技術資料＞バッファー材による TiAl 合金 /Cr-Mo 鋼の接合強度の安定化

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技術資料
Technical Data

バッファー材による TiAl 合金 /Cr-Mo 鋼の接合強度の安定化
堀尾浩次＊

Stabilization of Strength of Bonded Joint with TiAl Alloy / Cr-Mo
Steel by Buffer Material
Hirotsugu Horio
Synopsis
TiAl alloy has been applied to turbine wheels in turbochargers of automobiles, from the viewpoint of high tensile properties
and high creep strength at elevated temperature. The welding and joining techniques have been needed to join the turbine wheels
made of TiAl alloy and the steel shafts.
The transition liquid-phase diffusion bonding process was carried out to join TiAl alloy and Cr-Mo steel with Ni brazing filler
sheet. A buffer material with the thickness of 0.5 mm was inserted between the bonding interfaces. It consists of 19Cr heatresistant ferritic stainless steel with low carbon. Tensile property of bonded joints with the buffer material was investigated by theheat cycle test at 1000 cycles from 343 K to 923 K and the thermal exposure test at 923 K during 1000 h. Diffusion situation on
the bonded interface was observed by electron probe micro analyzer (EPMA).
The buffer material can have the following effects.
●Getting stable high tensile strength of bonded joint because of suppressing generation of carbides at the bonded interface.
●Keeping tensile strength of bonded joint stable after the heat cycle test and the thermal exposure test.
●Blocking the diffusion of carbon in Cr–Mo steel into TiAl alloy.
●Having the oxidation resistance of substantially equal to that of TiAl alloy at 923 K.

2012 年 11 月 12 日受付＊大同特殊鋼㈱研究開発本部（Daido Corporate Research & Development Center, Daido Steel Co., Ltd.

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電気製鋼 第 83 巻 2 号 2012 年

1．緒

バッファー材は高温部位で使用され，炭素含有量が低言

く，線熱膨張係数が TiAl 合金と SCM435H の中間である 19Cr 系のフェライトステンレス鋼を用いた．Table

近年，燃料費の高騰，低炭素社会の実現に向けた取組

1 に今回使用した各種材料の化学成分を示す．Fig. 1 にみにより，輸送機に Al 合金，Ti 合金などの軽金属が多は各種材料の熱膨張係数を示す．573 K 以上の温度にく使用されてきている．その中の一つである TiAl 合金はおいて，バッファー材の線熱膨張係数は TiAl 合金と高温における引張強度が高く，また高いクリープ強度を有SCM435H 鋼の中間の値となり，接合歪みの緩和が期待する特長から，自動車用ターボチャージャーのタービンされる．

1）
，2）

ホイール

，航空機エンジンのタービンブレード

3），4）などの高温部材に適用が拡がっている．

なお，TiAl 合金は精密鋳造されたタービンホイール
を，SCM435H 鋼はφ 20 mm の丸棒を準備した．Fig. 2

TiAl 合金製のタービンホイールでは，シャフトとなるに TiAl 合金および SCM435H 鋼の接合面形状の模式図

鋼との溶接技術・接合技術が必要である．TiAl 合金と鋼を示す．また，バッファー材はφ 20 mm を準備し，Fig.との異材溶接・接合は拡散接合 5），ロウ付け 6）などの接3 に示すように厚み 0.5 mm のドーナッツ状の試験片に合技術について，研究開発が進められている．母材を溶加工した．

融させる溶接では，TiAl 合金の Ti と鋼の Fe が脆弱な金属間化合物を生成することが知られており，溶接の開発は殆ど実施されていない．そこで，本開発では，接合方法に母材を溶融させない液相拡散接合法 8），9）を用いた．
また，クラッド鋼などの溶接割れが発生しやすい異材溶融溶接において，異材となる部分に中間層として，バッファー材の溶接を行うこと 7）がある．バッファー材の役目として，析出物の抑制，溶接歪の緩和が挙げられる．本開発においても，上述の観点から TiAl 合金と鋼の間に中間層として，バッファー材を挿入することを試みた．本稿ではバッファー材の接合強度に及ぼす効果を紹介する．

2．実験方法2． 1

供試材

今 回，TiAl 合 金 は タ ー ビ ン ホ イ ー ル で 実 績 の あ る®10）

DAT-TA1を 供 し た． 鋼 は SCM435H 鋼 を 用 い た．

Fig. 1. Coefficient of linear thermal expansion of basemetals and buffer material.

Table 1. Chemical composition of base metals and buffer material (mass%).

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鋼の間に挟み，フィラーはバッファー材の接合面両面に挿入させ，接合面を加圧させながら，高周波誘導加熱により，接合部を加熱して，接合した．バッファー材の厚み 0.5 mm に対して，高周波誘導加熱コイルの幅25 mm により，十分な設定温度の加熱幅が得られるため，一度の高周波誘導加熱で，TiAl 合金とバッファー材，SCM435H とバッファー材を接合可能であった．また，バッファー材の効果を確認するため，バッファー材なしの接合継手も製作した。接合雰囲気は酸化を防ぐためにアルゴン雰囲気とした．接合後，接合継手材を大気中で，熱処理時間 723 K，熱処理時間 0.5 h の歪取り焼鈍を実施した．

Table. 2. Bonding condition.

Fig. 2. Dimension of bonding test specimens. a) TiAlalloy. b) SCM435H steel.

Fig. 3. Dimension of buffer material specimen.

2． 2接合実験今回の接合方法は TiAl 合金，SCM435H 鋼およびバッファー材を溶融させない液相拡散接合法を用いた．液相を発生させるフィラーは JIS Z 3625 BNi-3 の Ni-Si-B 系の箔を接合面形状に合わせて使用し，Table 2 に示す条件で接合した．高周波誘導加熱による接合状況の模式図を Fig. 4 に示す．バッファー材は TiAl 合金と SCM435H

Fig. 4. Schematic diagram of bonding equipment.

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電気製鋼 第 83 巻 2 号 2012 年

2． 3

接合継手特性評価試験（1）評価試験片製作（4）熱暴露試験
熱暴露試験においても，上述と同様に，Table 2 に示す接合温度 1323 K で接合したバッファー材ありとバッバッファー材の有無に係わらず，全ての接合された試ファー材なしの接合継手を供した．加熱は電気炉を用い験片の接合部に，溶融して，はみ出したフィラーが確認て，加熱温度 923 K，保持時間 1000 h，大気中雰囲気でされた．接合継手特性評価試験において，その部位が切熱暴露試験を実施した．熱暴露試験後，引張試験を行っ欠きになる懸念があるため，全周にわたり機械加工で除た．

去した．
（2）引張試験
Table 2 に示す接合温度 1323 K に対して，バッファー3．実験結果および考察
3． 1

接合継手の引張強度材の効果を確認するため，バッファー材ありとバッFig. 6，7 にバッファー材ありの接合継手とバッファーファー材なしの接合継手を引張試験に供した．また，材なしの接合継手の引張試験の結果を示す．バッファー

バッファー材ありの接合継手において，引張強さに及ぼ材ありの接合継手強度は TiAl 合金母材破断しており，す接合温度の影響を調査した．引張試験は 500 kN 能力バッファー材なしの接合継手強度より高く，安定していのアムスラー式万能試験機で実施した．

た．なお，バッファー材なしの接合継手は接合界面破断であった．Fig. 7 にバッファー材なしの接合継手の接合（3）熱サイクル試験
バッファー材の有無を比較するため，Table 2 に示す界面で破断した破面の外観を示すしているが，破面の大部分は黒色を呈していた．

接合温度 1323 K で接合したバッファー材ありとバッファー材なしの接合継手を熱サイクル試験に供した．熱疲労試験は高温槽と低温槽の 2 槽を持つ流動層を用い，Fig. 5 に示すように，923 K の流動層内で 300 s 保持した後，343 K の流動層内で 300 s 保持し，それを 1000 回繰り返した．熱サイクル試験後，接合部の浸透探傷試験および引張試験を行った．

Fig. 6. Result of tensile test of TiAl alloy and SCM435H
steel bonded joints.

Fig. 5. C ondition of heat cycle test.

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バッファー材あり及びバッファー材なしの接合界面の拡散状態を EPMA（Electron probe micro analyzer）で調査した．Fig. 8 に Ti と C に対する結果を示す．
バッファー材ありのバッファー材と TiAl 合金の接合界面において，炭素の濃化が若干見られるが，バッファー材なしの SCM435H 鋼と TiAl 合金の接合界面に比べ，濃化の程度は非常に低くかった．バッファー材の炭素量は 0.015 mass%，SCM435H 鋼の炭素量は 0.35mass% と約 1/24 の値である．バッファー材が低炭素であることにより，炭素が TiAl 合金に拡散する量が少ないことがその要因と考えられる．また，バッファー材がSCM435H 鋼から TiAl 合金への炭素の拡散を遮断したことも要因の一つと考えられる．
一方，バッファー材なしの接合界面においては，TiAl合金と SCM435H 鋼との炭素の濃度差が大きいので，炭素の拡散が進み，炭化物が一面に連なって析出している状況になったと考えられる．また，この析出物により，接合界面強度が低下し，その部位から破断したと考えら
Fig. 7. Appearance of fractured TiAl alloy and SCM435H

れる．バッファー材なしの破面の外観が黒色を呈してsteel bonded joints (bonding temperature: 1323

いたこともこの炭化物によるものであると考えられる．

K).

従って，炭化物の析出度合いが，接合継手の強度，安定性に強く寄与していることが明らかである．
Fig. 9 にバッファー材と SCM435H 鋼との接合界面の EPMA による Si と B の結果を示す．バッファー材とSCM435H 鋼との接合界面において，フィラーに含有している Si や B の濃化が認められた．

Fig. 8. T i a n d C d i s t r i b u t i o n s o f Ti A l a l l o y a n dFig. 9. S
 i a n d B d i s t r i b u t i o n s o f b u ff e r m a t e r i a lbuffer material bonded joint and TiAl alloy

and SCM435H steel bonded joint (bondingand SCM435H steel bonded joint (bonding

temperature: 1323 K).

temperature: 1323 K).

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拡散接合の観点では，拡散が不十分であるが，引張試ていたが，TiAl 合金では酸化スケールが付与されてい験でこの接合界面から破断していないことから強度的になかった．接合界面の表層部分が切欠きの状態となっては十分であると考える．

いたことが強度低下の要因であると考えられる．

Fig. 10 にバッファー材ありの接合継手の引張強度にFig. 12 にバッファー材ありの熱サイクル試験後の接及ぼす接合温度の影響を示す．接合温度が増すにつれ，合部表層のミクロ組織を示す．TiAl 合金とバッファー接合強度が増大する傾向が認められた．接合温度 1293

材の表層に酸化スケールは無く，SCM435H 鋼に酸化ス

K ではバッファー材と SCM435H 鋼の接合界面で破断した．拡散不足が接合界面で破断した要因と考えられる．
1323 K 以上では TiAl 合金破断に至った．接合温度 1373
K においても，TiAl 合金で破断しており，炭化物が抑制され，接合界面の健全性が確保されていることが認められた．

Fig. 11. Result of penetrant testing after heat cycle test.

Fig. 10. Effect of bonding temperature on tensile
strength of TiAl alloy and SCM435H steel bonded joints
with buffer material.

3． 2

熱サイクル試験結果

Fig. 11 に熱サイクル試験後の接合部の浸透探傷試験の結果を示す．バッファー材ありなしに関わらず割れは認められなかった．線膨脹係数の差異により，熱応力が発生するが，この試験温度範囲において，バッファー材なしの接合継手強度でも十分な強度を有していると考えられる．熱サイクル試験後の引張試験において，バッファー材ありの接合継手は TiAl 合金で破断しており，熱サイクル試験後も安定した強度が保持されていた．一方，バッファー材なしの接合継手は接合界面で破断し，強度も低下した．SCM435H 鋼では 923 K の温度に曝されることにより，酸化スケールが形成され，減肉が生じ

Fig. 12. Microstructure of TiAl alloy and SCM435H steel
bonded joints with buffer material.

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153ケールが認められ，バッファー材と SCM435H 鋼との接合界面が切欠きの状態となっていた．しかしながら，この切欠きとは関係が無く，引張試験において，TiAl 合金で破断した．バッファー材と SCM435H 鋼の接合界面強度は TiAl 合金とバッファー材のものと比べ，非常に高強度であることが分かる．

3． 3

熱暴露試験結果

大 気 中 に お け る 加 熱 温 度 923 K， 保 持 時 間 1000 hの 熱 暴 露 試 験 後 の 接 合 継 手 の 外 観 を Fig. 13 に 示 す．
SCM435H 鋼に酸化スケールの剥離が発生していた．熱暴露試験後の引張試験において，バッファー材ありの接合継手は TiAl 合金で破断しており，熱暴露試験後も安定した強度が保持されていた．一方，バッファー材なしの接合継手は接合界面で破断し，強度は熱サイクル試験後の強度よりも更に低下した．更なる低下は温度 923 Kに曝される時間が熱サイクル試験の 12 倍になったため，
SCM435H 鋼の酸化スケールが厚く形成され，減肉が進Fig. 14. Ti and C distributions of TiAl alloy and buffer

行し，接合界面の表層の切欠きがより顕著になったこと

material bonded joint and TiAl alloy and SCM435H steelが大きな要因である．
Fig. 14 にバッファー材ありの接合継手の熱暴露試験
後の接合界面の EPMA による Ti と C の結果をに示す．

bonded joint after thermal exposure test at 923 K during1000 h.

バッファー材ありの接合継手が熱暴露試験後も安定した強度が保持されているのは，接合界面において熱暴露による炭化物の生成が殆ど生じていないことがその要因として考えられる．

4．まとめTiAl 合金と鋼の液相拡散接合において，低炭素量の耐熱フェライト系ステンレス鋼をバッファー材として用いることにより，以下の効果を得た．
・バッファー材の厚みを 0.5 mm にすることにより，一度の加熱で TiAl 合金とバッファー材の接合，バッファー材と鋼の接合が可能であった．
・バッファー材により，接合界面における炭化物の生成が抑制され，高く安定した接合強度を得られた．引張試験において，接合温度が 1323 K 以上で TiAl 合金から破断した．
・バ ッファー材は SCM435H 鋼から TiAl 合金への炭素の拡散を遮断し，バリアー材としての効果も有していた．
・熱 サイクル試験および熱暴露試験においても，バッFig. 13. A ppearance of Bonded joints after thermal
exposure test at 923 K during 1000 h.

ファー材により，高く安定した接合強度が保持されていた．

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電気製鋼 第 83 巻 2 号 2012 年・バ ッファー材は接合界面における炭化物の生成の抑制，SCM435H 鋼から TiAl 合金への炭素の拡散の遮断だけでなく，TiAl 合金とほぼ同等な耐酸化特性を示したことも，熱サイクル試験および熱暴露試験で，高く安定した接合強度が保持されていた要因と考えられ
る．

5．謝辞

今回，接合試験片の準備および接合実験にご協力頂いた株式会社 大同キャスティングスに感謝致します．
（文献）

1）
野田俊治：チタン，50（2002），17.
2）
鉄井利光，三浦義光：チタン，48（2000），211.
3）
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4）荒 木隆人，青木祥宏，植田祐介，佐藤彰洋，細谷昌
厚：石川島播磨技法，44（2004），266.
5）Y. Morizono，M. Nishida，Y. Kodama，T. Yamamuro，T. Terai，N. Nitta and Y. Ohno：International Symposium
on Joining Technologies Advanced Automobile Assembly
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6）T. Noda，T. Shimizu，M. Okabe and T. Iikubo : Mater.Sci.
Eng. A239-240（1997），613.
7）
溝豊，杉山茂嘉，川嶋巌 : 溶接学会全国大会
講演概要，43（1988），162.
8）竹之内優，冷水孝夫，堀尾浩次：電気製鋼，67（1996），
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堀尾浩次，山田龍三，冷水孝夫：電気製鋼，72（2001），
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10）
小柳禎彦：電気製鋼，82（2012），79.