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種類に分類できます。これらは、高温での機械的特性、耐酸化性、耐食性に優れています。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。

超合金はCrを多く含み、加熱中に除去が困難なCr2O3酸化膜が表面に形成される。ニッケル基超合金はAlとTiを含み、これらは加熱時に酸化しやすい。したがって、加熱中の超合金の酸化を防止または低減し、酸化膜を除去することがろう付けにおける主要な課題である。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、反応後に析出したホウ素が母材に浸透し、粒界浸透を引き起こす。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、ろう付け中の高温状態での真空度は10⁻²～10⁻³pa​​以上でなければならない。

固溶強化型および析出強化型のニッケル基合金の場合、合金元素の完全な溶解を確保するため、ろう付け温度は固溶処理の加熱温度と一致させる必要があります。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。ろう付け温度が高すぎると、母材の結晶粒が成長し、熱処理後も材料特性が回復しません。鋳造基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ても材料特性に影響はありません。

ニッケル基超合金、特に析出強化合金の中には、応力割れを起こしやすいものがある。ろう付けを行う前に、ろう付け工程で生じた応力を完全に除去する必要があり、ろう付け中は熱応力を最小限に抑える必要がある。

（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。接合部の動作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、融点の低いはんだを選択するのが最適です。Fb101フラックスは、銀基フィラーメタルでの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析出強化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下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、接合部に応力割れは発生しませんが、作業温度は400℃を超えてはなりません。

ニッケル基ろう付け用フィラーメタルは、高温性能が良好でろう付け中に応力割れが発生しないため、超合金で最も一般的に使用されているろう付け用フィラーメタルです。ニッケル基ろうの主な合金元素はCr、Si、Bで、少量のろうにはFe、Wなども含まれています。ni-cr-si-bと比較して、b-ni68crwbろう付け用フィラーメタルは、母材へのBの粒界浸透を低減し、融点範囲を広げることができます。高温作業部品やタービンブレードのろう付け用ろう付け用フィラーメタルです。ただし、W含有ろうの流動性が悪化し、接合ギャップの制御が難しくなります。

活性拡散ろう付け用フィラーメタルはSi元素を含まず、優れた耐酸化性と耐硫化性を有しています。ろう付け温度は、ろう材の種類に応じて1150℃～1218℃の範囲で選択可能です。ろう付け後、1066℃の拡散処理を行うことで、母材と同等の特性を持つろう付け接合部が得られます。

（３）ニッケル基合金のろう付けプロセスは、保護雰囲気炉でのろう付け、真空ろう付け、および一時的液相接続を採用できます。ろう付けの前に、表面は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、および化学洗浄によって脱脂および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際には、フラックスと母材との間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、溶接加熱はできるだけ均一にする必要があります。析出強化超合金の場合、部品はまず固溶処理を行い、次に時効強化処理よりもわずかに高い温度でろう付けを行い、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)と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は露点が-54℃未満でなければなりません。AlとTiの含有量が増加すると、加熱時に合金表面が酸化します。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)を添加し、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施します。ろう付けする材料の表面に事前にはんだをスプレーします。三フッ化ホウ素などの少量のガスフラックスを添加します。

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接合部の機械的特性については、表15を参照してください。w(AL)と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のが望ましいです。w(AL)とw(TI)が4%を超える場合は、ニッケルコーティングの厚さを0.02～0.03mmにする必要があります。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。溶接する部品は、真空ろう付け用のボックス内にも配置できます。ボックスにはゲッターを充填する必要があります。例えば、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することで、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って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でろう付けしたインコネル接合部の最大ギャップは、1000℃で1時間拡散処理した後で90μmに達します。一方、b-ni71crsibでろう付けした接合部では、1000℃で1時間拡散処理した後の最大ギャップは約50μmです。

3) 過渡液相接合 過渡液相接合では、溶加材として、母材よりも融点の低い中間合金（厚さ約2.5～100μm）を使用します。低圧（0～0.007MPa）と適切な温度（1100～1250℃）で、中間材が最初に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、母材表面の適合要件を大幅に軽減し、溶接圧力を低減します。過渡液相接合の主なパラメータは、圧力、温度、保持時間、および中間材の組成です。溶接部の接合面が良好な接触を保つように、圧力を低くします。加熱温度と加熱時間は、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は、高温（1150℃以上など）かつ長時間（8～24時間など）の接続プロセスパラメータを採用します。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、低温（1100～1150℃）かつ短時間（1～8時間）を使用します。中間層は、接続された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、過渡液相接続用の中間層の組成はb-ni62.5cr15co15mo5b2.5です。これらの元素はすべて、NiCr合金またはNiCrCo合金の融点を最低まで下げることができますが、中でもBの効果が最も顕著です。さらに、Bの高い拡散速度により、合金層と母材を迅速に均質化することができます。