金属部件的接合方法及金属部件接合体

技术领域

本公开涉及金属部件的接合方法及金属部件接合体。

背景技术

高温下运转的燃气轮机、化工厂等所使用的金属部件使用Ni合金或Fe合金等耐热合金。对于具有接合部位的构造部件，适用能够确保高接头强度、密封强度的扩散接合(参考专利文献1)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2014-161885号公报

发明内容

发明所要解决的课题

然而，为了提高机械强度等，如上所述的耐热合金使用含有碳化物的含碳化物Ni合金、含碳化物Fe合金。另一方面，含碳化物Ni合金、含碳化物Fe合金所形成的金属部件的扩散接合中适用固相扩散接合。

但是，在将由含碳化物Ni合金、含碳化物Fe合金形成的金属部件的各接合面直接抵触来进行固相扩散接合的情况下，碳化物沿着接合界面存在，因此接合界面有可能成为裂纹的传播通路。其结果是，存在金属部件接合体的机械强度降低的情况。

在此，本公开的目的在于提供一种能够更加提高机械强度的金属部件的接合方法及金属部件接合体。

解决课题的方法

根据本公开的金属部件的接合方法，包括在均由含碳化物Ni合金或者均由含碳化物Fe合金形成的第一金属部件与第二金属部件之间夹持插入材料来形成层叠体的层叠体形成工序，和将所述层叠体通过加热加压进行固相扩散接合以形成金属部件接合体的固相扩散接合工序；其中，对于所述插入材料，在所述第一金属部件与所述第二金属部件均由所述含碳化物Ni合金形成的情况下，其所含Ni的含量高于所述第一金属部件与所述第二金属部件的Ni含量，在所述第一金属部件与所述第二金属部件均由所述含碳化物Fe合金形成的情况下，其所含Fe或Ni的含量高于所述第一金属部件与所述第二金属部件的Fe的含量。

根据本公开的金属部件的接合方法，所述第一金属部件与所述第二金属部件均由所述含碳化物Ni合金形成，所述插入材料可以含有Ni的含量高于所述第一金属部件与所述第二金属部件的Ni的含量。

根据本公开的金属部件的接合方法，所述插入材料可以由纯Ni形成。

根据本公开的金属部件的接合方法，可以包括热处理工序，对所述金属部件接合体进行热处理，使得所述第一金属部件与所述第二金属部件的接合部的晶粒跨越所述接合部的接合界面而成长。

根据本本公开的金属部件接合体具有均由含碳化物Ni合金或均由含碳化物Fe合金形成的第一金属部件与第二金属部件和设置在所述第一金属部件与所述第二金属部件之间的由扩散层形成的接合部，在所述接合部的接合界面没有析出碳化物。

根据本公开的金属部件接合体，所述第一金属部件与所述第二金属部件可以均由所述含碳化物Ni合金形成。

根据本公开的金属部件接合体，所述接合部的晶粒可以跨越所述接合界面。

发明效果

根据上述构成，由于能够抑制第一金属部件与第二金属部件之间的接合界面的碳化物，因此能够提高金属部件接合体的机械强度。

附图说明

图1是显示本公开的实施方式中的金属部件的接合方法的构成的流程图。

图2是显示本公开的实施方式中的层叠体的构成的图。

图3是显示本公开的实施方式中的金属部件接合体的构成的图。

图4是显示本公开的实施方式中的各样品的拉伸试验结果的图表。

图5是显示本公开的实施方式中的各样品的蠕变试验结果的图表。

图6是显示本公开的实施方式中的比较例1的样品的金属组织观察结果的照片。

图7是显示本公开的实施方式中的实施例1的样品的金属组织观察结果的照片。

图8是显示本公开的实施方式中的实施例2的样品的金属组织观察结果的照片。

图9是显示本公开的实施方式中的比较例2的样品的金属组织观察结果的照片。

具体实施方式

以下，对于本公开的实施方式，利用附图进行说明。图1是显示金属部件的接合方法的构成的流程图。金属部件的接合方法包括层叠体形成工序(S10)以及固相扩散接合工序(S12)。

层叠体形成工序(S10)是在均由含碳化物Ni合金或均由含碳化物Fe合金形成的第一金属部件与第二金属部件之间，夹持插入材料来形成层叠体的工序。图2是显示层叠体10的构成的图。层叠体10通过在第一金属部件12与第二金属部件14之间夹持插入材料16而构成。第一金属部件12及第二金属部件14均，由含碳化物Ni合金或者均由含碳化物Fe合金形成。第一金属部件12及第二金属部件14既可以均由含碳化物Ni合金形成，也可以均由含碳化物Fe合金形成。

含碳化物Ni合金是含有碳化物且合金的主要成分由Ni构成的Ni合金。所谓合金的主要成分，是指合金成分中含量最大的合金元素(以下相同)。含碳化物Ni合金作为合金成分含有C。C的含量例如可以为0.01质量％至1质量％。含碳化物Ni合金可以使用固溶有Mo、W等固溶强化型的Ni合金、析出有γ’相的析出强化型Ni合金等。

含碳化物Ni合金例如可以使用Haynes230合金。Haynes230合金是含碳化物的固溶强化型Ni合金。Haynes230合金的合金组成例如含有22质量％的Cr(铬)、14质量％的W(钨)、2质量％的Mo(钼)、3质量％以下的Fe(铁)、5质量％以下的Co(钴)、0.5质量％的Mn(锰)、0.4质量％的Si(硅)、0.5质量％以下的Nb(铌)、0.3质量％的Al(铝)、0.1质量％以下的Ti(钛)、0.1质量％的C(碳)、0.02质量％的La(镧)、0.015质量％以下的B(硼)，余量份由Ni(镍)以及不可避免的杂质构成。Haynes230合金中所含的碳化物是Cr碳化物或W碳化物等。碳化物析出于晶粒内或晶界等。

含碳化物Fe合金是含有碳化物且合金的主要成分由Fe构成的Fe合金。含碳化物Fe合金作为合金成分含有C。C的含量例如可以为0.01质量％至1.2质量％。

含碳化物Fe合金可以使用不锈钢。不锈钢中，可以使用奥氏体系不锈钢、铁素体系不锈钢、奥氏体-铁素体系不锈钢、马氏体系不锈钢、析出硬化型不锈钢等。

在第一金属部件12及第二金属部件14均由含碳化物Ni合金形成的情况下，第一金属部件12及第二金属部件14可以由相同的含碳化物Ni合金形成，也可以由不同的含碳化物Ni合金形成。例如，在第一金属部件12由Haynes30合金形成的情况下，第二金属部件14既可以由Haynes230合金形成，也可以由与Haynes230合金不同的含碳化物Ni合金形成。

在第一金属部件12及第二金属部件14均由含碳化物Fe合金形成的情况下，第一金属部件12及第二金属部件14可以由相同的含碳化物Fe合金形成，也可以由不同的含碳化物Fe合金形成。

插入材料16设置为夹持在第一金属部件12及第二金属部件14之间。更详细而言，插入材料16插在第一金属部件12的接合面与第二金属部件14的接合面之间。

在第一金属部件12及第二金属部件14均由含碳化物Ni合金形成的情况下，插入材料16所含Ni的含量高于第一金属部件12及第二金属部件14的Ni含量，在第一金属部件12及第二金属部件14均由含碳化物Fe合金形成的情况下，插入材料16所含Fe或Ni的含量高于第一金属部件12及第二金属部件14的Fe含量。

插入材料16通过含有含量高于第一金属部件12及第二金属部件14的Ni或Fe的含量的Ni或Fe，在固相扩散接合时，可以使第一金属部件12及第二金属部件14的接合界面及其附近的碳化物固溶于插入材料16。由此，可以抑制碳化物沿着第一金属部件12及第二金属部件14的接合界面存在。如此，插入材料16形成为在固相扩散接合时能够使接合界面及其附近的碳化物固溶。

更详细而言，在沿着第一金属部件12及第二金属部件14的接合界面存在碳化物的情况下，可能成为产生裂纹的位置、裂纹的传播通路。另外，当沿着接合界面存在碳化物时，存在碳化物成为扩散障碍而妨碍相互固相扩散，导致接合强度降低的情况。根据插入材料16，在固相扩散接合时通过碳化物的固溶，能够抑制碳化物沿着第一金属部件12及第二金属部件14的接合界面存在。由此在促进固相扩散的同时，能够抑制裂纹的产生。

在第一金属部件12及第二金属部件14均由含碳化物Ni合金形成的情况下，插入材料16既可以由所含的Ni含量高于第一金属部件12及第二金属部件14的Ni含量的Ni合金形成，也可以由纯Ni形成。纯Ni可以使用纯度为99％以上的材料。

在第一金属部件12及第二金属部件14均由含碳化物Fe合金形成的情况下，插入材料16可以由所含的Fe含量高于第一金属部件12及第二金属部件14的Fe含量的Fe合金形成，也可以由纯Fe形成。纯Fe可以使用纯度为99％以上的材料。另外，在第一金属部件12及第二金属部件14均由含碳化物Fe合金形成的情况下，插入材料16可以由所含的Ni含量高于第一金属部件12及第二金属部件14的Fe含量的Ni合金形成，也可以由纯Ni形成。纯Ni可以使用纯度为99％以上的材料。

在插入材料16由纯Ni或纯Fe形成的情况下，相比于插入材料16由Ni合金或Fe合金形成的情况，插入材料16变软且易于塑性变形。因此，在固相扩散接合时，可以在第一金属部件12及第二金属部件14的接合面密合插入材料16。

插入材料16可以由片材或箔等形成。插入材料16例如可以由纯Ni箔、纯Fe箔等形成。插入材料16的厚度可以为20μm以下。这是因为在插入材料16的厚度高于20μm的情况下，存在固相扩散所需耗时长的情况。插入材料16的厚度可以为5μm以上10μm以下。

对于第一金属部件12、第二金属部件14及插入材料16，在进行层叠之前，可以进行表面粗糙度的调节、脱脂清洗等预处理。

固相扩散接合工序(S12)是通过对层叠体10进行加热加压使其固相扩散接合来形成金属部件接合体的工序。图3是显示金属部件接合体20的构成的图。通过对层叠体10进行加热加压使其固相扩散接合，在第一金属部件12与第二金属部件14之间形成由扩散层形成的接合部22。接合部22的厚度例如可以为10μm至100μm。

更详细而言，通过对层叠体10加热加压，在第一金属部件12及第二金属部件14与插入材料16之间，金属元素相互固相扩散，由此形成由扩散层形成的接合部22。接合部22可以形成为所含的Ni或Fe的含量高于第一金属部件12及第二金属部件14的Ni或Fe的含量。例如，在第一金属部件12及第二金属部件14均由含碳化物Ni合金形成的情况下，接合部22可以形成为所含的Ni的含量高于第一金属部件12及第二金属部件14的Ni含量。

在固相扩散接合时，在第一金属部件12及第二金属部件14的接合界面24以及附近存在的碳化物固溶于插入材料16，因而在第一金属部件12及第二金属部件14的接合界面24不会析出碳化物。由此，能够抑制碳化物沿着第一金属部件12及第二金属部件14的接合界面24存在，因而可以防止接合界面24成为裂纹的传播通路。其结果是，可以提高接合部22的接合强度。

对于第一金属部件12及第二金属部件14均为含碳化物Ni合金时的接合条件(接合温度、接合压力、接合时间及接合气氛)进行说明。接合温度可以为1050℃以上1200℃以下。这是因为，当接合温度低于1050℃时，存在第一金属部件12及第二金属部件14的接合界面24及其附近存在的碳化物不能充分固溶的情况，不能充分进行固相扩散，可能导致接合强度降低；当接合温度高于1200℃时，由于晶粒生长变大，有可能导致机械强度下降。接合温度可以为1050℃以上1150℃以下。

接合压力可以为5MPa以上20MPa以下。这是因为，在接合压力小于5MPa的情况下，第一金属部件12及第二金属部件14与插入材料16之间的密合性降低，存在固相扩散不能充分进行的可能；在接合压力大于20MPa的情况下，第一金属部件12及第二金属部件14有可能产生变形。接合压力可以为5MPa以上10MPa以下。

接合时间可以为4小时以上10小时以下。这是因为，在接合时间短于4小时的情况下，有可能第一金属部件12及第二金属部件14的接合界面24及其附近的固相扩散不能充分进行，可能导致接合强度降低。接合时间为10小时以下是因为，接合时间如果为10小时，则接合界面24及其附近的碳化物能够充分固溶，可以进行固相扩散接合。另外，若接合时间长于10小时则导致生产性降低。

接合气氛可以为真空气氛、氩气等非活性气体气氛等非氧化性气氛。由此，因为能够抑制第一金属部件12及第二金属部件14、插入材料16的接合面的氧化，能够促进固相扩散。在真空气氛的情况下，可以为1.3×10

固相扩散接合工序(S12)之后，可以包括对金属部件接合体20进行热处理，使第一金属部件12及第二金属部件14的接合部22的晶粒跨越接合部22的接合界面24来生长的热处理工序。通过使接合部22的晶粒跨越接合界面24来生成长，能够提高金属部件接合体20的蠕变特性。另外，通过对金属部件接合体20进行热处理，能够使得接合部22的组成更为均匀。

对于第一金属部件12及第二金属部件14均为含碳化物Ni合金时的热处理条件(热处理温度、热处理时间及热处理气氛)进行说明。热处理温度可以为1050℃以上1200℃以下。这是因为，在热处理温度为低于1050℃的低温情况下，有可能接合部22的晶粒几乎不生长；当热处理温度为高于1200℃的高温情况下，第一金属部件12及第二金属部件14的晶粒的生长变大，有可能导致机械强度降低。热处理温度可以为1050℃以上1150℃以下。

热处理时间可以为5小时以上75小时以下。这是因为，如果热处理时间小于5小时，有可能接合部22的晶粒未充分生长。热处理时间为75小时以下是因为，热处理时间如果为75小时，对于使得接合部22的晶粒跨越接合界面24生长来说是足够的时间。热处理时间可以为50小时以上75小时以下。

热处理气氛可以为真空气氛、由氩气等形成的非活性气体气氛等非氧化性气氛。由此，能够抑制在热处理中金属部件接合体20的氧化。热处理气氛可以与接合气氛相同。

需要说明的是，层叠体10的固相扩散接合可以使用真空扩散接合装置、真空热压装置、热等静压加压(HIP)装置等常规的扩散接合装置。另外，金属部件接合体20的热处理可以使用常规的金属材料热处理装置。

接着，对于由上述金属部件的接合方法接合而形成的金属部件接合体20的构成进行说明。金属部件接合体20具有均由含碳化物Ni合金或均由含碳化物Fe合金形成的第一金属部件12及第二金属部件14以及设置在第一金属部件12与第二金属部件14之间的由扩散层形成的接合部22。并且，接合部22的接合界面24未析出碳化物。

更详细而言，接合部22由第一金属部件12、第二金属部件14及插入材料16的金属元素相互固相扩散而得到的扩散层形成。在接合部22的接合界面24及其附近，碳化物发生固溶。因此碳化物不析出于接合部22的接合界面24。由此，能够抑制形成因碳化物沿着接合界面24存在而产生的扩散障碍，促进固相扩散，从而可以提高接合部22的接合强度。另外，在接合部22的接合界面24及其附近，由于碳化物固溶，能够抑制形成因碳化物沿着接合界面24存在而导致的裂纹传播通路。由此，通过接合部22能够抑制裂纹的产生、传播。其结果是，能够提高金属部件接合体20的拉伸特性等。

另外，在固相扩散接合后进行了热处理的金属部件接合体20中，接合部22的晶粒跨越接合部22的接合界面24。更详细而言，通过对固相扩散接合后的金属部件接合体20进行热处理，接合部22的晶粒跨越接合界面24而生长。由于在接合界面24与晶粒界面同样地易于因滑动等而产生蠕变变形，通过使得接合部22的晶粒跨越接合界面24生长，能够抑制蠕变变形。由此，能够提高金属部件接合体20的蠕变特性等。

如此，金属部件接合体20具有优异的拉伸特性、蠕变特性等机械强度。因此，可以适用于航空飞机用或产业用燃气轮机的涡轮叶片等。另外，金属部件接合体20在具有优异的机械强度的同时，还具有优异的反应气体等密封强度，因此可以适用于化工厂的热交换器、反应器等。

以上，根据上述构成，构成为包括在均由含碳化物Ni合金或均由含碳化物Fe合金形成的第一金属部件与第二金属部件之间夹持插入材料形成层叠体的层叠体形成工序，以及对层叠体进行加热加压而使其固相扩散接合来形成金属部件接合体的固相扩散接合工序，在第一金属部件与第二金属部件均由含碳化物Ni合金形成的情况下，插入材料所含的Ni的含量高于第一金属部件与第二金属部件的Ni含量，在第一金属部件与第二金属部件均由含碳化物Fe合金形成的情况下，插入材料所含的Fe或Ni的含量高于第一金属部件与第二金属部件的Fe含量。由此，通过抑制碳化物沿着第一金属部件与第二金属部件的接合部的接合界面存在，能够抑制裂纹的传播通路的形成，同时能够促进固相扩散。其结果是，金属部件接合体能够提高拉伸特性等机械强度。

根据上述构成，进一步包括对金属部件接合体进行热处理，使得第一金属部件与第二金属部件的接合部的晶粒跨越接合部的接合界面而生长的热处理工序。由此，接合部的晶粒跨越接合部的接合界面，从而能够提高蠕变特性等机械强度。

实施例

对于Ni合金部件进行固相扩散接合，并评价机械强度特性。

(样品的制备)

首先，对于实施例1的样品进行说明。Ni合金部件使用固溶强化型的耐热Ni基合金的Haynes230合金。Haynes230合金是含有Cr碳化物、W碳化物等碳化物的含碳化物Ni合金。Haynes230合金使用具有上述合金组成的材料。Ni合金部件的形状为块状。插入材料使用纯Ni箔。纯Ni箔使用Ni的纯度为99％以上的材料。插入材料的厚度为5μm至10μm。在均由Haynes230合金形成的Ni合金部件、Ni合金部件之间，夹持插入材料，形成层叠体。

接着，将层叠体在真空气氛中进行加热加压，进行固相扩散接合。固相扩散接合使用真空扩散接合装置。接合温度为1050℃至1150℃。接合圧力为5MPa至10MPa。接合时间为4小时至10小时。真空度为1.3×10

对于实施例2的样品进行说明。实施例2的样品相对于实施例1的样品的不同点在于，在固相扩散接合后进行了热处理。更详细而言，实施例2的样品首先与实施例1的样品同样地形成层叠体并进行固相扩散接合。接着，实施例2的样品对于经固相扩散接合的金属部件接合体进行热处理。金属部件接合体的热处理使用热处理炉。热处理在真空气氛中通过加热至1050℃至1150℃来进行。热处理时间为50小时。真空度为1.3×10

对于实施例3的样品进行说明。实施例3的样品相对于实施例1的样品的不同点在于，在固相扩散接合后进行热处理。另外，实施例3的样品相比于实施例2的样品热处理时间更长，这一点是不同的。更详细而言，实施例3的样品与实施例1、2的样品同样地形成层叠体并进行固相扩散接合。并且，实施例3的样品对经固相扩散接合的金属部件接合体进行热处理。热处理在真空气氛中通过加热至1050℃至1150℃来进行。热处理时间为72小时。真空度为1.3×10

对于比较例1的样品进行说明。比较例1的样品相对于实施例1的样品的不同点在于，未使用插入材料进行固相扩散接合。更详细而言，比较例1的样品的Ni合金部件的接合面彼此之间直接抵触并进行固相扩散接合。比较例1的样品的接合条件(接合温度、接合压力、接合时间、接合气氛等)与实施例1的样品相同。

对于比较例2的样品进行说明。比较例2的样品相对比较例1的样品不同点在于，在固相扩散接合后进行热处理。更具体而言，比较例2的样品与比较例1的样品同样地不使用插入材料而进行固相扩散接合后，进行热处理而形成。比较例2的样品的热处理条件与实施例2的样品的热处理条件(热处理温度、热处理时间、热处理气氛等)相同。

(拉伸试验)

对于实施例1及比较例1的样品，在常温进行拉伸试验。拉伸试验按照ASTM E8/E8M进行。拉伸试验片从各样品切取来制备。试验件数对于各样品分别取3。图4是显示各样品的拉伸试验结果的图。图4的图中，横轴为各样品，纵轴为接头系数(継手効率)，将各样品的接头系数通过柱状图表示。需要说明的是，接头系数是将作为基材的Haynes230合金的室温拉伸强度的标准值(760MPa)取为1时而得到的值。

比较例1的样品的接头系数小于1，得到低于基材强度的拉伸强度。比较例1的样品的任一个均在接合部发生断裂。相对于此，实施例1的样品的接头系数大于1，得到与基材强度同等的拉伸强度。实施例1的样品的任一个都没有在接合部而是在基材发生断裂。由该结果可知，将纯Ni箔作为插入材料进行固相扩散接合，能够提高拉伸特性。

(蠕变试验)

对于实施例1至3的样品，进行蠕变试验。蠕变试验按照JIS Z 2271进行。蠕变试验片从各样品切取来制备。试验件数对各样品分别取3。图5是显示各样品的蠕变试验结果的图。图5的图中，横轴为拉森-米勒参数(Larson-Miller parameter)P，纵轴为应力，实施例1的样品以菱形、实施例2的样品以正方形、实施例3的样品以三角形、基材以圆形分别进行表示。需要说明的是，拉森米勒参数P是由P＝T(C+logtr)所表示的参数。T表示绝对温度(K)，tr表示断裂时间(h)，C表示材料常数。需要说明的是，材料常数C取20。

实施例2、3的样品相对于实施例1的样品，蠕变特性得以提高。由该结果可知，在固相扩散接合后进行热处理，由此能够提高蠕变特性。另外，实施例3的样品相比于实施例2的样品，蠕变特性也提高。由该结果可知，通过延长固相扩散接合后的热处理时间，能够提高蠕变特性。

(金属组织观察)

对于实施例1、2的样品与比较例1、2的样品，通过光学显微镜进行金属组织观察。图6是显示比较例1的样品的金属组织观察结果的照片。图7是显示实施例1的样品的金属组织观察结果的照片。图8是显示实施例2的样品的金属组织观察结果的照片。图9是显示比较例2的样品的金属组织观察结果的照片。需要说明的是，金属组织观察的倍率取200倍。

如图6所示，比较例1的样品中，可以确认沿着Ni合金部件彼此的接合界面存在碳化物。在接合界面形成了密集有碳化物的层。由此可知，在不使用插入材料进行固相扩散接合的情况下，碳化物沿着接合界面存在。可以认为由此导致了比较例1的样品的拉伸强度降低。

如图7所示，实施例1的样品中，在Ni合金部件彼此之间形成有由扩散层形成的接合部。实施例1的样品中，在接合部的接合界面未确认到碳化物的存在。由该结果可知，由于接合界面及其附近的碳化物发生固溶从而在接合界面没有析出碳化物，能够防止接合界面成为裂纹的传播通路。可以认为由此使得实施例1的样品的拉伸强度提高。

如图8所示，实施例2的样品中，接合部的晶粒跨越接合部的接合界面生长。相对于此，如图7所示，实施例1的样品中，接合部的晶粒没有跨越接合界面生长。由该结果可知，通过在固相扩散接合后进行热处理，接合部的晶粒跨越接合界面生长，因此提高了蠕变特性。

如图9所示，比较例2的样品中，接合界面及其附近的晶粒未跨越接合界面生长。由此结果可知，在不使用插入材料进行固相扩散接合的情况下，即使在固相扩散接合后进行热处理，在接合界面及其附近的晶粒也几乎不生长。

产业上的可利用性

本公开由于能够提高金属部件接合体的机械强度，可以适用于航空飞机用、产业用的燃气轮机的涡轮叶片等、化工厂的热交换器、反应器等。