JP6448611B2 - 共晶点付近組成のニッケル基サンドイッチろう箔 - Google Patents

Description

本願は、米国特許仮出願第６１／７８２，９２２号（出願日：２０１３年３月１４日）に係る利益を主張するものである。

本発明は一般的には、材料技術のファイリングしたものに関し、具体的には、ニッケル基超合金部品の修理または接合に使用可能なろう材料に関する。

超合金材料は溶接凝固割れや歪み時効割れを起こしやすいので、超合金材料の修理は困難であるとの認識がなされている。ここで「超合金」との用語は、関連分野において通常用いられている意味で用いる。具体的には、優れた機械的強度および高温時耐クリープ性を示す、高い耐食性かつ耐酸化性の合金を指す。超合金は典型的には、高含有量のニッケルまたはコバルトを含む。超合金の例としては、ハステロイ、インコネル合金（たとえば IN 738，IN 792，IN 939）、レネ（Rene）合金（たとえば Rene N5，Rene 80，Rene 142）、ハイネス（Haynes）合金、Mar-M、CM 247、CM 247 LC、C263、718、X-750、ECY 768、282、X45、PWA 1483 および CMSX（たとえば CMSX-4）単結晶合金との商標や販売名で販売されている合金が含まれる。

超合金材料を修復または接合するために、ろう付け処理を用いる適用事例がある。一般的に、ろう接合部の機械的強度は溶接接合部より低く、ろう材料の融点は比較的低いので、ろう接合部の許容動作温度は比較的低くなると考えられているが、比較的低応力および／または比較的低温の特定の適用事例では、ろう付け修復が許容可能である場合がある。

ホウ素またはシリコンを融点抑制材料として用いる典型的なろう材料は、超合金基材を用いると、限られた価数の材料となる。というのもこれによって、接合領域または修復領域の延性を低下させる有害相が生成されるからである。ホウ素およびシリコンを含有しない、ハフニウムまたはジルコニウム含有のろう付け合金が開発されており、その機械的特性は、ベース超合金特性の最大８０％であるといわれている。本願と共に譲渡された米国特許第８６４０９４２号明細書には、ホウ素およびシリコンを含有しないチタン基のろう付け合金を用いた超合金材料の修復が記載されている。

以下、図面を参照して本発明を説明する。

本発明の一実施形態のろう箔の断面図である。 本発明の一実施形態の箔を用いて形成したろう接合部の断面の写真である。

本発明の詳細な説明
本願の発明者は、高強度のホウ素不含かつシリコン不含のろう付け合金を粉末状にして超合金材料の修復に用いることに成功した。しかし本願の発明者は、この高強度のろう付け合金を箔として製造するのは、その強度および脆性のため困難であることを発見した。

唯一の図にろう箔１０を示している。このろう箔１０は、溶融すると所望の高強度組成を有することとなり、超合金材料と共に用いるのに適しており、かつ、３層１２，１４，１６のサンドイッチ構造として構成されている。この３つの各層はそれぞれ、箔として製造されやすくなるのに十分な延性を有している。たとえば米国特許第８６４０９４２号明細書に、共晶点付近Ｎｉ‐Ｔｉ‐Ｃｒ系３元合金が記載されている。このＮｉ‐Ｔｉ‐Ｃｒ系合金は、固体状態では脆性であり、たとえば、２０重量％のＣｒ‐２０重量％のＴｉ‐６０重量％のＮｉの組成の合金である。本願にて挙げる組成百分率はすべて、重量百分率である。本発明では、たとえば、層１２および１６の１８〜２２％をＣｒとし、残部をＮｉとし、かつ層１４を１００％のＴｉから形成する場合、上述の組成の各構成成分を、共晶点付近合金より箔として製造しやすい、より高延性の構成成分とすることができる。この例では、クロムニッケル層およびチタン層は、三元組成と比較して高延性であり、これらの層を一緒に所望の厚さに圧延処理して、溶融後に所望の組成を示す箔１０を形成することができる。これら複数の層の各厚さを制御することにより、溶融したときの箔中の組み合わされた組成が、所望の組成になるようにすることができる。１つの実施形態では、各層１２，１４，１６の厚さは等しく、箔１０の全厚を７５ミクロン未満とすることができるが、特定の適用事例では、他の相対的厚さおよび全厚を用いることも可能である。

好適には、各層間の界面１８，２０において、互いに接触する層１２／１４、１４／１６の材料が拡散し、所望の共晶点組成または共晶点付近組成を成すように協働するように、かつ、共晶点以上では箔１０が各層界面１８，２０それぞれにおいて溶解を開始するように、各層の材料を選定する。「共晶点付近」との用語は本願では、融点範囲が２５℃未満である全ての合金を含む用語として用いる。溶融を開始すると、材料の溶け溜まりに接触する各層１２／１４，１４／１６からの材料が溶融物に追加され、これにより、箔１０全てが溶解するまで、当該溶け溜まり中の組成を比較的安定的に維持することができる。よって、界面１８，２０において共晶点組成または共晶点付近組成を実現し、溶融が進行する間にこの所望の共晶点組成または共晶点付近組成を維持するように、各層の組成および厚さを選択して製造することができる。

図中の実施例の層は３層であるが、当業者であれば、他の実施形態では、各界面における各組成が所望の組成となり、かつ、各層が溶融している間は当該所望の組成が維持される限り、使用される層数を変えることも可能であることが明らかである。たとえば、クロムニッケル合金層を、純粋チタン層、純粋ハフニウム層または純粋ジルコニウム層に接合することにより、たとえば、図中の層１４と層１６とのみを接合することにより、２層箔を形成することができる。この２層箔は、合金側を下にして当該箔を超合金基材の素地上に配置し、その後、この複合体を加熱して箔を溶解することにより、超合金基材の割れを少なくとも部分的に埋めて割れ無しの表面を再生することにより、当該超合金基材の小さい表面割れを埋めるのに有効である。

一般的に、純粋な金属の層は、金属の合金より延性が高い傾向にあるので、三元合金の場合には、中間層１４を純粋金属として設け、これとは異なる２種の金属の合金を上部層１２および底部層１６として設けるのが有利である。たとえば、ホウ素不含かつシリコン不含のろう付け合金のサンドイッチ構造箔は、Ｃｒ‐Ｎｉである層１２および１６と、チタンまたはハフニウムまたはジルコニウムである層１４とによって形成することができる。このような箔を用いて、２つの隣接するニッケル基超合金基材をろう付けすると、加熱および溶融が進行するにつれて、クロムニッケル層は超合金基材に接触する。このことにより、純粋金属層と、加熱溶融工程中に不所望の金属間化合物を形成する傾向にある超合金基材との接触を回避できるという利点が奏される。

１つの実施形態では、図２の写真にて示しているように、３層箔１０を使用して２つの合金２４７基材同士をろう付けした。これはたとえば、ガスタービンエンジン部品の一部を成す。合金２４７の公称組成は、８．３重量％がＣｒ、１０重量％がＣｏ、０．７重量％がＭｏ、１０重量％がＷ、５．５重量％がＡｌ、１重量％がＴｉ、３重量％がＴａ、０．１４重量％がＣ、０．０１５重量％がＢ、０．０５重量％がＺｒ、１．５重量％がＨｆ、残部がＮｉであることが知られている。この実施形態では、溶融前の層１２および１６の各層の２０％はＣｒであり、残部はＮｉであり、かつ、層１４はチタン１００％であり、各層の公称厚さは２５ミクロンであった。次に、箔および基材を１，２３０℃で１２時間加熱し、その後に冷却することにより、図２に示す接合部を形成した。このろう接合部の厚さは、未溶融状態の箔１０の厚さ７５ミクロンより若干薄くなった。他の実施形態では、２つのＣｒ‐Ｎｉ層１２，１６のクロムを５〜２２％の範囲内とし、中間層１４をチタンとするか、または、たとえばハフニウムまたはジルコニウム等の他の融点抑制材料とすることができる。

本発明の種々の実施形態を図示および説明したが、これらの実施形態は単なる一例であることは明らかであり、本発明から逸脱することなく、数多くの変形、変更および置換が可能である。寸法および組成には、典型的な製造誤差が生じ得ると解すべきである。たとえば、百分率で表された組成は典型的には、記載された値の±０．５％以内であると解されるものであり、「純粋」とは、その機能的影響が無視できる程度である何らかの微量不純物を含み得ると解されるものである。

Claims (7)

1. それぞれクロムニッケル合金を含む上部層および底部層と、
   前記上部層と前記底部層との間に配置された、純粋金属の中間層と
   を有し、
   前記上部層および底部層はそれぞれ、５〜２２％がＣｒ、残部がＮｉである組成を有する合金を含み、
   前記純粋金属は、ハフニウムまたはジルコニウムである、
   ことを特徴とするろう箔。
2. 前記上部層および前記底部層は、それぞれ前記中間層との界面において共晶点付近合金を形成するように選定されている、
   請求項１記載のろう箔。
3. クロムニッケル合金層と、
   前記クロムニッケル合金層に接するように配置された純粋金属の層と
   を有するろう箔であって、
   前記クロムニッケル合金層は、５〜２２％がＣｒであり、残部がＮｉである組成を有し、
   前記純粋金属は、ハフニウムおよびジルコニウムの群から選択される
   ことを特徴とするろう箔。
4. 前記クロムニッケル合金層は、前記純粋金属の層との界面において共晶点付近合金を形成するのに有効な組成を有する、
   請求項３記載のろう箔。
5. 前記クロムニッケル合金層は第１のクロムニッケル合金層であり、
   前記ろう箔はさらに第２のクロムニッケル合金層を有し、
   前記第２のクロムニッケル合金層は、前記純粋金属の層の、前記第１のクロムニッケル合金層とは反対側の面に接するように配置されている、
   請求項３記載のろう箔。
6. 前記純粋金属の層はハフニウムである、
   請求項３記載のろう箔。
7. 前記純粋金属の層はジルコニウムである、
   請求項３記載のろう箔。

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