JPS63264283A

JPS63264283A - 耐熱材料の接合方法

Info

Publication number: JPS63264283A
Application number: JP10058587A
Authority: JP
Inventors: Yusei Nagata; 永田　有世; Akira Nakayama; 明中山; Yasuyuki Yamada; 保之山田
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1987-04-22
Filing date: 1987-04-22
Publication date: 1988-11-01

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】（産業上の利用分野）本発明は耐熱材料の接合方法、特にＮｉ基超合金の拡散
接合方法に関するものである。

（従来の技術）ガスタービン用タービンロータおよびタービン翼などは
超合金からなる素子を所定形状に接合することによって
製造されており、近時、かかる接合法として原子の移動
を接触母材間に起させる拡散接合法が信頬の高い方法と
して適用されている。

しかし、この拡散接合法は接合面の面粗さを非常に細か
くすること、接合表面の酸化被膜を除去し、表面を清浄
にすることなど種々の仕上げが要求され、また未接合界
面を皆無にするためには長時間、かつ、高圧接触条件下
で拡散処理しなければならないなどの問題を有しており
、従って適用に際し、種々の改良が試みられ、過去、多
くの改良方法が捷塞されている。例えばその１つは母材
の被接合表面に予め母材中の主構成元素の拡散速一度よ
りも大きい拡散速度を有する添加元素を含む低融点合金
層を形成した後、母材の被接合面を接触加熱して液相拡
散接合を行なう方法（特開昭５８−１３４８７号公報参
照）であり、他はインサートメタルとして接合面に厚さ
５０μｍ以下の金箔を使用し、無酸化雰囲気下で１１０
０〜１３００℃に加熱保持しながら加圧、接合する方法
（特開昭５４−１０９０５１号公報参照）などである。

ところが、このような改良方法も前者では表面の酸化被
膜の積極的な除去は行なっておらず、また低融点合金層
の成分調整、均一な成分、厚みの層を形成することにか
なり困難が予想され、後者では境界面にＴｉＣが析出し
強度がでないなどの問題が残り、必らずしも充分な接合
を達成するには至らない。

一方、高温高圧ガス雰囲気下で等方的に被処理体に圧縮
を加える熱間静水圧加圧（以下、旧Ｐと略記する。）処
理を利用し金属材料を拡散接合する方法が提案され注目
されている。

この旧Ｐ法による拡散接合は旧Ｐ条件（温度。

圧力９時間）さえ適当に設定すれば同種金属、異種金属
を問わず殆どの金属の拡散接合が可能であることからそ
の有用性に関心が高まっている。

しかし、このＩＩＩＰ法による拡散接合法も前記各拡散
接合法と同様、旧Ｐ処理に先立って接合面の酸化被膜を
除去し、接合面を清浄にすることが必要で、もし接合面
に酸化被膜が存在するまま旧Ｐ処理した場合にはその接
合力は弱く、場合によっては人力によって容易に分離さ
れる程度となる。

そこで、本出願人はそれに対処し、さきに被接合面間に
微小間隙を設け、該間隙に被接合面表面の酸化被膜を機
械的に破壊する役目をもつ金属粉末などインサート材を
充填し密封後、旧Ｐ処理により一体化することを提案し
た。（特開昭５６−１３１０９゛１号公報参照）ところがこの方法も、これをＮｉ基超合金のように高硬
度の材質のものに適用した場合には、そのままでなお効
果が充分とは云えず、接合強度は母材より弱くなるとい
うことが分った。

（発明が解決しようとする問題点）かように、拡散接合の目標は母材に匹敵する強度を確実
に、かつ゛経済的に実現することにあるに拘らず、従来
の方法は何れも完全とは云い難い。

即ち、酸化被膜の完全な除去は行なわれておらず、また
、強度を低下させるような元素を含んでいるインサート
メタルが完全に拡散したかどうかを確認する方法も示さ
れていない。

本発明は叙上の如き実状に対し、更に酸化被膜の除去、
接合面の清浄化を図る改善された手段を見出することに
よりＮｉ基超合金の旧Ｐ利用による拡散接合の接合強度
をより向上せしめることを目的とするものである。

（問題点を解決するための手段）しかして上記目的を達成する本発明の特徴とするところ
は、先ずＮｉ基超合金の接合すべき面に真空中において
高エネルギのＮｉイオンを照射し、表面の酸化被膜、吸
着原子等を除去する。そして引続き真空中で前記イオン
のエネルギーを低下させ接合面上にＮｉを蒸着させ厚さ
２０μ以下のＮ１ＦＪ膜を形成する。

次いで上記接合面処理を行なった２つの面を所定の隙間
を隔てて対向配置させ、この隙間にＮｉ基超合金の粉末
充填する。

そして、この隙間の脱気、密封を行ない、のち、ＨＩＰ
処理を施し焼結を行なうことによりＮｉ基超合金の２面
を超合金粉末を介して拡散接合するの各工程からなる。

ここで、上記本発明の真空中における高エネルギＮｉイ
オンの照射、接合面上へのＮｉ薄膜の形成には第４図に
示す如きイオンブレーティング装置が使用される。

この装置には被処理物にバイアス電源が連なっており、
前記Ｎｉイオンのエネルギはバイアス電圧によって決ま
る。例えばバイアス電圧を１００ＯＶにすればイオンエ
ネルギも１０００ｅＶ　（エレクトロンボルト）となり
、このときのイオン速度は５７．０００ｍ／Ｓとなる表
面の酸化被膜の除去や金属原子、酸化原子のたたき出し
には高エネルギが要求され、４００〜５０００ｅＶの高
エネルギＮｉイオンが用いられる。

通常、Ｎｉ基超合金の酸化被膜は１０〜２０人（１〜２
　Ｘ　ｊＯ−９ｍ　）程度であり、これを除去するには
バイアス電圧１０００Ｖのとき最大５　ｗｉｎｉ度で可
能である。

一方、イオンのエネルギを低下させるとイオン自身が被
処理物表面に捕えられ、蒸着することになる。

従って本発明においてはイオンエネルギ２０〜４００　
ｅＶに低下させ、これによって２０μ以下の膜厚を有す
るＮｉ薄膜を接合面に形成する。

この操作はバイアス電圧を２０〜４００Ｖに下げるだけ
で容易に行なわれ、例えば１００　ｅＶのときのイオン
速度は１８０００ｍ／ｓである。

従って高エネルギイオンは高速イオンと読み替えること
もできる。

なお、Ｎｉ膜厚を２０μ以下としたのは２０μを越えて
厚くなると、拡散により合金成分が均一化するのに時間
がかかることになり、又、拡散が不充分では強度が著し
く低下するからである。

（作用）上記本発明による拡散接合によれば高エネルギのイオン
を接合面に衝突させることにより従来の技術では達成し
得なかった清浄な表面が得られ、しかもこれが直ちにＮ
ｉ薄膜で覆われるため、その後、空気に触れても清浄度
に変化を来たさない。

又、上記Ｎｉ薄膜は境界面に金属炭化物が生成するのを
防ぎ、前記清浄度の確保と相俟って接合強度を向上し、
信頼性を高める。

更に接合面間に介在する粉末は表面にうねり等があって
も空隙が残ることなく、従って曲面の接合を可能ならし
める。

（実施例）以下、更に本発明の詳細な説明する。

第１図ないし第３図は本発明方法による接合例を示し、
第４図は本発明方法におけるＮｉイオン照射、蒸着を行
なうイオンブレーティング装置の概要を示す。

先ず、後者のイオンブレーティング装置につき説明する
と、同装置は真空チャンバーａωを備え、その内部に被
処理物（Ｍ）とターゲット金属（Ｔ）を夫々所定の位置
に保持する部材ａυ、（２）及び点火装置αａに連らな
るノズルＱ３１を有し、被処理物保持部材αυをバイア
ス電ＷＱ！９に、一方、クーデ７）保持部材＠をアーク
電源０ωに夫々連結し、バイアス電源ａ１１９の電圧を
変えることによってＮｉイオンのエネルギが決められ、
照射されるが本発明の場合４００〜５０００Ｖのバイア
ス電圧、イオンエネルギ４００〜５０００ｅＶの範囲で
接合面へのイオン照射が行なわれ、接合面表面の酸化被
膜の除去、吸着原子のたたき出しが行われる。

そして、その後、同真空チャンバーαω内でバイアス電
圧を低下し２０〜４００Ｖ、イオンエネルギ２０〜４０
０ｅＶの範囲に下げ、Ｎｉイオンの速度を低くすると今
度はＮｉイオンが被処理接合面に蒸着を始め、２０μ以
下の所要の厚みになるまで蒸着を行ない、表面にＮｉ薄
膜を形成する。

なお、上記イオン照射、蒸着の間、真空チャンバーαω
内は通常、Ｉ　Ｘ　１０−”ｔｏｒｒ以下の真空下に保
持する。

このようにしてＮｉ基超合金の接合すべき面にＮｉ薄膜
を形成させ、これにもとづいて第１図ないし第３図に示
す接合が行なわれる。

第１図は上述の如くしてＮｉの薄膜が形成されたＮｉ基
超合金の固体と固体を本発明方法により拡散接合する例
であり、図において（Ａ）　、　（Ｂ）は上記Ｎｉ薄膜
（３）　、　（３）’をＮｉ基超合金の固体１）　、　
（１）’の各接合すべき表面に形成したＮｉ基超合金の
示しその接合面を僅かの隙間を隔ててカプセル（４）内
にシール溶接部（５）により溶接固定し、その隙間に超
合金粉末（２）を充填している。

そして、この状態でその隙間を脱気、密封した後、１（
ＩＰ処理し、１１８０℃、１００Ｑ　ｋｇ／ｃｍ！の下
に３時間保持すると、被接合面、　Ｎｉ蒸着層、超合金
粉末層が一体化され強固な接合が達成される。

第２図は上記と同様な方法による拡散接合例であるが、
被処理物の形状が複雑な場合を示している。

即ち、この場合においてはタービンのロータ及びタービ
ン翼の接合が複雑形状のＮｉ基超合金のＡ）。

（Ｂ）の接合面にＮｉ薄膜（３）　、　（３）’を形成
した後、その間に超合金粉末（２）を介在させてこれを
シール溶接部（５）により固定してカプセル（４）内に
収め、脱気。

密封し、旧Ｐ処理辷より一体化されて行なわれる。

又、第３図はＮｉ基超合金の固体に対し粉末を接合する
場合であり、同じ＜Ｎｉ薄膜（３）を形成したＮｉ基超
合金の固体＋１）をカプセル（４）内に収容し、Ｎｉ基
超合金の粉末その上に充填することによって両者の接合
が行なわれる態様を示している。

以上、本発明の拡散接合において共通することは先ず、
接合面に高エネルギＮｉイオンを照射し、表面の酸化被
膜、吸着原子等を除去した後、引続きイオンエネルギを
低下し真空中でＮｉを蒸着させ接合面上にＮｉのｙｐＪ
膜を形成させた後に旧Ｐ処理による焼結、接合を行なう
ことであり、これによってＮｉ基超合金の拡散接合を効
果的に達成することが可能となった。

なお、以上の如き接合は同じく耐熱材料であるＣｏ基超
合金のおいても同様に可能である。

勿論、この場合、薄膜、充填粉末材料としてはＣｏ薄膜
、Ｃｏ基超合金の粉末用いられる。

（発明の効果）本発明は以上のように真空中で高エネルギＮｉイオンを
照射し、接合面表面の清浄化を行なった後、同接合面に
Ｎ１ｆｌ膜を蒸着、形成しその後、接合面間に粉末を介
在させて旧Ｐ処理することによりＮｉ基超合金の２面の
接合を図るものであり、以下の如き各効果が期待される
。

（イ）真空中で高エネルギイオンを表面に衝突させるこ
とにより、従来の技術では達成不可能であった清浄な表
面が得られ、しかも直ちにＮｉｌ膜で覆われるため、そ
の後、空気に触れても清浄度は何ら変わることがない。

このため拡散接合後も境界面に酸化被膜が残ることがな
く、接合強度が大巾に向上する。

（ＩＩ＋）接合面に形成されるＮｉ薄膜は境界面に金属
炭化物が生成するのを防ぐ効果を有し、前記（イ）の効
果と相俟ってより信顧性の高い接合部を得ることができ
る。

（ハ）上記Ｎｉ薄膜は母材のベースメタルと同材質であ
り、しかも２０μ以下と薄いので拡散接合後は全（痕跡
が残ることはなく、強度の低下を招くことがない。

（ニ）接合面間には隙間を設けて粉末を介在させるので
表面にうねり等があっても空隙が残ることはなく、従っ
て曲面の接合が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図は本発明方法による接合方法を実施
した各側であり、第１図はＮｉ基超合金の固体と固体を
粉末を介して接合する場合の概要断面図、第２図は形状
が複雑な場合の概要断面図、第３図はＮｉ基超合金の固
体と粉末との接合を示す概要断面図である。又、第４図
は本発明方法におけるＮｉイオン照射及び薄膜形成に利
用するイオンブレーティング装置の概要図である。（Ａ）　（Ｂ）・・・Ｎｉ基超合金の（１）　、　（１）’・・・Ｎｉ基超合金の固体（２）
・・・Ｎｉ基超合金の粉末（３）　、　（３）’・・・Ｎｉ薄膜、（４）・・・カ
プセル。

Claims

【特許請求の範囲】１、Ｎｉ基超合金の接合すべき面に真空中で高エネルギ
のＮｉイオンを照射し、表面の酸化被膜、吸着原子等を
除去した後、引続き真空中で前記イオンのエネルギを低
下させて上記接合面にＮｉを蒸着させ、膜厚２０μ以下
のＮｉ薄膜を形成し、次いで上記接合面処理を行なった
２つの面を所要の隙間を隔てて対向配置し、その隙間に
Ｎｉ基合金粉末を充填し、その後、該隙間の脱気、密封
を行い、しかる後、熱間静水圧加圧処理を施し、Ｎｉ基
超合金の２面を拡散接合することを特徴とする耐熱材料
の接合方法。２、高エネルギＮｉイオンのイオンエネルギが４００〜
５０００ｅＶであり、これを２０〜４００ｅＶに低下さ
せる特許請求の範囲第１項記載の耐熱材料の接合方法。