JPH01132730A - ニツケル基超合金固相接合用インサート材及び固相接合法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ニッケル（Ｎｉ）超超合金固相接合用インサ
ート材及び同相接合法に係り、特に高い接合強度を得る
のに好適なＮｉ基超超合金固相接合用インサート材びそ
れを用いた同相接合法に関する。

【従来の技術〕

超合金の接合に関する従来技術としては、Ｎ１−Ｂ系の
インサート材あるいはスパッタ膜を利用した液相拡散接
合があり、例えば特公昭４９−６４７０号公報、特開昭
４７−３３８５０号公報に示されている。

この方法では接合応力が小さいという特長がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上記従来技術は接合強度の点について配
慮がなされていない。耐熱強度に優れるＬ１２（γ′）
析出強化型Ｎｉ基超超合金接合に対してはインサート材
組成は、接合面を溶融させる必要から融点が母材である
Ｎｉ基超超合金り低いＮ１−Ｂ系等のものに限定される
。その結果、接合部組成は母材組成と大きく異なるため
に接合部の強度低下が懸念される。また、酸化物分散型
超合金の接合に対しては接合部溶融による材料強化分散
粒子の凝集も問題になり、その結果、接合強度が低下す
ると考えられる。

それに対して、母材に匹敵する強度を有するとともに接
合プロセスに対して適合する組成を有するインサート材
を用いて固相接合を行えば、接合強度の低下は解決でき
る。

本発明の目的は、高い接合強度を得るのに好適なＮｉ基
超超合金固相接合用インサート材びそれを用いた同相接
合法を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、Ｎｉ基超超合金固相接合用インサート材、
アルミニウムとチタンとタンタル及びニオビウムの少な
くとも一つの合計量が原子分率で５〜２５％、クロムと
コバルトとタングステンとモリブデンとジルコニウムの
少なくとも一つの合計量が原子分率にして、［１００−
（アルミニウム、チタン、タンタル及びニオビウムの合
計原子分率）×４］％以下であり、残りが実質的にニッ
ケルよりなる合金にすることにより達成される。

なお、Ｎｉ基超超合金固相接合用インサート材結晶粒径
を１０μｍ以下にすることにより、さらに接合強度を向
上させることができる。

インサート材中に不純物として含まれる炭素量は０．０
０６　重量％未満にすることが好ましい。

本発明の同相接合法は、ニッケルを主成分とするニッケ
ル基超合金の被接合面に、アルミニウムとチタンとタン
タル及びニオビウムの少なくとも一つの合計量が原子分
率で５〜２５％、クロムとコバルトとタングステンとモ
リブデン及びジルコニウムの少なくとも一つの合計量が
原子分率にして、［１００−（アルミニウム、チタン、
タンタル及びニオビウムの合計原子分率）×４］％以下
であり、残りが実質的にニッケルの合金よりなり且つ７
００℃以上の温度で熱処理したインサート材を介在させ
、真空中で前記ニッケル基超合金の融点以下の温度に加
熱して同相接合を行なうことにある。

また、ニッケルを主成分とするニッケル基超合金の被接
合面に、アルミニウムとチタンとタンタル及びニオビウ
ムの少なくとも一つの合計量が原子分率で５〜２５％、
クロムとコバルトとタングステンとモリデブン及びジル
コニウムの少なくとも一つの合計量が原子分率にして、
［１００−（アルミニウム、チタン、タンタル及びニオ
ビウムの合計原子分率）×４］％以下であり、残りが実
質的にニッケルの合金よりなり且つ塑性加工したインサ
ート材を介在させ、真空中で前記ニッケル基超合金の融
点以下の温度に加熱して固相接合を行なうことにある。

〔作用〕

本発明のインサート材においては、炭素は好ましくない
。これは、耐熱強度に優れるＬ１２（γ′）析出強化型
Ｎｉ基超超合金は、強度を向上させるためにアルミニウ
ム、耐食性を向上させるためにクロムを含有させている
。そのために、Ｌ１２（γ′）析出強化型Ｎｉ基超超合
金接合は真空中で行う必要がある。

しかしながら、真空中で固相接合する場合には接合面に
炭素が移動し、炭化物を形成する。その結果として接合
強度を低下させる。そのために炭素を０．００６　重量
％未満にすることが好ましい。

この範囲なら生成炭化物は有害な作用を示さない。

接合部強度を向上させるためにインサート材組成におけ
るアルミニウム、チタン、タンタル及びニオビウムの少
なくとも一つの合計量を原子分率で５〜２５％にするこ
とが好ましい。これらは、いずれもＬ１２（γ′）析出
物形成元素であり、析出強化により接合強度を向上させ
る。これらの元素の合計量がこの範囲にはいっていれば
元素の違いによる影響差は小さい。この範囲以下の量で
は接合強度が低下し好ましくない。また、この量以下で
あれば有害な和が形成され強度が低下する。

クロム、コバ用１−．タングステン、モリブデン。

ジルコニウムの少なくとも一つの合計量は原子分率にし
て、［１００−（アルミニウム、チタン。

タンタル及びニオビウムの合計原子分率）Ｘ４］％以下
にすることが好ましい。ここに規定した以上に添加され
ると有害な相が形成され強度低下をきたす。なお、この
範囲以内であれば、クロムは耐食性に、コバルト、ジル
コニウムは靭性に効果を示し、タングステン、モリブデ
ンは強度向上に効果を示す。

また、インサート材の結晶粒径をＬＯｐｍ以下にするこ
とで固相接合した場合に原子の拡散が容易になり、その
結果接合強度がさらに向上することを見出した。これは
、結晶粒径を１０μｍ以下にすることにより超塑性現象
が発現するためであり、それによって低応力でインサー
ト材が母材面にそって変形し、原子の拡散がし易くなり
、接合がより完全になって結果として接合強度が向上す
る。なお、超合金は通常鍛造ができない鋳造合金である
。そのために、加工や加工熱処理等の方法では結晶粒の
微細化は難しい。それに対して超合金を急速凝固させれ
ば結晶粒は容易に微細化できることを見出した。

ニッケル合金インサート材の炭素含有量を０．００６　
重量％未満にすることは難しい。これは通常の金属材料
作製において、０．００６　重量％程度の炭素は製造上
のわずかな汚染があっても混入するからである。この対
策として、予めインサート材に熱処理を施せば炭素が炭
化物としてインサート材内部に固定化され、その結果、
接合面」二に有害な形として生成されないことを見出し
た。

また、インサート材に塑性加工を施すことによっても、
熱処理を施したのと同様の効果が得られることを見出し
た。

Ｎｉ基超超合金高接合強度を得る固相接合に対して、固
相接合用インサート材として最適なのは同種Ｎｉ基超超
合金用いることである。この場合、インサート材中に有
害な形として炭素が最も多く固溶しているのは、Ｎｉ基
超超合金急速凝固させた場合である。そこで、インサー
ト材に予め熱処理或いは塑性加工を施すことがいかに有
効な方法であるかを確認するために、急速凝固法の一種
である双ロール法で超合金急速凝固リボンを作製し、熱
処理による炭素固定能力を確認した。用いたＮｉ基超超
合金Ｒｅｎｅ８０である。急速ｉｇ固したままのリボン
は電子顕微鏡組織を見たところでは、リボン粒内には炭
化物が見られず、炭素が粒内に固溶していた。これに対
して、１０００℃１時間熱処理した場合のリボンの電子
顕微鏡組織は、結晶粒内に丸い黒色の炭化物が生成する
ことが認められた。このようになった場合には結晶粒内
の炭素は炭化物として固定化されるために接合面上に有
害な形として生成しない。その結果、接合強度の向上が
図れる。

各種温度で１時間熱処理した場合の超合金急速凝固リボ
ン内に現われる生成物を明らかにした結果を第１図に示
す。ここで、ＭＣと記述したものはＭＣ炭化物であり、
γ′と記述したのはニッケルとアルミニウムよりなる化
合物であり、阿２３Ｃ６及びＭ２Ｃと記述したものが初
期には結晶粒内に固溶していた炭素が熱処理により炭化
物として生成したものである。

このように、１時間の熱処理では８００℃以上で結晶粒
内の固定化が図れることがわかる。８００℃１時間熱処
理した場合のリボンの電子顕微鏡組織は、結晶粒内に丸
い黒色の炭化物が生成していた。しかしながら、１時間
以上の熱処理を行えば、７００℃でも炭素の結晶粒内固
定化が図れることを明らかにした。但し、７００℃未満
の熱処理では長時間熱処理しても結晶粒内に炭化物とし
て固定されない炭素が残留することを明らかにしている
。このことから、接合強度を向上させるためにはインサ
ート材をあらかじめ７００℃以上で熱処理することがき
わめて有効な方法であるといえる。

一方、インサート材に予め塑性加工を加えても熱処理と
同様の効果がある。塑性加工すると、インサート材中に
は転移等の内部欠陥が多数導入される。これらの内部欠
陥は、炭素を炭化物としてすばやく生成させる効果があ
る。その結果、インサート材中の固溶炭素は接合を行な
うときの昇温過程ですばやく炭化物として生成し、内部
で固定化されるために接合面とに生成することがない。

その結果、接合強度向上がはかれる。

〔実施例〕

本実施例では接合母材としてＬｔｚ（γ′）析出強化型
Ｎｉ基超超合金ｅｎｅ８０を用いた。接合用インサート
材には、液体急速凝固法の一種である双ロール法即ち高
速回転するロールに液体を接触させ凝固させて作製した
リボンを用いた。接合用インサート材に用いた合金は、
　Ｌ１２（γ′）析出強化型Ｎｉ基超超合金あるＴＭＰ
−３，既存Ｌ１２（γ′）析出強化型Ｎｉ基超超合金ｌ
Ｎ７３８ＬＣ，Ｒｅｎｅ８０　、これら合金からＣを除
いたＴ　Ｍ　Ｐ　−３ＦＣ、、１Ｎ７３８ＦＣ。

Ｒｅｎｅ８０ＦＣであり、さらにＬｔｚ（？’）析出強
化型Ｎｉ基超超合金主要構成元素からなるＮｉ−２０Ａ
Ｑ−５Ｃｒ、Ｎｉ−２０Ａｆｉ−５Ｃｏ、Ｎｉ−２Ｎｉ
−２０Ａ、Ｎｉ−１５ＡＱ−５Ｔｉ、Ｎｉ　−１５ＡＭ
−５Ｔａ、Ｎｉ−１５Ｎｉ−１５Ａ　（いずれも原子百
分率で表記）のＮ１−ＡＱ−Ｘ三元系組成のものも用い
た。第１表に供試接合用インサート材の化学組成を示す
。なお、上述したＮ１−Ａｆｌ−Ｘ三元系合金組成は母
合金の配合組成であるが、リボン分析値と配合組成はほ
ぼ同じである。

リボン作製は、７００Ｔｏｒｒのアルゴンガス雰囲気下
で直径１５０ｎｕｉ＋のＣｕ　−Ｂ　ｅ製双ロールおよ
びノズル孔１ｍｍの石英製ノズルを用いた。作製条件は
、ロール周速１０　ｍ　／　ｓ、ロール押付カフ００ｋ
ｇｆ、溶湯噴出圧３ｋｇｆ／ｃｍ”である。リボン形状
は厚さ約１００μｍ、幅８〜１５＋＋＋ｎ＋である。こ
の条件で作製したリボンの結晶粒は微細化されその大き
さは約１μｍである。

接合は、かご型治具を用いて、タングステンメツシュヒ
ーターで試料を加熱し、インストロン型引張試験機で行
った。接合条件は、６×１０″″５Ｔｏｒｒより高真空
雰囲気、接合温度１０５０〜１２００℃，接合応力３〜
７ｋｇｆ　／＋ｉｎ＋２、接合時間３０〜９０１１Ｉｉ
ｎである。接合母材は直径８ｍｍ、平均面あらさが１μ
ｍの精密鋳造製品（Ｒｅｎｅ　８０　）である。

接合強度の評価は引張試験で行った。このときの引張速
度は、０．１ｍｍ／ｗｉｎである。試験片は平行部長さ
ａｌｌｌｌ、平行部直径２ｍｍとし、前述接合試験片（
接合後）から切り出して用いた。接合界面は、引張試験
片の中央かつ応力軸に対し垂直に位置している。ここで
は、接合強度が問題であることがら引張試験片の破断部
が接合界面か母材破断かに注目し、接合界面破断したも
のについては、その時の引張強さで接合強度を評価した
。

接合部の分析はＥＰＭＡ分析で行った。加速電圧は１５
ｋＶ、ビーム電流０．２μＡ、ビーム径１〜２μｍであ
るａＮｘについてはにβ線、他元素はにα線を用いて分
析した。

第２図に固相接合条件の検討結果として、基準条件を接
合応力５　ｋｇ　ｆ　／　ｍ＋ｍ”、接合時間６０＋ｎ
ｉｎ、接合温度１１００℃とし、応力９時間、温度を変
化させて接合した場合の接合条件と室温引張強さの関係
を示す。また、同相接合に対する微細結晶粒インサート
材の効果を検討するために、接合用インサート材として
微細結晶粒ｌＮ７３８１Ｃリボンを用いた場合と、接合
用インサート材を用いないでＲｅｎｅ８０母材同志を接
合した場合とを比較した。第２図において、いずれの接
合条件においてもリボンを用いた場合、引張強さが大き
くなり接合強度の向上に寄与していることが認められる
。このことから、接合用インサート材として微細結晶粒
材をもちいれば接合強度向上の効果が理解できる。

さらに、第３図に、接合母材に用いたＲｅｎｅ８０素材
、接合用インサート材にｌＮ７３８ＬＣおよびＴＭＰ−
３リボンを用いた接合材、およびリボンを用いないで母
材同志を接合したものの高温引張試験結果を示す。微細
結晶粒リボンを用いて接合したものは、リボンを用いな
いものよりすべての温度範囲で高い強度を示す。しかし
、母材よりは低い強度であった。

次に、インサート組成が接合強度に及ぼす影響を検討し
た。第２表に種々組成リボンを接合用インサート材に用
いた接合材の室温引張試験結果を示す。既存合金関連の
リボンでは、リボンを用いない場合よりは高い接合強度
を示すが、いずれも接合界面破断した。しかし、含有Ｃ
を少なくしたＦＣ系合金では三合金ともに接合強度が向
上した。

一方、Ｎ１−ＡＱ−Ｘ系リボンを用いた場合ではいずれ
も母材破断した。ここで、Ｎ１−ＡＱ−Ｘ系リボンには
Ｃが含まれていない。以上の結果から、接合用インサー
ト材組成に含まれているＣを０．００６ｗｔ％未満にす
ることによって接合強度が向上することは明らかである
。また、他の元素の効果も理解できる。

第４図は、　ｌＮ７３８ＬＣリボンを用いた接合界面の
ＥＰＭＡ分析結果である。Ｃの大きなピークが見られる
。第５図は、ト℃系リボンの一例として、Ｒｅｎｅ８０
ＦＣを用いた接合界面のＥＰＭＡ分析結果である。ＦＣ
系リボンでもＣのピークが現れる。第６図に１２００℃
で接合した場合の加速電圧１ｋＶでａ；ｕ；ｉしたＥＰ
ＭＡ分析結果を示す。接合界面には灰分（Ａ　　ｔｙｐ
ｅ）と黒色（Ｂ　　ｔｙｐｅ）の生成物が線状に連なっ
ており、分析の結果、Ａ　　ｔｙｐｅ（７）生成物はＴ
ｉ　　（Ｃ，○）＋Ｂｔｙｐｅの生成物はＡＱ酸化物と
考えられる。このように接合強度が低下している場合に
は接合面に炭化物が生成している。ここで接合界面近傍
に存在するＣの供給源については第２表から接合用イン
サート材からであることが容易に理解できる。

次に、　ｌＮ７３８ＬＣリボンを予め１１００℃１時間
で真空中で熱処理してから同上の方法で接合した。

この結果、母材破断させることができた。これは熱処理
により結晶粒内に存在していた固溶炭化物が接合前の時
点で炭化物として結晶粒内にすでに固定されたために、
接合時に接合面上で炭化物を形成しなかったためである
。このように接合前の熱処理は接合強度を向上させる手
段として極めて有効な方法といえる。なお、この結果は
第１表で示した他の組成についても同様である。

また、ｌＮ７３８ＬＣリボンを予め冷間圧延で１０％塑
性加工してから同上の方法で接合した場合、母材破断さ
せることができた。これは熱処理と同様に塑性加工によ
り結晶粒内に存在していた固溶炭化物が接合前の時点で
炭化物として結晶粒内にすでに固定されたために、接合
時に接合面上で炭化物を形成しなかったためである。こ
のように接合前の塑性加工も接合強度を向上させる手段
として極めて有効な方法といえる。

なお、本実施例ではインサート材としてリボンを用いた
が、その他に急速凝固プロセスを応用して作製した粉末
あるいはそれらを固化したもの。

また溶射等のプロセスを応用して結晶粒を微細化させた
もの、スパッタや、ＣＶＤ等のプロセスを用いたものを
使用してもよく、本発明に該当する。

なお、塑性加工したのちに熱処理を行なうことも好まし
く、本発明に含まれる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、接合強度を向上させるのに好適な接合
用インサー１−材組成にすることができるので、耐熱強
度に優れるＬ１２（γ′）析出強化型Ｎｉ３超合金の接
合強度が向上するという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は各種温度で１時間熱処理した場合の超合金急速
凝固リボン内に表れる生成物を示すグラフ、第２図は固
相接合条件としての応力２時間。 温度を変化させて接合した場合の接合条件と室温引張り
強さとの温係を示す特性図、第３図は高温引張り試験結
果を示す特性図、第４図はｌＮ７３８ＬＣリボンを用い
た接合界面のＥＰＭＡ分析結果を示すグラフ、第５図は
Ｒｅｎｅ８０ＦＣリボンを用いた接合界面のＥＰＭＡ分
析結果を示すグラフ、第６図は１２００℃で接合した場
合の加速電圧１ｋＶでＩ察したＥＰＭＡ分析結果を示す
グラフである。 特許出願人　工業技術院長　飯塚幸三 第１（２） 第３印 會（線温度（′Ｃ） 事４（￥１ 第５０

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ニッケルを主成分とするニッケル基超合金の固相接
   合用インサート材であつて、アルミニウムとチタンとタ
   ンタル及びニオビウムの少なくとも一つの合計量が原子
   分率で５〜２５％、クロムとコバルトとタングステンと
   モリブデン及びジルコニウムの少なくとも一つの合計量
   が原子分率にして、［１００−（アルミニウム、チタン
   、タンタル及びニオビウムの合計原子分率）×４］％以
   下であり、残りが実質的にニッケルの合金よりなること
   を特徴とするニッケル基超合金固相接合用インサート材
   。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記インサート材
   の結晶粒径が１０μｍ以下よりなることを特徴とするニ
   ッケル基超合金固相接合用インサート材。 ３、特許請求の範囲第１項において、前記インサート材
   中に不純物として含まれる炭素量が ０．００６重量％未満よりなることを特徴とするニッケ
   ル基超合金固相接合用インサート材。 ４、ニッケルを主成分とするニッケル基超合金の被接合
   面に、アルミニウムとチタンとタンタル及びニオビウム
   の少なくとも一つの合計量が原子分率で５〜２５％、ク
   ロムとコバルトとタングステンとモリブデン及びジルコ
   ニウムの少なくとも一つの合計量が原子分率にして、［
   １００−（アルミニウム、チタン、タンタル及びニオビ
   ウムの合計原子分率）×４］％以下であり、残りが実質
   的にニッケルの合金よりなり且つ７００℃以上の温度で
   熱処理したインサート材を介在させ、真空中で前記ニッ
   ケル基超合金の融点以下の温度に加熱して固相接合を行
   なうことを特徴とするニッケル基超合金の固相接合法。 ５、ニッケルを主成分とするニッケル基超合金の被接合
   面に、アルミニウムとチタンとタンタル及びニオビウム
   の少なくとも一つの合計量が原子分率で５〜２５％、ク
   ロムとコバルトとタングステンとモリブデン及びジルコ
   ニウムの少なくとも一つの合計量が原子分率にして、［
   １００−（アルミニウム、チタン、タンタル及びニオビ
   ウムの合計原子分率）×４］％以下であり、残りが実質
   的にニッケルの合金よりなり且つ塑性加工したインサー
   ト材を介在させ、真空中で前記ニッケル基超合金の融点
   以下の温度に加熱して固相接合を行なうことを特徴とす
   るニッケル基超合金の固相接合法。