JPS5868493A - ニツケル・パラジウム・クロム・ボロンろう付合金 - 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、ろう付合金、より詳しくは１８００〜２００
０″Ｆの温度範囲におけるろう付に好適なニッケル・パ
ラジウム・クロム・ヂロンろう付合金に関する。

ガスタービンエンジン用〔ターメ機械などの高温作業シ
ステムにおける構造部材または作業部材として用いられ
る各種金属およびその合金の使用にあたっては強固な構
造接合部を形成する接合が要求される。接合は色々な方
法で行なうことができ、通常の有効な方法は溶接または
ろう付である。

溶接中、接合される部材の１部は溶融し、再凝固する。

溶接接合部は、接合された材料とは著しく異なる結晶構
造を有する場合があり、溶融および再凝固の結果として
機械的性質が低下するのが普通である。しかしながら、
ろう術中、金属または通常ろう付合金と呼ばれる合金は
、密接して装着された被接合部材間に入れられ、通常ろ
う付温度と呼ばれる、部材の合金ではな（、ろう付合金
を溶融させるに充分な温度まで加熱される。ついでろう
付合金は、冷却されながら再凝固する。原理的には、結
合は加熱、およびろう付合金と被接合構造部材の合金と
の相互拡散の組合せによるものである。ろう付合金は、
該接合部を通して高温における最適の機械的性質を有す
る十分な結合をするよう選定される。

ろう付合金の開発、選定および使用に際し、種々の要因
が考慮される。これらの要因としては、加工、使用条件
、ろう付合金の物理的および機械的性質、および経済的
考慮があげられる。

これらの要因はよく知られており、従来より採用されて
いる。

多数の航空機ガスタービン部材がろう付技術を用いて二
次加工されている。最も普通には、ニッケル系超合金ま
たは各種高強度鋼がかかる部材の構造材料として選択さ
れる。このように選択される多数の材料は高温機械特性
を維持しつつ、約１８００°Ｆ：〜約２０００下の温度
範囲でろう付を行なって十分な接合部を提供することが
要求される。

高温用途においてろう付構造部材として現在用いられて
いる１種の高温ニッケル系超合金は、インコネル７１８
合金として市販されており、Ｃｒ約１９％、Ｃｂ（コロ
ンビウム）＋Ｔａ（タンタル）約５％、Ｍｏ　（モリブ
デン）３％、Ａｌ（アルミニウム）０．６％、Ｔｉ　　
（チタン）０．８％、Ｎｉ５３％、残りがＦｅ　（鉄）
および不純物からなる名目的組成物を有する熟成硬化合
金である。ここで用いられているように、百分率は、特
に明記しない限り重量百分率である。このような合金は
、１７００〜１８５０″Ｆの範囲の溶接温度を有する。

しかしながら、この合金は、約２０００下の温度に暴露
されると過度の粒子（ｇｒａｉｎ　）成長を生じて、機
械的性質が顕著に低下し易い。かかる粒子（ｇｒａｉｎ
　）成長および機械的性質の損失を防止するために、約
１０００″Ｆ以下のろう付温度を有するろう付合金を用
いることが望ましい。

約１８００〜２０００’Ｆのろう付温度範囲内で従来用
いられているろう付合金として、例えばＡｕ　（金）８
２％およびＮｉ　ｔｓ％（以下８２−１８と略称する）
、およびＡ’ｕ２０．５％、Ｎｉ６６．５％、Ｃｒ５．
５％、Ｆｅ２．２％、Ｓｉ（シリコン）３．５％、８２
．１％（以下Ａｕ−６と略称する）なとの金含有ろう付
合金がある。これらのろう付合金は、その強度能力、そ
の使用温度限界、およびその延性のため使用上制限があ
る。

これらの合金中、多量の金が存在する場合には、非常に
高価となってその選定および使用上難点がある。

１８００〜２ＱＯＯ’Ｆの温度範囲でろう肘用に使用し
うる他のより安価なろう付合金として、相当量の銀、チ
タン、マンガン、銅または燐を含有する合金をあげるこ
とができる。かかるろう付合金は、種々の理由により高
温ガスタービン用に用いるには好ましくない。例えば、
銀含有ろう付合金は、航空機ガスタービンにおいて経験
されるような一高温においてニッケル系合金に対して極
めて腐食性が強い。チタン含有ろう付合金は、高温使用
能力に欠ける。マンガンおよび銅含有ろう付合金は、約
１０００’Ｐ以上において耐腐食性が劣る。最後に、燐
含有ニッケル系ろう付合金は、過度の構造金属浸蝕およ
び過度に脆い接合部を生ずる。かかるろう付合金は、高
温用途のための有用性が制限される。

したがって、従来検討されている金含有ろう・　　付合
金と同じ温度範囲において、特定の高温構造材料をろう
付するに好適であり、安価で金を含有しないろう付合金
が要求されている。さらに、改善されたろう付合金は、
現在使用されているろう付合金と同等また゛はそれ以上
の作業使用温度のみならず強度および延性が同時にすぐ
れている必要がある。

本発明の主目的は、１８００〜２０００”Ｆの範囲のろ
う付温度を有して、現在使用されている金含有ろう付合
金を置換しうる改善されたろう付合金を提供することで
ある。

本発明のもう一つの目的は、充分な延性と共により高度
の機械的特性と耐酸化性との改善された組合せを有する
ようなろう付合金を提供することである。

さらに本発明の目的は、各種ろう肘用途に好適な粉体、
箔、テープ、線または他の形状に製造することができる
ようなろう付合金を提供することである。

なお、本発明のもう一つの目的は、各種加熱手段の倒れ
かにより構造部材間にろう封接合部とし使用することが
可能であり、最初の構造物品の製造のみならずその後の
修理作業に使用するのに好適であるごときろう付合金を
提供することである。

上記およびその他の目的ならびに利点は、以下の詳細な
説明および具体的な実施例によりさらに詳しく理解され
るであろう。該実施例は本発明の請求の範囲を制限する
ものでなく、その代表例を示すものである。

要するに、本発明は、現在使用されている金含有ろう付
合金に代って、１８００〜２０００下の範囲のろう付温
度を有する、改善されたより安価なろう付合金を得るこ
とのできるろう付構成分子の特有な組合せを提供する。

ろう付合金は、その広い形において、［２０〜８０％、
Ｃｒ　２〜１３％、３１〜４％、残りＮｉおよび存在す
る不純物より本質的になる。

一つの好ましい形において、該合金はｐａ　２８〜３２
％、　Ｃｒ　１０〜１１％、Ｂ２〜３．５％、残りのＮ
ｉ　、および存在する不純物より本質的になる。かくし
て、本発明のろう付合金は前記した悪影響を及ぼす元素
、すなわち鎖、チタン、マンガン、銅または燐を不純物
量以上の量で含有することがない。

本発明のろう付合金は、同様なろう付温度を有する現在
の金含有ろう付合金よりはるかに安価であることが解っ
た。例えば、Ａｕ−６および８２−１８ろう付合金の現
在のコストは本発明のろう付合金の現在のコストのそれ
ぞれ約２倍および７倍である。加えて、本発明のろう付
合金は、現在用いられている金含有ろう付合金に比べて
十分な延性と共に改善された強度、改善された耐酸化性
、および同等または高められた使用温度をもたらすこと
ができる。

本発明のろう付合金は、広範囲の用途を可能ならしめる
ごとき粉体、テープ、箔、線および粘稠性混合生成物の
形で製造することができる。

本発明は、他の目的、利点およびその能力と共に、次の
具体的実施例および前記した発明の他の態様を同時に考
慮して、以下の詳細な説明および特許請求の範囲の記載
からさらに理解されるものである。

前記したＮｉ　、　ｌａｄ　、Ｃｒ　、およびＢの組合
せは、本発明の範囲内で合金とした場合、１８００〜２
０００’Ｆの温度範囲において、ろう付合金として予期
しない利点を提供する。このようなろう付合金は、これ
までに全く認められていない。

本発明のろう付合金は、本発明の合金により提供される
所望の温度範囲において、ろう付することにより通常接
合されるＮｉ系超合金および高強度鋼との相溶性のため
Ｎｉ　　を含有する。

・ξラジウムは、多くの他の金属と固溶体を形成し易い
ため選ばれ、該固溶体はろう付合金にとって望ましい。

同様に、パラジウムは、その合金特性において金に類似
している。この類似性のために、）ξラジウムは、上記
したような高温ろう付合金において、金の代りに用いる
ことができるのである。

本発明の合金中に、ｐｄを存在させることにより、Ｘ線
検査技術によりろう付ゼイドの検出を可能にするに充分
な密度を有するろう付合金が提供される。ろう封接合部
内のかかるヂイドは、不十分な接合部をもたらす場合が
あり、特に避けねばならないものである。ろう付接合部
をＸ線検査することができることは、金含有ろ５付合金
によってのみ従来もたらされていた利点であった。

ＦｌｄおよびＮｉの合金は、例えば約−ｄ６０対Ｎｉ４
０の割合で合金とした場合、約２２６０’Ｆの液相線温
度、すなわちその温度以上では、すべての金属が液体で
あるごとき温度で固溶体を形成する。存在するｐａの量
は、本発明と関連する他の元素の存在下約２０〜約８０
％の範囲で変動することができる。本発明の請求の範囲
内において選定されるＮｉおよびｐｄの量は、所望の強
度および必要とされる延性の程度による。

一般に、存在するＰｄの量が増大すると延性も増大する
。さらに、後で説明するように、存在するＢの量を変動
させることにより、ｐｄの存在により提供される広範囲
の溶解度のために、ろう付合金の所望の性質に悪影響を
及ぼすことなし罠、所望のろう付温度を提供することが
できる。一般に、ゼロンが存在するとろう付合金の延性
が低下するが、本発明の他の元素と一緒に用いると充分
な延性が達成される。

クロムを添加すると、耐酸化性が高まり、機械的性質が
改善される。クロムが存在すると、固体および液体の合
金が共存する液相線・固相線温度範囲が狭くなることに
もなる。ＮｉとＣｒが共存するとろう付４を處の強度が
改善される。

Ｃｒが約１３％以上になると、さらに好ましい利点をも
たらすことな（、ろう付合金の融点が必要以上に増大す
ることになる。Ｃｒが約２％以下になると、耐酸化性が
著しく低下する。したがって、Ｃｒは約２〜１３％の範
囲で含有される。

ゼロンを含有せしめると温度降下剤として作用して、本
発明のろう付合金の融点を所望の範囲まで低下させるこ
とができる。Ｎｉ、ｐｄおよびＣｒと共に約１〜３％の
ゼロンを共存させると、所望のろう付温度範囲内までろ
う付温度を有効に低下させることができる。本発明の合
金において、Ｉロンが約１％以下の場合、温度降下効果
が小さく、ゼロンが約４％以上の場合、ろう付温度を望
ましくない程度まで低下させると共にろう付合金は好ま
しくない影響を与える。Ｃｒなしに約６０ｐｄ：４ＯＮ
ｉと共に合金をつくるゼロンを約１．０〜２．０％存在
させると、１８００〜１９００’Ｆの所望範囲のろう付
温度を有する合金が得られる。しかしながら、このよう
な合金より得られるろう付接合部は本発明の合金よりも
脆くて弱いことが判明した。さらに、Ｃｒを存在させな
いと、該ろう付合金は高温耐酸化性を示さなかった。

本発明の合金において、Ｓｉの存在は特に除外される。

Ｓｉの存在により、またＳｌと本発明の他の元素との共
存により、延性が低下し、約１２００〜１４００’Ｆの
作業温度範囲における高温耐食性が低下することが判っ
た。このように、最適の特性を得るためには、Ｓｉは本
発明より特に除外させる。

本発明の合金は、粉体、テープ、箔および線の形で容易
に生産することができる。特に、ろう付線状製品は、線
状フィラメント製造に通常適用される方法で、例えば直
径約０．０４０“まで製造することができる。この方法
によりろう付線を製造するにあたり、該合金は、フィラ
メン線生成物にＢを添加する。箔製品は、♂ロン化方法
ならびに非晶箔と呼ばれる箔を製造する新規な迅速固化
方法を用いても製造することもできる。ゼロン化方法は
、Ｓｉ含有合金に比べて、この合金の明らかな利点であ
る。シリコンおよびろう付合金に用いられる献ロン以外
の他の通常の降下剤のいずれも、一般に？ロン同様の方
法で拡散させることはできない。かくして、多種のろう
付合金の成形品は、広範囲の用途に供することができる
。

本発明は、本発明の評楊にあたり考察した合金成形品の
代表的な実施例についての以下の検討よりさらによく理
解されるものである。このような実施例は、本発明の請
求の範囲を眼定するものではない。

下表に、本発明の範囲内にあり、本発明により製造され
試験された合金の選定された成形品の組成を示す。

表 ろう付合金組成 ７５　　　　３３．３　５９．１　　６．１　　１．５
　　　　　　　＜１８２５７７　　４９．０　４０．０
　９．０　２．０　　　　＜１９００８０　　　　５７
．４　３０．０　１０．６　　２．０　　　　　　＜１
８５０８３　　　　　５７．１　２９．０　１０．５　
　　３．４　　　　　　　＜１８００８５　　　　５７
．１　　３０．０１０．５　　２．４　　　　　　＜１
８００該表に示された液相線温度は、その温度以上では
すべての金属が液体であるごとき、ある特定のろう付合
金組成に対する温度である。一般に。

合金のろう付温度として、該液相線温度より約５０″Ｆ
高い温度が選ばれる。上記高温を選定して、確実に合金
のすべてが溶融し、ろう付接合部内の充分な流動性が得
られるようにし、かくして十分な接合部が得られる。加
えて、さらに高い温度を選定して生産炉内における通常
の温度変動を許容できるようにする。

本発明のろう付合金の試験には、流動性、湿潤性および
浸蝕測定；キャスト・ノ々−引張およびひび割れ試験；
耐酸化性試験；剪断および剪断・破断試験；低および高
サイクル疲れ；およびろう付検査能力測定が包含される
。先づ、インコネル７１８合金として前記した構造金属
合金のシートを用いて試験を行なった。本発明の請求の
範囲内の種々のろう付合全成形品について評価したが、
本発明の好ましい成形品、すなわち合金８５であって、
その好ましい範囲がｐｄ２８〜３２％、Ｃｒ１Ｏ〜１１
％、Ｂ２〜３．５％、残りがＮｉおよび共存する不純物
である該成形品から得られた結果に限って以下考察する
こととする。

前記構造シート合金の６インチ×１．５インチ試験片を
２Ｔオーツ々−ラップ・ジヨイントを用いて製造した。

２Ｔオーツ２−ラップ・ジヨイントは該試験片を製造す
るために用いられる単一のシートの２倍の厚みに等しい
ろう付長さを有する。構造部材シートの呼称厚みは０．
０６“であり、したがってオーツマーラップ・ジヨイン
トのろう付長さは０．１２０“であった。ろう付後、該
試験片を機械加工して、オーバーラツプ部分を含めて２
．０“Ｘ　Ｏ，５’ゲ一ジ部分を製造した。このように
して生じたろう付接合オーツ々−ラップ部分は０．０６
平方インチであった。

上記した２Ｔオーツζ−ラップろう封接合部について評
価したところ、該ろう付合金がすぐれた流動性および湿
潤性能力を有することが解った。ろう封接合部には、ゼ
イドが全（なく、すみ肉は、端部においてよく発達した
フェザリング効果を示した。通常の４ろう付サイクル相
当のろう付温度で１時間の加熱後浸蝕は全く認められな
かった。したがって、本発明のろう付合金は、接合材料
の構造結合性に悪影響を及ぼさない。

直径０．１６０“Ｘｌ、Ｏ’ゲージ部分を用いて製造し
た長さ０．２５“×２．０“のろう付合金８５のキャス
ト・）々−引張試験片について試験を行なった。

該試験データによれば、本発明のろう付合金は前記した
８２−１８およびＡｕ−６の金含有ろう付合金よりも強
い極限強さおよび降伏強さを有することがわかった。加
えて、本発明の合金８５は、前記したＡｕ−６金含有ろ
う付合金よりは、大きく良好な延性を有するが、前記８
２−１８合金はどの高い延性を有しない。該８２−１８
合金は、金の含有比率が非常に高い結果として非常に高
い延性を有する。

一面に厚さ約０．０１０“のろう付合金８５の層を有し
、０．５“×２．０“ゲージ部分を有するインコネル７
１８合金構造金属引張試験片についてひび割れ試験を行
なった。次いで該試験片について、ろう付合金または構
造金属の割れが生ずるまで張力について試験を行なった
。この試験は、該ろう付合金と該構造金属システムとの
間の相対延性を示す。該試験結果は、キャスト・ノ々−
引張データと同様であった。本発明の好ましい合金８５
によればＡｕ−６合金よりも延性が改善されることが解
った。

標準のＴ−ジヨイントを本発明の合金８５を用いてろう
付けし、１０００’Ｆおよび１４００下でそれぞれ１０
０，５００および１０００時間酸化試験を行なった。合
金８５の耐酸化性は、測定の結果上記の試験温度および
１０００時間以下の暴露に対してすぐれたものであった
。

合金８５を用いてろう付した前記２Ｔオーツ々−ラップ
試験片をつくり、室温、１０００’Ｆおよび１２００″
Ｆで剪断試験を行なった。該試験片について１０００″
Ｆおよび１２００″Ｆで剪断試験を行なった。前記キャ
スト・ノ々−引張およびひび割れ試験の場合と同様に、
合金８５は剪断試験を行なった場合、Ａｕ−６ろう付合
金よりも優れていた。１２００″Ｆ、すなわち本発明の
合金に対する実際のガスタービンエンジン作動温度を示
す温度において、箔状のろう付合金８５について試験し
た場合、合金８５は前記８２−１８ろう付合金に等しい
剪断強さを有した（室温においてはそうでなかったけれ
ども）。粉状の合金について１２００″Ｆで試験したと
ころ、合金８５について合金８２−１８ろう付合金より
もある程度よい結果が得られた。

他方、剪断破断試験では、合金８５がＡｕ−６および８
２−１８金含有ろう付合金よりもすぐれていることが確
認された。１２００’Ｆにおいて、合金８５の場合、１
００時間剪断破断轡命を得るのに必要な応力は１８，０
００　ｐｓｉ以上であり、Ａｕ−６ろう付合金の場合１
２，０００　ｐｓｉであり、８２−１８ろう付合金の場
合５０００　ｐｓｉ以下であった。１０００’Ｆおよび
剪断応力１６．ＯＯ０ｐＳｉの場合、合金８５の破断寿
命は１０００時間を超えた。

加えて、合金８５について、前記２Ｔオーツ々−ラップ
試験片を用いて高低サイクル疲れ試験を行なった。低サ
イクル疲れ試験は、９００’Ｆおよび１１００”Ｆにお
いて、軸・軸方法（ａｘｉａｌ−ａｘｉａｌ　ｍｏｄｅ
）で行なった。９００”Ｆにおいて、合金８５は金含有
ろう付合金、すなわちＡｕ−６および８２−１８と比べ
て同等の低サイクル疲れ強度を有し、２６，０００　ｐ
ｓｉの応力において５０．０００サイクル回転振れ（ｒ
ｕｎｏｕｔ）を生ずることが解った。１１０−０’Ｆに
おいて、合金８５は、８２−１８ろう付合金よりも犬な
る低サイクル疲れ能力（ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ）および
Ａｕ−６ろう付合金と同郷か、あるいは僅かに大きい能
力（ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ）を有し、２０，０００　ｐ
ｓｉよりも僅かに大きい応力で５０，０００サイクル回
転振れ（ｒｕｎｏｕｔ）を生じた。

高サイクル疲れ試験を６００″Ｆおよび１１００下にお
いて、軸・軸方法（ａｘｉａｌ−ａｘｉａｌ　ｍｏｄｅ
）で行なった結果、低サイクル疲れ試験結果と同様であ
った。ガスタービンエンジン部品の代表的な環境たる１
１００″Ｆにおける８２−１８ろう付合金と比較した親
会、合金８５は、より良好な高サイクル疲れ能力を有す
る。ガスタービンエンジン作動温度を示す温度における
合金８５の機械的性質は、従来の金含有ろう付合金より
すぐれていることが明らかである。

他のニッケル系ろう付合金と比較して、本発明のろう付
合金は、試験に供した構造金属を浸蝕したり、他に攻撃
したりすることなく、すぐれた流動および湿潤特性を示
すことが解った。

これらすべての試験を組合せると、合金８５で代表され
る本発明のろう付合金は、機械的および耐環境特性を提
供することができることがわかる。高温における高低両
方のサイクル疲れに対する同等もしくはすぐれた抵抗性
をもたらす、充分延性を有する改善された強度が、本発
明の合金により得られる。加えて、本発明の合金は、他
のニッケル系ろう付合金と比べて同等の剪断および改善
された剪断破断特性を生ずる。本発明のろう付合金によ
りもたらされる１　４００’Ｆまでのすぐれた耐酸化性
により、他のニッケル系ろう付合金と比べて高温使用温
度における寿命が長（なる。本発明の合金は、さらに、
同じ温度範囲において、現在使用されているろう付合金
よりも安価であり、ろう何部のＸ線検査能力（ｃａｐａ
ｂｉｌｉｔｙ）を有する。

本発明の合金について、具体的な実施例および実施態様
と関連して説明したが、本発明の広い請求範囲から外れ
ることな（種々変更しうろことは当業者に明らかである
。

特許出願人 ゼネラル　エレクトリック　コン、ｏ二〜代理人 第１頁の続き ０発　明　者　プラチズワー・スワループ・マーザー アメリカ合衆国４５２４２オハイオ 州モンゴメリイ・クロトン・ド ライヴ９５２１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）重量でＰｄ　２０〜８０％、Ｃｒ２〜１３％、８
   １〜４％、および残りはＮｉおよび共存する不純物より
   本質的になる改善されたろう付合金であって、さらに該
   合金は、３ｉが実質的に存在せず、またろう付温度が約
   １８００′Ｐ〜２０００’Ｆの範囲にあることを特徴と
   する該ろう付合金。 ＋２１　　ｐｄが約２８〜６０％であり、Ｃｒが約６〜
   １１％であり、Ｂが約１〜３．５％である特許請求の範
   囲第１項記載のろう付合金。 （３）　　ｐｄが約２８〜３２％であり、Ｃｒが約１０
   〜１１％であり、Ｂが２〜３．５％であって、ろう付温
   度が約１８００〜１９００”Ｆの範囲にある特許請求の
   範囲第２項記載のろう付合金。 （４）ＦＩｄが３０％であり、Ｃｒが１０．５％であり
   、Ｂが２．４％であって、該ろう付合金のろう付温度が
   約１８５０’Ｆである特許請求の範囲第２項記載のろう
   付合金。 （５）該合金が粉状である特許請求の範囲第１項記載の
   ろう付合金。 （６）該合金がろう付箔の形である特許請求の範囲第１
   項記載のろう付合金。 （７）該合金が線状である特許請求の範囲第１項記載の
   ろう付合金。