JPS62188704A - 金属合金部材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。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ろ金属合金は、耐熱性及び
耐食性の合金てあって、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
れらの合金のある乙のは、「超合金」なる指称をらち、
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「（オ料体（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らつ
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にい。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成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、鑞トｊけ一拡散、
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
下に簡単に説明ずろ。

溶接−拡散は、部材を所与の圧力下で互いに接触さＵ′
てＨイＬ持゛し溶は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観察し
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つの部材間に、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ら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。

即ちここで使用〆するのは、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鑞の
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ら判明した。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（オを製造し得る。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ｆｊＬ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ｌレベルで拡散による溶接と同様の現９ツバ
ｔｌ？ビ　６′″ハ２、−上うて斌Ｕの論イｋｈ＜１貝
ニノ１Ａ−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。

使用合金の機械的強度が高いと、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＠鏡
観察とによれば、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
度ら低く、アセンブリの接￥ｌＴ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。

電子顕微鏡による観察と微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
て生じろ。

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（ｌｉｓｅ−ｒｅ）か界面に存在し、か
つ再結晶化が生じていな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。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。この子０；ｈ処理では、水素とハロゲン化水素
との混合物から成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
１１７０５５７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
合及び結合するだ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ＭＢＦｘＣ式中、ｘは３又は４の数値、Ｍは高
温でＮＨ３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のときホウ木口フッ化物あるいは四フッ化ホウ
素酸塩を構成し得る元素を示す〕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酸洗い
−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　ｉｓｓｅ−ｍｅｎｔ）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、使用処理条件て使用物質ＭＢＦ４が化学反応に
よって分解される。

ＭＢＦ４→ＭＦ＋ｌ３Ｆ３ 使用物質がＭ１３Ｆ３のタイプのときは以下の反応が生
じる ＭＢＦ３→Ｍ＋ＢＦｌ 障害を形成すると想定され、 一方では、ＢＦ３＋　Ｔｉ−４ＴｉＦａ＋　Ｂ他方では
、ＭＦ→Ｍ＋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。本発明によれば、ＭはＮＨ４
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。ＭがＮＨ
４タイプの基のとき、これは例えばＮＨ３の如きガスの
発生によって除去される。

る。

７１；つ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
固体相互拡散はポ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 １３Ｆ３→ＢＦ２＋Ｆ 従って使用物質ＭＢＦ、をＭＢＦ３で代替しても温度範
囲次第で組成りＦ３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ｐｆ６５液状又は溶解し
た形態で付着されるのが有利である。

懸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、の表面孕備でき、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堪づく以下の記載
より明らかにされろであろう。

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ｆ！３様
において本発明で用いられる本発明の酸洗い−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
に定義されている処理条件とほぼ等しい。

実施例Ｉ−溶接−拡散方法 夫々が異なる合金例えばＮＣｌ０Ｋ１５（商品名ｌＮ１
００）及びＮＫ１７ＣＤＡＴ（商品名ＡＳＴＲＯＩ、ｏ
ｙ）又は商品名ＣＭＳ−Ｘ２及びＡＳＴＲＯＬＯＹ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機械的研磨、ｂ）部材の脱脂
、 Ｃ）四フッ化ホウ素酸塩タイプの物質ＮＩ１．ＢＦ４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ｌＯ℃／分の温度上
昇速度で５００℃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９５０℃〜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、 （１４）真空下で２〜４時間放冷。

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〜ｌｏｏｍｇ／ｃｍ２にすると好結果が得られ
ることが判明した。

溶接部（オの機械的試験、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。

本発明によって製造された試験片Ａ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は接合部て
破断を生した。

既に説明した第１ａ図は四フッ化ホウ素酸塩タイプの物
質を塗布する酸洗い−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図同様め第ｉｂ図は、四フッ化ホウ素酸塩タイプ
の物質を塗布する酸洗い−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。

実施例■−粉末の焼結方法 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）四フッ化ホウ素酸塩タイプの物質のアルコール懸
濁液に粉末を浸漬ずろ。

（ｂ）粉末を乾燥する。

（ｃ）成形用母型に粉末を充填子る。

次に、粉末の熱間圧縮による焼結処理を常用のりジ 手順て行なうが、先ず１０℃／分の温度上昇速度てＫｌ
℃まで加熱する酸洗い一連性化段階から処理を開始する
。本発明の酸洗い一連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Ｉ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ずろと本発明方法を使用したとき
は（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、
酸洗い−活性化処理中にガス又は押発分の発生か進行す
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）。

実施例■−扮末の熱間等圧圧縮方法 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、容器に粉末を愁充填する而の脱ガス処理を
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仕
ずに容器に充がずろ一連の酸洗い−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ろことが判明した
。

実施例■−鑞付は一拡散方法 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＋４間に挿
入して１０℃／分の速度で５００℃まて加熱し５００℃
以後に接合圧力を作用させる炉温度上昇ザイクルを用い
ろ。

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
−拡散と組み合イつせ四フッ化ホウ素酸塩タイプの物質
による酸洗い−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組織の倍率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６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２
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倍の顕微鏡
写真である。 ＦＩＧ、　　３ｅ

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. （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方法で
   あって、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酸洗い−活性化処理を行うこ
   とを特徴とする方法。
2. （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
   散による接合及び結合方法。
3. （３）一連の酸洗い一活性化処理が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接
   合及び結合方法。
4. （４）使用されるＭＢＦｘタイプの物質においてＭが接
   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接合及び結合方法。
5. （５）使用されるフッ化ホウ素酸塩ＭＢＦｘが接合すべ
   き材料体の界面に固体の形態で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
   の拡散による接合及び結合方法。
6. （６）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接合すべき材料体
   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接合及び
   結合方法。
7. （７）フッ化ホウ素酸塩ＭＢＦｘが溶解状態で接合すべ
   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
   接合及び結合方法。
8. （８）（ａ）２つの充実部材の接合すべき面の機械的研
   磨と、 （ｂ）部材の脱脂と、 （ｃ）フッ化ホウ素酸塩ＭＢＦｘタイプの物質の界面塗
   布と、 （ｄ）以下のサブステップ、即ち、 （ｄ１）接合部に外圧を作用させずに１０℃／分の温度
   上昇速度で５００℃に加熱し、 （ｄ２）ジャッキによって２０バールまでの圧力を作用
   させ乍ら温度５００℃から対峙する合金により決定され
   る温度９５０℃〜１２００℃まで加熱し、（ｄ３）サブ
   ステップ（ｄ２）の温度及び圧力を２〜４時間維持し、 （ｄ４）真空下で２〜４時間放冷すること、から成る前
   記接合要素の炉内での真空処理、の処理手順を含んでお
   り、２つの部材間に固体相互拡散による溶接結合を行な
   う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接合及び結合方法。
9. （９）（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って稠
   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
   ４項、第６項及び第７項のいずれかに記載の拡散による
   接合及び結合方法。
10. （１０）（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
    ４項、第６項及び第７項のいずれかに記載の拡散による
    接合及び結合方法。
11. （１１）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６項、
    第８項及び第９項のいずれかに記載の拡散による接合及
    び結合方法。
12. （１２）鑞付け−拡散処理において、接合すべき充実部
    材間に挿入される鑞にフッ化ホウ素酸塩ＭＢＦｘタイプ
    の前記物質が配合されており、温度上昇サイクルが、１
    ０℃／分の速度での５００℃までの加熱と５００℃以後
    の接合圧力の付加と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接
    合及び結合方法。