JPS595389B2 - 拡散接合組立体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は一般的には拡散接合の技術分野に係り、更に詳
細には接合プロセスに於て過渡的な液相を利用する超合
金の拡散接合に係る。

過渡的な液相の拡散接合は、ガスタービンエンジンの金
属部材を製造する際に使用される超合金の如き高温渡超
合金を高品質にて拡散接合するための非常に有益な方法
であることが分つている。

かかる接合は米国特許第３６７８５９０号に詳細に記載
されている。超合金は、ガスタービンエンジンの如き環
境に於て良好な高温強度及び酸化抵抗を示すニツケル、
コバルト或は鉄、或はそれらの組合せを基礎とする合金
として理解されている。

通常かかる合金は実質的な量のクロム及びアルミニウム
、チタン及び耐火姓金属の如き限られた量の他の要素も
含有している。容易に組立てられる部分を接合して所要
の形状にすることにより、あるガスタービンエンジンの
構成要素を製造することがしばしば望しい。

しかし超合金の多くは溶接性が制限されているので、金
属構造体を製造する際に融接技術を適用するごとが著し
く制限されている。更にその形状のために多くの構成要
素に対して、融接を単純には適用するわけにはいかない
。融接に勝る多くの利点がろう付けにより得られるが、
比較的強度が低くしかもろう付け接合部の融点が低いこ
とによる欠点のために、融接の適用も大きく制限されて
いる。敏感な金属構造体に於て高品質の接金部を作る際
には過渡的液相の拡散接合が比較的簡便であり且つ再製
造可能であるので、この過渡的液相の拡散接合が実質的
に使用されるに至つている。このことは特にガスタービ
ンエンジンの製造工業に於て真実であるが、ここに記載
された本発明はこれに限定されるものではない。過渡的
液相の拡散接合技術に゛於て一つの重要な要素は、接合
されるべき表面の間に薄い合金の介在層を与えることで
ある。

介在層の組成は、特にその存在が完成された接合領域に
於て必要であり且つその固体拡散速度が緩慢である要素
を含有していることに関し、接合される合金と同一の条
件とされるのが好ましく且つ一般的である。また接，合
プロセス或は仕上げられた接合部の品質に悪影響を及ぼ
す要素が介在層合金より排除されるのが望しい。すべて
の介在層組成に於て高ボロン成分が利用されている。接
合面の間に介在層合金を得る一つの方法は、米国特許第
３７５３７９４号に開示されている型の薄い延性箔を使
用するものである。

金属箔を使用することは、殆んどでないにしても多くの
用途に対して満足し得るものであるが一複雑で棲合面の
多い或は粗雑な面を接合する場合の如きある種の環境に
於ては、或はまた非常に薄い（例えば０．０１２７ｍ１
介在層が必要であるときには、金属箔を使用することは
困難であり或は非経済的である。かかる場合には、かか
る表面上にめつき或は被覆することににより一つ或はそ
れ以上の接合面それ自身と一体的である薄い層として介
在層組成を与え得ることが望しい。勿論介在層全体の組
成は必然的に多成分材料でなければならない。本発明に
よれば、過渡的液相の拡散接合のための介在層合金は、
一つ或はそれ以上の接合されるべき面と一体的である薄
い被覆として与えられる。本発明の一つの実施例に於て
は、この被覆はクロムの一つの層と、接合されるべき合
金の基礎金属を含む他の層とを含んでおり、融点低下剤
としてある量のボロンを含有している。基質上に高ボロ
ン含有合金を溶着するために、アミンホウ化水素を使用
する非電気めつきが利用されてきた。

米国特許第３３３８７２６号に開示されている如きアミ
ンホウ化水素浴がめつき技術に於て最近かなり進展して
おり、ニツケル／ボロン及びコバルト／ボロンの薄板を
付着するために使用されている。かかる浴は金属イオン
の源と還元剤ジメチルアミンホウ化水素と、通常安定化
剤と湿潤剤とを含有している。重量で８１（！）のニツ
ケルと、１５％のコバルトと、４％のボロンとを含む薄
板が以下の浴より製造され得る。

初めに超合金のための過渡的液相拡散接合プロセスに於
て接合介在層として表面被覆が使用され得ることを示す
ために、重量で１５％のクロム、１８．５％のコバルト
、０．０７％の炭素、３．３％のチタン、４．３％のア
ルミニウム、５％のモリブデン、０．０３％のボロン、
残部二ツケルと言う組成を有するニツケル基超合金の小
片の間に接合部が作られた。

重量で９６％のニツケルと４％のボロン板を含む単純な
二元介在層合金が介在層合金として使用された。これは
ニツケルーボロン系に於る共晶に非常に近い組成である
。約７．６〜１２．７μの板が各々脱油された係合面上
に溶着され、二つの小片部材が０．３５ｋｇ／ｉと言う
軽い圧縮荷重のもとに２時間１１７７℃保持されること
によつて接合された。

介在層合金の溶融と接合部の溶融は等しい温度にて発生
した。接合された組立体は１１７１℃にて２４時間均一
化され、１０３８℃にて１時間時効処理された。単純な
二元合金のみが使用されたので、接合界面にある化学的
異成分が残存していた。ある場合には、例えば非常に薄
い介在層が可能で急激な均一化が許され得る。或は強度
に対する必要条件が残留異成分が許容し得る程度である
ような場合には、かかる単純な介在層で充分である。こ
のような場合には、かかる被覆は表面の一方の側に必要
とされるだけである。介在層として単純な二元合金、或
はニツケル／コバルト／ボロン合金を使用して上述の如
き拡散接合部が作られ得る高品質の接合部にはより複雑
な介在層合金が必要である。

介在層合金中にクロムが存在することは幾つかの理由に
より有利である。第一に合金それ自身の中のクロムは更
に介在層合金の融点を低下せしめ、１０〜６６℃までの
比較的低い温度に於て、場合によつてはそれ以下の温度
に於て接合プロセスが進行し得るようにする傾向がある
。第二に、今問題にしている非常に多数の基質合金は酸
化及び腐蝕抵抗のための合金添加物としてクロムを含有
している。介在層材料内の接合領域にクロムを供給する
ことにより、固体拡散によつてこの領域にクロムが移入
されることに依存する必要がなくなり、接合のサイクル
時間は低減され、均一化が促進される。本発明の実施例
によれば、薄葉の複合介在層が利用される。

この複合介在層は一つの好ましい実施例に於ては、クロ
ム層と、一つ或はそれ以上の接合面上に別個に溶着され
たニツケルーボロン、コバルト−ボロン或はニツケルー
コバルトーボロンの如き高ボロン成分の層とを含んでい
る。通常の場合には、クロムの薄い層は、先ず脱脂され
た表面上に電解質により溶着され、ボロンを含有する層
がその上に溶着される。このプロセスは通常上述の如く
行なわれるが溶着物が積層される特定の順序は、本発明
を満足し得るよう実施するためには、殆んどの場合さ程
重要ではないことに留意されたい。例えばクロムの層が
ボロンを含有する層の下というよりもむしろその上に付
着されてよい〜 クロムの層の厚さは、介在層領域に於ける全クロム成分
が基質合金の全クロム成分にほぼ対応するよう選択され
ている。

換言すれば接合サイクルが完了した後には、界面を横切
るクロム成分は基質を横切るクロム成分に対応している
。本発明による薄葉の複合被覆を利用して作られた接合
部は、同一の全体組成を有する箔を利用して作られた接
合部と区別することはできず、接合サイクルに於るプロ
セスはほぼ同一である。

ニツケル基超合金のための介在層の代表的な全体組成は
、重量でニツケル一１５％クロム−２．５％ボロン、或
はニツケル一１５％クロム−１５％コバルト−２．５％
ボロンである。上述の組成に於るクロム層もニツケルー
ボロン層も１１４９℃以下の温度に於てはそれぞれ個別
的には溶融せず、このことはある合金系に於ては望しい
。

しかし本発明により個々の層が緊密に原子接触して薄葉
に作られるときには、この薄葉系は同一の全体組成を有
する均一な介在層合金の如く、同一の温度に於て溶融す
る。例えば１０９３℃に等しい温度或はそれ以下の温度
に於て高品質の拡散接合を得ることが可能である。本発
明により、界面領域にクロムを有すると言う技術的利点
がプロセスそのものに於ける実際的な利点と組合された
。

介在層を溶着する厳密な方法は特に重要ではないように
思われる。

例えば電解質めつき、蒸着或はパツククロム処理にせよ
、クロムを溶着するためのプロセスの選択は技術的必要
性というよりはむしろその有効性、便宜性、或は経済性
にかかつている。板の厚さは特定の用途、部材の仕上げ
程度或は粗さ等次第であるが、特に納得しうるサイクル
時間内に接合界面を横切る方向の完全な均一化が必要で
あるところでは、一般に厚さを程良い最小値に維持する
のが好ましい。

また介在層の厳密な組成は多くの点で特定の用途に応じ
た選択の問題である。一般に全体のボロン成分は主にそ
の溶融温度を低下せしめる効果の関数として選択されて
いる。通常ボロン成分が４重量％をこえる理由はなく、
一般にかかる機能を果すに必要な量に制限されている。
ここに開示された技術を使用すれば、追加の層或はタン
グステン、モリブデン、アルミニウム、ハフニウム等の
如き他の要素の層を与える必要がある場合に、接合面上
に二つ、三つ或はそれ以上の別個の層を形成することも
可能である。

ここで主に注意しなければならないことは、介在層全体
で見て、接合プロセスの邪魔をし或は例えば有害なもろ
い成分を形成することにより不充分な接合部を生じるよ
うな要素或はある量の要素を回避することである。重量
で１４（！）クロム、４．５％モリブデン、２％ニオブ
、１％チタン、６（ｆ）アルミニウム、０．０１％ボロ
ン、０．０８％ジルコニウム、残部二ツケルよりなる合
金より形成されたサンプルがクロムにて電解的にメツキ
され、次いで全体組成として重量で１５％クロム、２．
７％ボロン、残部二ツケルよりなる薄葉の複合板を与え
るべくニツケルーボロンにて被覆された。

次いでかかるサンプルは真空中にて４時間１０９３℃に
て拡散接合された。接合サイクル中には、複合介在層は
同一の全体組成を有する介在層箔と同様に挙動するよう
であつた。更に複合介在層を使用して得られた接合部は
介在層箔を使用して作られた接合部と区別できないもの
であつた。いづれの場合にも良好な結果が得られた。以
上より、ここに開示された技術は、他の技術が使用でき
ないようなある種の用途を含む超合金系に於て高品質の
拡散接合部を与えるに非常に効果的であるという結論が
得られる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ニッケル基超合金、コバルト基超合金及び鉄基超合
   金よりなる群より選択された超合金よりなる二つの部分
   とこれら二つの部分の互いに向かい合つた接合面の間に
   挾まれた薄い介在層とを有する拡散接合によつて組立ら
   れた組立体にして、前記介在層は接合に先立つて前記部
   分の接合面の少くとも一方に付着された被覆層を含んで
   おり、前記介在層の全体の組成はその基質金属として前
   記部分を構成する超合金の基質金属と同じ金属を含み且
   前記部分を構成する超合金の融点より低い融点であつて
   且前記部分を構成する超合金に非可逆的な好ましからざ
   る冶金学的変化を生ぜしめる温度より低い融点を有して
   おり、前記介在層は主としてその基質金属よりなる一つ
   の層と、主として前記部分を構成する超合金の他の一つ
   の元素よりなり前記一つの層に緊密に原子接触した少く
   とも他の一つの層とを含んでおり、これらの層の少くと
   も一つは高いボロン含有率を有することを特徴とする組
   立体。 ２ 特許請求の範囲第１項の組立体にして、前記介在層
   に含まれる層の一つはクロムよりなることを特徴とする
   組立体。 ３ 特許請求の範囲第１項又は第２項の組立体にして、
   前記介在層に含まれる層の少くとも一つはクロムよりな
   りまた他の少くとも一つはニッケル−ボロン合金よりな
   り、前記介在層全体しての融点は約１０９３℃であり、
   その厚みは約０．０１２７〜０．２５ｍｍであることを
   特徴とする組立体。 ４ 特許請求の範囲第３項の組立体にして、前記介在層
   全体のボロン含有率は約１〜４重量％であることを特徴
   とする組立体。 ５ 特許請求の範囲第３項又は第４項の組立体にして、
   前記介在層全体のクロム含有率は前記部分を構成する超
   合金のそれと実質的に同じであることを特徴とする組立
   体。