超合金）は、単結晶として形成され、したがって材料に粒界が存在しない場合でもある程度の強度を有するように設計されている。大抵の他の合金の機械的性質は粒界の存在に依存するが、高温では粒界がクリープに関与し、他の機構で置換しなければならない。多くのかかる合金では、規則的な金属間化合物相の島が無秩序相の母材に着座しており、すべてが同一の結晶格子を有している。これは、組織中にいかなる非晶質固体も導入することなく、粒界の転位ピン止め挙動に近似している。

本発明の係る溶接法は、超合金で作製された他種多様の部品及び部材に対して有用である。超合金物品の溶接方法に関する以下の説明は、γ′強化ニッケル基超合金からなる物品に関するものであるが、かかる溶接方法はあらゆる種類の超合金からなる物品の溶接に適用できることを理解すべきである。

一実施形態では比較的高いアルミニウム及びチタン含有量（即ち、３％を超える合計重量パーセント）を含むγ′強化ニッケル基超合金は、非γ′強化ニッケル基超合金に比べて増大した強度を示すが、溶接継手に生じる亀裂の発生なしに溶接するのが困難であることが知られている。

溶接継手に生じる割れは、一般に、凝固、冷却、及び溶接収縮又は熱処理によって生じるひずみに由来する。さらに、超合金の収縮が（取付具、工具などにより）制限されれば、収縮ひずみが残留応力を誘起し、これも割れを生じることがある。溶接収縮の効果を最小限に抑え及び／又は防止するためには、溶接すべき領域における材料の延性を増大させることが有利であろう。延性とは、材料が破壊するまでに塑性流れを起こす能力である。破壊特性は、一般に、材料が応力の存在下で弾性伸び及び塑性変形を受ける能力として記述される。延性合金は、塑性変形を受けて荷重を再分配する能力が大きく、それによって亀裂の発生を減少させる。したがって、延性の大きい合金をγ′強化ニッケル基超合金に溶接することは、超合金内の残留応力を低減させる。延性合金は応力を吸収し、かくして２つのγ′強化ニッケル基超合金同士を溶接する場合に比べて割れを最小限に抑える。本明細書に開示される方法は、大きい応力を誘起せずにニッケル基超合金の溶接を可能にし、かくして溶接領域内での亀裂の形成を低減させる。

図１は接合すべき２つの物品１０を示していて、各物品１０はγ′強化ニッケル基超合金１２で形成されている。各物品１０はさらに、各物品１０の対向端部に結合された（即ち、冶金的に接合され、機械的に接着され、溶接され、又は溶射された）、基礎合金１２より大きい延性を有する厚いバタリング層１４を含んでいる。バタリング層１４は、ニッケル基、コバルト基又は鉄基固溶体又は低γ′合金（例えば、アロイ６２５、Ｗａｓｐａｌｏｙ、Ａ−２８６又はＵｌｔｉｍｅｔ）で形成できる。γ′強化ニッケル基超合金へのバタリング層１４の結合で生じた残留応力を除去するため、各物品１０が個別に熱処理される。このような個別熱処理操作は、自由表面として作用するバタリング層１４の延性が大きいため、割れを生じることなしにγ′強化ニッケル基超合金１２基材の応力除去を可能にする。

個別熱処理操作の後、物品１０のバタリング層１４を機械加工することで、図２に示すように互いに整合した接合面１６が確立される。接合面とは、接合すべき別の部材に接触又は非常に近接する物品の合せ面として定義される。バタリング層１４は、通常の方法（例えば、研削、フライス削りなど）で機械加工できる。各バタリング層１４は、（図４に示すように）物品１０間における後続の溶接操作の溶接部及び熱影響部２０を含み得るのに適した厚さを有している。

図３は、溶接操作の準備として互いに位置合せされた接合面１６を示している。溶接操作は、例えば一実施形態では、ＴＩＧ溶接、プラズマ溶接、電子ビーム溶接又はレーザー溶接のような融接操作２２、或いは摩擦圧接、抵抗溶接又は拡散溶接のような固相接合溶接操作であり得る。２つのバタリング層１４間の溶接操作は、耐亀裂性を始めとする良好な溶接特性を可能にする。

図４は、接合操作後の溶接アセンブリ２４を示している。接合操作から生じる収縮応力は溶接部２６及び溶接の熱影響部２０に影響を及ぼすが、これらはバタリング層１４内に完全に含まれている。これにより、誘起される応力の大部分はバタリング層１４内で生じ、γ′強化ニッケル基超合金１２材料には応力（即ち、熱応力、収縮応力など）がほとんどないし全く誘起されない。加えて、以後の熱的操作（例えば、熱処理）の際に誘起される応力はγ′強化ニッケル基超合金１２に悪影響を及ぼさないはずである。

開示された方法はさらに、γ′強化ニッケル基超合金１２材料内の誘起応力を防止するので、材料の厚肉部分の溶接を可能にする。かかる方法はさらに、バタリング層間の溶接に先立って物品を別々に熱処理することで、複数の溶接部間の収縮応力干渉をもたらすことがある幾何学的形状に適応し得る。

開示された方法は、溶接継手における亀裂発生が排除されかつ残留応力が低減された改良溶接界面をニッケル基超合金間に与え、かくしてアセンブリ／部品全体の疲労寿命の向上、したがってその耐用年数の延長をもたらす。

以上、好ましい実施形態に関して本発明を説明してきたが、当業者であれば、本発明の技術的範囲から逸脱せずに様々な変更及び同等物による構成要素の置換を行い得ることが理解されよう。加えて、特定の状況又は材料を本発明の教示に適合させるため、本発明の本質的な範囲から逸脱せずに多くの修正を施すことができる。したがって、本発明はこの発明を実施するために想定される最良の形態として開示された特定の実施形態に限定されず、特許請求の範囲に含まれるすべての実施形態を包含するものである。

溶接すべき厚いバタリング層を有する超合金物品の概略断面図である。 機械加工された接合面を有する超合金物品の概略断面図である。 位置合せされた配列状態にある超合金物品の概略断面図である。 溶接操作後の超合金物品の概略断面図である。

符号の説明

１０ 物品
１２ 超合金
１４ バタリング層
１６ 接合面
１８ 厚さ
２０ 熱影響部
２２ 溶接操作
２４ 溶接アセンブリ
２６ 溶接部

Claims (10)

1. 超合金物品の溶接方法であって、
   超合金からなる第一の物品にバタリング層を結合する段階、
   超合金からなる第二の物品にバタリング層を結合する段階、
   バタリング層と超合金との間の残留応力を除去する段階、
   物品のバタリング層の位置に互いに整合した接合面を確立する段階、及び
   物品の接合面同士を溶接して溶接アセンブリを形成する段階
   を含んでなり、溶接後に熱影響部がバタリング層内にある、方法。
2. 超合金にバタリング層を結合する段階がさらに、ニッケル基超合金にバタリング層を結合することからなり、或いは
   ニッケル基超合金にバタリング層を結合することがさらに、γ′強化ニッケル基超合金にバタリング層を結合することからなり、或いは
   γ′強化ニッケル基超合金にバタリング層を結合することがさらに、アルミニウム及び／又はチタンを含むγ′強化ニッケル基超合金にバタリング層を結合することからなる、請求項１記載の方法。
3. さらに熱影響部を包囲し得る寸法に機械加工する段階を含む、請求項１記載の方法。
4. さらに溶接アセンブリを冷却する段階を含み、冷却後に熱影響部が実質的に亀裂を含まない、請求項１記載の方法。
5. 残留応力を除去する段階がさらに、各物品について熱処理操作を実施することからなる、請求項１記載の方法。
6. 接合面を確立する段階がさらに、物品のバタリング層について機械加工操作を実施することからなる、請求項１記載の方法。
7. 超合金物品の溶接方法であって、
   超合金からなる第一の物品にバタリング層を結合する段階、
   超合金からなる第二の物品にバタリング層を結合する段階、
   バタリング層と超合金との間の残留応力を除去する段階、
   物品のバタリング層の位置に互いに整合した接合面を確立する段階、及び
   物品の接合面同士を溶接して溶接アセンブリを形成する段階
   を含んでなり、溶接後に超合金が誘起応力を含まない、方法。
8. 超合金にバタリング層を結合する段階がさらに、ニッケル基超合金にバタリング層を結合すること、或いはアルミニウム及び／又はチタンを含むγ′強化ニッケル基超合金にバタリング層を結合することからなる、請求項７記載の方法。
9. さらに溶接アセンブリを冷却する段階を含み、冷却後に熱影響部が実質的に亀裂を含まないと共に、残留応力を除去する段階がさらに、各物品について熱処理操作を実施することからなる、請求項７記載の方法。
10. 接合面を確立する段階がさらに、物品のバタリング層について機械加工操作を実施することからなる、請求項７記載の方法。

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