JP2005171381A - 繊維強化金属マトリックス複合材製品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コンプレッサロータ又はタービンロータのような繊維強化金属マトリックス複合材製品の製造方法を提供する。
【解決手段】金属マトリックス１８にて被覆されたセラミック繊維１４を第一の金属リングと第二の金属リングとの間に配置するステップを備える、繊維強化金属マトリックス複合材製品を製造する方法である。金属被覆した繊維１４の各々は、金属被覆した繊維１４を所要位置に保持する接着剤２２を有している。溶剤が金属被覆した繊維１４の上の接着剤２２に供給されて接着剤２２を軟化させ、圧力を加えて、金属被覆したセラミック繊維１４がより緊密に充填されることを許容する。その後、接着剤２２を除去し、金属被覆した繊維１４、第一及び第二の金属リングを圧密化し且つ、互いに拡散接合させる。
【選択図】 図６

Description

本発明は、繊維強化金属マトリックス複合材製品を製造する方法に関し、また、本発明は、特に、例えば、コンプレッサロータ又はタービンロータのような、繊維強化金属マトリックス複合材ロータを製造する方法に関する。

欧州特許明細書ＥＰ０８３１１５４Ｂ１号に開示されたような、繊維強化金属マトリックス複合材製品を製造する１つの既知の方法において、複数の金属被覆した繊維が金属リングの環状溝内に配置され、また、更なる金属リングが金属被覆した繊維の頂部に配置される。金属被覆した繊維の各々は、平面にてら旋状に巻かれ、金属被覆した繊維ら旋体は金属リングの環状溝内に積み重ねられる。金属リングは、組立体を圧密化し且つ、金属リング及び金属被覆した繊維ら旋体を互いに拡散接合して一体的な構造体を形成し得るように優勢的に軸方向に加圧される。

欧州特許明細書ＥＰ１２８８３２４Ａ２号に開示されたような、繊維強化金属マトリックス複合材製品を製造する更なる既知の方法において、欧州特許明細書ＥＰ０８３１１５４Ｂ１号に記載された配置は、金属被覆した繊維と共に、金属線を金属リングの環状溝内に含めることで形態変更されている。金属線の各々は、平面内にてら旋状に巻かれ、また、金属線ら旋体は、金属被覆した繊維ら旋体と共に、金属リングの環状溝内に積み重ねられる。

繊維強化金属マトリックス複合材を製造するこれらの方法において、金属被覆した繊維又は金属被覆した繊維及び金属線は、成形機にて平面内にら旋状に巻かれ、また、金属被覆した繊維ら旋体又は金属被覆した繊維ら旋体及び金属線ら旋体は、接着剤により一時的に互いに保持され、金属被覆したら旋体又は金属被覆した繊維ら旋体及び金属線ら旋体を金属リングの環状溝内に組み立てることを可能にする。接着剤は、金属被覆した繊維ら旋体又は金属被覆したら旋体及び金属線ら旋体に対し局所的に施される。

繊維又は繊維及び線に必要な隙間及びそれらの直径の僅かな相違のため、金属被覆した繊維ら旋体又は金属被覆した繊維ら旋体及び金属線ら旋体は、完全に平坦ではない、すなわち、隣接する金属被覆した繊維又は金属被覆した繊維及び金属線は、僅かに平面外にある。その結果、ら旋体を金属リングの環状溝内にドライ組み立てする間、ら旋体は、理想的に充填されず、このことは、金属被覆した繊維の間に望ましくない余剰な自由空間を残すことになる。余剰な自由空間は、金属リングの対向する面が互いに当接せず、また、組立体を密封することができないことを意味する。この場合、金属リングの対向する面が互いに当接することを許容し得るように金属リングにより深い環状溝を設けることが必要である。環状溝の深さが増すことは、圧密化を実現するため更なる金属リングはより長い距離に亙って動かなければならないため、望ましくないことである。更に、余剰な自由空間は、金属被覆した繊維が所要位置外に動くのを許容し且つ、金属被覆した繊維の幾つかがその他の金属被覆した繊維と交差することさえも許容し、その結果、加工する間、金属被覆した繊維は破断し、実質的に、材料の欠陥を生じさせる可能性がある。

従って、本発明は、繊維強化金属マトリックス複合材製品を製造する新規な方法を提供しようとするものである。
従って、本発明は、繊維強化金属マトリックス複合材製品を製造する方法であって、
（ａ）第一の金属構成要素を形成するステップと、
（ｂ）第二の金属構成要素を形成するステップと、
（ｃ）少なくとも１つの繊維を備える少なくとも１つの繊維予成形体を形成するステップと、接着剤を繊維予成形体に施して少なくとも１つの繊維を所要位置に保持するステップと、
（ｄ）少なくとも１つの繊維予成形体にて接着剤を軟化させ且つ、同時に、少なくとも１つの繊維予成形体を加圧して少なくとも１つの繊維予成形体の充填密度を増大させるステップと、
（ｅ）少なくとも１つの繊維予成形体及びフィラー金属を第一の金属構成要素と第二の金属構成要素との間に配置するステップと、
（ｆ）第二の金属構成要素を第一の金属構成要素に対し密封するステップと、
（ｇ）接着剤を少なくとも１つの繊維予成形体から除去するステップと、
（ｈ）熱及び圧力を加えて、少なくとも１つの繊維予成形体及びフィラー金属を圧密化し且つ、フィラー金属、第一の金属構成要素及び第二の金属構成要素を拡散結合して単一物の複合材構成要素を形成するステップとを備える方法を提供するものである。

好ましくは、ステップ（ａ）は、第一の金属構成要素に溝を形成するステップを備え、ステップ（ｅ）は、少なくとも１つの繊維予成形体及びフィラー金属を第一の金属構成要素の溝内に配置するステップと、第二の金属構成要素を第一の金属構成要素の溝内に配置するステップとを備えるものとする。

好ましくは、ステップ（ｂ）は、第二の金属構成要素に突起を形成するステップを備え、ステップ（ｅ）は、第二の金属構成要素の突起を第一の金属構成要素の溝内に配置するステップを備えるものとする。

好ましくは、ステップ（ａ）は、第一の金属部材の１つの面に周方向に伸びる溝を形成するステップと、少なくとも１つの周方向に伸びる繊維予成形体及びフィラー金属を第一の金属構成要素の周方向に伸びる溝内に配置するステップと、第二の金属構成要素を第一の金属構成要素の溝内に配置するステップとを備えるものとする。

好ましくは、ステップ（ｄ）は、溶剤を繊維予成形体内に導入することにより接着剤を軟化させるステップを備えるものとする。
好ましくは、ステップ（ｄ）は、少量の液体溶剤を繊維予成形体内に導入することにより接着剤を軟化させるステップを備えるものとする。

これと代替的に、ステップ（ｄ）は、液体溶剤又は蒸発させた溶剤を繊維予成形体を通じて流動させることにより接着剤を軟化させるステップを備えるものとする。
これと代替的に、ステップ（ｄ）は、第一及び第二の金属構成要素を加熱することにより接着剤を軟化させるステップを備えるものとする。

これと代替的に、ステップ（ｄ）は、熱した流体を繊維予成形体を通じて流動させることにより接着剤を軟化させるステップを備えるものとする。
好ましくは、少なくとも１つの繊維は、炭化ケイ素繊維、窒化ケイ素繊維、ホウ素繊維又はアルミナ繊維であるものとする。

好ましくは、少なくとも１つの繊維は金属被覆した繊維であるものとする。
好ましくは、少なくとも１つの金属被覆した繊維は、チタン被覆した繊維、アルミニウム化チタン被覆した繊維又はチタン合金被覆した繊維であるものとする。

好ましくは、ステップ（ｃ）は、少なくとも１つの繊維を成形機に巻き、ら旋状の繊維予成形体を形成するステップと、接着剤をら旋状の繊維予成形に施して少なくとも１つの繊維を所要位置に保持するステップと、ら旋状の繊維予成形体を成形機から除去するステップとを備えるものとする。

好ましくは、ステップ（ｃ）は、複数の繊維を成形機に巻き、複数のら旋状の繊維予成形体を形成するステップと、接着剤をら旋状の繊維予成形体の各々に施して繊維の各々を所要位置に保持するステップと、ら旋状の繊維予成形体を成形機から除去するステップとを備えるものとする。

好ましくは、フィラー金属は、少なくとも１つの金属線を備え、また、該方法は、少なくとも１つの金属線を成形機に巻いてら旋状の線予成形体を形成するステップと、接着剤をら旋状の線予成形体に施して少なくとも１つの金属線を所要位置に保持するステップと、第二のら旋状の線予成形体を成形機から除去するステップとを備えるものとする。

好ましくは、少なくとも１つの金属線は、チタン線、アルミニウム化チタン線又はチタン合金線であるものとする。
好ましくは、該方法は、複数の金属線を成形機に巻いて複数のら旋状の繊維予成形体を形成するステップと、接着剤をら旋状の繊維予成形体の各々に施して金属線の各々を所要位置に保持するステップと、ら旋状の線予成形体の各々を成形機から除去するステップとを含むものとする。

本発明はまた、繊維強化金属マトリックス複合材製品を製造する方法であって、
（ａ）周方向に且つ軸方向に伸びる溝を第一の金属構成要素の１つの面に形成するステップと、
（ｂ）周方向に且つ軸方向に伸びる突起を第二の金属構成要素の１つの面に形成するステップと、
（ｃ）少なくとも１つの繊維を成形機に巻いてら旋状の繊維予成形体を形成するステップと、接着剤をら旋状の繊維予成形体に施して少なくとも１つの繊維を所要位置に保持するステップと、ら旋状の繊維予成形体を成形機から除去するステップと、
（ｄ）少なくとも１つのら旋状の繊維予成形体及びフィラー金属を第一の金属構成要素の周方向に且つ軸方向に伸びる溝内に配置するステップと、
（ｅ）第二の金属構成要素における周方向に且つ軸方向に伸びる突起を第一の金属構成要素の周方向に且つ軸方向に伸びる溝内に配置するステップと、
（ｆ）少なくとも１つのら旋状の繊維予成形体における接着剤を軟化させ、これと同時に、第二の金属構成要素における周方向に且つ、軸方向に伸びる突起を第一の金属構成要素の周方向に且つ、軸方向に伸びる溝内に加圧して少なくとも１つのら旋状の繊維予成形体の充填密度を増大させるステップと、
（ｇ）第二の金属構成要素を第一の金属構成要素に対し密封するステップと、
（ｈ）接着剤を少なくとも１つのら旋状の繊維予成形体から除去するステップと、
（ｉ）熱及び圧力を加えて、周方向に且つ軸方向に伸びる突起が周方向に且つ軸方向に伸びる溝内に動いて少なくとも１つのら旋状の予成形体及びフィラー金属を圧密化し、フィラー金属、第一の金属構成要素及び第二の金属構成要素を拡散接合して単一物の複合材構成要素を形成するステップとを備える製造方法も提供する。

好ましくは、ステップ（ｆ）は、溶剤を第一の金属構成要素の周方向に且つ軸方向に伸びる溝内に導入して接着剤を軟化させるステップを備えるものとする。
好ましくは、ステップ（ｆ）は、少量の液体溶剤を第一の金属構成要素の周方向に且つ軸方向に伸びる溝内に導入するステップを備えるものとする。

これと代替的に、ステップ（ｆ）は、液体溶剤又は蒸発させた溶剤を第一の金属構成要素の周方向に且つ軸方向に伸びる溝を通じて流動させるステップを備えるものとする。
これと代替的に、ステップ（ｆ）は、第一及び第二の金属構成要素を加熱して接着剤を軟化させるステップを備えるものとする。

代替的に、ステップ（ｆ）は、熱した流体を第一の金属構成要素の周方向に且つ軸方向に伸びる溝を通じて流動させ、接着剤を軟化させるステップを備えるものとする。
好ましくは、少なくとも１つの繊維は、炭化ケイ素繊維、窒化ケイ素繊維、ホウ素繊維又はアルミナ繊維とする。

好ましくは、少なくとも１つの繊維は金属被覆した繊維とする。
好ましくは、該少なくとも１つの金属被覆した繊維は、チタン被覆した繊維、アルミニウム化チタン被覆した繊維又はチタン合金被覆した繊維とする。

好ましくは、ステップ（ｃ）は、複数の繊維を成形機に巻いて複数のら旋状の繊維予成形体を形成するステップと、接着剤をら旋状の繊維予成形体の各々に施して繊維の各々を所要位置に保持するステップと、ら旋状の繊維予成形体を成形機から除去するステップとを備えるものとする。

好ましくは、該フィラー金属は、少なくとも１つの金属線を備え、該方法は、少なくとも１つの金属線を成形機に巻いてら旋状の線予成形体を形成するステップと、接着剤をら旋状の線予成形体に施して少なくとも１つの金属線を所要位置に保持するステップと、第二のら旋状の線予成形体を成形機から除去するステップとを備えるものとする。

好ましくは、少なくとも１つの金属線は、チタン線、アルミニウム化チタン線又はチタン合金線とする。
好ましくは、該方法は、複数の金属線を成形機に巻いて複数のら旋状の繊維予成形体を形成するステップと、接着剤をら旋状の繊維予成形体の各々に施して金属線の各々を所要位置に保持するステップと、ら旋状の繊維予成形体の各々を成形機から除去するステップとを含むものとする。

好ましくは、第一の金属構成要素及び第二の金属構成要素は、チタン、アルミニウム化チタン又はチタン合金を備えるものとする。

本発明は、添付図面を参照して単に一例としてのみ以下により詳細に説明する。
一体的なロータ翼を有する完成したセラミック繊維強化金属ロータ１０が図１に図示されている。該ロータ１０は、金属リング１２内に埋め込まれた周方向に伸びる強化セラミック繊維１４の輪を有する金属リング１２を備えている。複数の中実な金属ロータ翼１６が金属リング１２の上で周方向に隔てられ且つ、金属リング１２から半径方向外方に伸び且つ該金属リング１２と一体である。

セラミック繊維強化金属ロータ１０は、複数の金属被覆したセラミック繊維を使用して製造される。セラミック繊維１４の各々は、例えば、物理的気相成長法、スパッタリング等のような任意の適宜な方法により金属マトリックス１８にて被覆されている。金属被覆した（１８）セラミック繊維１４の各々は、マンドレルに巻かれて図２及び図３に示すように、環状又は円板形状の繊維予成形体２０を形成する。このように、環状の又は円板形状の繊維予成形体２０の各々は、ら旋体内に配置された単一の金属被覆したセラミック繊維１４を備えており、ら旋体の隣接する曲がり部は互いに当接している。接着剤２２は、適宜な位置にて環状又は円板形状の繊維予成形体２０に施されてら旋体の曲がり部を互いに保持する。接着剤は、圧密化の前に、接着剤が環状又は円板形状の繊維予成形体２０から完全に除去され得るように選ばれる。接着剤２２は、例えば、ジクロロメタン中のポリメタルメタアクリレート又はジクロロメタン中のパースペックス（Ｐｅｒｓｐｅｘ）（ＲＴＭ）とすることができる。

第一の金属リング、すなわち金属円板３０が形成され、図４に示すように、軸方向に伸びる環状溝３２が第一の金属リング３０の１つの半径方向に伸び且つ軸方向に面する面３４に機械加工される。環状溝３２は、矩形の断面を形成する直線状の平行な側部を有している。第二の金属リング、すなわち金属円板３６が形成され、軸方向に伸びる環状突起３８が第二の金属リング、すなわち金属円板３６から形成され、該突起が第二の金属リング、すなわち金属円板３６の１つの半径方向に伸び且つ軸方向に面する面４０から伸びるようにする。第二の金属リング、すなわち金属円板３６も機械加工されて第二の金属リング、すなわち金属円板３６の面４０に２つの環状溝４２、４４を形成する。環状溝４２、４４は、環状突起３８の両側部にて半径方向に配置され、環状溝４２、４４は、面４０から環状突起３８の基部まで半径方向にテーパーが付けられている。環状突起３８の半径方向内側及び外側寸法、すなわち直径は、環状溝３２の半径方向内側及び外側寸法、すなわち直径と実質的に同一であることを認識すべきである。

１つ又はより多数の環状繊維予成形体２０が第一の金属リング３０の面３４の環状溝３２内に同軸状に配置される。環状繊維予成形体２０の半径方向内側及び外側寸法、すなわち直径は、環状溝３２の半径方向内側及び外側寸法、すなわち直径と実質的に同一であり、環状溝３２を実質的に充填しつつ、環状繊維予成形体２０を環状溝３２内に装填することを許容する。十分な数の環状繊維予成形体２０が環状溝３２内で積み重ねられ、図４に示すように、環状溝３２を所定の高さまで部分的に充填する。

次に、第二の金属リング３６は、次のように配置される、すなわち、面４０が第一の金属リング３０の面３４と対面し、第一及び第二の金属リング３０、３６の軸線が整合されて第二の金属リング３６における環状突起３８が第一の金属リング３０の環状溝３２と整合されるように配置される。次に、第二の金属リング３６を第一の金属リング３０に向けて押して環状突起３８が環状溝３２に入るようにする。

環状繊維予成形体２０は、局所的に完全に平坦ではない、すなわち、金属被覆したセラミック繊維１４の隣接する曲がり部は、必要な隙間及び金属被覆したセラミック繊維１４の直径の僅かな相違のため、僅かに平面外にある。図５を参照。その結果、環状繊維予成形体２０は、環状溝３２内で理想的に充填されず、このため、第二の金属リング３６の面４０が第一の金属リング３０の面３４と当接するのを阻止するであろう望ましくない余剰な自由空間がある。

接着剤に対する少量の溶剤を環状溝３２内に導入して接着剤２２を軟化させ、第二の金属リング３６を第一の金属リング３０に向けて加圧して環状繊維予成形体２０の個別の金属被覆したセラミック繊維１４を動かし得るようにする。図６を参照。環状ら旋状の予成形体２０の金属被覆したセラミック繊維１４は、隣接する環状のら旋状の予成形体２０によって規制される間、短い距離だけ動いて金属被覆したセラミック繊維１４の隣接する曲がり部を平面近くとなり又は平面となるように動かして金属被覆したセラミック繊維１４のより大きい充填密度を実現することができ、このことは、図７に示すように、第二の金属リング３６の面４０が第一の金属リング３０の面３４と当接することを許容する。環状繊維予成形体２０の各々の金属被覆したセラミック繊維１４は、平面に近くなり、このことは、金属被覆したセラミック繊維１４が所要位置外に動いて隣接する繊維予成形体２０の金属被覆したセラミック繊維１４と交差する危険性を軽減し、従って、圧密化の間、金属被覆したセラミック繊維１４が損傷、破断する虞れを少なくする。局所的に施された接着剤２２は、溶剤によって分散され、接着剤２２はより広く拡がるが、より薄くなり、その後、接着剤２２は再度硬化する。次に、接着剤２２は、その後に一層容易に除去される。

第一の金属リング３０の面３４の半径方向内周及び外周は、第二の金属リング３６の面４０の半径方向内周及び外周に対し密封されて、密封した組立体を形成する。密封は、ＴＩＧ溶接、電子ビーム溶接、レーザ溶接又はその他の適宜な溶接方法によって行い、図７に示すように、内側の環状溶接シール４６及び外側の環状溶接シール４８を形成することが好ましい。

密封した組立体は、真空ポンプ及び溝又はチャンバ４２、４４と接続された管５０を使用して排気される。次に、密封した組立体は、接着剤２２を環状繊維予成形体２０から除去し且つ、接着剤２２を密封した組立体から除去し得るように連続的に排気する間、加熱する。

全ての接着剤２２が環状繊維予成形体２０から除去され、密封した組立体の内部が排気された後、管５０を密封する。次に、密封した組立体を加熱して、圧力を密封した組立体に加えて、環状繊維予成形体２０を軸方向に圧密化し且つ、第一の金属リング３０を第二の金属リング３６に対し拡散接合し、金属被覆した（１８）セラミック繊維１４における金属をその他の金属被覆した（１８）セラミック繊維１４における金属、第一の金属リング３０及び第二の金属リング３６に拡散接合する。熱及び圧力を加える間、圧力は、密封した組立体に全方向から等しく作用し、従って、これにより環状突起３８は環状溝３２内に軸方向に動いて環状繊維予成形体２０を圧密化する。

圧密化し且つ拡散接合し形成されるセラミック繊維強化構成要素は、セラミック繊維１４及び拡散接合領域６２を示す図８に示されている。更に、環状溝又はチャンバ４２、４４を設けることは、環状突起３８が圧密化過程の間、動くのを許容し、従って、これを行う間、第二の金属リング３６であった面に凹所６３が形成されることになる。凹所６３は、圧密化が成功したことを示す。

圧密化及び拡散接合の後、製品は、最初に、第一の金属リングであった少なくとも一部分、第二の金属リングの少なくとも一部分及び拡散接合領域の少なくとも一部分を除去し得るように機械加工する。実施例において、第二の金属リングの大部分及び拡散接合領域の大部分が除去される。このように、繊維強化領域は、直線状の平坦な側部を有するその所期の形状に保持され、従って、機械加工は、平面にて行われ、製品に平坦で平面な面を形成し、面と繊維強化した領域との間に均一な距離を提供する。

次に、製品は、例えば、電子化学機械加工又はフライス削りによって機械加工し、図１に示すような一体的なコンプレッサ翼１６を形成するか又は製品は、機械加工してコンプレッサ翼の根元を受け入れる１つ又はより多数のスロットを形成することができる。

これと代替的に、コンプレッサ翼は、製品に摩擦溶接し、レーザ溶接し又は電子ビーム溶接してもよい。
強化繊維は、アルミナ、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ホウ素又はその他の適宜な繊維を備えることができる。

強化繊維における金属被覆は、チタン、アルミニウム化チタン、チタン合金、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金又は任意のその他の適宜な金属、合金又は拡散接合可能である異種金属を備えることができる。

第一の金属リング及び第二の金属リングは、チタン、アルミニウム化チタン、チタン合金、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金又は任意のその他の適宜な金属、合金又は拡散接合可能である異種金属を備えることができる。

本発明はら旋状に巻いた金属被覆した繊維に関してのみ説明したが、本発明は、また、ら旋状に巻いた金属被覆した（１８）セラミック繊維１４を備える繊維予成形体２０Ａ及び、図９及び図１０に示すように、ら旋状に巻いた金属線２６を備える線予成形体２４Ａを使用する場合にも適用可能である。図９及び図１０において、繊維予成形体２０Ａの各々は、関係した線予成形体２４Ａと同一の平面に配置されているが、線予成形体２４Ａの各々は、より大径である。予成形体２０Ａ、２４Ａは、異なる平面に配置することもできる。

本発明は、少量の溶剤を第一の金属リングの環状溝内に導入して環状繊維予成形体における接着剤を軟化させることに関して説明したが、溶剤ベーパ又は液体溶剤を環状溝を通じて流動させ、環状繊維予成形体における接着剤を軟化させる場合にも等しく可能である。更なる代替例は、例えば、アルゴン又はその他の不活性な気体又は金属と反応しない気体のような熱した流体を環状チャンバを通じて流動させ、環状予成形体における接着剤を軟化させることである。更なる代替例は、環状繊維予成形体における接着剤を軟化させるのに十分な温度まで第一及び第二の金属リングを加熱することである。

更に、本発明は、ら旋状に巻いたセラミック繊維及び金属フォイル、金属リボン内でら旋状に巻いたセラミック繊維、ら旋状に巻いた繊維及びら旋状に巻いた金属線又はその他の形態の金属フィラーを使用する場合にも適用可能である。

金属線は、チタン、アルミニウム化チタン、チタン合金又は任意のその他の適宜な金属、合金又は拡散接合可能である異種金属を備えることができる。金属フォイル、金属リボン又はその他の金属フィラーは、チタン、アルミニウム化チタン、チタン合金又は任意のその他の適宜な金属、合金又は拡散接合可能である異種金属を備えることができる。

本発明は、第一の金属リングの面に周方向に伸びる溝及び第二の金属リングの面に周方向に伸びる突起を設けることに関して説明したが、リングの半径方向外面又は内面に周方向に伸びる溝を設ける場合にも等しく適用可能である。周方向に伸びる溝は、半径方向に伸びる取り外し可能な部材により画成することができる。本発明はまた、一方向に伸びる複数の繊維又は金属被覆した繊維を使用し、繊維又は金属被覆した繊維が層にて配置され、該層が互いに積み重ねられる場合にも適用可能である。

本発明は、繊維が２つ又はより多数の金属構成要素の間に配置される任意の配置にも適用可能である。
本発明は金属リングを強化することに関して説明したが、その他の配置及び強化金属被覆した繊維がそれに従って配置される場合にも等しく適用可能である。

本発明は、フィラー金属及びセラミック繊維を２つの金属構成要素の間に配置し、フィラー金属及び２つの金属構成要素を拡散接合することに関して説明したが、フィラー金属及びセラミック繊維を、２つの工具の間に配置し、フィラー金属が工具に接合されないようにすることもできる。

本発明の有利な効果は、繊維予成形体の「未加工」密度をより高くし、このことは、圧密化の間の容積の変化を少なくし、従って完成した製品の繊維強化領域の形状及び位置を制御する点である。「未加工」密度が高いことは、金属被覆した繊維の位置を保ち且つ、圧密化の間、金属被覆した繊維が所要位置外に動いてその後に破断する虞れを少なくすることになる。包み込まれた容積が小さく且つ、余剰な空間が減少することは、より小形で且つ経済的な排気システムを使用することを可能にする。完全に平坦ではない繊維予成形体を使用することを許容し得ることは、繊維巻き取り装置のより大きい許容公差を可能にし、このことは、高精密で且つ高価な繊維巻き取り装置を不要にすることになる。

本発明の方法に従って製造した翼付きコンプレッサロータの長手方向、軸方向断面図である。 本発明の方法にて使用される繊維予成形体の平面図である。 図２に示した予成形体の断面図である。 第一及び第二の金属リングの間に配置された繊維予成形体組立体の長手方向、軸方向断面図である。 接着剤を軟化させる前の図４に示した繊維予成形体の拡大断面図である。 接着剤を軟化させた後の図４に示した繊維予成形体の拡大断面図である。 共に溶接した後、第一及び第二の金属リングの間に配置された繊維予成形体の組立体の長手方向、軸方向断面図である。 圧密化し且つ接合して単一物の複合材製品を形成した後の第一及び第二の金属リングの間に配置された繊維予成形体の組立体の長手方向、軸方向断面図である。 本発明の１つの代替的な方法にて使用される繊維及び線予成形体の平面図である。 図９に示した予成形体の断面図である。

符号の説明

１０ セラミック繊維強化金属ロータ
１２ 金属リング
１４ 強化セラミック繊維
１６ 金属ロータ翼／コンプレッサ翼
１８ 金属マトリックス
２０ 環状又は円板形状の繊維予成形体
２０Ａ 繊維予成形体
２２ 接着剤
２４Ａ 線予成形体
２６ 金属線
３０ 金属円板／第一の金属リング
３２ 環状溝
３４ 第一の金属リング３０の面
３６ 金属円板／第二の金属リング
３８ 環状突起
４０ 第二の金属リング３６の面
４２、４４ 環状溝／チャンバ６２
４６ 内側の環状溶接シール
４８ 外側の環状溶接シール
５０ 管
６２ 拡散接合領域
６３ 凹所

Claims (20)

1. 繊維強化金属マトリックス複合材製品を製造する方法において、
   （ａ）第一の金属構成要素を形成するステップと、
   （ｂ）第二の金属構成要素を形成するステップと、
   （ｃ）少なくとも１つの繊維を備える少なくとも１つの繊維予成形体を形成するステップと、接着剤を繊維予成形体に施して少なくとも１つの繊維を所要位置に保持するステップと、
   （ｄ）少なくとも１つの繊維予成形体にて接着剤を軟化させ且つ、これと同時に、少なくとも１つの繊維予成形体を加圧して少なくとも１つの繊維予成形体の充填密度を増大するステップと、
   （ｅ）少なくとも１つの繊維予成形体及びフィラー金属を第一の金属構成要素と第二の金属構成要素との間に配置するステップと、
   （ｆ）第二の金属構成要素を第一の金属構成要素に対し密封するステップと、
   （ｇ）接着剤を少なくとも１つの繊維予成形体から除去するステップと、
   （ｈ）熱及び圧力を加えて、少なくとも１つの繊維予成形体及びフィラー金属を圧密化し且つ、フィラー金属、第一の金属構成要素及び第二の金属構成要素を拡散結合して単一物の複合材構成要素を形成するステップとを備える、繊維強化金属マトリックス複合材製品を製造する方法。
2. 請求項１に記載の方法において、ステップ（ａ）は、第一の金属構成要素に溝を形成するステップを備え、ステップ（ｅ）は、少なくとも１つの繊維予成形体及びフィラー金属を第一の金属構成要素の溝内に配置するステップと、第二の金属構成要素を第一の金属構成要素の溝内に配置するステップとを備える、方法。
3. 請求項２に記載の方法において、ステップ（ｂ）は、第二の金属構成要素に突起を形成するステップを備え、ステップ（ｅ）は、第二の金属構成要素の突起を第一の金属構成要素の溝内に配置するステップを備える、方法。
4. 請求項２又は請求項３に記載の方法において、ステップ（ａ）は、第一の金属部材の１つの端面に周方向に伸びる溝を形成するステップを備え、ステップ（ｅ）は、少なくとも１つの周方向に伸びる繊維予成形体及びフィラー金属を第一の金属構成要素の周方向に伸びる溝内に配置するステップと、第二の金属構成要素を第一の金属構成要素の溝内に配置するステップとを備える、方法。
5. 請求項４に記載の方法において、ステップ（ｃ）は、少なくとも１つの繊維を成形機に巻き、ら旋状の繊維予成形体を形成するステップと、接着剤をら旋状の繊維予成形に施して少なくとも１つの繊維を所要位置に保持するステップと、ら旋状の繊維予成形体を成形機から除去するステップとを備える、方法。
6. 請求項３に記載の方法において、
   ステップ（ａ）は、周方向に且つ軸方向に伸びる溝を第一の金属構成要素の１つの端面に形成するステップを備え、
   ステップ（ｂ）は、周方向に且つ軸方向に伸びる突起を第二の金属構成要素の１つの端面に形成するステップを備え、
   ステップ（ｃ）は、少なくとも１つの繊維を成形機に巻いてら旋状の繊維予成形体を形成するステップと、接着剤をら旋状の繊維予成形体に施して少なくとも１つの繊維を所要位置に保持するステップと、ら旋状の繊維予成形体を成形機から除去するステップとを備え、
   ステップ（ｄ）は、少なくとも１つのら旋状の繊維予成形体における接着剤を軟化させ、これと同時に、第二の金属構成要素における周方向に且つ、軸方向に伸びる突起を第一の金属構成要素の周方向に且つ、軸方向に伸びる溝内に加圧して少なくとも１つのら旋状の繊維予成形体の充填密度を増大させるステップを備え、
   ステップ（ｅ）は、少なくとも１つのら旋状の繊維予成形体及びフィラー金属を第一の金属構成要素の周方向に且つ軸方向に伸びる溝内に配置するステップと、第二の金属構成要素における周方向に且つ軸方向に伸びる突起を第一の金属構成要素の周方向に且つ軸方向に伸びる溝内に配置するステップとを備え、
   ステップ（ｆ）は、第二の金属構成要素を第一の金属構成要素に対し密封するステップを備え、
   ステップ（ｇ）は、接着剤を少なくとも１つのら旋状の繊維予成形体から除去するステップを備え、
   ステップ（ｈ）は、熱及び圧力を加えて、周方向に且つ軸方向に伸びる突起が周方向に且つ軸方向に伸びる溝内に動いて少なくとも１つのら旋状の予成形体及びフィラー金属を圧密化し、フィラー金属、第一の金属構成要素及び第二の金属構成要素を拡散接合して単一物の複合材構成要素を形成するステップを備える、方法。
7. 請求項５又は請求項６に記載の方法において、ステップ（ｃ）は、複数の繊維を成形機械に巻いて複数のら旋状の繊維予成形体を形成するステップと、接着剤をら旋状の繊維予成形体の各々に施して繊維の各々を所要位置に保持するステップと、ら旋状の繊維予成形体を成形機から除去するステップとを備える、方法。
8. 請求項４、請求項５、請求項６又は請求項７に記載の方法において、該フィラー金属は、少なくとも１つの金属線を備え、該方法は、少なくとも１つの金属線を成形機に巻いてら旋状の線予成形体を形成するステップと、接着剤をら旋状の線予成形体に施して少なくとも１つの金属線を所要位置に保持するステップと、ら旋状の線予成形体を成形機から除去するステップとを備える、方法。
9. 請求項８に記載の方法において、該方法は、複数の金属線を成形機に巻いて複数のら旋状の線予成形体を形成するステップと、接着剤をら旋状の線予成形体の各々に施して金属線の各々を所要位置に保持するステップと、ら旋状の線予成形体の各々を成形機から除去するステップとを含む、方法。
10. 請求項８又は請求項９に記載の方法において、少なくとも１つの金属線は、チタン線、アルミニウム化チタン線又はチタン合金線である、方法。
11. 請求項１ないし１０の何れかの項に記載の方法において、少なくとも１つの繊維は、炭化ケイ素繊維、窒化ケイ素繊維、ホウ素繊維又はアルミナ繊維である、方法。
12. 請求項１１に記載の方法において、少なくとも１つの繊維は金属被覆した繊維である、方法。
13. 請求項１２に記載の方法において、該少なくとも１つの金属被覆した繊維は、チタン被覆した繊維、アルミニウム化チタン被覆した繊維又はチタン合金被覆した繊維である、方法。
14. 請求項１ないし１３の何れかの項に記載の方法において、第一の金属構成要素及び第二の金属構成要素は、チタン、アルミニウム化チタン又はチタン合金を備える、方法。
15. 請求項１ないし１４の何れかの項に記載の方法において、ステップ（ｄ）は、第一及び第二の金属構成要素を加熱して接着剤を軟化させるステップを備える、方法。
16. 請求項１ないし１４の何れかの項に記載の方法において、ステップ（ｄ）は、溶剤を繊維予成形体内に導入することにより接着剤を軟化させるステップを備える、方法。
17. 請求項１６に記載の方法において、ステップ（ｄ）は、少量の液体溶剤を繊維予成形体内に導入することにより接着剤を軟化させるステップを備える、方法。
18. 請求項１６に記載の方法において、ステップ（ｄ）は、液体溶剤又は蒸発させた溶剤を繊維予成形体を通じて流動させることにより接着剤を軟化させるステップを備える、方法。
19. 請求項１ないし１４の何れかの項に記載の方法において、ステップ（ｄ）は、熱した流体を繊維予成形体を通じて流動させることにより接着剤を軟化させるステップを備える、方法。
20. 請求項１６ないし１９の何れかの項に記載の方法において、ステップ（ｄ）は、溶剤又は熱した流体を第一の金属構成要素の周方向に且つ軸方向に伸びる溝内に導入して接着剤を軟化させるステップを備える、方法。

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