(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２〜３０質量％の金と、４〜１４質量％のニッケルと、２５〜６５質量％の銅と、１〜３質量％のアルミニウムと、２０〜５５質量％の銀とからなるロウ付け材料。
【請求項２】
層状形態になった、請求項１記載のロウ付け材料。
【請求項３】
前記層状形態が、銅の少なくとも１つの層、金／銅／ニッケル合金の少なくとも１つの層及び銀／アルミニウム合金の少なくとも１つの層を含む、請求項２記載のロウ付け材料。
【請求項４】
前記層状形態が、金／銅／ニッケル合金の少なくとも１つの層を含む、請求項２記載のロウ付け材料。
【請求項５】
前記層状形態が、銀／アルミニウム合金の少なくとも１つの層を含む、請求項２記載のロウ付け材料。
【請求項６】
該材料が、８７１〜９５４℃のロウ付け温度及び４５０〜５５０ＫＨＮのロウ付け後硬度を有するように選択された組成を有する、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のロウ付け材料。
【請求項７】
該材料が、タングステンカーバイド−コバルト材料をチタン合金にロウ付けするためのロウ付け合金である、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載のロウ付け材料。
【請求項８】
２５．３質量％の金、５．６質量％のニッケル、４６．１質量％の銅、１．１質量％のアルミニウム及び２１．９質量％の銀の組成を有する、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載のロウ付け材料。
【請求項９】
４質量％の金、１３．３質量％のニッケル、２７．６質量％の銅、２．７質量％のアルミニウム及び５２．４質量％の銀の組成を有する、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載のロウ付け材料。
【請求項１０】
２．２質量％の金、７．３質量％のニッケル、６０．３質量％の銅、１．５質量％のアルミニウム及び２８．７質量％の銀の組成を有する、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載のロウ付け材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロウ付け合金に関し、より具体的には、タングステンカーバイド−コバルト材料をチタン合金にロウ付けするためのロウ付け合金に関する。
【背景技術】
【０００２】
タングステンカーバイド−コバルト材料（本明細書ではＷＣ−Ｃｏ）は、該ＷＣ−Ｃｏの高い機械的強度、硬度、耐食性及び耐摩耗性に起因して、航空エンジン用途のための様々な部品及び構成部品を作るために用いられることが多い。例えば、航空エンジンに用いられる耐摩耗性カーボロイパッドは一般的に、（９０〜９８重量％）ＷＣ及び（２〜１０重量％）Ｃｏの混合物で構成される。ＷＣ−Ｃｏカーボロイパッドは一般的に、航空エンジンにおける摩耗用途としてファン及び圧縮機ブレードスパン中央シュラウドにロウ付けされる。これらのブレードは一般的に、約９８２℃又はそれをやや上回るベータトランザス温度を有するＴｉ  ６Ａｌ−４Ｖ及び／又はＴｉ  ８Ａｌ−１Ｖ−１Ｍｏ合金で作られる。
【０００３】
従来技術では、Ｔｉ−１５Ｃｕ−１５Ｎｉのようなチタン／銅／ニッケルロウ付け合金（本明細書ではＴｉＣｕＮｉ）が、カーボロイパッドをチタン合金ブレードスパン中央シュラウドにロウ付けするために用いられてきた。ＴｉＣｕＮｉロウ付け箔もまた、ＴｉＣｕＮｉが良好な強度及び延性を有するチタン合金をロウ付けするための主要ロウ付け合金であるので、ＷＣ−Ｃｏをチタン合金にロウ付けするために用いられてきた。しかしながら、ＴｉＣｕＮｉ合金は、チタン合金に対するＷＣ−Ｃｏのロウ付けを伴う用途で用いた場合に、ロウ付けパッドが衝撃力（例えば、鳥、隣接ブレード又は様々なデブリとの衝突）を受けた時におけるロウ付け接合部でのチッピング及び破砕を含む様々な衝撃破損問題を示した。
【０００４】
ロウ付け衝撃破損は、ＴｉＣｕＮｉロウ付け合金を用いてＷＣ−Ｃｏをチタン合金にロウ付けした時に形成された低延性脆弱ロウ付け接合部に原因がある可能性があることが分かった。具体的には、ＴｉＣｕＮｉロウ付け材料が溶融状態にある時に、カーボロイパッドからのタングステン及びコバルトがロウ付け接合部内に溶解し、それによって低延性かつ高硬度（例えば、約１２００ＫＨＮ）のＷ−Ｃｏ−Ｔｉ−Ｃｕ−Ｎｉ合金ロウ付け界面が形成されることが分かった。ロウ付け界面は、０．３０ジュール程度の低い衝撃エネルギーで割れ発生を示し、カーボロイパッドは、０．６０ジュールの衝撃エネルギーで脆弱ロウ付け界面において基体から遊離する。
【０００５】
従って、チタン合金をチタン合金にロウ付けするのに成功裏に用いられてきたＴｉＣｕＮｉロウ付け合金は、耐衝撃性を必要とする場所ではＷＣ−Ｃｏをチタン合金にロウ付けするのに用いることができない。
【０００６】
工業上入手可能なロウ付け合金は、航空エンジン用途に必要な低ロウ付け温度（すなわち、９８２℃よりも低い）、高延性及び低コストを組合せた要求を満たすことができなかった。例えば、Ｎｉｏｒｏ（Ａｕ８２％及びＮｉ１８％）及びＮｉｃｏｒｏ８０（Ａｕ８１．５％、Ｃｕ１６．５％及びＮｉ２％）は、金が多量でありかつ銅が少量であるので高価であり、また濡れ性及び延性が不足している。Ａｕ３５％、Ｃｕ６２％及びＮｉ３％を含有する合金は、約１０３０℃又はそれを上回る液相線温度を有し、これでは、ＷＣ−Ｃｏをチタン合金にロウ付けするのには適用できない。銀を含有する合金もまた、航空エンジン用途に必要な低ロウ付け温度（すなわち、９８２℃よりも低い）、高延性及び低コストを組合せた要求を満たすことができなかった。例えば、Ｃｕｓｉｌ（商標）（６３．３Ａｇ−３５．１Ｃｕ−１．Ｔｉ）合金はニッケルを欠き、ロウ付け時間が短い場合にはＷＣによる濡れ性の問題を引き起こすおそれがある。９５％Ａｇ−５％Ａｌのような別の銀合金は、銅及びニッケルの両方を欠き、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ上でのＷＣ−Ｃｏの腐食摩耗用途では成功しなかった。第三の候補として、Ｃｏｐｐｅｒ−ＡＢＡ（登録商標）（Ｃｕ＋２％Ａｌ＋３％Ｓｉ＋２．２５％Ｔｉ）のような高銅含有量の銀無含有軟質ロウ付け合金並びに５０％Ａｕ−５０％Ａｇ及び６９％Ａｕ−２５％Ａｇ−６％Ｐｔは、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖのベータトランザス温度又はそれを上回るロウ付け温度を有し、従って用いることができない。
【特許文献１】米国特許第４，０２９，４７９号公報
【特許文献２】米国特許第４，０４０，８２２号公報
【特許文献３】米国特許第４，２５２，５６２号公報
【特許文献４】米国特許第４，４４７，３９１号公報
【特許文献５】米国特許第４，４４８，６０５号公報
【特許文献６】米国特許第４，４８６，３８６号公報
【特許文献７】米国特許第４，６０４，３２８号公報
【特許文献８】米国特許第４，６０４，６３６号公報
【特許文献９】米国特許第４，６０６，９７８号公報
【特許文献１０】米国特許第４，６０６，９８２号公報
【特許文献１１】米国特許第４，６９０，８７６号公報
【特許文献１２】米国特許第４，９０３，８９０号公報
【特許文献１３】米国特許第４，９３８，９２２号公報
【特許文献１４】米国特許第５，３６８，２２０号公報
【非特許文献１】Web page www.handyharmancanada.com, regarding "Brazing with Gold Filler Metals" (date of first publication unknown). Applicants admit the status of this publication as prior art for the limited purpose of examination of this application, but otherwise reserve the right to challenge the status of this publication as prior art.
【非特許文献２】Chuang, T.H. et al., "Brazing of Zirconia with AgCuTi and SnAgTi Active Filler Metals," Metallurgical and Materials Transactions, 31A, 6, pp. 1591-1597 (6/2000)
【非特許文献３】Oda, Y. et al., "Effect of corrosion on the strength of soldered titanium and Ti-6Al-4V alloy, "Dental Materials, pp. 167-172 (05/1996)
【非特許文献４】Vianco, P. et al., "Aging of Brazed Joints-Interface Reactions in Base Metal/Filler Metal Couples-Part 1: Low-Temperature Ag-Cu-Ti Filler Metal," Welding Journal, pp. 201-S-210-S (10/2002)
【非特許文献５】Vianco, P. et al., "Aging of Braze Joints: Interface Reactions in Base Metal/filler Metal Couples, Part l1: High-Temperature Au-Ni-Ti Braze Alloy, Welding Journal, pp. 256-S-264-S (11/2002)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、基体チタン合金のベータトランザス温度を下回るロウ付け温度を有する延性かつ耐衝撃性ロウ付け合金に対する必要性がある。具体的には、脆弱ロウ付け界面を形成することなくＷＣ−Ｃｏ材料をチタン合金にロウ付けするためのロウ付け合金に対する必要性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
１つの態様では、ロウ付け材料を提供し、本ロウ付け材料は、重量で約２〜約３０パーセントの金、重量で約４〜約１４パーセントのニッケル、重量で約２５〜約６５パーセントの銅、重量で約１〜約３パーセントのアルミニウム及び重量で約２０〜約５５パーセントの銀を含む。
【０００９】
別の態様では、ロウ付け材料を提供し、本ロウ付け材料は、重量で約２５．３パーセントの金、重量で約５．６パーセントのニッケル、重量で約４６．１パーセントの銅、重量で約１．１パーセントのアルミニウム及び重量で約２１．９パーセントの銀を含む。
【００１０】
別の態様では、ロウ付け材料を提供し、本ロウ付け材料は、重量で約４パーセントの金、重量で約１３．３パーセントのニッケル、重量で約２７．６パーセントの銅、重量で約２．７パーセントのアルミニウム及び重量で約５２．４パーセントの銀を含む。
【００１１】
別の態様では、ロウ付け材料を提供し、本ロウ付け材料は、重量で約２．２パーセントの金、重量で約７．３パーセントのニッケル、重量で約６０．３パーセントの銅、重量で約１．５パーセントのアルミニウム及び重量で約２８．７パーセントの銀を含む。
【００１２】
別の態様では、ロウ付け材料を提供し、本ロウ付け材料は、本質的に金、ニッケル、銅、アルミニウム及び銀から成り、これら金、ニッケル、銅、アルミニウム及び銀は、約８７１〜約９５４℃のロウ付け温度及び約４５０〜約５５０ＫＨＮのロウ付け接合部硬度を有するロウ付け材料を形成するのに十分な量で存在する。
【００１３】
別の態様では、第１の基体を第２の基体にロウ付けする方法を提供する。本方法は、第１の基体と第２の基体との間に重量で約２〜約３０パーセントの金、重量で約４〜約１４パーセントのニッケル、重量で約２５〜約６５パーセントの銅、重量で約１〜約３パーセントのアルミニウム及び重量で約２０〜約５５パーセントの銀を含むロウ付け材料を配置する段階と、ロウ付け材料の温度を少なくとも約８７１℃まで上昇させる段階とを含む。
【００１４】
本発明の他の態様は、以下の詳細な説明及び提出した特許請求の範囲から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】
【００１５】
本発明は、ほぼ９８２℃を下回り、それによってそのベータトランザス温度が９８２℃又はそれを上回る基体の機械的特性に対する損傷を防止するロウ付け温度で、第１の基体を第２の基体に（例えば、ＷＣ−Ｃｏ材料をチタン合金に）ロウ付けするためのＡｕ（２〜３０重量％）、Ｎｉ（４〜１４重量％）、Ｃｕ（２５〜６５重量％）、Ａｌ（１〜３重量％）及びＡｇ（２０〜５５重量％）合金に関する。具体的には、本発明の合金は、ＷＣ−Ｃｏ基体及びチタン基体の両方に対する濡れ性を保証するのに十分なニッケル含有量、耐衝撃性のための延性を保証するのに十分高い銅含有量、及び適切なコストを保証するのに妥当な低コストである金及び銀含有量を有することができる。
【００１６】
１つの態様では、本発明のロウ付け合金は、重量で約２〜約３０パーセントの金、重量で約４〜約１４パーセントのニッケル、重量で約２５〜約６５パーセントの銅、重量で約１〜約３パーセントのアルミニウム及び重量で約２０〜約５５パーセントの銀を含むことができる。
【００１７】
別の態様では、本発明のロウ付け合金は、重量で約２５．３パーセントの金、重量で約５．６パーセントのニッケル、重量で約４６．１パーセントの銅、重量で約１．１パーセントのアルミニウム及び重量で約２１．９パーセントの銀を含むことができる。
【００１８】
別の態様では、本発明のロウ付け合金は、重量で約４パーセントの金、重量で約１３．３パーセントのニッケル、重量で約２７．６パーセントの銅、重量で約２．７パーセントのアルミニウム及び重量で約５２．４パーセントの銀を含むことができる。
【００１９】
別の態様では、本発明のロウ付け合金は、重量で約２．２パーセントの金、重量で約７．３パーセントのニッケル、重量で約６０．３パーセントの銅、重量で約１．５パーセントのアルミニウム及び重量で約２８．７パーセントの銀を含むことができる。
【００２０】
別の態様では、本発明のロウ付け合金内の金、ニッケル、銅、アルミニウム及び銀の重量パーセントは、そのロウ付け合金の意図する用途に基づいて選択することができる。具体的には、重量パーセントは、得られたロウ付け合金がロウ付け後に高い耐衝撃性及び延性（すなわち、低い硬度）を有し、かつロウ付けされる基体のベータトランザス温度を下回る温度で溶融して高いロウ付け温度によって基体の機械的特性にマイナスの影響を与えない（例えば、相変化によって）ようにするように選択することができる。
【００２１】
本発明のロウ付け合金は、様々な形態で提供することができる。１つの態様では、ロウ付け合金は、金、ニッケル、銅、アルミニウム及び銀を含む均質な組成物として提供することができる。別の態様では、ロウ付け合金は、粉末として提供することができる。別の態様では、ロウ付け合金は、層状又は積層のフィルム又は箔として提供することができる。
【００２２】
粉末形態では、ロウ付け合金は、金、ニッケル、銅、アルミニウム及び銀粉末の混合物並びに／或いは金、ニッケル、銅、アルミニウム及び銀の１つ又はそれ以上の合金の粉末の混合物として提供することができ、これらの混合物内に金属が適切な量で存在する。１つの態様では、粉末は、該粉末が適切な溶融／ロウ付け温度に加熱されるまで均質な合金を形成することができない。例えば、本発明によるロウ付け合金は、銅粉末、金／銅／ニッケル粉末及び銀／アルミニウム粉末の分散体として提供することができる。
【００２３】
層状形態では、金、ニッケル、銅、アルミニウム、銀及びそれらの合金は、個別の層として提供され、それによって適切な溶融／ロウ付け温度に加熱された後にのみ均質な合金を形成することができる。例えば、本発明によるロウ付け合金は、積層フィルム又は層状材料として提供することができ、この場合には銅の層は金／銅／ニッケル箔の層と銀／アルミニウム箔の層と間に配置される。
【００２４】
この時点で、金属及び合金の様々な組合せ並びに様々な数の層が本発明の技術的範囲内にあることが、当業者には分かるであろう。さらに、本発明による層状材料はその平坦（すなわち平面）構成として用いることができ或いはロウ付け前に丸めた状態又は折畳んだ状態にすることができることが、当業者には分かるであろう。
【００２５】
実施例１
ロウ付け材料は、金／銅／ニッケル箔の層と銀／アルミニウム箔の層との間に挟んだ銅箔を用いて調製される。各層の厚さは、得られた層状材料が該層状材料の全重量に対して約２５．３重量％の金、約５．６重量％のニッケル、約４６．１重量％の銅、約１．１重量％のアルミニウム及び約２１．９重量％の銀を含むように選択される。得られた層状材料は、約９２７℃のロウ付け温度を有する。
【００２６】
実施例２
ロウ付け材料は、金／銅／ニッケル箔の層と銀／アルミニウム箔の層との間に挟んだ銅箔を用いて調製される。各層の厚さは、得られた層状材料が該層状材料の全重量に対して約４重量％の金、約１３．３重量％のニッケル、約２７．６重量％の銅、約２．７重量％のアルミニウム及び約５２．４重量％の銀を含むように選択される。得られた層状材料は、約９２１℃ロウ付け温度を有する。
【００２７】
実施例３
ロウ付け材料は、金／銅／ニッケル箔の層と銀／アルミニウム箔の層との間に挟んだ銅箔を用いて調製される。各層の厚さは、得られた層状材料が該層状材料の全重量に対して約２．２重量％の金、約７．３重量％のニッケル、約６０．３重量％の銅、約１．５重量％のアルミニウム及び約２８．７重量％の銀を含むように選択される。得られた層状材料は、約９２１℃のロウ付け温度を有する。
【００２８】
実施例４
実施例１の層状材料は、丸めかつＷＣ−Ｃｏ（２〜１０重量％のコバルト）カーボロイパッドとチタン合金（９０重量％のＴｉ、６重量％のＡｌ及び４重量％のＶ）スパン中央シュラウドとの間に配置し、組立体は、真空（約１０−４トル）の下で約１０分間の誘導加熱によって約９５４℃の温度まで昇温させる。組立体を冷却させた後に、ロウ付け接合部は、約４７０ＫＨＮの硬度を有する。
実施例５
【００２９】
実施例２の層状材料は、丸めかつＷＣ−Ｃｏ（２〜１０重量％のコバルト）カーボロイパッドとチタン合金（９０重量％のＴｉ、６重量％のＡｌ及び４重量％のＶ）スパン中央シュラウドとの間に配置し、組立体は、真空（約１０−４トル）の下で約１０分間の誘導加熱によって約９５４℃の温度まで昇温させる。組立体を冷却させた後に、ロウ付け接合部は、約５００ＫＨＮの硬度を有する。
【００３０】
実施例６
実施例３の層状材料は、丸めかつＷＣ−Ｃｏ（２〜１０重量％のコバルト）カーボロイパッドとチタン合金（９０重量％のＴｉ、６重量％のＡｌ及び４重量％のＶ）スパン中央シュラウドとの間に配置し、組立体は、真空（約１０−４トル）の下で約１０分間の誘導加熱によって約９５４℃の温度まで昇温させる。組立体を冷却させた後に、ロウ付け接合部は、約４９５ＫＨＮの硬度を有する。
【００３１】
従って、本発明の金／ニッケル／銅／アルミニウム／銀ロウ付け合金は、チタン／銅／ニッケルロウ付け合金に比して延性及び耐衝撃性があり、様々なＷＣ−Ｃｏ材料を様々なチタン合金に接合するために用いる時、優れた濡れ性を示す。
【００３２】
本明細書では本発明の金／ニッケル／銅／アルミニウム／銀ロウ付け合金を特定の態様に関して説明しているが、本明細書を読むと当業者は様々な変更を想起することができるであろう。本発明は、全てのそのような変更を包含し、特許請求の範囲の技術的範囲によってのみ限定される。