JPS6242706B2

JPS6242706B2 -

Info

Publication number: JPS6242706B2
Application number: JP3162278A
Authority: JP
Inventors: Toshitsugu Ooi; Tooru Degawa; Toshimitsu Kaneda
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Priority date: 1978-03-17
Filing date: 1978-03-17
Publication date: 1987-09-09
Also published as: JPS54123548A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明はろう材を用いる耐熱超合金の接合法に
関するものである。

［従来の技術］一般に鉄基、Ni基又はCo基等の耐熱超合金は
高い高温強度を得るために、その成分中に酸化し
易い強化元素を含んでいる。例えばNi基強析出
型合金はγ′相（金属間化合物Ni₃（Al、Ti）を
主成分としている）の析出硬化によつて高い高温
強度を得ており、そのため接合性は極めて悪い。

接合法として一般的なものに溶融溶接法がある
が、溶接作業あるいはそれに続く熱処理の過程で
割れが生じ易く健全な溶接を行うには種々の困難
を伴う。また構造上溶融溶接が実施できない場合
も多い。

溶融溶接以外の接合法として従来から真空ろう
接や、拡散接合などが採用されている。真空ろう
接の場合、一般的な方法として、JISやASTMな
どに規定されているNiろう、Pdろう材を用いる
ろう接法があり、溶融溶接に比し簡便である等多
くの利点があるため一部に使用されている。しか
し高温強度が低いという根本的な欠点があり、使
用範囲はかなり制限される。一方、高温強度に優
れた接合法として、例えば拡散接合法がある。こ
れには母材同志を直接加圧、、加熱することによ
つて、固相状態で接合する方法及び、母材間隙に
挿入した薄い金属箔を母材中に拡散させ、組織を
均一化する方法（TLP法）などがあるが、健全
な接合を行うためには、いずれの方法も接合すべ
き母材界面が十分に清浄であること、及び厳密な
仕上げ精度を有していることが不可欠であり、さ
らに、接合部の拡散処理に長時間を必要とする。

優れた高温強度を得る他の方法として、ろう材
自体の高温強度を改善する方法がある。これは
Ti、Al等の時効硬化性元素を含有させたろう材
を使用する方法であり、母材強度に近い優れた高
温特性が得られるとされている。しかしその反面
ろう接過程でろう材が著しく酸化され易く、その
ため酸化され易いTi、Al等の元素を含まないろ
う材を用いた場合に比して接合作業も困難とな
る。

［発明が解決しようとする問題点］以上述べてきたように優れた高温強度が得られ
る接合法としていくつかの方法が考案されている
が、いずれも極めて高度の接合技術を必要とす
る。また、接合過程での母材界面や、ろう材の酸
化が十分に防止できなかつた場合には、健全な接
合部が得られず、強度も当然低下する。そのた
め、信頼性に優れた接合部を得ることは容易では
ない。

［問題点を解決するための手段］本発明は、Ni基耐熱超合金の母材同志を接合
するに際し、初期間隙を0.1mm〜0.9mmとし、３〜
９％のＢを含むNi基のろう材を母材の間に介在
させ、溶融ろう材と接触して母材表面が溶融する
温度以上に加熱し、該ろう材を溶融させると共に
母材の接合予定面を0.015mm以上溶食させ、これ
によつて母材とろう材が融合されてなり、母材中
に含有されていた強化元素が配分された接合部を
降温後も該接合部が残留されるように両母材間に
形成し、この接合部を介して前記両母材の接合を
なすようにしたことを特徴とする。

また、本発明は、さらに必要に応じて強化熱処
理する。

［作用］本発明においては、Ni基の耐熱超合金（母
材）の間にＢを含むNi基のろう材を介在させて
両母材の接合を行うが、加熱により該ろう材は溶
融し、母材の接合界面をも溶け込ます。この溶け
込みに伴いろう材の融液組成は、耐熱超合金組成
側に接近する。このように、本発明においては、
次の〜ろう材の溶融、母材界面の所定深さ以上の溶け込み及び溶け
込み成分の液相拡散、融液組成の母材組成への急速なシフト、融液の固相化、なる一連の反応工程を経て、母材中に含有されていた強化元素が配分され
てなる接合部を介した母材同志の接合の完成、がなされる。上記接合部は、接合完了（降温）後
も母材間に残留する。この接合部は、強化熱処理
を施しても消失しない。

上記のように、本発明においては、特定のろう
材を用いて基本的には液相拡散により新しい接合
部（接合層）を母材間に創出、残留させるもので
ある。そして、そのため、 (イ) この接合部は、母材から配分された強化元素
を含むものであり、従来のろう接層と異なり、
高温強度が高い。

(ロ) 母材表面が溶融されるから、母材表面に酸化
被膜が存在していてもこれを溶融除去するよう
になる。

(ハ) 従つて、TLP法の如く接合すべき母材界面
を清浄化しておくことや表面を高い仕上げ精度
としておくことが不要である。また、接合部
（母材間層）自体が高強度であるから、TLP法
の如く母材間層を消失させるための長時間の拡
散処理（固相拡散処理）を施すことが不要であ
る。

(ニ) ろう材自体、Ti、Al等の易酸化性元素を含
有せず、ろう接過程での処理が極めて平易であ
る。

等の作用効果が奏される。

［手段の補足説明］本発明によつて接合される耐熱超合金は公知の
Ni基のものである。このNi基の耐熱超合金に含
まれる強化元素としてはAl、Ti、Mo、Ｗ、Nb、
Ta等が挙げられる。

即ち、耐熱超合金の強化メカニズムとしては、
大別すると次の２種類が挙げられる。

１つは析出硬化メカニズムによるものである。
これは材料の中に、Ni₃AlやNi₃Ti等の金属間化合
物をつくり、高温での強化を行うものであり、強
化元素としては、Al及びTiが該当する。他の強
化機構は、固溶強化メカニズムによるものであ
る。これはマトリツクス中に元素が固溶すること
でマトリツクス全体を強化するものであり、強化
元素としては、Mo、Ｗ、Nb、Ta等が該当する。

本発明において用いるろう材は接合すべき母材
と同じ基の合金であるべきであり、また拡散定数
が極めて大きい侵入型元素であるＢを主な融点降
下元素として含有していることが必要であるが、
その他ＣやＰあるいはSi、Mn等の置換型の融点
降下元素を付加的に含有していても差支えない。
このような条件を満たしさえすればどのようなろ
う材でも良く他の合金成分には制約がない。その
ため公知のろう材の中のある種のものは、本発明
にそのまま用いることができる。例えばNi基耐
熱超合金部材の接合においては、JISに規定され
ているろう材BNi−２、BNi−７等が使用可能で
ある。これらのろう材は上述したようにTi、Al
等の酸化し易い強化元素を含有していないので取
扱いは容易である。

なお、本発明においては、母材の溶かし込み量
を適正とするために、ろう材のＢ含有率は３〜９
％（重量）とする。

母材の接合すべき全界面を確実にかつ一様に溶
融するためには、母材界面層の溶け込み深さは少
なくとも0.015mm以上とする。母材界面は結晶粒
界などに沿つて選択的に溶融する傾向を有してい
るため、溶け込み深さが0.015mmより少なければ
未溶融部分が残存する恐れのあることが実験的な
検討の結果明らかとなつた。母材の溶け込み深さ
は接合すべき２個の母材の初期間隙、ろう材中の
Ｂ元素含有量、加熱温度及び加熱時間によつて支
配される。即ち初期間隙が増せば溶け込み深さも
増加する。0.015mm以上の溶け込み深さを確保す
るためには母材とろう材の組合わせの調整に加え
て、初期間隙を適当に、即ち、従来の接合法に比
べて大きな初期間隙となるように調整することが
大切である。

これは、母材の接合界面を十分に深く溶かすた
めには、それだけ多くのろう材を必要とするから
である。一般の真空ろう接では0.1mm以下の狭い
間隙が必要とされているが、本発明の接合法で
は、0.1mm以上の初期間隙が必要であり、初期間
隙を0.9mmに広げた場合でも良好な剪断強度が得
られる。

ろう材中のＢ含有量は前記の通り３〜９％が適
正である。また、接合温度は1100℃以上が好適で
あり、その温度での保持時間は数分前後程度で十
分である。なお、本発明では母材の界面層を均一
に溶解することが不可欠であるので、母材に損傷
を与えない範囲でできる限り高い温度域で接合さ
せることが望ましい。例えば、後掲の実施例に採
用されているBNi−２のろう接温度は1010〜1175
℃とされているが、実施例１の場合はその上限に
近い1150℃（５分間保持）にて接合を行つてい
る。

なお、前述したように、本発明の接合法は初期
間隙が広い場合（0.9mm以下）にも良好な接合性
が得られ、従つて高度な仕上げ精度を要しないと
いう大きな特徴を有している。そのため単に向い
合つた二平面の接合以外に、曲面部分の接合や、
嵌合部材の接合なども容易に実施することができ
る。第４図はそのような接合部の１例を示したも
のであり、これはターボ機械用の２重構造をもつ
羽根である。第４図においては１は羽根本体、２
は中子であり、接合すべき部分３は押しつぶされ
た円筒状をしている。

接合法は次の通りである。Ni基超合金IN738で
できた羽根本体とハロステロイＸでできた中子の
接合部間隙は、ほぼ0.3mmあり、この間隙にJIS
BNi−２をろう材として入れ、接合条件、1150℃
で５分間保持した。一度冷却後、さらに強化を行
うために1130℃で２時間強化熱処理を行つてあ
る。この中子は、前面に微細な冷却孔があいてお
り、羽根下部から流入する冷却空気を用すための
通路となつている。この中子の存在により、羽根
内部の冷却は効率的に行われ、羽根全体の温度上
昇がさけられ、羽根としての性能を保つことがで
きる。

本実施例で示したタービンブレード等の高温、
回転機器については、接合部の信頼性は非常に大
切である。即ち、タービン１台には、ブレードが
数100枚あり、この内の１枚が接合不良であつて
ものタービンは破壊する。このため、接合部の信
頼性はきわめて重要である。因みに、従来の接合
法によつた場合には、極めて高度な表面清浄化処
理を施さない限り、母材の接合界面には酸化被膜
層が厚く残留し、この部分が未着部となつて接合
部の破壊、強度低下の原因となる。この未着部層
は強度上のバラツキの主原因となり、信頼性が低
下する。

これに対し、本発明方法を採用した場合には、
母材界面部を溶融してしまうので、酸化被膜は存
在しなくなり、接合強度及び接合信頼性が大幅に
向上される。

本発明において、析出硬化型の母材を接合した
場合には母材の強化熱処理に準じた熱処理を必要
に応じ施すことによつて、高温強度をさらに改善
することが可能である。強化熱処理を施すと元素
成分の内、ろう材中に予め多く含まれており、母
材を溶融させるのを目的としていたＢ成分の母材
への拡散が促進される。このため、接合部の融点
の上昇に伴う強化が生じるわけであるが、接合金
属部自体はＢ以外の拡散速度が非常に遅いため、
この強化熱処理によつては消滅しない。また接合
後に母材の熱処理条件に準じた溶体化処理、並び
に時効処理を行うことによつて剪断強度は著しく
改善される。

［実施例］以下実施例を示し、本発明についてさらに詳細
に説明する。

JIS BNi−２をろう材として使用しNi基、超合
金IN738試験片を接合した。第１図に接合界面初
期間隙と母材界面層の溶け込み深さとの関係を調
べた結果を示す。なお、接合条件としては
10^-4torrの真空中で1150℃に５分間保持した。ま
た、昇温速度は300℃／分であり、降温速度も同
様である。

第１図から、初期間隙を0.1mm以上にすれば、
母材の溶け込み深さは0.015mm以上あり良好な接
合界面が得られることが認められる。

実施例２ IN738試験片とハステロイＸ試験片とを実施例
１と同じ接合条件下で接合した。この場合の常温
剪断強度の測定結果を第２図に示す（第２図の白
丸）。

図示の如く、初期間隙が0.1mm以上になると、
常温剪断強度が著しく増大し、特に0.2〜0.4mmの
初期間隙では著しく高強度になることが認められ
た。（これは、前述の通り、母材溶け込み深さが
十分に大きくなつたためである。）実施例３実施例２において、接合終了後に、母材の熱処
理条件と同様の1130℃2hrの溶体化熱処理並びに
843℃、24hrの時効熱処理を施した。結果を第２
図に黒丸にて示す。

この結果、実施例２よりもさらに高い常温剪断
強度が発現されることが認められた。また、初期
間隙が0.1mm以上になると常温剪断強度が増大
し、とりわけ0.2〜0.4mmの初期間隙では極めて高
強度であることも、実施例２と同様に認められ
た。

なお、実施例２、３ともに、初期間隙が0.3mm
前後のときに、最も高強度であつた。

また、実施例２、３において、初期間隙を0.3
mm一定とした場合について、高温剪断強度を測定
した。その結果を第３図に示す。第３図より試験
温度の上昇につれて剪断強度は次第に低下する
が、溶体化処理並びに時効処理を施した試験片は
800℃においてなお30Kg／mm²以上の高い値が得ら
れることが認められる。また、第３図には、比較
材として母材の一方であるハステロイＸの高温強
度を示したが、本発明のものはいずれもハステロ
イＸよりも高強度であることが認められる。因み
に従来このようなろう材を用いた耐熱ろう接にお
いて上記の様な高い接合強度が得られた例は見当
らない。

実施例４ろう材として、Ｂ含有率が3.0％、4.4％、8.7％
である、Ni−６％Cr−６％Si−Ｂ系合金を用
い、接合温度を1110〜1250℃の間で変えて、初期
間隙0.1mmにて母材（IN 738合金）の接合を行
い、母材の溶け込み深さを測定した（他の条件は
実施例１と同様であり、接合温度までは300℃／
分で昇温させ、各々の接合温度に５分間保持し、
その後300℃／分で降温させた。）。結果を第５図
に示す。

前述したように本発明では母材の界面層である
限度以上溶解することが不可欠であるのでこの量
をコントロールすることが必要であるが、第５図
より、ろう材としてＢ含有率の異なるものを用い
たり、接合温度を変えることにより、母材の溶け
込み深さの調節を容易に行えることが認められ
る。

さらに、第５図よりＢ含有率が少ない程、母材
の溶け込み深さが小さくなり、Ｂ含有率が３％よ
りも少ない場合には、1100℃以上の温度では十分
な接合がなし得ず、高温接合せざるを得なくなる
ことも認められる。

［効果］従来母材界面層の局部的な溶融は溶食と呼ばれ
一種のろう接欠陥とみなされていたが、本発明で
は界面層を均一にかつある限度以上溶融すること
によつて次のような４つの顕著な効果を得てい
る。

第１の効果は、母材表面に存在する酸化皮膜や
不純物が除去され、母材とろう材の濡れ性が著し
く改善されるため、信頼性の高い接合部が得られ
ることである。第２の効果は溶融した母材表面層
とろう材が融合することによつて母材中に含有さ
れていた強化元素が接合部にも配分され、その結
果、接合部が著しく強化されることである。さら
に第３の効果として、母材表面層との融合に伴う
接合部の融点上昇による高温強度の改善等も期待
される。（母材表面層の融合に伴つて、ろう材中
の融点降下元素含有の存在割合が低下し、結果的
に、新たに形成された接合部の融点は上昇する。
高温強度は、材料の融点と比例関係にあり、融点
が高いほど強度は増大される。）本発明の接合法を用いる上での第４の大きな利
点は、接合すべき両母材間の初期間隙を従来真空
ろう接や拡散接合において要求されていたよりは
大きくとることができる点にある。即ち、一般に
平面あるいは円筒面以外の曲面をもつ接合部を
0.1mm以下の間隙を保持するように仕上げ加工す
ることは著しく困難であるが、本発明では0.1〜
0.9mmのような広い間隙が許容されるので接合部
の仕上げ加工は極めて容易である。このように本
発明は複雑な接合部をもつ部材の接合に適すると
いう大きな利点を有している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による接合における母材界面初
期間隙と母材の溶け込み深さの関係、第２図は同
じく初期間隙と剪断強度との関係、第３図は同接
合箇所の剪断強度に対する温度の影響を示す。第
４図は本接合法の応用例を示しａは縦断面図、ｂ
はａのＸ、Ｘ断面で、１はタービン羽根本体、２
は中子、３は接合部分。第５図は初期間隙0.1mm
の場合の接合温度と母材の溶け込み深さとの関係
を示す曲線。

Claims

【特許請求の範囲】１ Ni基耐熱超合金の母材同志を接合するに際
し、初期間隙を0.1mm〜0.9mmとし、３〜９％のＢ
を含むNi基のろう材を母材の間に介在させ、溶
融ろう材と接触して母材表面が溶融する温度以上
に加熱し、該ろう材を溶融させると共に母材の接
合予定面を0.015mm以上溶食させ、これによつ
て、母材とろう材が融合されてなり、母材中に含
有されていた強化元素が配分された接合部を降温
後も該接合部を残留させるように両母材間に形成
し、この接合部を介して前記両母材の接合をなす
ようにしたことを特徴とするNi基耐熱超合金の
接合法。２ Ni基耐熱超合金の母材同志を接合するに際
し、初期間隙を0.1mm〜0.9mmとし、３〜９％のＢ
を含むNi基のろう材を母材の間に介在させ、溶
融ろう材と接触して母材表面が溶融する温度以上
に加熱し、該ろう材を溶融させると共に母材の接
合予定面を0.015mm以上溶食させ、これによて、
母材とろう材が融合されてなり、母材中に含有さ
れていた強化元素が配分された接合部を降温後も
該接合部を残留させるように両部材間に形成し、
この接合部を介して前記両母材を接合した後、強
化熱処理することを特徴とするNi基耐熱超合金
の接合法。