JPH0569159A - 少なくとも一部が金属間化合物からなる複合材の接合方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明の目的は、少なくとも一部が金属間化合
物からなる複合材を製造する場合に、優れた性能の接合
部が比較的低温の熱処理で得られるようにすることにあ
る。 【構成】金属間化合物からなる複合材は、（ＴｉＡｌ＋
Ｔｉ₃ Ａｌ）からなる第１の部材１１と第２の部材１２
を、インサート材１３を介して接合したものである。こ
の複合材を製造する場合、第１の部材１１と第２の部材
１２との間に、インサート材１３としてＡｌ箔が設けら
れる。そしてこれらを互いに重合させるとともに、金属
間化合物が形成される温度に加熱することにより、イン
サート材１３としてのＡｌ箔を金属間化合物の接合界面
において反応させることによって、第１の部材１１と第
２の部材１２の接合が行われる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、少なくとも一部が例え
ばＴｉ−Ａｌ系などの金属間化合物からなる複合材を製
造する際に適用される複合材の接合方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】金属間化合物は耐熱性，耐酸化性，耐摩
耗性等に優れしかも軽量に構成でき、また、超電導等の
機能性を有するなどの優れた性質をもつため、各種用途
に使われる素材としてきわめて有望視されている。

【０００３】金属間化合物の例として、Ｔｉ−Ａｌ系，
Ｎｉ−Ａｌ系，Ｎｉ−Ｔｉ系，Ｃｏ−Ｔｉ系，Ｆｅ−Ａ
ｌ系，Ｍｏ−Ａｌ系，Ｍｏ−Ｓｉ系，Ｎｂ−Ａｌ系，Ｔ
ｉ−Ｓｉ系等の２元系や、Ｆｅ−Ａｌ−Ｓｉ系，Ａｌ−
Ｇａ−Ａｓ系等の多元系が知られている。具体的には、
構造材として、ＴｉＡｌ，Ｔｉ₃ Ａｌ，Ａｌ₃ Ｔｉ，Ｃ
ｏ₃ Ｔｉ，Ｎｉ₃ Ａｌ，ＮｉＡｌ，ＦｅＡｌ，Ｍｏ₃ Ａ
ｌ₈ ，ＭｏＳｉ₂ ，Ｎｂ₃ Ａｌ，Ｔｉ₅ Ｓｉ₃ 等が知ら
れている。また形状記憶効果を有するＴｉＮｉ，ＣｕＺ
ｎ等や、超電導材料としてＮｂ₃ Ｓｎ，Ｖ₃ Ｇａ，Ｎｂ
₃ Ｇａ，Ｎｂ₃Ｇｅ等、磁性材料としてＦｅ₃ （ＡｌＳ
ｉ）、ＳｍＣｏ₅ 、半導体及びその他の機能性材料とし
てＩｎＳｂ，ＧａＡｓ，Ｂｉ₂ Ｔｅ₃ ，ＺｎＳｅ等、そ
の他にも多くのものがある。

【０００４】金属間化合物を利用する製品例としては、
高温で使用される外壁材や、タ−ビン部材、ピストンや
バルブシステム等のエンジン部品、弾性部材、あるいは
超電導等の各種金属間化合物に固有の優れた性質を生か
した機能部品などが考えられる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】金属間化合物は上記の
ように優れた性質を有する反面、接合に困難を伴う。例
えば、電子ビ−ム溶接法によって接合を行なう場合、溶
接部において結晶粒の粗大化を生じたり、実用上無視で
きない程大きな欠陥が生じることがある。ろう付けや接
着剤による接合も考えられるが、接合部の耐熱性や機械
的性質や固有の機能性等が母材よりも劣る。

【０００６】また、接合部を加圧しつつ加熱することに
よって高温下で接合させることも考えられるが、接合部
が軟化する温度まで加熱されると所定の形状を維持する
ことが困難となる。

【０００７】従って本発明の目的は、少なくとも一部が
金属間化合物からなる複合材を高品質かつ比較的容易に
接合でき、接合時の加熱温度が比較的低くてすみ、しか
も接合部が優れた性能を発揮できるように接合部の組
織，欠陥等の制御がなされた複合材の接合方法を提供す
ることにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を果たすために
開発された本発明は、金属間化合物からなる第１の部材
を第２の部材に接合する場合に、上記第１の部材と第２
の部材との接合界面に、上記金属間化合物の少なくとも
１つの成分と同じ成分を主とするインサート材を介在さ
せた状態でこれらを互いに接触させかつ金属間化合物が
形成される温度に加熱することを特徴とする、少なくと
も一部が金属間化合物からなる複合材の接合方法であ
る。

【０００９】第１の部材は、Ａｌ原子等を含む金属間化
合物からなる。本発明におけるインサート材に使われる
材料は、上記金属間化合物の少なくとも１つの成分と共
通の成分、例えば金属間化合物にＡｌ原子が含まれてい
る場合にはＡｌ箔のように薄く均一なＡｌ材が適してい
る。ただしこのインサート材は、純金属の塊である必要
はなく、合金あるいは固溶体であってもよいし、めっき
等によってつくられた複合体であってもよい。

【００１０】このインサート材は、第１の部材あるいは
第２の部材の接合界面に、めっきや溶射、蒸着等によっ
て被着させてあってもよい。第２の部材は、金属間化合
物や合金あるいは高融点金属，半導体，セラミックスの
ように耐熱性や機能性を有するものからなる。

【００１１】上記部材を加熱する工程において、ホット
プレス（ＨＰ），等方圧プレス加工（ＨＩＰ）等の適宜
の方法で加圧するとよい場合がある。その際に一軸プレ
スあるいは二軸プレス等によって接合部を特定の方向か
ら部材の自重以上に加圧することにより、金属間化合物
形成時の接合部に剪断応力を伴う流動を生じさせると、
更に好ましい結果が得られることがある。

【００１２】

【作用】第１の部材と第２の部材は、箔等の所定の形状
に加工されたインサート材を介して重合され、加熱され
る。この熱処理によって、第１の部材と第２の部材の接
合部においてＡｌ箔等のインサート材が反応し、接合部
に金属間化合物が形成されると同時に、金属間化合物形
成時の発熱もしくは自己燃焼反応熱により、第１の部材
と第２の部材とが接合される。

【００１３】本発明におけるインサート材は、第１の部
材および第２の部材の接合界面に対して均一な単一の成
分のみが接するため、接合界面での変形や密着および拡
散や反応が均一となる。

【００１４】

【実施例】以下に本発明の一実施例について、図１ない
し図５を参照して説明する。図１に示されるように、本
実施例では、（ＴｉＡｌ＋Ｔｉ₃ Ａｌ）等の金属間化合
物からなる第１の部材１１と、同じく金属間化合物から
なる第２の部材１２を、インサート材１３を介して接合
することにより、図２に示されるような複合材Ａを製造
する。製造工程の一例が図３に示されている。

【００１５】第１の部材１１と第２の部材１２は、それ
ぞれ、Ｔｉ−Ａｌ系の金属間化合物（ＴｉＡｌ＋Ｔｉ₃
Ａｌ）からなる。第１の部材１１と第２の部材１２を製
造するには、以下の製造方法を採用することができる。

【００１６】ガスアトマイズ法により作製した 350メッ
シュ以下のＡｌ粉末と 350メッシュ以下のスポンジＴｉ
粉末を、重量分率でＴｉ：Ａｌ＝６８．４％：３１．６
％の割合で、Ａｒガス置換された乾式ボ−ルミルを用い
て混合する。そののち、金型プレスあるいはパイプに詰
めてスェ−ジング加工するなどして、所望形状の混合圧
着体を得る。この混合圧着体を熱処理することによっ
て、金属間化合物（ＴｉＡｌ＋Ｔｉ₃ Ａｌ）からなる第
１の部材１１と第２の部材１２が得られる。第１および
第２の部材１１，１２の組成は、Ｔｉ−４８at％Ａｌで
ある。

【００１７】上記工程を経て得られた第１の部材１１と
第２の部材１２との間に、インサート材１３を設け、加
熱接合工程２１を実施する。この場合、各部材１１，１
２とインサート材１３を互いに密接させた状態で仮止め
するとよい場合がある。仮止め方法としては、線材で縛
ったり、凹凸嵌合、圧接、摩擦圧接、接着剤、ろう付
け、ボルト止め等が採用される。

【００１８】インサート材１３は、上記金属間化合物の
少なくとも１つの成分と共通の成分を主とする均一な箔
などからなり、本実施例のＴｉ−Ａｌ系金属間化合物で
は、Ａｌ箔が採用される。このＡｌ箔の厚さの一例は１
０μｍであるが、必要に応じて適宜の厚さのものを選定
して使用する。

【００１９】加熱接合工程２１において、上記部材１
１，１２とインサート材１３を、図示しない加熱装置に
よって、例えば真空雰囲気中で７５０℃・１hourの条件
で加熱するとともに、例えば５kg／mm² の圧力で加圧を
行う。

【００２０】図４に、上記加圧接合工程２１を実施した
のちの組織の一例を示す。図４において、図示右側に位
置する第１の部材１１と、図示左側に位置する第２の部
材１２との間に、前記インサート材１３のＡｌ箔からな
るＡｌリッチ層１３′が存在し、このＡｌリッチ層１
３′が母材（ＴｉＡｌ＋Ｔｉ₃ Ａｌ）と良好に反応して
いる。

【００２１】上記加圧接合工程２１によってＡｌリッチ
層１３′（インサート層２５）を介して接合された第１
の部材１１と第２の部材１２を、熱処理工程３０におい
てアルゴンガスフロー雰囲気中で、金属間化合物が形成
される温度（例えば１２００℃で２時間）の加熱を行
う。

【００２２】上記熱処理工程３０によって、インサ−ト
層２５が部材１１，１２の接合部において反応し、金属
間化合物を形成すると同時に発熱し、第１の部材１１と
第２の部材１２との接合界面において拡散結合すること
などにより一体化する。

【００２３】図５は上記熱処理後の接合部を示す顕微鏡
写真である。この写真に見られるように、熱処理後はＡ
ｌが拡散によってきれいに接合し、強度も高いものが得
られる。接合部は全て金属間化合物からなり、Ａｌ（金
属）は残っていない。

【００２４】図５において中央部付近がインサート材１
３が設けられていた箇所であり、この箇所を含む接合部
は実質的に母材としての第１の部材１１および第２の部
材１２と連続している。従って母材および接合部は共に
優れた耐熱性と耐酸化性を発揮し、しかも接合強度がき
わめて大きい。

【００２５】なお、上記熱処理工程３０における加熱温
度は、インサート材１３の厚さ等の条件に応じて変化す
るので、実施例に限らない。また、場合によっては、熱
処理工程３０を実施しなくとも、加圧接合工程２１にお
ける加熱のみで、金属間化合物を形成することができる
ことがある。

【００２６】第１の部材１１と第２の部材１２が、本実
施例のようなＴｉ−Ａｌ系の金属間化合物の場合、イン
サート材１３としてＡｌ箔を用いれば熱処理温度がかな
り低くてすむ。この実施例のようなＴｉ−Ａｌ系の場
合、高強度な複合材を得るためには、真空雰囲気中で加
熱を行なうのが特によい。大気中で行なうと酸化が進行
し、強度が低下する場合がある。

【００２７】加熱は、炉を用いて全体を加熱してもよい
が、接合部を局部的に加熱する方が簡便であり、母材と
しての第１の部材１１と第２の部材１２の変形を抑制す
る上でも有利である。局部的な加熱方法としては、燃焼
ガスあるいはヒ−タ等による外部の熱源を用いる方法
や、ア−ク、電気抵抗加熱、高周波誘導加熱、摩擦発熱
等のように部材自身を発熱させる方法もある。

【００２８】加圧工程２１および熱処理工程３０は、大
気中で行ってもよいが、前記実施例で述べたように不活
性ガスあるいは真空雰囲気や酸化還元雰囲気等のガス中
で行えば更に好ましい結果が得られることがある。ま
た、これらの雰囲気を組合わせてもよい。特に局部的に
加熱する場合は、ガスア−ク，金属被覆ア−ク溶接等の
通常の溶接に用いられる雰囲気制御が有効である。ま
た、ろう付け等に用いられる溶剤やフラックス等を用い
てもよい。

【００２９】なお、必要があれば熱処理工程３０の終了
後に、鍛造等の適宜の加工工程３１を実施することによ
り、母材と接合部の欠陥、偏析の改善、不純物の分散等
を図ってもよい。

【００３０】また、熱処理工程３０によって金属間化合
物の形成と接合がなされた後、必要に応じて上記雰囲気
を維持した状態で例えば１１００℃に保持し、３時間の
仕上げ熱処理工程３２を行ってもよい。その処理温度
は、金属間化合物の固相線以下の温度域が望ましい。特
に、Ｔｉ−Ａｌ系の場合は７００℃以上が望ましい。こ
れ以下の温度では、十分な拡散が進行しない。

【００３１】上述した仕上げ熱処理工程３２は大気中で
行ってもよいが、不活性ガスあるいは酸化還元雰囲気等
のガス中で行えば更に好ましい結果が得られることがあ
る。また、材料によっては加圧しない状態でこの仕上げ
熱処理工程３２を実施してもよい。

【００３２】仕上げ熱処理工程３２を行うことによっ
て、複合材Ａに含まれる空孔を更に減少させることがで
きるとともに、組織の均一化が促進され、接合歪の除
去、更には不純物の拡散もしくは不純物の除去が図れ
る。この熱処理工程３２の実施によって、結晶粒の大き
さや金属間化合物組織または析出物の調整をすることも
可能である。

【００３３】上記一連の工程によって、第１の部材１１
と第２の部材１２が一体化された複合材Ａが得られた。
この複合材Ａは、母材および接合部がいずれも金属間化
合物（ＴｉＡｌ＋Ｔｉ₃ Ａｌ）からなる。

【００３４】なお、仕上げ熱処理工程３２の終了後に仕
上げ加工３５を行ってもよい。例えばバレル加工等によ
って複合材Ａの表面を滑らかなものにする。あるいは機
械加工等によって表面の研磨を行うとか、表面傷，表面
層等の除去あるいは切断，研削加工等により形状の修
正、追加を行ったり、前記インサ−ト層２５のはみ出し
た箇所を除去する。また、ショットピ−ニング等を行う
ことにより、複合材Ａの表層部に圧縮残留応力を生じさ
せれば、複合材Ａの耐久性を更に高めることができる。

【００３５】前記実施例における第２の部材１２は、Ｎ
ｉ，Ｎｉ合金，インコネル等のＮｉ基耐熱合金，Ｔｉ，
Ｔｉ合金，Ａｌ，Ａｌ合金、Ｎｂ，Ｔａ等の高融点金
属、Ｓｉ等の半金属、あるいは前記実施例以外の金属間
化合物（Ａｌ₃Ｔｉ等）、アルミナ，窒化けい素，炭化
けい素等のセラミックス等の無機材料でもよいし、耐熱
プラスチック等の有機材料でも適用できる場合がある。
また、第１の部材１１と第２の部材１２とインサート材
１３にそれぞれ共通元素が含まれていればなおよい。

【００３６】なお、上述したＴｉ−Ａｌ系の金属間化合
物の場合には、インサート材１３としてＡｌ箔以外にＴ
ｉ箔を用いることができる場合がある。Ｔｉ箔を用いた
場合には熱処理後にＴｉ（金属）が接合部に残ることが
あるが、その場合にもかなりの接合強度が得られる。

【００３７】要するに本発明では、互いに接合される第
１の部材１１と第２の部材１２の少なくとも一方を構成
する金属間化合物の成分をもつ箔等の均一なインサート
材１３を用いればよい。また本発明は、前記実施例で示
したものに限らず、Ｔｉ−Ａｌ系の他の組成についても
適用できる。また本発明は、他の金属間化合物を形成す
る系についても適用できる。

【００３８】

【発明の効果】本発明によれば、金属間化合物からなる
第１の部材を第２の部材に強固に接合させることがで
き、接合温度が低いにもかかわらず欠陥の発生が抑制さ
れかつ強度の高い良好な接合部が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法に使用する部材を模式的に示す側面
図。

【図２】本発明方法によって製造された複合材を模式的
に示す側面図。

【図３】本発明方法の一実施例を示す工程説明図。

【図４】本発明の一実施例方法によって製造される複合
材の熱処理前の金属組織を２３００倍に拡大して示す顕
微鏡写真。

【図５】本発明の一実施例方法によって製造された複合
材の接合部付近の金属組織を５５０倍に拡大して示す顕
微鏡写真。

【符号の説明】

１１…第１の部材、１２…第２の部材、１３…インサー
ト材（Ａｌ箔）、Ａ…複合材。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】金属間化合物からなる第１の部材を第２の
   部材に接合する場合に、上記第１の部材と第２の部材と
   の接合界面に、上記金属間化合物の少なくとも１つの成
   分と同じ成分を主とするインサート材を介在させた状態
   でこれらを互いに接触させかつ接合部を金属間化合物が
   形成される温度まで加熱することを特徴とする少なくと
   も一部が金属間化合物からなる複合材の接合方法。
2. 【請求項２】上記金属間化合物がＡｌ原子を含む場合に
   上記インサート材にＡｌ箔を用いるようにした請求項１
   記載の少なくとも一部が金属間化合物からなる複合材の
   接合方法。