JP6275411B2 - ろう付方法 - Google Patents

Description

本発明は、ろう付方法に関し、特に、母材に形成された欠陥を補修するときに利用されるろう付方法に関する。

チタンとアルミニウムとを含有するＴｉＡｌ金属間化合物が知られている。そのＴｉＡｌ金属間化合物は、耐熱性と軽量であることが必要とされる部品に適用される。その部品としては、飛昇体及び航空宇宙用エンジン部品が例示される。そのＴｉＡｌ金属間化合物は、機械加工する際に、欠け・割れが発生しやすい。ＴｉＡｌ金属間化合物から形成される部品は、このような欠け・割れが発生したときに、その欠け・割れが発生した領域を肉盛する必要がある。そのＴｉＡｌ金属間化合物から形成される部品は、一般的に脆く、母材と同等の溶加材を用いて肉盛したときに、その肉盛りした箇所に生じる残留応力が高く、延性が低いために、割れが発生しやすく、補修が困難である。このため、ＴｉＡｌ金属間化合物から形成される部品の肉盛には、ＴｉＡｌ金属間化合物と異なる材料から形成される溶加材によるろう付けが適用される。ＴｉＡｌ金属間化合物に例示される脆い母材をより適切に補修することが望まれている。

特許第３７４１５４７号公報には、特に航空分野で必要とされるような十分な品質標準を実現し得るチタンアルミナイド製部品の拡散ろう付けによる方法が開示されている。その接合方法は、チタンアルミナイド製部品の拡散ろう付けによる接合方法である。その接合方法は、（ａ）粉末Ａと粉末Ｂの均質混合物を調製する段階と、（ｂ）前段階（ａ）で得られた粉末混合物に有機結合剤を混合してペーストを調製する段階と、（ｃ）部品の接合ギャップを覆うようにペーストを堆積する段階と、（ｄ）前段階（ｃ）で得られたアセンブリを１０００℃〜１３００℃の温度の真空炉で数分間〜６時間加熱する段階を含んでいる。粉末Ａは、その均質混合物の総量の４０〜９０％の重量比率に相当するチタンアルミナイド合金から構成される。粉末Ｂは、粉末Ａの溶融開始温度よりも低い融点をもち、粉末Ａを化学的に湿潤させることが可能なチタン又は銅をベースとする合金から構成され、その均質混合物の総量の１０〜６０％の重量比率に相当する（ここで粉末Ａ及びＢの前記比率は方法の実施パラメーター、温度及び粉末の粒度に応じて決定される）。

特開平０４−３６７３８２号公報には、接合条件を緩和して接合部品質を向上させ得る高強度ＴｉＡｌの接合体が開示されている。その高強度ＴｉＡｌの接合体は、接合を目的とした基材である２つのＴｉＡｌ金属間化合物層と、該２つのＴｉＡｌ金属間化合物層の間に設けられたＴｉ３Ａｌ金属間化合物層を含む２つの拡散層と該２つの拡散層間に設けられたインサート材である金属Ｔｉ層とを備えてなることを特徴としている。

特許第３７４１５４７号公報 特開平０４−３６７３８２号公報

本発明の課題は、母材に形成された欠陥をより適切に補修するろう付方法を提供することにある。

以下に、発明を実施するための形態・実施例で使用される符号を括弧付きで用いて、課題を解決するための手段を記載する。この符号は、特許請求の範囲の記載と発明を実施するための形態・実施例の記載との対応を明らかにするために付加されたものであり、特許請求の範囲に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

本発明によるろう付方法は、母材（１）の補修領域（５−１〜５−ｎ）に形成された溝（７−ｉ）の鉛直下側に当て板（１１−ｉ）が配置されるように、母材（１）に当て板（１１−ｉ）を固定するステップと、母材粉末及びろう材粉末を混合したペースト（１４−ｉ、１５−ｉ）が溝（７−ｉ）に充填された後に、そのろう材粉末が溶融されるように、母材（１）を加熱するステップを備えている。溝（７−ｉ）に充填された母材及びろう材の混合ペーストは、当て板（１１−ｉ）が母材（１）に配置されていないときに、溶融すると溝（７−ｉ）から脱落することがある。このようなろう付方法によれば、その母材及びろう材の混合ペーストは、そのろう材が溶融したときに、当て板（１１−ｉ）により溝（７−ｉ）から脱落することが防止され、溝（７−ｉ）の鉛直下側に当て板（１１−ｉ）を配置しない他のろう付方法に比較して、補修領域（５−１〜５−ｎ）をより適切に修復することができる。

母材（１）は、チタンとアルミニウムとを含有する金属間化合物から形成されている。その金属間化合物は、γ相と、β相と、α２／γラメラ相とを有している。このような金属間化合物から形成される部材は、機械加工により、欠け・割れが発生しやすい。このようなろう付方法は、このような金属間化合物から形成される母材（１）をより適切に補修することができる。

溝（７−ｉ）に母材ペースト（１４−ｉ）を塗布するステップと、溝（７−ｉ）に母材ペースト（１４−ｉ）が塗布された後に、溝（７−ｉ）にろう材ペースト（１５−ｉ）を塗布するステップとをさらに備えている。母材ペースト（１４−ｉ）は、その母材粉末を含有している。ろう材ペースト（１５−ｉ）は、チタンと銅とニッケルとを含有する合金から形成されるろう材粉末を含有している。母材（１）は、ろう材ペースト（１５−ｉ）が溝（７−ｉ）に塗布された後に、加熱される。このようなろう付方法によれば、その母材粉末がろう材粉末とともに溝（７−ｉ）に充填されることにより、その母材粉末をより適切に溶融することができ、補修領域（５−１〜５−ｎ）をより適切に修復することができる。

その母材粉末の粒径は、そのろう材粉末の粒径より大きい。このようなろう付方法によれば、そのろう材粉末は、溝（７−ｉ）の内部でその母材粉末の隙間に侵入し、その複数の補修領域（５−１〜５−ｎ）をより適切に修復することができる。

当て板（１１−ｉ）は、母材（１）を形成する材料から形成される。そのろう材粉末は、そのろう材粉末が溶融したときに、母材（１）にエロージョンを起こすことがあるが、本発明によるろう付方法は、補修領域（５−１〜５−ｎ）を適切に修復することができる。

当て板（１１−ｉ）は、チタンから形成される箔（１２−ｉ）を介して母材（１）に固定される。このようなろう付方法によれば、当て板（１１−ｉ）は、母材（１）により強固に固定され、母材（１）から脱落することが防止され、補修領域（５−１〜５−ｎ）をより適切に修復することができる。

本発明によるろう付方法は、補修領域（５−１〜５−ｎ）に形成された欠肉部（４−ｉ）の表面が除去されるように、母材（１）に溝（７−ｉ）を形成するステップをさらに備えている。このようなろう付方法は、補修領域（５−１〜５−ｎ）に形成された欠肉部（４−ｉ）の表面が酸化・汚染されているときに、欠肉部（４−ｉ）の表面が除去されることにより、補修領域（５−１〜５−ｎ）をより適切に修復することができる。

母材（１）は、溝（７−ｉ）を含んでいる複数の溝（７−１〜７−ｎ）が形成され、ペースト（１４−ｉ、１５−ｉ）を含んでいる複数のペースト（１４−１〜１４−ｎ、１５−１〜１５−ｎ）が複数の溝（７−１〜７−ｎ）にそれぞれ充填されているときに、加熱される。このようなろう付方法は、複数の溝（７−１〜７−ｎ）を並行して補修することができ、その複数の補修領域（５−１〜５−ｎ）をより高速に修復することができる。

本発明によるろう付方法によれば、母材に形成された溝から母材及びろう材の混合ペーストが脱落することが防止され、その補修領域をより適切に修復することができる。

図１は、本発明によるろう付方法により補修される母材を示す断面図である。 図２は、母材に形成された欠陥を示す断面図である。 図３は、母材に形成された溝を示す断面図である。 図４は、母材に固定された当て板を示す断面図である。 図５は、溝に塗布されたペーストを示す断面図である。 図６は、加熱される前の母材を示す断面図である。

図面を参照して、本発明によるろう付方法の実施の形態を記載する。図１は、そのろう付方法により修復される母材を示している。その母材１は、チタンとアルミニウムとを含有する金属間化合物から形成されている。その金属間化合物は、γ相とβ相とα２／γラメラ相とを有している。このような金属間化合物は、周知であり、たとえば、特許第３７４１５４７号公報と特開平０４−３６７３８２号公報とに開示されている。このような母材１は、脆く、欠け・割れが形成されやすく、鋳造されたときに、または、加工されたときに、表面に欠け・割れが形成されることがある。

母材１は、鍛造により、鉛直表面２と水平表面３とが形成されている。鉛直表面２は、母材１を所定の姿勢に配置したときに、鉛直面に平行である平面に沿うように形成されている。水平表面３は、母材１をその所定の姿勢に配置したときに、鉛直面に垂直である平面に沿うように形成されている。

母材１は、表面に複数のクラックが形成されている。その複数のクラックは、母材１が作製されたときに生じているものであり、母材１が鋳造されたときに生じたクラックと母材１が熱間加工されたときに生じたクラックと母材１が冷間加工されたときに生じたクラックとを含んでいる。その複数のクラックは、鉛直表面２に形成される複数のクラック４−１〜４−ｎ（ｎ＝２、３、４、…）と水平表面３に形成される複数のクラックとを含んでいる。

複数のクラック４−１〜４−ｎのうちの任意のクラック４−ｉ（ｉ＝１、２、３、…、ｎ）は、図２に示されているように、鉛直表面２が裂けたように、形成されている。クラック４−ｉは、クラック４−ｉを形成している表面に不純物が付着していることがある。その不純物としては、母材１が配置される雰囲気に浮遊する浮遊物、その表面が酸化されることにより生成された酸化物が例示される。水平表面３に形成される複数のクラックは、それぞれ、クラック４−ｉと同様にして、水平表面３が裂けたように、形成されている。

母材１は、複数のクラック４−１〜４−ｎに対応する複数の補修領域５−１〜５−ｎが設定されている。複数の補修領域５−１〜５−ｎは、複数のクラック４−１〜４−ｎのうちの任意のクラック４−ｉが複数の補修領域５−１〜５−ｎのうちの任意のクラック４−ｉに対応する補修領域５−ｉに配置されるように、設定されている。

母材１は、さらに、水平表面３に形成される複数のクラックに対応する複数の補修領域６−１〜６−ｍ（ｍ＝２、３、４、…）が設定されている。複数の補修領域６−１〜６−ｍは、水平表面３に形成される複数のクラックのうちのあるクラックが、複数の補修領域６−１〜６−ｍのうちのそのクラックに対応する補修領域６−ｊ（ｊ＝１、２、３、…、ｍ）に配置されるように、設定されている。

本発明によるろう付方法の実施の形態は、溝加工する動作と当て板を配置する動作と母材ペーストを塗布する動作とろう材ペーストを塗布する動作と加熱する動作と仕上げる動作とを備えている。

その溝加工する動作では、複数の補修領域５−１〜５−ｎに対応する複数の溝が形成され、複数の補修領域６−１〜６−ｍに対応する複数の溝が形成される。その複数の溝のうちの任意の補修領域５−ｉに対応する溝７−ｉは、図３に示されているように、補修領域５−ｉに形成されているクラック４−ｉの表面の全部が母材１から除去されるように、形成されている。溝７−ｉの幅としては、５ｍｍ程度が例示される。溝７−ｉの深さとしては、１０ｍｍ程度が例示される。溝７−ｉの長さとしては、６０ｍｍ程度が例示される。溝７−ｉは、作業者が工具を操作することにより、形成される。その複数の溝のうちの任意の補修領域６−ｉに対応する溝は、溝７−ｉと同様にして、形成される。

その当て板を配置する動作では、まず、複数の補修領域５−１〜５−ｎに対応する複数の当て板が準備される。その複数の当て板は、それぞれ、母材１が形成されている金属間化合物から形成され、板状に形成されている。その複数の当て板のうちの補修領域５−ｉに対応する当て板１１−ｉは、図４に示されているように、補修領域５−ｉのうちの溝７−ｉの鉛直下側に箔１２−ｉを介して接合されている。箔１２−ｉは、金属チタンから形成されている。当て板１１−ｉは、作業者が工具を操作することにより、補修領域５−ｉに接合される。箔１２−ｉを介して当て板１１−ｉを母材１に強固に接合する方法は、公知であり、たとえば、特開平０４−３６７３８２号公報に開示されている。

その母材ペーストを塗布する動作では、まず、母材ペーストが準備される。その母材ペーストは、ペースト状に形成され、母材粉末と有機溶剤ベースのバインダとが混合されることにより形成されている。その母材粉末は、母材１が形成されている金属間化合物から形成され、粉末状に形成されている。その母材粉末の粒径としては、１００μｍ程度が例示される。その母材ペーストは、複数の補修領域５−１〜５−ｎに形成されている複数の溝にそれぞれ塗布され、複数の補修領域６−１〜６−ｍに形成されている複数の溝にそれぞれ塗布される。その母材ペースト１４−ｉは、図５に示されているように、溝７−ｉに塗布されることにより、溝７−ｉに充填される。複数の補修領域６−１〜６−ｍにそれぞれ形成された複数の溝も、それぞれ、溝７−ｉと同様にして、その母材ペーストが塗布される。

そのろう材ペーストを塗布する動作では、まず、ろう材ペーストが準備される。そのろう材ペーストは、ペースト状に形成され、ろう材粉末と有機溶剤ベースのバインダとが混合されることにより形成されている。そのろう材粉末は、チタンと銅とニッケルとを含有する合金から形成され、粉末状に形成されている。その合金は、チタンを主成分としている。その合金の銅の濃度としては、５ｗｔ．％〜２０ｗｔ．％が例示される。その合金のニッケルの濃度としては、５ｗｔ．％〜２０ｗｔ．％が例示される。そのろう材粉末の粒径は、その母材粉末の粒径より小さく、そのろう材粉末の粒径としては、４５μｍ以下が例示される。

そのろう材ペーストは、その母材ペーストがその複数の溝にそれぞれ塗布された後に、その複数の溝にそれぞれ塗布される。すなわち、そのろう材ペースト１５−ｉは、母材ペースト１４−ｉが溝７−ｉに塗布された後に、溝７−ｉに塗布される。このとき、母材ペースト１４−ｉとろう材ペースト１５−ｉとは、母材ペースト１４−ｉが溝７−ｉに塗布された後にろう材ペースト１５−ｉが溝７−ｉに塗布されることにより、そのろう材粉末がその母材粉末の隙間に拡散するように、溝７−ｉに充填される。複数の補修領域６−１〜６−ｍにそれぞれ形成された複数の溝も、それぞれ、溝７−ｉと同様にして、そのろう材ペーストが塗布される。

その加熱する動作は、その複数の溝の全部にそのろう材ペーストが塗布された後に、実行される。母材１は、まず、加熱炉の内部に配置される。その加熱炉は、母材１がその加熱炉の内部に配置されているときに、その加熱炉の内部が環境から密閉される。その加熱炉は、その加熱炉の内部が密閉された後に、母材１が配置される雰囲気が所定の真空度になるように、排気装置によりその加熱炉の内部から気体が排気される。その所定の真空度としては、１０^−３Ｐａより小さい気圧が例示される。母材１は、その雰囲気の気圧がその真空度以下であるときに、母材１が所定の温度で所定の時間だけ保持されるように、その加熱炉により加熱される。その所定の温度は、母材１が形成される金属間化合物の融点より小さい温度であり、かつ、ろう材粉末が形成される合金の融点より大きい温度であり、たとえば、１０００℃〜１２００℃のうちの温度が例示される。その所定の時間としては、５分〜１０分が例示される。

母材１は、その所定の温度で所定の時間だけ保持された後に、放冷される。その所定の時間としては、５分〜１０分が例示される。その加熱炉は、母材１が十分に放冷された後に、その排気装置によりその加熱炉の内部に大気が供給される。その加熱炉は、その加熱炉の内部の気圧が十分に昇圧されたときに、開放され、母材１がその加熱炉の内部から取り出される。

そのろう材粉末は、母材１がその温度でその時間だけ保持されることにより、融解する。その母材粉末は、その融解したろう材粉末に接触することにより、融解する。その融解したろうは、母材１が冷却されることにより、凝固し、その複数の溝は、そのろうが凝固することにより、肉盛される。このような母材粉末とろう材粉末とを用いて欠肉部を肉盛する動作は、公知であり、たとえば、特許第３７４１５４７号公報に開示されている。

その仕上げる動作では、母材１は、複数の補修領域５−１〜５−ｎと複数の補修領域６−１〜６−ｍとで凝固したろうが十分に凝固した後に、その凝固したろうで鉛直表面２に形成された突起が除去されるように、鉛直表面２が加工され、その凝固したろうで水平表面３に形成された突起が除去されるように、水平表面３が加工される。

このようなろう付方法によれば、溝７−ｉの内部で融解しているろうは、当て板１１−ｉにより、鉛直表面２に沿って鉛直下側に流れることが防止され、溝７−ｉから流れ出ることが防止される。このようなろう付方法によれば、さらに、複数の補修領域６−１〜６−ｍに形成された溝の内部で融解したろうは、重力により、その溝から流れ出ることが防止される。このため、このようなろう付方法によれば、溝７−ｉの鉛直下側に当て板が配置されてない他のろう付方法に比較して、溝７−ｉの内部で融解しているろうは、より確実に溝７−ｉの内部で凝固し、溝７−ｉは、より確実に肉盛され、母材１は、より適切に補修されることができる。

このようなろう付方法によれば、当て板１１−ｉは、その母材粉末が形成される金属間化合物から当て板１１−ｉが形成されていることにより、その融解しているろうに母材１より悪影響を及ぼしやすい材料から形成される他の当て板に比較して、当て板１１−ｉに接触したろうに及ぼす悪影響を低減することができる。このため、このようなろう付方法によれば、母材１は、より適切に補修されることができる。

このようなろう付方法によれば、母材１に形成された複数の溝に充填された母材ペーストとろう材ペーストとは、母材１の全体が加熱されることにより、並行して融解される。このため、このようなろう付方法によれば、その母材ペーストとろう材ペーストとが充填された複数の溝を個別に加熱する他のろう付方法に比較して、母材１に形成された複数のクラックがより高速に、より容易に補修されることができる。

なお、本発明によるろう付方法は、溝加工する動作を省略することもできる。このようなろう付方法は、たとえば、その母材ペーストとろう材ペーストとが塗布できる程度にクラック４−ｉが十分に大きく、クラック４−ｉを形成する表面が肉盛に悪影響を与えない程度に十分に清浄であるときに、適用されることができる。このようなろう付方法も、既述の実施の態におけるろう付方法と同様にして、ろうがクラック４−ｉから流れ出ることが防止され、母材１に形成された欠陥をより適切に補修することができる。

なお、当て板１１−ｉは、母材１に直接に接合される他の当て板に置換されることができる。このような当て板は、箔１２−ｉを介さないで母材１に直接に接合されたときに、十分な強度で接合されることができるときに、適用されることができる。このような当て板が適用されたろう付方法も、既述の実施の形態におけるろう付方法と同様にして、ろうが溝７−ｉから流れ出ることが防止され、母材１に形成された欠陥をより適切に補修することができる。

なお、当て板１１−ｉは、母材１が形成される金属間化合物と異なる他の材料から形成される他の当て板に置換されることができる。このような当て板が適用されたろう付方法は、その材料が融解したろう材に悪影響を及ぼし難いときに、既述の実施の形態におけるろう付方法と同様にして、ろうが溝７−ｉから流れ出ることが防止され、母材１に形成された欠陥をより適切に補修することができる。

なお、母材ペーストと異なりろう材ペーストと異なる他のペーストを塗布することにより、溝７−ｉに母材粉末とろう材粉末とを充填することもできる。そのペーストとしては、その母材粉末とそのろう材ペーストと有機溶剤ベースのバインダとが混合されることにより形成されているペーストが例示される。このようなペーストが適用されたろう付方法も、既述の実施の形態におけるろう付方法と同様にして、ろうが溝７−ｉから流れ出ることが防止され、母材１に形成された欠陥をより適切に補修することができる。

なお、複数の補修領域５−１〜５−ｎは、その母材ペーストとろう材ペーストとが塗布された後に、別個に加熱されることもできる。このようなろう付方法も、既述の実施の形態におけるろう付方法と同様にして、ろうが溝７−ｉから流れ出ることが防止され、母材１に形成された欠陥をより適切に補修することができる。

なお、本発明によるろう付方法は、チタンとアルミニウムとを含有する金属間化合物と異なる他の金属材料から形成されている他の母材を補修することに適用することもできる。このとき、ろう材粉末は、そのろう材粉末とその金属材料とが接しているときに、その金属材料の融点以下の温度であっても、その接している部分から合金となって融けてゆく材料から形成されている。このとき、このようなろう付方法によれば、このような母材は、母材１と同様にして、より適切に補修されることができる。

１ ：母材
２ ：鉛直表面
３ ：水平表面
４−１〜４−ｎ：複数のクラック
５−１〜５−ｎ：複数の補修領域
６−１〜６−ｍ：複数の補修領域
７−ｉ：溝
１１−ｉ：当て板
１２−ｉ：箔
１４−ｉ：母材ペースト
１５−ｉ：ろう材ペースト

Claims (6)

1. 母材の補修領域に形成された溝の鉛直下側に当て板が配置されるように、前記母材に前記当て板を固定するステップと、ここで、前記母材は、チタンとアルミニウムとを含有する金属間化合物から形成され、前記金属間化合物は、γ相と、β相と、α２／γラメラ相とを有し、
   前記母材の材料と同じ材料の母材粉末を含有するペーストを前記溝に充填するステップと、
   前記ペーストが前記溝に充填された後に、前記母材粉末が溶融されるように、前記母材を加熱するステップと
   を具備し、
   前記ペーストを溝に充填するステップは、
   前記母材粉末を含有する母材ペーストを前記溝に塗布するステップと、
   前記溝に前記母材ペーストが塗布された後に、チタンと銅とニッケルとを含有する合金と同じ材料のろう材粉末を含有するろう材ペーストを前記溝に塗布するステップと
   を備える
   ろう付方法。
2. 請求項１において、
   前記母材粉末の粒径は、前記ろう材粉末の粒径より大きい
   ろう付方法。
3. 請求項１又は請求項２において、
   前記当て板は、前記母材を形成する材料から形成される
   ろう付方法。
4. 請求項３において、
   前記当て板は、チタンから形成される箔を介して前記母材に固定される
   ろう付方法。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項において、
   前記補修領域に形成された欠肉部の表面が除去されるように、前記母材に前記溝を形成するステップをさらに具備する
   ろう付方法。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項において、
   前記母材は、前記溝を含む複数の溝が形成され、前記ペーストを含む複数のペーストが前記複数の溝にそれぞれ充填されているときに、加熱される
   ろう付方法。
   

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