JPS6363583A - Ｎｉ基超合金の接合方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明はＮｉ基超合金の拡散接合継手及びその接合方法
に関する。

〔従来の技術〕

一般にＮｉ基超合金は高い高温強度を得るために数多く
の合金元素を含み、特に酸化されやすいＡ７．Ｔｉを含
んでいる。このためＮｉ基超合金を接合する場合、表面
に安定なＡｔ２０３．　ＴｌＯ２のような酸化皮膜が形
成されているため接合性が極めて悪℃１゜ 耐熱超合金の接合法の従来技術として、従来、米国特許
３６３２１９号及び米国特許３６７８５７０号で見られ
るように、接合すべき母材間に低融点のろう材であるイ
ンサート材（箔や粉末など）を介在させ、所定の温度に
加熱し、インサート材を溶融させて母材中に拡散させて
均一な接合部を得る方法がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来技術は、Ｎｉ基超合金の接合すべき表面から安定な
Ａｔ　ＯＴｌＯ２のような酸化皮膜を取シ除くことがで
きないうえ、さらにインサート材の酸化皮膜や酸素が吸
着により接合時に混入され、接合後に接合部に残存する
ため健全な接合部は得られず、高温強度特に延性が低く
、クリープラグチャー特性も著しく低い。また接合部の
均質化にも長時間を要する。

すなわち、接合すべき母材であるＮｉ基超合金の表面に
は、強固な酸化皮膜が形成されており、接合に悪影響を
及ぼす。たとえばＡｔ、　Ｔｉなど酸素と親和力の強い
元素を含むＮｉ基超合金は、接合面にＡｔ２０３．Ｔｌ
Ｏ２といった安定酸化物が形成されている。したがって
、このような接合面上にろう材をインサートし、該ろう
材の液相を介して接合する従来の液相拡散接合では、融
点が２０００℃以上の”２０５１　ＴｌＯ２酸化物は溶
融せずに液相中を浮遊したシ、そのまま接合面上に強固
には９ついたまま残存したりする。このため、ろう材と
母材との相互拡散は妨害され、さらに、ろう材による母
材の溶解作用は阻止されると共にこれら酸化物は接合部
に残存することになシ、接合部に不良欠陥（ボイド、未
接合部分など）や相互拡散不良による異質な組織を残す
こととがる。また、ろう材による母材の溶解作用が少な
いため溶融層も少く、エピタキシャル成長が十分性われ
ず、接合部の結晶粒が小さくなると共に母材成分の混入
も少なく拡散接合継手の高温強度及びクリ−ブラシチャ
ー特性が悪い。これらを改善するべく接合を長時間にし
ても、接合部に酸化物が残存している以上、改善は至難
の業である。以上のように健全かつ高品質の接合部を得
るためには、接合面の酸化皮膜を除去することが不可欠
であるが、従来技術では接合に際して清浄力接合面を用
意することが難しかった。

また、従来の液相拡散接合においては、ろう材は、箔や
粉末の形状で接合面間にインサートされていた。しかし
、箔や粉末に酸素が吸着されていたシ、酸化物が形成さ
れていたりする念め、これらが接合面を汚し、接合面清
浄化の効果が損われる。

本発明の目的は、高温強度、とくに延性及びクリープラ
グチャー特性にすぐれたＮｉ基超合金の拡散接合継手及
びその接合法を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明のＮｉ基超合金の拡散接合継手は、接合がＢ、Ｓ
ｉの拡散によって力され、接合部がＢを０．０５　ｗｔ
％以下、Ｓｉを０．１　ｗｔ１以下含み、接合部及びそ
の近傍の平均結晶粒径が１．０■以上であることを特徴
とするものである。またその接合方法は、不活性雰囲気
又は真空中において、接合すべきＮｉ基超合金母材に形
成されているＡｔ２０．　、　ＴｌＯ２のような酸化皮
膜を除去し、溶融温度がＮｉ基超合金の融点よシ低く且
つＢ　、　Ｓｉを含むＮｉ基合金膜を５〜３０μｍコー
ティングした後、該コーティング層同士を対面させ、該
Ｎｉ基合金膜の溶融温度以上で且つＮｉ基超合金母材の
融点以下の温度にて加熱加圧して拡散接合を行い、接合
部及びその近傍の結晶粒を平均粒径で１．　Ｏ鱈以上と
することによシ達成される。

〔作用〕

本発明のＮｉ基超合金の拡散接合継手は、接合面間にろ
う材を介在させ、ろう材の液相を介して接合する液相拡
散接合によって得られる。そのろう材としては、　Ｎｉ
基超合金中のＮｉと共晶反応によって融点が降下するＢ
（共晶温度：　１０８０℃）及びＳｉ　（共晶温度：１
１２５℃）を含むＮｉ基合金を用いる。このため本発明
の拡散接合継手の接合部は、ろう材による母材の溶解作
用及びろう材と母材の相互拡散によって形成され、接合
不良欠陥（ディト、未接合部分など）のない高品質の接
合部が得られる。

本発明の拡散接合継手の接合部に含まれるＢ。

Ｓｉ量は、極力少なくし、母材と同等レベルが望ましい
。しかしＢ　、　８１量を少なくすると、拡散処理とし
て高温で長時間の熱処理が必要となる。拡散処理が長時
間になると接合すべき母材であるＮｉ基超超合金自体ダ
メージを受け、強度が低下したフする。このためＮｉ基
超合金のダメージを少なくし、かつ拡散接合継手の高温
強度及びクリ−ブラシチャー特性を得るためには、最終
的に得られる接合部に含まれるＢ　、　Ｓｉ量は、Ｂを
０．０５　ｗｔ４以下、Ｓｉを０，１ｗｔ％以下とする
のがよい。

従来Ｎｉ基超合金の拡散接合継手において、接合部及び
その近傍の結晶粒の大きさと高温強度及びクリープラブ
チャー特性とが密接な関係にあることが認識されていな
い。本発明では、Ｎｉ基超合金の拡散接合継手の接合部
及びその近傍の平均結晶粒を粗大化させることで高温強
度、特に延性（伸び、絞シ）が高く、クリ−ブラシチャ
ー特性のすぐれ念拡散接合継手を得る。

すなわち、Ｎｉ基超合金の拡散液継手の接合部及びその
近傍の平均結晶粒を接合時におけるろう材による母材の
溶解作用及び母材結晶粒を基点とするエピタキシャル成
長を持続させることによって粗大化させ、接合すべき母
材の平均結晶粒の大きさに近づけさせる。接合部及びそ
の近傍の平均結晶粒径が１．Ｏｆｆ以上に粗大化させる
ことによってすぐれた高温強度、とくに延性（伸び、絞
り）及びクリ−ブラシチャー特性の拡散接合継手が得ら
れる。接合部及びその近傍の平均結晶粒径が１．０協以
下の場合には、高温強度（引張強さ、０．２係耐力）は
母材差みのものが得られるが、高温延性（伸び、絞シ）
が著しく低下し、接合部破断を呈し、さらにクリープラ
グチャー特性も母材に比べ著しく悪い。

次に本発明のＮｉ基超合金の拡散接合継手を得るための
接合法について図解説明する。第１図［Ａ］に示すよう
な母材であるＮｉ基超合金１，１′の接合すべき面に形
成されているＡｔ２０３．　ＴｉＯ２などの酸化皮膜２
，２′を同図［Ｂ）の如く除去し、接合面に清浄面３，
３′を形成する。次に同図〔Ｃ〕に示すように、Ｎｉ基
超合金の清浄釦なされた接合面上３，３′に接合すべき
母材であるＮｉ基超合金１゜１′の融点よシ低い溶融温
度を有しＢ　、　Ｓｉを含むＮｉ基合金膜４，４′を５
〜３０μｍコーティングする。そして同図〔Ｄ〕に示す
ように該コーテイング層４，４′同士を対面させ、同図
ＣＥ）のように、非酸化性雰囲気でコーティング層であ
るＮｉ基金合金膜４４′の溶融温度以上でＮｉ基超合金
１，１′の融点以下の温度で加熱、加圧し接合を行うと
ともに接合部５の結晶粒を平均粒径で１．０■以上とす
るのである。

以上のプロセスは、全て、不活性ガス雰囲気中、又は真
空中で行う。

以上のように、本発明では、接合すべき母材であるＮｉ
基超合金の融点よシ溶融温度が低く、Ｂ。

Ｓｉを含むＮｌ基合金を、清浄になされた接合面上にコ
ーティングすることによって、酸素及び酸化物の混入を
極力防ぎ、接合部に含まれる酸化物の残存を抑制するの
である。

本発明において、Ｎｉ基超合金の接合面に形成されてい
る酸化皮膜を除去し、清浄な接合面を接合に供するため
には、接合面を強制的にエツチングし、速やかに清浄な
接合面に、Ａｔ　、　Ｔｔよりも酸素との親和力が弱り
、Ｎｉ基超合金の融点よシ溶融温度が低く、かつＢ　、
　８１を含むＮｉ基合金をコーティングする。強制的に
接合面をエツチングするには、化学処理、ドライエツチ
ング処理（スパッタリングなど）を行うのがよく、コー
ティング処理は蒸着及びスパッタ蒸着で行うのがよい。

とくに同一真空中で接合面に強制的にドライエツチング
（スパッタリング）処理を行なって酸化皮膜を除去する
と同時に蒸着やスパッタ蒸着によって上記Ｂ、８１を含
むＮｌ基合金をコーティングすることによシ清浄な接合
面を接合に供すれば効果が著しＩｖｌ。

接合すべき母材であるＮｉ基超合金の接合面上に形成し
之コーティング層は、溶融温度が母材のＮｉ基超合金の
融点より低く、Ｂ　、　Ｓｉを含むＮｉ基合金であシ、
接合時に液相と々って接合面間を満たし、母材との相互
拡散によって凝固が起シ接合がなされる。コーティング
層であるＢ　、　Ｓｉを含むＮｉ基合金は、接合すべき
母材であるＮｉ基超合金の主成分であるＮｉと共晶反応
によって融点が低下するＢ、Ｓｉを含有しているのでＮ
ｉ基超合金よりも低融点である。さらにｓｉを添加して
いることによって、Ｎｉ基合金膜の液体の流動性が良く
なシ、母材との濡れ性が改善される。

本発明において、コーティング層であるＮｉ基合金膜の
厚さは５〜３０μｍが良好であシ、この厚さの範囲内の
Ｎｉ基合金膜を用いて接合することによって、接合不良
欠陥（ディト、未接合部分など）の発生がなく、接合部
に硼化物やけい化物の生成がない。さらに、接合すべき
母材とＮｉ基合金膜との相互溶融と相互拡散によって短
時間で均質な接合部が得られ、接合部の結晶粒も大きく
がシ高温強度、とくに延性（伸び、絞シ）及びクリ−ブ
ラシチャー特性がすぐれた接合部が得られる。Ｎｉ基合
金膜の厚さが５μｍ以下の場合、接合時に液相が少ない
ため未接合部分が残存する恐れがあると共に、接合部の
結晶粒も十分成長せずに小さく、高温延性及びクリープ
ラブチャー特性が低い。またＮｉ基合金膜の厚さが３０
μｍ以上の場合、接合部には硼化物やけい化物の生成が
認められ、脆弱な接合部となシ、さらに、均質化に多く
の時間を費やすため母材の劣化につながる。

Ｎｉ基合金膜は、接合すべき母材であるＮｉ基超合金と
の濡れ性が良好である。これは清浄な接合面であること
、ｓｉの添加により流動性が良好であることによる。ま
たＮｉ基合金膜の重要な特徴は、母材の接合面を溶解せ
しめる作用があることであジ、溶融した母材の接合界面
層とＮｉ基合金膜が融合することによって母材成分が含
有されるため、接合部の均質化が促進されて短時間で接
合が行われ、接合部の結晶粒も大きくなる。接合面を溶
解せしめる作用は、接合面が清浄であることによって促
進される。

接合すべき母材の清浄な接合面を確実に且つ均一に溶解
せしめて前記効果を上げるためには、Ｎｉ基合金膜の厚
さと同等あるいはそれ以上に母材の清浄な接合面を溶解
せしめることが必要である。

すなわち、Ｎｉ基合金膜の厚さと同等以上に母材の清浄
彦接合面を溶解せしめることは、短時間で均質な接合部
を得、接合部の結晶粒を大きくすることを可能ならしめ
る。母材の接合面を溶解せしめる深さがＮｉ基合金膜の
厚さと同等以下の場合、Ｎｉ基合金膜中での母材成分の
融合が少ないため接合に長時間を要し、ひいては母材の
劣化につながる。

前記の清浄な接合面上に形成されたＮｉ基合金膜のコー
ティング層同士を対面させ、非酸化性雰囲気中で加熱、
加圧して接合を行い、かつ接合部の結晶粒を平均粒径で
１．０園以上とする本発明の接合法において、加熱温度
はコーティング層であるＮｉ基合金膜の溶融温度以上で
且つ、接合すべき母材であるＮｉ基超合金の融点以下の
温度範囲とする。これによシＮｌ基合金膜を溶融させ接
合が可能とがる。さらに前記の加熱温度範囲内で５〜２
０ｈ保持することによって、接合部及びその近傍の結晶
粒は平均粒径で１．０　ｍｓ以上となシ、接合継手の高
温強度、とくに延性（伸び、絞シ）及びクリープラブチ
ャー特性がほぼ母材と同等となる。保持時間が５ｈ以下
の場合には、接合部及びその近傍の平均結晶粒径が１．
０　ｍ以下となυ、接合継手の高温延性が低く、接合部
よシ破断する。またクリ−グラブチャー特性も低い。保
持時間が２０ｈ以上の場合には、長時間の熱処理のため
高温延性はほぼ母材と同等となるが、逆に高温強度（引
張強さ、０．２％耐力）が低下し、母材の劣化につなが
る。

接合部及びその近傍の結晶粒を粗大化させるには、接合
後に室温まで冷却し、再び非酸化性雰囲気（不活性ガス
雰囲気又は真空）で前記の加熱温度範囲内に加熱して、
接合時の加熱時間と合せて５〜２０ｈの範囲内で熱処理
することも可能であるＯ 接合時における加圧力は、前記の加熱温度で０．５ｋｇ
ｆ／■２以下の圧力とすることが望ましく、これによシ
、接合時の圧力による母材の変形を防止する。加圧力０
．５　ｋｇ　ｆ　／１ｍ”以上で接合を行う場合、母材
は高圧力のため変形し、製品の寸法精度が問題となる。

接合時に加圧力を印加する時間は、コーティング層であ
るＮｉ基合金膜が溶融し、母材の接合面を溶解せしめ、
さらに相互拡散によって接合部が凝固するまでとする。

本発明の接合法を用いて、たとえばガスタービン冷却翼
を製作する場合、どの部分からでも接合が可能で、高品
質、高延性の冷却翼が製作できる。

本発明の拡散接合は、Ｎｉ基超合金のみならず、Ｆｅ基
、Ｃｏ基耐熱超合金の接合にも応用でき、また酸化や窒
化などの皮膜を形成しゃすい金属材料の接合にも応用で
きる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図に示す接合プロセスに
従って説明する。第１表は供試材の化学組成を示す。

供試材は酸化しゃすいＡｔ、Ｔｉを含むＮｉ基超合金で
ある。そこで第１図に示すように接合面の酸化皮膜を除
去するために、清浄化処理としてＡｒイオンビームによ
って接合面をスノぐツタリングした。

第２表はＡｒイオンビーム処理条件を示す。

第　　２　　表 Ｎｉ基超合金の接合面に形成されている強固な酸化皮膜
は、ＡＥＳ分析の結果、約２５０Ｘの厚さに形成されて
いた。そこで第２表に示す処理条件によってＮｉ基超合
金の接合面をスフ４ツタリング（エッチ’／グ速度：　
２５　Ｘ／ｍｉｎ　）　Ｌ、接合面を約５００芙エツチ
ングして清浄な接合面を形成した。

次に清浄化処理と同一真空中でＮｉ基超合金の清浄な接
合面にマグネトロンス・母ツタ装置を用いて、Ｂ、Ｓｉ
を含むＮｉ基合金のコーティング層を形成した。第３表
はスパッタ蒸着条件を、第４表はＮｉ基合金膜の化学組
成を示す。

第　　３　　表 第　　４　　表 第３表に示すスパッタ蒸着条件によって、清浄な接合面
に形成されたＮｉ基合金膜は、Ｃｒ：１２％、Ｓｉ：４
．５係、Ｂ：４％含むＮｉ合金である。このＮｉ基合金
膜の融点は約１０３０℃である。

第２図はＮｉ基合金膜による溶込み深さと清浄化処理の
関係を示す。なお、合金膜の厚さは約１５μｍ一定とし
た。第２図に示すように清浄化処理をしない場合滲込み
深さは約２２μｍであり、膜厚の約１．７倍でおり、合
金膜の溶解作用が小さい。

清浄化処理をした場合には溶込み深さは約６０〜７０μ
ｍであり、膜厚の約４．５倍であり、合金膜の溶解作用
が大きい。以上の如く、接合面に形成されている酸化皮
膜は、合金膜による母材の溶解作用に悪影響を及ぼす。

第３図はＮｉ基合金膜の膜厚と溶込み深さ及び接合率の
関係を示す。図に示すようにＮｉ基合金膜による溶込み
深さは膜厚の増加とともに増加するが、膜厚約５μｍ以
下では、接合不良欠陥が発生し、接合率が低下する。す
なわち、接合時の液相が少ないためである。

第１図に示す接合プロセスに従って、清浄な接合面に形
成されたＮｉ基合金のコーティング層同士を対面させ、
接合を行なった。第５表は接合条件を示す。

第　　５　　表 第５表に示すよりに、接合はＮｉ基合金膜の溶融温度（
約１０８０℃）以上、Ｎｉ基超合金の固相線温度（約１
２５０℃）以下の１２００℃で１ｈ及び５ｈ行なった。

接合時における加圧力は、１２００’Ｃで座屈変形の生
じない０．２に９ｆ／ｍ２　とした。々お比較例として
、清浄化処理をしない場合のコーティング層（膜厚：１
５μｍ）同士の接合も行った。

第４図は接合部及びその近傍の金属組織を示す写真であ
る。第４図（、）は清浄化処理し力い場合の接合部を示
しておシ、接合界面に酸化皮膜が残存し、その近傍に異
質な組織層を呈している。これは接合面の酸化皮膜によ
って、Ｎｉ基合金膜と母材との相互拡散が阻止されたた
めである。これに対し、第４図（ｂ）は清浄化処理した
場合の接合部を示しておシ、Ｎｉ基合金膜と母材との相
互拡散が進行し、均質な接合組織を呈している。接合部
及びその近傍の平均結晶粒径は、接合時間１ｈで約０．
６−１接合時間５ｈで１．０■である０ 次にその接合材の引張試験（室温、高温）を行った。第
５図は接合材の高温強度を示す。第５図に示すように接
合時間１ｈによる接合材（結晶粒径Ｏ，ｓ　ｍ　）及び
接合時間５ｈによる接合材（結晶粒径１．０　ｍ　）の
引張強さは、母材と同等である。

これに対し、接合時間１ｈによる接合材（結晶粒径０．
６　ｍ　）の伸び及び絞シは、試験温度の上昇とともに
低下する傾向であるが、接合時間５ｈによる接合材（結
晶粒径１．０　ｍ　）の伸び及び絞υは、母材の伸び及
び絞りと同等である。９８２℃の高温引張試験の結果、
接合時間１ｈによる接合材（結晶粒径１．０■）の破断
形態は接合部破断を呈し、接合時間５ｈＫよる接合材（
結晶粒径１．　Ｏ闘）の破断形態は母材破断を呈した。

接合時間５ｈによる接合材（結晶粒径１．　ｏ　ｍ　）
は高温延性（伸び及び絞シ）がすぐれていることがわか
った。

さらにクリープ特性を検討した。第６図は接合材のクリ
ープ破断時間を示す。クリープ試験は試験温度９８２℃
、応力１５．５ｋｇｆ／薗２で行った。

その結果、接合時間１ｈによる接合材（結晶粒径０、６
　ｍ　）のクリープ破断時間は約２７ｈで母材の約７５
’ｆｉである。これに対し接合時間５ｈによる接合材（
結晶粒径１．　Ｏｔａｎ　）のクリープ破断時間は、は
ぼ母材と同等であシ、クリープ特性のすぐれた接合材で
ある。

〔発明の効果〕

本発明によれば、Ｎｉ基超合金の接合面から酸化皮膜を
除去し、接合界面を溶解せしめ、均質力拡散接合部を形
成し、且つ接合部及びその近傍の結晶粒が粗大化される
ので短時間接合が可能となり、高温延性及びクリープ特
性がすぐれた接合継手を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（４）〜（ト）は本発明の接合プロセスを説明す
るための図、第２図はＮｉ基合金膜による溶込み深さと
清浄化処理の関係を示す図、第３図はＮｉ基合金膜の膜
厚と溶込み深さ及び接合率との関係を示す図、第４図（
ａ）　、　（ｂ）は接合部断面の金属組織を示す顕微鏡
写真、第５図は接合材の高温強度を示す線図、第６図は
接合材のクリープラブチャ特性を示す図である。 第４図 清浄化処理時間（ｍ誂） 膜厚（μＵ） ＜ａ） （ｂ） ＯＯ１ｍ 第５図 試験温良（’Ｃ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、Ｎｉ基超合金の拡散接合継手であって、接合がＢお
   よびＳｉの拡散によって成され、接合部がＢを０．０５
   ｗｔ％以下、Ｓｉを０．１ｗｔ％以下含み、接合部およ
   びその近傍の平均結晶粒径が１．０ｍｍ以上であること
   を特徴とするＮｉ基超合金の拡散接合継手。 ２、不活性雰囲気または真空中において、接合すべきＮ
   ｉ基超合金母材の表面の酸化皮膜を除去した後に、溶融
   温度が該Ｎｉ基超合金の融点より低く且つＢおよびＳｉ
   を含むＮｉ基合金膜を５〜３０μｍ厚にコーティングし
   、該コーティング層同志を対接させて該Ｎｉ基合金膜の
   溶融温度以上で且つ前記Ｎｉ基超合金の融点以下の温度
   にて加熱加圧して拡散接合し、接合部の結晶粒を平均粒
   径で１．０ｍｍ以上にすることを特徴とするＮｉ基超合
   金の接合方法。 ３、前記コーティング層同志を対接させて前記の温度に
   て５〜２０時間、０．１〜０．５ｋｇｆ／ｍｍ＾２の圧
   力を印加して加熱加圧する特許請求の範囲第２項記載の
   Ｎｉ基超合金の接合方法。 ４、Ｎｉ基超合金の接合表面を前記Ｎｉ基合金膜の厚さ
   と同等以上の深さに亘って溶解させる特許請求の範囲第
   ２項又は第３項記載のＮｉ基超合金の接合方法。 ５、接合後室温まで冷却した後、再び、前記温度にて接
   合時の加熱時間と合せて５〜２０時間の範囲で加熱して
   接合部の平均結晶粒径を１．０ｍｍ以上とする特許請求
   の範囲第２項記載のＮｉ基超合金の接合方法。