JP2007105795A - ＷＣ−Ｃｏをチタン合金にろう付けするための金／ニッケル／銅／チタンろう合金 - Google Patents
ＷＣ−Ｃｏをチタン合金にろう付けするための金／ニッケル／銅／チタンろう合金 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】脆性なろう付け界面を形成せずにＷＣ−Ｃｏ材をチタン合金にろう付けできるろう材を提供すること。
【解決手段】約２０〜約６０重量パーセントの金、約６〜約１６重量パーセントのニッケル、約１６〜約６０重量パーセントの銅、および約６〜約１６重量パーセントのチタンを含むろう材を提供する。
【選択図】なし
【解決手段】約２０〜約６０重量パーセントの金、約６〜約１６重量パーセントのニッケル、約１６〜約６０重量パーセントの銅、および約６〜約１６重量パーセントのチタンを含むろう材を提供する。
【選択図】なし
Description
本発明は、ろう合金に関し、より詳細には、炭化タングステン−コバルト複合材をチタン合金にろう付けするろう合金に関する。
炭化タングステン−コバルト（以後ＷＣ−Ｃｏ）は、ＷＣ−Ｃｏの高い機械的強度、硬度、耐蝕性、耐摩耗性のために、しばしば航空機エンジンに使用する様々な部品および構成要素を製作するのに用いられる。たとえば、航空機エンジンに用いられる耐摩耗性カーボロイパッドは、通常、（９０〜９８重量％）ＷＣと（２〜１０重量％）Ｃｏの混合物から構成される。ＷＣ−Ｃｏカーボロイパッドは、通常、航空機エンジンのファンおよび圧縮機動翼のミッドスパンシュラウドに磨耗対策のためにろう付けされる。これら動翼は、通常、βトランザス温度が９８２℃（１８００°Ｆ）またはそれより僅かに上のＴｉ ６Ａｌ−４Ｖおよび／またはＴｉ ８Ａｌ−１Ｖ−１Ｍｏ合金で製作される。
従来技術では、Ｔｉ−１５Ｃｕ−１５Ｎｉなどのチタン／銅／ニッケルろう合金（以後ＴｉＣｕＮｉ）が、カーボロイパッドをチタン合金動翼のミッドスパンシュラウドにろう付けするのに用いられてきた。ＴｉＣｕＮｉは良好な強度および延性でチタン合金をろう付けする主要ろう合金であるので、ＴｉＣｕＮｉろう箔もまた、ＷＣ−Ｃｏをチタン合金にろう付けするのに使用されてきた。しかし、ＴｉＣｕＮｉ合金は、チタン合金にＷＣ−Ｃｏをろう付けする用途に用いられた場合、ろう付けされたパッドが衝撃力（たとえば、鳥、隣接翼、様々な破片との衝突）を受けたとき、ろう付け接合部に欠け、割れが生じるなど、様々な衝撃損傷問題を生じてきた。
ろう付け衝撃損傷は、ＴｉＣｕＮｉろう合金を用いてＷＣ−Ｃｏをチタン合金にろう付けするときに形成されるろう付け接合部が、延性が低く脆性を有することに起因し得ることが判明している。詳細には、ＴｉＣｕＮｉろう材が溶融状態にある時、カーボロイパッドからタングステンおよびコバルトがろう付け接合部に溶出し、それによって低延性、高硬度（たとえば約１２００ＫＨＮ）のＷ−Ｃｏ−Ｔｉ−Ｃｕ−Ｎｉ合金のろう付け界面が形成されることが判明している。ろう付け界面には、０．３０ジュールほどの低い衝撃エネルギーで割れが生じ、０．６０ジュールの衝撃エネルギーで、カーボロイパッドが、脆性なろう付け界面で基体から剥離する。
したがって、チタン合金をチタンにろう付けするのに成功裡に使用されてきたＴｉＣｕＮｉろう合金が、耐衝撃性が求められるチタン合金へのＷＣ−Ｃｏのろう付けには使用することができない。
工業上入手可能なろう合金は、航空機用エンジン用途に関する、低ろう付け温度（たとえば９８２℃（１８００°Ｆ））、高延性、および低コストの複合的要件に適合することができていない。たとえば、Ｎｉｏｒｏ（商標）（金８２％、銅１８％）およびＮｉｃｏｒｏ８０（商標）（金８１．５％、銅１６．５％、およびニッケル２％）は、金が多く銅が少なく、そのため高価で、濡れ特性および延性に劣る。さらに、金３５％、銅６２％、およびニッケル３％を含む合金は、液相線温度が１８８６°Ｆ以上であり、ＷＣ−Ｃｏをチタン合金にろう付けするのに適用できない。
米国特許第４，０２９，４７９号
米国特許第４，０４０，８２２号
米国特許第４，２５２，５６２号
米国特許第４，４４７，３９１号
米国特許第４，４４８，６０５号
米国特許第４，４８６，３８６号
米国特許第４，６０４，３２８号
米国特許第４，６０４，６３６号
米国特許第４，６０６，９７８号
米国特許第４，６０６，９８２号
米国特許第４，６９０，８７６号
米国特許第４，９０３，８９０号
米国特許第４，９３８，９２２号
米国特許第５，３６８，２２０号
Web page, www.coiningllc.com, by Coining of America, LLC regarding "Typical Alloys Table"（初刊行日付不明）。出願人はこの出版物の地位をこの出願の調査のための限定された目的に対して従来技術として認めるが、そうではない場合は、この出版物の地位について異議を申し立てる権利を留保する。
Web page, www.handyharmancanada.com, regarding "Brazing with Gold Filler Metals,"（初刊行日付不明）。出願人はこの出版物の地位をこの出願の調査のための限定された目的に対して従来技術として認めるが、そうではない場合は、この出版物の地位について異議を申し立てる権利を留保する。
Chuang, T.H.et a1.,"Brazing of Zirconia with AgCuTi and SnAgTi Active Fi11er Metals，"Metallurgical and Materials Transactions, 31A, 6, pp. 1591-1597（6/2000）
Oda, Y.et a1., "Effect of corrosion on the strength of soldered titanium and Ti-6Al-4V al1oy," Dental Materials，pp．167-172（05/1996）
Vianco, P. et a1.,"Aging of Brazed Joints- Interface Reactions in Base Metal/Filler Metal Couples-Part l: Low-Temperature Ag-Cu-Ti Filler Metal," Welding Journal, pp. 201-S-210-S（10/2002）
Vianco, P. et al., "Aging of Braze Joints: Interface Reactions in Base Metal/Filler Metal Couples，Part II: High-Temperature Au-Ni-Ti Braze Al1oy, "Welding Journal, pp. 256-S-264-S (11/2002）
したがって、ろう付け温度が基体チタン合金のβトランザス温度より低く、延性および耐衝撃性を有するろう合金が必要である。詳細には、脆性なろう付け界面を形成せずにＷＣ−Ｃｏ材をチタン合金にろう付けできるろう合金が必要である。
一態様では、金約２０〜約６０重量パーセント、ニッケル約６〜約１６重量パーセント、銅約１６〜約６０重量パーセント、およびチタン約６〜約１６重量パーセントを含むろう材を提供する。
別の態様では、金約２９重量パーセント、ニッケル約８重量パーセント、銅約５５重量パーセント、およびチタン約８重量パーセントを含むろう材を提供する。
別の態様では、金約４９重量パーセント、ニッケル約１４重量パーセント、銅約２５重量パーセント、およびチタン約１１重量パーセントを含むろう材を提供する。
別の態様では、基本的に金、ニッケル、銅、およびチタンで構成され、金、ニッケル、銅、およびチタンが、約９５４℃（１７５０°Ｆ）〜約９８２℃（１８００°Ｆ）のろう付け温度を有し、約４５０〜約６００ＫＨＮのろう付け接合部硬度を有するろう材を提供するのに十分な量で存在するろう材を提供する。
別の態様では、第１の基体を第２の基体にろう付けする方法が提供される。その方法は、第１の基体と第２の基体の間にろう材を配置する段階であって、ろう材が金約２０〜約６０重量パーセント、ニッケル約６〜約１６重量パーセント、銅約１６〜約６０重量パーセント、およびチタン約６〜約１６重量パーセントを含む段階と、ろう材の温度を約９５４℃（１７５０°Ｆ）〜約９８２℃（１８００°Ｆ）に少なくとも約１分間上昇させる段階とを含む。
本発明の他の態様は、以下の詳細な説明および添付の特許請求の範囲から明らかになるであろう。
本発明が対象とするのは、第１の基体を第２の基体に（たとえば、ＷＣ−Ｃｏ材をチタン合金に）概ね９８２℃（１８００°Ｆ）より低いろう付け温度でろう付けし、それにより、βトランザス温度が９８２℃（１８００°Ｆ）以上である基体の機械的特性の毀損を防止する金（２０〜６０重量％）、ニッケル（６〜１６重量％）、銅（１６〜６０重量％）、およびチタン（６〜１６重量％）合金である。詳細には、本発明の合金は、ＷＣ−Ｃｏおよびチタン基体に対する濡れ特性を確保する十分に高いニッケル含有量、耐衝撃性のために延性を確保する十分に高い銅含有量、適切なコストを確保する妥当な低さの金含有量、および脆性のない強度をもたらすに十分なチタン含有量を有する。
一態様では、本発明のろう合金は、金約２０〜約６０重量パーセント、ニッケル約６〜約１６重量パーセント、および銅約１６〜約６０重量パーセント、およびチタン約６〜約１６重量パーセントを含む。
別の態様では、本発明のろう合金は、金約２９重量パーセント、ニッケル約８重量パーセント、および銅約５５重量パーセント、およびチタン約８重量パーセントを含む。
別の態様では、本発明のろう付け合金は、約４９重量％の金、約１４重量％のニッケル、約２５重量％の銅および約１１重量％のチタンを含む。
別の態様では、本発明のろう合金中の金、ニッケル、銅、およびチタンの重量パーセントは、ろう合金の使用意図に基づいて選択することができる。詳細には、重量パーセントの選択は、その結果得られるろう合金が、ろう付け後（すなわち、ポストブレーズ：ｐｏｓｔ−ｂｒａｚｅ）高い耐衝撃性および延性（すなわち、低い硬度）を有し、また、ろう付けされる基体のβトランザス温度以下で溶融し、それにより高いろう付け温度による（たとえば相変態による）基体の機械的特性への悪影響が生じないように行うことができる。
本発明のろう合金は、様々な形態で提供することができる。一態様では、金、ニッケル、銅、およびチタンを含む均質の合成物として提供することができる。別の態様では、ろう合金は、粉末として提供することができる。別の態様では、ろう合金は、層状または積層状の膜または箔として提供することができる。
粉末形態では、ろう合金は金、ニッケル、銅およびチタンの粉末の混合物として、および／または諸金属が適切な量で存在する１つまたは複数の金、ニッケル、銅およびチタンの合金の粉末として提供することができる。一態様では、この粉末は、その粉末が適切な溶融／ろう付け温度に加熱されると初めて、均質な合金が形成されるようにすることもできる。たとえば、本発明によるろう付け合金は、銅粉末、金／ニッケル／銅粉末およびチタン／ニッケル／銅粉末の分散物として提供することができる。
層形態では、金、ニッケル、銅、チタンおよびそれらの合金は、別々の層として提供され、それによって、適切な溶融／ろう付け温度に加熱された後で均質な合金を実現する。たとえば、本発明によるろう合金は、銅層を金／ニッケル／銅箔とチタン／ニッケル／銅箔の間に配置した、積層膜または層状材として提供することができる。
現時点では、金属および合金の様々な組合せおよび層の様々な数が、本発明の範囲に包含されることが、当業者には理解されよう。さらに、本発明による層状材は、平坦（すなわち平面）形状で使用することもでき、ろう付けに先立って巻き上げるまたは折り畳むこともできることは、当業者には理解されよう。
ろう材を、金／ニッケル箔の層とチタン／ニッケル／銅箔の層の間に挟んだ銅箔を使用して準備する。各層の厚さは、その結果得られるであろう層状材がこの層状材の総重量に対して金約２９重量％、ニッケル約８重量％、銅約５５重量％、およびチタン約８重量％を含むように選択される。その結果得られる層状材は、約１７７５°Ｆのろう付け温度を有する。
ろう材を、金／ニッケル箔の層とチタン／ニッケル／銅箔の層の間に挟んだ銅箔を使用して準備する。各層の厚さは、その結果得られるであろう層状材がこの層状材の総重量に対して金約４９重量％、ニッケル約１４重量％、銅約２５重量％、およびチタン約１１重量％を含むように選択される。その結果得られる層状材は、約１７９５°Ｆのろう付け温度を有する。
実施例１の層状材を巻き上げ、ＷＣ−Ｃｏ（２〜１０％コバルト）カーボロイパッドとチタン合金（チタン９０重量％、アルミニウム６重量％、およびバナジウム４重量％）ミッドスパンシュラウドの間に配置し、その一式を誘導過熱により真空下（約１０−４トル）で約１０分間、約１８００°Ｆの温度に上げる。一式が冷却された後、ろう付け接合部を測定すると、約５２０ＫＨＮの硬度を有する。
実施例２の層状材を巻き上げ、ＷＣ−Ｃｏ（２〜１０％コバルト）カーボロイパッドとチタン合金（チタン９０重量％、アルミニウム６重量％、およびバナジウム４重量％）ミッドスパンシュラウドの間に配置し、その一式を誘導過熱により真空下（約１０−４トル）で約１０分間、約１８００°Ｆの温度に上げる。一式が冷却された後、ろう付け接合部を測定すると、約５６０ＫＨＮの硬度を有する。
したがって、本発明の金／ニッケル／銅／チタンろう合金は、様々なＷＣ−Ｃｏ材を様々なチタン合金に接合するのに用いられるとき、チタン／銅／ニッケルろう合金に比較して延性および耐衝撃性を有し、優れた濡れを示す。
本発明の金／ニッケル／銅／チタンろう合金は、本明細書にいくつかの態様について記述されているが、当業者は本明細書を読めば変更形態を考え付くことができるであろう。本発明は、そのようなすべての変更形態を包含するものであり、特許請求の範囲によってのみ限定される。
Claims (10)
- ２０〜６０重量パーセントの金、６〜１６重量パーセントのニッケル、１６〜６０重量パーセントの銅、および６〜１６重量パーセントのチタンを含むろう材。
- 均質な合金の形態である、請求項１記載のろう材。
- 粉末の形態である、請求項１記載のろう材。
- 層状の形態である、請求項１記載のろう材。
- 前記層状の形態が、少なくとも１層の銅と、少なくとも１層の金／ニッケル合金と、および少なくとも１層のチタン／ニッケル／銅合金とを含む、請求項４記載のろう材。
- 前記層状の形態が、少なくとも１層の金／ニッケル合金を含む、請求項４記載のろう材。
- 前記層状の形態が、少なくとも１層のニッケルおよび少なくとも１層のチタン／ニッケル／銅合金を含む、請求項４記載のろう材。
- 前記ろう材が９５４℃（１７５０°Ｆ）〜９８２℃（１８００°Ｆ）のろう付け温度、および４５０〜６００ＫＨＮのろう付け後の硬度を有するように組成が選択されている、請求項１乃至７のいずれか１項記載のろう材。
- ろう付け後の硬度が５２０〜５６０ＫＨＮである、請求項８記載のろう材。
- 本質的に金、ニッケル、銅、およびチタンで構成されるろう材であって、前記金、ニッケル、銅、およびチタンが、９５４℃（１７５０°Ｆ）〜９８２℃（１８００°Ｆ）のろう付け温度、および４５０〜６００ＫＨＮのろう付け後の硬度をろう材にもたらすのに十分な量で存在するろう材。
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