JPS63281767A - 積層耐熱合金板の製作方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ガスタービン、ジェットエンジンの燃焼器に
適用される積層耐熱合金板の製作方法に関する。

〔従来の技術〕

ガスタービン、ジェットエンジン燃焼器の内筒および尾
筒に適用されている耐熱合金板の冷却構造の一例を第Ｓ
図に示す。

板１と板２よりなる梯形断面の板ルーバ（ＸＯＵマ・ｒ
）　５を介して接合するもので、板１には梯形板Ｓの下
面ムが、板２には梯形板５の上面Ｂがそれぞれスポット
溶接されている。

空気は白抜き矢印方向にルーバの通路に流入し、斜線入
シ矢印方向に流出する。白抜き矢印部は燃焼器の外部、
斜線入シ矢印部は燃焼器の内部に相当する。従って板Ｓ
を介して燃焼器の内部に流入した空気は、板２の内壁に
沿って流れて板２を冷却する。このような冷却方法をフ
ィルム冷却と言う。

このような冷却方法には下記のような技術面での問題点
があった。

（１）　　ガスタービンのガス温度は近年益々上昇し、
燃焼に必要な空気量が増加し、このため冷却用空気量が
減少する。一方フイルム冷却法は多量の空気を必要とし
かつ冷却効率が低い。

（２）　　ルーパ５の近傍部は大巾に冷却されるが、ル
ーバ５から遠ざかった部分では余り冷却されず、不均一
冷却に伴う熱応力が発生し、寿命を低下させる。

（３）　　強度メンバをスポット溶接しているため、母
材に比べて核部の強度が低い。

（４）公害の対象となる酸化窒素（ＮＯｘ）を低減させ
たり、低発熱量の燃料（例えば高炉ガス、石炭ガス）を
使用するときには、多量の燃焼用空気を必要とし、その
分だけ冷却に使用される空気が減少する。

このような問題点を解決するために開発したのが第１図
に示す積層冷却耐熱合金板である。

なお、第２図は第１図の側断面の一部を拡大した図であ
る。

その構成は、細溝Ｃが加工され、冷却穴りが設けられた
耐熱合金板４のフィン部の上面と、同一または異なる材
質の冷却穴コのみが設けられた耐熱合金板５の下面とを
ニッケルろう付したものである。

穴Ｅから流入した冷却空気は細溝Ｃを流れる間に板４，
５を冷却！−１穴りから燃焼器内部へ流入する。この冷
却方法によると、 （１）冷却空気は板の両面を冷却する。

（２）伝熱面積が大きく熱伝達効率が高い。

（３）　　このため冷却効果が増大し、冷却空気量を減
少させることができる。

（４）温度分布の不均一、局部過冷却がなくなる。

（５）スポット溶接に伴う強度低下部がな（八。

等の効果を得ることができる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記の積層冷却耐熱合金板の製作に際して１１次のよう
な技術的問題点がある。

（１）積層合金板は広幅で、薄板の耐熱合金であるため
（例えば、５００ｍＸ　５００ｖｅｎ以上の広幅で１８
〜５■の板厚）溶接が不可能でＮｉろう付によらざるを
得ない。

（２）　　Ｎｉ　ろう付するためには、合金板材との間
隙は概ね２００μ慣以下にする必要がある。

しかし、合金板材は広幅であるため、板の各部の板厚が
２００μ惰以上に変動している場合があり（すなわち、
板の各場所により、板厚差がある。）広幅全域にわたっ
て、ろう付のだめの間隙を２００μ惧以下にすることは
難しい。

（３）一般に、広幅の合金薄板は冷間圧延により製作さ
れるが、板は波打っておシ、２枚の合金薄板を重ねた場
合、ろう付のための間隙が２００μ惧以上になる場合が
ある。

（４）一般には、概ねＳＷ以下の合金薄板は冷間圧延で
製造された後溶体化処理が施されているが、溶体化処理
後に平坦度を保つため、引張り加工（ストレッチ）が冷
間で施されているので、残留応力が存在する。

このため、Ｎｉろう付のために高温は加熱するとこの残
留応力が解放されて上記（３）項に加えて更に合金薄板
が不均一に波打つことになる。

（５）積層合金薄板を用いて、ガスタービン燃焼器の内
筒又は尾筒を製作する時、曲げ加工を施す必要があるが
、Ｎｉろう接合部に、硬くて脆いＮｉ−ＥｌｉやＮｉ−
Ｂなどの共晶組織が残在すると、曲げ加工時にこの個所
に亀裂（き裂）が発生し、積層合金薄板が２枚に剥離す
る恐れがある。

（６）　　なお、Ｎｉろう何時に、治具などから、０．
を含む吸着ガスが蒸発し、Ｎｉろう付の表面に酸化スケ
ールとなって付着し、良好なＮｉろう接合状態が得られ
力い。

本発明は上記問題点を解消し、広幅で薄いＮｉ合金製の
細溝板と上板とをはく離することなく確実にろう接合す
ることができ、かつ、接合部に共晶組織を含まないため
に曲げ加工を施しても接合部にき裂を生ずることなく良
好な接合を可能とした積層耐熱合金板の製作方法を提供
しようとするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は板厚ＣＬ５〜ａｏＩＩＩＩのＮｉ合金板に、細
溝を一定間隔で多数形成し、この細溝板と同一または異
なる材質の上板をＮｉろう材を介して上記溝に蓋をする
ように重ね、上記溝が下方に向くように載置し、細溝板
の上に５０　ｇｒ／６１？以上の均一な負荷荷重を負荷
面積１５ｃｍ２以下の小ブロックに分割して加え、不活
性雰囲気または真空中で１０００℃±２０℃で５〜６０
分、その後１０５０〜１１５０℃で１５〜６０分、さら
に１０６０〜１１４０℃で２時間以上加熱処理を施すこ
とを特徴とする積層耐熱合金板の製作方法である。

なお、細溝の加工は所定幅のカッターによって行なうこ
とができる。

ろう材はＪ工Ｓ規格Ｚ　５２６５　Ｋよるニッケルろう
ＢＮｉ−２などの粉末に結合剤としてアクリル樹脂を重
量比で概ね１０：１で混合しシート状に固めて使用する
。

ろう接合時の負荷は第４図のように負荷面積を１５ｃｊ
以下に分割し、複数ブロックにより接触面全体に均一な
負荷を加え、負荷荷重は５０ｇｒ／ｃｍ？以上とするこ
とが必要である。また、接合時にろう材が細溝に流入し
ないように細溝を下方に向けて細溝板とろう材、上板を
順に積層することも重要である。

熱処理に際して雰囲気中に酸素が存在すると合金薄板表
面に酸化スケールが生成し、ろう接合を妨げるので、ム
ｒ、　Ｎ、等の不活性ガス又は真空中で熱処理を行なう
。また、負荷ブロックや他の治具を清浄なポリエチレン
袋などに保管するとよい。

ろう接合の熱履歴は第５図による。即ち、１０００℃±
２０℃で５〜６０分間保持した後、１０５０〜１１５０
℃で１５〜６０分間保持し、次いで１０６０〜１１４０
℃で２時間以上保持する。なお、第２及び第３熱処理工
程の温度分布は８℃以下とすることが好ましい。その後
加熱室内で９００℃まで放冷したのち２００℃まで還元
性ガス中で急冷して２００℃以下とし、加熱室から増出
す。

熱履歴の第１工程である１０００℃±２０℃で５〜６０
分間保持する理由は、加熱窓内の各部分の昇温の遅れの
差を取り戻して均一な温度にするとともに、板材表面に
吸着していたガス成分を放散させるためである。

第２工程の１０５０〜１１５０℃で１５〜６０分間加熱
保持する理由はＮｉろう材を融点以上としてろう接合す
るためのものである。なお、Ｎｉろう材のろう付は温度
は概ね１０００〜１２００℃で保持時間は１５〜５０分
である。接合温度が低いと部材間の狭い間隙（概ね２０
０μ惰以下、望ましくは１００μ惰以下）Ｋろう材が流
れ込まず、接合が不十分となる。接合温度が高すぎると
ろう材の流動性がよくなシ過ぎて細溝内をろう材で埋め
るおそれがある。また、１１５０℃を越えると耐熱合金
の結晶粒が粗大化し過ぎ、母材合金の高サイクル疲れＫ
よる強度の低下が心配される。また、保持時間は１５分
未満ではろう接合が十分でなく、６０分を越えると長時
間になりすぎて実作業的でない。

第５工程の１０６０〜１１４０℃で２時間以上保持する
理由はろう材を十分に拡散処理させ、脆くて硬いＮｉ−
ＥｌｉやＮｉ−Ｂの共晶組織を消滅させるためである。

〔実施例１〕 表１に示す合金Ｘの化学組成のＮｉ合金薄板を上板及び
細溝板として用いて積層耐熱合金板と製作した。板厚は
上板１．２瓢、細溝板１６ｍで幅１．２　ｍ　ｓ深さ１
．２　ｔｍの細溝はカッターによシ加工した。々お、細
溝の裕度は幅士（１，１ｔｍ　ｓ深さ＋０１．、が与え
られる。

−〇 ろう材はＪ工５Ｚ３２６５によるＮｉろうＢＮｉ−２粉
末をアクリル樹脂で固め、厚さ１５０μｍのシートにし
た。

次いで、上板、シート状ろう材及び細溝板（溝を下方に
向ける）を順に積層し、Ｎｉろう熱履歴、１０００℃で
３０分、次いで１１５０℃で５０分、さらに１１００℃
で２時間熱処理を施して積層合金板を製作した。製作に
際し、一つは負荷を加えることなくろう付熱履歴を施し
く供試材Ａ）、他の一つは、第４図のように分割された
負荷ブロックにより５０　ｇｒ／＜−の負荷を加えなが
らろう付熱履歴を施した（供試材Ｂ）。

第６図及び第７図は供試材Ａ及びＢについて上板と細溝
板の接合状態を示した図であり、拡大図は接合部の断面
金属組織を示した倍率１００倍の顕微鏡写真である。

負荷を加えない供試材ムは第６図よシ明らかなように上
板と細溝板はろう接合部がはく離している。他方、負荷
を加えた供試材Ｂｕ第７図より明らかなようにはく離は
全く認められなかった。

次に、負荷面積９−のブロックの高さ■を変化させて負
荷の大きさを変え、はく離面積率との関係を調べた。そ
の結果を第８図に示した。

第８図より、負荷は５０　ｇｒ／ａｌｌ”以上必要であ
ることが判明した。

〔実施例２〕 実施例１の条件のうち、合金を表１に示す合金Ｙに代え
、負荷を５０　ｇｒ／ｃＩｇ？並びに１６０ｇｒ／ｅＷ
Ｐとし、ブロックの負荷面積を変化させて負荷面積とは
く離面積率との関係を調べた。その結果を第９図に示し
た。

第９図より、負荷面積を１５２以下とすることにより１
はく離面積率を０％とすることができ良好な接合状態が
得られることが判明し九。

〔実施例３〕 実施例１０条件のうち、合金を表１に示す合金Ｙに、細
溝板の板厚を五２瓢に代え、熱処理後曲げ半径１０１１
１＋で曲げ加工を行なった。

その中の１つけ熱処理の第Ｓ工程である１１００℃で４
時間保持した後曲げ加工を行ない（供試材ｃ）、他の１
つは同じ工程を５０分として曲げ加工を行なった（供試
材Ｄ）。それぞれの供試材について接合状態図及び接合
部の断面金属組織を示した倍率１００倍の顕微鏡写真を
第１０図及び第１１図に示す。

供試材Ｃは第１０図から明らかなようＫろう材接合部に
共晶組織が認められず、また、き裂のない良好な接合状
態であることが判る。

これに対して、熱処理の第３工程を短縮した供試材りは
ＷＪ１１図にみるように１ろう材接合部にＮｉ−８ｉ、
Ｎｉ−Ｂの共晶組織が黒色又は灰色のミクロ組織として
残存しており、中央にはき裂が発生している。

次いで、上記と同じ供試材を用い、拡散熱処理温度を１
０６０℃、１１００℃、１１４０℃の各温度とし、保持
時間を変化させて、共晶の層の最大厚さを調査した。第
１２図は調査結果であシ、上記の温度において保持時間
を２時間以上とすることによシ共晶組織が消滅すること
が判った。

〔発明の効果〕

本発明は、上記構成を採用することにより、細溝を有す
るＮｉ合金薄板と上板との積層耐熱合金板のろう材接合
部にき裂を生ずることがなく、共晶組織を確実に消滅さ
せることができ、良好な接合部を形成することができた
。この積層耐熱合金板は曲げ加工を施しても上記と同様
の接合状態を維持することができ、高温ガスタービン燃
焼器の内筒や尾筒に使用可能なものであった。

【図面の簡単な説明】

第１図は積層耐熱合金板の構造を示す斜視図第２図は第
１図の側断面の一部を拡大した図、第３図社従来例であ
るルーバ冷却形耐熱合金板の構造を示す斜視図、第４図
は本発明に適用される負荷の状態を示す斜視図、第５図
は本発明のＮｉろう付熱履歴図、第６図、第７図、第１
０図及び第１１図は実施例の供試材Ａ、Ｂ、Ｃ！、Ｄの
接合部所面金編組織の顕微伊写真、第８図は負荷の大き
さとろう接合部のはく離面積率との相関図、第９図はブ
ロック負荷面積とはく離面積率との相関図、　　　　　
°　　　　　　　ミ干≠１ｒ＝、第１２図は接合部の共
晶。 、　の層の厚さと熱履歴の第３工程の保持時間との関係
図である。 第３図 第６図 儀半Ｘすυ 第８図 負循ｔｉシ　　　　　　　　　　　　　負凋　’ｊ’／
６ｍ２第９図 プロ・ツクの負荷面耳員　（Ｊ２ 第１１図 橿率ＸＪＯＯ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 板厚０．５〜５．０ｍｍのＮｉ合金板に、細溝を一定間
   隔で多数形成し、この細溝板と同一または異なる材質の
   上板をＮｉろう材を介して上記溝に蓋をするように重ね
   、上記溝が下方に向くように載置し、細溝板の上に３０
   ｇｒ／ｃｍ＾２以上の均一な負荷荷重を負荷面積１５ｃ
   ｍ＾２以下の小ブロックに分割して加え、不活性雰囲気
   または真空中で１０００℃±２０℃で５〜６０分、その
   後１０５０〜１１５０℃で１５〜６０分、さらに１０６
   ０〜１１４０℃で２時間以上加熱処理を施すことを特徴
   とする積層耐熱合金板の製作方法。