超合金のろう付け
（1）ろう付け特性超合金は、ニッケル基、鉄基、コバルト基の3種類に分けられます。これらは優れた機械的特性、耐酸化性、高温耐食性を有し、ニッケル基合金は実用生産において最も広く使用されています。
超合金にはCrが多く含まれており、加熱時に表面に除去しにくいCr2O3酸化膜が形成されます。ニッケル基超合金にはAlとTiが含まれており、加熱時に酸化しやすいため、加熱中の超合金の酸化を防止または低減し、酸化膜を除去することがろう付け時の主な課題です。フラックス中のホウ砂やホウ酸はろう付け温度で母材の腐食を引き起こす可能性があるため、反応後に析出したホウ素が母材に浸透し、粒界浸潤を引き起こす可能性があります。AlとTiの含有量が多い鋳造ニッケル基合金の場合、加熱中の合金表面の酸化を避けるために、ろう付け中の高温状態の真空度は10-2〜10-3pa以上でなければなりません。
固溶強化型および析出強化型のニッケル基合金の場合、ろう付け温度は溶体化処理の加熱温度と整合させる必要があり、合金元素の完全な溶解を確実にします。ろう付け温度が低すぎると合金元素が完全に溶解しません。一方、ろう付け温度が高すぎると母材金属の結晶粒が成長し、熱処理後も材料特性が回復しません。鋳造合金の固溶温度は高いため、一般的にろう付け温度が高すぎることが材料特性に影響を与えることはありません。
一部のニッケル基超合金、特に析出強化型合金は、応力割れが発生しやすい傾向があります。ろう付け前に、ろう付け工程で発生する応力を完全に除去し、ろう付け中の熱応力を最小限に抑える必要があります。
（2）ろう付け材料ニッケル基合金は、銀基、純銅、ニッケル基、活性はんだでろう付けできます。接合部の作業温度が高くない場合は、銀基材料を使用できます。銀基はんだには多くの種類があります。ろう付け加熱中の内部応力を低減するために、低融点のはんだを選択するのが最適です。銀基フィラーメタルとのろう付けには、Fb101フラックスを使用できます。Fb102フラックスは、アルミニウム含有量が最も高い析出強化型超合金のろう付けに使用され、10％〜20％のケイ酸ナトリウムまたはアルミニウムフラックス（fb201など）が添加されます。ろう付け温度が900℃を超える場合は、fb105フラックスを選択する必要があります。
真空または保護雰囲気中でろう付けを行う場合、純銅をろう材として使用できます。ろう付け温度は1100～1150℃で、接合部には応力割れが発生しませんが、作業温度は400℃を超えてはなりません。
ニッケル基ろう材は、高温特性に優れ、ろう付け時に応力割れが発生しないため、超合金において最も一般的に使用されているろう材です。ニッケル基はんだの主な合金元素はCr、Si、Bで、少量のはんだにはFe、Wなども含まれています。Ni-Cr-Si-Bと比較して、B-Ni68CrWBろう材は、母材へのBの粒界浸透を低減し、溶融温度範囲を広げることができます。高温作動部品やタービンブレードのろう付けに使用されるろう材です。しかし、W含有はんだの流動性が悪くなり、接合部ギャップの制御が困難になります。
活性拡散ろう材はSi元素を含まず、耐酸化性と耐加硫性に優れています。ろう付け温度は、はんだの種類に応じて1150℃～1218℃の範囲で選択できます。ろう付け後、1066℃の拡散処理を施すことで、母材と同等の特性を有するろう付け継手が得られます。
（3）ろう付け工程ニッケル基合金は、保護雰囲気炉でのろう付け、真空ろう付け、過渡的液相接合を採用することができます。ろう付け前に、サンドペーパー研磨、フェルトホイール研磨、アセトン洗浄、化学洗浄などにより、表面を脱脂し、酸化物を除去する必要があります。ろう付け工程のパラメータを選択する際には、フラックスと母材との強い化学反応を避けるために、加熱温度が高すぎず、ろう付け時間が短いことに注意する必要があります。母材の割れを防ぐために、冷間加工部品は溶接前に応力除去を行い、溶接加熱は可能な限り均一にする必要があります。析出強化型超合金の場合、部品はまず固溶体化処理を行い、次に時効強化処理よりわずかに高い温度でろう付けし、最後に時効処理を行います。
1）保護雰囲気炉でのろう付け保護雰囲気炉でのろう付けには、高純度のシールドガスが必要です。w（AL）およびw（TI）が0.5％未満の超合金の場合、水素またはアルゴンを使用するときは、露点が-54℃未満である必要があります。AlおよびTiの含有量が増加すると、合金表面は加熱時に依然として酸化されます。次の対策を講じる必要があります。少量のフラックス（fb105など）を追加し、フラックスで酸化膜を除去します。部品の表面に0.025〜0.038mmの厚さのコーティングをメッキします。事前にろう付けする材料の表面にはんだをスプレーします。三フッ化ホウ素などのガスフラックスを少量追加します。
2）真空ろう付け真空ろう付けは、より優れた保護効果とろう付け品質を得るために広く使用されています。代表的なニッケル基超合金継手の機械的性質については、表15を参照してください。w（AL）およびw（TI）が4％未満の超合金の場合、特別な前処理なしではんだの濡れ性を確保できますが、表面に0.01〜0.015mmのニッケル層を電気めっきする方が良いです。w（AL）およびw（TI）が4％を超える場合、ニッケルコーティングの厚さは0.02〜0.03mmとします。コーティングが薄すぎると保護効果がなく、厚すぎると接合部の強度が低下します。溶接する部品をボックスに入れて真空ろう付けすることもできます。ボックスにはゲッターを充填する必要があります。たとえば、Zrは高温でガスを吸収し、ボックス内に局所的な真空を形成して合金表面の酸化を防ぎます。
表15 代表的なニッケル基超合金の真空ろう付け接合部の機械的特性
超合金のろう付け接合部の微細組織と強度はろう付けギャップによって変化し、ろう付け後の拡散処理によって接合ギャップの最大許容値はさらに増加します。インコネル合金を例に挙げると、b-ni82crsibでろう付けしたインコネル接合部の最大ギャップは、1000℃、1時間の拡散処理後、90μmに達します。一方、b-ni71crsibでろう付けした接合部では、1000℃、1時間の拡散処理後、最大ギャップは約50μmです。
3) 液相接合液相接合では、母材より融点の低い層間合金（厚さ約2.5〜100μm）をフィラーメタルとして使用します。小さな圧力（0〜0.007mpa）と適切な温度（1100〜1250℃）の下で、まず層間材料が溶融して母材を湿らせます。元素の急速な拡散により、接合部で等温凝固が起こり、接合部が形成されます。この方法は、母材表面のマッチング要件が大幅に緩和され、溶接圧力も低減します。液相接合の主なパラメータは、圧力、温度、保持時間、および層間材料の組成です。溶接部の合わせ面が良好な接触を保つために、より少ない圧力をかけます。加熱温度と時間は、接合部の性能に大きな影響を与えます。接合部が母材と同等の強度を持ち、母材の性能に影響を与えない場合、接合プロセスパラメータとして高温（例：1150℃以上）、長時間（例：8～24時間）を採用する必要があります。接合部の接続品質が低下したり、母材が高温に耐えられない場合は、より低い温度（1100～1150℃）、より短い時間（1～8時間）を使用する必要があります。中間層は、接続される母材の組成を基本組成とし、B、Si、Mn、Nbなどの異なる冷却元素を添加します。例えば、Udimet合金の組成はni-15cr-18.5co-4.3al-3.3ti-5moであり、過渡的液相接合用中間層の組成はb-ni62.5cr15co15mo5b2.5です。これらの元素はすべて、Ni-CrまたはNi-Cr-Co合金の融点を最も低く下げることができますが、中でもBの効果は最も顕著です。さらに、Bの高い拡散速度により、層間合金と母材を急速に均質化することができます。
投稿日時: 2022年6月13日