JP2011508677A - セラミック繊維で補強された金属部品の製造プロセス - Google Patents

Abstract

本発明は、セラミック繊維で補強された金属部品を製造するためのプロセスであって、インサート用のハウジングが、上面（１０Ａ、１０Ｂ）を有する金属本体（１０）の中に機械加工され、金属マトリクスを有する繊維の束から形成されたインサート（１１）がハウジング内に配置され、インサート（１１）を覆うように金属カバー（１２）が本体上に位置決めされ、カバー（１２）が金属本体（１０）上に溶接され、カバーを備える金属本体を含むアセンブリが熱間等静圧圧縮成形処理を施され、前記部品を得るように前記処理済みアセンブリが機械加工されるプロセスに関する。プロセスは、インサート（１１）が直線状インサートであって、ハウジングは、インサートを越えて延在して両端が開放されている直線状の溝（１０Ａ１、１０Ａ２、１０Ｂ１、１０Ｂ２）を形成し、前記溝は、カバー（１２）による閉鎖の際に凸部（１４）によって塞がれることを特徴とする。

Description

本発明は、セラミック繊維で形成された内部補強材を有し、金属マトリクス中のセラミック繊維からなるタイプの複合材料でできたインサートの組み込みを含む、金属部品の製造に関する。

特に引っ張りまたは圧縮の強度を強化しながら、金属部品の重さを減らす目的のため、セラミック繊維を組み込むことが知られている。例えば、これらはチタニウムなどの金属よりも実質的に大きい引っ張り強度および圧縮強度を有する炭化珪素（ＳｉＣ）繊維である。

これらの部品の製造は、金属マトリクスを有するセラミックフィラメントからのインサートの前形成を含み、このインサートは金属で被覆されたセラミック繊維を含む。これらはＣＭＭ繊維または被覆フィラメントとも称される。金属が、これらを扱うのに必要な弾性および可撓性を与える。

このような補強部品を製造する知られているプロセスは、心棒の周りに被覆フィラメントの巻き線を製造するステップを含む。巻き線はその後、インサート用のハウジングを形成するスロットが事前に機械加工されている、主要金属本体または容器（ｃｏｎｔａｉｎｅｒ）の中に導入される。スロットの深さは巻き線の高さより長い。カバーが容器の上に配置され、その周辺に溶接される。カバーはスロットの形状を補完する形状のほぞを有し、その高さはスロットを埋めるようにスロット内に配置された巻き線の高さと一致している。次に、熱間等静圧圧縮成形ステップが実行され、その間にカバーは変形し、巻き線はほぞによって圧縮される。

熱間等静圧圧縮成形技術は、数時間の間、ほぼ１０００バール程度の高圧、およびほぼ１０００℃程度の高温にも曝される、エンクロージャの中に部品を配置するステップを含む。

この処理の間、被覆フィラメントの金属シースは拡散によって一緒に溶接されてスロット壁となり、内部にセラミック繊維が環状に延在する金属合金からなる高密度アセンブリを形成する。得られた部品はその後、所望の形状に機械加工される。

プロセスは、ロータディスクまたはブリスク（一体型ブレードディスク）、ならびにシャフト、アクチュエータ本体、ケーシングなどの、軸対称な航空部品の製造に役立つ。

特にスロットの底部の半径が小さいため、本体にスロットを機械加工することは難しい。この小さい半径はインサートを収容するために必要であり、これは長方形の断面を有する。非開放端角部のため、対応するほぞをカバーに機械加工することも容易ではない。

出願人は、単方向性の張力および／または圧縮力の伝達に寄与する直線部分を備えるインサートを組み込んだ、長尺形状の部品を製造するためのプロセスを開発した。このプロセスは、２００７年７月２６日付けの仏国特許第０７／０５４５３号明細書に記載されている。出願人はまた、直線インサートを製造する方法も開発した。このプロセスは、巻き線形状のインサートブランクを製造するステップと、熱間等静圧圧縮成形によって前記ブランクを容器内で圧縮するステップと、その後圧縮された容器内の直線インサートを機械加工するステップとを含む。このようなプロセスは、２００７年７月２６日付けの仏国特許第０７／０５４５４号明細書に記載されている。

しかしながら、製造される部品が軸対称ではないが長尺であって、楕円形の形状または直線部を有している場合、長尺の長さにわたる精密な調整を成し遂げることは難しい。完璧に一致して繊維をまったく逃がさないハウジングの形成を必要とするセラミック繊維のため、非常に硬質な被覆フィラメントから作られたインサートでは、これはさらに難しい。

インサートを別途製造して本体のスロットに移す代わりに、ＳＮＥＣＭＡ出願の仏国特許第２８８６２９０号明細書は、一実施形態によれば、本体上に巻き線を直接製造することを提案している。スロットの代わりに、２つのショルダが本体に設けられている。第一のショルダは、被覆フィラメントを直接巻くための座面を有している。この面は、巻き方向に平行である。巻き線が完成すると、第一ショルダに対して段を形成する第二のショルダの形状を補完する形状の部品を本体に配置することによって、スロットが再構成される。ほぞを備えるカバーはその後、巻かれたばかりのインサート上に配置され、アセンブリは圧縮工程に入る。アセンブリ工程が複雑なままなので、製造の問題はこの解決法によって部分的にしか解決されていない。

このように、現在の製造技術は、被覆繊維を巻き付けることから金属マトリクス複合材料で作られた１つ以上の補強材と容器−本体とカバー−を含む金属部品を作ることを可能にする。これらの構造は非常に有効だが製造コストが高い。特に、カバーを備える容器の本体の機械加工は、部品の総合コストの大部分を占める。

出願人は、製造工程のステップを簡素化し、コストを削減することを目指して、長尺形状の部品を製造するプロセスを改良する目的を設定した。

この目的は、本発明による、セラミック繊維で補強された金属部品を製造する工程によって達成され、その方法において：
インサート用のハウジングが上面を有する金属本体の中に機械加工され、
金属マトリクスを有する繊維の束から形成されたインサートがハウジング内に配置され、
インサートを覆うように金属カバーが本体上に配置され、
カバーが金属本体に溶接され、
アセンブリ、すなわちカバーを備える金属本体が熱間等静圧圧縮成形で処理され、
前記処理済みアセンブリが、前記部品を得るために機械加工され、
インサートは直線状であり、ハウジングは各末端に開放されている直線スロットを形成し、前記スロットはカバーによる閉鎖の瞬間に凸部によって塞がれることを特徴とする。

本発明は、容器全体を貫いて直線状のスロットを機械加工することは、非開放端スロットを機械加工するよりもはるかに単純に制御できるという見解に基づいている。本発明の解決法は、必ずしも平行とは限らない２つの直線状枝部に沿って配置される、長尺形状の２つのインサートを位置決めするのに、特に有利である。従来技術によれば、２つの縦方向内部補強材を得るために、２つの円形弧状部によって接続された２つの直線状枝部を備える環状形状のインサートが予め製造される。その後ハウジングが、インサートの正確な形状に従って機械加工される。インサートの形状に合わせてハウジングの形状を調整することは、非常に巧妙で高価な工程であることがわかっている。従って、繊維は本質的に部品の中央部で縦方向に働くので、丸みを帯びた部分をなくすことは、最終的に部品の強度を犠牲にすることなく、機械加工および位置決め工程を簡素化する。

実際に、カバーは、プレート、およびプレートと一体化された１つ以上の凸部とを含む。より具体的には、プレートおよび凸部は、１つの同じ厚みのあるプレートを機械加工することによって得られる。一実施形態によれば、凸部およびプレートは異なる部品を形成する。

好ましくは、インサート用のハウジングを形成するスロットの上縁に、面取りが施される。この面取りは、凸部がインサート上に徐々に押しつけられるようにし、変形の連続線、すなわち途切れのない変形を得ることを可能にする。

本発明は、インサートが多角形、特に四角形の断面を有する場合に、特に有利である。断面は、楕円形または円形であってもよい。インサートは、束ねられた金属被覆繊維から形成されるか、または単一の金属マトリクスのセラミック繊維から形成される。

本発明は、以下の添付図面を参照して、より詳細に説明される。

本願出願人の知られている先行技術による、長尺形状の部品の製造における様々なステップ（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）を示す。 インサートを組み込んだ容器を機械加工した後に得られる部品の一例を示す。 本発明によって機械加工された金属本体を斜視図によって示す。 図３の金属本体を閉鎖するカバーを形成するための、プレートと関連する凸部を斜視図によって示す。 組み立て前の様々な部品を斜視分解図によって示す。

仏国特許第０７／０５４５３号明細書から得られた図１は、例えば着陸装置用の接続棒を形成することを意図した、長尺形状の本体４を備える容器１を示す。本体４の２つの面のそれぞれに、スロット４１が機械加工されている。このスロットはインサート３を収容する役割を果たし、これは必ずしも互いに平行ではなく、円形弧状部によって末端で結合されている、２つの直線部を含む。インサートは、チタニウムなどの金属で被覆されたセラミック繊維を有するタイプである。インサートが隙間を空けずにスロットに適合するように、スロットおよびインサートは補完する形状を有する。熱間等静圧圧縮成形の際に０．２５ｍｍの非常に小さな径を有する繊維が逃げられないようにするため、容器のスロットとカバーのほぞとが互いに完全に一致しなければならないことは、留意すべきである。２つのカバー５には、ほぞ５１を形成する突起部が設けられており、本体４の面を覆う。ほぞはスロットに収容されたインサートを押し下げ、スロットを塞ぐ。カバー５は、例えば電子ビーム溶接によって本体４に溶接され、容器の中は真空になっている。容器は図１の（ｂ）に見えており、インサートを見せるために部分的に切除されている。容器はその後、熱間等静圧圧縮成形処理を施すために、エンクロージャに配置される。図１の（ｃ）の容器の断面は、ほぞ５１に隣接するカバー５の部分との隙間を残すように、スロット４１の角４２が面取りされている様子を示している。熱間等静圧圧縮成形の間、カバーの面に対して垂直な方向に沿って圧力がかけられ、カバーをたるませる。およそ１０００バールおよび１０００℃の圧力および熱によって、マトリクスの金属が、インサートを構成する被覆フィラメントの間の空間を占有できるようにする。インサートの容積は約２３％減少する。従ってほぞは下方向に移動し、ほぞの片側の隙間は吸収される。手順の最後に、金属が溶解して、容器が圧縮される。このように部品は、金属の塊に埋め込まれたフィラメントによって補強される。図１の（ｄ）は、部品が透明であるかのように、２つのインサートを見えるようにして得られた部品ブランクを示す。ブランクはその後、図２に示される部品８を得るように機械加工される。この部品８は、枝部８２の間に穴８１を有する。張力および圧縮力を伝達するために、セラミック繊維は枝部８２に組み込まれている。使用されるインサートは環状形状だが、仏国特許第０７／０５４５４号明細書に記載されているように、これらはバーなどの直線要素から形成されていてもよい。後者の場合、直線要素は、予め圧縮された後に、容器に組み込まれる。

本発明の解決法は、このような部品がより経済的に得られることを可能にする。

図３、図４および図５は、各図に関連して、上面１０Ａおよび下面１０Ｂを備える、長尺形状の金属本体１０を示す。２つの直線スロット１０Ａ１、１０Ａ２および１０Ｂ１、１０Ｂ２は、２つの面のそれぞれに機械加工されている。スロットは、本体１０の中を長さ方向に貫通し、２つの末端面１０Ｃおよび１０Ｄに出現する。スロットの長さは本体１０の長さＬに等しい。これらは、被覆セラミック繊維の束から形成された直線インサート１１のハウジングとして機能し、インサートはＬよりも短い長さｌを有する。インサートを形成するスロットのこの部分の上縁１０Ａ１’、１０Ａ２’、１０Ｂ１’および１０Ｂ２’は、面取りされている。凸部１４は、そのハウジング内に配置されている各インサート１１を覆う。本体１０と同じ長さＬを有する凸部１４は、２つの末端部１４ａおよび１４ｂならびに長さｌの中央部１４ｃを形成するように、高さ方向のくぼみを含む。プレート１２は、本体１０の上面１０Ａ、または下面１０Ｂを覆う。凸部の高さはスロットの深さに等しく、これはインサート１１を収容するのに十分なはずである。

このように、４つのインサートを備える本発明による部品の一例の製造は、以下のステップを含む：
上部平坦面および下部平坦面を備える、例えばチタン合金でできた、金属本体１０が用意される、
２つの開放直線スロット１０Ａ１、１０Ａ２、１０Ｂ１、および１０Ｂ２が、上面と下面の２つの面のそれぞれに機械加工される。スロットは本体の末端面に向かって開放されている。スロットの深さと幅のみが考慮されるので、この工程は比較的単純である、
２つの面取りされた中央領域１０Ａ１’、１０Ａ２’、および１０Ｂ１’、１０Ｂ２’がそれぞれ、インサートの長さに対応する長さのスロットの自由面上に機械加工される、
インサート１１が面取り領域で、スロット上に配置される。第一の実施形態によれば、インサートは被覆直線繊維の組み付けられた束から形成されている。好適な第二の実施形態によれば、インサートは、仏国特許第０７／０５４５４号明細書に記載されている方法を使用して事前に製造される。この場合、インサートは、金属マトリックスのセラミック繊維を備えるバーを形成する。これらは熱間等静圧圧縮成形によって既に圧縮された直線要素である、
凸部１４が、中心部１４ｃをインサートに沿わせ、末端部１４ａおよび１４ｂをインサート１１の末端に合わせて、インサート１１上に配置する、
プレートが本体１０の面に位置合わせされて真空溶接される、
このように用意された容器が熱間等静圧圧縮成形エンクロージャ内に置かれる、
容器を圧縮するために、熱および圧力が印加される。

得られたブランクは、機械加工される準備ができている。例えば、図２に示される部品が得られる。

凸部１４およびプレート１２を個別に取り付ける代わりに、厚いプレートから凸部を切り出すことによって、１つの部品としてこれらの２つの部分を製造することも可能である。得られた結果物は、先験的に同じである。

このように本発明のプロセスは、１つ以上の直線インサートを組み込む長尺形状のいかなる部品も製造することができるようにする。

Claims (9)

1. セラミック繊維で補強された金属部品を製造するためのプロセスであって、
   インサート用の少なくとも１つのハウジングが、上面（１０Ａ、１０Ｂ）を有する金属本体（１０）の中に機械加工され、
   金属マトリクスを有する繊維の束から形成された少なくとも１つのインサート（１１）がハウジング内に配置され、
   インサート（１１）を覆うように、金属カバー（１２）が本体上に位置決めされ、
   カバー（１２）が金属本体（１０）上に溶接され、
   アセンブリ、すなわちカバーを備える金属本体が、熱間等静圧圧縮成形によって処理され、
   前記部品を得るために、前記処理済みアセンブリが機械加工されるプロセスにおいて、
   インサート（１１）が直線状であって、ハウジングが、インサートを越えて延在して両端が開放されている直線スロット（１０Ａ１、１０Ａ２、１０Ｂ１、１０Ｂ２）を形成し、前記スロットが、カバー（１２）による閉鎖の瞬間に凸部（１４）によって塞がれることを特徴とする、プロセス。
2. 凸部（１４）が、カバーを形成するプレート（１２）と一体化されている、請求項１に記載のプロセス。
3. 凸部がプレートと一体化されており、カバーを形成するために厚みのあるプレートを機械加工することによって得られる、請求項２に記載のプロセス。
4. その凸部（１４）がカバーのプレート（１２）から分離している、請求項１に記載のプロセス。
5. インサート（１１）のためのハウジングを形成するスロット（１０Ａ１、１０Ａ２、１０Ｂ１、１０Ｂ２）の上縁上に、面取り（１０Ａ１’、１０Ａ２’、１０Ｂ１’、１０Ｂ２’）が機械加工される、請求項１から４のいずれか一項に記載のプロセス。
6. インサートが多角形、特に四角形、楕円形、または円形の断面を有する、請求項１から５のいずれか一項に記載のプロセス。
7. そのインサートが、束になった金属被覆繊維から形成されている、請求項１から６のいずれか一項に記載のプロセス。
8. インサートが金属マトリクスのセラミック繊維から形成されている、請求項１から６のいずれか一項に記載のプロセス。
9. 少なくとも１つの第２のインサートが金属本体に配置される、請求項１から８のいずれか一項に記載のプロセス。

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