JP6979943B2 - 構造的ろう付けテープ - Google Patents
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Description
本発明は、超合金材料から形成されるガスタービンエンジン要素での使用に適した構造的ろう付けテープに関し、このろう付けテープは、例として、Ｎｉ−Ｃｒ−ＴｉまたはＮｉ−Ｚｒ−ＴｉまたはＮｉ−Ｃｒ−Ｚｒ−Ｔｉの層を有するテープを含む。
背景技術
ろう付け材料は、ニッケル基またはコバルト基の超合金材料を有するガスタービンエンジン要素の製造および修理において使用することができる。例えば、ろう付け箔、スラリーまたはろう付けテープなどを損傷が生じた要素に適用することができる。この組立品を加熱し、それから冷却すると、ろう付けで修理された要素ができあがる。しかしながら、従来のホウ素またはケイ素でのろう付けによる修理は、本来の要素の構造強度に比べて構造強度が比較的低いと知られている。これは、１つとして、ろう付け合金の組成が原因となっている。それに加え、スラリーを使用する場合、このスラリーが非晶質性であるために、修理される領域の寸法の制御が困難である。結果として、当技術分野において改善の余地がある。
ろう付け材料は、ニッケル基またはコバルト基の超合金材料を有するガスタービンエンジン要素の製造および修理において使用することができる。例えば、ろう付け箔、スラリーまたはろう付けテープなどを損傷が生じた要素に適用することができる。この組立品を加熱し、それから冷却すると、ろう付けで修理された要素ができあがる。しかしながら、従来のホウ素またはケイ素でのろう付けによる修理は、本来の要素の構造強度に比べて構造強度が比較的低いと知られている。これは、１つとして、ろう付け合金の組成が原因となっている。それに加え、スラリーを使用する場合、このスラリーが非晶質性であるために、修理される領域の寸法の制御が困難である。結果として、当技術分野において改善の余地がある。
本発明を、図面を参照して以下の記載で説明する。
発明の詳細な説明
本発明者等は、ニッケル基およびコバルト基の超合金の修理を可能にする組成物を有する構造的ろう付け媒体を開発した。この組成物は、幾つかの実施形態において、ホウ素およびケイ素、ならびにホウ素およびケイ素の弱化作用を有しない。それに加え、この組成物は、ろう付け作業の間に不純物を清浄化するフラックス剤を含有することができ、これにより、不純物およびこれに係る欠点がより少ない修理された部品ができあがる。構造的ろう付け媒体は、ろう付けテープの形を取ることができ、このろう付けテープは、箔より柔軟性があり（これにより要素に対するろう付けテープの一致性をより良好にすることができる）、かつスラリーより粘着性がある（これにより修理の寸法をより良好に制御することが可能になる）。
本発明者等は、ニッケル基およびコバルト基の超合金の修理を可能にする組成物を有する構造的ろう付け媒体を開発した。この組成物は、幾つかの実施形態において、ホウ素およびケイ素、ならびにホウ素およびケイ素の弱化作用を有しない。それに加え、この組成物は、ろう付け作業の間に不純物を清浄化するフラックス剤を含有することができ、これにより、不純物およびこれに係る欠点がより少ない修理された部品ができあがる。構造的ろう付け媒体は、ろう付けテープの形を取ることができ、このろう付けテープは、箔より柔軟性があり（これにより要素に対するろう付けテープの一致性をより良好にすることができる）、かつスラリーより粘着性がある（これにより修理の寸法をより良好に制御することが可能になる）。
図１は、合金層１４、ろう付け材料層１６およびその間のフラックス層１８を有する構造的ろう付けテープ１２として実施される構造的ろう付け媒体１０の例示的実施形態の概略的な断面図である。合金層１４は、合金２０、例えば例示的にはニッケル基またはコバルト基の超合金を含有し、合金２０は、合金粉末２２として実施され得るか、または当業者に公知のあらゆる適切な形態を取ることができる。また、合金層１４は、バインダー２４、例えばアクリルバインダーまたはゼラチン系バインダーも含有することができる。
構造的ろう付け媒体１０をテープとして実施することで、その他の形態、例えばより柔軟性の低い箔で可能なものよりも多様なテープの輪郭加工／造形が可能になる。これは、構造的ろう付けテープ１２を、箔では完全に輪郭加工することのできない高度に輪郭加工された要素に適用する場合、有利である。それに加え、超合金を成形して箔にすることは不可能ではないにしても、困難である。よって、合金層１４が超合金を含有する例示的実施形態において、テープが解決策をもたらす。
ろう付け材料層１６は、ろう付け材料粉末３２として実施可能な（または当業者に公知のあらゆる適切な形態を取る）ろう付け材料３０、および任意でバインダー２４、例えばアクリルバインダーまたはゼラチン系バインダーを含有する。また、ろう付け材料層１６は、任意でさらなる合金２０、例えば合金粉末２２も含有することができる。この例示的実施形態において、ろう付け材料層１６は、ろう付け材料粉末３２と合金粉末２２とをバインダー２４に入れた混合物３４を含有する。これらの実施形態において、ろう付け材料はホウ素を含有せず、例えば、ろう付け材料の化学組成は、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｔｉ、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｔｉ−ＺｒまたはＮｉ−Ｔｉ−Ｚｒを含む。適切なろう付け材料は、米国特許出願公開第２０１４／０００７９８８号明細書（ＵＳ２０１４／０００７９８８Ａ１）に開示されており、これを、その内容全体について、本明細書に参照により組み込む。これらのろう付け材料を使用する場合、テープ１２で作製されたろう付け接合部は、隣接する超合金基材の構造強度に近い構造強度に達し得る。結果として、本明細書で開示される構造的ろう付けテープ１２は、単に部品をろう付けにより表面的に修理できるだけでなく、ベースとなる要素に構造的一体性が類似してろう付けされる要素を修理および／または作製することができる。
フラックス層１８は、フラックス材料４０および接着剤４２を有する。フラックス材料４０は、少なくともフッ化物を含有する。フッ化物は、フルオロカーボンポリマー４４の一部であってよく、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）および／またはポリビニルテトラフルオリドを含むが、これらに限定されることはない。これらのフルオロカーボンポリマー４４中のフッ化物は、フラックス剤として作用し、ろう付け作業を清浄化するのに役立つ。ポリテトラフルオロエチレンおよびポリビニルテトラフルオリドがどちらも炭素およびフッ化物を含有する一方で、ポリビニルテトラフルオリドは、さらに水素を含有する。フッ化物と水素とが化合すると、効果的な清浄剤でもあるフッ化水素（フッ化水素酸）が形成される。フラックス層１８は、ろう付け温度より低い温度で揮発することができ、それから周囲が冷えると析出し得る。例えば、フラックス層１８は、約１２００の華氏温度で揮発することができ、最大ろう付け温度は、およそ２２００の華氏温度であり得る。フッ化水素酸を析出させるためには、塩基を添加して、例えばろう付け炉の表面または要素自体の上に析出し得るあらゆる酸を中和する必要がある。ポリテトラフルオロエチレンおよびポリビニルテトラフルオリドは、フィブリル化されていないポリマーを有する樹脂として実施することができる。
接着剤４２は、当業者に公知のあらゆる接着剤、例えば例示的にはアクリルバインダーなどであり得る。例示的実施形態において、フルオロカーボンポリマー４４および接着剤４２は、両面接着フルオロポリマーテープ４６、例えば両面接着Ｔｅｆｌｏｎ（登録商標）テープ（ＰＴＦＥテープ）の形態を取り、これは、ＣＳ Ｈｙｄｅ Ｃｏｍｐａｎｙ ｏｆ Ｌａｋｅ Ｖｉｌｌａ、イリノイ（ｃｓｈｙｄｅ．ｃｏｍ）より購入することができる。
任意で、合金層１４は、フラックス材料４０、例えばフッ化物を含有することができる。例示的実施形態において、フラックス材料４０は、フラックス粉末５０、例えば例示的にはポリテトラフルオロエチレン粉末またはポリビニルテトラフルオリド粉末などとして実施され得る。ここで示される例示的実施形態において、合金層１４は、合金粉末２２とフラックス粉末５０との混合物５２を含有する。
代替的な例示的実施形態において、合金層１４はバインダー２４を含有しない。この例示的実施形態において、合金層１４の厚さ５４は、合金粉末２２または混合物５２を接着剤４２だけでフラックス層１８に固定する場合に達成され得る厚さに制限される。同様に、代替的な例示的実施形態において、ろう付け材料層１６はバインダー２４を含有しない。この例示的実施形態において、ろう付け材料層１６の厚さ５６は、ろう付け材料粉末３２または混合物３４を接着剤４２だけでろう付け材料層１６に固定する場合に達成され得る厚さに制限される。
従来的には、粉末を、およそ０．００１インチの厚さおよびそれを上回る厚さの直径で利用することができる。よって、合金層１４および／またはろう付け材料層１６は、バインダー２４が存在せず、かつ粒子が接着剤４２に付着している場合、０．００１インチもの薄さであってよい。例示的実施形態において、合金層１４の厚さ５４は、０．０１０インチ〜０．０４０インチであり得る。ろう付け材料層１６の厚さ５６は、０．０１０インチ〜０．０４０インチであり得る。フラックス層１８の厚さ５８は、およそ０．０１０インチであり得る。幾つかの例では、これらの寸法が有益であると分かったが、必要に応じて、その他の寸法を使用することができる。
構造的ろう付けテープ１２における合金層１４、ろう付け材料層１６およびフラックス層１８の相対的な位置は、その他の実施形態において相互に交換可能である。例えば、代替的な例示的実施形態において、合金層１４およびろう付け材料層１６は、互いに隣接していてよく、フラックス層１８は、ろう付け材料層１６またはフラックス層１８のどちらかに隣接していてよい。図２は、構造的ろう付けテープ１２として実施される構造的ろう付け媒体１０の代替的な例示的実施形態を示し、ここで合金層１４およびろう付け材料層１６は、互いに隣接しており、フラックス層１８は、合金層１４に隣接している。フラックス層が両面接着テープ４６を有すると、この場合、両面接着テープ４６を、ろう付けされる基材（図示せず）に固定することができる。一変法において、フラックス層１８をろう付け材料層１６に隣接して配置することができる。各層は１つ以上あってよく、これらの層を任意の順序で実施することができる。
図３は、合金層１４、ろう付け材料層１６、その間のフラックス層１８および接着剤４２を有する構造的ろう付けテープ１２として実施される構造的ろう付け媒体１０の代替的な例示的実施形態を示す。この例示的実施形態において、混合物５２を有する合金層１４の代わりに、合金粉末２２の個別層６２の上に配置されたフラックス粉末５０の個別層６０がある。これらの層６０、６２の相対的な位置は入れ替え可能であり、これらの層６０、６２のうちどちらかまたは両方が１つより多くあってよい。同じように、混合物３４を有するろう付け材料層１６の代わりに、合金粉末２２の個別層６６の上に、ろう付け材料粉末３２の個別層６４がある。これらの層６４、６６の相対的な位置は入れ替え可能であり、これらの層６４、６６のうちどちらかまたは両方が１つより多くあってよい。
図４は、合金層１４、ろう付け材料層１６およびその間のフッ化物含有フラックス層１８を有する構造的ろう付けテープ１２として実施される構造的ろう付け媒体１０の代替的な例示的実施形態を示す。この例示的実施形態において、接着剤４２は存在していない。ここに存在する層は、機械的プロセスにより、例えば例示的には、３つの層全てが対向ローラの間で、または焼結によりまとめてプレスされる機械的プロセスにより１つにまとめることができる。
図５は、合金層１４およびろう付け材料層１６を有する構造的ろう付けテープ１２として実施される構造的ろう付け媒体１０の代替的な例示的実施形態を示す。ろう付け層１６は、ホウ素を含有していなくてよく、合金は、ニッケル基またはコバルト基の超合金を含むことができる。粉末２２、３２、５０をバインダー２４で繋げて、テープ１２を形成することができる。
前述の内容より、本発明者等が、構造特性が改善されたろう付けをもたらし、ろう付けの洗浄の改善をもたらし、かつ便利で、成形が容易かつ輪郭加工が容易である新たな構造的ろう付けテープを開発したと理解できる。
本明細書において本発明の様々な実施形態を示し、記載してきたが、その一方で、このような実施形態が例としてのみ与えられることは明らかであろう。ここで、数々の変法、変更および置き換えを、本発明から逸脱することなく行うことができる。よって、本発明が添付クレームの思想および範囲によってしか制限されないことが意図される。
Claims (12)
- 超合金材料（２２）を含有する第一層（１４）；
ろう付け材料（３２）を含有する第二層（１６）であり、前記ろう付け材料が、ろう付け合金粉末と超合金粉末の混合物であり、前記ろう付け合金粉末が、ホウ素およびケイ素を含有しておらず、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｔｉからなり；および
ポリテトラフルオロエチレンを含有するフラックス材料を含有する第三層（１８）
を有し、
前記第一層の厚さが、０．０１０インチ〜０．０４０インチ、前記第二層の厚さが、０．０１０インチ〜０．０４０インチであるろう付けテープ（１２）。 - 第三層が、第一層と第二層の間に配置されている両面接着フルオロポリマーテープ（４６）を含む、請求項１記載のろう付けテープ。
- 前記両面接着フルオロポリマーテープがポリテトラフルオロエチレンを含有する、請求項２記載のろう付けテープ。
- 第一層がさらにポリテトラフルオロエチレン粉末を含有する、請求項１記載のろう付けテープ。
- 合金層；
ろう付け材料層であり、前記ろう付け材料層が、ろう付け合金粉末及び超合金粉末を含有し、前記ろう付け材料層が、ホウ素を含有せず、前記ろう付け材料層の化学組成が、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｔｉであり；および
前記合金層と前記ろう付け材料層との間に配置されたポリテトラフルオロエチレン含有フラックス層
を有し、
前記合金層の厚さが、０．０１０インチ〜０．０４０インチ、前記ろう付け材料層の厚さが、０．０１０インチ〜０．０４０インチであるろう付けテープ。 - 前記フラックス層と前記合金層との間および前記フラックス層と前記ろう付け材料層との間に接着剤をさらに有する、請求項５記載のろう付けテープ。
- 前記合金層が合金粉末を含有する、請求項５記載のろう付けテープ。
- 前記フラックス層と接着剤とを有する両面接着ポリテトラフルオロエチレンテープをさらに有する、請求項５記載のろう付けテープ。
- 前記合金層がさらにポリテトラフルオロエチレンを含有する、請求項５記載のろう付けテープ。
- 前記合金層が高温ニッケル基超合金を含有する、請求項５記載のろう付けテープ。
- 超合金材料粉末を含有する層の上に配置された、ホウ素およびケイ素を含有しないろう付け材料粉末を含有する層を有し、前記ろう付け材料粉末の化学組成が、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｔｉであり、
前記超合金材料粉末を含有する層の厚さが、０．０１０インチ〜０．０４０インチ、前記ろう付け材料粉末を含有する層の厚さが、０．０１０インチ〜０．０４０インチであるろう付けテープ。 - 前記ろう付け材料粉末を含有する層と前記超合金材料粉末を含有する層との間に配置され、かつこれらに付着した両面接着フルオロカーボンポリマーテープをさらに有する、請求項１１記載のろう付けテープ。
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