JPS6036356B2 - 拡散接合法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明Ｎｉ基超合金に適用される拡散接合法に関する。

近年、ガスタービン翼は、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することが注目されてい
る。しかし超合金の拡散接合法は超合金母材と同じ性質
を有することが必要条件であり、まだ確立された方法は
ない。一般的には熔融溶接法かあるいはＮｊ基ろうを用
いた高温ろう，付法が適用される。しかし溶融溶接法を
タービン構造体へ応用するには厳しい制限があり、また
多くの素子は複雑な形状のために簡単には溶融溶接法は
適さない。ろう付法は溶融溶接法と比べて多くの利点を
有するが、ろう付部の強度が比較的低く、かつ融点が低
いために応用範囲は極めて限定される。

一方信頼性の高い接合法として原子の移動を接触母材間
に起こさせる拡散接合法が知られている。しかしこの方
法は接合面の面粗さを非常に細かくすること、接合表面
を清浄にすること等のような厳密な仕上げが要求され、
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。このため、
接合すべき母材面に粉末状のインサート材を配置し、イ
ンサート材が母材中に反応し終るまで拡散接合させる方
法（米国特許第３６３２３１ｙ号）、または接合すべき
母材間に箔状のインサート材を配置し、インサート材が
母材中に反応し終るまで拡散接合させる方法（米国特許
第３６７８５７ぴ号によって、接合表面の仕上げを容易
にし、しかも接合強度を向上させることが提案されてい
る。

しかしこれらの方法ではインサート材として箔を用いる
場合、母材とインサート材との間に２つの界面が存在し
、またインサート材として粉末を用いる場合、極めて多
くの界面が存在する。

接合母材表面と反応金属インサート材との界面が多くな
ればなる程、母材表面の前処理の厳密さが要求され、さ
らに拡散処理に長時間を要する。因みに上記米国特許に
示された方法では接合部を母材同等の特性にするには２
独特間程度の拡散処理を行っている。本発明の目的は、
母村と同等の特性を有する接合部を短時間で得ることが
できる超合金の拡散接合法を提供することにある。

本発明は、Ｎｉ基超合金からなる母材の少なくとも一方
の被接合表面に、予め母材中の主構成元素の拡散速度よ
りも大きい拡散速度を有する添加元素であるボロンを含
む低融点合金層を母材表面を熔融することによって形成
した後、母材の被接合面を接触加熱して該添加元素を拡
散し、母材を接合することによって前記目的を達成した
もろである。

以下、本発明を更に詳細に説明する。

本発明において、母材はＮｊ基超耐熱合金が望ましい。

これらの母村に形成される低融点合金層は接合すべき母
材表面の一方、又は両方に形成される。母材の一方の接
合面に低融点金層が形成された場合、拡散処理時の界面
は低融点合金層と接合母村面との１界面である。また母
材の両方の接合面に低融点合金層が形成された場合、拡
散処理時の界面は低融点合金層間の１界面である。上記
低融点合金層は母材より融点が低く、かつ母材中の主構
成元素の拡散速度よりも大きい拡散速度を有する添加元
素を含むことが条件である。このような添加元素として
、Ｎｉ基超耐熱合金を考慮すると、Ｂ・Ｈｆなどを挙げ
ることができる。特に低融点合金層にＢを使用した場合
、母材がＮｉ基超耐熱合金であること、Ｂは母材主構成
元素であるＮｉと反応し、母材のマトリックス中に共晶
点を形成するＮｉ−Ｂの共晶点は１０８０ｏｏであり、
母材の溶融点１２５０００よりも低くなるため、母材の
溶融点より低い温度で拡散が有効に進行することになる
。また低融点合金層中には、Ｂの他に、融点降下を合金
層の表面クリーニングを目的として、Ｓｉ，Ｐ，Ｍｎ，
ＮｂおよびＴａ等を添加することもできる。母材の接合
面にボロンを含む低融点合金層を形成させる方法として
は、添加元素ボロン（母材の主構成元素の拡散速度より
も大きい拡散速度を有する元素）又はボロンを含有する
合金を粉末状、又は箔状とし、これらを母材接合面に溶
融させる方法が挙げられる。

この熔融方法としては、作業性の観点からしーザ照射ま
たはプラズマ照射等が最も実用的である。なお、粉末状
の添加元素を用いる場合、粉末を有機バインダー中に均
一に分散させて母材接合面に塗布した後、溶融する方法
が好適である。有機バインダーは特に制限はないが、１
例としてアクリル樹脂などの樹脂を酢酸エチルおよび／
又はメチルエチルケトンなどの有機溶媒に溶解した液を
用いることができる。低融点合金層の厚さは母材表面の
仕上げ公差に関係し、できるだけ薄い方が有効であるが
実用的には１００山ｍ以下とするのがよい。

低融点合金層が形成された母村は接合面を対面させ、非
酸化性雰囲気で加熱されることによって拡散処理が施さ
れる。

ここで非酸化性雰囲気には、例えば１０‐３ｔｏｒｒ以
下に減圧された電気炉を採用することができる。加熱温
度は低融点合金層の融点以上、母材の融点以下の温度範
囲である。加熱温度が低融点合金層の融点より低いと拡
散が不十分であり、また母村の溶融点よりも高いと母材
が変形するおそれがある。また拡散処理時には、合金層
の密着性を向上させる点から、母材の自重にさらに３．
０ｋ９／ｍ〆以下、好ましくは０．５ｋ９／ｍあの荷重
を付与することが望ましい。本発明において、母材接合
時の界面がひとつであり「かつ拡散時間が短いことから
低い荷重によっても十分な拡散処理を行うことができる
。拡散処理において、加熱温度の上昇とともに最初に低
融点の合金層が溶融し、時間の経過とともに低融点の合
金層と母材との相互拡散が進む。

そしてある時間に達したときに接合前の合金層は存在す
ることなく、母材と同等の金属組織を呈する。このよう
な拡散に要する時間は、インサート材を用いる従来法と
比べて低く、この原因として次のようなことが考えられ
る。

まず従来法として、折出強化元素のＡそ及びＴｉを含有
していない箔を用いた。

母材に例えば、Ｎｉ基超合金を用いた場合、接合強度に
著しく影響を及ぼすのは主にＮｉ中へのＡそ，Ｔｉ及び
Ｂの均質拡散であると考えることができる。ＡそとＴｊ
の拡散係数は拡散加熱温度１１７０００のとき。Ａそが
３．７４×１０‐ｌｏの／Ｓ，Ｔｉが４．２６×１０‐
ｌｏの／Ｓであって両者の値は近似している。Ｂの拡散
係数は拡散加熱温度１１７０００のとき、３．０４ｘｌ
ｏ‐６ｃ海／Ｓである。ここで箔の場合（従釆法）と合
金層の場合（本発明法）の接合部の拡散状態は近似的に
‘１’式と【２１式で表わされている。

なおＡそとＴｉの拡散係数は近似しているのでＡそとＢ
についてそれぞれ拡散状態を示す。Ｃ。

へ ．．．・・…・・・・ｍＣｐ＝
句亨気仙蛇）Ｃｐ＝Ｃ。

（・−麦劣；）……（Ａの………【２〕Ｃｏ：初期濃度 〜：インサート材の膜厚 Ｃｐ：接合部中心の温度 Ｄ：拡散係数 〔但し・Ｄ＝ＤｏｅＸｐ（誌）〕 本発明において、インサート材を使用しないので‘２｝
式において、〜±０であるのに対し、従来法ではインサ
ート材（箔）を用いているのでｈｏ＝数十ムｍとなる。

したがって本発明においては、ＡそまたはＴｉの拡散を
必要とせず、拡散係数の高いＢのみの拡散によって接合
に要する時間が決定される。第１図は‘１｝式及び‘２
｝式を使用して濃度分布と時間との関係を計算した結果
を模式的に示す。

ここで援合母材間の間隙は０．０５〜０．１側、拡散加
熱温度は１１７０ＣＯである。第１図によれば、従来法
においてらの拡散処理時間では、接合部のＢの濃度が高
く、Ａその濃度が低い矩形状の拡散状態を示しているの
に対し、本発明法ではＢの濃度勾配が認められる。拡散
処理時間が１０分経過すると、従釆法ではＢの拡散が速
いためにＢが母材中に拡散していき、Ａ〆が逆に母材中
から中間層に拡散してくるが、本発明法ではＢの拡散の
みで均質化が達成されるため、Ａその拡散を考慮する必
要がない。さらに１時間経過後、従来法では拡散が進行
しているが、Ａその拡散が完全でないので接合部の強度
は母材並みではない。一方本発明法では１時間経過後、
Ｂの拡散が十分に進行し、ほぼ均質化が達成されている
。因みに従来法では母材並みの強度を得るためには２４
時間の拡散処理が必要である。したがって第１図から本
発明法は従来法に比べて著しく短い時間で拡散処理を行
うことができることがわかる。実施例 母材に超耐熱合金であるＩＮ−７３祉Ｃの引張試験片を
用い、接合表面にＢ粉末：アクリル樹脂：メチルエチル
ケトン＝１：１：１の比に混合して分散液を塗布し、そ
の表面にレーザービームを数秒以内で照射した（レーザ
照射条件：装置２ｋｗＣ０２レーザ、出力１．雛ｗ、走
差速度０．５ｈ／ｍｉｎ）。

この照射により主にＮｉ−Ｂの合金層Ｄは第２図Ａに示
すように母村Ａ上に約５０ムｍ形成されていた。合金層
を形成させた引張試験片の合金層面を対面させて電気炉
に設置し、まず５×１０‐５のｒｒに真空引きした。こ
のとき、接合面の密着性を容易にするために試験片に０
．０５ｋ９／柵の荷重を加えた。拡散処理温度は１１７
０００に設定し、１１７０００に到着後その温度を１時
間保持した後冷却した。拡散処理後の接合面付近の金属
組織を第２図Ｂに示す。第２図Ｂによれば、１時間の拡
散処理によって接合面Ｅには合金層は存在せず接合面の
判別が困難であり、このことは均質化が十分に行なわれ
ていることを意味する。また、ボロンを含む低融点合金
層を形成する方法として下記の条件のブラスマ溶射を利
用した場合も前記レーザを利用した場合と同様の結果を
得ることができた。

トーチ：Ｑ＋Ａｈ混合ガス 電流：６００Ａ 電圧：５０Ｖ 溶射距離：７０〜ｌｏｗ畝 基板温度：１００ご○ 次に従来のろう付法の例として、ＢＮｉ−２（ＪＩＳＺ
３６２５）を用いた。

インサート材Ａとして母材であるＩＮ−７３紅Ｃと同等
の成分に３％のＢを添加した組成からなる粉末を用い、
またインサート材Ｂとして母材であるＩＮ−７３紅Ｃと
同等の成分からＡそ及びＴｉを除き、３％のＢを添加し
たを組成からなる箔用いた。そしてそれぞれ２枚の引張
試験片を非酸化性雰囲気下で１１７０００、１時間で熱
処理し、６５０℃における高温引張試験結果を同条件の
熱処理による本発明の結果と比較した。（第３図）第３
図によれば、本発明法は従来法に比べて引張破断強さが
大きく、ほぼ母材並みの強度を有することがわかる。

また本拡散接合法は同種の母材同志の接合に限らず、異
種同志の母材の接合にも適用可能である。以上のような
本発明によれば、拡散接合時に、予め母材に合金層が形
成され、接合面の界面がひとつであるので、短い拡散処
理時間で母材相当の強度を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来例と本発明法における接合面の拡散状態を
模式的に示す図、第２図Ａは実施例における合金層の形
成状態を示す顕微鏡写真、第２図Ｂは実施例におおける
拡散処理後の接合面の金属組織を示す顕微鏡写真、第３
図は従来法と本発明法における接合部の高温引張強度を
示す図である。 Ａ・・・・・・母材、Ｄ・・・・・・合金層、Ｅ・・・
・・・母材の接合面。 第３図 弟′図 弟と図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ Ｎｉ基超合金からなる母材の少なくとも一方の被接
   合表面に、予め母材中の主構成元素の拡散速度よりも大
   きい拡散速度を有する添加元素であるボロンを含む低融
   点合金層を母材表面を溶融することによつて形成した後
   、母材の被接合面を接融加熱して該添加元素を拡散し、
   母材を接合することを特徴とする拡散接合法。 ２ 母材が、Ａｌ，Ｔｉを含有した折出硬化型Ｎｉ超合
   金であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   拡散接合法。