JP3930566B2 - 超塑性中間層を用いたチタン部材の接合方法 - Google Patents

Description

発明の背景
１．技術分野
本発明は、超塑性チタン合金の中間層を用いるチタン合金部材同士、およびチタン合金部材と他の金属部材との固相接合に関する。
２．背景技術
チタン合金は高性能の航空宇宙用途に広く用いられている。チタンおよびチタン合金は、歴史的に熱間加工が困難であると見なされてきた。この困難性の因って来る原因は、まず第一に、この材料が高温において強度が高いこと、第二にチタン合金が酸素に対して親和性があり、望ましくない大量の酸素を吸収して、化学組成が変化し、機械的性質が劣化することである。最近、チタン合金に実用的な程度の超塑性を与えるような条件において、これを熱間加工するための、いくつかの方法が開発された。このような超塑性条件における鍛造においては、１５５０°Ｆ（８４３℃）〜１６５０°Ｆ（８９９℃）という高い温度において材料を加工する必要がある。このような温度においてはチタン材料は酸素吸収に対して著しく敏感になるので、このようなチタンの超塑性鍛造工程は、真空または不活性ガス中で実施する必要がある。このように、チタン加工の分野においてなされた進歩にも拘わらず、そこには改良の余地が残されている。
また、部材の異なる部位で異なる性質を有するようなチタン部材を製造することによって解決するような課題が存在する。例えば部材のある部分は高い疲労強度が要求されるのに対して、その他の部分は高い引っ張り強度、あるいは更に高い疲労抵抗が要求されるかも知れない。このような部材は、現在は複数のチタン部材を溶接することによって製造されている。チタンの溶接は難しく、溶接領域の機械的性質の低下が大きく、溶接された構造物を望ましくないものとしてしまうことが共通して見られる。このように、異なる部位で異なる性質を有するチタン部材を製造する方法に対する、明らかな需要が存在する。
チタン部材はこれまで、拡散接合によってうまく接合されてきた。拡散接合においては、接合される部材の流れ応力が低くなるような、高い温度に加熱することが要求される。これは接合される表面間に圧力が加えられたときに、接合領域に局部的な変形が起こり、これによって相互拡散と接合が促進されるようにするためである。このような方法はチタンの微細構造および機械的性質を変化させるので好ましくない。なぜならば部材全体を、超可塑性が得られるような温度、すなわち約１６００°Ｆ（８７１℃）という高い温度に加熱しなければならないからである。ここでもまた、部材をこのような高い温度に加熱するので、酸素吸収を防ぐために真空条件に注意を払うことが要求される。このように、接合される部材の機械的性質に悪影響を与えることのない条件の下で実施し得るような接合方法に対する、明らかな需要が依然として存在する。以前に提出された同時係属の米国特許出願であって、本発明の譲受人に譲渡された、米国出願番号第０８／１４９，４３７号に、真空蒸着法を用いて超塑性チタン材料を製造する方法が記載されている。この材料は粒径が十分に小さく、そのために１０００°Ｆ（５３８℃）〜１１００°Ｆ（５９３℃）という、比較的低い温度において超塑性が得られるところに特異性がある。このような低い温度が、酸素吸収が重大な問題となる低い温度における超微粒チタン材料の超塑性変形を可能にする。
発明の開示
本発明によれば、接合される部材の両密着面の間に、超微粒のチタンまたはチタン合金の薄い層が配される。このインターレイヤとしての中間層の材料は、超塑性を示し、約１０００°Ｆ（５３８℃）〜約１１００°Ｆ（５９３℃）という低い温度において実質的な変形を受ける能力がある。このような超塑性変形温度は、接合される部材の表面および機械的性質が損なわれる温度よりも低い。加えて、中間層および接合される部材は、中間層が超塑性を示す温度では有意な量の酸素を吸収しない。したがって、適当な圧縮力を加えることによって、接合される部材どうしと、これらの部材間の中間層と、を強制的に一体化することができる。この際、接合される部材どうしでは、表面平坦性と表面荒さが互いに一致せず、両者に差異があるが、このような差異を上述の中間層により吸収して適合させる。塑性変形が生じる部位は、中間層に限定される。接合が完成した後、接合された部材は必要に応じて、中間層に残っている微粒材料を粗粒化するために短時間、高温に加熱されても良い。
中間層材料の組成が適当に選択され、かつ粗粒化工程が実施されるならば、接合領域の組成や微細構造には見分けられるような差はなくなり、接合された部材は接合される以前の元の部材と、実質的に同じ性能を発揮するであろう。
発明の実施の形態
本発明によれば、少なくとも１個のチタン合金部材が、超塑性チタン合金中間層を用いて、他の金属部材またはインターメタリック部材即ち合金部材に接合される。一つの実施態様においてはチタン中間層は、接合される部材の一つの表面にチタン合金の蒸気を凝縮させることによって形成される。もう一つの実施態様においては、超塑性材料は接合される全ての表面に堆積される。
中間層を、別体の薄い材料シートの形で提供することも、本発明の範囲に含まれる。チタン部材をニッケル、鉄、コバルト、ジルコニウムの合金、または異なるチタン合金、またはチタンの金属間化合物に接合することもまた、本発明の範囲に含まれる。
中間層材料に要求される基本的な性質は超塑性を示すことである。これは材料が約１３５０°Ｆ（７３２℃）以下で試験されたときに、少なくとも約３００％の変形を与えることを意味している。現在我々が知っている、このような超塑性の中間層を得る唯一の方法は、冷却された基層に真空蒸着することである。これは１９９３年１１月８日に出願された我々の同時係属の米国特許出願、米国出願番号第０８／１４９，４３７号に記載されている。
この先行発明によれば、少なくとも一つの平面において約１〜３ミクロン（０．００１〜０．００３ｍｍ）の平均粒径を有するチタン合金材料を製造することが可能である。約０．３ミクロン（０．０００３ｍｍ）〜約１〜３ミクロン（０．００１〜０．００３ｍｍ）の粒径において、所望の超塑性中間層の性質が得られる。好ましい粒径は、約０．１ミクロン（０．０００１ｍｍ）〜約３ミクロン（０．００３ｍｍ）である。
このような材料は、約１３００°Ｆ（７０４℃）以下の温度に冷却された基層への真空蒸着によって堆積される。好ましくは基層の温度は、約１０５０°Ｆ（５６６℃）〜約１３００°Ｆ（７０４℃）の範囲である。約１０５０°Ｆ（５６６℃）以下の温度では有孔性の堆積物が生じる可能性がある。
米国特許第５，２４２，４７９号は、真空蒸着された適当な粒径の中間層材料を提供するために使用され得る装置の一形式を説明している。この特許に記載されている発明によれば、堆積させるチタン合金を溶融し、溶融した合金を加熱された耐熱性金属の表面に流してやることによって、チタン合金の高速蒸発が行われる。この耐熱性金属は、例えばタングステンおよびタンタルからなる群かち選ばれる。耐熱性金属基層は電子ビームを用いて加熱されており、チタン合金は、耐熱性金属とともに溶融状態の合金を形成する。チタン−耐熱性金属合金は、蒸着のためのチタン原子源としての役目を果たす。耐熱性金属の基層を用いることによって、実質的にスパッタリングなしに、他の方法によるよりも高い有効な温度にまでチタン合金を加熱することができる。耐熱性金属の蒸気圧は低いので、その蒸発は実質的に抑えられる。この工程は、約１０^-3トル（1.33Ｐａ）以下の高真空条件の下で実施される。米国特許第５，２４２，４７９号に説明される発明は、実質的に炭素からなる、追加の堆積物質供給源を包含しており、この場合は得られる堆積物質はカーバイド化合物である。明らかに、炭素を同時堆積するという点は、本発明の方法の特徴点ではない。
我々は、要求される細かい粒径［好ましい粒径は約０．１ミクロン（０．０００１ｍｍ）〜約３ミクロン（０．００３ｍｍ）］を有するチタンを、毎分約１０ミクロン（０．０１ｍｍ）から毎分約１００ミクロン（０．１ｍｍ）の速度で堆積できることを見いだした。好ましくは、中間層は基層温度調節付きの真空蒸着法によって製造される。我々は、中間層材料を両方の接合される表面に堆積することが望ましいと考える。その理由は、微粒チタン中間層が、接合面を汚染してしまうことになる酸素を、吸収することができるからである。微粒材料は粒子境界面積が広く、また拡散が急速であるために、粗粒の基層よりも大量の酸素を吸収することができる。両方の接合される表面をコーティングすることによって、接合面の酸素汚染の機会は減少すると考えられる。もちろん、前述したように接合される片方の表面にのみ超塑性チタン材料を塗布することも可能であり、また別体の中間層シートとしてそれを提供することさえ可能である。
中間層に要求される厚みは、接合される表面の状態に大きく依存する。一般に粗い表面においては、全ての空隙を埋めるのに十分な材料の容積を保証するために、平滑な表面よりも厚い中間層が要求される。光学部品に要求されるのと同じ水準の、表面仕上げ、平坦性および平滑性が極めて良好である場合、二つの平坦な表面の接合は、合計１，０００オングストロームという薄い中間層厚さで達成される。実際上、工業的な用途においては好ましくは少なくとも２０ミクロン（０．０２ｍｍ）、より好ましくは少なくとも１０ミクロン（０．０１ｍｍ）の中間層厚さを用いることが必要であろう。中間層厚さには特別な上限はないが、もし中間層の化学組成が、接合される部材の組成とかなり異なっており、かつ拡散によって中間層組成の均質化を達成したい場合は、接合される部材の間に完全な表面接触を達成するのに十分な、最小限度の合計中間層厚さを用いることが望ましいことは理解されるであろう。
粒径に加えて、チタン合金中間層はアルファおよびベータ相の混合物からなることが大いに望ましい。アルファ相は、高い酸素拡散の能力を有するので望ましい。これは接合表面における酸素汚染が拡散によってアルファ相の中に吸収されることを意味する。しかしながら、ベータ相は同一条件においてアルファ相よりもかなり高いレベルの超塑性を有している。したがって、超塑性効果を最大にするには、相当な割合のベータ相が存在していることが望ましい。好ましくは、アルファ−ベータ比は容積百分率で５：９５〜９５：１０の範囲であり、より好ましくは３０：７０〜７０：３０の範囲である。
工程は以下のように実施される：接合される部材の表面は平坦性と粗度において適当な外形が与えられる。接合される表面は化学的または物理的な手段、あるいはこれらの混合または組み合わせを用いてクリーニングされる。化学的手段は例えば酸浴を含み、物理的手段は例えば機械的な研磨を含む。このような化学的または物理的なクリーニングステップの直後に、部材は好ましくは低酸素、低湿度の条件下に保存される。これは表面酸化物の形成を最小にし、それが有害な厚さに達するのを防ぐためである。超塑性中間層が、好ましくは接合される表面の片方または両方に堆積される。このような堆積は高真空条件（すなわち１０^-3トル（１．３３Ｐａ）以下）の下で実施される。部材が真空チャンバー内に入った後、超塑性材料の堆積の前に、さらに追加のクリーニングを行うことが望ましい場合もある。高真空条件下でのクリーニングは、いかなる汚染物質の層も取り除くために、スパッタリング法および／または逆トランスファアーク法として知られる方法を用いて行うことができる。その後、真空蒸着によって超塑性中間層が堆積される。好ましくは基層温度は１０５０°Ｆ（５６６℃）〜約１３００°Ｆ（７０４℃）に保たれ、１μｍ／分〜約１００μｍ／分の堆積速度が用いられる。これによって約０．３μｍ〜約３μｍの粒径が得られ、１０μｍの中間層を製造するのに要する時間は約１分間〜約１０分間である。前述したように、溶融チタンを蒸発させるのに、例えば米国特許第５、２４２、４７９号に記述されているように、加熱された基層を用いることが好ましい。中間層の厚みが必要な厚みに達したならば、部材は接合のための準備が整う。
接合は大気中で行われてもよいが、表面汚染を避けるために真空条件下で接合するならば、より安定して良好な結果が得られるであろう。接合は約１０００°Ｆ（５３８℃）〜約１４００度（７６０℃）の温度範囲で行われても良く、加えられる応力は平方センチメートルあたり約２０００ニュートンである。所要時間は２０分から６０分程度である。接合工程の締めくくりとして、接合部は中間層の微細構造の粗粒化および拡散均質化のために、約１５００°Ｆ（８１６℃）〜約１７００°Ｆ（９２７℃）の温度に加熱されても良い。
本発明を詳細な実施態様に関連して説明したが、その形式および細部については、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、様々な変更がなされ得ることが、当業者に理解されるべきである。
請求の範囲は以下のとおりである。

Claims (12)

1. チタン部材を他の金属部材に、１０００°Ｆ（５３８℃）〜１５００°Ｆ（８１６℃）の温度において接合する方法であって、
   ａ．接合される部材の両密着面の間に接着性微粒チタン合金のコーティング層を蒸着するステップを有し、前記コーティング層は、アルファ−ベータ微細構造を有し、かつ少なくとも一つの平面上で１〜３ミクロン（０．００１ｍｍ〜０．００３ｍｍ）の平均粒径を有し、
   ｂ．接合される部材とコーティング層とを１０００°Ｆ（５３８℃）〜１５００°Ｆ（８１６℃）に加熱し、十分に大きな圧縮力を部材に加えることによってコーティング層の超塑性変形と、接合される部材の接合とを起こさせるステップを有する、チタン部材を他の金属部材に接合する方法。
2. 前記コーティング層は、０．５ミル（０．０１３ｍｍ）〜２ミル（０．０５１ｍｍ）の厚さを有する、請求の範囲第１項記載の方法。
3. 前記コーティング層は、両方の密着面上に提供され、前記コーティング層はそれぞれ、少なくとも０．５ミル（０．０１３ｍｍ）の厚さを有する、請求の範囲第２項記載の方法。
4. 前記接合が大気中で行われる、請求の範囲第１項記載の方法。
5. 接合される部材の両方がチタン合金部材である、請求の範囲第１項記載の方法。
6. 前記コーティング層の厚さが少なくとも１０ミクロン（０．０１ｍｍ）である、請求の範囲第１項記載の方法。
7. 前記コーティング層が容積で８０：２０〜２０：８０のアルファおよびベータ層を含む、請求の範囲第１項記載の方法。
8. 前記コーティング層が容積で７０：３０〜３０：７０のアルファおよびベータ層を含む、請求の範囲第１項記載の方法。
9. 他の金属部材に接合するのに適したチタン部材であって、前記チタン部材がその密着面に、少なくとも一つの平面上で１〜３μｍの平均粒径を有する微粒アルファ−ベータチタン合金からなる、薄い接着性コーティング層を有するチタン部材。
10. チタン合金部材に接合するのに適した金属部材であって、前記金属部材が、その密着面上に、微粒アルファ−ベータチタンの薄い接着性コーティング層を有する金属部材。
11. 微粒アルファ−ベータチタンのコーティング層が１０〜１５μｍの厚さを有する、請求の範囲第１０項記載の部材。
12. 前記コーティング層は、容積比率で８０：２０〜２０：８０のアルファおよびベータ相を含む、請求の範囲第１１項記載の部材。