JPS5832030B2 - Ni基耐熱合金の接合方法 - Google Patents

Ni基耐熱合金の接合方法

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JPS5832030B2
JPS5832030B2 JP8742981A JP8742981A JPS5832030B2 JP S5832030 B2 JPS5832030 B2 JP S5832030B2 JP 8742981 A JP8742981 A JP 8742981A JP 8742981 A JP8742981 A JP 8742981A JP S5832030 B2 JPS5832030 B2 JP S5832030B2
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一三 霜鳥
博光 竹田
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K1/00Soldering, e.g. brazing, or unsoldering
    • B23K1/19Soldering, e.g. brazing, or unsoldering taking account of the properties of the materials to be soldered

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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はNi基耐熱合金で形成された熱機関部品11例
えは高温ガスタービン翼のように複雑な形状をなす部品
を拡散接合により作成する際に適したN1基耐熱合金の
接合方法に関する。
通常、高温ガスタービン翼の材料としては、Ni基耐熱
合金が用いられており、動作温度を高くする為に、内部
に複雑な冷却通路を設けた冷却通路を設けた冷却翼構造
となっている。
その典形的な構造には(4)リターンフロ一式精密鋳造
翼と[F])十数枚以上のウェハーを平面で接合構成し
たウェーハー翼があげられる。
このような複雑な冷却通路を設けた高温ガスタービン翼
を作成する場合、拡散接合法が重要な技術となる。
すなわち、(4)の場合にはたとえば第1図に断面的に
示す如く、軸方向に沿って2分割した翼部材1,1′を
精密鋳造した後これらの接合曲面2にインサートフィラ
ーメタルを介在させて組合せた後拡散接合して一体化す
る。
このような広い曲面を接合するには、接合面の寸法精度
の点から厚いフィラーメタルが望ましい。
また(6)の場合は接合面が多くしかも平面の寸法精度
が高いため薄いフィラーメタルが望まれる。
なお、曲面の拡散接合法として高温等圧圧縮法が用いら
れる例もあるが、プレスが特殊大形を要し、かつカプセ
ル技術やマスキング技術を駆使するなど複雑高価な工程
となり、実用化に問題がある。
(4)や(lI3)の作成に用いる拡散接合には通常、
接合の信頼性を得るため液相拡散接合法が用いられる。
すなわちNi基耐熱合金を接合する場合、従来はN i
−P 、N i −8、N i −Cr −B等から
なるフィラーメタルを用いていた。
つまりこの様なNiに低融点化元素B、P、Siなどを
添加したフィラーメタルは母材となるNi基耐熱合金材
の融点より数十度以上低い温度で溶融して、一旦Ni基
耐熱合金材をぬらしてろう接した後、さらに長時間の加
熱によりP、B、Sなどが拡散して母材と同等に凝固す
る等温凝固を利用した強固な接合面を得るものである。
(特開昭49−13060)しかし、従来のこの方法で
は接合の信頼性は優れているが、その反面問題点が2つ
ある。
その1つは低融点化元素のBやPが接合部に含まれその
高温耐食性や高温延性が害なわれる心配がある。
これは、本目的のかこくな高温作動条件で使用される同
−Ni基合金同志の構造部品接合方法としては必ずしも
充分でないことを示している。
その第2点は、フィラーメタルの供給方法の制約の問題
点である。
フィラーメタルは低融点化元素を含みこれがその加工性
を著しく害している。
このためフィラーとして粉末の有機バインダーによるシ
ートもしくは急速冷却法による非晶質リボンを用いてい
る。
前者ではシートの取り扱いが不安定でかつバインダの残
渣による汚染や溶融時の寸法縮小の寸法精度の問題があ
り、後者は数十μmの板厚しか出来ないという問題があ
り(4)や■のタービン翼作成に必要な薄形から厚形ま
でのフィラーメタルの厚みを自由に選択する事ができな
かった。
またメッキや蒸着法も考えられるが、(特公昭48−2
9984)前者は適用フィラー組成がN1−P等に限ら
れ、かつ湿式メッキ特有の表面汚染の問題があり、後者
は蒸着中の組成変動や均一性に問題があり実用上、自由
度の高いフィラーメタルの供給法がみあたらなかった。
本発明は上記の点に鑑み、Ni基耐熱合金からなる強度
部材同志の接合方法において、その接合部の高温耐食性
を含めた高温強度を向上させ、かつ接合フィラーメタル
の供給も自由度の高いNi基耐熱合金の接合方法を提供
する事を目的とする。
本発明は、N l a A l系γ′相で強化されたN
i基耐熱合金からなり、複数個に分割された同種合金構
造部材の少くとも接合面に、不活性雰囲気中でフィラー
メタルとなるA4層を形成した後、前記A7が液相拡散
接合のフィラーとしてNi基耐熱合金と反応接合し、接
合部をγ’−Nt3AA相が分散する組織とするもので
ある。
本発明の対象となる被接合材は、γ′相を含まぬNi合
金にも適用は可能であるが、γ′相を析出強化する程度
のAt、又は(Az+Ti)量を含むNi基耐熱合金に
おいてその効果は一層発揮する。
本発明のフィラーメタルとしてのAtは、溶融A7が固
体Ni合金と特異な急激合金反応をする事を利用したも
ので従来のNi合金同志のぬれ反応による等温凝固現象
とは異なった機構の液相拡散法といえる。
このAtの供給方法には、当然AA箔を用いる手法が考
えられる。
例えば特開昭55−133893号に具体例が示されて
おり、この場合には接合部近傍に27%wt以下のA4
が含有されているが事実接合の強度の程度をそれ程重要
視しない場合には、A4箔のインサートが考えられるが
、活性金属のA4箔には必ず酸化皮膜が存在し接合後に
この悪影響が残る。
本発明は、接合強度の重要な接合法を目的とするもので
、このため不活性雰囲気中でのA4層の形成を特徴とす
る。
この具体的手法は、おもに真空中のAt蒸着を考えてい
るが、スパッタ、イオンプレーテングなどの他のPVD
法や、CVD法でも代用は可能である。
とくにこのA4フィラーメタルと真空蒸着の組合せは、
その被膜形成速度が早く、かつ単一元素のため、組成の
変動もなく、かつ数μ以下から数100μまで厚さを自
由に形成出来さらに酸化による汚染がないという4重の
相互効果を発揮する新規の液相拡散法である。
この溶融Atによるろう液抜は、高温拡散処理により、
フィラーAtはNi基耐熱合金母相に拡散し、N1AA
−β相→N i 3 A7−γ′相→Ni3A7−γ′
+γ相の組織に処理する。
なおこの拡散接合の際に接合部近傍におけるA4含有量
は10 w t%以下とする事が好ましい。
とくに本発明の接合部高温強度を重視した場合は、Ni
At−β相の残留は耐酸化性には有効ではあるが厳に抑
制すべきである。
以上述べた機能よりその作用効果をまとめるとつぎのよ
うになる。
1)A4層により液相拡散液合法特有の高い信頼性の接
合が得られる。
2)低融点化元素のBやPなどを含まぬため高温耐食性
やぜい化の問題がなく、むしろ接合に用いたAAの富化
によりγ′相の生成による高温強度の向上や、耐酸化性
の向上が期待できる。
3)A4蒸着法等のフィラー供給法によりフィラーメタ
ル自体の酸化汚染もなくかつ厚さの自由度が大きくかつ
組成変動の問題もない。
4)接合面以外のA77重膜は、拡散処理によりγ′相
に変化するが、アルミナイズ処理に準じた高温耐食性の
向上の効果が得られる。
なお本発明のA4層は、純Atを基体とするが若干のS
iなどを含む合金でもよい。
以下、本発明方法を(4)のリターンフロー形タービン
翼成形の具体例で述べる。
まずNi基耐熱合金から成る同種構造部材1,1′を精
密鋳造で作製する。
これらの少くも接合表面を寸法合せをし、研磨・脱脂洗
滌後、第2図に示す如く第1真空槽3内に配置する。
この第1真空槽内を1O−4Torr以上に排気参EB
法でA4を蒸着しA4層を形成させる。
なお第2図においてAt蒸発源6を用いたEB蒸着法の
場合を示す。
この構造部材1.1′表面に形成されるAt層の厚さは
部品形状や目的により薄形から厚形まで調整すべきであ
る。
次に前記構造部材1,1′を予め1O−4Torr以上
に排気された第2真空槽4に移動させ真空ホットプレス
を行なう。
(第2図b)この場合、AA層の形成とホットプレスは
同一真空槽内にて行なってもよく、また一時的に真空槽
3,4より不活性ガスなどの雰囲気に取出しても良い。
真空ホットプレスは、前記構造部材1,1′を配置後た
だちに加熱するが、可及時すみやかにA4溶融点の66
0℃に加熱して1,1′の固体表面を溶融A4層の合金
反応により接合部を完全にぬらし、接合の信頼性を向上
する。
このまま拡散処理に入っても良いが通常はろう接が完了
後除荷して一体となった構造物を別の不活性ガス雰囲気
炉中で加熱し、A4の拡散を進ませ、接合部がN1AA
−β相→N 1aAl−γ′相→Ni3At−γ′相+
γ相の組織となるように加熱する。
つまり本発明方法における液相拡散接合の条件は、被接
合物の大きさ、形状により適宜選択できるが、通常66
0’C〜1250℃の温度で0.5分〜2.00時間程
度の処理を施す事により接合部の組織を、β−NiAt
相を含ますγ’−Ni3AA相が分散した組織とする事
ができる。
また必要に応じ、フィラーメタルを溶融し、溶融A7層
で接合部をぬらす熱処理と、γ’ Ni3At相を分
散せしめる900’C〜1250℃、1時間〜200時
間程度の拡散熱処理との2段の工程とする事もできる。
なお第2図a、bにおいて7,7′はダイスを示し8は
高周波コイルを、又9は構造部材1,1′を第1真空槽
3から第2真空槽4に移動させる際の分離バルブをそれ
ぞれ示す。
また接合温度は特に限定しないが900〜1150℃が
最も良好である。
また、接合面に外のAt層はそのままホットプレスおよ
び拡散処理を経日することによりγ′相主体の冷却内部
耐酸化層として活用できる。
以下本発明の実施例において具体的な条件や効果を説明
する。
実施例 1 本発明の有効性を示すため中厚形フィラーによる単純モ
デル試片にて拡散接合実験を行なった。
すなわち構造部材として2oφ×2朋厚さのlN738
LC鋳造材(Cr15.9%、Mo1.65%。
Co8.21%、W2.46%、Ti3.41%、At
3.62%、Nb0.86%、ZrO,03%、Bo、
010%、FeO,13%、Ta1.71%、C0,0
9%残部N i )を被接合体3,3′として2個用意
し、接合面を#1000エメリー紙にて研磨後脱脂洗滌
した。
これを第2図と同様の第1真空槽3に配設した。
真空槽内を5×10−〇Torrの真空度としたのちA
t(99,99%)を構造部材の接合面に蒸着した。
Atのチャージ量から接合面のAA熱蒸着さは概略10
μmであった。
その後構造部材を予め5X 10−6Torrの真空度
にした真空槽4へ移しホットプレス部にセットした。
上下ダイス10.10’の間には10kg/cI?Lの
圧力をかけ高周波加熱で1100℃2m1nで昇温し1
5m1n保持して冷却した。
この接合時の断面組織を第3図に示した。
その結果ろう接状況も非常に健全であった。
この溶融AtによるNi合金のろう液性を確認するため
に0.5 m、口のlN738LCの細い棒材を溶融A
4浴につけてその反応を実験で調査した。
その結果を第4図に示す。
これにより溶誘A4がNi合金と非常に良く反応してい
る事は明らかである。
またこの実験において、試料棒材が大気と接触する近辺
では試料棒材表面に酸化膜が形成されている為に溶融A
、ffとの反応が極めて遅い事も確認された。
さらにFe合金で同様の実験を行ったがフラックスを用
いないとFe合金とは反応が少ないことも確認出来た。
他方、A4フィラーをAA箔で供給する従来方法を約4
0μの箔を用いて同様の方法でろう接した。
これら両者について1150℃15hrの拡散処理を行
ない断面組織を調査したところ第5図、第6図がそれぞ
れ得られた。
なおこの時の接合部近傍におけるA4含有量は3.7w
t%となっていた。
接合自体は基本的に良好であるが、A7箔を用いた比較
例(第5図)ではAt層が厚いため拡散が完了せずN1
A7−β相が中心部に残っており、拡散部分に酸化物が
点在していることが明らかである。
他方本発明の第6図ではこの加熱条件でN1AA−β相
も消滅し拡散は充分完了しており接合の痕跡もほとんど
ない。
この部分の電顕組織を第7図に示すが若干冬目のγ′析
出層が時効処理により得られている。
つぎに従来のフィラーメタルの典形であるCr15%、
B4%残部Niの非晶質フィラーメタル40μ厚を用い
て同様の液相拡散接合を行なった。
そしてフィラーメタルの影響をみるため、ろう接直後で
拡散処理を行なわぬ状態でのNa2SO420%+■2
0580%の合成灰20m’!/cr?r塗布して90
00C3hrのホットコロ−ジョン加速試験を行なった
本発明の接合状態時も含めてその断面組織を第8図a、
bに示す。
Bを含有する接合部はaにみるようにホットコロ−ジョ
ンで接合面がかなり浸食されているがろう接時でも本発
明の接合部はbに示すように異常はなく、従来のフィラ
ーの問題点が明瞭に示される。
実施例 2 冷却ガスタービン翼の高性能比には前述のごとく多数枚
のフォトエツチングしたウェーハーのB形の構造が望ま
しく、その接合箇所が多いため厚いフィラーメタルを用
いることは出来ない。
そこで、本発明のうす形フィラーによる接合の可能性を
実験でたしかめた。
実施例1と同様の構造部材3枚を1mm厚さにして用意
した。
これらの研磨、脱脂およびAt蒸着を同様に行ない約2
μのAt蒸着膜を形成した。
これらを重ねて拡散ろう接したところ実施例と同様全面
にわたり健全なろう接が得られ、拡散処理によりほぼ均
一な接合部が得られた。
このようにウェーハ翼への点用にはN1−Cr−Bなど
のフィラーに比較しA4の真空蒸着法は品質管理も含め
て容易ですぐれたものである。
以上の説明にはガスタービン冷却構造成形について述べ
たが、本発明は、ガスタービン翼同志のタンデム接合や
、インサート接合、および燃焼器のNi合金接合などに
も応用が出来ることは明白である。
【図面の簡単な説明】
第1図はリターンフロ一式接合タービン翼の構成例を示
す断面図、第2図aおよびbは本発明方法を用いた装置
例を示す概略図、第3図は本発明方法による蒸着A4の
ろう接時の断面組織図、第4図は溶融A4と固体Ni合
金とのろう接反応を示す浸食試験の結果を示す図、第5
図は酸化膜を有するA4渣を用いてろう接および拡散処
理した時の断面組織図、第6図は本発明方法による第3
図の試料を拡散処理した時の断面組織図、第7図は第5
図の高倍率電顕写真でγ’ −N i 3 A7析出相
を示す組織図、第8図は液相拡散接合部の腐食合成灰に
よるホットコロ−ジョン試験後の断面組織図a、 Ni
−Cr−Bフィラーメタルによる従来法、b本発明方
法。 1.1′・・・・・・構造部材、2・・・・・・接合面
、3,4・・・・・・第1および第2真空槽、5・・・
・・・蒸着用EBガン、6・・・・・・蒸着源、γ・・
・・・・ホットプレス荷重軸。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. l Ni3AA系r′相で強化されたNi基耐熱合金
    からなり、複数個に分割された構造部材の少なくとも接
    合面に不活性雰囲気中でA4層を形成する工程と、液相
    拡散接合により接合部を、βNiAt相を含む事なくγ
    ’ Nt3AZ相が分散した組織とする工程とを具備
    した事を特徴とするN1基耐熱合金の接合方法。
JP8742981A 1981-06-09 1981-06-09 Ni基耐熱合金の接合方法 Expired JPS5832030B2 (ja)

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