JP7466414B2 - Method for manufacturing a joint member and a joint member - Google Patents
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Description
本開示は、レーザまたはアークなどを用いて下地上に金属または合金を肉盛りして接合する接合部材の製造方法および接合部材に関する。 This disclosure relates to a manufacturing method for a joining member in which a metal or alloy is deposited on a base material using a laser or an arc, etc., and the joining member.
特許文献１には、チタン（Ｔｉ）を主成分とする合金からなる下地金属層と、下地金属層上に配置されるバリア金属層と、ニッケル（Ｎｉ）を主成分とする合金からなり、バリア金属層上に配置されるはんだ付け金属層と、を有する電子部品の電極の構造が開示されている。バリア金属層は、下地金属層およびはんだ付け金属層の熱膨張率に近い熱膨張率を有し、はんだ付け時に下地金属層およびはんだ付け金属層と反応しないバナジウム（Ｖ）からなる。バリア金属層を設けることによって、下地金属層とはんだ付け金属層との間に脆い金属間化合物相の形成が抑制される。
しかしながら、特許文献１に記載の技術では、半導体チップなどの電子部品における電極を対象とするものであり、バリア金属層はスパッタ法によって形成される。スパッタ法で形成することができる膜厚は、ミクロンオーダである。そのため、特許文献１に記載の技術を外力が加わる部位に適用した場合には、スパッタ法によって形成されるバリア金属層の厚さが薄いため、接合強度の信頼性が低くなるという問題があった。
However, the technology described in
本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、Ｔｉを主成分とする合金からなる部材と、Ｎｉ，ＦｅまたはＣｕを主成分とする合金からなる部材と、を接合する場合において、接合強度の信頼性を従来に比して高めることができる接合部材の製造方法を得ることを目的とする。 The present disclosure has been made in consideration of the above, and aims to provide a method for manufacturing a joining member that can improve the reliability of the joining strength compared to conventional methods when joining a member made of an alloy mainly composed of Ti to a member made of an alloy mainly composed of Ni, Fe, or Cu.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示は、ＴｉまたはＴｉを主成分元素とする合金からなる第１部材と、Ｎｉ，ＦｅまたはＣｕを主成分元素とする合金からなる第２部材と、が中間材を介して接合された接合部材の製造方法である。接合部材の製造方法は、中間材形成工程と、被接合層形成工程と、を含む。中間材形成工程は、第１部材および第２部材のうちの一方を基材として、中間材を構成する主成分元素を含む材料であり、基材上に配置した中間材原料部材を中間材原料部材が配置された下地と共に溶融凝固させた肉盛層を１層以上含む中間材を形成する。被接合層形成工程は、第１部材および第２部材のうちの他方を被接合層として、被接合層を構成する主成分元素を含む材料であり、中間材上に配置した被接合層原料部材を被接合層原料部材が配置された下地と共に溶融凝固させた肉盛層を１層以上含む被接合層を形成する。中間材原料部材は、Ｖ，ＭｏおよびＷの群から選択される１つの元素を含む単体金属または合金である。基材は、ＴｉまたはＴｉ合金からなる第１部材であり、被接合層原料部材は、全合金元素中で４１ｗｔ％以上５４ｗｔ％以下のＮｉと、１７ｗｔ％以上２０ｗｔ％以下のＦｅと、を含むＮｉ合金である場合に、中間材形成工程で、被接合層形成工程で中間材上に被接合層を形成したときの中間材形成工程で形成された中間材の表面に対応する位置におけるＴｉの成分比が、Ｎｉ，ＦｅおよびＴｉの全量に対して合金を形成し、金属間化合物を形成しない範囲である０ｗｔ％よりも多く５．０ｗｔ％以下となる中間材の厚さになった後に、被接合層形成工程が実行される。 In order to solve the above-mentioned problems and achieve the object, the present disclosure provides a method for manufacturing a bonded member in which a first member made of Ti or an alloy containing Ti as a main component element and a second member made of an alloy containing Ni, Fe or Cu as a main component element are bonded via an intermediate material. The method for manufacturing the bonded member includes an intermediate material forming step and a bonded layer forming step. In the intermediate material forming step, an intermediate material is formed using one of the first member and the second member as a base material, and the intermediate material raw material member is a material containing a main component element constituting the intermediate material, and the intermediate material raw material member arranged on the base material is melted and solidified together with the base material on which the intermediate material raw material member is arranged. In the bonded layer forming step, the other of the first member and the second member is formed using a bonded layer, and the intermediate material is a material containing a main component element constituting the bonded layer, and the bonded layer raw material member arranged on the intermediate material is melted and solidified together with the base material on which the bonded layer raw material member is arranged. The intermediate material raw material member is a simple metal or alloy containing one element selected from the group consisting of V, Mo and W. When the substrate is a first member made of Ti or a Ti alloy, and the raw material member for the bonded layer is a Ni alloy containing 41 wt% or more and 54 wt% or less of Ni and 17 wt% or more and 20 wt% or less of Fe among all alloying elements, the bonded layer formation step is performed after the thickness of the intermediate material is reached such that the Ti component ratio at a position corresponding to the surface of the intermediate material formed in the intermediate material formation step when the bonded layer is formed on the intermediate material in the bonded layer formation step is more than 0 wt% and not more than 5.0 wt%, which is the range in which an alloy is formed with respect to the total amount of Ni, Fe and Ti and no intermetallic compound is formed.
本開示によれば、Ｔｉを主成分とする合金からなる部材と、Ｎｉ，ＦｅまたはＣｕを主成分とする合金からなる部材と、を接合する場合において、接合強度の信頼性を従来に比して高めることができるという効果を奏する。 According to the present disclosure, when joining a member made of an alloy mainly composed of Ti to a member made of an alloy mainly composed of Ni, Fe or Cu, it is possible to achieve an effect of improving the reliability of the joining strength compared to the conventional case.
以下に、本開示の実施の形態にかかる接合部材の製造方法および接合部材を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施の形態で用いられる接合部材を含む部分の断面図は模式的なものであり、層の厚みと幅との関係および各層の厚みの比率などは現実のものとは異なる場合がある。 The manufacturing method of the joining member and the joining member according to the embodiment of the present disclosure are described in detail below with reference to the drawings. Note that the cross-sectional views of the parts including the joining member used in the following embodiments are schematic, and the relationship between the thickness and width of the layers and the thickness ratio of each layer may differ from the actual ones.
実施の形態１．
図１は、実施の形態１による接合部材の一例を模式的に示す断面図である。実施の形態１による接合部材１は、ＴｉまたはＴｉを主成分元素とする合金からなる基材１０と、Ｎｉ，ＦｅまたはＣｕを主成分元素とする合金からなる被接合層３０と、基材１０と被接合層３０とを接合する中間材２０と、を備える。中間材２０は、基材１０を構成する主成分元素であるＴｉと、被接合層３０を構成する主成分元素であるＮｉ，ＦｅまたはＣｕと、全率固溶または２相分離する、またはそれに類似する金属または合金によって構成される。一例では、中間材２０は、Ｖ、モリブデン（Ｍｏ）およびタングステン（Ｗ）の群から選択される１つの元素を含む単体金属または合金である。ただし、中間材２０には、基材１０を構成する元素および被接合層３０を構成する元素が含まれており、実際には、中間材２０は、Ｖ，ＭｏおよびＷの群から選択される少なくとも１つの元素と、基材１０を構成する主成分元素と、被接合層３０を構成する主成分元素と、の合金となっている。中間材２０の被接合層３０との界面では、基材１０を構成する主成分元素、すなわちＴｉと、被接合層３０を構成する主成分元素、すなわちＮｉ，ＦｅまたはＣｕの少なくとも１つの元素と、の全量に対するＴｉの成分比が、合金を形成し、金属間化合物を形成しない範囲である。ＴｉまたはＴｉを主成分元素とする合金は、第１部材に対応し、Ｎｉ，ＦｅまたはＣｕを主成分元素とする合金は、第２部材に対応する。
1 is a cross-sectional view showing an example of a joining member according to the first embodiment. The joining
なお、図１では、被接合層３０と中間材２０との間、および中間材２０と基材１０との間に便宜上境界線を描いているが、実際には、被接合層３０と中間材２０との界面を含む領域は、溶融凝固によって形成され、また、中間材２０と基材１０との界面を含む領域も、溶融凝固によって形成されている。そのため、互いの金属成分が溶けて混ざり合っているので、濃度は連続的に変化している。実際には、被接合層３０と中間材２０との間、および中間材２０と基材１０との間の境界線は不明瞭である。また、中間材２０とされる部分の組成は、上記した材料に、基材１０を構成する元素および被接合層３０を構成する元素が含まれている。すなわち、中間材２０は、Ｖ，ＭｏおよびＷの群から選択される１つの元素を含む合金である。
In FIG. 1, for convenience, a boundary line is drawn between the
図２は、実施の形態１による中間材を用いて基材上に被接合層を形成した接合部材の構造の一例を模式的に示す断面図である。図１を別の見方で見ると、接合部材１は、基材１０と、中間材２０と、被接合層３０と、基材１０と中間材２０との間に配置される第２境界層である境界層４０と、中間材２０と被接合層３０との間に配置される第１境界層である境界層５０と、を備える。
Figure 2 is a cross-sectional view showing a schematic example of the structure of a joining member in which a joining layer is formed on a base material using an intermediate material according to
境界層４０は、基材１０と中間材２０との界面に形成される層である。境界層４０は、基材１０を構成する主成分元素であるＴｉと、中間材２０を構成する主成分元素であるＶ，ＭｏおよびＷの群から選択される１つの元素と、の合金によって構成される。
The
境界層５０は、中間材２０と被接合層３０との界面に形成される層であり、基材１０を構成する主成分元素であるＴｉと、中間材２０を構成する主成分元素であるＶ，ＭｏおよびＷの群から選択される１つの元素と、被接合層３０を構成する主成分元素であるＮｉ，ＦｅまたはＣｕと、を含む材料によって構成される。そして、境界層５０では、Ｔｉと、Ｎｉ，ＦｅおよびＣｕの少なくとも１つの元素と、の全量に対するＴｉの成分比が、金属間化合物を形成せず、合金を形成する範囲となっている。このときのＴｉの成分比は、境界層５０に含まれる金属元素であって被接合層３０を構成するＮｉ，ＦｅまたはＣｕと、境界層５０に含まれる金属元素であって基材１０を構成するＴｉと、の全量に対するＴｉの量を示す。
The
中間材２０および被接合層３０は、下地上に中間材２０または被接合層３０の原料部材を配置し、レーザ光またはアークを熱源として原料部材と下地とを溶融凝固させることによって形成される。また、溶融凝固させた層を高さ方向に積層させてもよい。溶融凝固させて層を形成する方法の一例は、肉盛加工である。中間材２０の形成時に、原料部材と下地とを溶融させるため、中間材２０の上部には、基材１０の主成分元素であるＴｉが含まれることになる。
The
つぎに、実施の形態１による接合部材１の製造方法について説明する。以下では、基材１０は、Ｔｉ－６Ａｌ（アルミニウム）－４Ｖ合金であり、中間材２０の原料となる中間材原料部材が、Ｖ金属であり、被接合層３０の原料となる被接合層原料部材が、Ｎｉを主成分元素とする合金である場合を例に挙げて説明する。基材１０においては、全合金元素中のＴｉの成分比は９０ｗｔ％である。被接合層原料部材においては、全合金元素中のＮｉの成分比は４７ｗｔ％であり、Ｆｅの成分比は１８ｗｔ％である。なお、被接合層原料部材におけるその他の元素は、Ｔｉと反応しない元素か、Ｔｉと反応しても少量である元素である。そのため、以下の説明では、被接合層原料部材中のその他の元素については無視可能である。
Next, a manufacturing method of the joining
ここでは、中間材２０と被接合層３０とを肉盛加工によって形成する場合を説明する。図３は、肉盛加工の一例を示す側面図である。肉盛加工は、肉盛加工装置１００によって行われる。肉盛加工装置１００は、基材１０を載置するステージ１０１と、肉盛層１１２の原料となる原料部材１１０を供給する原料部材供給部１０２と、原料部材１１０を溶融するレーザ光Ｌを照射するノズル１０３と、を備える。
Here, a case where the
原料部材供給部１０２は、一例では、ワイヤ状の原料部材１１０をステージ１０１上の予め定められた位置に供給するワイヤノズルである。この例では、中間材２０を形成する場合には、中間材２０を構成する主成分元素を含む材料、すなわち中間材原料部材であるＶからなるワイヤが原料部材１１０として用いられる。また、被接合層３０を形成する場合には、被接合層３０を構成する主成分元素を含む材料、すなわち被接合層原料部材であるＮｉを主成分元素とする合金のワイヤが原料部材１１０として用いられる。
In one example, the raw
ノズル１０３は、レーザ光Ｌを出射するとともに、レーザ光Ｌの照射部位の酸化を抑制するシールドガスＧをレーザ光Ｌの周囲を覆うように噴出させる。シールドガスＧの一例は、不活性ガスであるアルゴンである。
The
ステージ１０１およびノズル１０３の少なくとも一方に移動機構が設けられ、移動機構によってステージ１０１およびノズル１０３は相対的に移動可能である。ステージ１０１およびノズル１０３は、水平面内で相対的に移動可能である。この場合、水平面内に設けられる直交する２つの軸のうち一方の軸に沿ってステージ１０１を移動可能とし、水平面内の他方の軸に沿ってノズル１０３を移動可能とすることができる。なお、ノズル１０３は、軸に沿ったガイドレールに取り付けられる。
At least one of the
肉盛加工では、まず、ステージ１０１上に基材１０が配置され、原料部材供給部１０２から肉盛点にワイヤ状の原料部材１１０が送給される。つまり、下地上に原料部材１１０が供給される。ついで、原料部材１１０が送給された位置の上方にノズル１０３が配置されるように、ステージ１０１およびノズル１０３を相対的に移動させる。その後、ノズル１０３からシールドガスＧが噴射され、シールドガスＧが噴射された環境下でレーザ光Ｌが出射される。レーザ光Ｌは、原料部材１１０に照射される。レーザ光Ｌが熱源となり、ワイヤ状の原料部材１１０が溶融される。このとき、原料部材が配置された下地も同時に溶融される。これによって、下地および原料部材１１０が液相となる溶融部分１１１が形成される。その後、ノズル１０３およびステージ１０１の少なくとも一方を水平面内で移動させる。これによって、レーザ光Ｌの照射領域から外れた溶融部分１１１は凝固して、下地上に肉盛層１１２が形成される。つまり、ワイヤ状の原料部材１１０が下地上に肉盛られる。溶融部分１１１では、下地と原料部材１１０を構成する元素による合金が形成され、原料部材１１０が下地に接合されることになる。以上によって、または以上の処理を繰り返すことによって、下地上に必要な堆積量の材料が肉盛られる。
In the build-up process, first, the
接合部材１の製造方法は、基材１０上に中間材２０を形成する中間材形成工程と、中間材２０上に被接合層３０を形成する被接合層形成工程と、を含む。中間材形成工程では、下地が基材１０となって肉盛層１１２が形成されるが、２層目以降を積層させる場合には、下地は中間材２０を構成する肉盛層１１２となる。つまり、中間材２０は、Ｖに基材１０の主成分元素であるＴｉが含まれる合金からなる肉盛層１１２が高さ方向に複数積層された構造を有する。このように、中間材形成工程では、肉盛層１１２を１層以上含む中間材２０が形成される。各々の肉盛層１１２においては、原料部材１１０と下地との互いの金属成分が溶けて混ざり合い凝固しているので、積層する厚さ方向の位置によって成分比は変化している。そして、中間材２０の形成は、被接合層形成工程で中間材２０上に被接合層３０を形成したときの中間材形成工程で形成された中間材２０の表面に対応する位置におけるＴｉの成分比が、Ｔｉ，ＮｉおよびＦｅの全量に対して合金を形成し、金属間化合物を形成しない範囲となるまで行われる。この例の場合では、被接合層形成工程で中間材２０上に被接合層３０を形成したときの中間材形成工程で形成された中間材２０の表面に対応する位置におけるＴｉの成分比が、Ｔｉ，ＮｉおよびＦｅの全量に対して０ｗｔ％よりも多く５．０ｗｔ％以下となるまで、中間材２０の形成が行われる。なお、中間材形成工程において、１回の肉盛加工によって形成された肉盛層１１２の上面におけるＴｉの成分比が０ｗｔ％よりも多く５．０ｗｔ％以下となる場合に、被接合層形成工程で被接合層３０を形成したときの中間材２０の表面におけるＴｉの成分比が、Ｔｉ，ＮｉおよびＦｅの全量に対して０ｗｔ％よりも多く５．０ｗｔ％以下となる条件が満たされる。また、被接合層３０を形成した後において、被接合層形成工程で被接合層原料部材が配置されたときの中間材２０の表面の位置に対応する位置が、被接合層形成工程で被接合層３０を形成したときの中間材２０の表面であるとされ、中間材２０と被接合層３０との界面であるとされる。
The manufacturing method of the joining
中間材２０の１層目の肉盛層１１２が形成されるとき、下地は、Ｔｉを主成分元素とする合金からなる基材１０となる。この基材１０上に中間材原料部材であるＶからなるワイヤ状の原料部材１１０が供給され、レーザ光Ｌの照射によって原料部材１１０と下地とが溶融され、新たな肉盛層１１２が形成される。この肉盛層１１２は、下地の主成分元素であるＴｉと、原料部材１１０の構成元素であるＶと、によって、形成される合金である。一例では、この部分、すなわち接合部材１の製造方法において、基材１０上に形成される１層目の肉盛層１１２が、図２に示した境界層４０に対応し、境界層４０よりも上に形成される肉盛層１１２が図２に示した中間材２０となる。
When the
被接合層形成工程では、下地が中間材２０となって肉盛層１１２が形成されるが、２層目以降を積層させる場合には、下地は被接合層３０を構成する肉盛層１１２となる。つまり、被接合層３０は、Ｔｉの成分比が０ｗｔ％よりも多く５．０ｗｔ％以下となった中間材２０上に、Ｎｉを主成分元素とする合金からなる肉盛層１１２によって形成される。被接合層３０は、製品によって予め定められる厚さとなるように、肉盛層１１２が積層される。このように、被接合層形成工程では、肉盛層１１２を１層以上含む被接合層３０が形成される。
In the bonded layer formation process, the
被接合層３０の１層目の肉盛層１１２が形成されるとき、下地は、０ｗｔ％よりも多く５．０ｗｔ％以下のＴｉを含むＶ合金からなる中間材２０となる。この中間材２０上に被接合層原料部材であるＮｉを主成分元素とする合金からなるワイヤ状の原料部材１１０が供給され、レーザ光Ｌの照射によって原料部材１１０と下地とが溶融され、新たな肉盛層１１２が形成される。この肉盛層１１２には、下地の中間材２０に含まれるＴｉと、原料部材１１０を構成する元素であって、Ｔｉと反応する元素であるＮｉおよびＦｅと、によって、後述するように合金が形成される。一例では、この部分、すなわち接合部材１の製造方法において、中間材２０上に形成される１層目の肉盛層１１２が、図２に示した境界層５０に対応し、境界層５０よりも上に形成される肉盛層１１２が図２に示した被接合層３０となる。
When the first build-
なお、上記したように、中間材形成工程では、被接合層形成工程で中間材２０上に被接合層３０を形成したときの中間材２０の表面のＴｉの成分比が、Ｎｉ，ＦｅおよびＴｉの全量に対して０ｗｔ％よりも多く５．０ｗｔ％以下となる厚さまで中間材２０を溶融および凝固させながら肉盛る。そして、中間材２０の表面のＴｉの成分比がＮｉ，ＦｅおよびＴｉの全量に対して０ｗｔ％よりも多く５．０ｗｔ％以下となった後に、被接合層形成工程が実施される。中間材２０の肉盛表面のＴｉの成分比がＮｉ，ＦｅおよびＴｉの全量に対して０ｗｔ％よりも多く５．０ｗｔ％以下となる厚さは、予め実験によって求められる。Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖを基材１０とし、Ｖを中間材２０とする場合には、肉盛層１１２の表面のＴｉの成分比がＮｉ，ＦｅおよびＴｉの全量に対して５．０ｗｔ％以下となる肉盛り厚さは１．８ｍｍ以上である。
As described above, in the intermediate material forming process, the
また、Ｔｉの定量手段の一例は、蛍光Ｘ線分析装置または電子顕微鏡に付帯のＸ線分析装置である。これらの装置で基材１０上に中間材２０および被接合層３０を肉盛した結果を分析し、中間材２０の表面におけるＴｉの成分比が５．０ｗｔ％以下となる中間材２０の厚さを求めることができる。また、蛍光Ｘ線分析装置の場合には、大気中での分析が可能であるため、上述の肉盛加工を行う肉盛加工装置１００内に付帯させることが可能である。この場合、肉盛加工と並行して肉盛層１１２の表面の成分比をその場で把握することができるため、予め実験によってＴｉの成分比が０ｗｔ％よりも多く５．０ｗｔ％以下となる中間材２０の厚さを求める手間を省くことができる。
An example of a Ti quantification means is an X-ray fluorescence analyzer or an X-ray analyzer attached to an electron microscope. These devices can analyze the results of depositing the
以上によって、Ｔｉを主成分元素とする合金からなる基材１０上に、Ｎｉを主成分元素とする合金からなる被接合層３０が、Ｖからなる中間材２０を介して強固に接合された接合部材１を得ることができる。
By the above steps, a joining
つぎに、被接合層形成工程で中間材２０上に被接合層３０を形成したときの中間材形成工程で形成された中間材２０の表面に対応する位置におけるＴｉの成分比がＮｉ，ＦｅおよびＴｉの全量に対して０ｗｔ％よりも多く５．０ｗｔ％以下とする理由について説明する。図４は、Ｎｉ，ＦｅおよびＴｉの３元系状態図である。上述の被接合層３０を構成するＮｉを主成分元素とする合金中にＴｉが含有される場合、被接合層３０におけるＮｉおよびＦｅの全量に対するＦｅの成分比は約２８ｗｔ％であるので、Ｔｉ量の変化に伴う組成比は、ライン２００上に位置する。すなわち、上述の被接合層３０の肉盛層１１２中にＴｉが含まれる場合には、肉盛層１１２の組成は、ライン２００に沿って変化する。図４のライン２００上において、Ｔｉの成分比が５．０ｗｔ％を超えた領域は、金属間化合物が形成される領域２２０となる。この場合には、金属間化合物が中間材２０と被接合層３０との間の領域に脆弱層として形成される。金属間化合物が形成されると、金属間化合物が起点となって割れが発生してしまうため、中間材２０が機能しなくなってしまう。すなわち、中間材２０は、被接合層３０を基材１０に接合することができなくなってしまう。
Next, the reason why the Ti component ratio at the position corresponding to the surface of the
一方、Ｔｉの成分比が０ｗｔ％よりも多く５．０ｗｔ％以下の領域は、金属間化合物が形成されずに、ＴｉはＮｉおよびＦｅを含む合金と合金を形成する領域２１０となる。そのため、肉盛層１１２におけるＴｉの成分比が０ｗｔ％よりも多く５．０ｗｔ％以下にある場合には、中間材２０と被接合層３０との間の領域に、金属間化合物を含む脆弱層は形成されない。つまり、Ｔｉを含むが、Ｎｉを主成分元素とする合金と同じ構造を有する境界層５０が形成される。そのため、中間材２０に割れなどの欠陥が含まれないので、基材１０と被接合層３０との間を強固に接合することができる。
On the other hand, in the region where the Ti component ratio is more than 0 wt% and less than 5.0 wt%, no intermetallic compounds are formed, and Ti forms an alloy with an alloy containing Ni and Fe, forming a
図５は、中間材の肉盛層表面のＴｉの成分比が５．０ｗｔ％を超えた場合の中間材の肉盛層表面における走査型電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope：ＳＥＭ）による組成像とＴｉおよびＮｉの特性Ｘ線像とを示す図である。図６は、中間材の肉盛層表面のＴｉの成分比が５．０ｗｔ％以下の場合の中間材の肉盛層表面における走査型電子顕微鏡による組成像とＴｉおよびＮｉの特性Ｘ線像とを示す図である。ここでは、Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ合金からなる基材１０上に、Ｖからなる中間材２０と、４７ｗｔ％のＮｉと１８ｗｔ％のＦｅとを含む合金からなる被接合層３０とを上記の肉盛加工によって形成したものについてＳＥＭによる観察およびＳＥＭに付帯のＸ線分析装置による分析を行った。具体的には、元々の中間材２０の肉盛層１１２の高さよりも５０μｍ程度高い領域、すなわち被接合層３０内における領域について、ＳＥＭによる組成像の観察とＸ線分析装置による元素分布測定とを行った結果である。
Figure 5 shows a composition image by a scanning electron microscope (SEM) and characteristic X-ray images of Ti and Ni on the surface of the buildup layer of the intermediate material when the Ti component ratio of the buildup layer surface of the intermediate material exceeds 5.0 wt%. Figure 6 shows a composition image by a scanning electron microscope and characteristic X-ray images of Ti and Ni on the surface of the buildup layer of the intermediate material when the Ti component ratio of the buildup layer surface of the intermediate material is 5.0 wt% or less. Here, the
図５の組成像３００、Ｔｉの特性Ｘ線像３１０およびＮｉの特性Ｘ線像３２０に示されるように、Ｔｉの成分比が５．０ｗｔ％を超えると、ＴｉおよびＮｉの分布、すなわち濃度が、場所によって異なり、金属間化合物が形成されていることがわかる。実際、図示していないが、この状態であると被接合層３０と中間材２０との間で割れが発生し、接合部材１が得られない。
As shown in the composition image 300, the characteristic X-ray image of Ti 310, and the characteristic X-ray image of Ni 320 in FIG. 5, when the Ti component ratio exceeds 5.0 wt%, the distribution of Ti and Ni, i.e., the concentration, varies depending on the location, and it can be seen that an intermetallic compound is formed. In fact, although not shown, in this state, cracks occur between the bonded
一方、図６の組成像３００Ａ、Ｔｉの特性Ｘ線像３１０ＡおよびＮｉの特性Ｘ線像３２０Ａに示されるように、Ｔｉの成分比が０ｗｔ％よりも多く５．０ｗｔ％以下では、ＴｉおよびＮｉの分布、すなわち濃度は、場所による偏りがなく均一に分布している。すなわち、金属間化合物が形成されずに良好な接合部材１を得ることができることが分かる。
On the other hand, as shown in the composition image 300A, the characteristic X-ray image of Ti 310A, and the characteristic X-ray image of Ni 320A in FIG. 6, when the Ti component ratio is greater than 0 wt% and less than or equal to 5.0 wt%, the distribution, i.e., the concentration, of Ti and Ni is uniform without any bias depending on the location. In other words, it can be seen that a good
以上では、Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ合金と、Ｎｉを主成分元素とする合金、具体的には全合金元素中のＮｉの成分比が４７ｗｔ％であり、Ｆｅの成分比が１８ｗｔ％である合金と、をＶからなる中間材２０を用いて接合する場合を例に挙げた。しかし、状態図を基に中間材２０と被接合層３０との界面でＴｉの拡散により金属間化合物が形成されない成分比となるように、中間材２０の肉盛り厚さを管理することによって、Ｎｉを主成分元素とする合金の他に、ＦｅまたはＣｕを主成分元素とする合金を被接合層３０として中間材２０を用いて基材１０に接合することができる。
In the above, we have given an example of joining a Ti-6Al-4V alloy and an alloy mainly composed of Ni, specifically an alloy in which the Ni content ratio in all alloy elements is 47 wt% and the Fe content ratio is 18 wt%, using an
また、上記の説明では、被接合層３０として、Ｎｉを主成分元素とする合金が、全合金元素中でＮｉが４７ｗｔ％であり、Ｆｅが１８ｗｔ％である合金である場合を例に挙げた。しかし、図４において、Ｔｉ濃度が０ｗｔ％である場合の領域２１０におけるＮｉおよびＦｅの成分比であれば、領域２１０におけるＴｉの濃度範囲において、ＮｉおよびＦｅを含む合金にＴｉが含まれても、Ｔｉは、ＮｉおよびＦｅを含む合金と金属間化合物を形成せずに合金を形成することができる。一例では、全合金元素中でＮｉが４１ｗｔ％以上５４ｗｔ％以下であり、Ｆｅが１７ｗｔ％以上２０ｗｔ％以下である範囲の合金を被接合層原料部材とすれば、中間材２０の上部において同様の成分比、すなわちＮｉ，ＦｅおよびＴｉの全量に対するＴｉの成分比が５．０ｗｔ％以下となるように中間材２０の厚さを調整することで、割れのない中間材２０を得ることができる。
In the above description, the case where the alloy containing Ni as the main component element is an alloy in which Ni is 47 wt% and Fe is 18 wt% of all alloy elements is given as an example. However, in FIG. 4, if the component ratio of Ni and Fe in the
さらに、実施の形態１ではＴｉを主成分元素とする合金を基材１０とし、Ｎｉ，ＦｅおよびＣｕのうちのいずれか１つを主成分元素とする合金を被接合層３０とする場合を示したが、基材１０と被接合層３０とを逆にしてもよい。すなわち、Ｎｉ，ＦｅおよびＣｕのうちのいずれか１つを主成分元素とする合金を基材１０とし、Ｔｉを主成分元素とする合金を被接合層３０としてもよい。これによって、Ｔｉとの間で金属間化合物を形成する基材１０の成分を中間材２０によって希釈させることができ、中間材２０と被接合層３０との間にＴｉと基材１０の成分とによる金属間化合物の形成が抑制される。また、肉盛方法も原料部材１１０と下地とを溶融させながら原料部材１１０を肉盛ることができれば、図３に示した方法に限定されない。さらに、上記した例では、中間材原料部材がＶである場合を例に挙げたが、中間材原料部材が、Ｖ，ＭｏおよびＷからなる群から選択される１つの元素を含む単体金属または合金であってもよい。
Furthermore, in the first embodiment, the alloy containing Ti as the main component element is used as the
また、図３の肉盛加工装置１００において、ノズル１０３およびステージ１０１の少なくとも一方の軸の可動域は、ノズル１０３を保持する図示しないガイドレールの長さまたはステージ１０１の大きさに依存する。そのため、適用する基材１０である部品に合わせてガイドレールを長くしたり、ステージ１０１の大きさを変更したりすれば、容易に大型部品に対応することができる。
In addition, in the
以上のように、実施の形態１では、下地上に原料部材１１０を配置し、レーザ光Ｌまたはアークによる熱源によって原料部材１１０を下地と共に溶融凝固させて、基材１０上に中間材２０および被接合層３０を形成する。基材１０は、ＴｉまたはＴｉを主成分元素とする合金であり、被接合層３０は、Ｎｉ，ＦｅまたはＣｕを主成分元素とする合金であり、中間材２０は、Ｖ，ＭｏおよびＷの群から選択される１つの元素を含む単体金属または合金である。また、被接合層３０を形成したときの中間材２０の表面において、Ｔｉと、Ｎｉ，ＦｅおよびＣｕの少なくとも１つの元素と、の全量に対して金属間化合物を形成しない組成比となるように中間材２０を肉盛るようにした。これによって、中間材２０上に被接合層３０を肉盛加工によって肉盛る場合に、液相状態で接合させるとともに、中間材２０と被接合層３０との間における金属間化合物の析出を抑制することができる。その結果、金属間化合物が起因となる割れ等の欠陥を中間材２０と被接合層３０との界面で生じさせることなく、ＴｉまたはＴｉを主成分元素とする合金からなる第１部材とＮｉ，ＦｅまたはＣｕを主成分元素とする合金からなる第２部材とを強固に接合することができる。つまり、基材１０と被接合層３０との間の接合強度の信頼性を従来に比して高めることができる。
As described above, in the first embodiment, the
以上の実施の形態に示した構成は、一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。 The configurations shown in the above embodiments are merely examples, and may be combined with other known technologies. Parts of the configurations may be omitted or modified without departing from the spirit of the invention.
１ 接合部材、１０ 基材、２０ 中間材、３０ 被接合層、４０，５０ 境界層、１００ 肉盛加工装置、１０１ ステージ、１０２ 原料部材供給部、１０３ ノズル、１１０ 原料部材、１１１ 溶融部分、１１２ 肉盛層。 1 Joining member, 10 Base material, 20 Intermediate material, 30 Joined layer, 40, 50 Boundary layer, 100 Overlay processing device, 101 Stage, 102 Raw material supply unit, 103 Nozzle, 110 Raw material, 111 Melted portion, 112 Overlay layer.
Claims (4)
前記第１部材および前記第２部材のうちの一方を基材として、前記中間材を構成する主成分元素を含む材料であり、前記基材上に配置した中間材原料部材を前記中間材原料部材が配置された下地と共に溶融凝固させた肉盛層を１層以上含む前記中間材を形成する中間材形成工程と、
前記第１部材および前記第２部材のうちの他方を被接合層として、前記被接合層を構成する主成分元素を含む材料であり、前記中間材上に配置した被接合層原料部材を前記被接合層原料部材が配置された下地と共に溶融凝固させた肉盛層を１層以上含む前記被接合層を形成する被接合層形成工程と、
を含み、
前記中間材原料部材は、Ｖ，ＭｏおよびＷの群から選択される１つの元素を含む単体金属または合金であり、
前記基材は、ＴｉまたはＴｉ合金からなる前記第１部材であり、前記被接合層原料部材は、全合金元素中で４１ｗｔ％以上５４ｗｔ％以下のＮｉと、１７ｗｔ％以上２０ｗｔ％以下のＦｅと、を含むＮｉ合金である場合に、前記中間材形成工程で、前記被接合層形成工程で前記中間材上に前記被接合層を形成したときの前記中間材形成工程で形成された前記中間材の表面に対応する位置におけるＴｉの成分比が、Ｎｉ，ＦｅおよびＴｉの全量に対して合金を形成し、金属間化合物を形成しない範囲である０ｗｔ％よりも多く５．０ｗｔ％以下となる前記中間材の厚さになった後に、前記被接合層形成工程が実行されることを特徴とする接合部材の製造方法。 A method for manufacturing a bonded member in which a first member made of Ti or an alloy containing Ti as a main component element and a second member made of an alloy containing Ni, Fe or Cu as a main component element are bonded together via an intermediate material, the method comprising the steps of:
an intermediate material forming process for forming the intermediate material including at least one build-up layer by melting and solidifying an intermediate material raw material member disposed on the base material, the intermediate material being a material containing a main component element constituting the intermediate material, together with a base on which the intermediate material raw material member is disposed, using one of the first member and the second member as a base material;
a bonded layer forming step of forming the bonded layer including at least one build-up layer, the build-up layer being formed by melting and solidifying a bonded layer raw material member disposed on the intermediate material together with a base on which the bonded layer raw material member is disposed, the build-up layer being made of a material containing a main component element constituting the bonded layer, the build-up layer being formed of the material containing a main component element constituting the bonded layer, the build-up layer being formed of a material containing a main component element constituting the bonded layer, the main component element being ...
Including,
The intermediate material raw material member is a metal or alloy containing one element selected from the group consisting of V, Mo, and W;
%と3.0wt％以下。 English: The method for manufacturing a joining member, wherein the base material is the first member made of Ti or a Ti alloy, and the raw material member for the joining layer is a Ni alloy containing 41 wt% or more and 54 wt% or less of Ni and 17 wt% or more and 20 wt% or less of Fe among all alloying elements, and the intermediate material forming step is performed after the intermediate material has a thickness such that when the joining layer is formed on the intermediate material in the joining layer forming step, the Ti component ratio at a position corresponding to the surface of the intermediate material formed in the intermediate material forming step is more than 0 wt% and less than 5.0 wt% , which is a range that forms an alloy with respect to the total amount of Ni, Fe and Ti and does not form an intermetallic compound.
前記被接合層形成工程では、前記被接合層原料部材と前記被接合層原料部材が配置された下地とを、レーザ光またはアークを熱源として溶融させることを特徴とする請求項１に記載の接合部材の製造方法。 In the intermediate material forming step, the intermediate material raw material member and a base on which the intermediate material raw material member is arranged are melted using a laser beam or an arc as a heat source,
2. The method for manufacturing a bonded member according to claim 1, wherein in the bonding layer forming step, the bonding layer raw material member and a base on which the bonding layer raw material member is placed are melted using a laser beam or an arc as a heat source.
Ｎｉ，ＦｅまたはＣｕを主成分元素とする合金からなる第２部材と、
前記第１部材と前記第２部材との間を接合し、Ｖ，ＭｏおよびＷの群から選択される１つの元素を含む材料からなる中間材と、
を備え、
前記第２部材と前記中間材との界面におけるＴｉと、Ｎｉ，ＦｅおよびＣｕの少なくとも１つの元素と、の全量に対するＴｉの成分比が、金属間化合物を形成しない組成比であり、
前記第２部材が、全合金元素中で４１ｗｔ％以上５４ｗｔ％以下のＮｉと、１７ｗｔ％以上２０ｗｔ％以下のＦｅと、を含むＮｉ合金からなる場合に、前記第２部材と前記中間材との界面における前記Ｔｉの成分比が、Ｔｉ，ＮｉおよびＦｅの全量に対して０ｗｔ％よりも多く５．０ｗｔ％以下であることを特徴とする接合部材。 A first member made of Ti or an alloy containing Ti as a main component element;
A second member made of an alloy containing Ni, Fe or Cu as a main component element;
an intermediate material that joins the first member and the second member and is made of a material containing one element selected from the group consisting of V, Mo, and W;
Equipped with
a component ratio of Ti to a total amount of Ti and at least one element of Ni, Fe, and Cu at an interface between the second member and the intermediate material is a composition ratio that does not form an intermetallic compound,
A joining member characterized in that, when the second member is made of a Ni alloy containing 41 wt% or more and 54 wt% or less of Ni and 17 wt% or more and 20 wt% or less of Fe among all alloy elements, the Ti component ratio at the interface between the second member and the intermediate material is more than 0 wt% and 5.0 wt% or less with respect to the total amount of Ti, Ni and Fe.
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