JP3866119B2

JP3866119B2 - 超合金部品の拡散接合方法

Info

Publication number: JP3866119B2
Application number: JP2002056335A
Authority: JP
Inventors: ジェイ．スチュウバーリチャード; エル．ブランチェブレントン
Original assignee: トライアンフグループ、インク
Priority date: 2002-03-01
Filing date: 2002-03-01
Publication date: 2007-01-10
Anticipated expiration: 2022-03-01
Also published as: JP2003251471A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超合金部品の製作および修理に関し、特に、複数の超合金を接触面で接合（ボンディング）する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超合金は高温で高い強度を示すので、ガスタービン高温部部品のような箇所に使用されることが知られている。代表的な超合金としては、ニッケルベースの超合金（例えばＩｎｃｏｎｅｌ６１７およびＲｅｎｅ８０）やコバルトベースの超合金（例えばＸ−４０およびＦＳＸ−４１４）がある。また、鉄ベースの超合金（例えばＶ−５７）も周知である。ガスタービンエンジンに用いられる超合金部品は、互いに組みつけられることで最終のエンジン部品を構成するようなサブコンポーネントとして製造されることが多い。これらの部品は溶接で接合される場合もあるが、多くの場合、接合される接合部分へアクセスがしずらいこと、若しくは、超合金微小構造が溶接の温度に対して非常に敏感である（例えばガンマプライム析出焼入れされた超合金（gamma prime precipitation hardened alloys）等）ことが理由で溶接は実行可能でない。そのため、溶接不能部品に対する高強度接合を得るために、非常に多くの拡散ろう付合金が開発されてきた。
【０００３】
拡散ろう付は、ろう付合金とベース金属間の接合表面全体における原子の固体状態の拡散に依存する。そのため、拡散ろう付合金は、接合される部品のベース金属を補うように調製されている必要がる。拡散ろう付合金は、したがって、通常、ニッケル、鉄または、コバルトベースの合金であり、ベース金属の組成に基づいて、硼素や珪素のような融点降下剤を１以上混合する。ろう付け化合物は、したがって、ベース合金と同様の組成を有し、ベース金属よりも低い融点を有する。ろう付け化合物は、粉状、ペースト状または薄箔状の形で通常供給される。接合部は、まず、ろう付材料を接合部に配置し、そして、接合部を、ろう付合金の融点より高温でしかしベース合金の融解開始点よりも低い温度に加熱することで行われる。この場合、ろう付け材料は、毛細管作用によって接合部に吸い込まれ、冷却されることによって、接合部に亘って強い金属結合を形成する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記のようなろう付けでは以下に説明するような問題点がある。すなわち、接合される部品が微細な構造、例えば溝や通路を有する場合、前記ろう付合金は、それらに流れ込み、部分的にまたは完全に、これらの構造を閉塞する。例えば、最新の高温工業用ガスタービンのトランジション・ダクトの冷却パネルは、横断面に小さな冷却用通路を有する。冷却パネルは、従来、超合金シートに一連の溝をフライス削りし、超合金カバーシートを、フライス削りされた溝を覆うようにろう付けすることで製造される。従来のプロセス制御では、ろう付け合金が前記冷却溝に流れ込むことを防止することに効果がないと証明されており、これにより不合格部品の高発生率に結果として繋がっていた。
【０００５】
ろう付けの他の欠点としては、ろう付け合金は、周囲の基材よりも低い融点を有するため、非常に高温な雰囲気で使用される場合に、ろう付け合金が周囲の部品の融点より低い温度で軟化してしまうことである。したがって、ろう付け合金に関する温度制約は、全アセンブリの動作温度を制限することになる。ろう付け後熱処理をし、ろう付け接合部から周囲のベース金属に融点降下剤を拡散することによって、ろう付け接合部の高温性質をある程度向上させることができる。
【０００６】
この発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、ろう付け合金を用いない超合金成分の拡散接合方法を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、超合金基板の拡散接合方法であって、接合される接合表面に、活性体を直接置いた後に、接合部を加熱および加圧し、超合金の表面を前記活性体の存在下にろう付け合金を使用することなしに拡散接合させるものである。ろう付け合金を排除することによって、非常に強力な高温接合がなされ、かつ、溶けたろう付け合金が毛細管機能によって接合されるジョイントの周囲にある微細な特徴部に吸い込まれることがなく、そして、ジョイントの機械的性質を低減させる残存物が接触面に残ることがない。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の図示可能な実施形態として、本発明を、搬送ダクトに組み込まれるパネルの組立てに適用した例を説明する。この搬送ダクトは、高温の燃焼生成物をコンバスターからガスタービンエンジンの第１段タービンに搬送するために使用されるものである。図１に示すように、パネル１１０は、ニッケルベースの圧延超合金インコネル（Ｉｎｃｏｎｅｌ）６１７（ヘインズステライト（会社名）から入手可能）のシートからなり、このシートは、２つの異なるインコネル６１７シート１１２、１１４の間に挟まれている。中央のシートは、このパネルの略全長に亘って設けられた複数の並行スロットを有する。
【０００９】
シートの表面は、研磨圧延されてなるインコネルの平滑性よりも高い平滑性を有するように表面仕上げされている必要はないが、用途によってはより高い平滑性を有することが好ましい場合もある。一方、表面仕上げが、ヘインズステライト社の圧延研磨仕上げよりも粗いものを接合強度がそれほど重要でない用途に使用してもよい。
【００１０】
拡散接合は、表面の酸化にある程度の耐性を有するろう付け工程と異なり、最善の結果を得るためには表面に酸化物がほとんど無い状態で実行されなければならない。拡散接合工程を抑制する酸化物および他のコンタミナントが表面に無い状態を確保するために、前記シートはまず最初にアセトンまたはアルコールなどの有機溶剤を使用することによって清浄され、有機コンタミナントが取り除かれる。次に、前記シートはハライドイオン洗浄プロセスに送られ、華氏１０００度（５３８℃）以上の高温でガス状ハロゲン化物溶液に晒される。このガス状ハロゲン化物溶液は、好ましくはフッ化水素かなる処理液であり、更に好ましくは１０％フッ化水素が水素と混合されたものである。温度は、超合金の時効温度より高く、溶融開始点より低いことが好ましい。更に好ましくは、この温度は約華氏１９００度（１０３８℃）、±１００度（±３８℃）に維持される。パネルは、高温で２〜５時間、好ましくは約４時間の間、フッ化水素の環境に晒され、その後、フッ化水素チャンバーがフッ化物洗浄プロセスの副生物とともに取り除かれる。このサイクルは、パネルの表面を酸化物から略完全に取り除くために２度繰り返される。
【００１１】
前記フッ化洗浄されたパネルには、ついで、蒸留水にボラン−ジメチルアミン（C₂H₁₀NB）を溶解してなる処理液から成る活性化物質がスプレーされる。１の実施例によれば、３グラムのボラン−ジメチルアミン（カリフォルニア州ガーデニアおよびニュージャージー州ニューブランズウィックのスペクトラム・クオリティー・プロダクト社から入手）が、各水１リットルに対して溶解されたものを用いる。硼素は、超合金用の融点降下剤として知られている。本発明の発明者らによれば、超合金基板が高温に晒された際、ボラン−ジメチルアミンに含まれる硼素は、溶解がほとんど観測されない状態で、基板の表面活動を増加させる活性体の働きをすると確信される。したがって、硼素、珪素、または他の融点降下剤（鉄、ニッケル、コバルト（典型的な超合金の主金属およびろう付け合金の主要成分）が事実上無いもの）の薄フィルムを適用する方法であれば、本発明の範囲内であるとみなされる。本願明細書において、鉄、ニッケルまたはコバルトが「事実上無い」とは、鉄、ニッケルまたはコバルトが、接合される接合表面のギャップに入り込んでフィラーとして活動するのに十分な量が存在しないことを意味する。すなわち、フィラーが全く使用されることなく基材自体で接合部が形成される。
【００１２】
有機アミンに加えて、他の有機性キャリヤー（少量なら有害な効果なしに超合金基板に拡散可能な炭素、および以下に記載する熱間等静圧プレス成形工程（hot isostatic pressing step）で容易に除去される水素を含む）も基板の表面に硼素を沈積するための供給メカニズムに適している。ただし、有機性キャリヤーは、酸素が略無いものでなければならない。もし、酸素の量が多すぎると、超合金の酸化物を生成させ、拡散接合工程を抑制することになる。また、硼素の方が好ましいが、珪素のような他の融点降下剤も表面活性体として使用できる。ただし、珪素は、超合金表面の機械的性質に悪影響を及ぼすことは公知であるので、硼素が好まれる。
【００１３】
この実施形態では、通常の手動スプレーボトルを使って、パネル表面が完全に湿るまでボラン−ジメチルアミンの水溶液がパネル表面上にスプレーされる。パネルは、そのまま空気乾燥させた後、再度ボラン−ジメチルアミン水溶液がスプレーされる。乾燥すると、薄い、いくぶん不規則なボラン−ジメチルアミンの残留物（数ミクロンから約２０から５０ミクロンの間、ただし０．００１インチ（０．００２５４ｃｍ）未満）がパネル表面に残存し、拡散接合活性体として作用する。スプレーは活性体水溶液の無駄を最小化するので好まれるが、パネルをボラン−ジメチルアミン水溶液のタンクに浸漬する方法や静電噴霧法のような別のボラン−ジメチルアミン塗布方法も本発明の技術範囲に含まれると考えられる。
【００１４】
この実施形態において、パネルを歪ませずに、接合される全表面に均等の荷重が印圧されるように、拡散接合工程は、熱間等静圧プレスで実行される。このため、熱間等静圧プレス成形工程の前に、アセンブリを形成する３つのパネルの周囲は、密閉チャンバーを形成するように周辺部１２０に沿って一体的に溶接される。拡散接合工程を抑制する酸素がパネルアセンブリの中に殆どまったく閉じ込められないようにするために、前記パネルは不活性の環境（例えばアルゴン）または真空環境内で溶接される。周縁部の溶接は、タングステン不活性ガス（ＴＩＧ）、電子ビーム溶接または高温超合金に使用される他の従来の溶接技術など、任意の従来溶接方法によって実行できる。加工後の最終形態において、パネルのミクロ構造が溶接工程によって影響されないように、十分なマージン１３０が各パネルの周縁部１２０に設けられる。
【００１５】
溶接されたパネルアセンブリは、約華氏２０４０度（１１１６℃）、±華氏２５度（１４℃）の温度で約１０００〜１０５０ＰＳＩ（６８９４７５７〜７２３９４９５Ｐａ）の圧力で３０〜３５分の間、熱間等静圧プレス内で、拡散接合が行われる。ついで、前記パネルは冷却される。熱間等静圧プレスは、（ろう付合金をフィラーとして使う必要なしに）接合部分を接合するための十分な圧力を提供すると同時に高温を維持し、これにより表面活動が向上され、基材の分子は活性化物質の存在下で相互拡散する。例示の実施例では、華氏２０４０度（１１１５．５５５５６℃）で拡散接合されるが、この温度は、分子拡散が起こる温度（活性化温度）以上かつ超合金の融解開始点までの間で、部品が高温による圧力によって変形されず、且つ超合金の機械的特性が劣化しない限り（界面の完全な結晶形成または未形成）において許容され変更可能である。好ましくは、超合金の過時効を避けるために、超合金基板の時効温度より高い温度で拡散接合プロセスを実行するべきである。更に好ましくは、約華氏１７５０度から２２００度（９５４℃〜１２０４℃）の間でプロセスが実行されると良い。
【００１６】
更に、場合によっては、接合される部品の表面積および接合温度に応じて、約１０００ＰＳＩ（６８９４７５７Ｐａ）より高い、またはそれ未満の圧力が適切である。例えば、部品の接合面が十分に滑らかで、そして、結合される部分への圧力が部品の重量によって提供できるほど部品が巨大である場合は、外圧を加えずに不活性環境で接合部分を加温するだけで十分に拡散接合工程を実行することが可能である。したがって、不活性環境で高温が維持されると同時に接合部が加圧されるいかなる方法も本発明の技術的範囲に含まれる。
【００１７】
この実施例において、拡散接合パネルは、熱間等静圧プレスから取りはずされて、周辺溶接部およびそれに隣接するマージン１２０をワイヤカット放電加工法または従来の機械加工プロセスによって削除して、適切な最終寸法に仕上げられる。加工プロセスの間、一旦パネルにハライドイオン洗浄が施された後は、周辺の溶接が完了するまで、無粉のラテックス・グローブを使って取り扱われ、汚染を防ぐためにプラスチック袋に密封される。
【００１８】
特定の実施例および手順が本願明細書において述べられたが、本発明の要旨および範囲から逸脱することなしに、前述開示された内容から前記実施例および方法の変形および変更が可能であることは当該技術分野に属する通常の技術者／当業者にとって明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の特徴に基づいて製造されたトランジション・ダクトの展開斜視図である。
【符号の説明】
１１０…パネル
１１２…シート
１１４…シート
１２０…周辺部
１３０…縁

Claims

超合金からなる第１の部品を超合金からなる第２の部品に接合する方法であって、
実質的に酸化物および他のコンタミナントが表面に無い状態を確保するために、前記第１の部品の表面を洗浄する工程と、
実質的に酸化物および他のコンタミナントが表面に無い状態を確保するために、前記第２の部品の表面を洗浄する工程と、
前記第１の部品の前記洗浄された表面に活性化物質を適用する工程であって、前記活性化物質は有機性キャリヤー溶液を含み、前記有機性キャリヤーは融点降下剤、炭素、および水素を含み、ニッケル、コバルト、鉄、及び酸素を殆ど含まないものである、前記供給する工程と、
前記第１の部品の前記活性化物質を乾燥させる工程と、
前記第１の部品の前記活性化体を含む表面と前記第２の部品の前記洗浄された表面とを、前記第 1 の部品と前記第２の部品の間に接触面を形成するように配置させる工程と、
超合金物質が溶融しないで前記接触面にわたって前記超合金物質の相互拡散を引き起こすのに効果的な高圧および高温の状態で前記第１および第２の部品を加熱する工程と
を有することを特徴とする超合金接合方法。
請求項１記載の方法は、前記第２の部品の前記洗浄された表面に前記活性化物質を適用する工程と、前記第１および第２の部品を接触させる前に前記第２の部品の前記活性化物質を乾燥させる工程とを更に有することを特徴とする方法。
請求項１又は請求項２記載の方法において、前記加熱する工程は、前記超合金物質の時効温度より高く、前記超合金物質の溶融開始点の温度より低い温度で実行されることを特徴とする方法。
請求項１〜３記載のいずれかの方法において、前記加熱する工程は、前記第１の部品と第２の部品を熱間等静圧プレス成形工程を有することを特徴とする方法。
請求項１〜４記載のいずれかの方法において、前記活性化物質は、有機性キャリヤー水溶液であることを特徴とする方法。
請求項１〜５記載のいずれかの方法において、前記活性化物質は、硼素又は珪素を含む有機化合物の水溶液であることを特徴とする方法。
請求項１〜６記載のいずれかの方法において、前記活性化物質は、硼素を含むアミン化合物の水溶液であることを特徴とする方法。
請求項１〜７記載のいずれかの方法において、前記表面を洗浄する工程はそれぞれ、前記超合金物質の時効温度より高く、前記超合金物質の融解開始点の温度より低い温度で部品の表面をガス状ハロゲン化物質に晒す工程を有することを特徴とする方法。
請求項８記載の方法において、前記表面を洗浄する工程は、前記部品を前記ガス状ハロゲン化物質に晒す前に有機溶剤を前記部品の前記表面に適用する工程を有するものであることを特徴とする方法。
請求項４〜９記載のいずれかの方法において、熱間等静圧プレスする工程は、華氏１７５０〜２２００度（９５４℃〜１２０４℃）で、１０００〜１０５０ｐｓｉ ( ６．８９５〜７．２３９Ｍｐａ ) で３０〜３５分間実行されることを特徴とする方法。