(57)【要約】  本発明は、ワークピース上に形成されたＴｉＡｌ合金からなるワークピース領域と、他のワークピース上に形成された、接合領域がＴｉＡｌ合金あるいは他の高温材料から形成されているワークピース領域との接合領域にガリウムおよびインジウムの少なくとも一方を含む接合添加材を用いた溶融一体化接合を形成する方法に関するものである。また、本発明は、ワークピース上に溶着材料を形成する方法に関するものであり、ＴｉＡｌ合金からなるワークピース領域に、上記ワークピース領域との間で溶融一体化接合を形成する、ガリウム、インジウム、および溶加材のうちの少なくとも１つを含む溶着材料を溶着する方法に関するものである。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークピース同士の溶融一体化接合を生成する方法であって、
ワークピース上に形成されたＴｉＡｌ合金からなるワークピース領域と、他のワークピース上に形成された、接合領域がＴｉＡｌ合金あるいはＴｉＡｌ合金とは異なる高温材料から形成されているワークピース領域との溶融一体化接合を、ガリウムおよびインジウムの少なくとも一方の元素を含む接合添加材を用いて生成することを特徴とする方法。
【請求項２】
ワークピースにおけるＴｉＡｌ合金からなるワークピース領域上に溶着材料を溶着させる方法であって、
上記溶着材料はガリウム、インジウム、および溶加材のうちの少なくとも１つを含み、
上記溶着材料と上記ワークピース領域との間に溶融一体化接合を生成することを特徴とする方法。
【請求項３】
ワークピース上に形成されたワークピース領域と、他のワークピース上に形成されたワークピース領域とを、接合添加材としてロウを用いたロウ付けによって溶融一体化接合法で接合することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
ワークピース上に形成されたワークピース領域と、他のワークピース上に形成されたワークピース領域とを、接合添加材として溶加材を用いた溶融一体化接合法による溶接によって接合することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
上記接合添加材は、ワイヤー、箔、ひも、粉末、ペースト、および膜の中から選択されるいずれかのタイプの添加材であることを特徴とする請求項１、３、４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
上記接合添加材として、銀−ガリウム合金を用いることを特徴とする請求項１、または３から５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
上記高温材料は、鋼、超合金、チタン合金、および金属間化合物のうちのいずれかであり、
ワークピース上に形成されたＴｉＡｌ合金からなるワークピース領域と、他のワークピース上に形成された他の高温材料からなるワークピース領域とを溶融一体化接合法により接合することを特徴とする請求項１、または３から６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
上記溶着材料と上記ワークピース領域との溶融一体化接合をロウ付けによって行うことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項９】
上記溶着材料と上記ワークピース領域との溶融一体化接合を溶接によって行うことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項１０】
上記溶着材料は、粉末あるいはペーストの形態であることを特徴とする請求項２、８、９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
上記溶加材は、粉末状の溶加材を含むことを特徴とする請求項２、または８から１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
上記粉末状の加溶材は、ＴｉＡｌ合金の粉末であることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
請求項１、または３から７のいずれか１項に記載の方法を用いてターボチャージャーまたはタービンのいずれかの装置要素の溶融一体化接合を行うことを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項２、または８から１２のいずれか１項に記載の方法を用いてターボチャージャーまたはタービンのいずれかの装置要素の製造工程における製造処理または修理を行うことを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項１、または３から７のいずれか１項に記載の方法を用いて製造されたワークピース接合物であって、
ワークピース上に形成されたＴｉＡｌ合金からなるワークピース領域と、他のワークピース上に形成された、接合領域がＴｉＡｌ合金あるいはＴｉＡｌ合金とは異なる高温材料から形成されているワークピース領域との間の接合領域に、ガリウムまたはインジウムのうちの少なくとも一方を含む接合添加材を用いた溶融一体化接合が形成されていることを特徴とするワークピース接合物。
【請求項１６】
上記両ワークピースは、ターボチャージャーまたはタービンの装置要素であることを特徴とする請求項１５に記載のワークピース接合物。
【請求項１７】
請求項２、または８から１２のいずれか１項に記載の方法を用いて溶着材料が溶着されたワークピースであって、
ＴｉＡｌ合金からなるワークピース領域を備えており、
上記ワークピース領域上に、ガリウム、インジウム、および溶加材のうちの少なくとも１つからなる溶着材料が溶着されていることを特徴とするワークピース。
【請求項１８】
ターボチャージャーまたはタービンの装置要素として設計されたものであることを特徴とする請求項１７に記載のワークピース。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、チタンアルミニウム合金からなるワークピース領域を有するワークピースの接合方法および材料溶着方法に関するものである。
【０００２】
〔背景技術〕
チタンアルミニウム化合物（ＴｉＡｌ合金）は、Ｔｉ５０ａｔ．％とＡｌ５０ａｔ．％とを合成したＴｉＡｌに基づいて開発された金属間化合物合金のグループに属する。γ−ＴｉＡｌとして知られている相では、Ｔｉ原子とＡｌ原子とが結晶格子中の別々の位置を占有する正方晶結晶構造を有している。このため、この相の結晶構造は、順序付けられた置換型の固溶体と呼ばれる。種々のＴｉＡｌ合金におけるチタンの含有量は、典型的には重量パーセントで５０％から６０％の範囲内である。この合金クラスの典型的な例としては、Ｔｉ−４８ＡＩ−２Ｃｒ−２Ｎｂ、Ｔｉ−４５Ａｌ−５Ｎｂ−０．２Ｃ−０．２Ｂ、およびＴｉ−４５Ａｌ−７Ｎｂ−１Ｍｏ−０．２Ｂなどが挙げられる（全て原子百分率）。
【０００３】
ＴｉＡｌ合金は、合金技術およびプロセス技術によって製造することのできる相および構造に応じて、ガンマ合金、２相合金、およびラメラ合金に分類できる。２相合金およびラメラ合金は、上述したγ−ＴｉＡｌ相に加えて、α2−Ｔｉ3Ａｌ相を含んでいる。
【０００４】
ＴｉＡｌ合金は、約５００℃から約９００℃の温度範囲内で利用される。
【０００５】
チタン合金は、ＴｉＡｌ合金とは区別される。チタン合金は、主成分としてのチタン（７５重量％から１００重量％）とそれより少ない割合の付加的な合金成分（０重量％から２５重量％）からなり、金属材料のクラスに分類される。この合金クラスの典型的な例としては、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ、Ｔｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−６Ｍｏ、およびＴｉ−１５Ｍｏ−２．７Ｎｂ−３Ａｌ−０．２Ｓｉなどが挙げられる（全て重量百分率）。
【０００６】
チタン合金は、合金元素によって安定化された結晶構造に応じてα合金、β合金、およびα＋β合金に分類できる。８８２℃を超える温度ではβ（Ｔｉ）と呼ばれる体心立方結晶格子を示し、８８２℃以下ではα（Ｔｉ）と呼ばれる六方最密結晶格子を示すというように構造の変形体が存在するのは、純粋なチタンの多形性による。
【０００７】
チタン合金は、５００℃以下の温度で利用される。５００℃を超えると強度が急激に低下する。表１は、チタン合金とＴｉＡｌ合金との対比結果を示している。
【０００８】
【表１】
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【０００９】
このように、ＴｉＡｌ合金とチタン合金とは全く異なる材料の相から構成されている。このため、熱物理的特性および機械的特性が異なるだけでなく、接合技術に要求される条件が大きく異なる。チタン合金は熱応力に強いという特性を有している。これに対して、ＴｉＡｌ合金は、γ-ＴｉＡｌの特性に起因して、脆性−延性遷移温度が７００℃から８００℃の範囲にあり、熱応力に弱い（割れの危険性がある）。この様相は、接合方法に関する技術において特に重要であり、例えば溶接中に割れが生じる場合もある。例えばロウ（鑞）付け接合などの他の接合方法についてもＴｉＡｌ合金に適用することは難しい。これは、主として、いわゆるホイスラー相、すなわちＴｉＭ2Ａｌ（ＭはＮｉ，Ｃｕ，Ａｕ，Ｐｄ，Ｃｏなど）型の金属間化合物接合が形成されるためである。上記の金属間化合物接合は、接合領域に出現する脆い相であり、ロウ付け接合の接合部の品質を低下させる。
【００１０】
接合（joint）という用語は、製造技術において少なくとも２つのワークピースあるいは要素を永久的に接続することを意味する（ドイツ工業規格（ＤＩＮ）８５９３）。接合はもともと別々であるワークピース同士の間、すなわち接合部において局所的に形成され、新たに形成される要素の形状はこの接合によって変形される。この接合は固定物に関するものであってもよく回転する軸に関するものであってもよい。生成された駆動力はこの接合の接合面を介して伝達される。接合技術は、（ｉ）接着による接合、（ｉｉ）機械的な接合、（ｉｉｉ）溶融一体化接合（fusion-integrated joint）（溶融継ぎ目接合、堅固な固着による接合ともいう）に分類される。本発明は、特に、溶融一体化接合（溶融継ぎ目接合）に着目したものである。
【００１１】
溶融一体化接合では、連結する部材同士は原子あるいは分子の力によってそれら両部材の界面で接合されることが知られている。また、溶融一体化接合は、接合部を破壊しない限り分離不可能な接合である。溶融一体化接合は、ロウ付け接合、溶接接合、接着接合、加硫接合、および圧着接合に分類できる。本発明は、ロウ付けおよび溶接による溶融一体化接合工程に着目したものである。
【００１２】
ロウ付けは、接合材料を熱処理すること、すなわち、ロウを溶かすこと（溶融ロウ接合）あるいは表面に拡散させること（拡散接合）によって流動性を示す相を形成することによって行われる。基材の固相温度には至らない（ドイツ工業規格８５０５「ロウ付け」）。接着による分離不可能な接合は、このようにしてロウ付けによって行われる。接合材料としては、一般に、可溶性の高い金属合金（ロウ）が用いられる。２つの金属性ワークピースの金属接合はロウの補助によって形成される。
【００１３】
溶接は、要素あるいはワークピースを、熱あるいは圧力を用いて（溶加材（フィラー）を用いる場合もあれば用いない場合もある）分離不可能に接合する方法である（ドイツ工業規格８５７−１）。溶融溶接方法は、多くの金属材料について特によく用いられる。接合部は、溶接継ぎ目またはスポット溶接として形成されるか、あるいは摩擦溶接の場合には表面に形成される。溶接に必要なエネルギーは外部から供給される。
【００１４】
チタンアルミニウム（ＴｉＡｌ材料）は、軽量高温材料として、例えばエンジンやガスタービンなどの製造のために、ますます重要になってきている。従来の内燃機関の効率は、ＴｉＡｌ材料を用いることによって振動あるいは回転する個々の構造要素の質量を低減することにより、向上させることができる。チタンアルミニウムのグループには、γ-チタンアルミニウムが含まれている。例えば、主合金元素Ｔｉと副合金元素とを含む合金である。副合金元素としては、Ａｌ（４３％から４９％）、Ｎｂ（２％から１０％）、Ｍｏ（０％から３％）、Ｃｒ（２％から５％）、Ｃ（０％から０．３％）、およびＢ（０％から０．５％）などが挙げられる。
【００１５】
ターボチャージャーなどの装置においてＴｉＡｌ合金からなる要素を用いることができるように、例えば、ＴｉＡｌ合金からなるローターと、特殊金属あるいは鋼１．４７１８（バルブ鋼）、鋼１．４９２３（高耐熱鋼）、あるいは鋼１．７２２７（熱処理鋼）、インコネル（ＩＮ７１８）あるいはインコロイ９０９等の超合金などの他の高温材料からなるシャフトとを接合するために、信頼性が高く、コスト効率の良い接合技術が要求されている。ＴｉＡｌ合金とＴｉＡｌ合金、あるいはＴｉＡｌ合金とＴｉＡｌ合金以外の材料との接合方法としては、摩擦溶接、電子ビーム溶接、レーザービーム溶接などが提案されている。例えば米国特許第６，２９１，０８６号明細書、および独国特許出願公開第６９７１８７１３号明細書には、摩擦溶接を用いてＴｉＡｌ合金の接合を行うことが開示されている。溶接は、接合する材料に比較的高い熱機械的応力が作用する温度範囲（ＴｉＡｌ材料では脆性−延性遷移温度と呼ばれる温度範囲（Ｔｃｒｉｔ、６００℃から８００℃））において特に過敏な影響を及ぼすので、限られた範囲でのみ有効である。上述した溶接方法の適用範囲は応力割れの発生を避けるために比較的狭く、また、多くの場合、ワークピースあるいは構成要素の加熱および冷却のために複雑な装置が必要であるという問題がある。これに対して、ロウ付けは、熱的機械的応力を最小化するために最適な方法として知られており、ＴｉＡｌ材料とＴｉＡｌ−Ｘ材料とを接合する際に適用される温度推移を考慮するとこれら両材料を接合するために特に適していると考えられる。
【００１６】
ロウ付けの間、接合されるワークピースは適用されるロウとともにオーブン内に配置され、ロウが溶ける温度まで加熱される。構成要素あるいはワークピースは、その微小構造が変化することなく接合される。溶融したロウは、接合される構成要素の表面を濡らし、拡散工程によって接合される構成要素間の化学接合を形成するために、いわゆる接合ギャップに毛細管力によって浸透する。流動性を有するロウは、その後の冷却工程において接合部（いわゆる、ロウ接合部）で凝固する。
【００１７】
ロウ付けされた接合部の性質の大部分は用いられるロウによって決まる。用いられるロウは、接合される２つのワークピースの融点よりも低い融点を有する合金からなり、粉末状、ワイヤー状、あるいは箔状の形態を有している。また、ロウは、溶けたときに接合される両材料を効果的に濡らすものでなければならない。ロウの要素は、化学接合を形成するために接合される両材料の両方に拡散しなければならない。しかしながら、金属間の相に好ましくない脆性を及ぼす構成を生じさせるものであってはならない。
【００１８】
ＴｉＡｌ材料とＴｉＡｌ−Ｘ材料とをロウ付けするための硬質のロウおよび特殊なロウの工業上利用可能な範囲としては、９００℃以上の融点を有するものが検討されている。このようなロウとしては、ニッケル、銅、チタン、および、銀または金などの貴金属を主成分とするものが挙げられる。しかしながら、ＴｉＡｌ材料とニッケル、銅、および金とに基づくロウは、ホイスラー相と呼ばれる脆い相を形成してしまう。
【００１９】
独国特許出願公開第６９８１５０１１号明細書には、ＴｉＡｌ合金からなるワークピースの接合に拡散ロウ付けを適用することが開示されている。
【００２０】
独国特許出願公開第６９７２４７３０号明細書には、鋳造技術によって製造されたＴｉＡｌ合金からなるターボホイールと耐熱鋼からなるローターシャフトとを高周波誘導加熱によって接合することが開示されている。ロウは、Ａｇ、Ｎｉ、Ｃｕ、およびＴｉ合金を全て含んでいる。上記チタン合金は、具体的には、一般にＡｇ−３３Ｃｕ−４Ｔｉ、HYPERLINK "http://Ag-35.5Cu-l.7Ti"Ａｇ−３５．５Ｃｕ−１．７Ｔｉ、Ｃｕ−１Ｃｏ−３１．５Ｍｎ、Ｔｉ−１５Ｎｉ−１５Ｃｕ、およびＢＮｉ−３と言われるものである（全て重量％）。野田らの報告書（野田  他著、誘導加熱ロウ付けによるＴｉＡｌと鋼との接合（Joining of TiAl and steel by induction brazing）、物質科学工学（Materials Science and Engineering）、A239-240、pp.613-618,1997））には、既知の方法と接合領域における個々の相の構成とが詳細に記載されている。HYPERLINK "http://Ag-35.2Cu-l.8Ti"Ａｇ−３５．２Ｃｕ−１．８Ｔｉのロウの方が、Ｔｉ−１５Ｎｉ−１５Ｃｕよりも好適であるとされている。
【００２１】
欧州特許第０９０４８８１号明細書には、ＴｉＡｌワークピースの拡散接合を可能にする接合方法およびそれに用いる材料が記載されている。拡散接合およびロウ補修に要求されるロウペーストは、粉末Ａと粉末Ｂと有機バインダーとからなる同種の粉末の混合によって形成される。ＴｉＡｌからなる粉末Ａは、チタンあるいは銅合金からなる粉末Ｂと混合され、有機バインダーとともにかき混ぜられて引き伸ばされる。この引き伸ばされたものは、接合されるワークピースに塗布され、これら全体が１０００℃から１３００℃の温度の真空オーブン内に数分間配置される。上記の粉末Ａは具体的にはＴｉ−Ａｌ−Ｃｒ−Ｎｂ（Ａｌは４６ａｔ．％から５０ａｔ．％）であり、上記の粉末Ｂは具体的にはＴｉ−Ｃｕ−Ｎｉ（Ｃｕは１０ｗｔ．％から１５ｗｔ．％であり、Ｎｉは１０ｗｔ．％から１５ｗｔ．％）である。
【００２２】
欧州特許第１５０７０６２号明細書には、ＴｉＡｌからなるターボホイールと鋼からなるシャフトとを接合するための拡散焼結方法が記載されている。拡散ロウ付けとは異なり、単一の構成要素からなる粉末のみが有機バインダーと混合されて接合ギャップに塗布される。この技術は、ＴｉＡｌ合金からなる微小な粉末に特に関係がある。拡散焼結処理は１２００℃から１４３０℃の温度で４５分から２時間行われる。
【００２３】
ＵＳ特許３７０２７６３号明細書には、Ｔｉ−６Ａ１−４Ｖなどのチタン材料のロウ付けに、１ｗｔ％から２０ｗｔ％のパラジウムと、３ｗｔ％から１０ｗｔ％のガリウムと、主成分である銀（Ａｇ）とからなるＡｇ−Ｐｄ−Ｇａのロウを用いることが記載されている。
【００２４】
〔発明の概要〕
本発明の目的は、ワークピースの溶融一体化接合を行う方法、およびＴｉＡｌ合金からなるワークピース領域に特に適したワークピース上への材料の溶着方法を確立することにある。
【００２５】
本発明の目的は、独立請求項１に従ってワークピースの溶融一体化接合を形成すること、および独立請求項２に従ってワークピース上に材料を溶着することによって履行される。また、請求項１３および１４に記載した方法を用いてもよい。また、独立請求項１５に従って接合されたワークピースが形成される。本発明の有利な変形例は従属請求項に記載されている。
【００２６】
本発明の一実施例では、ワークピース上に形成されたＴｉＡｌ合金からなるワークピース領域と、他のワークピース上に形成された、接合領域がＴｉＡｌ合金あるいはＴｉＡｌ合金とは異なる高温材料から形成されているワークピース領域との間の接合領域にガリウムおよびインジウムのうちの少なくとも一方を含む接合添加材を用いてワークピース同士の溶融一体化接合を形成する。
【００２７】
本発明の他の実施例では、ワークピースにおけるＴｉＡｌ合金からなるワークピース領域上に、ガリウムおよびインジウムのうちの少なくとも一方の元素を含み、ワークピース領域との間で溶融一体化接合を形成する溶着材料を溶着させる。
【００２８】
接合添加材としては、ガリウムおよびインジウムを含み、融点が９００℃から１３００℃であることが、ＴｉＡｌ合金とＴｉＡｌ合金との溶融一体化接合、あるいはＴｉＡｌ合金と他の材料との溶融一体化接合に特に適している。その理由は、これらの元素は、ＴｉＡｌ合金（γ−ＴｉＡｌおよびα2−Ｔｉ3Ａｌの両方）の微小構造中に入り込んで、これらの結晶構造を変化させることなくこれらの相におけるＡｌ原子と置き換わるためである。
【００２９】
また、ガリウムまたはインジウムを含む接合添加材または溶着材料は、ＴｉＡｌ合金からなるワークピース領域を濡らす能力に優れている。
【００３０】
溶融一体化接合の好ましい実施形態については後述する。
【００３１】
溶融一体化接合の他の好ましい実施形態では、ワークピース上に形成されたワークピース領域と、他のワークピース上に形成されたワークピース領域とを、接合添加材としてロウを用いたロウ付けによる溶融一体化接合法によって接合する。溶融一体化接合法の実施形態において、ワークピース上に形成されたワークピース領域と他のワークピース上に形成されたワークピース領域とを可溶材を接合添加材として用いた溶接によって溶融一体化接合法を実施してもよい。この実施形態における溶接法としては摩擦溶接が好ましい。
【００３２】
溶融一体化接合の他の好ましい実施形態では、ワイヤー、箔、ひも、粉末、ペースト、および膜のなかから選択されるいずれかのタイプの接合添加材を用いる。
【００３３】
溶融一体化接合では、接合添加材として２元の銀−ガリウム合金からなる接合添加材を用いることが好ましい。
【００３４】
溶融一体化接合の有利な実施形態では、表面にワークピース領域が形成されたＴｉＡｌ合金からなるワークピースを溶融一体化接合法でＴｉＡｌ合金とは異なる、鋼、超合金、チタン合金、および金属間接合物のうちのいずれかの高温材料で形成された他のワークピースに接合する。
【００３５】
材料溶着方法の好ましい実施例について以下に説明する。
【００３６】
材料溶着方法の好ましい実施形態では、溶融一体化接合は溶着材料とワークピース領域との間のロウ付けによって形成される。
【００３７】
材料溶着方法の他の好ましい実施形態では、溶融一体化接合は溶着材料とワークピース領域との間で溶接によって形成される。溶接は、溶着溶接／肉盛溶接で行うことが好ましい。
【００３８】
材料溶着方法の実施形態において、溶着材料として粉末あるいはペーストのものを用いてもよい。
【００３９】
材料溶着方法の実施形態において、粉末状の溶加材を含む溶加材を用いてもよい。
【００４０】
材料溶着方法の実施形態において、ＴｉＡｌ合金からなる粉末を上記粉末状の溶加材として用いてもよい。
【００４１】
上述の方法は、特定の用途に適用できる。溶融一体化接合を形成する方法は、ターボチャージャーまたはタービンの装置要素の製造工程における処理または修理に適用できる。材料溶着方法は、ターボチャージャーまたはタービンの装置要素の製造工程における処理または修理に適用できる。
【００４２】
ワークピース接合は、ワークピース上に形成されたＴｉＡｌ合金からなるワークピース領域と、他のワークピース上に形成された、ＴｉＡｌ合金あるいはＴｉＡｌ合金とは異なる高温材料から形成されているワークピース領域との間の接合領域にガリウムおよびインジウムのうちの少なくとも一方を含む接合添加材を用いたワークピース同士の溶融一体化接合を形成することによって行うことが好ましい。上記両ワークピースは、ターボチャージャーまたはタービンの装置要素であってもよい。
【００４３】
ガリウムおよびインジウムの少なくとも一方を含む溶着材料を溶着させることによってＴｉＡｌ合金からなるワークピース領域を含むワークピースの修理を行うこともできる。上記両ワークピースは、ターボチャージャーまたはタービンの装置要素であってもよい。
【００４４】
〔好ましい実施形態の説明〕
本発明について、各図に示した実施形態とともにより詳細に説明する。図１は、ＴｉＡｌからなるワークピース領域と鋼からなるワークピース領域とが接合された材料構造の概略図である。図２は、ターボシャフトおよびターボホイールの配置を示している。
【００４５】
ＴｉＡｌ合金からなるワークピース領域を有するワークピースの溶融一体化接合を形成する方法において、ガリウムおよびインジウムの少なくとも一方を含む接合添加材を用いる。ＴｉＡｌ合金からなるワークピース領域を有するワークピース上に溶着材料を溶着させる方法では、溶着材料が、可溶材と同様、少なくともガリウムおよびインジウムの少なくとも一方を含む。
【００４６】
ガリウムおよびインジウムは各種の補助元素Ｔと合金化されて加えられてもよい。補助元素Ｔとしては、融点が９００℃から１３００℃までの温度範囲内であるＡｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、あるいは他の合金を用いることができる。ガリウムおよび／またはインジウムは、ＴｉＡｌ、あるいはＴｉＡｌと他の材料とからなるワークピース同士、特に異なる高温材料の溶融一体化接合に適しており、接合添加材あるいは溶着材料としてＴ−Ｇａ合金、Ｔ−Ｉｎ合金、あるいはＴ−Ｇａ／Ｉｎ合金が用いられる。本明細書で提案されている材料の溶着は従来から知られているさまざまな方法で行うことができる。
【００４７】
本発明の目的には、ガリウムが特に好適であることが判明した。例えばチタンガリウム化合物として知られているＴｉＧａおよびＴｉ3ＧａなどのＧａの金属間化合物は、ＴｉＡｌおよびＴｉ3Ａｌなどのチタンアルミニウム化合物と化学量論的に異種同形である。すなわち、結晶格子の構成が同じであり、格子定数も類似している（ＴｉＡｌおよびＴｉＧａは正方晶格子（ピアソンシンボルｔＰ４）であり、Ｔｉ3ＡｌおよびＴｉ3Ｇａは六方晶格子（ピアソンシンボルｈＰ８）である）。
【００４８】
この方法では、ＴｉＡｌ−Ｔｉ3ＧａおよびＴｉ3Ａｌ−Ｔｉ3からなる一連の固溶体（Ｔｉ（Ａｌ，Ｇａ）およびＴｉ3（ＡＩ，Ｇａ）の形態も取り得る）が生成される。さらに、それぞれの金属間化合物の格子位置においてＧａがＡｌに置き換わり、Ｔｉに置換されるニオブ原子とは競合しない。これが、ニオブを１０ａｔ．％までの範囲で含むニオブの含有割合が高い最近のＴｉＡｌ合金の接合を行うための有効成分としてガリウムが適している主な理由である。
【００４９】
また、Ｇａは、鉄およびニッケル中で非常に高い可溶性を示し、ＴｉＡｌに接合される他の材料（鋼およびニッケルの超合金）に均一に浸透することを保証する役目を果たす。
【００５０】
ガリウムを含んでいる接合添加材（可溶材）によって形成された接合部（例えば中間層あるいはロウ）は、ガリウムの特性により有利な特徴を示す。すなわち、接合される材料の結晶構造はほとんど損なわれない。特に、ＴｉＡｌワークピース領域のラメラ微小構造は完全に残る（図１参照）。
【００５１】
図２の実施例では、精密に鋳造されたＴｉＡｌ合金からなるターボホイール１と、熱処理鋼からなるシャフト２とが、ガリウムを５ｗｔ％（重量％）から１０ｗｔ％までの範囲内で含む２元のＡｇ−Ｇａ合金からなるロウを用いてロウ付けされている。このロウは、以下に示す工程により、薄片の形態で準備される。
【００５２】
ａ）セラミック製のるつぼ内で適量の銀を溶融させ、溶融温度よりも１０Ｋから５０Ｋ過熱する。溶融させた銀の中に、ガリウムと銀の重量比が約５：９５あるいは１０：９０になるように適量の固体ガリウムを導入する。これにより、固体ガリウムは９５０℃から１０５０℃の液体の銀の中で短時間で完全に溶融し、Ａｇ−Ｇａの均質な溶液が生成される。
【００５３】
ｂ）上記のＡｇ−Ｇａの均質な溶液を、平板状あるいは棒状の窪みを有する冷たい金属性の型に鋳込み、平板状あるいは棒状の入力材料に凝固させる。
【００５４】
ｃ）この入力材料を、約５０μｍから約１００μｍの厚さ、かつ約１ｃｍから約３ｃｍの幅に薄く伸ばす。このようにして、ステップｂ）で生成された入力材料を用いて長さ数メートルの薄片を製造できる。この薄片は、その後の接合工程においてロウ材料として用いられる。
【００５５】
ロウ付けされるワークピースは以下の手順によって準備される。
【００５６】
ｄ）ターボホイール１は底部が円柱形状を有している。シャフト２はターボホイール１の円柱形状部分に対応する円柱状の穴を有している。ターボホイール１における上記円柱形状の直径とシャフト２における上記円柱状の穴の直径とは、比較的きついプラグ接合が形成できるように設計されている。ここでは、ターボホイール１における上記円柱形状の半径とシャフト２における上記円柱状の穴の半径との差を約０．０５ｍｍから約０．２ｍｍの値に設定し、半径方向の隙間Δｒを形成している。シャフト２における上記穴の深さはターボホイール１の上記円柱形状の高さよりも大きく、約１ｍｍから約３ｍｍである。シャフト２における上記穴の深さとターボホイール１の上記円柱形状の高さとの差により、これら両部材を組み合わせたときに、ロウ貯蔵部として機能する小さな空洞３（図２参照）が生じる。
【００５７】
このようにして準備したワークピースを洗浄し、上記薄片をシャフト２の上記穴のサイズに切断して上記穴に配置する。あるいは、薄片から円形の部品を打ち抜き、ターボホイール１の上記円柱形状の前面に配置してもよい。その後、ターボホイール１とシャフト２とを互いに差し込む。
【００５８】
ｅ）ステップｄ）で用意した上記構成を真空オーブン（１０-3ｂａｒから１０-5ｂａｒ）内に配置し、９５０℃から１０５０℃の温度にする。上記ロウはこの温度で溶融し、接合する両ワークピース領域を濡らす。溶融したロウは、毛細管力により半径方向の隙間Δｒによって形成されるギャップ部に浸透する。ロウの有効成分、すなわちガリウムが接合される材料に浸透し、数分（例えば５分から１０分）の期間で固溶体に代わることにより、接合される材料同士を強固に固定する溶融一体化接合が接合領域４（図２参照）に生じる。
【００５９】
最後に、オーブンを冷却し、はんだ付けによって最終的に接合されたワークピースを次の工程に備えて準備する。
【００６０】
上記の実施形態、請求項、および図面で明らかにされた本発明の各特徴は、個々に実現してもよく、さまざまな方法で組み合わせて実現してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】ＴｉＡｌからなるワークピース領域と鋼からなるワークピース領域とが接合された材料構造の概略図である。
【図２】ターボシャフトおよびターボホイールの配置を示している。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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