高温合金のろう付け：解説

1.ろう付け特性

高温合金は、ニッケル基、鉄基、コバルト基の3つに大別される。これらは高温で良好な機械的特性、耐酸化性、耐食性を示す。ニッケル基合金は最も一般的に実用化されている。

高温合金はかなりの量のクロム(Cr)を含んでいる。₂O₃ 加熱時に表面に酸化皮膜を形成する。ニッケル基高温合金は、アルミニウム（Al）と チタン (Ti）は加熱中に酸化しやすい。

したがって、高温合金のろう付けでは、酸化を防止し、酸化皮膜を最小限に除去することが重要である。AlやTiを多く含む鋳造ニッケル基合金では、合金の表面酸化を防ぐために、加熱時の真空度を10-2～10-3Pa以上確保する必要がある。

固溶強化型および析出強化型のニッケル基合金の場合、合金元素の完全な溶解を確保するため、ろう付け温度は固溶化熱処理時の加熱温度と一致するように選択すべきである。

温度が低すぎると溶解が不完全になり、高すぎると母材に粒成長が起こり、その後の熱処理でも材料の特性を回復できなくなる可能性がある。鋳造ベースの合金は一般に固溶温度が高く、ろう付け温度に大きな影響を受けない。

ニッケル基高温合金の中には、特に析出強化合金のように応力割れを起こしやすいものがある。

従って、ろう付け前に加工時に形成された応力を除去し、ろう付け時の熱応力を最小限に抑える必要がある。

2.ろう付け材料

ニッケル基合金のろう付けには、銀系、純銅系、ニッケル系、活性ろう合金が使用できる。

接合部の使用温度が高くない場合は、銀系材料を使用することができる。銀系ろう材にはさまざまな種類があるが、使用温度を最小限に抑えるため、以下のような方法がある。 内部応力 加熱時には、低融点合金を選択することが望ましい。

アルミニウム含有量の多い析出強化型高温合金のろう付けには、FB102ろうを使用し、10-20%フルオロアルミン酸ナトリウムまたはアルミニウムフラックス（FB201など）を添加する。ろう付温度が900℃を超える場合は、FB105を使用する。

真空ろう付けや保護雰囲気ろう付けでは、ろう材として純銅を使用することができる。ろう付け温度は1100～1150℃の範囲で、接合部に応力割れは生じない。ただし、使用温度は400℃を超えないこと。

ニッケル基ろう付け合金は優れた高温特性を持ち、高温合金のろう付けによく使用される。

ニッケル基ろう合金の主な合金元素はクロム（Cr）、ケイ素（Si）、ホウ素（B）であり、少量の鉄（Fe）、タングステン（W）などが含まれる。B-Ni68CrWBろう合金は、母材へのホウ素の粒界侵入が少なく、溶融温度範囲が広いため、高温部品やタービンブレードのろう付けに適している。

しかし、タングステンを含むろう合金は流動性が低下するため、接合クリアランスの制御が難しくなる。

活性拡散ろう付合金はシリコンを含まず、優れた耐酸化性、耐硫化性を示す。ろう付け温度は、ろう合金の種類により1150～1218℃の間で選択できる。ろう付け後、1066℃で拡散処理することにより、母材と同等の特性を有するろう付け継手が得られる。

3.ろう付けプロセス

ニッケル基合金のろう付けには、保護雰囲気炉でのろう付け、真空ろう付け、過渡液相接合などの方法がある。

ろう付けに先立ち、サンディング、バフ研磨、アセトン拭き取り、化学洗浄などにより、油脂や表面の酸化物を除去する必要がある。

選択時 ろう付け工程 パラメータでは、ろう材と母材との強い化学反応を防ぐため、過度に高い加熱温度を避け、ろう付け時間を短くすることが重要である。

母材の割れを防ぐため、冷間加工を施した部 品には、ろう付け前に応力除去処理を施す。溶接時の加熱はできるだけ均一にする。

析出強化高温合金の場合、まず溶体化処理し、次に時効処理温度よりやや高い温度でろう付けし、最後に時効処理を施す。

1) 保護雰囲気炉でのろう付け

保護雰囲気炉でのろう付けでは、保護ガスの高純度化が要求されます。W(Al)またはW(Ti)含有量が0.5%以下の高温合金では、水素またはアルゴンガスを使用する場合、露点が-54℃以下であることが必要です。

AlとTiの含有量が増加すると、合金の表面加熱中にやはり酸化が起こる。少量のろう材フラックス（FB105など）を添加して酸化皮膜を除去する、部品表面に0.025～0.038mm厚の皮膜を形成する、被ろう材表面にろう材を予め塗布しておく、三フッ化ホウ素などの少量のガスフラックスを使用する、などの対策が必要である。

2) 真空ろう付け

真空ろう付けは広く使用され、より良い保護とろう付け品質を提供する。代表的なニッケル基高温合金継手の機械的性質を表15に示す。

w(Al)またはw(Ti)が4%未満の高温合金の場合、ろう材は特別な前処理なしでも表面を濡らすことができるが、表面に厚さ0.01～0.015mmのニッケル層を電着することが望ましい。

w(Al)またはW(Ti)が4%を超える場合、ニッケルめっきの厚さは0.020.03mmとする。メッキが薄すぎると十分な保護効果が得られず、厚すぎると接合強度が低下する。

真空ろう付けは、ろう付けする部品をジルコニウム（Zr）などの吸収剤とともに箱に入れて行うこともできる。吸収剤は高温でガスを吸収し、箱の中を部分的に真空にすることで、合金表面の酸化を防ぐ。

表15：ニッケル基高温合金の代表的な真空ろう付け継手の機械的特性

高温合金ろう付け継手の組織と強度は、ろう付けギャップによって変化する。ろう付け後の拡散処理により、接合ギャップの最大許容値をさらに大きくすることができる。

インコネル合金を例にとると、B-Ni82CrSiBをろう付けしたインコネル継手の場合、1000℃、1時間の拡散処理後の最大ギャップ値は約90umに達する。一方、B-Ni71CrSiBをろう付けした継手では、1000℃、1時間の拡散処理後の最大ギャップ値は約50umである。

3) 過渡液相接合

過渡液相接合では、母材よりも融点の低い中間合金層（厚さ約2.5～100μm）をろう材として使用する。低圧（0～0.007MPa）と適切な温度（1100～1250℃）の下で、まず中間層材料が溶融し、母材を濡らします。

元素の急速な拡散により、接合部は等温凝固して接合部を形成する。この方法は、母材の表面合わせの要件を大幅に削減し、溶接圧力を低減する。過渡液相接合の主なパラメーターには、圧力、温度、保持時間、中間層の組成などがある。

低い圧力を加えることで、接合面間の良好な接触を確保する。加熱温度と時間は接合部の性能に大きく影響する。接合部の特性を損なうことなく、母材と同等の強度を持たせる必要がある場合は、接合プロセスのパラメーターとして高温（例：≧1150℃）と長時間（例：8～24時間）を使用する必要があります。

接合品質が多少低下してもよい場合や、母材が高温に耐えられない場合は、低温（1100～1150℃）、短時間（1～8時間）を採用する。中間層の組成は、接合する母材の組成を基本とし、B、Si、Mn、Nbなどの合金元素を添加する。

例えば、ウディメット合金の組成がNi-15Cr-18.5Co-4.3Al-3.3Ti-5Moの場合、過渡液相接合に使用される中間層の組成はB-Ni62.5Cr15Co15Mo5B2.5となる。これらの添加元素は、Ni-CrまたはNi-Cr-Co合金の溶融温度を下げることができ、Bが最も大きな低下効果を持つ。

さらに、Bは高い拡散速度を示し、中間層合金と母材との迅速な均質化を可能にする。