JPH0342176A - 金属合金粉末の拡散による結合方法 - 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】 本発明は金属合金材料体の拡散による接合及び結合方法
に係る０本発明は、一連の活性化処理と一連の熱間圧縮
処理とを含み固体間の相互拡散によって結合が生起され
るタイプの方法に係る。

このタイプの方法で結合される金属合金は、耐熱性及び
耐食性の合金であって、ニッケル、コバルト、鉄のグル
ープの金属１種類か又はその２種類以上の金属の合金を
５０重量％以上の割合で含有する合金である。特に、こ
れらの合金のあるものは、「超合金」なる指称をもち、
この場合、合金組成の残りの部分がクロム、アルミニウ
ム、モリブデン、チタン、タングステン、ニオブ等の如
き元素から成り、これら元素は固溶体として組み込まれ
金属間化合物を形成するか、又は炭素と共に分散相を形
成しており、高温での機能特性（機械的特性及び耐食性
）が向上する。これら合金は特にタービンエンジンの製
造に使用される。

本文中の「材料体（ｃｏｒｐｓ）Ｊなる用語は、例えば
溶接結合を構成するための所定の形状及び寸法をもつ充
実部材でもよく、又は焼結もしくは熱間圧縮によって部
材を形成するための粉末粒子でもよい。即ち、本発明で
考察する結合は２つの充実部材相互間の結合と、１つの
充実部材と粉末との結合と、粉末相互間の結合とのいず
れをも意味する。

２つの充実部材を互いに結合するために本発明を使用す
る場合、該部材間に例えば鑞から戒る付加的な外部溶加
材が存在してもよく存在しなくてもよい、従って本発明
の接合及び結合方法は、溶接−拡散、鑞付は一拡散、焼
結又は熱間圧縮の如き種々の接合及び結合方法を包含す
る。当業者に公知のこれら処理方法の原理について以下
に簡単に説明する。

溶接−拡散は、部材を所与の圧力下で互いに接触させて
維持し溶融開始温度より低い所定温度で所定時間加熱す
る固相溶接である。この処理条件によって、接触面の局
部的塑性変形が生じ、これら接触面が緊密に接触し、部
材間の原子の移行及び／又は界面での再結晶化を可能な
らしめる。理想的な場合には、処理の終了後に顕微鏡的
、化学的又は機械的ないずれの見地から現察しても当初
接触界面を識別することはできない。

鑞付は一拡散では接合すべき２つの部材間（こ、ニッケ
ルベースの合金の薄層（薄板又は粉末）を挿入する。該
合金は、超合金の溶融開始温度よりも低い液相線温度を
得るための添加剤（融剤〉を含む。

加熱によって先ずこの層の溶融が生起されて部材の表面
接触層と結合し、次に前記融剤が部材の隣接領域に移行
するのでその局部含有率が低下する。

即ちここで使用するのは、固体相互拡散による溶接方法
ではなく鑞付けという公知の技術を使用し次いで鑓の融
剤を拡散させて該結合層の溶融温度を高くするという技
術である。

超合金から部材を製造するためには、機械加工及び鍛造
の如き従来の方法を使用すると種々の難点が生じるので
、焼結が有利であることも判明した。超合金粉末から成
形した部材に対していわゆる焼結処理を行うことにより
超合金粉末から複雑な形状の部材を製造し得る。この焼
結処理は、粉末をマトリクス内で冷間圧縮した後に所定
温度に加熱するか、又は圧縮中の粉末を溶融開始温度よ
り低温の所定温度に加熱することによる。この結果、各
粒子レベルで拡散による溶接と同様の現象が生じ、これ
によって部材の強化が得られる。焼結部材の物理的及び
機械的特性は粉末粒子間に形成された結合の質に依存す
ることはあきらかである。

材料体の接合は、組成及び種類が等しい材料間で行なわ
れてもよく又は異なる組成及び異なる材料間、例えば稠
密材料と粉末状材料との間で行ってもよい。

使用合金のｉ械的強度が高いと、特に焼結又は拡散溶接
による部材又はアセンブリの製造が困難となる。

拡散溶接された合金部材の機械的接合強度試験と顕微鏡
ｌＩ！察とによれば、ある種の超合金とある種の不銹特
殊合金とにおいては拡散溶接後に質の悪い結合しか得ら
れなかった。また、これら超合金で製造された焼結部材
は強度も低く、アセンブリの接着力は一般に得られる値
をはるかに下回っていた。またある場合には結合が全く
不可能であった。

電子類ｍ鏡によるａ察と＠量分析による成分研究との結
果、これら欠点の原因は表面接触層中に拡散を妨害又は
全く阻止する凝離即ち沈澱物が形成されるためであるこ
とが判明した。これら凝離即ち沈澱物は結合処理に先行
する温度上昇のときにある種の成分が移行した結果とし
て生じる。

この拡散バリヤー形成現象は、無視できない量の炭素と
比較的高濃度のチタン、例えば０．１５％以上の炭素と
１．５％以上のチタンとを含有する超合金で特に顕著で
ある。この場合、例えば拡散溶接後に、特に炭化チタン
を含むチタン化合物の凝離によって形成されたほぼ連続
的な周辺効果（ｌ　１ｓｅｒｅ）が界面に存在し、かつ
再結晶化が生じていそいことが確認された。第１ａ図は
前記現象が観察される部材の接合例の倍率２５００倍の
顕微鏡写真である０機械的試験によってこのような結合
は不完全であることが確認された。

フランス特許公開第２３８０３５４号はこのような欠点
を是正するための結合処理以前の予備処理方法を提案し
ている。この予備処理では、水素とハロゲン化水素との
混合物から戒る水素ハロゲン添加雰囲気に維持された処
理室で加熱する緩和処理を行なう。フランス特許第１１
７０５５７号及び第１２４３４１５号は還元雰囲気例え
ば水素下に維持された処理室で特にセメント状で導入さ
れたフッ化クロム又はフッ化アンモニウムから得られた
フッ素添加雰囲気中での処理条件を明記している。しか
し乍ら水素添加雰囲気の使用の実用化には幾つかの難点
及び制約がある。

充実部材又は粉末粒子の形状の材料体を拡散によって接
合及び結合するための前記タイプの方法であって前記の
如き欠点を含まない本発明方法の特徴は、前記材料体の
界面に式ＭＢＦｘ　Ｃ式中、Ｘは３又は４の数値、Ｈは
高温でＮＨ，の如きガスを発生し得るＮＨ，タイプの基
又は所定のフッ化ホウ素酸塩を構成し得る金属元素、例
えばｘ＝４のときホウ素四フッ化物あるいは四フッ化ホ
ウ素酸塩を横或し得る元素を示す〕で示される物質の予
備堆積層を設け、次に前記材料体を該物質の昇華温度よ
り高い温度に５分間以上維持することによる一連の清浄
化−活性化処理を行うことである。

前記処理において、接合すべき材料体の材料とフッ化ホ
ウ素酸塩との反応によって健全な結合形成の障害になり
易い元素が揮発性化合物として除去され、前記材料体の
材料が「精製Ｊ　（ａｄｏｕｃ　ｉｓｓｅｍｅｎｔ）さ
れる。また固体相互拡散によって結合の活性化を得るこ
とも可能である。

この現象及び得られる結果の一部は本発明方法の実施中
に観察される次式に示す化学的反応によって説明できる
。即ち、使用処理条件で使用物質ＭＢＦ４が化学反応に
よって分解される。

ＭＢＦ４→ＭＦ十ＢＦ。

使用物質がＭＢＦコのタイプのときは以下の反応が生じ
る ＭＢＦ、→Ｍ＋　ＢＦ。

上記のいずれの場合にも反応の進行に伴って例えば公知
のごとく好ましくないチタン又はアルミニウムが結合の
障害を形成すると想定され、一方では、ＢＦｓ＋Ｔｉ−
＋ＴｉＦａ＋８他方では、ＭＦ−＋阿＋ＴｉＦｂとなる
。

得られた物質ＴｉＦａ及びＴｉＦｂのタイプのフッ化物
は揮発性で従って除去される。アルミニウムに関しても
同様の反応が観察される０本発明によれば、ＨはＮＨ，
タイプの基又は金属である。Ｍが金属のとき、これは接
合すべき材料体の界面に堆積しその後の固体相互拡散に
よる一連の結合処理中に当該合金に結合する。阿がＮＨ
，タイプの基のとき、これは例えばＮＨ，の如きガスの
発生によって除去される。

ホウ素は接合すべき材料体の界面に堆積し固体相互拡散
による結合を行うための活性化作用を与える。即ち固体
相互拡散はホウ素の存在下で促進される。また、使用さ
れる温度範囲では以下の反応も生じる ＢＰ３→ＢＦ２＋Ｆ 従って使用物質ＭＢＦ、をＭＢＦ、で代替しても温度範
囲次第で組成ＢＦ、又はＢＦ２のガスの発生によって同
じ結果が得られることが理解されよう。

フッ化ホウ素酸塩タイプの使用物質は固体状で堆積され
るか又は例えばアルコール中の懸濁液状又は溶解した形
態で付着されるのが有利である。

悲濁状態又は溶解状態の場合、加熱の初期に蒸発が生じ
、その結果フッ化ホウ素酸塩が堆積して前記反応連鎖が
順次生じる。

本発明方法の重要な利点は、例えば、実施容易なこと、
生産性が高いこと、１つの処理サイクルで同時に接合す
べき面の表面準備でき、接合及び結合処理、活性化処理
が得られること、従って結合と最終製品との優れた品質
が確保されることである。

本発明の別の特徴及び利点は本発明の拡散接合結合方法
の幾つかの使用例に関する添付図面に基づく以下の記載
より明らかにされるであろう。

本発明の実施態様として、充実部材又は粉末粒子の形態
の材料体を拡散によって接合及び結合する方法の幾つか
の使用例を以下に説明する。また、記載の実施ｎ様にお
いて本発明で用いられる本発明の清浄化−活性化処理は
前記で概略的に説明した関連公知方法でほぼ一般的に定
義されている夕５理条件とほぼ等しい。

一 夫々が異なる合金例えばＮＣ１０に１５（商品名ｌＮ１
００）叉びＮＫ１７ＣＤＡＴ（商品名人５ＴＲＯＬＯＹ
）又ハ商品名ＣＭＳ−Ｘ２及び＾５ＴＲＯＬＯＹから成
る充実部材を用い溶接拡散による複数の結合試験を実施
した。

各試験は以下の処理手順で行なわれた。

ａ）部材の接合すべき面のｖｌｌｆｉ的研磨、ｂ）部材
の脱脂、 Ｃ）四フッ化ホウ素酸塩タイプの物質ＮＨ，ＢＰ、を部
材の界面に塗布、 ｄ）以下のサブステップを含む接合部材の炉内真空下処
理、 ｄｉ）接合部に外圧を作用させずに１０℃／分の温度上
昇速度で５００°Ｃに加熱、 ｄ２）ジヤツキによって２０バールまでの圧力を作用さ
せ乍ら５００℃を９５０９Ｃ〜１２００℃まで加熱。こ
の温度は存在する合金に従って決定される。

ｄ３）サブステップ（ｄ２）の温度及び圧力を２〜４時
間維持、 ｄ４）真空下で２〜４時開放冷。

ステップＣ）で四フッ化ホウ素酸塩タイプの物質の使用
量を１０〜１００＋ｎｇ／ａｍ”にすると好結果が得ら
れることが判明した。

溶接部材の機械的試験、顕微鏡観察及び溶着部に対する
マイクロゾンデ分析を行った。

等しい構成成分から成りステップＣ〉を省略した溶接−
拡散手順、即ち部材の界面に四フッ化ホウ素酸塩タイプ
の物質を塗布しない溶接拡散手順で等しい条件を用いて
接合したコントロール試験片により比較試験を実施した
。本発明方法で得られた結果と本発明の特徴たるステッ
プを含まない方法で得られた結果とを以下の表にまとめ
る。

゛　　−の　　（； 本発明によって製造された試験片＾は溶着部の外部で破
断を生じたが、本発明を使用しない試験片Ｂは接合部で
破断を生じた。

第１ａ図は四フッ化ホウ素酸塩タイプの物質を塗布によ
る清浄化−活性化処理を含まない溶接−拡散方法に使用
したときの接合試験片の顕微鏡写真を示す。溶着部に周
辺効果が存在し接合欠陥が生じていることが観察される
。

第１ａ図同様の第１ｂ図は、四フッ化ホウ素酸塩タイプ
の物質を塗布による清浄化−活性化処理を含む溶接−拡
散方法で得られた試験片の顕微鏡写真を示す。２つの部
材間に完全な接合が観察され周辺効果は完全に消滅して
いる。

■−の 粉末の焼結処理に本発明方法を使用する試験では、例え
ば、以下の一連のステップによって粉末の予備調製を行
なう。

（ａ）四フフ化ホウ素酸塩タイプの物質のアルコール懸
濁液に粉末を浸漬する。

（ｂ）粉末を乾燥する。

（ｃ）成形用母型に粉末を充填する。

次に、粉末の熱間圧縮による焼結処理を常用の手順で行
なうが、先ず１０℃７分の温度上昇速度で５００℃まで
加熱する清浄化−活性化段階から処理を開始する。本発
明の清浄化−活性化を使用した場合と使用しない場合と
に関して試験及び分析の結果を比較すると実施例■と同
様の観察結果が得られる。

等しい倍率６０００倍で示す第３ａ図及び第３ｂ図の同
様の顕微鏡写真を比較すると本発明方法を使用したとき
はく第３ｂ図）２つの粉末粒子間の結合が顕著に向上し
結合の範囲も広いことが判明する。

第３ｃ図の顕微鏡写真で観察される顕微鏡的特徴は、粉
末粒子の表面に微細構造が存在することである。即ち本
発明方法の使用によって得られた特有の微細構造は、清
浄化−活性化処理中にガス又は揮発分の発生が進行する
ことによって生じた隆起を有することである。対照的に
本発明方法を使用しないと、幾何学的隆起のない平坦な
表面しか存在しない（第３ａ図参照）。

■−の執　、座圧 前記の実施例■同様に四フッ化ホウ素酸塩タイプの物質
を使用して粉末の予備調製を行なう。この方法の常用の
実施手順は、容器に粉末を充填する前の脱ガス処理を含
む。本発明方法では、この脱ガス処理が１０℃／分の温
度上昇速度で５００℃まで加熱し次に空気に接触させず
に容器に充填する一連の清浄化−活性化処理を含む。粉
末の熱間等圧圧縮に本発明方法を使用した場合にも前記
実施例と同様の結果の改良が得られることが判明した。

■−搗　け− この実施例では使用される鑞に四フッ化ホウ素酸塩タイ
プの物質を配合し、これを接合すべき充実部材間に挿入
して１０°Ｃ／分の速度で５００″Ｃまで加熱し５００
°Ｃ以後に接合圧力を作用させる炉温度上昇サイクルを
用いる。

これによって新たに結果の改善が得られる。

真空下での炉処理に関しては前記実施例で説明した。し
かし乍ら、所望の用途次第では、本発明の範囲内で該処
理を通常雰囲気下の処理室で実施し得ることは明らかで
あろう。

本発明方法によれば更に、前記実施例の幾つかを組み合
わせて使用することも可能である。例えば、熱間圧縮に
よる粉末の稠密化処理を充実部材との結合のための溶接
−拡散と組み合わせ四フッ化ホウ素酸塩タイプの物質に
よる清浄化−活性化処理を処理手順に組み込んでもよい
。

【図面の簡単な説明】

第１ａ図は従来方法で得られた接合における２つの部材
間の結合ゾーンの金属Ｍ織の倍率２５００倍の顕微鏡写
真、第１ｂ図は本発明方法で得られた第１ａ図と同様に
接合された２つの部材間の結合ゾーンの第１ａ図同様の
金属組織の倍率２５００倍の顕微鏡写真、第２ａ図は従
来方法で得られた結合をもつ試験片の破断面の金属組織
の倍率６５０倍の顕微鏡写真、第２ｂ図は本発明方法で
得られた試験片の第２ａ図同様の金属組織の倍率６５０
倍の顕微鏡写真、第３ａ図は従来方法による圧縮処理後
の２つの粉末粒子の結合ゾーンの金属組織の倍率６００
０倍の顕微鏡写真、第３ｂ図は本発明方法の使用後のＺ
つの粉末粒子間の結合ゾーンの金属組織の倍率６０００
倍の顕微鏡写真、第３ｃ図は本発明方法を用いて処理し
た粉末粒子表面の金属組織の倍率２５０００倍の顕＠鏡
写真である。 区 区

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）ニッケル、コバルト、鉄のグループの金属１種類
   か又はその２種類以上の金属の合金を５０重量％以上の
   割合で含有する金属合金の粉末粒子の形状の材料体を拡
   散によって結合するための方法であつて、前記材料体の
   界面に式ＭＢＦｘ〔式中、ｘは３又は４の数値、Ｍは高
   温でＮＨ＿３の如きガスを発生し得るＮＨ＿４タイプの
   基又は所定のフッ化ホウ素酸塩を構成し得る金属元素、
   例えばｘ＝４のときホウ素四フッ化物あるいは四フッ化
   ホウ素酸塩を構成し得るような元素を示す〕で示される
   物質の予備堆積層を設け、次に前記材料体を該物質の昇
   華温度より高い温度に５分間以上維持することによる一
   連の清浄化−活性化処理を行うことを特徴とする方法。 （２）使用されるＭＢＦｘタイプの物質が化学式ＮＨ＿
   ４ＢＦ＿４で示される四フッ化ホウ素酸アンモニウムで
   あることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の拡
   散による結合方法。 （３）一連の清浄化−活性化処理が２５０℃〜５００℃
   の温度を１５〜３０分間維持するステップを含むことを
   特徴とする特許請求の範囲第２項に記載の拡散による結
   合方法。 （４）使用されるＭＢＦｘタイプの物質においてＭが結
   合すべき前記材料体の少なくとも一方のベース金属であ
   る金属元素を示すことを特徴とする特許請求の範囲第１
   項に記載の拡散による結合方法。 （５）フッ化ホウ素酸塩ＭＢＦｘが前記フッ化ホウ素酸
   塩のアルコール懸濁液の塗布によって結合すべき材料体
   の界面に堆積されることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項から第４項のいずれかに記載の拡散による結合方法
   。 （６）フッ化ホウ素酸塩ＭＢＦｘが溶解状態で結合すべ
   き材料体の界面に塗布されることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項から第４項のいずれかに記載の拡散による
   結合方法。（７）（ａ）前記フッ化ホウ素酸塩ＭＢＦｘ
   のアルコール懸濁液に粉末を浸漬し、 （ｂ）粉末を乾燥し、 （ｃ）成形用母型に粉末を充填し、 （ｄ）１０℃／分の温度上昇速度で５００℃まで加熱処
   理し、 （ｅ）粉末の熱間圧縮を含む焼結処理を行なう一連のス
   テップを含んでおり、成形された部材を焼結によつて稠
   密化することを特徴とする特許請求の範囲第１項から第
   ６項のいずれかに記載の拡散による結合方法。 （８）（ａ）フッ化ホウ素酸塩ＭＢＦｘタイプの物質の
   表面堆積層をもつ粉末を調製し、（ｂ）１０℃／分の温
   度上昇速度で５００℃まで加熱する初期加熱ステップを
   含む脱ガス処理し、 （ｃ）容器に粉末を充填し、 （ｄ）熱間等圧圧縮によって圧縮処理する一連のステッ
   プを含むことを特徴とする特許請求の範囲第１項から第
   ６項のいずれかに記載の拡散による結合方法。 （９）充実部材と粉末から得られた部材との間で溶接−
   拡散を伴う熱間圧縮によって粉末を稠密化するために前
   記処理以前に充実部材で粉末を押圧するステップを含む
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項から第５項及び
   第７項のいずれかに記載の拡散による結合方法。