(57)【要約】【課題】高強度ニッケル基合金の溶接に適した組成を提供する。【解決手段】合金は、約３０重量％〜９５重量％の量の高温溶融超合金、および約０重量％〜７０重量％の量の低温溶融超合金を含むマトリックスを含む。合金は、マトリックス中に分散した約２体積％〜５０体積％の量のセラミック補強材も含む。【選択図】図７
2018171644.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
約３０重量％〜９５重量％の量の高温溶融超合金、および
約０重量％〜７０重量％の量の低温溶融超合金
を含むマトリックスと、
前記マトリックス中に分散した約２体積％〜５０体積％の量のセラミック補強材と
を備える合金。
【請求項２】
前記低温溶融超合金の前記量は、約１重量％〜７０重量％である、請求項１に記載の合金。
【請求項３】
前記高温溶融超合金は、摂氏約１３１５度（℃）よりも高い溶融温度を有し、前記低温溶融超合金は、約１２９０℃よりも低い範囲の溶融温度を有する、請求項１に記載の合金。
【請求項４】
前記高温溶融超合金は、鉄基、コバルト基、および／またはニッケル基の超合金を含む、請求項１に記載の合金。
【請求項５】
前記低温溶融超合金は、鉄基、コバルト基、および／またはニッケル基のロウ付け用合金を含む、請求項１に記載の合金。
【請求項６】
前記セラミック補強材は、炭化ケイ素繊維、窒化チタン繊維、チタンナノチューブ、炭化チタン繊維、または炭化チタンナノチューブを含む、請求項１に記載の合金。
【請求項７】
前記高温溶融超合金の前記量は、約５０重量％〜９５重量％であり、前記低温溶融超合金の前記量は、約２重量％〜５０重量％であり、前記セラミック補強材の前記量は、５％〜５０％である、請求項１に記載の合金。
【請求項８】
前記高温溶融超合金の前記量は、約７５重量％であり、前記低温溶融超合金の前記量は、約１５重量％であり、炭化ケイ素ナノチューブまたは補強材の前記量は、約１０重量％または約３０体積％である、請求項１に記載の合金。
【請求項９】
溶接プロセス中に被加工物（６４）に溶着するように構成されたロッド、ワイヤ、またはプレートを備える溶接用フィラー（７０）であって、前記ロッド、前記ワイヤ、または前記プレートは、
約３０重量％〜９５重量％の量の高温溶融超合金、および
約０重量％〜７０重量％の量の低温溶融超合金
を含むマトリックスと、
前記マトリックス中に分散した約２体積％〜５０体積％の量のセラミック補強材と
を備える、溶接用フィラー（７０）。
【請求項１０】
前記低温溶融超合金の前記量は、約１重量％〜７０重量％である、請求項９に記載の溶接用フィラー（７０）。
【請求項１１】
前記高温溶融超合金は、摂氏約１３１５度（℃）よりも高い溶融温度を有し、前記低温溶融超合金は、約１２９０℃よりも低い範囲の溶融温度を有する、請求項９に記載の溶接用フィラー（７０）。
【請求項１２】
前記溶接用フィラー（７０）は、タングステン不活性ガス（ＴＩＧ）溶接ロッドである、請求項９に記載の溶接用フィラー（７０）。
【請求項１３】
前記セラミック補強材は、炭化ケイ素繊維、窒化チタン繊維、窒化チタンナノチューブ、炭化チタン繊維、または炭化チタンナノチューブを含む、請求項９に記載の溶接用フィラー（７０）。
【請求項１４】
前記高温溶融超合金の前記量は、約５０重量％〜９５重量％であり、前記低温溶融超合金の前記量は、約２重量％〜５０重量％であり、前記セラミック補強材の前記量は、５％〜５０％である、請求項９に記載の溶接用フィラー（７０）。
【請求項１５】
前記高温溶融超合金の前記量は、約７５重量％であり、前記低温溶融超合金の前記量は、約１５重量％であり、前記セラミック補強材の前記量は、約１０重量％または約３０体積％である、請求項９に記載の溶接用フィラー（７０）。
【請求項１６】
ガスタービンシステム（１０）の高温ガス部品であって、溶着物（９０）を有し、前記溶着物（９０）は、
約３０重量％〜９５重量％の量の高温溶融超合金と、
約０重量％〜７０重量％の量の低温溶融超合金と、
前記高温溶融超合金および前記低温溶融超合金の全体積に対して約２体積％〜５０体積％の量のセラミック補強材と
を含む、部品。
【請求項１７】
前記低温溶融超合金の前記量は、約１重量％〜７０重量％である、請求項１６に記載の部品。
【請求項１８】
前記高温溶融超合金は、鉄基、コバルト基、および／またはニッケル基の超合金を含む、請求項１６に記載の溶接用フィラー（７０）。
【請求項１９】
前記低温溶融超合金は、鉄基、コバルト基、および／またはニッケル基のロウ付け用合金を含む、請求項１６に記載の溶接用フィラー（７０）。
【請求項２０】
前記高温溶融超合金の前記量は、約７５重量％であり、前記低温溶融超合金の前記量は、約１５重量％であり、前記セラミック補強材の前記量は、約１０重量％または約３０体積％である、請求項１６に記載の溶接用フィラー（７０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示される主題は、概して溶接用溶加材の分野に関し、特に、高強度ニッケル基合金の溶接に適した組成に関する。
【背景技術】
【０００２】
溶接は、金属合金同士を接合するために使用できるプロセスである。より広くは、母材金属被加工物上に金属溶着物を形成する任意のプロセスを溶接とみなすことができる。溶接作業中、母材金属の溶融部分および溶加材に（例えば、電気アークによる）熱が集中的に加えられ、それらは溶融物溜りで混ざり合い、凝固時に溶着物を形成する。溶加材は、ワイヤ、ロッド、プレートなどの形とすることができ、概ね、母材金属と合致する機械的特性および／または適合する化学組成を有する。金属製の構成要素または部品の製造中、修復中、稼働中、および／または造形中に溶接作業を行うことができる。溶接作業を容易にするには、一般に、溶加材および／または母材金属の溶接性が良好であることが望ましい。
【０００３】
ガンマプライム（γ’）析出強化合金とも呼ばれる超合金は、極度の温度、圧力、および／または腐食状況に晒される部品を製造するために用いられる高性能合金である。超合金としては、鉄（Ｆｅ）基、コバルト（Ｃｏ）基、およびニッケル（Ｎｉ）基の超合金が挙げられる。超合金は、温度依存性の平衡状態で存在する、ガンマ（γ）相およびガンマプライム（γ’）相を有し、γ’相は、超合金の強度を大きく左右する。超合金が加熱されると、γ’相は、可逆的に溶解してγ相となり、合金の強度を一時的に低下させる。例えば、超合金は、その温度が室温から華氏約１８００度（°Ｆ）まで上昇すると、２０％以上のγ’相を喪失することがある。よって、合金が高温条件に晒されるときに十分なγ’相が存在し続けることを確実にするには、一般に、超合金が室温で相当量のγ’相を有することが望ましい。しかし、室温で相当量のγ’相を有する超合金は、強度がより高くなる傾向にある一方、溶接性の不良を蒙る傾向にもある。
【発明の概要】
【０００４】
最初に請求する本発明の範囲に相応する特定の実施形態を、以下に要約する。これらの実施形態は、請求される発明の範囲を限定しようとするものではなく、本発明の、可能性がある形式の概要を提供しようとするものにすぎない。実際、本発明は、以下に記載される実施形態と類似してもよく、あるいは異なってもよい様々な形態を含むことができる。
【０００５】
一実施形態では、合金は、約３０重量％〜９５重量％の量の高温溶融超合金、および約０重量％〜７０重量％の量の低温溶融超合金を含むマトリックスを含む。合金は、マトリックス中に分散した約２体積％〜５０体積％の量のセラミック補強材も含む。
【０００６】
別の実施形態では、溶接用フィラーは、溶接プロセス中に被加工物に溶着するように構成された、ロッド、ワイヤ、またはプレートを含む。溶接用フィラーは、約３０重量％〜９５重量％の量の高温溶融超合金、および約０重量％〜７０重量％の量の低温溶融超合金を含むマトリックスを含む。溶接用フィラーは、マトリックス中に分散した約２体積％〜５０体積％の量のセラミック補強材も含む。
【０００７】
別の実施形態では、ガスタービンシステムの高温ガス部品は、溶着物を含む。溶着物は、約３０重量％〜９５重量％の量の高温溶融超合金、および約０重量％〜７０重量％の量の低温溶融超合金を含む。溶着物は、高温溶融超合金および低温溶融超合金の全体積に対して約２体積％〜５０体積％の量のセラミック補強材も含む。
【０００８】
本発明のこれら及び他の特徴、態様ならびに利点は、図面を通して同様の文字が同様の部品を表している添付図面を参照して以下の詳細な説明が読まれるときに、より良く理解されることになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本開示の実施形態によるガスタービンシステムのブロック図である。
【図２】本開示の実施形態によるタングステン不活性ガス（ＴＩＧ）システムの概略側面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、溶加材と母材金属の間に形成された溶着物のミクロ組織を示す図であり、溶着物は補強組成を有している。
【図３Ｂ】図３Ｂは、本開示の実施形態による溶着物の異なる領域から得られたミクロ組織を示す図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、本開示の実施形態による溶着物の異なる領域から得られたミクロ組織を示す図である。
【図３Ｄ】図３Ｄは、本開示の実施形態による溶着物の異なる領域から得られたミクロ組織を示す図である。
【図４Ａ】図４Ａは、（図３Ａの代表的な領域から得られた）走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、（図３Ｂの代表的な領域から得られた）走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、（図３Ｃの代表的な領域から得られた）走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。
【図４Ｄ】図４Ｄは、本開示の実施形態による、図４Ｃに示されたＳＥＭ画像に対応するエネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＳ）マッピングであり、元素状態のニッケルの分布を示している。
【図４Ｅ】図４Ｅは、本開示の実施形態による、図４Ｃに示されたＳＥＭ画像に対応するエネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＳ）マッピングであり、元素状態のコバルトの分布を示している。
【図４Ｆ】図４Ｆは、本開示の実施形態による、図４Ｃに示されたＳＥＭ画像に対応するエネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＳ）マッピングであり、元素状態のアルミニウムの分布を示している。
【図４Ｇ】図４Ｇは、本開示の実施形態による、図４Ｃに示されたＳＥＭ画像に対応するエネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＳ）マッピングであり、元素状態のクロムの分布を示している。
【図４Ｈ】図４Ｈは、本開示の実施形態による、図４Ｃに示されたＳＥＭ画像に対応するエネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＳ）マッピングであり、元素状態のケイ素の分布を示している。
【図４Ｉ】図４Ｉは、本開示の実施形態による、図４Ｃに示されたＳＥＭ画像に対応するエネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＳ）マッピングであり、元素状態のチタンの分布を示している。
【図５】本開示の実施形態による、図３Ａに示された溶着物の異なる領域を横切る測線に沿って行われた硬度トラバース測定の結果を示すプロットであり、溶着物は補強組成を有する。
【図６Ａ】本開示の実施形態による、非補強組成を有する溶着物から得られたミクロ組織を示す図である。
【図６Ｂ】本開示の実施形態による、図６Ａに示された溶接用継手の異なる領域を横切る測線に沿って行われた硬度トラバース測定の結果を示すプロットである。
【図７】本開示の実施形態による、図３Ａに示された補強組成を有する溶接用継手から得られた硬度トラバース測定の結果と、図６Ａに示された非補強組成を有する溶接用継手から得られた硬度トラバース測定の結果との比較を示すプロットである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下で、本発明の１つ以上の具体的な実施形態を説明する。これらの実施形態の簡潔な説明を提供しようと努力しても、実際の実施のすべての特徴を本明細書に記載することができるというわけではない。任意のエンジニアリングまたは設計プロジェクトにおけるような、任意のこのような実際の実装の開発においては、例えば、システム関連およびビジネス関連の制約の遵守のような開発者の特定の目標を達成するために、別の実装によって異なる可能性がある多くの実装の詳細が決定される必要があることを理解されたい。さらに、このような開発作業は複雑で時間がかかるかもしれないが、それでも、この開示の利益を得る当業者にとっては、設計、製作、および製造の日常的な仕事であることを理解されたい。
【００１１】
本発明の様々な実施形態の要素を導入する場合に、単数の表現（「１つの（ａ、ａｎ）」）および「前記（ｔｈｅ、ｓａｉｄ）」は１つ以上の要素があることを意味するものである。「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、および「有する（ｈａｖｉｎｇ）」という用語は、包括的なものであって、列挙された要素以外の付加的な要素があり得ることを意味するものである。
【００１２】
述べたように、超合金は、ガスタービンシステムのタービンブレードなどの構成要素が高温環境に晒される場所で様々な用途に用いることができる。例えば、γ’析出物は、超合金の機械的強度および耐クリープ性（例えば、耐熱クリープ性）に大きく寄与する。述べたように、所与の化学組成の場合、温度が高くなると、γ’相は、溶解してγマトリックスとなり、γ’含有量は低下する。昇温状態で高いγ’含有量を維持するには、室温でγ’含有量がより高い超合金を用いることができる。しかし、このことは一般に、超合金の溶接性を低くするというトレードオフを伴う。
【００１３】
特に、現在の技術的手法では、相対的に高いγ’含有量を有する超合金は、昇温状態で合金強度を維持することができ、また（例えば、高温安定性により）溶接を困難にすることもある。反対に、室温で良好な溶接性を伴う超合金は、一般に、昇温状態で強度の低下を蒙る。同様に、超合金溶加材は、超合金被加工物と合致する機械的特性および／または適合する化学的組成を有することがあり、このような溶加材の溶接性が不良となることもある。
【００１４】
この点をふまえて、本実施形態は、昇温状態での高い機械的強度と室温での良好な溶接性との両方を有する溶接用溶加材に向けられる。以下で議論するように、本開示は、良好な溶接性と、γ’高含有超合金自体の特性に匹敵する、昇温状態での高い機械的強度との両方を可能にする、補強組成を有する溶加材によってγ’高含有超合金の溶接を向上させる。以下でより詳細に議論するように、補強組成を有する溶加材は、概して、華氏約２４００度（°Ｆ）（摂氏約１３１５度（℃））以上の溶融温度を有する１つ以上の高温溶融超合金（例えば、Ｆｅ基、Ｃｏ基、またはＮｉ基の超合金）と、約２３５０°Ｆ（約１２９０℃）以下の溶融温度を有する１つ以上の低温溶融超合金（例えば、ロウ付け合金またはロウ付け用合金）と、１つ以上の補強材（例えば、セラミック、炭化ケイ素ナノチューブ、炭化ケイ素繊維）との組み合わせを含む。補強材は、γ’析出物の役割を果たすことができる。例えば、補強材は、ミクロ組織中に存在し、顕微鏡レベルで合金を強化する補強として役立つことができる。さらに、補強材は、温度が変化するときに、溶解せず合金のマトリックスから発生もせず、合金の溶接性に無視できるほどの影響を及ぼすことがある。よって、本実施形態は、良好な溶接性を伴う溶加材の製造を可能にし、γ’高含有超合金と同様の機械的特性を有する溶着物をもたらす。
【００１５】
図面に目を向けると、図１は、ガスタービンシステム１０の実施形態のブロック図を示しており、同システムは、本開示の溶加材から作られた溶着物を含む構成要素または部品を含むことができ、同溶加材は、良好な機械的特性（例えば、強度、耐クリープ性、耐熱クリープ性）および溶接性（例えば、溶融、流動、濡れ）をもたらす。示すように、ガスタービンシステム１０は、圧縮機１２、タービン燃焼機１４、およびタービン１６を含み、タービン１６は、１つ以上の個別のステージ１８を含むことができる。ガスタービンシステム１０は、液体燃料および／または天然ガスもしくは合成ガスなどの気体燃料２２を受け入れるように構成された１つ以上の燃料ノズル２０を含む１つ以上の燃焼機１４を含むことができる。タービン燃焼機１４は、混合気に点火して燃焼させた後に、高温加圧燃焼ガス２４（例えば、排気）をタービン１６に送る。タービンブレードはシャフト２６に接続され、同シャフトはまた、ガスタービンシステム１０全体にわたるいくつかの他の構成要素に接続される。
【００１６】
燃焼ガス２４がタービン１６のタービンブレードを通過するときに、タービン１６は、駆動されて回転し、シャフト２６を回転させる。最終的に、燃焼ガス２４は、排気口２８を介してガスタービンシステム１０から出る。シャフト２６は、負荷３０に接続することができ、同負荷３０は、シャフト２６の回転により動力供給される。吸気口３２が空気３４を圧縮機１２に送り、圧縮機１２内のブレードの回転によって、空気３４が圧縮されて加圧空気３６が発生する。加圧空気３６は次いで、タービン燃焼機１４の燃料ノズル２０に送られる。燃料ノズル２０は、加圧空気３６と燃料２２を混合して、燃焼（例えば、燃料をより完全に燃やす燃焼）に適した混合比をもたらす。
【００１７】
よって、燃焼プロセスにより排出される高温ガスによる高温に晒される、ガスタービンシステム１０の多くの構成要素または部品が存在しうる。例えば、タービン燃焼機１４内にある、および／または排気口２８などタービン燃焼機１４の下流にある構成要素または部品が挙げられる。具体的な例によれば、それらの高温ガス路構成要素としては、非限定的に、ガスタービンシステム１０の数ある部品の中でも、ノズル、バケット、ダイヤフラム、ステータシュラウド、タービンブレードを挙げることができる。
【００１８】
理解されるように、本明細書に記述される溶加材は、ガスタービンシステム１０の高温ガス路の任意の超合金構成要素を溶接する（例えば、溶接継手を形成する、割れを修復する、表面を直す）ために用いることができ、超合金構成要素の機械的特性（例えば、機械的強度、耐クリープ性、耐熱クリープ性）またはそれ以上の機械的特性をもたらす。さらに、開示される溶加材は、ガスタービンシステム、蒸気タービンシステム、気化システム、および／または、昇温状態での高い機械的強度とともに室温での良好な溶接性を可能にする溶加材を用いることが望ましい任意の他のシステムなど、任意の適当なシステムの超合金構成要素を溶接するために用いることができる。
【００１９】
図２は、補強組成を有する溶加材を使用（例えば、消費）して、γ’高含有超合金を溶接できる溶接システム５０を示している。例示される実施形態では、溶接システム５０は、タングステン不活性ガス（ＴＩＧ）溶接システムとしても知られるガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）システムである。ＴＩＧシステムは非限定的な例として示されており、開示される溶加材は、任意の他の適当な溶接システムで用いてもよいことに留意されたい。例示の溶接システム５０は、電源５２と、シールドガス源５４と、タングステン電極５８（電源５２に接続される）およびガスノズル６０（シールドガス源５４に接続される）を含む溶接用トーチまたはヘッド５６とを含む。いくつかの実施形態では、溶接システム５０は、ＴＩＧ溶接システム５０の動作を制御できる他の構成要素（例えば、電力変換回路、制御回路、プロセッサ、メモリ、オペレータインタフェースなど）も含むことができる。電源５２によりタングステン電極５８に供給される溶接電流が、距離６６だけ離れたタングステン電極５８と被加工物６４の間に溶接用アーク６２を引き起こす。溶接用アーク６２が生じると、オペレータが、溶接エリア６８の周辺でトーチ５６を移動させることができ、被加工物６４の一部分が、溶接用アーク６２により溶融される。同時に、オペレータは一般に、開示される溶加材７０を溶接エリア６８に手で送る。溶加材７０は、ロッド、ワイヤ、プレートなどの形をとることができ、以下で議論されるような特定の組成を有する。同時に、ガスノズル６０は、溶接溜りを含む溶接エリア６８を大気汚染から保護するために、シールドガス源５４から溶接エリア６８に不活性ガス７２（例えば、アルゴン、ヘリウム）の流れを提供する。
【００２０】
述べたように、開示される溶加材７０は、γ’高含有超合金の被加工物６４の溶接を可能にする。特に、様々な実施形態では、溶加材７０は、Ｆｅ基、Ｃｏ基、およびＮｉ基の超合金を含む、様々なγ’高含有超合金と互換の機械的特性および化学組成を有する。さらに、開示される溶加材７０は、良好な溶接性（例えば、より低い融点、良好な流動特性、良好な濡れ性）を有し、もって、難溶接性のγ’高含有超合金の機械的特性を実現できる易溶接性溶加材となる。
【００２１】
述べたように、溶加材７０としては概して、１つ以上の高温溶融超合金（例えば、Ｆｅ基、Ｃｏ基、またはＮｉ基の超合金）と、１つ以上の低温溶融超合金（例えば、ロウ付け合金またはロウ付け用合金）と、１つ以上の補強材（例えば、セラミック粒子、無機ナノ構造体）との組み合わせが挙げられ、それらの全ては本開示の特性を可能にするように協働する。本明細書では、「高温溶融」および「低温溶融」とは、溶接の分野で、特にＴＩＧ溶接の分野で高い溶融温度および低い溶融温度とみなされうる温度と理解されることを意図している。よって、本明細書で議論される高温溶融超合金としては、概して華氏約２４００度（°Ｆ）（摂氏約１３１５度（℃））よりも高い溶融温度の合金が挙げられる。同様に、低温溶融超合金としては、約２３５０°Ｆ（約１２９０℃）よりも低い溶融温度のロウ付け合金またはロウ付け用合金が含まれる。いくつかの実施形態では、１つ以上の高温溶融超合金としては、Ｒｅｎｅ−１４２、Ｉｎｃｏｎｅｌ−７３８、ＧＴＤ−１１１、Ｈａｙｎｅｓ−２３０、およびＨａｙｎｅｓ−２８２など、Ｆｅ基、Ｃｏ基、および／またはＮｉ基の超合金を挙げることができる。いくつかの実施形態では、１つ以上の高温溶融超合金としては、Ｉｎｃｏｎｅｌ−６２５、Ｉｎｃｏｎｅｌ−６１７、Ｉｎｃｏｎｅｌ−７１８、Ｉｎｃｏｎｅｌ−７３９、Ｉｎｃｏｎｅｌ−７３８、ＧＴＤ−２６２、ＧＴＤ−２９２、Ｈａｙｎｅｓ−２１４、Ｒｅｎｅ−８０、Ｒｅｎｅ−９４、および／またはＲｅｎｅ−１０８を挙げることができる。いくつかの実施形態では、１つ以上の高温溶融超合金としては、アメリカ合衆国インディアナ州Ｋｏｋｏｍｏを本拠地とするＨａｙｎｅｓ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，ＩＮＣ．から販売されているＨＡＳＴＥＬＬＯＹ（登録商標）Ｗなど、Ｎｉ基、モリブデン（Ｍｏ）基、Ｆｅ基、クロム（Ｃｒ）基、Ｃｏ基の超合金を挙げることができる。
【００２２】
いくつかの実施形態では、１つ以上の高温溶融超合金としては、Ｒｅｎｅ−１４２、Ｉｎｃｏｎｅｌ−７３８、およびＧＴＤ−１１１など、ニッケル、コバルトおよび／または鉄を含む難溶接性超合金を挙げることができる。いくつかの実施形態では、１つ以上の高温溶融合金としては、ＧＴＤ−２２２、Ｈａｙｎｅｓ−２３０、およびＨａｙｎｅｓ−２８２など、ニッケル、コバルトおよび／または鉄を含む易溶接性超合金を挙げることができる。本明細書では、「難溶接性」および「易溶接性」とは、溶接の分野で溶接が困難である、および容易であるとみなされうる溶接と理解されることを意図している。例えば、難溶接性超合金は、約３０体積％以上のγ’相を含有することができ、易溶接性超合金は、約３０体積％のγ’相を含有することができる。例えば、難溶接性超合金は、アルミニウム（Ａｌ）およびチタン（Ｔｉ）含有量に関する超合金歪み時効割れ感受性チャート（ＳＡＣＳＣ）中の閾値ラインを上回るものとすることができ（例えば、閾値ラインはＡｌおよびＴｉの含有量の関数、Ａｌ＝−０．５Ｔｉ＋３である）、それにより超合金の溶接性を低くする。例えば、易溶接性超合金は、ＡｌおよびＴｉの含有量に関するＳＡＣＳＣ中の閾値ラインを下回るものとすることができ、それにより超合金の溶接性を高める。上記の高温溶融超合金および低温溶融超合金は、非限定的な例として列挙されており、溶加材７０は、任意の他の適当な高温溶融材および／または低温溶融材を含んでよいことに留意されたい。
【００２３】
いくつかの実施形態では、１つ以上の低温溶融超合金としては、ＤＦ４Ｂ、ＢＮｉ−２、ＢＮｉ−５、ＢＮｉ−９、およびＢ９３ロウ付け用合金、ならびにニッケル基拡散ロウ付け用合金（例えば、ＢＲＢ）など、Ｆｅ基、Ｃｏ基、および／またはＮｉ基の超合金など、ケイ素および／またはホウ素を含むロウ付け用合金を挙げることができる。いくつかの実施形態では、低温溶融超合金としては、２０１１年１０月１４日に出願された「Ｂｒａｚｉｎｇ  Ｐｒｏｃｅｓｓ，Ｂｒａｚｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ，ａｎｄ  Ｂｒａｚｅｄ  Ａｒｔｉｃｌｅ」と題する米国特許第９，１８０，５３８号で議論されているロウ付け材を挙げることができ、同文献は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。例えば、ロウ付け材の組成は、重量で、約１２％〜約２０％のＰｄ、約０．１％〜約５％のＢ／Ｓｉ、約２％〜約１６％のＡｌ、約７％〜約１５％のＣｒ、残りのＮｉ、および随伴不純物である。例えば、ロウ付け材の組成は、重量で、約１２％〜約２０％のＰｄ、約０．１％〜約５％のＢ／Ｓｉ、約２％〜約１６％のＡｌ、約７％〜約１５％のＣｒ、約３％〜約１０％のＴｉ、残りのＮｉ、および随伴不純物である。
【００２４】
例えば、ロウ付け材の組成は、重量で、約１２％〜約２０％のＰｄ、約０．１％〜約５％のＢ／Ｓｉ、約２％〜約１６％のＡｌ、約７％〜約１５％のＣｒ、約３％〜約１０％のＴｉ、約１％〜約３％のＴａ、約０．５％〜約３％のＺｒ、残りのＮｉ、および随伴不純物である。例えば、ロウ付け材の組成は、重量で、約１２％〜約２０％のＰｄ、約０．１％〜約５％のＢ／Ｓｉ、約２％〜約１６％のＡｌ、約７％〜約１５％のＣｒ、約３％〜約１０％のＴｉ、約１％〜約１５％のＣｏ、および残りのＮｉである。例えば、ロウ付け材の組成は、重量で、約１２％〜約２０％のＰｄ、約０．１％〜約２％のＢ、約２％〜約１６％のＡｌ、約７％〜約１５％のＣｒ、約３％〜約１０％のＴｉ、約１％〜約３％のＴａ、約０．５％〜約３％のＺｒ、残りのＮｉ、および随伴不純物である。
【００２５】
例えば、ロウ付け材の組成は、重量で、約１２％〜約２０％のＰｄ、約２％〜約５％のＳｉ、約２％〜約１６％のＡｌ、約７％〜約１５％のＣｒ、約３％〜約１０％のＴｉ、約１％〜約３％のＴａ、約０．５％〜約３％のＺｒ、残りのＮｉ、および随伴不純物である。例えば、ロウ付け材の組成は、重量で、約１０％〜約１５％のＰｄ、約３％〜約５％のＳｉ、約１５％〜約２８％のＴｉ、約１０％〜約１８％のＺｒ、残りのＮｉ、および随伴不純物である。例えば、ロウ付け材の組成は、重量で、約１２％〜約２０％のＰｄ、約０．１％〜約５％のＢ／Ｓｉ、約２％〜約１６％のＡｌ、約７％〜約１５％のＣｒ、約０．５％〜約２．５％のＴａ、残りのＮｉ、および随伴不純物である。
【００２６】
例えば、ロウ付け材の組成は、重量で、約６．４％のＡｌ、約９．３％のＣｏ、約１５．６％のＣｒ、約０．９％のＭｏ、約１．０％のＴａ、約６％のＴｉ、約１．３％のＷ、約０．５％のＣ、残りのＮｉ、および随伴不純物である。例えば、ロウ付け材の組成は、重量で、約０．１５％〜約０．１９％のＣ、約１３．７％〜約１４．３％のＣｒ、約９．０％〜約１０．０％のＣｏ、約４．８％〜約５．２％のＴｉ、約２．８％〜約３．２％のＡｌ、約３．７％〜約４．３％のＷ、約３．７％〜約４．３％のＭｏ（最小約７．７％のＷとＭｏの組み合わせを伴う）、残りのＮｉである。例えば、ロウ付け材の組成は、重量で、最大約０．０２％〜約０．０５％のＣ（またはより具体的に０％のＣ）、約８％〜約２３％のＣｒ（またはより具体的に約１４．８％〜約１５．８％のＣｒまたは約１５．３％のＣｒ）、約４％〜約１８％のＣｏ（またはより具体的に、約９．５％〜約１１．０％のＣｏまたは約１０．２５％のＣｏ）、約１．５％〜約６．０％のＴａ（またはより具体的に、約３．０％〜約３．８％のＴａまたは約３．４％のＴａ）、約１．０％〜約６．０％のＡｌ（またはより具体的に、約３．２％〜約３．７％のＡｌまたは３．４５％のＡｌ）、約０．３％〜１．５％のＢ（またはより具体的に、約０．８〜約１．２％のＢまたは１．０％のＢ）、約２．０％〜約６．０％のＳｉ（またはより具体的に、約３．５％〜約４．１％のＳｉまたは約３．８％のＳｉ）、残りのＮｉ、および随伴不純物である。
【００２７】
例えば、ロウ付け材の組成は、重量で、約１１．４５％〜約１２．０５％のＣｏ、約６．６％〜約７．０％のＣｒ、約５．９４％〜約６．３％のＡｌ、約１．３％〜約１．７％のＭｏ、約４．７％〜約５．０％のＷ、約６．２％〜約６．５％のＴａ、約２．６％〜約３．０％のＲｅ、約１．３％〜約１．７％のＨｆ、約０．１０％〜約０．１４％のＣ、最大約０．０２％のＴｉ、残りのＮｉ、および随伴不純物である。例えば、ロウ付け材の組成は、重量で、約０．１３％〜０．１９％のＣ、約１３．７％〜１４．３％のＣｒ、約９．０％〜１０．０％のＣｏ、約４．６％〜５．２％のＴｉ、約２．８％〜３．２％のＡｌ、約０．５％〜０．８％のＢ、約４．２％〜４．８％のＳｉ、残りのＮｉ、および随伴不純物である。例えば、ロウ付け材の組成は、重量で、最大約０．０１％のＣ、約１８．５％〜１９．５％のＣｒ、最大約０．０３％のＢ、約９．８％〜１０．３％のＳｉ、残りのＮｉ、および随伴不純物である。
【００２８】
例えば、ロウ付け材の組成は、重量で、約８％〜２３％のＣｒ、約４％〜１８％のＣｏ、約１．５％〜６．０％のＴａ、約１．０％〜６．０％のＡｌ、約０．３％〜１．５％のＢ、約２．０％〜６．０％のＳｉ、最大約０．２％のＣ、残りのＮｉ、および随伴不純物である。例えば、ロウ付け材の組成は、重量で、約０．１５％〜０．１９％のＣ、約１３．７％〜１４．３％のＣｒ、約９．０％〜１０．０％のＣｏ、約４．８％〜５．２％のＴｉ、約２．８％〜３．２％のＡｌ、約３．７％〜４．３％のＷ、約３．７％〜４．３％のＭｏ（またはより具体的に、約７．７％よりも多いＷおよびＭｏ組み合わせ）、残りのＮｉ、および随伴不純物である。例えば、ロウ付け材の組成は、重量で、約０．１０％〜０．１４％のＣ、約６．６％〜７．０％のＣｒ、約１１．４５％のＣｏ、最大約０．２％のＴｉ、約６．２％〜６．５％のＴａ、約５．９４％〜６．３％のＡｌ、約４．７％〜５．０％のＷ、約１．３％〜１．７％のＭｏ、約１．３％〜１．７％のＨｆ、約２．６％〜３．０％のＲｅ、残りのＮｉ、および随伴不純物である。
【００２９】
例えば、ロウ付け材の組成は、重量で、約０．０１％〜約０．０３％のＣ、約７．４％〜７．８％のＣｒ、約２．９％〜３．３％のＣｏ、約５．３％〜５．６％のＴａ、約７．６％〜８．０％のＡｌ、約３．７％〜４．０％のＷ、約０．０１％〜０．０２％のＢ、約０．１２％〜０．１８％のＨｆ、約１．５％〜１．８％のＲｅ、約０．５％〜０．６％のＳｉ、残りのＮｉ、および随伴不純物である。例えば、ロウ付け材の組成は、重量で、最大約０．０５％のＣ、約１４．８％〜１５．８％のＣｒ、約９．５％〜１１．０％のＣｏ、約３．０％〜３．８％のＴａ、約３．２％〜３．７％のＡｌ、約２．１％〜２．５％のＢ、残りのＮｉ、および随伴不純物である。例えば、ロウ付け材の組成は、重量で、最大約０．０１％のＣ、約１８．５％〜１９．５％のＣｒ、最大約０．０３％のＢ、約９．８％〜１０．３％のＳｉ、残りのＮｉ、および随伴不純物である。
【００３０】
例えば、ロウ付け材の組成は、重量で、約５０．２５％のＮｉ、約４２％のＦｅ、約４．５％のＳｉ、約３．２５％のＢ、および随伴不純物である。例えば、ロウ付け材の組成は、重量で、約１５．０％〜１７．０％のＭｏ、約１４．５％〜１６．５％のＣｒ、約４．０％〜７．０％のＦｅ、約３．０％〜４．５％のＷ、最大約２．５％のＣｏ、残りのＮｉ、および随伴不純物である。例えば、ロウ付け材の組成は、重量で、約９％〜１１％のＣｏ、約７％〜９％のＣｒ、約９％〜１１％のＷ、約２．５％〜３．５％のＴａ、約５％〜６％のＡｌ、約０．５％〜１．５％のＴｉ、約０．６％〜０．８％のＭｏ、約１．３％〜１．７％のＨｆ、約０．０３％〜０．０８％のＺｉ、約０．０１％〜０．０２％のＢ、約０．１３％〜０．１７％のＣ、残りのＮｉ、および随伴不純物である。
【００３１】
例えば、ロウ付け材の組成は、重量で、約１９％〜２１％のＣｒ、約２．５％〜３．５％のＴａ、約２．５％〜３．５％のＢ、約０．００３％〜０．００５％のＹ、残りのＮｉ、および随伴不純物である。例えば、ロウ付け材の組成は、重量で、約０．１％のＣ、約２２％のＣｒ、約９％のＭｏ、約０．５％のＷ、約１％のＣｏ、約１９％のＦｅ、残りのＮｉ、および随伴不純物である。例えば、ロウ付け材の組成は、重量で、約０．１％のＣ、約２２％のＣｒ、約２％のＭｏ、約１４％のＷ、約０．３％のＡｌ、約０．５％のＭｎ、約０．４％のＳｉ、約０．０２％のＬａ、残りのＮｉ、および随伴不純物である。
【００３２】
例えば、ロウ付け材の組成は、重量で、約１０％のＷ、約１０％のＣｏ、約８％のＣｒ、約５％のＡｌ、約３％のＴａ、約１％のＨｆ、約１％のＴｉ、約０．７％のＭｏ、約０．２％のＣ、残りのＮｉ、および随伴不純物である。例えば、ロウ付け材の組成は、重量で、約１５．０％〜１７．０％のＭｏ、約１４．５％〜１６．５％のＣｒ、約４．０％〜７．０％のＦｅ、約３．０％〜４．５％のＷ、最大約２．５％のＣｏ、残りのＮｉ、および随伴不純物である。例えば、ロウ付け材の組成は、重量で、約１６％のＣｒ、約１６．５％のＭｏ、約４％のＷ、約５．５％のＦｅ、約１％のＣｏ、残りのＮｉ、および随伴不純物である。
【００３３】
例えば、ロウ付け材の組成は、重量で、約１９％〜２１％のＣｒ、約２．５％〜３．５％のＴａ、約２．５％〜３．５％のＢ、約０．００３％〜０．００５％のＹ、残りのＮｉ、および随伴不純物である。例えば、ロウ付け材の組成は、重量で、約１９．７％のＣｒ、約３．１％のＴａ、約３．１％のＢ、約０．００１％のＹ、残りのＮｉ、および随伴不純物である。
【００３４】
いくつかの実施形態では、１つ以上の補強材としては、セラミックまたは無機粒子を挙げることができる。例えば、いくつかの実施形態では、補強材としては、炭化ケイ素ナノチューブおよび／または炭化ケイ素繊維を挙げることができる。炭化ケイ素ナノチューブとしては、単層ナノチューブ、多層ナノチューブを挙げることができ、様々な長さ、直径、位置選択、および／または鏡像異性を有してよいことに留意されたい。同様に、炭化ケイ素繊維も、様々な長さおよび直径を有してよい。いくつかの実施形態では、補強材としては、サウスカロライナ州ＧｒｅｅｒにあるＡｄｖａｎｃｅｄ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ＬＬＣ．から販売されているＳＩ−ＴＵＦＦ（商標）７−Ｓｅｒｉｅｓ  Ｆｉｂｅｒｓ（例えば、ＳＦ−７）などの、高純度の不連続炭化ケイ素繊維を挙げることができる。加えてまたは代わりに、いくつかの実施形態では、補強材としては、窒化チタンの繊維、ナノチューブ、および／または粒子を挙げることができる。加えてまたは代わりに、いくつかの実施形態では、補強材としては、炭化チタンのナノチューブ、繊維、および／または粒子を挙げることができる。
【００３５】
一部の実施形態では、溶加材７０は、約３０重量％〜９５重量％の範囲の（１つ以上の）高温溶融超合金と、約０重量％〜７０重量％の範囲または約１重量％〜７０重量％の範囲の（１つ以上の）低温溶融超合金と、約２体積％〜５０体積％の範囲の（１つ以上の）補強材とを含むことができる。一部の実施形態では、溶加材７０は、約５０重量％〜９５重量％の範囲の１つ以上の高温溶融超合金と、約０重量％〜５０重量％の範囲または約１重量％〜５０重量％の範囲の（１つ以上の）低温溶融超合金と、約５体積％〜５０体積％の範囲の（１つ以上の）補強材とを含むことができる。一部の実施形態では、溶加材７０は、約８０重量％〜９０重量％の範囲の１つ以上の高温溶融超合金と、約１０重量％〜２０重量％の範囲の（１つ以上の）低温溶融超合金と、約５体積％〜１５体積％の範囲の（１つ以上の）補強材とを含むことができる。具体的な例によれば、一部の実施形態では、溶加材７０は、約６８重量％の高温溶融超合金と、約３２重量％の低温溶融超合金と、約３０体積％の補強材とを含むことができる。
【００３６】
補強材は、体積でマトリックス（例えば、合金マトリックス）に導入され、マトリックスは、高温溶融超合金および／または低温溶融超合金を含むことが理解されるであろう。さらに、高温溶融超合金、低温溶融合金、および／または補強材は、合金化、複合物の形成、またはコーティングとしての適用（例えば、表面コーティング）など、任意の適当なプロセスにより混合することができる。例えば、いくつかの実施形態では、溶加材７０が、ＧＴＤ−２２２、Ｈａｙｎｅｓ−２３０、Ｈａｙｎｅｓ−２８２などの易溶接性超合金に添加された補強材を含むときに、溶加材７０は、難溶接性超合金と同様な良好な溶接性および機械的特性を有することができる。他の実施形態では、溶加材７０が、Ｒｅｎｅ−１４２、Ｉｎｃｏｎｅｌ−７３８、ＧＴＤ−１１１などの難溶接性超合金に添加された補強材を含むときに、溶加材７０は、より高い機械的強度さえ有することができ、溶接作業の前に予熱処理プロセスを適用することにより溶接することができる。
【００３７】
例として、以下の図３〜図５には、開示される溶加材７０を用いて形成されたＴＩＧ溶着物に関して行われた分析および評価が提示されている。この例では、溶加材７０は、裸のロッドコアをコーティング層で覆うことにより用意されたロッドの形で提供される。裸のロッドコアは、ＧＴＤ−２２２を含み、約１．０ミリメートル（ｍｍ）〜約１．３ｍｍの直径を有する。コーティング層は、約５０重量％のＧＴＤ−２２２および約５０重量％のＤＦ４Ｂと、補強材として約３０体積％の炭化ケイ素ナノチューブまたは炭化ケイ素繊維（例えば、ＳＦ−７炭化ケイ素繊維）とを含む。理解されうるように、この例では、溶加材７０は、約６８重量％のＧＴＤ−２２２および約３２重量％のＤＦ４Ｂと、約３０体積％の炭化ケイ素繊維とを含む。いくつかの実施形態では、上で挙げた溶加材７０は、約３．１７５ｍｍの最終直径（例えば、焼結後）を有するロッドの形で溶加材７０を製作するために焼結される（例えば、２１７５°Ｆで１２分間）。次いで、この溶加材７０の例についてＴＩＧ溶接プロセスを経て溶接性テストを行った。同テストでは、ＧＴＤ−２２２鋳造用母材金属被加工物を用いて、ＴＩＧ溶接プロセス中に溶接電流（例えば、約５０アンペア〜約６５アンペア）を加えた。いくつかの実施形態では、裸のロッドは、コーティング層に用いられた合金と同じである（もしくは類似する）か、異なる（もしくは類似しない）任意の適当な高温溶融超合金（例えば、易溶接性および／または難溶接性の超合金）を含んでよいことが理解されるであろう。
【００３８】
図３Ａ〜図３Ｄは、図２に示されたＴＩＧ溶接システムによって、上で議論された溶加材７０の例を用いて形成された溶着物のミクロ組織を示している。より具体的に、図３Ａは、溶接金属９２を含む溶着物９０を示しており、同溶着物は、母材金属被加工物９４の上に配置され溶着した溶加材７０から形成される。溶接金属９２と母材金属９４の間に融合線９６が配置される。溶着物９０には、割れおよび融合不良などの重大な溶接欠陥が無い。よって、開示される補強材は、溶着物９０のマトリックスに適合する（例えば、内部に良好に分散し、良好に融合する）。
【００３９】
図３Ｂ、図３Ｃ、および図３Ｄはそれぞれ、領域９３、９５、および９７における溶接金属９２のミクロ組織の拡大表示を示している。図３Ｂ〜図３Ｄは、溶接金属中に観察された細胞状樹状ミクロ組織を示している。さらに、炭化ケイ素補強材は、矢印９８で示すように、溶接金属マトリックス中に分布して表れている。図３Ｂ〜図３Ｄに示すように、炭化ケイ素補強材の濃度（例えば、面密度に関して示される）は、溶接金属９２の領域９７（図３Ｄ）で最も高く、領域９５（図３Ｃ）でより低く、領域９３（図３Ｂ）で最も低いことにも留意されたい。炭化ケイ素補強材の濃度変化は、母材金属９４の希釈効果に依存しうる。同様に、ＤＦ４Ｂ、および場合によってはＧＴＤ−２２２の成分は、同様に、領域９７（図３Ｄ）で最も高く、領域９５（図３Ｃ）でより低く、領域９３（図３Ｂ）で最も低くなるように、溶接時および凝固時に再分配され、母材金属９４により希釈されうる。
【００４０】
さらに、図４Ａ〜図４Ｉは、図３Ａに示された溶着物９０の断面の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。これらのＳＥＭ画像は、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＳ）を用いた、溶接金属９２中の炭化ケイ素補強材の分布を示すマッピングを含む。図４Ａ、図４Ｂ、および図４Ｃはそれぞれ、溶接金属９２の領域９３、９５、および９７でそれぞれ取られたＳＥＭ画像を示している。図４Ｄ、図４Ｅ、図４Ｆ、図４Ｇ、図４Ｈ、および図４Ｉは、図４Ｃに示されたのと同じ溶接金属９２の領域に関して行われた、元素状態のニッケル、コバルト、アルミニウム、クロム、ケイ素、およびチタンについてのＥＤＳマッピングを示している。元素状態のケイ素の検出は、図４Ｈに示すように、炭化ケイ素補強材の存在を確認するために用いられる。特に、図４Ｃに矢印１０４で示される粒子は、元素状態のケイ素の存在、それにより図４Ｈにおける炭化ケイ素補強材の存在に対応する。これらの結果は、補強材が溶接金属９２中に良好に分布していることを示している。
【００４１】
溶接用継手９０の異なる領域における機械的特性（例えば、引張強度、終局引張強度、硬度）を評価するために、材料組成の違いにより硬度、したがって機械的特性がどのように変化するかを明らかにするように、測線１０６および１０８（図３に示す）により示される方向で溶接用継手９０を横切るように硬度トラバーステストを行った。溶着物９０の例は、母材金属９４（例えば、ＧＴＤ−２２２鋳造用母材金属）の組成と溶加材７０の組成との混合物を含むことを思い出されたい。希釈率が凡そ３０％であるとすると、融合線９６に隣接する溶接金属９２の組成は、約３０％の母材金属および約７０％の溶接溶加金属７０（例えば、約７５重量％のＧＴＤ−２２２および約１５重量％のＤＦ４Ｂと、約１０重量％（例えば、約３０体積％）のＳＦ−７炭化ケイ素繊維材）とを含むことができる。溶接時および凝固時に、溶加材７０（例えば、炭化ケイ素繊維またはナノチューブ、ＧＴＤ−２２２およびＤＦ４Ｂの成分）の成分は、それらの濃度が概して、溶接金属９２の領域９７で最も高く、領域９５でより低く、領域９３で最も低い状態で分布する。
【００４２】
図５は、溶着物９０の例についての硬度トラバース結果を示すチャートである。水平軸１１０は、融合線９６からの距離をミリメートル（ｍｍ）で表している。例えば、測線１０６または測線１０８に沿って、「融合線からの距離」は、融合線（ＦＬ）９６で０である。融合線９６から離れて、融合線９６からの距離は、（矢印１１４で示すように）母材金属（ＢＭ）９４に向けて負符号を伴って増加し、（矢印１１６で示すように）溶接金属（ＷＭ）９２に向けて正符号を伴って増加する。垂直軸１１８は、測定された硬度をロックウェルスケールＣ（ＨＲＣ）で表している。２つのデータ系列１２０および１２２が存在し、それぞれは、測線１０６または測線１０８に沿って押し込みが行われるときに異なる負荷により得られた。示されるチャートでは、系列１２０は１０００グラム（ｇ）の負荷に対応し、系列１２２は５００ｇの負荷に対応する。
【００４３】
系列１２０および１２２に示すように、硬度値は、硬度が母材金属９４から溶接金属９２に向けて増加する全般的な傾向を示している。この傾向は、炭化ケイ素繊維またはナノチューブの濃度変化に依存しうる。硬度値は、炭化ケイ素繊維またはナノチューブの濃度が相当低い（例えば、０に近い）母材金属９４中では相対的に低い。対照的に、硬度値は、炭化ケイ素補強材の濃度が高い溶接金属９２中では相当高い。特に、母材金属９４中で測定された平均硬度は、溶接金属９２中の約ＨＲＣ５４と比べて約ＨＲＣ３５である。
【００４４】
よって、硬度の向上は、補強材（例えば、炭化ケイ素繊維）の存在に依存しうる。このような効果を確認するために、本開示の溶加材７０ではなく、ＧＴＤ−２２２のみを用いて母材金属被加工物上に形成された比較用の溶着物に関する評価（例えば、ミクロ組織および硬度のトラバーステスト）が行われる。図６Ａは、図２に示されたＴＩＧ溶接システム５０を用いて母材金属９４上に形成された比較用の溶着物１３０のミクロ組織を示している。溶着物１３０は、母材金属１３２、溶接金属１３４、および母材金属１３２と溶接金属１３４の間の融合線１３６を含む。母材金属１３２は、溶体化熱処理により準備されたＧＴＤ−２２２鋳造用母材金属を含む一方、溶接金属１３４は、ＧＴＤ−２２２フィラーを用いて溶接される。
【００４５】
図６Ｂは、図６Ａに示すように測線１３８を横切って行われた比較用の溶着物１３０についての硬度トラバース結果を示すチャートである。水平軸１５０は、融合線１３６からの距離をミリメートル（ｍｍ）で表している。水平軸１５０は、融合線１３６からの距離をミリメートル（ｍｍ）で表している。例えば、測線１３８に沿って、「融合線からの距離」は、融合線１３６で０である。融合線１３６から離れて、融合線１３６からの距離は、（矢印１５４で示すように）母材金属１３２に向けて負符号を伴って増加し、（矢印１５６で示すように）溶接金属１３４に向けて正符号を伴って増加する。垂直軸１５８は、測定された硬度をロックウェルスケールＣ（ＨＲＣ）で表している。測線１３８に沿って押し込みが行われるときに得られた１つのデータ系列１６０が存在する。データ系列１６０は、溶接金属１３４から母材金属１３２に向けて硬度が増加する全般的な傾向を示している。特に、母材金属１３２中で測定された硬度は、溶接金属１３４中のＨＲＣ２０〜ＨＲＣ２５の範囲（例えば、平均凡そＨＲＣ２２）と比べて、ＨＲＣ３２〜ＨＲＣ４０の範囲である。母材金属１３２中で測定された硬度は、母材金属９４中で測定された硬度と良好に合致し、このことは、それらが溶接前に同じ組成を有していたことから予測される。さらに、比較用の溶着物１３０の溶接金属１３４中で測定された硬度（例えば、ＨＲＣ２２）は、本手法の溶着物９０の溶接金属９２中で測定された硬度（例えば、ＨＲＣ５４）よりも相当低く、両者の差は約ＨＲＣ３２である。このような比較は、硬度の向上が本開示の溶加材７０に依存していることと、溶加材が補強材（例えば、炭素繊維またはナノチューブ）を含むために硬度が増加することとを暗示している。
【００４６】
図７は、本手法の溶着物９０から測定された硬度トラバースと、溶接用フィラーとしてＧＴＤ−２２２合金のみを用いて形成された溶着物１３０から測定された硬度トラバースとの比較を示すチャートである。水平軸１８０は、融合線１８２からの距離をミリメートル（ｍｍ）で表しており、距離は、母材金属１８４の方向が負であり、溶接金属１８６に向かう方向が正である。垂直軸１８８は、測定された硬度をロックウェルスケールＣ（ＨＲＣ）で表している。データ系列１９０は、溶加材７０（例えば、約７５重量％のＧＴＤ−２２２および約１５重量％のＤＦ４Ｂならびに約１０重量％（例えば、約３０体積％）の炭化ケイ素繊維またはナノチューブ）の実施形態を用いて形成された溶接用継手９０に関して行われた硬度トラバーステストから得られた、図５のデータ系列１２２により示される同じデータ系列を表している。データ系列１９２は、比較用の溶着物１３０に関して行われた硬度テストから得られた、図６Ｂのデータ系列１６０により示される同じデータ系列を表している。
【００４７】
示すように、本手法の溶着物９０の溶接金属から測定された硬度は約ＨＲＣ５０である一方、比較用の溶着物１３０から測定された硬度は約ＨＲＣ２０である。２つの溶接金属間の硬度差１９４は、約ＨＲＣ３０である。硬度の向上には、補強材（例えば、炭化ケイ素繊維またはナノチューブ）の導入が寄与しうる。補強材が低温溶融超合金（例えば、ＤＦ４Ｂ）よりも著しく硬度の向上に寄与したかどうかを判断するために、ＤＦ４Ｂのロウ付け継手に関しても硬度測定が行われる。ＤＦ４Ｂのロウ付け継手からは、約ＨＲＣ３２．４４、３０．１２、３３．７８、３３．２２、および２９．８８の硬度値が得られ、約ＨＲＣ３２の平均硬度がもたらされる。しかし、本手法の溶着物９０の溶接金属９２について測定された約ＨＲＣ５０の硬度値と比べて、ＤＦ４Ｂロウ付け継手の約ＨＲＣ３２の平均硬度は、著しく低い。よって、ＤＦ４Ｂの導入は、硬度をわずかに向上させる（例えば、約ＨＲＣ２０から約ＨＲＣ３２に）と考えられる一方で、補強材（例えば、炭化ケイ素繊維またはナノチューブ）の導入は、硬度の向上（例えば、約ＨＲＣ２０から約ＨＲＣ５０に）により大きく貢献すると考えられる。
【００４８】
本明細書は、最良の態様を含めて本発明を開示するとともに、あらゆるデバイスまたはシステムの製作および使用ならびにあらゆる関連方法の実行を含む本発明の実施を当業者にとって可能にするために、実施例を用いている。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到する他の実施例を含むことができる。このような他の例が、特許請求の範囲の文言とは異ならない構造要素を有する場合、または、特許請求の範囲の文言との非実質的な相違を伴う同等の構造要素を含む場合、このような他の例は特許請求の範囲内であることが意図されている。
【符号の説明】
【００４９】
１０  ガスタービンシステム
１２  圧縮機
１４  タービン燃焼機
１６  タービン
１８  ステージ
２０  燃料ノズル
２２  気体燃料
２４  高温加圧燃焼ガス
２６  シャフト
２８  排気口
３０  負荷
３２  吸気口
３４  空気
３６  加圧空気
５０  溶接システム
５２  電源
５４  シールドガス源
５６  溶接用トーチ（ヘッド）
５８  タングステン電極
６０  ガスノズル
６２  溶接用アーク
６４  被加工物
６６  距離
６８  溶接エリア
７０  溶加材
７２  不活性ガス
９０  溶着物
９２  溶接金属
９４  母材金属
９６  融合線
９３  領域
９５  領域
９７  領域
９８  炭化ケイ素補強材
１０４  粒子
１０６  測線
１０８  測線
１１０  水平軸
１１４  融合線からの距離
１１６  融合線からの距離
１１８  垂直軸
１２０  データ系列
１２２  データ系列
１３０  溶着物
１３２  母材金属
１３４  溶接金属
１３６  融合線
１３８  測線
１５０  水平軸
１５４  融合線からの距離
１５６  融合線からの距離
１５８  垂直軸
１６０  データ系列
１８０  水平軸
１８４  母材金属
１８６  溶接金属
１８８  垂直軸
１９０  データ系列
１９２  データ系列
１９４  硬度差
【図１】
2018171644.tif 000003
【図２】
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【図３Ａ】
2018171644.tif 000005
【図３Ｂ】
2018171644.tif 000006
【図３Ｃ】
2018171644.tif 000007
【図３Ｄ】
2018171644.tif 000008
【図４Ａ】
2018171644.tif 000009
【図４Ｂ】
2018171644.tif 000010
【図４Ｃ】
2018171644.tif 000011
【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図４Ｆ】
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【図４Ｇ】
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【図４Ｈ】
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【図４Ｉ】
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【図５】
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【図６Ａ】
2018171644.tif 000019
【図６Ｂ】
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【図７】
2018171644.tif 000021
【外国語明細書】
2018171644000001.pdf