超合金のろう付け

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つのカテゴリーに分類できます。それらは、優れた機械的特性、耐酸化性、および高温での耐食性を備えています。ニッケル基合金は、実際の生産で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、加熱すると酸化しやすくなります。したがって、加熱中の超合金の酸化を防止または低減し、酸化皮膜を除去することが、ろう付け中の主要な問題です。フラックス中のホウ砂または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、反応後に沈殿したホウ素が母材に浸透し、粒界浸透を引き起こす可能性があります。AlおよびTi含有量の高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での真空度は10-2〜10-3pa以上でなければなりません。

溶体化強化および析出強化ニッケル基合金の場合、合金元素の完全な溶解を確実にするために、ろう付け温度は溶体化処理の加熱温度と一致している必要があります。ろう付け温度が低すぎるため、合金元素を完全に溶解することはできません。ろう付け温度が高すぎると母材粒が成長し、熱処理後も材料特性が回復しません。鋳造基合金の固溶体温度は高く、ろう付け温度が高すぎるため、一般に材料特性に影響を与えません。

一部のニッケル基超合金、特に析出強化合金は、応力亀裂の傾向があります。ろう付けの前に、プロセスで形成された応力を完全に除去する必要があり、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することができます。接合部の作動温度が高くない場合は、銀ベースの材料を使用できます。銀系はんだには多くの種類があります。ろう付け加熱時の内部応力を低減するために、溶融温度の低いはんだを選択するのが最善です。Fb101フラックスは、銀ベースの溶加材によるろう付けに使用できます。Fb102フラックスは、アルミニウム含有量が最も高いろう付け析出強化超合金に使用され、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）が追加されます。ろう付け温度が900℃を超える場合は、fb105フラックスを選択します。

真空または保護雰囲気でろう付けする場合、純銅をろう付け溶加材として使用できます。ろう付け温度は1100〜1150℃で、接合部に応力割れは発生しませんが、作動温度は400℃を超えてはなりません。

ニッケルベースのろう付け溶加材は、その優れた高温性能とろう付け中の応力亀裂がないため、超合金で最も一般的に使用されるろう付け溶加材です。ニッケル基はんだの主な合金元素はCr、Si、Bであり、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ろう付け溶加材は粒界浸透を低減できます。 Bを母材に入れ、溶融温度間隔を長くします。高温加工部品やタービンブレードをろう付けするためのろう材です。ただし、W含有はんだの流動性が悪くなり、接合部のギャップを制御することが困難になります。

活性拡散ろう付け溶加材はSi元素を含まず、耐酸化性、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℃から選択できます。ろう付け後、1066℃の拡散処理により母材と同じ特性のろう付け接合部が得られます。

（3）ろう付けプロセスニッケル基合金は、保護雰囲気炉でのろう付け、真空ろう付け、および過渡液相接続を採用することができます。ろう付けの前に、表面を脱脂し、サンドペーパー研磨、フェルトホイール研磨、アセトンスクラビング、および化学洗浄によって酸化物を除去する必要があります。ろう付けプロセスのパラメータを選択するときは、フラックスと母材の間の強い化学反応を避けるために、加熱温度を高くしすぎないようにし、ろう付け時間を短くする必要があることに注意してください。母材の割れを防ぐために、冷間加工部品は溶接前に応力を緩和し、溶接加熱は可能な限り均一にする必要があります。析出強化超合金の場合、部品は最初に固溶体処理を行い、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う必要があります。

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場合、露点は-54℃未満でなければなりません。AlとTiの含有量が増えると、合金表面は加熱されても酸化します。以下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。部品の表面には0.025〜0.038mmの厚さのコーティングが施されています。あらかじめろう付けする材料の表面にはんだをスプレーしてください。三フッ化ホウ素などの少量のガスフラックスを追加します。

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。典型的なニッケル基超合金継手の機械的特性については、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湿潤を確保できますが、表面に0.01〜0.015mmのニッケルの層を電気めっきすることをお勧めします。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0.020.03mmでなければなりません。コーティングが薄すぎると保護効果がなく、コーティングが厚すぎると接合部の強度が低下します。溶接する部品は、真空ろう付け用のボックスに入れることもできます。ボックスはゲッターで満たされている必要があります。たとえば、Zrは高温でガスを吸収するため、ボックス内に局所的な真空が形成され、合金表面の酸化が防止されます。

表15典型的なニッケル基超合金の真空ろう付け継手の機械的特性

超合金のろう付け接合部の微細構造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り、接合ギャップの最大許容値がさらに増加し​​ます。インコネル合金を例にとると、b-ni82crsibでろう付けされたインコネルジョイントの最大ギャップは、1000℃で1時間の拡散処理後に90umに達する可能性があります。ただし、b-ni71crsibでろう付けした接合部の場合、1000℃で1時間の拡散処理後の最大ギャップは約50umです。

3）過渡液相接続過渡液相接続では、母材よりも融点が低い中間層合金（厚さ約2.5〜100um）を溶加材として使用します。小さな圧力（0〜0.007mpa）と適切な温度（1100〜1250℃）の下で、中間層材料は最初に母材を溶かして湿らせます。元素の急速な拡散により、等温凝固が接合部で発生し、接合部を形成します。この方法により、母材表面のマッチング要件が大幅に減少し、溶接圧力が低下します。過渡液相接続の主なパラメータは、圧力、温度、保持時間、および中間層の組成です。溶接部の合わせ面を良好に接触させるために、より少ない圧力を加えます。加熱温度と時間は、ジョイントの性能に大きな影響を与えます。接合部が母材と同じくらい強力である必要があり、母材の性能に影響を与えない場合、高温（1150℃以上など）および長時間（8〜24時間など）の接続プロセスパラメータは次のようになります。採用;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℃）とより短い時間（1〜8時間）を使用する必要があります。中間層は、接続された卑金属組成を基本組成とし、B、Si、Mn、Nbなどのさまざまな冷却元素を追加する必要があります。たとえば、Udimet合金の組成はni-15cr-18.5co-4.3です。 al-3.3ti-5moであり、過渡液相接続の中間層の組成はb-ni62.5cr15co15mo5b2.5です。これらの元素はすべて、NiCrまたはNiCr Co合金の溶融温度を最低に下げることができますが、Bの影響が最も明白です。さらに、Bの高い拡散速度により、中間層合金と母材を迅速にホモジナイズできます。