KR930007666B1 - 모재(Base Metal) 보다 용융온도가 높은 삽입재(insert materials)를 사용한 액상 확산접합방법(Liquid Phase Diffusion Bonding) - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

모재(Base Metal) 보다 용융온도가 높은 삽입재(insert materials)를 사용한 액상 확산접합방법(Liquid Phase Diffusion Bonding)

제1도는 기존의 TLP 방법, 액상확산접합방법과 본 발명과의 접합기구가 상이한 것을 Ni-B 상태도를 이용하여 나타낸 그림.

제도는 기존의 TLP 방법과 본 발명과의 접합과정이 상이한 것을 나타낸 그림.

제3도는 기존의 TLP 방법과 본 발명의 차이를 요약한 도표.

제4도는 모재로써 Ren'e 80을 사용한 경우, 접합완료후의 접합부 단면의 미세조직을 나타낸 사진.

제5도는 모재로써 Ren'e 80과 AISI 304 스테인레스강을 사용한 경우, 접합부 인장강도를 나타낸 그래프.

본 발명은 내열초합금(heat resistant superalloy)의 (천이)액상확산접합(Transient Liquid Phase Bonding 혹은 Activated Diffusion Bonding)이 적용되고 있는 가스터빈용 날개 및 노즐의 접합과 철기합금(Fe-base alloy)이나 비철합금(nonferrous alloy)들의 접합에 적용할 수 있는 액상확산접합법에 관한 것이다. 기존의 액상확산접합법은 내열초합금의 접합강도 향상을 위하여 1970년대에 처음 개방되었다.(미국특허 제 3678570호)기존 액상확산접합법은 접합하고자하는 모재사이에 모재보다 융점이 낮은 삽입금속(insert metal 접합용 재료)을 충전시켜, 삽입금속의 융점보다 높은 온도(접합온도)로 가열하여 삽입금속을 용융시킨후 장시간 유지시키므로서, 액상의 삽입금속을 등온응고시켜 접합하는 방법이다. 이 접합법은 접합후 접합부와 모재부가 구별이 되지않을 정도로 동일한 금속조직과 화학성분을 가지므로, 접합부의 강도가 크게 향상된다는 장점을 가지고 있다. 기존 액상확산접합법의 접합과정은 삽입금속의 융용과정, 모재일부의 용융과정, 액상의 소멸과정(등온응고과정), 접합부와 모재부의 화학성분 균일화 과정등으로 이루어져 있다. 액상 확산접합시간에 큰 영향을 미치는 것은, 접합부의 액상이 소멸된후 고체상태에서 모재 및 접합부의 삽입금속 성분 사이에서 확산이 일어나는 성분균일화 과정이다.

이 과정을 결정하는 가장 중요한 인자는 삽입금속이며, 우수한 삽입금속을 개발하기 위해 많은 노력이 행해지고 있다. 기존의 액상 확산접합법에서는 모재의 융점보다 낮은 융점을 갖는 분말, 박판 혹은 표면합금 형태의 삽입금속을 사용하고 있다. 이를 위한 삽입금속의 조성은, Ni기 내열초합금을 접합할 경우, Ni기 합금에 융점저하제로 주로 B 혹은 Si를 수% 이내로 합금화한 화합물이 사용되고 있다.(예로써, 일본특개소 62-34685의 경우, 3.2-3.84wt. %. B, 2.90-3.33wt.% Si) 기존의 액상 확산접합법에서 사용되는 삽입금속은 접합온도에서 반드시 용융되어야 하며, 이를 위해 접합온도는 삽입금속의 융점이상으로 하여야 한다.

기존 액상 확산접합법의 단점으로는, 첫째, 삽입금속의 화학성분이 모재와 비슷하더라도, 확산속도가 늦은 치환형원소(예, Ni, Al, Cr, Mo 등)들의 함량에 차이가 있기 때문에 접합부의 삽입금속과 모재의 화학성분을 균일화해주기 위해 고온에서 장시간 확산처리(예로써, 일본특개소 59-118290의 경우 1100℃에서 20시간 처리)해 주어야 하므로 생산성이 낮고 에너지소모가 많으며 모재가 열화되기 쉽다는 것이다. 두번째 단점은, 접합시간 단축등 접합의 효율화를 위해 삽입금속의 화학성분을 모재와 비슷하게 만들어주어야 하는데, 이를위해 모재의 화학성분이 바뀌면 삽입금속의 화학성분도 바뀌어야 한다는 것이다. 기존 접합법의 세번째 단점은, 모재보다 융점이 낮은 삽입금속을 화합물형태(예 : 붕소화합물로 제조하기 위해 고에너지비임방법(예 : 미국특허 제 4691856호)이나 표면화합물층 제조법(예 : 일본특개소 59-118290), 리본형 삽입금속 제조법(예 : 일본특개소 6234685)등을 사용할때, 화합물제조장비(예 : 레이저, 진공등 비산화성장비, 기타 화합물제조장비등), 제조공정 및 제조시간이 필요하다는 것이다.

상기와 같은 기존 액상 확산접합법의 단점을 해결할 목적으로, 확산 속도가 매우 빠르고, 화합물이 아닌 순금속(순금속은 한가지 원소로 이루어진 금속임)의 삽입금속을 사용하는 본 접합법을 발명하게 되었다.

본 발명법에서는 삽입재의 융점이 접합온도보다 높기 때문에, 기존기술과는 달리 접합온도에서 삽입재가 융용되지 않으며, 삽입재에 인접한 모재의 일부 두께만이 삽입재와 반응하여 용융된다. 따라서 기존의 액상 확산 접합법 기술에서는 접합부에 생성되는 액체금속의 근원이 용융된 삽입금속이지만, 본 발명법에서는 용융된 모재이다.

본 발명법의 장점으로는 첫째, 본 발명법의 삽입금속 B, C 등은 침입형 원소로서 확산속도가 매우 빠르기 때문에(예 : 1,200℃에서 Ni 중 확산 계수가 치환형원소에 비해 약 100,000배 크다), 성분균일화를 포함한 총 접합시간이 약 15분(모재 : Ni, 삽입재 : C, 접합온도 : 1345℃) 혹은 1.3시간(모재 : Ni기 초합금 Ren'e 80, 삽입재 : B, 접합온도 : 1180℃) 소요되는 것으로 실험결과 밝혀졌으며, 이것은 기존의 접합시간에 비해 크게 단축된 것이다. 둘째로, 기존기술에서는 모재조성이 바뀌면 삽입금속 조성도 바뀌지만, 본 발명에서는 모재가 Cu, Fe, Ni 등 전혀 다른 금속으로 바뀌어도 삽입재 붕소하나만으로 동종 혹은 이종금속들을 짧은 시간에 접합할 수 있다. 따라서 삽입재조성을 단순화시킬 수 있는 장점이 있다. 본 발명의 세번째 장점으로는, 삽입재가 순금속형태(예 : 붕소)로 사용되기 때문에 삽입재를 화합물(예 : 붕소화합물)형태로 만드는 장치나 공정이 필요없다는 것이다.

본 발명법의 경우, 이러한 장점들로 인해 생산성향상, 에너지절감, 설비비감소 등의 효과가 생기게 된다. 또한 일본특개소 62-34685호와 59-118290호가 알려진바 있으나, 이들을 포함한 기존의 액상 확산접합법에서는 삽입금속의 융점을 모재융점 보다 낮추기 위해 모재와 비슷한 화학조성에 붕소, 규소등을 소량함유(일본특개소 62-34685호의 경우 3.2-3.84wt.% B, 2.90-3.33wt.% Si)한 형태로 사용하고 있는데, 이것은 본 발명법의 내용과는 완전히 다른 것이다.(본 발명법과의 성능비교표는 본 내용 끝부분에 상세히 기술하였음) 즉, 삽입금속을 사용하는 기존의 접합기술인 기존의 액상 확산접합법과 납땜에서는 삽입금속의 융점이 접합온도 및 모재융용보다 항상 낮은것이 기본개념이며, 기술의 요지는 '삽입금속의 융점＜접합온도＜모재의 융점'의 관계를 갖는 것이다.

반면, 본 발명은 '접합온도＜모재의 융점＜삽입금속'의 융점의 관계를 갖게된다. 즉, 삽입금속의 융점이 모재융점 및 접합온도 보다 높아도 접합이 가능하다는 것을 제시한 것인데, 이 내용은 기존의 접합개념을 뒤엎는 새로운 접합개념이다. 또, 기존의 접합개념에서는 모재보다 융점이 낮은 삽입금속만을 효과적으로 만들기에 주력하였기 때문에, 모재보다 융점이 높은 재료는 삽입금속으로 사용하지 못한 것이다. 기존 기술의 경우, 붕소화합물이 삽입금속으로 사용되는 반면, 본 발명에서는 순수붕소(붕소 순금속)가 삽입재로 사용되고 있으며, 이들은 전혀 다른 물질이다. 예로써, 순수탄소가 탄소 화합물인 탄소강이나 스테인레스강과 전혀 다른 것과 같다. 본 발명의 이해를 돕기위해 첨부도면에 연계하여 그 요지를 간략하면 다음과 같다.

제1도에서는 모재의 용융점 보다 높은 용융점을 갖는 재료를 삽입재로 사용한 경우 Ni-B 상태도에서 본 접합법의 접합기구를 설명한 것으로서, 기존의 TLP 접합법은 접합시편을 가열하면, T₁의 온도에서 삽입재가 용융되고 접합온도(T₂)까지 가열한후 유지하면 삽입재내에 함유된 용융점 저하원소(예를들면 붕소)가 모재내로 확산되어 모재내의 붕소농도가 X₀에 도달하면 등온응고가 완료된다. 반면, 본 발명은 접합시편을 T₂온도까지 가열하여도 삽입재인 붕소박판이나 분말은 전혀 용융되지 않는다. 그대신 붕소가 모재내로 확산해서 모재가 용융되기 시작하고 모재중 붕소의 농도가 X₂에 도달하면, 이 부분은 모두 융용된다. T₂온도에서 계속 유지시키면 모재내로 붕소가 더욱 확산되어 침투해서 희석되고 삽입재 주위의 용융된 모재조성은 X₁에 도달하게 되어 등온응고가 시작된다. 모재내 붕소농도가 X₀에 도달되면 접합부는 완전히 등온등고된다.

제2도에서는 접합과정을 비교한 것으로 본 발명은 붕소의 성분 균일화 과정중에 모재용융, 등온응고가 일어난다. 또, 대부분 등온응고와 함께 성분균일화도 얻어진다.

제3도에서는 종래의 TLP 방법, 고에너지 비임법, 붕소팩킹법 등과 본 발명과의 차이를 요약하여 나타낸 것으로 먼저, 종래의 고에너지 비임법은 진공 혹은 불활성가스 분위기에서 레이저 등의 장비를 사용해야 되는 단점과 모재표면을 합금화 하기위해 모재를 녹일때 모재중의 일부원소가 증발하여 함량이 작아지므로 완전한 성분균일화에 15시간 이상이 소요된다는 보고도 있다. 둘째, 종래의 붕소패킹법은 접합전에 고온(예로서 700-850℃)에서 장시간(예로서 3.5시간)처리해야 하고 접합시 성분균일화에 약 20시간 소요된다는 보고도 있다. 그러나, 본 발명은 실온의 대기중에서 붕소와 같은 고융점 고확산성 원소를 접합부에 단순히 삽입시키기만 하면 되므로 접합전에 모재를 고온까지 가열할 필요도 없고 합금층을 형성시킬 시간도 필요없다. 또, 고온처리시 발생하기 쉬운 모재 성분원소의 손실이 없으므로, 등온응고와 동시에 성분균일화가 얻어진다.

셋째, 종래의 TLP 접합법은 모재와 삽입재가 함께 녹기때문에 접합부에서 액상금속의 양이 많아져서 등온응고시간이 길어지며 또한, Cr, Mo, ti, Al 등의 성분균일화를 위해 1000℃ 내외에서 장시간(최대 200시간)이 소요되는 단점이 있으나, 본 발명은 모재만 녹으므로 등온응고 시간이 짧아지고 확산속도가 빠른 삽입원소(예로서는 붕소)만 확산되면 되므로 성분균일화를 포함한 접합완료 시간이 약 1시간 밖에 소요되지 않아 재료의 열화를 줄이고 생산성을 크게 향상시킬 수 있는 것이다.

제4도에서는 Rne'e 80을 모재로 사용하고 붕소분말을 삽입재로 사용한 경우 1160℃에서 1시간 유지했을때 등온응고가 완료된 접합부 단면의 미세조직을 나타낸 사진이며 제 5 도는 분말을 삽입재로 사용한 경우 Ren'e 80과 AISI 304 스테인레스강의 인장강도를 나타낸 것이다.

이와 같이된 본 발명의 요지를 이루는 기술은 B, C, Hf, Si에서 선택된 원소를 삽입재로 사용하며, 삽입재의 용융점이 모재보다 높고 삽입재의 형태는 화합물의 형태가 아닌 순금속의 형태이며, 삽입재의 용융온도보다 낮은온도의 비산화성 분위기에서 모재와 삽입재를 가열하여, 삽입재와 모재 사이에 확산반응에 의해 생성된 공정물질이 용융되므로서 모재가 접합 혹은 브레이징되게하되 삽입재 B, C, Hf, Si의 순도가 95% 이상인 것을 사용하여 확산접합시키는 것을 특징으로 하고 또 모재는 Ni, Co, Fe, Ti로 구성된 그룹중에서 선택된 원소를 베이스로 한 초합금과 여타의 철기합금, 비철기합금을 확산 접합하는 것을 특징으로 하며, 또, 삽입재를 사용하여 확산에 의해 접합할때, 접합온도＜모재응용온도＜삽입재용융온도의 관계를 갖는 것을 특징으로 하는 방법이다.

이하 본 발명의 실시예는 다음과 같다.

[실시예]

먼저, 접합하고자 하는 시편을 잘 연마하고 아세톤으로 세척한다. 세척된 시편은 건조시킨후, 고융점 고확산성 삽입재(예로써 붕소박판)를 접합될 시편사이에 끼운다. 이때, 붕소박판 대신 붕소분말을 이용해도 된다. 붕소분말을 이용할 경우 이 분말과 알코올을 섞어 현탁액을 만들어서 알코올을 기화시키면 분말이 시편표면에 도포된다. 작업은 상온의 대기중에서 행한다. 붕소박판이 끼워진 접합시편은 10^-4torr 이하인 진공분위기에서 Ni-기 초합금(에를들면 Ren'e 80)이나 스테인레스강(예를들면 AISI 304)의 경우 1150℃-1250℃ 정도에서 약 1-6시간 유지하면 접합이 완료된다.

본 발명의 특징을 요약하면, 삽입재의 융점이 접합온도 및 모재의 융점보다 높으며, 삽입재는 화합물(예 : 붕소화합물)이 아닌 순금속(예 : 붕소)의 형태이다.

본 발명의 장점으로는, 접합시간이 기존기술에 비해 크게 단축되어 생산성이 향상되고 에너지소모가 감소되며, 모재의 열화가 방지된다. 또, 삽입재는 순금속의 형태로 사용되므로, 기존기술에서 사용되는 화합물 형태의 삽입금속제조를 위한 장비, 공정, 시간 소모가 없다. 따라서, 제조공정이 단축된다. 또 다른 장점으로는 하나의 삽입재(예 : 붕소)로 여러금속(예 : Cu, Fe, Ni 및 그 합금)을 접합할 수 있기 때문에, 기존기술에 비해 삽입재가 단순화되어 접합이 용이하다.

그러므로, 본 발명으로서 가스터빈용 블레이드 및 노즐의 접합뿐아니라, 일반강재와 비철금속의 접합에 적용함으로서 부가가치가 높은 해당 산업분야에 널리 보급할 수 있는 효과가 있는 것이다.

다음표는 기존기술(일본특개소 62-34685호와 59-118290호)과 본 발명의 성능을 비교한 예를 보인 것이다.

Claims (4)

1. B, C, Hf, Si에서 선택된 원소를 삽입재로 사용하며, 삽입재의 용융점이 모재보다 높고 삽입재의 형태는 화합물의 형태가 아닌 순금속의 형태이며, 삽입재의 용융온도보다 낮은온도의 비산화성 분위기에서 모재와 삽입재를 가열하여, 삽입재와 모재 사이에 확산반응에 의해 생성된 공정물질이 용융되므로서 모재가 접합 혹은 브레이징됨을 특징으로 하는 모재 보다 용융온도가 높은 삽입재를 사용한 액상확산 접합방법.
2. 청구범위 제 1 항에 있어서, 모재는 Ni, co, Fe, Ti로 구성된 그룹중에서 선택된 원소를 베이스로 한 초합금과 여타의 철기합금, 비철기합금을 확산 접합하는 것을 특징으로 하는 전기삽입재를 사용한 액상확산 접합방법.
3. 청구범위 제 1 항에 있어서, 전기한 삽입재를 사용하여 확산에 의해 접합할때, 접합온도＜모재용융온도＜삽입재용융온도의 관계를 갖는 것을 특징으로 하는 액상확산 접합방법.
4. 청구범위 제 1 항에 있어서, 삽입재 B, C, Hf, Si의 순도가 95% 이상인 것을 사용하여 확산 접합시키는 것을 특징으로 하는 액상확산접합방법.

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