JP5160064B2

JP5160064B2 - チタン合金にＷＣ−Ｃｏをろう付けするための銀／アルミニウム／銅／チタン／ニッケルろう付け合金

Info

Publication number: JP5160064B2
Application number: JP2006289621A
Authority: JP
Inventors: カジム・オズベイサル
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2005-10-28
Filing date: 2006-10-25
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2026-10-25
Also published as: DE602006019042D1; JP2007118084A; US7461772B2; EP1782912B1; EP1782912A1; US20070104607A1

Description

本発明は、ろう付け合金に関し、より具体的には、チタン合金に炭化タングステン−コバルト材料をろう付けするためのろう付け合金に関する。

炭化タングステン−コバルト材料（本明細書では、ＷＣ−Ｃｏ）は、該ＷＣ−Ｃｏの機械的強度、硬度、耐食性及び耐摩耗性の故に航空機エンジン用途の様々な部品及び構成要素を作るのにしばしば用いられる。例えば、航空機エンジンで用いられる耐摩耗性カーボロイ（ｃａｒｂｏｌｏｙ）パッドは通常、（９０〜９８ｗｔ％）のＷＣ及び（２〜１０ｗｔ％）のＣｏの混合物で構成される。ＷＣ−Ｃｏカーボロイパッドは通常、航空機エンジンにおいて摩耗用途のためにファン及び圧縮機ブレードスパン中央シュラウドにろう付けされる。これらのブレードは通常、約１８００°Ｆ又はこれをわずかに超えるベータ（β）トランザス温度を有するＴｉ６Ａｌ−４Ｖ及び／又はＴｉ８Ａｌ−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／ニッケルろう付け合金（本明細書では、ＴｉＣｕＮｉ）は、チタン合金ブレードスパン中央シュラウドにカーボロイパッドをろう付けするために用いられてきた。ＴｉＣｕＮｉは良好な強度及び延性を有するチタン合金ろう付け用の主要なろう付け合金であるので、ＴｉＣｕＮｉろう付けフォイルが、チタン合金にＷＣ−Ｃｏをろう付けするために用いられてきた。しかしながら、ＴｉＣｕＮｉ合金は、チタン合金へのＷＣ−Ｃｏのろう付けを含む用途に用いた場合に、ろう付けパッドが衝撃力（例えば、鳥、隣接するブレード又は様々なデブリとの衝突）を受けたとき、ろう付け継手における欠け落ち及び破砕を含む様々な衝撃破損問題を示した。

ろう付け衝撃破損は、ＴｉＣｕＮｉろう付け合金を用いてチタン合金にＷＣ−Ｃｏをろう付けしたときに形成される低延性脆弱ろう付け継手に原因がある可能性があることが判った。具体的には、ＴｉＣｕＮｉろう材が溶融状態にあるとき、カーボロイパッドからのタングステン及びコバルトがろう付け継手内に溶解し、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合金ろう付け界面が形成されることが判った。このろう付け界面は、０．３０ジュールほどの低い衝撃エネルギーで割れ発生を示し、また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なろう付け界面において基材から遊離する。

従って、チタン合金にチタン合金をろう付けするのに成功裏に用いられてきたＴｉＣｕＮｉろう付け合金は、耐衝撃性が要求される場合にはチタン合金にＷＣ−Ｃｏをろう付けするのに用いることができない。

産業上入手可能なろう付け合金は、航空機エンジン用途に必要な低いろう付け温度（すなわち、１８００°Ｆ以下）、高い延性及び低コストの複合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）合金はニッケルが不足しており、ろう付け時間が短い場合にはＷＣとの濡れ性の問題を生じる可能性がある。９５％Ａｇ−５％Ａｌである別の銀合金は、銅及びニッケルの両方が不足しており、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ上へのＷＣ−Ｃｏの腐食摩耗用途では成功しなかった。第３の候補、すなわち高い銅含有量の銀無含有軟質ろう付け合金Ｃｏｐｐｅｒ−ＡＢＡ（登録商標）（Ｃｕ＋２％Ａｌ＋３％Ｓｉ＋２．２５％Ｔｉ）は、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖのβトランザス温度以上のろう付け温度を有し、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４，９３８，９２２号公報 Web page www.coiningllc.com, by Coining of America, LLC regarding "Typical alloys Table" (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. Web page www.handyhamancanada.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 SuAgTi 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 ll: High-Temperature Au-Ni-Ti Braze Alloy, Welding Journal, pp. 256-S-264-S(11/2002)

従って、基材チタン合金のβトランザス温度以下のろう付け温度を有する延性かつ耐衝撃性のろう付け合金の必要性がある。具体的に、脆弱なろう付け界面を形成せずにチタン合金にＷＣ−Ｃｏ材料をろう付けするためのろう付け合金の必要性がある。

１つの態様では、ろう材を提供し、本ろう材は、２０〜６０重量パーセントの銀、１〜４重量パーセントのアルミニウム、２０〜６５重量パーセントの銅、３〜１８重量パーセントのチタン及び１〜４重量パーセントのニッケルを含む。

別の態様では、ろう材を提供し、本ろう材は、約２７．６重量パーセントの銀、約１．４重量パーセントのアルミニウム、約６０重量パーセントの銅、約９重量パーセントのチタン及び約１．９重量パーセントのニッケルを含む。

別の態様では、ろう材を提供し、本ろう材は、約４８．９重量パーセントの銀、約２．６重量パーセントのアルミニウム、約２９．１重量パーセントの銅、約１６重量パーセントのチタン及び約３．４重量パーセントのニッケルを含む。

別の態様では、ろう材を提供し、本ろう材は、本質的に銀、アルミニウム、銅、チタン及びニッケルで構成され、銀、アルミニウム、銅、チタン及びニッケルは、８７１〜９５４℃（１６００〜１７５０°Ｆ）のろう付け温度及び４５０〜５５０ＫＨＮのろう付け継手硬度を有するろう材を形成するのに十分な量で存在する。

別の態様では、第１の基材を第２の基材にろう付けする方法を提供する。本方法は、第１の基材と第２の基材との間に、２０〜６０重量パーセントの銀、１〜４重量パーセントのアルミニウム、２０〜６５重量パーセントの銅、３〜１８重量パーセントのチタン及び１〜４重量パーセントのニッケルを含むろう材を配置するステップと、ろう材の温度を少なくとも１分間少なくとも８７１℃（１６００°Ｆ）まで昇温させるステップとを含む。

本発明の他の態様は、以下の詳細な説明及び特許請求の範囲から明らかになるであろう。

本発明は、一般的に９８２℃（１８００°Ｆ）以下のろう付け温度で第１の基材を第２の基材に（例えば、ＷＣ−Ｃｏ材料をチタン合金に）ろう付けし、それによってそのβトランザス温度が９８２℃（１８００°Ｆ）以上である基材の機械特性に対するダメージを防止するための、Ａｇ（２０〜６０ｗｔ％）、Ａｌ（１〜４ｗｔ％）、Ｃｕ（２０〜６５ｗｔ％）、Ｔｉ（３〜１８ｗｔ％）及びＮｉ（１〜４ｗｔ％）合金を対象とする。具体的には、本発明の合金は、ＷＣ−Ｃｏ及びチタン基材の両方に対する濡れ性を保証するニッケル含有量と、耐衝撃性のための延性を保証するのに十分なほど高い銅含有量と、適正なコストを保証するのに妥当なほど低い銀含有量と、脆弱性がない状態で強度を得るのに十分なチタン及びアルミニウム含有量とを有する。

１つの態様では、本発明のろう付け合金は、約２０〜約６０重量パーセントの銀、約１〜約４重量パーセントのアルミニウム、約２０〜約６５重量パーセントの銅、約３〜約１８重量パーセントのチタン及び約１〜約４重量パーセントのニッケルを含む。

別の態様では、本発明のろう付け合金は、約２７．６重量パーセントの銀、約１．４重量パーセントのアルミニウム、約６０重量パーセントの銅、約９重量パーセントのチタン及び約１．９重量パーセントのニッケルを含む。

別の態様では、本発明のろう付け合金は、約４８．９重量パーセントの銀、約２．６重量パーセントのアルミニウム、約２９．１重量パーセントの銅、約１６重量パーセントのチタン及び約３．４重量パーセントのニッケルを含む。

別の態様では、本発明のろう付け合金における銀、アルミニウム、銅、チタン及びニッケルの重量パーセントは、ろう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、得られたろう付け合金が、ろう付け後の高い耐衝撃性及び延性（すなわち、低い硬度）とＷＣ−Ｃｏ及びチタン合金に対する良好な濡れ特性とを有し、かつ基材の機械特性が高いろう付け温度によって悪影響（例えば、相変態によって）を受けないようにろう付け対象の基材のβトランザス温度以下で融解するように選択することができる。

本発明のろう付け合金は、様々な形態で形成することができる。１つの態様では、ろう付け合金は、銀、アルミニウム、銅、チタン及びニッケルを含む均質な組成物として形成することができる。別の態様では、ろう付け合金は、粉末として形成することができる。別の態様では、ろう付け合金は、層状又は積層フィルム又はフォイルとして形成することができる。

粉末形態では、ろう付け合金は、その中に金属が適当な量で存在する、銀、アルミニウム、銅、チタン及びニッケル粉末の混合物並びに／或いは銀、アルミニウム、銅、チタン及びニッケルの１つ又は複数の合金の粉末として形成することができる。１つの態様では、粉末は、該粉末が適当な融解／ろう付け温度に加熱されるまで、均質合金を形成しないものとすることができる。例えば、本発明によるろう付け合金は、銅粉末、銀／アルミニウム粉末及びチタン／銅／ニッケル粉末の分散体として形成することができる。

層状形態では、銀、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル及びその合金は、別個の層として形成され、それによって適当な融解／ろう付け温度に加熱された後にのみ均質合金を形成することができる。例えば、本発明の態様によるろう付け合金は、銅の層が銀／アルミニウムフォイルの層とチタン／銅／ニッケルフォイルの層との間に配置された積層フィルム又は層状材料として形成することができる。

ここに至って、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、或いはろう付けに先だって丸めるか又は折り畳むことができることが、当業者には分かるであろう。

ろう材が、銀／アルミニウムフォイルの層とチタン／銅／ニッケルフォイルの層との間に挟まれた銅フォイルを用いて準備される。各層の厚さは、得られた層状材料が該層状材料の総重量に対して約２７．６ｗｔ％の銀、約１．４ｗｔ％のアルミニウム、約６０ｗｔ％の銅、約９ｗｔ％のチタン及び約１．９ｗｔ％のニッケルを含むように選択される。得られた層状材料は、約９２７℃（１７００°Ｆ）のろう付け温度を有する。

ろう材が、銀／アルミニウムフォイルの層とチタン／銅／ニッケルフォイルの層との間に挟まれた銅フォイルを用いて準備される。各層の厚さは、得られた層状材料が該層状材料の総重量に対して約４８．９ｗｔ％の銀、約２．６ｗｔ％のアルミニウム、約２９．１ｗｔ％の銅、約１６ｗｔ％のチタン及び約３．４ｗｔ％のニッケルを含むように選択される。得られた層状材料は、９２１℃（約１６９０°Ｆ）のろう付け温度を有する。

実施例１の層状材料が、丸められ、ＷＣ−Ｃｏ（２〜１０％のコバルト）カーボロイパッドとチタン合金（９０ｗｔ％のＴｉ、６ｗｔ％のＡｌ及び４ｗｔ％のＶ）スパン中央シュラウドとの間に配置され、この組立体が、誘導加熱によって約１０分間真空下（約１０^−４トル）で約９２７℃（１７００°Ｆ）の温度まで昇温される。組立体を冷却させた後に、ろう付け継手は、約４６０ＫＨＮの硬度を有する。

実施例２の層状材料が、丸められ、ＷＣ−Ｃｏ（２〜１０％のコバルト）カーボロイパッドとチタン合金（９０ｗｔ％のＴｉ、６ｗｔ％のＡｌ及び４ｗｔ％のＶ）スパン中央シュラウドとの間に配置され、この組立体が、誘導加熱によって約１０分間真空下（約１０^−４トル）で約９２７℃（１７００°Ｆ）の温度まで昇温される。組立体を冷却させた後に、ろう付け継手は、約４８０ＫＨＮの硬度を有する。

従って、本発明の銀／アルミニウム／銅／チタン／ニッケルろう付け合金は、チタン／銅／ニッケル合金に対して延性及び耐衝撃性があり、かつ様々なチタン合金に様々なＷＣ−Ｃｏ材料を接合するのに使用したとき優れた濡れ性を示す。

本明細書では本発明の銀／アルミニウム／銅／チタン／ニッケルろう付け合金を特定の態様に関して説明しているが、本明細書を読むことにより当業者は改良を想起することができる。本発明は、全てのそのような改良を含み、特許請求の範囲によってのみ限定されるものである。

Claims

２０〜６０重量％の銀、１〜４重量％のアルミニウム、２０〜６５重量％の銅、３〜１８重量％のチタン及び１〜４重量％のニッケルからなるろう材。
粉末形態である、請求項１記載のろう材。
層状形態である、請求項１記載のろう材。
前記層状形態が、少なくとも１つの層の銅、少なくとも１つの銀／アルミニウム合金の層及び少なくとも１つのチタン／銅／ニッケル合金の層を含む、請求項３記載のろう材。
前記層状形態が、少なくとも１つの銀／アルミニウム合金の層を含む、請求項３記載のろう材。
前記層状形態が、少なくとも１つのチタン／銅／ニッケル合金の層を含む、請求項３記載のろう材。
前記ろう材が８７１〜９５４℃（１６００〜１７５０°Ｆ）のろう付け温度及び４５０〜５５０ＫＨＮのろう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記載のろう材。
２７．６重量％の銀、１．４重量％のアルミニウム、６０重量％の銅、９重量％のチタン及び１．９重量％のニッケルの組成を実質的に有する、請求項１記載のろう材。
４８．９重量％の銀、２．６重量％のアルミニウム、２９．１重量％の銅、１６重量％のチタン及び３．４重量％のニッケルの組成を実質的に有する、請求項１記載のろう材。
前記ろう材が、チタン合金に炭化タングステン−コバルト材料（ＷＣ−Ｃｏ）をろう付けするためのろう材である、請求項１乃至請求項９のいずれか１項記載のろう材。
第１の基材を第２の基材にろう付けする方法であって、
炭化タングステン−コバルト材料（ＷＣ−Ｃｏ）からなる第１の基材と、チタン合金からなる第２の基材との間に、請求項１乃至請求項９のいずれか１項記載のろう材を配置するステップと、
前記ろう材の温度を少なくとも１分間少なくとも８７１℃（１６００°Ｆ）まで昇温させるステップと
を含む方法。