(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ろう付け温度でのろう付けにより高圧タービン動翼先端キャップ孔を閉ざす方法であって、
前記先端キャップ孔に、前記ろう付け温度より高い固相線温度を有する第１合金の粒子からなる第１組成物を充填することと、
前記第１組成物を、前記ろう付け温度より低い液相線温度を有する第２合金の粒子からなる第２組成物で覆うことと、
前記第２組成物を前記ろう付け温度に加熱して前記第２合金の前記粒子を溶融し、毛管現象により前記第１合金の前記粒子間の空間内に移送される前記第２合金の液体を形成することと、
前記第２合金の前記液体を冷却して、前記第１合金の前記粒子を強固に結合する固体を形成することと
を含み、
前記第１組成物を充填する工程において、該第１組成物が前記第２の合金の粒子を含まない
ことを特徴とする、方法。
【請求項２】
前記第１組成物は、本質的に前記第１合金の前記粒子と水基結合剤とからなる第１スラリーであり、そして前記第２組成物は、本質的に前記第２合金の前記粒子と水基結合剤とからなる第２スラリーである、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記第２合金は、３重量％ないし１１重量％の範囲内のＳｉ含量を有するＮｉ基合金である、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記第２合金は、１重量％未満のＢ含量を有するＮｉ基合金である、請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記第２組成物は、前記ろう付け温度より高い固相線温度を有する第３合金の粒子をさらに含有する、請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記第１組成物を充填する工程と、前記第１組成物を第２組成物で覆う工程との間に、前記充填された第１組成物の頂部に、該第１組成物の成分及び前記第２組成物の成分が混合された第３の組成物を施すことを更に含む、請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】
本発明は孔を閉ざすためのろう付け方法に関し、特に、孔の充填度を最大にし、多孔率を最小にし、耐酸化性を改良し、そして信頼性を高めるように高圧タービン動翼先端キャップ孔を閉ざすためのろう付け方法と合金に関する。
【０００２】
米国特許第５２３２３４３号に示されているような型の高圧タービン動翼の製造中、鋳造コアの位置決めのために先端キャップ孔が形成される。このような孔を確実に閉ざすことが重要である。なぜなら、さもなければ、冷却空気が先端から漏れて、翼形部表面上に導かれなくなるからである。先端キャップ孔は０．０４〜０．０５インチ（約０．１〜０．１３ｃｍ）程度の直径を有する。従来、このような孔には、比較的高い融点（「高融点」）の成分（Ｈ１）（約４５重量％）と、それと混合した比較的低い融点（「低融点」）の成分（Ｌ１）（約５５重量％）とからなる充填合金の５０％濃密スラリーが注入により充填された。従来実用された高融点成分と低融点成分の組成は次の通りである。
高融点成分（Ｈ１）                低融点成分（Ｌ１）
Ｃ        0.15 ー 0.19 重量％      Ｃ        0.05以下  重量％
Ｃｒ      13.7 ー 14.3             Ｃｒ      14.8 ー 15.8
Ｃｏ      9.0 ー 10.0              Ｃｏ      9.5 ー 11.0
Ｔｉ      4.8 ー 5.2               Ｔａ      3.0 ー 3.8
Ａｌ      2.8 ー 3.2               Ａｌ      3.2 ー 3.7
Ｗ        3.7 ー 4.3               Ｂ        2.1 ー 2.5
Ｍｏ      3.7 ー 4.3               Ｎｉ      残余
Ｗ＋Ｍｏ  7.7 以上                プラス付随不純物
Ｎｉ      残余
プラス付随不純物
ろう付け中、低融点成分粒子が溶融して液体になり、そして凝固中に緻密化して先端キャップ孔内の高融点成分粒子を結合する。この方式の欠点は、冷却した充填物が高い内部多孔率を有するので使用中酸化しやすいことと、冷却時に発生したメニスカス形ボイドにより充填状態の欠如が存在することであった。
【０００３】
【発明の概要】
簡単に述べると、本発明によれば、先端キャップ孔に、ろう付け温度より高い固相線温度を有する第１合金の粒子からなる第１組成物が充填される。第１組成物は、ろう付け温度より低い液相線温度を有する第２合金の粒子からなる第２組成物で覆われる。第２組成物はろう付け温度に加熱され、これにより、第２合金の粒子が溶融し、毛管現象により第１合金の粒子間の空間内に移送される第２合金の液体を形成する。第２合金の液体は冷却されて、第１合金の粒子を強固に結合する固体を形成する。
【０００４】
本発明の他の特徴のある部分は自明でありそして他の部分は以下の説明から明らかとなろう。
【０００５】
【好適実施例の詳述】
本発明によれば、先端キャップ孔が、特定ろう付け温度でのろう付けにより２成分ろう付け材料で閉ざされ、このろう付け温度で材料の両成分の一方だけが溶融する。先端キャップ孔に、少なくとも約８０％、好ましくは完全に充満するように、第１組成物が注入され、この組成物は、後のろう付けに使用されるろう付け温度より高い固相線温度を有する高融点材料からなる。注入は、背後に空気圧をかけた中空針を用いて、あるいは他の適当な手段により達成される。次いで、低融点材料からなるほぼ等しい量の第２組成物が高融点成分の頂部に施される。低融点材料はろう付け温度より低い液相線温度を有する。従って、ろう付け温度で、低融点材料は溶融するが、高融点材料は溶融しない。
【０００６】
図３は粉末充填後かつろう付け前の先端キャップ孔の断面図であり、高融点成分と、この高融点成分の頂部に施した低融点成分とで満たされた孔を示し、両成分は２つの個別層を形成している。これに対して、図１に示した従来の方法では、高融点成分と低融点成分とが最初に混合されている。両図において、高融点成分と低融点成分は相異なる斜線で示されている。再び図３を参照すればわかるように、本発明によるろう付け中に低融点成分粒子が溶融しそして低融点成分が毛管現象と重力の結果として全ての高融点成分粒子間を下方に移動する。凝固の結果、従来の方法によって満たされた孔（図２）と比べて、実質的に１００％満たされた孔（図４）が得られる。図２は従来の方法によって満たされた孔の底で発生する有害なメニスカス効果を示す。この効果は図４に示すように本発明では発生しない。本発明による充填完了孔は、新しいろう付け方法の結果として充填度がより高く、そして新しいろう付け方法と新しい合金との組合せの結果として耐酸化性がより高い。
【０００７】
上述の技術の一改変例である本発明の一好適実施例では、充填完了孔の頂部に施された低融点成分は高融点成分の一部分と混合されている。高融点成分は低融点成分より耐酸化性が高いので、この態様は充填済み先端キャップ孔の頂部における耐酸化性を高める。さらに、低融点成分粒子と混合した高融点成分粒子は溶融せずそして下方の高融点材料内にウイッキング流下しない。従って、混合した高融点粒子は肉盛効果を有し、この効果はろう付け中の充填完了孔の頂部におけるメニスカス形成を最少にする。従って、孔に高融点成分が完全に注入された後、その高融点成分上に高融点成分と低融点成分との混合物が施される。この混合物は好ましくは約５０重量％以下程度の高融点成分、さらに好ましくは約１０重量％〜約５０重量％の高融点成分を含有し、さらに好ましくは約１０重量％〜約２５重量％の高融点成分を含有する。特に好適な一実施例では、この混合物は約１５％の高融点成分と、約８５％の低融点成分とからなる。この混合物における低融点成分対高融点成分の重量比は約１：１〜約９：１であり、好ましくは約３：１〜約９：１である。特に好適な一実施例では、この重量比は約５：１〜約６：１である。
【０００８】
低融点材料の液相線温度はろう付け温度より低く、好ましくは約２２００゜Ｆ（約１２００℃）以下、さらに好ましくは約２１７５゜Ｆ（約１１９０℃）以下である。一好適実施例では、低融点材料の液相線温度は約２０００゜Ｆ（約１０９０℃）〜約２２００゜Ｆ（約１２００℃）である。特に好適な実施例は、それぞれ約２０６５゜Ｆ（約１１３０℃）と、約２１６５゜Ｆ（約１１８５℃）の液相線温度を有する。高融点材料の固相線温度はろう付け温度より高く、好ましくは約２３００゜Ｆ（約１２６０℃）以上、さらに好ましくは約２３７５゜Ｆ（約１３００℃）以上である。一好適実施例では、高融点材料の固相線温度は約２３５０゜Ｆ（約１２８５℃）〜約２４５０゜Ｆ（約１３４５℃）である。
【０００９】
コネチカット州Ｂｅｔｈｅｌのヴィッタ社（Ｖｉｔｔａ  Ｃｏｒｐ．）からＶｉｔｔａ  Ｇｅｌという商品名で入手できるような水基結合剤が、好ましくは高融点材料と低融点材料それぞれと混合されて、ろう付け前に両材料を適所に保持することを助ける。結合剤対金属の重量比は約１：７程度であり、従って、材料は、幾らかの蒸発発生後、約５０％濃密なスラリー内に含有される。結合剤はろう付け時に揮発する。
【００１０】
本発明によって達成される高い耐酸化性は、Ｎｉ基またはＣｏ基マトリックス内に融点降下剤としてかなりの含量のＳｉを有する低融点材料を選ぶことによって高められるということを発見した。ケイ素は耐酸化性を高めるのでこのような用途において特に有利であることがわかった。従って、本発明の低融点合金は少なくとも約３％のＳｉ、好ましくは約４％〜約１１％のＳｉを含有する。一好適実施例は約３％〜約５％のＳｉ、さらに好ましくは約４．２％〜約４．８％のＳｉを含有する。他の好適実施例は約９％〜１１％のＳｉ、さらに好ましくは約９．８％〜約１０．３％のＳｉを含有する。
【００１１】
本発明の低融点合金は、さらに、意図的に添加されるＢの欠如と、付随Ｂ含量を約１％以下、好ましくは約０．５％以下、さらに好ましくは約０．１％以下に保つことを特徴とする。Ｂは耐酸化性に悪影響を及ぼすので、Ｂを最少にすると耐酸化性が高まるということがわかった。これに対し、先端キャップ孔充填用の従来の低融点ろう付け合金はかなりの量（例えば少なくとも約２％）のＢを融点降下剤として含有していた。
【００１２】
本発明の低融点成分はさらに、耐酸化性を高めるために約１０％〜約２５％の範囲内のＣｒを含有する。
【００１３】
本発明の高融点合金は耐酸化性のためにＣｒとＡｌを含有する。好適な高融点合金は少なくとも約５％、好ましくは約５％〜約７％、さらに好ましくは約５．５％〜約６．５％のＡｌを含有し、これによりＡｌ酸化物スケールが生じて耐酸化性を高める。
【００１４】
充填材料の性能は、Ｈｆ、好ましくは少なくとも約０．５％、さらに好ましくは約１％〜約３％、最も好ましくは約１％〜約２％のＨｆをさらに含有する高融点合金を用いて耐酸化性のＡｌおよびＣｒ酸化物スケールの密着性を高めることにより、さらに高められるということがわかった。
【００１５】
また、このような性能は、もし高融点合金がまたＲｅ、少なくとも約１％、さらに好ましくは約２％〜約４％のＲｅを、固溶体強化剤としてのその効果の故に含有すれば、高められるということがわかった。これは特に、ＲｅがＭｏ、Ｔａ、Ｗのような他の固溶体強化剤ほど耐酸化性に悪影響を及ぼさないからである。
【００１６】
さらにわかったことは、Ｔｉの意図的な添加を除くことにより、また、Ｔｉ含量を好ましくは約０．５％以下に保つことにより、保護に役立つＣｒおよびＡｌ酸化物スケールがより良く密着するということである。なぜならＴｉはこのような密着を妨害する傾向をもつからである。
【００１７】
本発明による高融点および低融点組成例は次の通りである。
高融点成分（ＨＡ）        低融点成分（ＬＡ）        低融点成分（ＬＢ）
Ｃ    0.10 ー 0.14 重量％  Ｃ    0.13 ー 0.19 重量％  Ｃ    0.01以下
Ｈｆ  1.3 ー 1.7           Ｓｉ  4.2 ー 4.8           Ｓｉ  9.8 ー 10.3
Ｒｅ  2.6 ー 3.0           Ｃｒ  13.7 ー 14.3         Ｃｒ  18.5 ー 19.5
Ｃｒ  6.6 ー 7.0           Ｃｏ  9.0 ー 10.0          Ｂ    0.03以下
Ｔａ  6.2 ー 6.5           Ｔｉ  4.6 ー 5.2           Ｎｉ  残余
Ａｌ  5.94 ー 6.3          Ａｌ  2.8 ー 3.2           プラス付随不純物
Ｗ    4.7 ー 5.0           Ｍｏ  3.7 ー 4.3
Ｍｏ  1.3 ー 1.7           Ｗ    3.7 ー 4.3
Ｃｏ  11.45 ー 12.05       Ｂ    0.5 ー 0.8
Ｔｉ  0.2 以下            Ｎｉ  残余
Ｎｉ  残余                プラス付随不純物
プラス付随不純物
以下の例はさらに本発明を例示するものである。
【００１８】
【例１】
周期的な酸化試験を行い、本発明の高融点／低融点混合物（ＨＡ／ＬＡおよびＨＡ／ＬＢ）を充填した試料を、、従来の高融点／低融点混合物（Ｈ１／Ｌ１）を充填した試料と比較した。周期的酸化試験は、２４００サイクルまで５分間の保持時間で２０００゜Ｆ以下で行われた。図５〜図１０の顕微鏡写真を比較するとわかるように、充填材ＨＡ／ＬＡ（図５と図６）およびＨＡ／ＬＢ（図７と図８）は充填材Ｈ１／Ｌ１（図９と図１０）より酸化侵食が実質的に少なかった。
１８００サイクル後、ＨＡ／ＬＡ（図５）混合物とＨＡ／ＬＢ（図７）混合物は事実上酸化侵食を示さなかったが、Ｈ１／Ｌ１（図９）混合物はほとんど完全に酸化侵食されていた。２４００サイクル後、ＨＡ／ＬＡ（図６）混合物とＨＡ／ＬＢ（図８）混合物は極めてわずかな酸化侵食を示したが、Ｈ１／Ｌ１（図１０）混合物はほとんど完全に酸化侵食されていた。試験された混合物のおのおのが許容可能な侵食レベルを示した実際の最高温度が記録されそして表１に示されている。
【００１９】
【表１】
0005138842.tif 000002
【００２０】
【例２】
ＡＳＴＭのＥ８とＥ２１の手順に従って引張強度試験を行い、本発明によって準備された試料を従来の方法によって準備された試料と比較した。その結果を表２に示す。
【００２１】
【表２】
1900°F引張試験番号      材料        極限引張強度      伸び率(%)
Ｔ３６                Ｈ１／Ｌ１        19900           1.70
Ｔ３７                Ｈ１／Ｌ１        19700           1.40
Ｔ３                  ＨＡ／ＬＢ**      18300           1.20
Ｔ４                  ＨＡ／ＬＢ**      16600           1.50
Ｔ１５                ＨＡ／ＬＡ**      36500           0.70
Ｔ１６                ＨＡ／ＬＡ**      36200           0.90
Ｔ２５                ＨＡ／ＬＡ*       13600           0.70
Ｔ２６                ＨＡ／ＬＡ*       16700           0.60
2000°F引張試験番号      材料        極限引張強度      伸び率(%)
Ｔ３８                Ｈ１／Ｌ１        11200           1.00
Ｔ３９                Ｈ１／Ｌ１         7600           1.00
Ｔ５                  ＨＡ／ＬＢ**       5500           1.90
Ｔ６                  ＨＡ／ＬＢ**       4500           2.50
Ｔ１７                ＨＡ／ＬＡ**      19400           1.00
Ｔ１８                ＨＡ／ＬＡ**      19300           0.70
Ｔ２７                ＨＡ／ＬＡ*        7400           1.00
Ｔ２８                ＨＡ／ＬＡ*        7300           0.80
*  配合混合物    **  ＨＡ充填継目、頂部ろう付け
これらのデータからわかるように、ＨＡ／ＬＡの組合せの性能が最善であり、そして本発明のろう付け方法（頂部ろう付け）によって準備された試料に対して実施した試験が、配合混合物を用いて準備した試料に対して実施した試験より良い性能を示した。
【００２２】
【例３】
比較のための２０００゜Ｆ応力破断試験をＡＳＴＭのＥ１３９の手順に従って実施した。その結果を表３に示す。
【００２３】
【表３】
試験番号      材料          ＫＳＩ      寿命      伸び率(%)
Ｔ４０      Ｈ１／Ｌ１        1         1141.3      7.2
Ｔ４１      Ｈ１／Ｌ１        1         1106.4
Ｔ７        ＨＡ／ＬＢ**      1          685.3
Ｔ８        ＨＡ／ＬＢ**      1          211
Ｔ１９      ＨＡ／ＬＡ**      1          414.5
Ｔ２０      ＨＡ／ＬＡ**      1          371.8
Ｔ２９      ＨＡ／ＬＡ*       1           54.2      2.10
Ｔ３０      ＨＡ／ＬＡ*       1           35        1.80
Ｔ４２      Ｈ１／Ｌ１        2           15.3      2.50
Ｔ４３      Ｈ１／Ｌ１        2           14.9      1.90
Ｔ９        ＨＡ／ＬＢ**      2            5.3      8.70
Ｔ１０      ＨＡ／ＬＢ**      2            1.1      5.40
Ｔ２１      ＨＡ／ＬＡ**      2           27.9      2.20
Ｔ２２      ＨＡ／ＬＡ**      2           19.7      1.80
Ｔ３１      ＨＡ／ＬＡ*       2           29.3      2.70
Ｔ３２      ＨＡ／ＬＡ*       2            6.7      1.50
*  配合混合物    **  ＨＡ充填継目、頂部ろう付け
これらのデータは、１ｋｓｉの荷重で全試料の性能が適当であったことと、２ｋｓｉの荷重で、本発明のろう付け方法を用いて準備したＨＡ／ＬＡ試料の性能が最善であったことを示す。
【００２４】
【例４】
比較のためのゼロ強度試験が最高使用温度の目安として行われた。その結果を表４に示す。これらの試験は３００ｐｓｉの静荷重を平板試料からつり下げることを包含するものであった。試料をクラムシェル炉内につり下げ、その温度を監視しそして上昇させて、バーが破断する温度を記録した。
【００２５】
【表４】
試験番号      材料          荷重(psi)    温度(#F)
Ｔ−１      ＨＡ／ＬＢ**      300        2103.8
Ｔ−２      ＨＡ／ＬＢ**      300        2096.3
Ｔ−１２    ＨＡ／ＬＡ**      300        2122
Ｔ−２３    ＨＡ／ＬＡ*       300        2104.7
Ｔ−２４    ＨＡ／ＬＡ*       300        2086.9
Ｔ−３４    Ｈ１／Ｌ１        300        2033.4
Ｔ−３５    Ｈ１／Ｌ１        300        2045.6
*  配合混合物    **  ＨＡ充填継目、頂部ろう付け
これらのデータが示すように、本発明の合金と方法を用いて準備した試料の平均ゼロ強度温度は２１０７．４゜Ｆであり、これに対し、従来の合金と方法を用いて準備した試料のそれは２０３９．５゜Ｆであった。
【００２６】
以上の諸例から明らかなように、本発明のろう付け方法によれば、試験した新材料の組合せ（ＨＡ／ＬＡとＨＡ／ＬＢ）のどちらを用いても、従来の方法と比べて、容認し得る機械的性質を有する耐酸化性のより高い製品が得られる。幾つかの例では、新しい方法と材料を用いると機械的強度が比較的低いように思われるが、全ての例において、機械的強度は先端キャップ孔充填用途に関して容認し得る。材料は、使用中遠心力と熱負荷に抗してそれ自体を保持するのに十分な強度をもたなければならないが、それ以上の有意荷重を支えることはない。この用途に関して、より重要な特性は耐酸化性である。機械的強度と耐酸化性は、図１１と図１２に示すように、大部分が充填材内の比較的低量のボイド空間に起因する。
【００２７】
図１１は、本発明の方法を用いて材料ＨＡを充填し次いでＬＡ／ＨＡの８５／１５混合物を充填した孔を示す。図１２は、同じ方法を用いて材料ＨＡを充填し次いでＬＢを充填した孔を示す。
【００２８】
本発明の範囲内で上述の構造に様々な改変を施し得るので、以上の説明に包含されているあるいは添付図面に示されている全てのものは例示的なものに過ぎず、本発明を制限するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】先端キャップ孔の充填を行う従来の方法を示す先端キャップ孔の概略断面図である。
【図２】従来の方法による充填後の先端キャップ孔の概略断面図である。
【図３】本発明の充填方法を示す先端キャップ孔の概略断面図である。
【図４】本発明の方法による充填後の先端キャップ孔の概略断面図である。
【図５】酸化試験後の試料の断面の５０倍拡大顕微鏡写真である。
【図６】酸化試験後の試料の断面の５０倍拡大顕微鏡写真である。
【図７】酸化試験後の試料の断面の５０倍拡大顕微鏡写真である。
【図８】酸化試験後の試料の断面の５０倍拡大顕微鏡写真である。
【図９】酸化試験後の試料の断面の５０倍拡大顕微鏡写真である。
【図１０】酸化試験後の試料の断面の５０倍拡大顕微鏡写真である。
【図１１】本発明の充填材の顕微鏡写真である。
【図１２】本発明の充填材の顕微鏡写真である。
【図１】
0005138842.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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