JP5197943B2 - ＷＣ−Ｃｏをチタン合金にろう付けするための金／ニッケル／銅ろう合金 - Google Patents

Description

本発明は、ろう合金に関し、より詳細には、炭化タングステン−コバルト複合材をチタン合金にろう付けするろう合金に関する。

炭化タングステン−コバルト（以後ＷＣ−Ｃｏ）は、ＷＣ−Ｃｏの高い機械的強度、硬度、耐蝕性、耐摩耗性のために、しばしば航空機エンジンに使用する様々な部品および構成要素を製作するのに用いられる。たとえば、航空機エンジンに用いられる耐摩耗性カーボロイパッドは、通常、（９０〜９８重量％）ＷＣと（２〜１０重量％）Ｃｏの混合物から構成される。ＷＣ−Ｃｏカーボロイパッドは、通常、航空機エンジンのファンおよび圧縮機動翼のミッドスパンシュラウドに磨耗対策のためにろう付けされる。これら動翼は、通常、βトランザス温度が１８００°Ｆまたはそれより僅かに上のＴｉ ６Ａｌ−４Ｖおよび／またはＴｉ ８Ａｌ−１Ｖ−１Ｍｏ合金で製作される。

従来技術では、Ｔｉ−１５Ｎｉ−１５Ｃｕなどのチタン／ニッケル／銅ろう合金（以後ＴｉＮｉＣｕ）が、カーボロイパッドをチタン合金動翼のミッドスパンシュラウドにろう付けするのに用いられてきた。ＴｉＮｉＣｕは良好な強度および延性でチタン合金をろう付けする主要ろう合金であるので、ＴｉＮｉＣｕろう箔もまた、ＷＣ−Ｃｏをチタン合金にろう付けするのに使用されてきた。しかし、ＴｉＮｉＣｕ合金は、チタン合金にＷＣ−Ｃｏをろう付けする用途に用いられた場合、ろう付けされたパッドが衝撃力（たとえば、鳥、隣接翼、様々な破片との衝突）を受けたとき、ろう付け接合部に欠け、割れが生じるなど、様々な衝撃損傷問題を生じてきた。

ろう付け衝撃損傷は、ＴｉＮｉＣｕろう合金を用いてＷＣ−Ｃｏをチタン合金にろう付けするときに形成されるろう付け接合部が、延性が低く脆性を有することに起因し得ることが判明している。詳細には、ＴｉＮｉＣｕろう材が溶融状態にある時、カーボロイパッドからタングステンおよびコバルトがろう付け接合部に溶出し、それによって低延性、高硬度（たとえば約１２００ＫＨＮ）のＷ−Ｃｏ−Ｔｉ−Ｎｉ−Ｃｕ合金のろう付け界面が形成されることが判明している。ろう付け界面には、０．３０ジュールほどの低い衝撃エネルギーで割れが生じ、０．６０ジュールの衝撃エネルギーで、カーボロイパッドが、脆性なろう付け界面で基体から剥離する。

したがって、チタン合金をチタンにろう付けするのに成功裡に使用されてきたＴｉＮｉＣｕろう合金が、耐衝撃性が求められるチタン合金へのＷＣ−Ｃｏのろう付けには使用することができない。

工業上入手可能なろう合金は、航空機用エンジン用途に関する、低ろう付け温度（たとえば１８００°Ｆ）、高延性、および低コストの複合的要件に適合することができていない。たとえば、Ｎｉｏｒｏ（商標）（金８２％、銅１８％）およびＮｉｃｏｒｏ８０（商標）（金８１．５％、銅１６．５％、およびニッケル２％）は、金が多く銅が少なく、そのため高価で、濡れ特性および延性に劣る。さらに、金３５％、銅６２％、およびニッケル３％を含む合金は、液相線温度が１８８６°Ｆ以上であり、ＷＣ−Ｃｏをチタン合金にろう付けするのに適用できない。
米国特許第４，０２９，４７９号 米国特許第４，０４０，８２２号 米国特許第４，２５２，５６２号 米国特許第４，４４７，３９１号 米国特許第４，４４８，６０５号 米国特許第４，６０４，３２８号 米国特許第４，６０４，６３６号 米国特許第４，６０６，９７８号 米国特許第４，６０６，９８２号 米国特許第４，６９０，８７６号 米国特許第４，９０３，８９０号 米国特許第４，９３８，９２２号 米国特許第５，３６８，２２０号 米国特許第４，４８６，３８６号 Web page,www.handyharmancanada.com,regarding "Brazing with Gold Filler Metals,"（初刊行日付不明） 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 II:High-Temperature Au-Ni-Ti Braze Alloy," Welding Journal,pp.256-S - 264-S (11/2002)

したがって、ろう付け温度が基体チタン合金のβトランザス温度より低く、延性および耐衝撃性を有するろう合金が必要である。詳細には、脆性なろう付け界面を形成せずにＷＣ−Ｃｏ材をチタン合金にろう付けできるろう合金が必要である。

一態様では、金約４０〜約６０重量パーセント、ニッケル約５〜約１６重量パーセント、および銅約３５〜約５５重量パーセントを含むろう材を提供する。

別の態様では、金約４５〜約４９重量パーセント、ニッケル約９〜約１１重量パーセント、および銅約４１〜約４５重量パーセントを含むろう材を提供する。

別の態様では、金約４７重量パーセント、ニッケル約１０重量パーセント、および銅約４３重量パーセントを含むろう材を提供する。

別の態様では、基本的に金、ニッケル、および銅で構成され、金、ニッケル、および銅が、約９５０〜９８０℃（１７５０°Ｆ〜約１８００°Ｆ）のろう付け温度を有し、約４５０〜約６００ＫＨＮのろう付け接合部硬度を有するろう材を提供するのに十分な量で存在するろう材を提供する。

別の態様では、第１の基体を第２の基体にろう付けする方法が提供される。その方法は、第１の基体と第２の基体の間にろう材を配置する段階であって、ろう材が金約４０〜約６０重量パーセント、ニッケル約５〜約１６重量パーセント、および銅約３５〜約５５重量パーセントを含む段階と、ろう材の温度を約９５０〜９８０℃（１７５０°Ｆ〜約１８００°Ｆ）に少なくとも約１分間上昇させる段階とを含む。

本発明の他の態様は、以下の詳細な説明および添付の特許請求の範囲から明らかになるであろう。

本発明が対象とするのは、第１の基体を第２の基体に（たとえば、ＷＣ−Ｃｏ材をチタン合金に）概ね９８０℃（１８００°Ｆ）より低いろう付け温度でろう付けし、それにより、βトランザス温度が１８００°Ｆ以上である基体の機械的特性の毀損を防止する金（４０〜６０重量％）、ニッケル（５〜１５重量％）、および銅（３５〜５５重量％）合金である。詳細には、本発明の合金は、ＷＣ−Ｃｏおよびチタン基体に対する優れた濡れ特性を確保する十分に高いニッケル含有量、耐衝撃性のために優れた延性を確保する十分に高い銅含有量、および適切なコストを確保する妥当な低さの金含有量を有する。

一態様では、本発明のろう合金は、金約４０〜約６０重量パーセント、ニッケル約５〜約１６重量パーセント、および銅約３５〜約５５重量パーセントを含む。

別の態様では、本発明のろう合金は、金約４５〜約４９重量パーセント、ニッケル約９〜約１１重量パーセント、および銅約４１〜約４５重量パーセントを含む。

別の態様では、本発明のろう合金は、金約４７重量パーセント、ニッケル約１０重量パーセント、および銅約４３重量パーセントを含む。

別の態様では、本発明のろう合金中の金、ニッケル、および銅の重量パーセントは、ろう合金の使用意図に基づいて選択することができる。詳細には、重量パーセントの選択は、その結果得られるろう合金が、ろう付け後（すなわち、ポストブレーズ：ｐｏｓｔ−ｂｒａｚｅ）高い耐衝撃性および延性（すなわち、低い硬度）を有し、また、ろう付けされる基体のβトランザス温度以下で溶融し、それにより高いろう付け温度による（たとえば相変態による）基体の機械的特性への悪影響が生じないように行うことができる。

本発明のろう合金は、様々な形態で提供することができる。一態様では、金、ニッケル、および銅を含む均質の合成物として提供することができる。別の態様では、ろう合金は、粉末として提供することができる。別の態様では、ろう合金は、層状または積層状の膜または箔として提供することができる。

粉末形態では、ろう合金は、諸金属が適切な量で存在する金、ニッケル、および銅の粉末の混合物として提供することができる。あるいは、混合物は、諸金属が適切な量で存在する金粉末およびニッケル／銅粉末、ニッケル粉末および金／銅粉末、銅粉末および金／ニッケル粉末、または、それらの様々な組み合わせを含むことができる。粉末は、適切な量の金、ニッケル、および銅を、ろう付けに先立って均質にした合金を含むことができ、あるいは、粉末が適切な溶融／ろう付け温度に過熱されると初めて、均質な合金が形成されるようにすることもできる。

層形態では、本発明の金／ニッケル／銅ろう合金の金属または合金は、別々の層として提供され、それによって、溶融後に同様な組成の均質な合金を実現して、耐衝撃性にとって必要な延性および硬度を達成する。たとえば、本発明によるろう合金は、銅／ニッケル合金箔の層を２層の金箔の間に配置し、銅箔の層を２層の金／ニッケル合金箔の間に配置し、または銅層を金箔の層とニッケル箔の層の間に配置した積層膜または層状材として提供することができる。その場合、諸金属は適切な量で存在する。諸層の様々な数および配置、様々な層における金属および／または合金の様々な組み合わせが、本発明の範囲に包含されることが、当業者には理解されよう。さらに、本発明による層状材は、平坦（すなわち平面）形状で使用することもでき、ろう付けに先立って巻き上げることもできることは、当業者には理解されよう。

ろう材を、２層の金／ニッケルろう箔の間に銅箔を配置することによって準備した。各層の厚さは、その結果得られるろう材が、層状材の総重量に対して金約４７重量％、ニッケル約１０重量％、および銅約４３重量％を含むように選択された。その結果得られたろう材は、約１７７５°Ｆのろう付け温度を有していた。

ろう材を、２層の金／ニッケルろう箔の間に銅箔を配置することによって準備した。各層の厚さは、その結果得られるろう材が、層状材の総重量に対して金約５２重量％、ニッケル約１１重量％、および銅約３６重量％を含むように選択された。その結果得られたろう材は、約１７９５°Ｆのろう付け温度を有していた。

実施例１のろう材を巻き上げ、ＷＣ−Ｃｏ（２〜１０％コバルト）カーボロイパッドとチタン合金（チタン９０重量％、アルミニウム６重量％、およびバナジウム４重量％）ミッドスパンシュラウドの間に配置し、その一式を真空下（約１０^−４トル）で約１０分間、約１８００°Ｆの温度に上げた（誘導過熱により）。一式が冷却された後、ろう付け接合部を測定すると、約５５０ＫＨＮの硬度を有していた。

実施例２のろう材を巻き上げ、ＷＣ−Ｃｏ（２〜１０％コバルト）カーボロイパッドとチタン合金（チタン９０重量％、アルミニウム６重量％、およびバナジウム４重量％）ミッドスパンシュラウドの間に配置し、その一式を真空下（約１０^−４トル）で約１０分間、約１８００°Ｆの温度に上げた（誘導過熱により）。一式が冷却された後、ろう付け接合部を測定すると、約５７０ＫＨＮの硬度を有していた。

したがって、本発明の金／ニッケル／銅ろう合金は、様々なＷＣ−Ｃｏ材を様々なチタン合金に接合するのに用いられるとき、チタン／ニッケル／銅ろう合金に比較して延性および耐衝撃性を有し、優れた濡れを示す。

本発明の金／ニッケル／銅ろう合金は、本明細書にいくつかの態様について記述されているが、当業者は本明細書を読めば変更形態を考え付くことができるであろう。本発明は、そのようなすべての変更形態を包含するものであり、特許請求の範囲によってのみ限定される。

Claims (9)

1. 炭化タングステン−コバルトからなる第１の基体を、チタン合金からなる第２の基体にろう付けするためのろう材であって、４０〜６０質量％の金と５〜１６質量％のニッケルと３５〜５５質量％の銅とからなるろう材。
2. 前記ろう材が、４５〜４９質量％の金と９〜１１質量％のニッケルと４１〜４５質量％の銅とからなる、請求項１記載のろう材。
3. 前記ろう材が、４７質量％の金と１０質量％のニッケルと４３質量％の銅とからなる、請求項１又は請求項２記載のろう材。
4. 前記ろう材が、均質な合金の形態である、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のろう材。
5. 前記ろう材が、粉末の形態である、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のろう材。
6. 前記ろう材が、層状の形態である、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のろう材。
7. 前記ろう材が、少なくとも１層の銅と少なくとも１層の金／ニッケル合金、少なくとも１層の金と少なくとも１層の銅／ニッケル合金、又は少なくとも１層のニッケルと少なくとも１層の金／銅合金を含む、請求項６記載のろう材。
8. 前記ろう材が９５０〜９８０℃のろう付け温度、および４５０〜６００ＫＨＮのろう付け後の硬度を有する、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載のろう材。
9. 炭化タングステン−コバルトからなる第１の基体を、チタン合金からなる第２の基体にろう付けするための方法であって、
   前記第１の基体と第２の基体の間に、請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載のろう材を配置する段階と、
   前記ろう材の温度を９５０〜９８０℃に少なくとも１分間上昇させる段階と
   を含む方法。