JP5132128B2 - WC−Coをチタン合金にロウ付けするための金/ニッケル/銅/アルミニウム/銀ロウ付け合金 - Google Patents

WC−Coをチタン合金にロウ付けするための金/ニッケル/銅/アルミニウム/銀ロウ付け合金 Download PDF

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Description

本発明は、ロウ付け合金に関し、より具体的には、タングステンカーバイド−コバルト材料をチタン合金にロウ付けするためのロウ付け合金に関する。
タングステンカーバイド−コバルト材料(本明細書ではWC−Co)は、該WC−Coの高い機械的強度、硬度、耐食性及び耐摩耗性に起因して、航空エンジン用途のための様々な部品及び構成部品を作るために用いられることが多い。例えば、航空エンジンに用いられる耐摩耗性カーボロイパッドは一般的に、(90〜98重量%)WC及び(2〜10重量%)Coの混合物で構成される。WC−Coカーボロイパッドは一般的に、航空エンジンにおける摩耗用途としてファン及び圧縮機ブレードスパン中央シュラウドにロウ付けされる。これらのブレードは一般的に、約982℃又はそれをやや上回るベータトランザス温度を有するTi 6Al−4V及び/又はTi 8Al−1V−1Mo合金で作られる。
従来技術では、Ti−15Cu−15Niのようなチタン/銅/ニッケルロウ付け合金(本明細書ではTiCuNi)が、カーボロイパッドをチタン合金ブレードスパン中央シュラウドにロウ付けするために用いられてきた。TiCuNiロウ付け箔もまた、TiCuNiが良好な強度及び延性を有するチタン合金をロウ付けするための主要ロウ付け合金であるので、WC−Coをチタン合金にロウ付けするために用いられてきた。しかしながら、TiCuNi合金は、チタン合金に対するWC−Coのロウ付けを伴う用途で用いた場合に、ロウ付けパッドが衝撃力(例えば、鳥、隣接ブレード又は様々なデブリとの衝突)を受けた時におけるロウ付け接合部でのチッピング及び破砕を含む様々な衝撃破損問題を示した。
ロウ付け衝撃破損は、TiCuNiロウ付け合金を用いてWC−Coをチタン合金にロウ付けした時に形成された低延性脆弱ロウ付け接合部に原因がある可能性があることが分かった。具体的には、TiCuNiロウ付け材料が溶融状態にある時に、カーボロイパッドからのタングステン及びコバルトがロウ付け接合部内に溶解し、それによって低延性かつ高硬度(例えば、約1200KHN)のW−Co−Ti−Cu−Ni合金ロウ付け界面が形成されることが分かった。ロウ付け界面は、0.30ジュール程度の低い衝撃エネルギーで割れ発生を示し、カーボロイパッドは、0.60ジュールの衝撃エネルギーで脆弱ロウ付け界面において基体から遊離する。
従って、チタン合金をチタン合金にロウ付けするのに成功裏に用いられてきたTiCuNiロウ付け合金は、耐衝撃性を必要とする場所ではWC−Coをチタン合金にロウ付けするのに用いることができない。
工業上入手可能なロウ付け合金は、航空エンジン用途に必要な低ロウ付け温度(すなわち、982℃よりも低い)、高延性及び低コストを組合せた要求を満たすことができなかった。例えば、Nioro(Au82%及びNi18%)及びNicoro80(Au81.5%、Cu16.5%及びNi2%)は、金が多量でありかつ銅が少量であるので高価であり、また濡れ性及び延性が不足している。Au35%、Cu62%及びNi3%を含有する合金は、約1030℃又はそれを上回る液相線温度を有し、これでは、WC−Coをチタン合金にロウ付けするのには適用できない。銀を含有する合金もまた、航空エンジン用途に必要な低ロウ付け温度(すなわち、982℃よりも低い)、高延性及び低コストを組合せた要求を満たすことができなかった。例えば、Cusil(商標)(63.3Ag−35.1Cu−1.Ti)合金はニッケルを欠き、ロウ付け時間が短い場合にはWCによる濡れ性の問題を引き起こすおそれがある。95%Ag−5%Alのような別の銀合金は、銅及びニッケルの両方を欠き、Ti−6Al−4V上でのWC−Coの腐食摩耗用途では成功しなかった。第三の候補として、Copper−ABA(登録商標)(Cu+2%Al+3%Si+2.25%Ti)のような高銅含有量の銀無含有軟質ロウ付け合金並びに50%Au−50%Ag及び69%Au−25%Ag−6%Ptは、Ti−6Al−4Vのベータトランザス温度又はそれを上回るロウ付け温度を有し、従って用いることができない。
米国特許第4,029,479号公報 米国特許第4,040,822号公報 米国特許第4,252,562号公報 米国特許第4,447,391号公報 米国特許第4,448,605号公報 米国特許第4,486,386号公報 米国特許第4,604,328号公報 米国特許第4,604,636号公報 米国特許第4,606,978号公報 米国特許第4,606,982号公報 米国特許第4,690,876号公報 米国特許第4,903,890号公報 米国特許第4,938,922号公報 米国特許第5,368,220号公報 Web page www.handyharmancanada.com, regarding "Brazing with Gold Filler Metals" (date of first publication unknown). Applicants admit the status of this publication as prior art for the limited purpose of examination of this application, but otherwise reserve the right to challenge the status of this publication as prior art. Chuang, T.H. et al., "Brazing of Zirconia with AgCuTi and SnAgTi Active Filler Metals," Metallurgical and Materials Transactions, 31A, 6, pp. 1591-1597 (6/2000) Oda, Y. et al., "Effect of corrosion on the strength of soldered titanium and Ti-6Al-4V alloy, "Dental Materials, pp. 167-172 (05/1996) Vianco, P. et al., "Aging of Brazed Joints-Interface Reactions in Base Metal/Filler Metal Couples-Part 1: Low-Temperature Ag-Cu-Ti Filler Metal," Welding Journal, pp. 201-S-210-S (10/2002) Vianco, P. et al., "Aging of Braze Joints: Interface Reactions in Base Metal/filler Metal Couples, Part l1: High-Temperature Au-Ni-Ti Braze Alloy, Welding Journal, pp. 256-S-264-S (11/2002)
従って、基体チタン合金のベータトランザス温度を下回るロウ付け温度を有する延性かつ耐衝撃性ロウ付け合金に対する必要性がある。具体的には、脆弱ロウ付け界面を形成することなくWC−Co材料をチタン合金にロウ付けするためのロウ付け合金に対する必要性がある。
1つの態様では、ロウ付け材料を提供し、本ロウ付け材料は、重量で約2〜約30パーセントの金、重量で約4〜約14パーセントのニッケル、重量で約25〜約65パーセントの銅、重量で約1〜約3パーセントのアルミニウム及び重量で約20〜約55パーセントの銀を含む。
別の態様では、ロウ付け材料を提供し、本ロウ付け材料は、重量で約25.3パーセントの金、重量で約5.6パーセントのニッケル、重量で約46.1パーセントの銅、重量で約1.1パーセントのアルミニウム及び重量で約21.9パーセントの銀を含む。
別の態様では、ロウ付け材料を提供し、本ロウ付け材料は、重量で約4パーセントの金、重量で約13.3パーセントのニッケル、重量で約27.6パーセントの銅、重量で約2.7パーセントのアルミニウム及び重量で約52.4パーセントの銀を含む。
別の態様では、ロウ付け材料を提供し、本ロウ付け材料は、重量で約2.2パーセントの金、重量で約7.3パーセントのニッケル、重量で約60.3パーセントの銅、重量で約1.5パーセントのアルミニウム及び重量で約28.7パーセントの銀を含む。
別の態様では、ロウ付け材料を提供し、本ロウ付け材料は、本質的に金、ニッケル、銅、アルミニウム及び銀から成り、これら金、ニッケル、銅、アルミニウム及び銀は、約871〜約954℃のロウ付け温度及び約450〜約550KHNのロウ付け接合部硬度を有するロウ付け材料を形成するのに十分な量で存在する。
別の態様では、第1の基体を第2の基体にロウ付けする方法を提供する。本方法は、第1の基体と第2の基体との間に重量で約2〜約30パーセントの金、重量で約4〜約14パーセントのニッケル、重量で約25〜約65パーセントの銅、重量で約1〜約3パーセントのアルミニウム及び重量で約20〜約55パーセントの銀を含むロウ付け材料を配置する段階と、ロウ付け材料の温度を少なくとも約871℃まで上昇させる段階とを含む。
本発明の他の態様は、以下の詳細な説明及び提出した特許請求の範囲から明らかになるであろう。
本発明は、ほぼ982℃を下回り、それによってそのベータトランザス温度が982℃又はそれを上回る基体の機械的特性に対する損傷を防止するロウ付け温度で、第1の基体を第2の基体に(例えば、WC−Co材料をチタン合金に)ロウ付けするためのAu(2〜30重量%)、Ni(4〜14重量%)、Cu(25〜65重量%)、Al(1〜3重量%)及びAg(20〜55重量%)合金に関する。具体的には、本発明の合金は、WC−Co基体及びチタン基体の両方に対する濡れ性を保証するのに十分なニッケル含有量、耐衝撃性のための延性を保証するのに十分高い銅含有量、及び適切なコストを保証するのに妥当な低コストである金及び銀含有量を有することができる。
1つの態様では、本発明のロウ付け合金は、重量で約2〜約30パーセントの金、重量で約4〜約14パーセントのニッケル、重量で約25〜約65パーセントの銅、重量で約1〜約3パーセントのアルミニウム及び重量で約20〜約55パーセントの銀を含むことができる。
別の態様では、本発明のロウ付け合金は、重量で約25.3パーセントの金、重量で約5.6パーセントのニッケル、重量で約46.1パーセントの銅、重量で約1.1パーセントのアルミニウム及び重量で約21.9パーセントの銀を含むことができる。
別の態様では、本発明のロウ付け合金は、重量で約4パーセントの金、重量で約13.3パーセントのニッケル、重量で約27.6パーセントの銅、重量で約2.7パーセントのアルミニウム及び重量で約52.4パーセントの銀を含むことができる。
別の態様では、本発明のロウ付け合金は、重量で約2.2パーセントの金、重量で約7.3パーセントのニッケル、重量で約60.3パーセントの銅、重量で約1.5パーセントのアルミニウム及び重量で約28.7パーセントの銀を含むことができる。
別の態様では、本発明のロウ付け合金内の金、ニッケル、銅、アルミニウム及び銀の重量パーセントは、そのロウ付け合金の意図する用途に基づいて選択することができる。具体的には、重量パーセントは、得られたロウ付け合金がロウ付け後に高い耐衝撃性及び延性(すなわち、低い硬度)を有し、かつロウ付けされる基体のベータトランザス温度を下回る温度で溶融して高いロウ付け温度によって基体の機械的特性にマイナスの影響を与えない(例えば、相変化によって)ようにするように選択することができる。
本発明のロウ付け合金は、様々な形態で提供することができる。1つの態様では、ロウ付け合金は、金、ニッケル、銅、アルミニウム及び銀を含む均質な組成物として提供することができる。別の態様では、ロウ付け合金は、粉末として提供することができる。別の態様では、ロウ付け合金は、層状又は積層のフィルム又は箔として提供することができる。
粉末形態では、ロウ付け合金は、金、ニッケル、銅、アルミニウム及び銀粉末の混合物並びに/或いは金、ニッケル、銅、アルミニウム及び銀の1つ又はそれ以上の合金の粉末の混合物として提供することができ、これらの混合物内に金属が適切な量で存在する。1つの態様では、粉末は、該粉末が適切な溶融/ロウ付け温度に加熱されるまで均質な合金を形成することができない。例えば、本発明によるロウ付け合金は、銅粉末、金/銅/ニッケル粉末及び銀/アルミニウム粉末の分散体として提供することができる。
層状形態では、金、ニッケル、銅、アルミニウム、銀及びそれらの合金は、個別の層として提供され、それによって適切な溶融/ロウ付け温度に加熱された後にのみ均質な合金を形成することができる。例えば、本発明によるロウ付け合金は、積層フィルム又は層状材料として提供することができ、この場合には銅の層は金/銅/ニッケル箔の層と銀/アルミニウム箔の層と間に配置される。
この時点で、金属及び合金の様々な組合せ並びに様々な数の層が本発明の技術的範囲内にあることが、当業者には分かるであろう。さらに、本発明による層状材料はその平坦(すなわち平面)構成として用いることができ或いはロウ付け前に丸めた状態又は折畳んだ状態にすることができることが、当業者には分かるであろう。
実施例1
ロウ付け材料は、金/銅/ニッケル箔の層と銀/アルミニウム箔の層との間に挟んだ銅箔を用いて調製される。各層の厚さは、得られた層状材料が該層状材料の全重量に対して約25.3重量%の金、約5.6重量%のニッケル、約46.1重量%の銅、約1.1重量%のアルミニウム及び約21.9重量%の銀を含むように選択される。得られた層状材料は、約927℃のロウ付け温度を有する。
実施例2
ロウ付け材料は、金/銅/ニッケル箔の層と銀/アルミニウム箔の層との間に挟んだ銅箔を用いて調製される。各層の厚さは、得られた層状材料が該層状材料の全重量に対して約4重量%の金、約13.3重量%のニッケル、約27.6重量%の銅、約2.7重量%のアルミニウム及び約52.4重量%の銀を含むように選択される。得られた層状材料は、約921℃ロウ付け温度を有する。
実施例3
ロウ付け材料は、金/銅/ニッケル箔の層と銀/アルミニウム箔の層との間に挟んだ銅箔を用いて調製される。各層の厚さは、得られた層状材料が該層状材料の全重量に対して約2.2重量%の金、約7.3重量%のニッケル、約60.3重量%の銅、約1.5重量%のアルミニウム及び約28.7重量%の銀を含むように選択される。得られた層状材料は、約921℃のロウ付け温度を有する。
実施例4
実施例1の層状材料は、丸めかつWC−Co(2〜10重量%のコバルト)カーボロイパッドとチタン合金(90重量%のTi、6重量%のAl及び4重量%のV)スパン中央シュラウドとの間に配置し、組立体は、真空(約10−4トル)の下で約10分間の誘導加熱によって約954℃の温度まで昇温させる。組立体を冷却させた後に、ロウ付け接合部は、約470KHNの硬度を有する。
実施例5
実施例2の層状材料は、丸めかつWC−Co(2〜10重量%のコバルト)カーボロイパッドとチタン合金(90重量%のTi、6重量%のAl及び4重量%のV)スパン中央シュラウドとの間に配置し、組立体は、真空(約10−4トル)の下で約10分間の誘導加熱によって約954℃の温度まで昇温させる。組立体を冷却させた後に、ロウ付け接合部は、約500KHNの硬度を有する。
実施例6
実施例3の層状材料は、丸めかつWC−Co(2〜10重量%のコバルト)カーボロイパッドとチタン合金(90重量%のTi、6重量%のAl及び4重量%のV)スパン中央シュラウドとの間に配置し、組立体は、真空(約10−4トル)の下で約10分間の誘導加熱によって約954℃の温度まで昇温させる。組立体を冷却させた後に、ロウ付け接合部は、約495KHNの硬度を有する。
従って、本発明の金/ニッケル/銅/アルミニウム/銀ロウ付け合金は、チタン/銅/ニッケルロウ付け合金に比して延性及び耐衝撃性があり、様々なWC−Co材料を様々なチタン合金に接合するために用いる時、優れた濡れ性を示す。
本明細書では本発明の金/ニッケル/銅/アルミニウム/銀ロウ付け合金を特定の態様に関して説明しているが、本明細書を読むと当業者は様々な変更を想起することができるであろう。本発明は、全てのそのような変更を包含し、特許請求の範囲の技術的範囲によってのみ限定される。

Claims (10)

  1. 〜30質量%の金〜14質量%のニッケル5〜65質量%の銅〜3質量%のアルミニウムと、20〜55質量%の銀とからなるロウ付け材料。
  2. 層状形態になった、請求項1記載のロウ付け材料。
  3. 前記層状形態が、銅の少なくとも1つの層、金/銅/ニッケル合金の少なくとも1つの層及び銀/アルミニウム合金の少なくとも1つの層を含む、請求項2記載のロウ付け材料。
  4. 前記層状形態が、金/銅/ニッケル合金の少なくとも1つの層を含む、請求項2記載のロウ付け材料。
  5. 前記層状形態が、銀/アルミニウム合金の少なくとも1つの層を含む、請求項2記載のロウ付け材料。
  6. 該材料が、871〜954℃のロウ付け温度及び450〜550KHNのロウ付け後硬度を有するように選択された組成を有する、請求項1乃至請求項5のいずれか1項記載のロウ付け材料。
  7. 該材料が、タングステンカーバイド−コバルト材料をチタン合金にロウ付けするためのロウ付け合金である、請求項1乃至請求項6のいずれか1項記載のロウ付け材料。
  8. 5.3質量%の金、.6質量%のニッケル、6.1質量%の銅、.1質量%のアルミニウム及び1.9質量%の銀の組成を有する、請求項1乃至請求項7のいずれか1項記載のロウ付け材料。
  9. 4質量%の金、3.3質量%のニッケル、7.6質量%の銅、.7質量%のアルミニウム及び2.4質量%の銀の組成を有する、請求項1乃至請求項7のいずれか1項記載のロウ付け材料。
  10. .2質量%の金、.3質量%のニッケル、0.3質量%の銅、.5質量%のアルミニウム及び8.7質量%の銀の組成を有する、請求項1乃至請求項7のいずれか1項記載のロウ付け材料。
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