JP6924013B2 - 超合金用の溶加金属及び製造方法 - Google Patents
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Description
本開示は、一般に、超合金用の溶加金属を製造する方法に関する。
超合金、特にニッケル基超合金は、一般的に溶接性が低い。その結果、多くの新しい溶加金属が最近開発された。
しかし、新しい溶加金属を開発するには、一般に新しい化学組成の溶加金属を選択すること、加工施設に発注することを含み、一般に４５．３５ｋｇ（１００ポンド）以上の新しい溶加金属を購入することを必要とする。加工施設はたびたび、所望の組成の鋳塊を作り、鋳塊を熱処理し、それらをロッドに延伸し、強度及び溶接性についてロッドを試験しなければならない。注文した溶加金属が注文したパラメータに合わない場合、加工施設は時間と材料を浪費したかもしれない。溶加金属がパラメータを満たすが、溶加金属を購入する実体が、それが望み通りに機能しないことを知った場合、４５．３５ｋｇ（１００ポンド）の溶加材料は、使用されずに、かつ失敗した溶加金属の開発の費用を補償されずに、貯蔵されるか、販売されるか、又は破壊されなければならない。
本明細書において開示される本発明の実施形態は、超合金による溶接法で用いるための溶加金属を製造する方法を含み、該方法は、溶接棒を第１の箔層で囲むこと及び溶接棒と第１の箔層を焼結することを含む。
本発明の実施形態はまた、超合金による溶接法で用いるための溶加金属も含み、該溶加金属は、溶接棒を第１の箔層で囲むこと及び溶接棒と第１の箔層を焼結することを含む方法によって製造される。
本開示のこれら及びその他の特徴は、本発明の様々な態様を描く添付の図面と併せて、本発明の様々な態様の以下の詳細な説明から、より容易に理解されるであろう。
図面は一定の比率でない点に注意される。図面は本発明の典型的な態様だけを描くことを目的とする。そのため、本発明の範囲を制限すると考えられるべきではない。図面中、同様の番号付けは図面間で同様の要素を表す。詳細な説明は、図面を参照して、例として、利点及び特徴とともに本発明の実施形態を説明する。
本明細書に記載されるように、超合金、特にニッケル基合金は、溶接性が非常に低い。新しい溶加金属を開発しようとすると、異なる化学組成をもつ材料の複数の大型バッチを注文することになる。本明細書に記載されるように、これまでの試みによる方法は、法外な費用がかかり得、支払われる複数の注文、各材料を試験する費用及び失敗した材料を倉庫に保管する費用が積算されることになる。
これまでは、一般に材料を溶接する際の不純要素と考えられたホウ素（Ｂ）は、通常、高温割れの傾向を低下させるために、材料中から可能な限り減らすように制御された。しかし、量を制御すると、ホウ素は実際には超合金において割れを最小限に抑えることができ、既存の割れを埋め戻しさえすることができる。正確にどの位のホウ素又は類似材料を使用するかは、特定の超合金について指摘することが困難であり得、超合金の組成、加工条件、溶接するミクロ組織、材料の相図、相分布及び溶加材の母材の特徴に基づいて変化し得る。
したがって、本発明の実施形態は、従来のアプローチと比較した場合に、大量注文又は長いターンアラウンド時間を必要としない、時間と費用の両方の点でより効率的に新しい溶加金属を開発及び試験する方法を含む。
図１は、ある実施形態に係る溶加金属１００の前駆体の模式図である。ある実施形態に係る、溶加金属１００を製造する方法は、溶接棒１０２の周囲を第１の箔層１０４で囲むことを含むことができる。溶接棒１０２を囲む方法には、ラッピング（wrapping）、封入（enveloping）、又は溶接棒１０２を第１の箔層１０４で取り囲む任意のその他の手段が挙げられる。溶接棒１０２は、溶接のための、特に超合金を溶接するための、現在公知であるか又は後に開発されるどんな材料であってもよい。いずれの市販されているか又は市販されていない溶接棒も使用してよい。ある実施形態では、溶接棒１０２としては、直径約０．０２０〜約０．０６２インチ、ある実施形態では直径約０．０３０〜約０．０５０インチ、ある実施形態では直径約０．０４０インチの長さの溶接棒、例えば、限定されるものではないが、タングステン不活性ガス（ＴＩＧ）溶接を始めとするアーク溶接による効果的な溶接に必要な任意の長さの溶接棒が挙げられる。さらに、溶接としては、ガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）、プラズマアーク溶接、レーザー溶接及び電子線溶接を挙げることができる。例えば、ＭａｒＭ２４７溶加棒を使用してよい。さらなる実施形態では、溶接棒１０２には、以下の材料：ＩＮ７３８、Ｒ８０、ＩＮ９３９、Ｒ１４２、Ｒ１９５、Ｈ１８８、Ｈ２５、ＦＳＸ４１４、ＲＮ２及びＧＴＤ１１１から選択されるロッドが挙げられる。これらの材料は、下の表１でさらに概説される。値は重量パーセントとして記載され、公称値は重量百分率の範囲が含まれると理解されるべきである。
ある実施形態では、第１の箔層１０４は、箔の１以上の表面に接着剤層（図示せず）を含んでいてもよい。現在公知であるか又は後に開発されるどんな接着剤の薄層を使用してもよい。例えば、市販のろう付けテープは、テープを塗布するための接着剤を含んでいてもよく、それは溶接棒１０２への適用をより簡単に実現し、正しく揃えることができる。第１の箔層１０４は、最終溶加金属１００にどの程度のＢ、Ｓｉ及び／又はＧｅが望ましいか及び溶接棒１０２中の含有量はどれほどかによって、ホウ素（Ｂ）、ケイ素（Ｓｉ）及びゲルマニウム（Ｇｅ）の１種以上を約０．１％〜約２．０％含んでいてもよい。ある実施形態では、Ｂ、Ｓｉ及び／又はＧｅの含有量として、約３．０％が挙げられる。例えば、Ａｍｄｒｙ７７５（ＢＮｉ−９）ろう付けテープを第１の箔層１０４に使用してよい。さらに、ろう付けテープは、ＢＮｉ−２、ＢＮｉ−５、ＢＲＢ及びＤＦ４Ｂを含んでいてもよい。これらの材料は、下の表２でさらに概説される。値は重量パーセントとして記載され、公称値は重量百分率の範囲が含まれると理解されるべきである。
さらに、従来の溶接及び溶接へのアプローチと比較した場合に、溶加金属１００は、ニッケル基超合金と鉄基超合金の両方で溶接の機械的性質を改善することができる。また、溶加金属は溶接中に既存の割れを埋め戻すことができるので、ある実施形態に係る溶加金属１００は、超合金の割れを固定するのにも役立つことがある。
図２に目を向けると、溶接棒１０２を第１の箔層１０４で囲んだ後、溶接棒１０２及び第１の箔層１０４の焼結が、例えば炉１０６を用いて達成され得る。ある実施形態では、焼結は、当技術分野で理解されるように、第１の箔層１０４の融点に基づいて所定の温度で所定量の時間、溶接棒１０２及び第１の箔層１０４を加熱することを含むことができる。ある実施形態では、約２分〜約１０分間、約１０３８℃（１９００°Ｆ）〜約１２０４℃（２２００°Ｆ）の温度に加熱してもよい。さらなる実施形態では、加熱は、約３分間約１０３８℃（１９００°Ｆ）までであってよい。
焼結の後、溶接棒１０２の化学組成及び第１の箔層１０４の組成は、ある程度組み合わされて、溶加金属１００に新しい組成をもたらす。上記のように、溶加金属１００は、ここでＢ、Ｓｉ及びＧｅの１種以上を約０．１％〜約２．０％の間で含むことができる。一例では、直径０．０４インチのＭａｒＭ２４７溶加棒を厚さ０．００３インチ及び幅０．５インチのＡｍｄｒｙ７７５ろう付けテープで包んだ。このロッドを１０３８℃（１９００°Ｆ）で３分間焼結した。裸のロッド、テープ、包まれたロッド及び焼結した包まれたロッドの重量及び組成を測定した。結果は下の表３に記載される。
図面に目を向けると、図３は、図２に例示されるように焼結の前に、少なくとも第２の箔層１０８で溶接棒１０２の周囲を囲むか又は包む実施形態を示し、それには溶接棒１０２の周囲を既に包んでいる第１の箔層１０４が含まれる。ある実施形態では、第２の箔層１０８は、第１の箔層１０４の箔の組成とは異なる別個の組成を有する第２の箔を含んでいてもよい。これらの実施形態では、第２の箔層１０８は、上記のように接着剤層を含んでいても含まなくてもよい第１の箔層１０４の要素とは異なる要素（又は同じ要素）のＢ、Ｓｉ、又はＧｅを１％以上含んでよい。別の実施形態では、第２の箔層１０８は、第１の箔層１０４と同じ箔を含んでいてもよく、その場合、それは溶接棒１０２及び第１の箔層１０４の上の同じ箔の１以上のさらなる層であってよい。少なくとも第３の箔層の同じ又は異なる箔を始めとする、より多くの層をこの上に加えてもよい。
図４は、溶接棒１０２と、第１の箔層１０４及び第２の箔層１０８、並びに焼結の前に付加されてよい任意のさらなる層を含む複数の層の、炉１０６による焼結を示す。これらの実施形態は、第１の箔層１０４及び第２の箔層１０８、並びに任意のさらなる層が類似するか又は同じ融点を有し、同時に効果的に焼結されることができる場合に利用されることができる。
単一の焼結プロセスで複数の層を溶接することとは対照的に、第２の箔層１０８（及び付加される任意のさらなる層）が異なる融点を有する実施形態では、又は、多くの層を使用することができ、焼結の結果、材料組成の完全な焼結に至らない実施形態では、第２の箔層１０８は、最初の焼結の後に溶接棒１０２（及び第１の箔層１０４）を囲むことができる。つまり、図５に示されるように、溶接棒１０２及び第１の箔層１０４は、第２の箔層１０８の付加の前に、ある実施形態でロッド全体を通して実質的に一貫した組成をもつ単一のロッドに既に焼結されていることになる。任意の数のさらなる層が、次の焼結の前に付加されてよく（図６）、又は、各々のさらなる箔層が付加され、各々のさらなる箔層の付加の間に焼結されることができる。上記のように、第２の箔層１０８を越えた各々のさらなる箔層は、前の２つと同じ又は異なるサイズ又は形状をもち、同じ又は異なる組成をもつ同じ又は異なる箔を含んでいてもよく、各々Ｂ、Ｓｉ及びＧｅの１種以上を１％以上含んでいてもよく、接着剤層を含んでもいても含んでいなくてもよい。図６に示される各々のさらなる焼結は、上に定義されるパラメータで達成されてよい。余分の厚さを焼結するためにはさらに時間がかかることがあるので、さらなる時間が多量の層の焼結に使われることがある。
さらに、上記の方法によって製造された溶加金属１００が本明細書において開示される。例えば、溶加金属は、溶接棒１０２を第１の箔層１０４で囲む工程、並びに溶接棒１０２及び第１の箔層１０４を焼結する工程を含む方法によって製造することができる。溶接棒１０２及び第１の箔層１０４の焼結の後に、溶加金属１００が、ホウ素、ケイ素及びゲルマニウムの１種以上を約０．１％〜約２．０％含む組成を含むように、第１の箔層１０４には、ホウ素、ケイ素及びゲルマニウムの１種以上を１％以上含んでいてもよい。上記のように第２の箔層１０８、さらなる箔層及び層の複数の焼結を含むさらなる実施形態は、これらの実施形態に等しく適用できる。
本明細書において使用される用語法は、特定の実施形態だけを説明するためのものであり、本開示の制限を意図するものではない。本明細書において、単数形「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」及び「その（ｔｈｅ）」は、文脈上明らかに示されている場合を除いて、複数形も同様に含むことを意図する。さらに、用語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」及び／又は「含んでいる（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、本明細書で使用される場合、述べられている特徴、整数、工程、操作、要素及び／又は構成部品の存在を指定するが、１又はそれ以上のその他の特徴、整数、工程、操作、要素、構成部品及び／又はその群の存在を排除するものでないことは理解される。
本記載の説明は、本発明を開示するために、最良の形態を含む、また、当業者が本発明を実践することを可能にするために、装置又はシステムを製造及び使用し、組み込まれた方法を実行することを含む、例を使用している。本発明の特許適格性を有する範囲は、特許請求の範囲に規定され、それには当業者の念頭に浮かぶその他の例を含んでいてもよい。かかるその他の例は、それらが特許請求の範囲の文字通りの意味と異ならない構造要素を有する場合、又は、それらが特許請求の範囲の文字通りの意味との実質的な差異のない等価な構造要素を含む場合には、特許請求の範囲内にあることが意図される。
［実施態様１］
超合金による溶接法で用いるための溶加金属（１００）を製造する方法であって、当該方法が、
溶接棒（１０２）を第１の箔層（１０４）で囲む工程と、
溶接棒（１０２）及び第１の箔層（１０４）を焼結する工程と
を含む、方法。
［実施態様２］
溶接棒（１０２）が、ＭａｒＭ２４７、ＩＮ７３８、Ｒ８０、ＩＮ９３９、Ｒ１４２、Ｒ１９５、Ｈ１８８、Ｈ２５、ＦＳＸ４１４、ＲＮ２、又はＧＴＤ１１１を含む、実施態様１に記載の方法。
［実施態様３］
第１の箔層（１０４）が、接着剤層を含む、実施態様１に記載の方法。
［実施態様４］
第１の箔層（１０４）が、ホウ素、ケイ素及びゲルマニウムの１種以上を１％以上含む、実施態様１に記載の方法。
［実施態様５］
溶加金属（１００）の組成に、約０．１％〜約２．０％の間の、ホウ素、ケイ素及びゲルマニウムの１種以上を含む、実施態様１に記載の方法。
［実施態様６］
焼結工程が、約２分〜約１０分間、約１０３８℃〜約１２０４℃に加熱することを含む、実施態様１に記載の方法。
［実施態様７］
当該方法が、焼結工程の前に、溶接棒（１０２）及び第１の箔層（１０４）を、少なくとも第２の箔層（１０８）で囲む工程をさらに含む、実施態様１に記載の方法。
［実施態様８］
第２の箔層（１０８）が、第１の箔層（１０４）の組成と同じ組成を有する第２の層を含む、実施態様７に記載の方法。
［実施態様９］
第２の箔層（１０８）が、第１の箔層（１０４）の組成と異なる組成を有する第２の箔を含む、実施態様７に記載の方法。
［実施態様１０］
第２の箔層（１０８）が、接着剤層を含む、実施態様９に記載の方法。
［実施態様１１］
第２の箔層（１０８）が、ホウ素、ケイ素及びゲルマニウムの１種以上を１％以上含む、実施態様９に記載の方法。
［実施態様１２］
焼結工程の後に、溶接棒（１０２）及び第１の箔層（１０４）を、少なくとも第２の箔層（１０８）で囲む工程と、
溶接棒、第１の箔層（１０４）及び第２の箔層（１０８）を焼結する工程とをさらに含む、実施態様１に記載の方法。
［実施態様１３］
第２の箔層（１０８）が、第１の箔層（１０４）の組成と同じ組成を有する第２の層を含む、実施態様１２に記載の方法。
［実施態様１４］
第２の箔層（１０８）が、第１の箔層（１０４）の組成と異なる組成を有する第２の箔を含む、実施態様１２に記載の方法。
［実施態様１５］
第２の箔層（１０８）が、接着剤層を含む、実施態様１４に記載の方法。
［実施態様１６］
第２の箔層（１０８）が、ホウ素、ケイ素及びゲルマニウムの１種以上を１％以上含む、実施態様１４に記載の方法。
［実施態様１７］
焼結工程が、約２分〜約１０分間、約１０３８℃〜約１２０４℃に加熱することを含む、実施態様１２に記載の方法。
［実施態様１８］
超合金による溶接法で用いるための溶加金属（１００）であって、溶加金属（１００）が、
溶接棒（１０２）を第１の箔層（１０４）で囲む工程と、
溶接棒（１０２）及び第１の箔層（１０４）を焼結する工程とを含み、焼結後に、溶加金属（１００）の組成に、約０．１％〜約２．０％の間の、ホウ素、ケイ素及びゲルマニウムの１種以上を含む方法
によって製造される、溶加金属（１００）。
［実施態様１９］
第１の箔層（１０４）が、ホウ素、ケイ素及びゲルマニウムの１種以上を１％以上含む、実施態様１８に記載の溶加金属（１００）。
［実施態様２０］
焼結工程が、約２分〜約１０分間、約１０３８℃〜約１２０４℃に加熱することを含む、実施態様１８に記載の溶加金属（１００）。
［実施態様１］
超合金による溶接法で用いるための溶加金属（１００）を製造する方法であって、当該方法が、
溶接棒（１０２）を第１の箔層（１０４）で囲む工程と、
溶接棒（１０２）及び第１の箔層（１０４）を焼結する工程と
を含む、方法。
［実施態様２］
溶接棒（１０２）が、ＭａｒＭ２４７、ＩＮ７３８、Ｒ８０、ＩＮ９３９、Ｒ１４２、Ｒ１９５、Ｈ１８８、Ｈ２５、ＦＳＸ４１４、ＲＮ２、又はＧＴＤ１１１を含む、実施態様１に記載の方法。
［実施態様３］
第１の箔層（１０４）が、接着剤層を含む、実施態様１に記載の方法。
［実施態様４］
第１の箔層（１０４）が、ホウ素、ケイ素及びゲルマニウムの１種以上を１％以上含む、実施態様１に記載の方法。
［実施態様５］
溶加金属（１００）の組成に、約０．１％〜約２．０％の間の、ホウ素、ケイ素及びゲルマニウムの１種以上を含む、実施態様１に記載の方法。
［実施態様６］
焼結工程が、約２分〜約１０分間、約１０３８℃〜約１２０４℃に加熱することを含む、実施態様１に記載の方法。
［実施態様７］
当該方法が、焼結工程の前に、溶接棒（１０２）及び第１の箔層（１０４）を、少なくとも第２の箔層（１０８）で囲む工程をさらに含む、実施態様１に記載の方法。
［実施態様８］
第２の箔層（１０８）が、第１の箔層（１０４）の組成と同じ組成を有する第２の層を含む、実施態様７に記載の方法。
［実施態様９］
第２の箔層（１０８）が、第１の箔層（１０４）の組成と異なる組成を有する第２の箔を含む、実施態様７に記載の方法。
［実施態様１０］
第２の箔層（１０８）が、接着剤層を含む、実施態様９に記載の方法。
［実施態様１１］
第２の箔層（１０８）が、ホウ素、ケイ素及びゲルマニウムの１種以上を１％以上含む、実施態様９に記載の方法。
［実施態様１２］
焼結工程の後に、溶接棒（１０２）及び第１の箔層（１０４）を、少なくとも第２の箔層（１０８）で囲む工程と、
溶接棒、第１の箔層（１０４）及び第２の箔層（１０８）を焼結する工程とをさらに含む、実施態様１に記載の方法。
［実施態様１３］
第２の箔層（１０８）が、第１の箔層（１０４）の組成と同じ組成を有する第２の層を含む、実施態様１２に記載の方法。
［実施態様１４］
第２の箔層（１０８）が、第１の箔層（１０４）の組成と異なる組成を有する第２の箔を含む、実施態様１２に記載の方法。
［実施態様１５］
第２の箔層（１０８）が、接着剤層を含む、実施態様１４に記載の方法。
［実施態様１６］
第２の箔層（１０８）が、ホウ素、ケイ素及びゲルマニウムの１種以上を１％以上含む、実施態様１４に記載の方法。
［実施態様１７］
焼結工程が、約２分〜約１０分間、約１０３８℃〜約１２０４℃に加熱することを含む、実施態様１２に記載の方法。
［実施態様１８］
超合金による溶接法で用いるための溶加金属（１００）であって、溶加金属（１００）が、
溶接棒（１０２）を第１の箔層（１０４）で囲む工程と、
溶接棒（１０２）及び第１の箔層（１０４）を焼結する工程とを含み、焼結後に、溶加金属（１００）の組成に、約０．１％〜約２．０％の間の、ホウ素、ケイ素及びゲルマニウムの１種以上を含む方法
によって製造される、溶加金属（１００）。
［実施態様１９］
第１の箔層（１０４）が、ホウ素、ケイ素及びゲルマニウムの１種以上を１％以上含む、実施態様１８に記載の溶加金属（１００）。
［実施態様２０］
焼結工程が、約２分〜約１０分間、約１０３８℃〜約１２０４℃に加熱することを含む、実施態様１８に記載の溶加金属（１００）。
１００ 溶加金属
１０２ 溶接棒
１０４ 第１の箔層
１０６ 炉
１０８ 第２の箔層
１０２ 溶接棒
１０４ 第１の箔層
１０６ 炉
１０８ 第２の箔層
Claims (7)
- 超合金による溶接法で用いるための溶加金属（１００）を製造する方法であって、当該方法が、
溶接棒（１０２）を第１の箔層（１０４）で囲む工程と、
溶接棒（１０２）及び第１の箔層（１０４）を焼結する工程であって、２分〜１０分間、１０３８℃〜１２０４℃に加熱することを含む工程と
を含み、
溶接棒（１０２）が、ＭａｒＭ２４７、ＩＮ７３８、Ｒ８０、ＩＮ９３９、Ｒ１４２、Ｒ１９５、Ｈ１８８、Ｈ２５、ＦＳＸ４１４、ＲＮ２又はＧＴＤ１１１を含み、
第１の箔層（１０４）が、ホウ素、ケイ素及びゲルマニウムの１種以上を１％以上含み、
溶加金属（１００）の組成が、０．１％〜２．０％の間の、ホウ素、ケイ素及びゲルマニウムの１種以上を含む、方法。 - 第１の箔層（１０４）が、接着剤層を含む、請求項１に記載の方法。
- 当該方法が、焼結工程の前に、溶接棒（１０２）及び第１の箔層（１０４）を、少なくとも第２の箔層（１０８）で囲む工程をさらに含む、請求項１又は請求項２に記載の方法。
- 第２の箔層（１０８）が、第１の箔層（１０４）の組成と同じ組成を有する第２の層を含む、請求項３に記載の方法。
- 第２の箔層（１０８）が、第１の箔層（１０４）の組成と異なる組成を有する第２の箔を含む、請求項３に記載の方法。
- 第２の箔層（１０８）が、接着剤層を含む、請求項５に記載の方法。
- 第２の箔層（１０８）が、ホウ素、ケイ素及びゲルマニウムの１種以上を１％以上含む、請求項５又は請求項６に記載の方法。
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