JP3741547B2

JP3741547B2 - チタンアルミナイド製部品の拡散ろう付けによる接合又は肉盛方法

Info

Publication number: JP3741547B2
Application number: JP26344098A
Authority: JP
Inventors: ジヤン−フランソワ・デイデイエ・クレマン; ジヤン−ピエール・フエルト
Original assignee: スネクマ・モトウール
Priority date: 1997-09-18
Filing date: 1998-09-17
Publication date: 2006-02-01
Anticipated expiration: 2018-09-17
Also published as: DE69815011D1; JPH11170036A; EP0904881A1; FR2768357A1; US6223976B1; FR2768357B1; EP0904881B1; DE69815011T2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、チタンアルミナイド（aluminiure de titane）型の金属間化合物からなる部品の拡散ろう付け（brasage-diffusion）による接合（assemblage）方法に関する。本方法は修繕又は部品の肉盛（rechargement）を実施するためにも使用可能である。
【０００２】
【従来の技術】
所定の特定用途、特に航空分野で従来の金属合金及び超合金に勝る利点と有利な性質をもつ種々の金属間化合物からなる材料が開発されている。特にこれらの化合物のうちには、特に本発明が関係するＴｉＡｌ又はＴｉ₃Ａｌ型のチタンアルミナイドが含まれる。これらの材料は一般に鋳造や鍛造により成形される。例えば米国特許第４２９４６１５号はこの種の材料ＴｉＡｌを記載している。これらの材料には、更に所望用途に応じてＮｂ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｔａ等の種々の付加元素を加えることができる。
【０００３】
しかし、成形した部品の接合には現在十分に解決されていない個々の問題がある。実際に、従来の金属合金及び超合金に適用されている公知接合技術はこれらの新規金属間化合物からなる材料には不適当であることがわかっている。特に、溶加材を用いて又は用いずに、エネルギービーム、電子ビームもしくはレーザービーム溶接、又はＴＩＧ電気アークもしくはプラズマを利用する方法などの融解を伴う接合法は、材料の冶金学的構造を大幅に変えるという欠点があり、金属間化合物のように脆い材料で使用する場合には特に問題となる。例えばチタンアルミナイド製部品では、これらの従来方法の実施時に生じる高い熱応力と材料の低延性の結果として亀裂の問題が一般に認められる。他の方法として拡散溶接や摩擦溶接等では固体状態で接合を実施できると予想される。しかし、拡散溶接は完全な幾何学的品質をもつ接合表面と、清浄度及び熱サイクル条件の非常に厳密な制御を必要とする。摩擦溶接は特定の流動学的品質が必要であり、所定数の接合構成には不適当である。
【０００４】
実験室段階の試験によると、拡散ろう付けによるチタンアルミナイド製部品の接合はその実施時に熱応力を生じないため、亀裂の問題がないことが判明した。この場合に使用される溶加材はチタン合金からなる部品の接合時に従来使用されているものであり、例えばＣｕ、ＴｉＣｕ、ＴｉＮｉ又は１５％ＴｉＣｕと１５％Ｎｉの型である。しかし、これらの公知条件下で使用されるこの方法は、結果の許容可能な品質を確保するためには厳しい制約がある。実際に、接合ギャップは０．１〜０．２ｍｍに制限される。多くの場合には接合圧を加える必要がある。更に、有意厚さの表面の肉盛は期待できない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的の１つは、チタンアルミナイド製部品の拡散ろう付けによる接合又は肉盛方法として、公知従来方法の欠点がなく、特に航空分野で必要とされるような十分な品質標準を実現し得る方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
従って、本発明の第一の面において、これらの条件を満たすチタンアルミナイド製部品の拡散ろう付けによる接合方法は、
（ａ）総量の４０〜９０％の重量比率に相当するチタンアルミナイド合金から構成される粉末Ａと、粉末Ａの溶融開始温度よりも著しく低い融点をもち、粉末Ａを化学的に湿潤させることが可能なチタン又は銅をベースとする合金から構成され、総量の１０〜６０％の重量比率に相当する粉末Ｂ（ここで粉末Ａ及びＢの前記比率は方法の実施パラメーター、温度及び粉末の粒度に応じて決定される）の均質混合物を調製する段階と、
（ｂ）前段階（ａ）で得られた粉末混合物にろう付け技術でそれ自体公知の有機結合剤を混合してペーストを調製する段階と、
（ｃ）部品の接合ギャップを覆うようにペーストを堆積する段階と、
（ｄ）前段階（ｃ）で得られたアセンブリを１０００℃〜１３００℃の温度の真空炉で数分間〜６時間加熱する段階を含む。
【０００７】
本発明の第二の面において、チタンアルミナイド製部品の拡散ろう付けによる修繕方法は、上記方法と同一の段階（ａ）、（ｂ）及び（ｄ）を実施し、中間段階（ｃ）において、得られたペーストを修繕しようとする部品の亀裂を覆うように堆積することにより実施される。
【０００８】
本発明の第三の面において、チタンアルミナイド製部品の少なくとも１つの表面の肉盛方法は、上記方法と同一の段階（ａ）、（ｂ）及び（ｄ）を実施し、中間段階（ｃ）において、ペーストを肉盛しようとする表面に堆積することにより実施される。
【０００９】
別法として、自己ろう付け可能な圧縮体（compacts autobrasables）を用いる肉盛法も実施できる。本発明の第四の面において、所与の形状を有するチタンアルミナイド製圧縮体の製造はまず上記段階（ａ）から開始し、次いで粉末混合物を圧縮体最終生成物の形状に相似した形状を有する好ましくは化学的に不活性な鋳型に装入する。次に、粉末Ｂの成分が粉末Ａの成分に完全に拡散しないように時間を数分間に短縮して段階（ｄ）を実施する。圧縮体はろう付け能を維持し、表面の肉盛に使用することができる。
【００１０】
段階（ｄ）が完全に実施された場合、自己ろう付け可能な圧縮体のこの実施態様により製造される圧縮体は稠密なものとなる。
【００１１】
４６〜５０原子％（原子百分率）のＡｌ、２原子％のＣｒ、２原子％のＮｂ及び残余のＴｉからなる組成の粉末Ａと、１５重量％のＣｕ、１５重量％のＮｉ及び残余のＴｉからなる組成の粉末Ｂ又は３０重量％のＴｉ及び残余のＣｕからなる組成の粉末Ｂを使用すると有利である。
【００１２】
または、４６〜５０原子％のＡｌ、２原子％のＭｎ、２原子％のＮｂ及び残余のＴｉからなる組成の粉末Ａと、１５重量％のＣｕ、１５重量％のＮｉ及び残余のＴｉからなる組成の粉末Ｂ又は３０重量％のＴｉ及び残余のＣｕからなる組成の粉末Ｂを使用する。
【００１３】
使用する粉末Ａ及びＢの所定粒度は用途に応じて６３μｍ未満又は１５０μｍ未満である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の他の特徴及び利点は、添付図面を参考に、チタンアルミナイド製部品への本発明による拡散ろう付け方法の数種の適用例に関する以下の説明に明示される。
【００１５】
実施例１
本発明方法のこの第１の適用例は２個のチタンアルミナイド製部品の突合せ接合であり、本実施例では部品の厚さは２〜６ｍｍである。該部品を形成する材料の組成は４８原子％のＡｌ、２原子％のＣｒ、２原子％のＮｂ及び残余のＴｉである。
【００１６】
本方法の第１段階（ａ）では、５０−５０の重量比率で粉末Ａ及びＢの均質混合物を調製する。粉末Ａは接合しようとする部品と同一の組成であり、４８原子％のＡｌ、２原子％のＣｒ、２原子％のＮｂ及び残余のＴｉからなる。粉末Ｂの組成は１５重量％のＣｕ、１５重量％のＮｉ及び残余のＴｉである。粉末Ａ及びＢの粒度は６３μｍ未満である。
【００１７】
次段階（ｂ）ではろう付け技術でそれ自体公知の有機結合剤を粉末に混合してペーストを調製する。次段階（ｃ）では図１に概略的に示すように、突き合わせて配置したチタンアルミナイド製部品１及び２の間の接合ギャップ４を覆うようにペースト３を堆積する。それ自体公知の通り、ペーストの堆積前に抵抗溶接したチタン球を配置して接合しようとする部品１及び２を固定するように相互連結しておく。本実施例ではシリンジを用いてペーストを堆積し、堆積量は接合ギャップの容積の約２〜４倍である。本実施例では接合ギャップは０〜０．５ｍｍである。
【００１８】
次段階（ｄ）では、得られたアセンブリを１２６０℃の真空炉で４時間加熱する。図２に５で示すように、部品１及び２の接合ギャップの完全な充填が得られる。加熱温度は粉末Ｂの融点よりも高く且つ粉末Ａの融点よりも低くなるように決定される。温度を維持する間に、堆積した混合物３は毛管力の作用下で稠密化すると同時に、被接合部品１及び２の表面を湿潤させ、拡散ろう付けにより前記部品との間に満足な冶金的結合が得られる。
【００１９】
図１に示すギャップ４は破損したチタンアルミナイドフェルール（virole）等の部品の任意厚みの亀裂でもよく、本実施例の部品は厚さ２〜６ｍｍであり、４８原子％のＡｌ、２原子％のＣｒ、２原子％のＮｂ及び残余のＴｉからなる組成をもつ。この場合には、上記方法の各段階は拡散ろう付けによるチタンアルミナイド製部品の修繕方法に対応する。
【００２０】
図３及び４に概略的に示すように、２個のチタンアルミナイド製部品６及び７を重ね合わせて接合することもできる。この場合には、本発明方法の上記各段階を同様に実施し、段階（ｃ）でペースト８を２つの部品で形成される接合角に堆積し、上述のように真空炉で加熱後にビード（cordon）９が形成され、部品６及び７間の冶金的結合を確保する。
【００２１】
実施例２
本発明方法の本適用例は、チタンアルミナイド製部品の表面の肉盛である。本実施例では、図５及び６に概略的に示す部品１０は、例えば、４８原子％のＡｌ、２原子％のＣｒ、２原子％のＮｂ及び残余のＴｉからなる組成のタービンエンジン羽根である。
【００２２】
本方法の第１段階（ａ）では、４８原子％のＡｌ、２原子％のＣｒ、２原子％のＮｂ及び残余のＴｉからなる部品１０と同一組成の粉末Ａと、１５重量％のＣｕ、１５重量％のＮｉ及び残余のＴｉからなる組成の粉末Ｂの均質混合物を調製する。粉末の粒度は６３μｍ未満である。混合物は粉末Ａ６０重量％と粉末Ｂ４０重量％の比率で調製する。
【００２３】
次段階（ｂ）ではろう付け技術でそれ自体公知の有機結合剤を粉末に混合してペーストを調製する。
【００２４】
次段階（ｃ）では図５に概略的に示すように、シリンジを用いて羽根１０の肉盛しようとする頂部にペーストを数回堆積し、羽根１０の表面から大きくはみ出た厚さ約３ｍｍの堆積１１を得る。
【００２５】
次段階（ｄ）では、アセンブリを１２６０℃の真空炉で４時間加熱する。図６に概略的に示すように、混合物の完全な稠密化と、部品１０により構成される基板と堆積１２の冶金的結合が得られる。図７は得られた冶金的微細構造を示す。最後に、適当に最終加工すると羽根１０の頂部の仕上げが得られる。
【００２６】
変形例として、段階（ｃ）でプラズマトーチによる溶射（projection au chalumeau a plasma）等の他の手段を使用したり、粉末供給とレーザー等の高エネルギービームを併用して堆積してもよい。
【００２７】
以上のようなチタンアルミナイド製部品の表面肉盛は製造中に新品の部品に実施してもよいし、肉盛表面が羽根の摩耗頂部であり得る図５及び６に関して説明した羽根１０の例のように、中古部品に肉盛を実施してもよい。図８及び９に示す例のように、形状欠陥のある表面の修繕の場合に肉盛を適用することもできる。部品１４にペースト１３を堆積後、１５に修繕が得られ、新たに表面仕上げして完了する。
【００２８】
実施例３
本発明方法の本適用例は、所定形状のチタンアルミナイド製圧縮エレメントの製造に関する。実施例１及び２に記載したように、段階（ａ）では粉末Ａ６０重量％と粉末Ｂ４０重量％の比率で粉末Ａ及びＢの均質混合物を調製する。粉末Ａは１５重量％のＣｕ、１５重量％のＮｉ及び残余のＴｉからなる組成をもつ。粉末Ｂは４８原子％のＡｌ、２原子％のＣｒ、２原子％のＮｂ及び残余のＴｉからなる組成をもつ。粉末Ａ及びＢの粒度は６３μｍ未満である。
【００２９】
次段階（ｂ）では図１０に概略的に示すように、得ようとする圧縮エレメントの外形に約１１０％の相似比で相似形のくぼみ形状をもつアルミナ鋳型１６に前段階（ａ）で得られた粉末混合物１５を装入する。
【００３０】
次段階（ｃ）では、前段階（ｂ）で得られたアセンブリを１２６０℃の真空炉で４時間加熱する。
【００３１】
いずれの場合も鋳型１６の材料はチタンアルミナイド材料に対して化学的に不活性となるように選択される。段階（ｃ）で加熱温度を上げると最大稠密化を得ることができ、この場合には、得られる圧縮エレメント１７は更なる加工を要しないチタンアルミナイド製最終型部品を構成することができる。
【００３２】
他の用途では、段階（ｃ）で加熱温度を完全稠密化温度よりもかなり低くする。この操作により、完全ではないが高度な稠密化と体積の低減が得られ、図１１に示すように、鋳型１６とほぼ相似形状の圧縮エレメント１７が得られる。この場合には、得られる圧縮エレメント１７は完全稠密化温度にしたときにチタンアルミナイド製部品表面に残留ろう付け能を維持する。従って、圧縮エレメント１７は自己ろう付け可能な焼結エレメントとしても使用できる。図１２及び１３は自己ろう付け可能な焼結エレメント１９を用いた部品１８の肉盛の概略例を示す。肉盛しようとする表面に適した寸法の焼結エレメント１９を新品又は中古部品１８の表面に堆積した後、１個以上の抵抗溶接点により焼結エレメント１９を部品１８に結合する。次に、焼結混合物に選択した組成に応じて１０００℃〜１３００℃の完全稠密化温度の真空炉にアセンブリを送り加熱する。この結果、稠密化を完全にすると共に、焼結エレメント２０と部品１８の冶金的結合が得られる。温度維持時間は混合物に選択した組成及び所望の化学的均質化レベルに応じて数分間〜数時間で変化し得る。部品１８の機能に適した最終加工により肉盛を調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明方法の１実施態様に従ってチタンアルミナイド製部品を接合するために配備した「突合せ」接合部の概略斜視図である。
【図２】接合後の図１の接合部を示す概略斜視図である。
【図３】本発明方法の１実施態様に従ってチタンアルミナイド製部品を接合するために配備した「重ね合せ」接合部の概略斜視図である。
【図４】接合後の図３の接合部を示す概略斜視図である。
【図５】本発明方法に従って肉盛した羽根頂部の概略部分断面図である。
【図６】肉盛後の図５の部品を示す概略部分断面図である。
【図７】図５及び６に示した肉盛後に得られる構造の顕微鏡写真である。
【図８】本発明方法による部品の局所きずの修繕を示す概略部分断面図である。
【図９】修繕後の図８の部品を示す概略部分断面図である。
【図１０】本発明によるチタンアルミナイド圧縮エレメントの製造方法を示す概略断面図である。
【図１１】図１０の後段階を示す概略断面図である。
【図１２】本発明による自己ろう付け可能な圧縮エレメントを用いた部品の肉盛方法の１実施例を示す概略断面図である。
【図１３】内盛後の図１２の部品を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１、２、６、７、１０、１４、１８チタンアルミナイド製部品
３、８、１３ペースト
４接合ギャップ
９ビード
１１、１２ペーストの堆積
１５肉盛による修繕
１５粉末混合物
１６アルミナ鋳型
１７圧縮エレメント
１９自己ろう付け可能な焼結エレメント
２０焼結エレメント

Claims

チタンアルミナイド製部品の拡散ろう付けによる接合方法であって、
（ａ）総量の４０〜９０％の重量比率に相当するチタンアルミナイド合金から構成される粉末Ａと、粉末Ａの溶融開始温度よりも低い融点をもち、粉末Ａを化学的に湿潤させることが可能なチタン又は銅をベースとする合金から構成され、総量の１０〜６０％の重量比率に相当する粉末Ｂ（ここで粉末Ａ及びＢの前記比率は方法の実施パラメーター、温度及び粉末の粒度に応じて決定される）の均質混合物を調製する段階と、
（ｂ）前段階（ａ）で得られた粉末混合物に有機結合剤を混合してペーストを調製する段階と、
（ｃ）部品の接合ギャップを覆うようにペーストを堆積する段階と、
（ｄ）前段階（ｃ）で得られたアセンブリを１０００℃〜１３００℃の温度の真空炉で数分間〜６時間加熱する段階を含む前記方法。
チタンアルミナイド製部品の拡散ろう付けによる修繕方法であって、
（ａ）総量の４０〜９０％の重量比率に相当するチタンアルミナイド合金から構成される粉末Ａと、粉末Ａの溶融開始温度よりも低い融点をもち、粉末Ａを化学的に湿潤させることが可能なチタン又は銅をベースとする合金から構成され、総量の１０〜６０％の重量比率に相当する粉末Ｂ（ここで粉末Ａ及びＢの前記比率は方法の実施パラメーター、温度及び粉末の粒度に応じて決定される）の均質混合物を調製する段階と、
（ｂ）前段階（ａ）で得られた粉末混合物に有機結合剤を混合してペーストを調製する段階と、
（ｃ）修繕しようとする部品の亀裂を覆うようにペーストを堆積する段階と、
（ｄ）前段階（ｃ）で得られたアセンブリを１０００℃〜１３００℃の温度の真空炉で数分間〜６時間加熱する段階を含む方法。
チタンアルミナイド製部品の少なくとも１つの表面の肉盛方法であって、
（ａ）総量の４０〜９０％の重量比率に相当するチタンアルミナイド合金から構成される粉末Ａと、粉末Ａの溶融開始温度よりも低い融点をもち、粉末Ａを化学的に湿潤させることが可能なチタン又は銅をベースとする合金から構成され、総量の１０〜６０％の重量比率に相当する粉末Ｂ（ここで粉末Ａ及びＢの前記比率は方法の実施パラメーター、温度及び粉末の粒度に応じて決定される）の均質混合物を調製する段階と、
（ｂ）前段階（ａ）で得られた粉末混合物に有機結合剤を混合してペーストを調製する段階と、
（ｃ）肉盛しようとする部品の表面にペーストを堆積する段階と、
（ｄ）前段階（ｃ）で得られたアセンブリを１０００℃〜１３００℃の温度の真空炉で数分間〜６時間加熱する段階を含む前記方法。
段階（ｃ）でシリンジによりペーストの堆積を実施することを特徴とする、請求項３に記載のチタンアルミナイド製部品の少なくとも１つの表面の肉盛方法。
段階（ｃ）でプラズマトーチ溶射によりペーストの堆積を実施することを特徴とする、請求項３に記載のチタンアルミナイド製部品の少なくとも１つの表面の肉盛方法。
段階（ｃ）でレーザー等の高エネルギービームを介する粉末供給による溶射によりペーストの堆積を実施することを特徴とする、請求項３に記載のチタンアルミナイド製部品の少なくとも１つの表面の肉盛方法。
所定形状のチタンアルミナイド圧縮エレメントの製造方法であって、
（ａ）総量の４０〜９０％の重量比率に相当するチタンアルミナイド合金から構成される粉末Ａと、粉末Ａの溶融開始温度よりも低い融点をもち、粉末Ａを化学的に湿潤させることが可能なチタン又は銅をベースとする合金から構成され、総量の１０〜６０％の重量比率に相当する粉末Ｂ（ここで粉末Ａ及びＢの前記比率は方法の実施パラメーター、温度及び粉末の粒度に応じて決定される）の均質混合物を調製する段階と、
（ｂ）得ようとする圧縮エレメントの最終形状に相似形状の鋳型に前段階（ａ）で得られた粉末混合物を装入する段階と、
（ｃ）前段階（ｂ）で得られたアセンブリを１０００℃〜１３００℃の温度の真空炉で数分間〜１時間加熱する段階を含む前記方法。
請求項７に記載の方法により得られた圧縮エレメントを使用するチタンアルミナイド製部品の少なくとも１つの表面の肉盛方法であって、肉盛しようとする表面に前記圧縮エレメントを任意手段により配置固定し、その後、得られたアセンブリを１０００℃〜１３００℃の温度の真空炉で数分間〜６時間加熱することを特徴とする前記方法。
粉末Ａが４６〜５０原子％のＡｌ、２原子％のＣｒ、２原子％のＮｂ及び残余のＴｉからなる組成をもち、粉末Ｂが１０〜１５重量％のＣｕ、１０〜１５重量％のＮｉ及び残余のＴｉからなる組成をもつことを特徴とする、請求項１に記載のチタンアルミナイド製部品の拡散ろう付けによる接合方法。
粉末Ａが４６〜５０原子％のＡｌ、２原子％のＣｒ、２原子％のＮｂ及び残余のＴｉからなる組成をもち、粉末Ｂが３０重量％Ｔｉ及び残余のＣｕからなる組成をもつことを特徴とする、請求項１に記載のチタンアルミナイド製部品の拡散ろう付けによる接合方法。
粉末Ａ及びＢが６３μｍ未満の粒度をもつことを特徴とする、請求項１、９及び１０のいずれか一項に記載のチタンアルミナイド製部品の拡散ろう付けによる接合方法。
粉末Ａ及びＢが１５０μｍ未満の粒度をもつことを特徴とする、請求項１、９及び１０のいずれか一項に記載のチタンアルミナイド製部品の拡散ろう付けによる接合方法。
粉末Ａが４６〜５０原子％のＡｌ、２原子％のＣｒ、２原子％のＮｂ及び残余のＴｉからなる組成をもち、粉末Ｂが１０〜１５重量％のＣｕ、１０〜１５重量％のＮｉ及び残余のＴｉからなる組成をもつことを特徴とする、請求項２に記載のチタンアルミナイド製部品の拡散ろう付けによる修繕方法。
粉末Ａが４６〜５０原子％のＡｌ、２原子％のＣｒ、２原子％のＮｂ及び残余のＴｉからなる組成をもち、粉末Ｂが３０重量％のＴｉ及び残余のＣｕからなる組成をもつことを特徴とする、請求項２に記載のチタンアルミナイド製部品の拡散ろう付けによる修繕方法。
粉末Ａ及びＢが６３μｍ未満の粒度をもつことを特徴とする、請求項２、１３及び１４のいずれか一項に記載のチタンアルミナイド製部品の拡散ろう付けによる修繕方法。
粉末Ａ及びＢが１５０μｍ未満の粒度をもつことを特徴とする、請求項２、１３及び１４のいずれか一項に記載のチタンアルミナイド製部品の拡散ろう付けによる修繕方法。
粉末Ａが４６〜５０原子％のＡｌ、２原子％のＣｒ、２原子％のＮｂ及び残余のＴｉからなる組成をもち、粉末Ｂが１０〜１５重量％のＣｕ、１０〜１５重量％Ｎｉ及び残余のＴｉからなる組成をもつことを特徴とする、請求項３から６及び８のいずれか一項に記載のチタンアルミナイド製部品の少なくとも１つの表面の肉盛方法。
粉末Ａが４６〜５０原子％のＡｌ、２原子％のＣｒ、２原子％のＮｂ及び残余のＴｉからなる組成をもち、粉末Ｂが３０重量％のＴｉ及び残余のＣｕからなる組成をもつことを特徴とする、請求項３から６及び８のいずれか一項に記載のチタンアルミナイド製部品の少なくとも１つの表面の肉盛方法。
粉末Ａ及びＢが６３μｍ未満の粒度をもつことを特徴とする、請求項３から６、８、１７及び１８のいずれか一項に記載のチタンアルミナイド製部品の少なくとも１つの表面の肉盛方法。
粉末Ａ及びＢが１５０μｍ未満の粒度をもつことを特徴とする、請求項３から６、８、１７及び１８のいずれか一項に記載のチタンアルミナイド製部品の少なくとも１つの表面の肉盛方法。