(57)【要約】【課題】  過渡液相接合のためのシステムおよび方法が提供される。【解決手段】  これらのシステムおよび方法の実施態様は、現在可能であるより強く、より均質な接合部（４５）を製造するのにサンドイッチ中間層（４０）を用いる。これらのサンドイ中間層（４０）は、二つの外側接合層（４３）の間に挟まれた中間接合層（４１）を備える。中間接合層（４１）は、外側接合層（４３）とは、異なる組成から成り、また、異なる形態さえ含み得る。実施態様においては、これらのサンドイッチ中間層（４０）は、単結晶材料（１０）を多結晶材料（２０）に結合して、一体化されたブレード付きロータなどのガスタービンエンジン部材を作成するのに使用できる。【選択図】  図２
2006102814.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二つの外側接合層と、
これら二つの外側接合層間に配置された中間接合層と、
から成る、過渡液相接合によって基体を接合するためのシステムであって、
中間接合層は、外側接合層とは異なる組成から成り、
中間接合層の組成は、接合される基体の組成に実質的に類似している、
ことを特徴とするシステム。
【請求項２】
中間接合層は、第一の形態を含み、外側層は、第二の形態を含み、第一の形態と第二の形態とは、互いに異なることを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項３】
各外側接合層は、粉末、ペースト、布、テープ、およびホイルシートのうちの少なくとも一つから成り、
中間接合層は、粉末、ペースト、布、テープ、およびホイルシートのうちの少なくとも一つから成り、
外側接合層および中間接合層全てがホイルシートから成ることはない、
ことを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項４】
各外側接合層は、粉末、ペースト、布、テープ、およびホイルシートのうちの少なくとも一つから成ることを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項５】
各外側接合層は、約２５〜５０μｍの厚みであることを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項６】
中間接合層は、粉末、ペースト、布、テープ、およびホイルシートのうちの少なくとも一つから成ることを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項７】
中間接合層は、約７５〜１００μｍの厚みであることを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項８】
各外側接合層は、ＭＢＦ８０ホイルのシートから成ることを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項９】
中間接合層は、以下の公称組成すなわち、６０ｗｔ．％のＮｉと、１２．４ｗｔ．％のＣｒと、１８．５ｗｔ．％のＣｏと、３．２ｗｔ．％のＭｏと、５．０ｗｔ．％のＡｌと、４．３ｗｔ．％のＴｉと、０．８ｗｔ．％のＶと、０．１ｗｔ．％のＺｒと、０．１ｗｔ．％のＣと、０．０２ｗｔ．％のＢと、を有する粉末を含むことを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項１０】
前記システムは、単結晶基体と多結晶基体との間に使用されることを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項１１】
前記システムは、（ａ）二つまたは三つ以上の基体を一緒に結合することと、（ｂ）損傷した基体を修理することの、一方または両方を行うのに使用されることを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項１２】
二つの外側接合層の間に挟まれた中間接合層を備える、過渡液相接合のためのサンドイッチ接合アッセンブリであって、中間接合層は、外側接合層とは異なる組成から成り、外側接合層は、接合の間に、溶融し、中間接合層は、接合の間に、溶融しないことを特徴とするサンドイッチ接合アッセンブリ。
【請求項１３】
中間接合層は、外側接合層とは異なる形態を含むことを特徴とする請求項１２記載のサンドイッチ接合アッセンブリ。
【請求項１４】
中間接合層の組成は、サンドイッチ接合アッセンブリによって接合される基体の組成に実質的に類似していることを特徴とする請求項１２記載のサンドイッチ接合アッセンブリ。
【請求項１５】
各外側接合層は、粉末、ペースト、布、テープ、およびホイルシートのうちの少なくとも一つから成ることを特徴とする請求項１２記載のサンドイッチ接合アッセンブリ。
【請求項１６】
中間接合層は、粉末、ペースト、布、テープ、およびホイルシートのうちの少なくとも一つから成ることを特徴とする請求項１２記載のサンドイッチ接合アッセンブリ。
【請求項１７】
各外側接合層は、粉末、ペースト、布、テープ、およびホイルシートのうちの少なくとも一つから成り、
中間接合層は、粉末、ペースト、布、テープ、およびホイルシートのうちの少なくとも一つから成り、
外側接合層および中間接合層全てがホイルシートから成ることはない、
ことを特徴とする請求項１２記載のサンドイッチ接合アッセンブリ。
【請求項１８】
各外側接合層は、ＭＢＦ８０ホイルのシートから成り、中間接合層は、以下の公称組成すなわち、６０ｗｔ．％のＮｉと、１２．４ｗｔ．％のＣｒと、１８．５ｗｔ．％のＣｏと、３．２ｗｔ．％のＭｏと、５．０ｗｔ．％のＡｌと、４．３ｗｔ．％のＴｉと、０．８ｗｔ．％のＶと、０．１ｗｔ．％のＺｒと、０．１ｗｔ．％のＣと、０．０２ｗｔ．％のＢと、を有する粉末を含むことを特徴とする請求項１２記載のサンドイッチ接合アッセンブリ。
【請求項１９】
前記サンドイッチ接合アッセンブリは、単結晶基体と多結晶基体との間に使用されることを特徴とする請求項１８記載のサンドイッチ接合アッセンブリ。
【請求項２０】
一緒に結合する二つまたは三つ以上の基体を用意し、
一緒に結合する基体間にサンドイッチ接合アッセンブリを配置し、
サンドイッチ接合アッセンブリと基体とを所定の温度に加熱し、
サンドイッチ接合アッセンブリと基体とを所定の長さの時間この所定の温度に保持する、
ことを含む、過渡液相接合によって基体を一緒に結合する方法であって、サンドイッチ接合アッセンブリは、二つの外側接合層の間に挟まれた中間接合層を備えており、中間接合層は、外側接合層とは異なる組成であることを特徴とする方法。
【請求項２１】
中間接合層は、外側接合層とは異なる形態を含むことを特徴とする請求項２０記載の方法。
【請求項２２】
前記所定の温度は、外側接合層の融点より高く、中間接合層の融点より低く、かつ各基体の融点より低い温度を含むことを特徴とする請求項２０記載の方法。
【請求項２３】
前記所定の長さの時間は、外側接合層を少なくとも実質的に溶融させるのに十分な時間を含むことを特徴とする請求項２０記載の方法。
【請求項２４】
前記所定の長さの時間はさらに、溶融した外側接合層を凝固させることにより一緒に結合される基体間に結合部を形成するのに十分な長さの時間を含むことを特徴とする請求項２３記載の方法。
【請求項２５】
前記所定の長さの時間はさらに、結合部を少なくとも実質的に均質化させるのに十分な長さの時間を含むことを特徴とする請求項２４記載の方法。
【請求項２６】
前記所定の長さの時間は、約４時間であることを特徴とする請求項２０記載の方法。
【請求項２７】
類似の基体が、一緒に結合されることを特徴とする請求項２０記載の方法。
【請求項２８】
異なる基体が、一緒に結合されることを特徴とする請求項２０記載の方法。
【請求項２９】
異なる基体は、単結晶基体と多結晶基体とから成ることを特徴とする請求項２８記載の方法。
【請求項３０】
各外側接合層は、ＭＢＦ８０ホイルのシートから成り、中間接合層は、以下の公称組成すなわち、６０ｗｔ．％のＮｉと、１２．４ｗｔ．％のＣｒと、１８．５ｗｔ．％のＣｏと、３．２ｗｔ．％のＭｏと、５．０ｗｔ．％のＡｌと、４．３ｗｔ．％のＴｉと、０．８ｗｔ．％のＶと、０．１ｗｔ．％のＺｒと、０．１ｗｔ．％のＣと、０．０２ｗｔ．％のＢと、を有する粉末を含むことを特徴とする請求項２０記載の方法。
【請求項３１】
基体に関して所望の位置にサンドイッチ接合アッセンブリを配置し、
基体とサンドイッチ接合アッセンブリとを所定の温度に加熱し、
基体とサンドイッチ接合アッセンブリとを所定の長さの時間この所定の温度に保持する、
ことを含む、過渡液相接合によって基体を修理する方法であって、サンドイッチ接合アッセンブリは、二つの外側接合層の間に挟まれた中間接合層を備えており、中間接合層は、外側接合層とは異なる組成から成ることを特徴とする方法。
【請求項３２】
中間接合層は、外側接合層とは異なる形態を含むことを特徴とする請求項３１記載の方法。
【請求項３３】
前記所定の温度は、外側接合層の融点より高く、中間接合層の融点より低く、かつ基体の融点より低い温度を含むことを特徴とする請求項３１記載の方法。
【請求項３４】
前記所定の長さの時間は、外側接合層を少なくとも実質的に溶融させるのに十分な時間を含むことを特徴とする請求項３１記載の方法。
【請求項３５】
前記所定の長さの時間はさらに、溶融した外側接合層を凝固させることにより一緒に結合される基体間に結合部を形成するのに十分な長さの時間を含むことを特徴とする請求項３４記載の方法。
【請求項３６】
前記所定の長さの時間はさらに、結合部を少なくとも実質的に均質化させるのに十分な長さの時間を含むことを特徴とする請求項３５記載の方法。
【請求項３７】
前記所定の長さの時間は、約４時間であることを特徴とする請求項３１記載の方法。
【請求項３８】
前記所望の位置は、割れを含むことを特徴とする請求項３１記載の方法。
【請求項３９】
基体は、ガスタービンエンジン部材を含むことを特徴とする請求項３１記載の方法。
【請求項４０】
ガスタービンエンジン部材は、中空のファンブレート、一体化したブレード付きのロータ、高圧タービンブレード、低圧タービンブレード、および高圧圧縮機ブレードのうちの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項３９記載の方法。
【請求項４１】
各外側接合層は、ＭＢＦ８０ホイルのシートから成り、中間接合層は、以下の公称組成すなわち、６０ｗｔ．％のＮｉと、１２．４ｗｔ．％のＣｒと、１８．５ｗｔ．％のＣｏと、３．２ｗｔ．％のＭｏと、５．０ｗｔ．％のＡｌと、４．３ｗｔ．％のＴｉと、０．８ｗｔ．％のＶと、０．１ｗｔ．％のＺｒと、０．１ｗｔ．％のＣと、０．０２ｗｔ．％のＢと、を有する粉末を含むことを特徴とする請求項３１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に接合技術に関する。より詳細には本発明は、過渡液相接合に使用するためのサンドイッチ中間層に関する。
【０００２】
（連邦政府後援の研究または開発に関する陳述）
米国政府は、米国空軍との契約番号Ｆ３３６１５−９８−Ｃ−２８２３に従い本発明に一定の権利を有し得る。
【背景技術】
【０００３】
ガスタービンエンジン部材などのさまざまな部品は、個々に製作されたセグメントを一緒に結合して単一の一体部材を形成することにより製造できる。このような部材内の割れまたは他の損傷も修理できる。拡散接合は、結合界面に亘る原子の固体状態移動および結晶粒成長を含んでおり、このような部材を結合することと、修理することの一方または両方を行うのに使用されてきた。拡散接合は、精密な冶金学的検査においてさえ、隣接するセグメント材料から実際上区別がつかない接合領域を有する複雑なアッセンブリの製作および修理を可能とする。これらの接合部は、一緒に結合されるセグメントの微細構造（ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）および機械的性質に実質的に類似した微細構造および機械的性質を含む。しかしながら、拡散接合は、部材の歪みを生じさせ得る高い圧力を必要とする。
【０００４】
過渡液相接合（ｔｒａｎｓｉｅｎｔ  ｌｉｑｕｉｄ  ｐｈａｓｅ  ｂｏｎｄｉｎｇ）は、拡散接合も使用することによりろう付け結合部に一般に付随する、より弱いフィラー材料の存在を克服する、ハイブリッドろう付けおよび拡散接合プロセスである。過渡液相接合においては、一つまたは複数の中間層（または層間）（ｉｎｔｅｒｌａｙｅｒ）材料が、アッセンブリ（ａｓｓｅｍｂｌｙ）を形成するように一緒に結合される二つまたは三つ以上のセグメントの間に配置される。アッセンブリが、接合温度に加熱されると、中間層材料は、溶融し、セグメント間の間隙を塞ぐ。アッセンブリが、接合温度に保持されている間、特定の合金元素の相互拡散が、中間層と隣接するセグメントとの間に生じ、結合部において組成変化が生じ、この組成変化は、結合部を等温的に凝固させ、セグメント間に初期の接合部を生成する。アッセンブリを、より長い時間、接合温度に保持すると、セグメント間に実質的に均質な拡散接合部が形成される。過渡液相接合が必要とする圧力は非常に低く、従って、部材の歪みを生じさせない。これによって、過渡液相接合は、魅力的なアッセンブリと修理方法の一方または両方となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
現在の過渡液相接合システムおよび方法は、いくつかの用途では基体間に十分に強い接合部を製造しない。従って、過渡液相接合技術を用いるときに、より強い接合部を製造できるのが望ましいであろう。また、このような接合部の硬さ、微細構造、および均質性（化学的および微細構造上の一方または両方）のうちの少なくとも一つを向上させるのが望ましいであろう。さらに、このような技術を用いることによって、異なる材料を結合できるのが望ましいであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
従って、既存のシステムおよび方法の上述した欠点は、過渡液相接合システムおよび方法に関する本発明の実施態様によって克服される。これらのシステムおよび方法は、既存の過渡液相システムおよび方法を用いて現在可能であるより強く、より均質な接合部を形成するのにサンドイッチ中間層を用いる。また、これらのサンドイッチ中間層によって、そのような接合部内に、より微細な微細構造と、より均一な硬さとが得られる。
【０００７】
本発明の実施態様は、過渡液相接合によって基体を接合するためのシステム（ｓｙｓｔｅｍ）を含む。これらのシステムの実施態様は、二つの外側接合層と、これら二つの外側接合層間にサンドイッチまたは配置された中間接合層と、から成り、中間接合層は、外側接合層とは異なる組成から成る。接合の間に、外側接合層は、溶融するが、しかしながら、中間接合層は、溶融しない。
【０００８】
実施態様においては、中間接合層の組成は、接合される基体の組成に実質的に類似のものとすることができる。中間接合層は、第一の形態を含むことができ、外側層は、第二の形態を含むことができ、第一の形態と第二の形態とは、互いに異なる。各外側接合層は、粉末、ペースト、布、テープ、またはホイルシート（ｆｏｉｌ  ｓｈｅｅｔ）を含むことができ、中間接合層は、粉末、ペースト、布、テープ、またはホイルシートを含むことができるが、しかしながら、外側接合層および中間接合層全てがホイルシートから成ることはない。実施態様においては、各外側接合層は、約２５〜５０μｍの厚みとすることができ、中間接合層は、約７５〜１００μｍの厚みとすることができる。
【０００９】
また、本発明の実施態様は、過渡液相接合によって基体を一緒に結合する方法を含む。これらの方法は、一緒に結合する二つまたは三つ以上の基体を用意し、一緒に結合する基体間にサンドイッチ接合アッセンブリを配置し、サンドイッチ接合アッセンブリと基体とを所定の温度に加熱し、サンドイッチ接合アッセンブリと基体とを所定の長さの時間この所定の温度に保持する、ことを含むことができ、サンドイッチ接合アッセンブリは、二つの外側接合層の間に挟まれた中間接合層を備えており、中間接合層は、外側接合層とは異なる組成である。
【００１０】
また、本発明の実施態様は、過渡液相接合によって基体を修理する方法を含む。これらの方法は、基体に関して所望の位置にサンドイッチ接合アッセンブリを配置し、基体とサンドイッチ接合アッセンブリとを所定の温度に加熱し、基体とサンドイッチ接合アッセンブリとを所定の長さの時間この所定の温度に保持する、ことを含むことができ、サンドイッチ接合アッセンブリは、二つの外側接合層の間に挟まれた中間接合層を備えており、中間接合層は、外側接合層とは異なる組成から成る。
【００１１】
所定の温度は、外側接合層の融点より高く、中間接合層の融点より低く、かつ基体の融点より低い温度を含む。所定の長さの時間は、外側接合層を少なくとも実質的に溶融させるのに十分な時間を含む。所定の長さの時間はさらに、溶融した外側接合層を凝固させることにより一緒に結合される基体間に結合部を形成するのに十分な長さの時間を含む。所定の長さの時間はさらに、結合部を少なくとも実質的に均質化させるのに十分な長さの時間を含む。実施態様において、所定の長さの時間は、約４時間とすることができる。
【００１２】
本発明は、類似のまたは異なる基体を一緒に結合することと、損傷した基体を修理する（すなわち、割れを修理する）ことの一方または両方を行うのに使用できる。実施態様においては、本発明は、例えば、ガスタービンエンジン部材を生成するなど、単結晶基体を多結晶基体に結合するのに使用できる。そのような実施態様においては、各外側接合層は、ＭＢＦ８０ホイルのシートから成ることができ、中間接合層は、以下の公称組成すなわち、６０ｗｔ．％のＮｉと、１２．４ｗｔ．％のＣｒと、１８．５ｗｔ．％のＣｏと、３．２ｗｔ．％のＭｏと、５．０ｗｔ．％のＡｌと、４．３ｗｔ．％のＴｉと、０．８ｗｔ．％のＶと、０．１ｗｔ．％のＺｒと、０．１ｗｔ．％のＣと、０．０２ｗｔ．％のＢと、を有する粉末を含むことができる。
【００１３】
本発明のさらなる特徴部、態様、および利点は、本発明のいくつかの好ましい形態を例示する添付の図面が参照されるとともに同様の参照符号が図面全体を通して同様の部材を示している以下の説明の過程で、当業者には容易に明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明のシステムおよび方法は、さまざまな図面を参照して以下に説明する。
【００１５】
本発明の理解を促進する目的で、図１〜図５に例示されるような本発明のいくつかの好ましい実施態様と、本発明を記載するのに使用される特定の用語とをここで参照する。ここで使用する用語は、限定ではなく説明の目的のためのものである。ここに開示する特定の構造上および機能上の詳細は、限定として解釈されるものではなく、本発明をさまざまに利用するのを当業者に教示するための単なる基礎として解釈する必要がある。説明した構造および方法における任意の変更または変形、および、当業者には通常浮かぶであろうような、ここに例示した本発明の原理のさらなる適用は、本発明の精神および範囲内にあると考えられる。
【００１６】
本発明は、過渡液相接合システムおよび方法に使用するためのサンドイッチ中間層に関する。これらのサンドイッチ中間層は、既存の過渡液相接合システムおよび方法を用いて現在製造できるより良好な接合部を製造する。さらに、これらのサンドイッチ中間層を用いて製造された接合部は、既存の過渡液相接合システムおよび方法を用いて形成した接合部に比較して、向上した強度、および硬さ、より微細な微細構造を有しており、かつ、より均質である。
【００１７】
本発明の実施態様は、内部に複数の融点降下剤（ｄｅｐｒｅｓｓａｎｔ）層を有するサンドイッチ中間層を用いることにより二つまたは三つ以上の基体を一緒に結合する過渡液相接合システムおよび方法を含む。本発明の実施態様は、損傷した基体を修理するのにも使用できる。先に述べたとおり、過渡液相（「ＴＬＰ」）接合は、中間層材料が、アッセンブリを形成するように接合される基体間に配置される、一種のろう付けおよび拡散接合プロセスである。ＴＬＰ接合によって、接合部は、低い温度において形成されるとはいえ、結果として得られる接合部の再溶融温度は、よりいっそう高いものとなる。アッセンブリが、一緒に保持され、接合温度に加熱されると、中間層材料の少なくともいくつかは、溶融し、基体間の間隙を塞ぐ。アッセンブリが、接合温度に保持されている間、特定の合金元素の相互拡散が、中間層と基体との間に生じ、結合部において組成変化が生じ、この組成変化は、結合部を等温的に凝固させ、基体間に初期の接合部を生成する。アッセンブリを、より長い時間、接合温度に保持すると、基体間に実質的に均質な微細構造を有する拡散接合部が形成される。
【００１８】
高精度のＴＬＰ接合は、類似のまたは異なる基体の間に高品質の化学的および微細構造上均質な接合部を製造するのに使用できる。本発明のサンドイッチ中間層は、ＴＬＰ接合によって任意の適切な基体を結合または修理するのに使用できる。これらの基体は、任意の組成から成ることができ、また、任意の単結晶材料、多結晶材料、一方向凝固（ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｌｙ  ｓｏｌｉｄｉｆｉｅｄ）材料、およびこれらの組み合わせ、のうちの少なくとも一つから成ることができる。
【００１９】
既存のＴＬＰ接合システムおよび方法は、例えば、薄いホイル、粉末、ペースト、布、テープ、ハニカム、薄い被覆、その他などといった、さまざまな形態の接合媒体（ｍｅｄｉｕｍ）を用いる。図１は、通常の既存のＴＬＰ接合構成を示しており、ここでは、単一の中間層３０（すなわち、ホイルの薄いシート）が、単結晶基体１０と、多結晶基体２０との間に配置されて、これらの間に結合界面を形成する。この構成は、良好な接合部を製造するとはいえ、より強くかつより良好な接合部が、本発明のサンドイッチ中間層を用いて可能である。
【００２０】
図２は、本発明の例示的なＴＬＰ接合構成を示す。ここに示すように、サンドイッチ中間層４０が、単結晶基体１０と、多結晶基体２０との間に配置されて、これらの間に結合界面を形成する。このサンドイッチ中間層４０は、二つの外側接合層４３の間に挟まれた中間接合層４１を備えており、中間接合層４１は、外側接合層４３とは異なる組成から成る。中間接合層４１は、外側接合層４３とは異なる形態を含むこともできる。例えば、いくつかの非限定的な実施態様においては、中間接合層４１は、粉末を含むことができ、外側接合層４３は、ホイルシートを含むことができ、粉末とホイルシートとは異なる組成から成る。他の非限定的な実施態様においては、中間接合層４１と外側接合層４３とは、同じ形態（すなわち、粉末）を含むことができるが、しかしながら、異なる組成から成ることができる。非常に多くの他の組み合わせも可能である。
【００２１】
外側接合層４３は、任意の適切な厚みとすることができ、また、例えば、粉末、ペースト、布、テープ、ホイルシート、その他などといった任意の適切な形態を含むことができる。例えば、実施態様においては、外側接合層４３は、約２５〜５０μｍの厚みのホイルシートを含むことができる。
【００２２】
中間接合層４１も、任意の適切な厚みとすることができ、また、例えば、粉末、ペースト、布、テープ、ホイルシート、その他などといった任意の適切な形態を含むことができる。中間接合層４１内に含まれることができる（すなわち、ペーストまたはテープが使用される場合）任意の結合剤（ｂｉｎｄｅｒ）は、後に有害な残留物を全く残さずに蒸発できる必要がある。実施態様においては、中間接合層４１は、約１００μｍの厚みの粉末の層を含むことができる。実施態様においては、中間接合層４１は、粉末の混合物を含むことができ、結合される各基体の粉末が、一緒に混合されて、結合される基体の組成を含む単一の混合された粉末を形成する。
【００２３】
結合される基体の強度特性に匹敵する強度特性を有する結合部の製作を容易にするために、相対的に小さな厚みを有するサンドイッチ中間層４０を使用するのが望ましい。サンドイッチ中間層４０の厚みが、大きすぎる場合は、結合部の機械的性質が、許容できなくなり得る。従って、実施態様においては、サンドイッチ中間層４０全体は、約２５０μｍの最大厚みを有する。
【００２４】
サンドイッチ中間層４０（中間接合層４１と外側接合層４３）は、一旦外側接合層４３が溶融して、凝固すると、基体１０、２０と冶金学的な接合部を形成できる必要があり、それによって、十分な接合強度が、達成できる。冶金学的な接合がない場合は、結合部の強度は、不十分なものになるであろう。従って、サンドイッチ中間層４０に使用される材料の組成は、結合される基体に適合させる必要がある。中間接合層４１と外側接合層４３の組成は、結合または修理される基体を用いる使用に機械的および／または化学的に適合した任意の組成から成ることができ、それによって、それらと共に形成される接合部の組成は、結合または修理される基体の少なくとも一つに実質的に類似する。でき上がった接合領域にその存在が必要とされておりかつその固体状態の拡散速度が遅い元素は、サンドイッチ中間層４０内に使用される材料内に含まれるのが望ましい。一方、その存在が、接合プロセスと、でき上がった結合部の性質との一方または両方に有害な影響を及ぼし得る元素は、サンドイッチ中間層４０の材料から除外するのが望ましい。例えば、結合される基体内に存在するいくつかの元素は、接合部内での脆く、除外するのが困難な相の形成を防止するように、サンドイッチ中間層４０材料から除外できる。実施態様においては、中間接合層４１は、接合される基体の少なくとも一つの組成に、適合するかまたは実質的に類似する組成から成ることができる。
【００２５】
合金添加物が、さまざまな目的のために、サンドイッチ中間層４０材料中に含まれることができる。例えば、ハフニウムが、接合区域に結晶粒界延性を付与するのを助けるように、中間接合層４１内に含まれることができる。また例えば、外側接合層４３の組成は、その中に融点降下剤を含むことができ、この融点降下剤によって、組成の融点は、接合される基体１０、２０の融点より低くかつ中間接合層４１の融点より低い温度に低下され、それによって、外側接合層４３の局所的な溶融と、それらの間に形成される接合部の、その後の等温凝固とが可能となる。外側接合層４３内の融点降下剤が、隣接する基体１０、２０内へ拡散し、それによって、結合部内の融点降下剤の量が、たとえ温度が一定のままであったとしても凝固が生じるところまで低減するので、接合部の等温凝固が生じる。所定温度における時間が増加するにつれて、中間層４０内の融点降下剤は、よく知られた拡散法則に従って、接合される基体１０、２０内へ移動し、濃度勾配を形成する。融点降下剤の最高濃度は、溶融した結合部の中心に留まっており、基体と結合部との間の界面に向かって低下する。融点降下剤濃度の臨界値が、結合部内で到達されると、結合部の等温凝固が開始する。ホウ素が、ガスタービンエンジン部材を接合または修理する際に融点降下剤として使用するのに特に有利であるが、その理由は、ホウ素が、このような部材に一般に使用される超合金中へ迅速に拡散できるからである。
【００２６】
融点降下剤は、所望の接合温度において外側接合層４３を融解するのに十分な任意の量で存在できる。接合領域全体が、空隙のない（ｖｏｉｄ−ｆｒｅｅ）でき上がった結合部を生成するよう十分に塞がれるのを保証するように、十分な量の液相が、所望の接合温度において存在する必要がある。実施態様においては、融点降下剤は、約１〜１０重量パーセントのホウ素を含むことができるが、しかしながら、この量は、接合される基体と、サンドイッチ中間層４０内に使用される材料とに応じて変わり得る。例えば、実施態様においては、融点降下剤は、約３重量パーセントのホウ素を含む。
【００２７】
外側接合層４３と接合される基体１０、２０との間の融点の差は、基体１０、２０に有害な影響を及ぼさない温度において、十分に流れて結合部を塞ぐよう外側接合層４３を融解するように十分に大きなものとする必要がある。ある場合には、外側接合層４３の融点は、基体１０、２０の融点より約６０℃低い必要があり得る。しかしながら、より狭い融点差が、別の場合には許容可能であり得るし、一方、より広い融点差が、別の場合に基体に対する有害な影響が生じ得る温度に基体を晒すのを回避するために必要となり得る。
【００２８】
サンドイッチ中間層４０の形態と、その中に使用される材料の組成とは、接合される一つまたは複数の基体の最終用途によって決定できる。いくつかの用途では、部材の組成と微細構造とに実質的に一致する接合領域の実質的に完全な均質性と生成とが、絶対的に必要不可欠となり得る。別の用途では、より少ない程度の方の組成および微細構造の適合が、許容可能となり得る。
【００２９】
本発明のサンドイッチ中間層４０は、内部に高品質、高強度の接合部を有する新しい部材を製作するのに使用できる。このような部材は、中空のファンブレート、一体化したブレード付きのロータ（ｉｎｔｅｇｒａｌｌｙ  ｂｌａｄｅｄ  ｒｏｔｏｒ）、高圧タービンブレード、低圧タービンブレード、高圧圧縮機ブレード、および他のガスタービン部材を含むことができる。これらのサンドイッチ中間層４０は、類似のまたは異なる基体を一緒に結合するのに使用できる。例えば、現在使用されている複雑なクリスマス・ツリー（ｆｉｒ  ｔｒｅｅ）およびスロット取り付け機構を必要とする代わりに、単結晶ガスタービンエンジンブレードが、本発明のシステムおよび方法によって、既存のロータブレードアッセンブリより大幅に重量の軽い一体化したブレード付きのロータを製造するように、多結晶ディスク／ロータに結合され得る。
【００３０】
新しい部材を製作するのに加えて、部材の損傷した部分も、本発明のＴＬＰ接合システムおよび方法によって修理できる。例えば、部材の損傷した部分は、除去することができ、その代わりの交換部分を、部材内へ挿入できる。次いで、交換部分は、本発明のサンドイッチ中間層４０によって部材の既存の部分に結合できる。割れもまた、本発明のサンドイッチ中間層４０を用いて修理できる。本発明によって部材を結合するのに必要な圧力は、非常に低いので、歪みおよび残留応力は、結合プロセス中に生成されない。
【００３１】
接合後にこのような部材を適切に熱処理することで、構造、機械的性質、および性能において元の部材材料にそっくりな構造上の接合部を内部に有する修理された部材が生成される。
【００３２】
（実施例）
各結合部が単結晶基体を多結晶基体に結合する二つのＴＬＰ接合された結合部を調製し、比較することによって、本発明のシステムおよび方法を評価した。第一の結合部は、既知の過渡液相接合システムおよび方法を用い、第二の結合部は、本発明の過渡液相接合システムおよび方法を用いた。これらのサンプルに用いた単結晶基体は、以下の公称組成すなわち、３〜１２ｗｔ．％のＣｒと、０〜３ｗｔ．％のＭｏと、３〜１０ｗｔ．％のＷと、０〜５ｗｔ．％のＲｅと、６〜１２ｗｔ．％のＴａと、４〜７ｗｔ．％のＡｌと、０〜１５ｗｔ．％のＣｏと、０〜０．０２ｗｔ．％のＢと、０〜０．１ｗｔ．％のＺｒと、０〜０．００４５ｗｔ．％のＣと、０〜０．８ｗｔ．％のＨｆと、０〜２ｗｔ．％のＣｂ／Ｎｂと、０〜１ｗｔ．％のＶと、０〜０．７ｗｔ．％のＴｉと、０〜１０ｗｔ．％の（Ｒｕ＋Ｉｒ＋Ｐｔ＋Ｐｄ＋Ｒｈ＋Ｏｓ）と、０〜０．１ｗｔ．％の（Ｙ＋Ｌａ＋Ｓｃ＋Ｃｅ＋ランタニド＋アクチニド）と、残部のＮｉと、を有する、ガスタービンエンジンブレードを作成するのに一般に使用される材料から成っていた。これらのサンプルに用いた多結晶基体は、以下の公称組成すなわち、６０ｗｔ．％のＮｉと、１２．４ｗｔ．％のＣｒと、１８．５ｗｔ．％のＣｏと、３．２ｗｔ．％のＭｏと、５．０ｗｔ．％のＡｌと、４．３ｗｔ．％のＴｉと、０．８ｗｔ．％のＶと、０．１ｗｔ．％のＺｒと、０．１ｗｔ．％のＣと、０．０２ｗｔ．％のＢと、を有する、ガスタービンエンジンディスク／ロータを作成するのに通常使用される材料から成っていた。
【００３３】
（実施例１）
この第一のサンプルでは、図１に示すように、単結晶基体１０を多結晶基体２０に結合する単一の中間層３０として、ＭＢＦ８０ホイルの単一のシートを用いた。ＭＢＦ８０ホイルのアモルファスシートは、約２５μｍの厚みであり、７９．３ｗｔ．％のニッケルと、１５．３ｗｔ．％のクロムと、１．５ｗｔ．％の鉄と、０．１ｗｔ．％のコバルトと、０．１ｗｔ．％のチタンと、０．１ｗｔ．％のアルミニウムと、３．７ｗｔ．％のホウ素と、０．１ｗｔ．％の炭素とから成る公称組成を有していた。この商業的に入手可能なＭＢＦ８０ホイルは、結合区域の凝固後に結合区域に亘ってほぼ均一な化学的分布を与えるように選択した。このシート中のホウ素は、融点降下剤であり、この融点降下剤によって、ＭＢＦ８０ホイルは、約１９４０°Ｆにおいて溶融し、この温度は、ここで使用する単結晶基体１０および多結晶基体２０両方についてのガンマプライムソルバス温度（ｇａｍｍａ  ｐｒｉｍｅ  ｓｏｌｖｕｓ）温度より低い。
【００３４】
約２０６５°Ｆの温度において真空中６０ｐｓｉで約４時間、このサンプルにＴＬＰ接合を遂行した。この温度は、単一の中間層３０の融点より高いが、しかしながら、基体１０、２０の融点より低い。その後、接合部内にガンマプライム析出物（ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｅ）を形成するように、接合後（ｐｏｓｔ−ｂｏｎｄ）熱処理を実施した。熱処理は、アッセンブリを約２０６５°Ｆに加熱し、そこでそれを約４時間保持し、次いでそれを約９０°Ｆ／ｍｉｎの速度で室温まで冷却する、ことを含んでいた。
【００３５】
接合の間に、ＭＢＦ８０ホイル中間層３０は、溶融し、内部のホウ素が、単結晶材料１０および多結晶材料２０の中へ拡散し、それによって、接合部３５および隣接領域内での有害なホウ化物の形成を最小限に抑えた。クロムを除いて、このＭＢＦ８０ホイル中間層３０には、強度貫通固溶体（ｓｔｒｅｎｇｔｈ  ｔｈｒｏｕｇｈ  ｓｏｌｉｄ  ｓｏｌｕｔｉｏｎ）およびガンマプライム形成を基体に与える合金元素が実質的に欠けていた。しかしながら、このような合金元素は、基体１０、２０内に存在しており、接合の間、これらの元素は、基体１０、２０から接合部３５内へと拡散し、それによって、接合部３５を強化した。
【００３６】
図３に示すように、この接合部３５内に近無欠陥（ｎｅａｒ  ｄｅｆｅｃｔ−ｆｒｅｅ）粗粒子状（ｃｏａｒｓｅ−ｇｒａｉｎｅｄ）微細構造が生成した。この粗粒子状微細構造は、より低い接合強度を意味することができ、より低い接合強度は、接合部３５の機械的性質（すなわち、疲労）に有害な影響を及ぼし得る。一旦接合されると、この接合部の中心では、硬度の顕著な低下（ｄｉｐ）が存在した。図３に示すように、接合部の縁部における硬度は、約４６３ビッカース硬度数（Ｖｉｃｋｅｒ’ｓ  Ｈａｒｄｎｅｓｓ  Ｎｕｍｂｅｒ）（ＶＨＮ）であったが、しかしながら、接合部の中心では、約４２６ＶＨＮであった。この硬度の低下は、基体１０、２０から接合部３５内への合金元素の拡散が、接合部３５の中心において横ばいになったことを示唆し得る。
【００３７】
（実施例２）
この第二のサンプルでは、図２に示すように、単結晶基体１０を多結晶基体２０に結合するのに、本発明の例示的なサンドイッチ中間層４０を用いた。サンドイッチ中間層４０は、二つの外側層４３と、これら二つの外側層４３間に挟まれた中間層４１とから成っていた。各外側層４３は、実施例１に使用したのと同じＭＢＦ８０ホイルの約２５μｍの厚みのアモルファスシートから成っていた。中間層４１は、以下の公称組成すなわち、６０ｗｔ．％のＮｉと、１２．４ｗｔ．％のＣｒと、１８．５ｗｔ．％のＣｏと、３．２ｗｔ．％のＭｏと、５．０ｗｔ．％のＡｌと、４．３ｗｔ．％のＴｉと、０．８ｗｔ．％のＶと、０．１ｗｔ．％のＺｒと、０．１ｗｔ．％のＣと、０．０２ｗｔ．％のＢと、を有する１０μｍ粉末の約１００μｍの厚みの層から成っていた。このサンドイッチ中間層４０の全体の厚みは、約１５０μｍの厚みであり、最終の接合された領域は、接合の間の粗大化に起因して、約２５０μｍの厚みであった。
【００３８】
実施例１において用いたのと同じ接合パラメータをここでも用いた。前のように、約２０６５°Ｆの温度において真空中６０ｐｓｉで約４時間、ＴＬＰ接合を遂行した。その後、接合部内にガンマプライム析出物を形成するように、接合後熱処理を実施した。熱処理は、アッセンブリを約２０６５°Ｆに加熱し、そこでそれを約４時間保持し、次いでそれを約９０°Ｆ／ｍｉｎの速度で室温まで冷却する、ことを含んでいた。
【００３９】
接合の間に、ＭＢＦ８０ホイルシート４３は、溶融し、粉末４１は、接合部４５の全体の組成が多結晶基体２０の組成に近いものとなるように、接合部４５内へ組み込まれた。このサンドイッチ中間層４０内で使用された粉末４１は、実施例１の中間層３０に比較して、多量の固溶体強化剤（ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｒ）およびガンマプライム形成剤（ｆｏｒｍｅｒ）を有しており、それによって、この接合部４５に、実施例１の接合部３５に比較して、向上した強度を与えた。
【００４０】
図４および図５に示すように、この接合部４５に微細な結晶粒（ｆｉｎｅ−ｇｒａｉｎｅｄ）のガンマ微細構造が生成した。サンプル１の接合部３５とは異なって、サンプル２の接合部４５は、図４に示すように、全体に亘って約４８０ＶＨＮのほぼ均一な硬度を有していた。実施例２の接合部についての引張り、疲労、クリープ、および衝撃特性などの機械的性質は、評価しなかったとはいえ、実施例２の向上した硬度およびより微細な微細構造は、実施例２の接合部４５が実施例１の接合部３５より優れていることを示している。
【００４１】
上述したように、本発明は、向上した過渡液相接合システムおよび方法を提供する。有利なことには、これらのシステムおよび方法は、既存の過渡液相接合システムおよび方法を用いて現在可能であるより強く、より均質な接合部を形成するのにサンドイッチ中間層を用いる。これらのサンドイッチ中間層は、任意の組成の基体を、類似していようと異なっていようと、一緒に結合するのに使用できる。また、これらのサンドイッチ中間層によって、そのような結合部内に、より微細な微細構造と、より均一な硬度とが得られる。多くの他の実施態様および利点は、当業者には明らかであろう。
【００４２】
本発明が満足させるさまざまな必要を果たす、本発明のさまざまな実施態様を説明した。これらの実施態様は、本発明のさまざまな実施態様の原理の単なる例示であることを理解する必要がある。本発明の多数の変形および適合は、本発明の精神および範囲から逸脱せずに当業者には明らかであろう。例えば、これらのサンドイッチ中間層は、類似のまたは異なる基体を一緒に結合するのに使用できるし、あるいは、損傷した基体を修理するのに使用できる。従って、本発明は、添付の請求項およびそれらの均等物の範囲に含まれる全ての適切な変形および変更を含むことが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】どのように単結晶基体が、従来技術において一般に使用されるような薄いホイル中間層を介して多結晶基体に結合され得るかを示す概略図である。
【図２】どのように単結晶基体が、本発明の実施態様において使用されるような例示的なサンドイッチ中間層を介して多結晶基体に結合され得るかを示す概略図である。
【図３】図１に図示されるような薄いホイル中間層を介して多結晶基体に結合される単結晶基体を示すＳＥＭ顕微鏡写真である（「ＢＯＮＤ  ＬＩＮＥ」は、「接合線」を意味する）。
【図４】図２に図示されるような例示的なサンドイッチ中間層を介して多結晶基体に結合される単結晶基体を示すＳＥＭ顕微鏡写真である（「ＰＯＷＤＥＲ  ＦＩＬＬ」は、「粉末充填」を意味する）。
【図５】図４に示される接合部の微細な結晶粒のガンマ微細構造をより高倍率で示すＳＥＭ顕微鏡写真である（「ＢＯＮＤ  ＬＩＮＥ」は、「接合線」を意味する）。
【符号の説明】
【００４４】
１０…単結晶基体
２０…多結晶基体
３０…単一の中間層
３５…接合部
４０…サンドイッチ中間層
４１…中間接合層
４３…外側接合層
４５…接合部
【図１】
2006102814.tif 000003
【図２】
2006102814.tif 000004
【図３】
2006102814.tif 000005
【図４】
2006102814.tif 000006
【図５】
2006102814.tif 000007