JP2017509791A - 金属マトリクス複合材料の製造方法 - Google Patents

Abstract

本出願で説明されるのは、金属マトリクス複合材料を製造する方法であって：（ａ）ある長さとある幅とを有する底面形成板、ある長さとある高さとを有する側面形成板の第１ペア、及びある幅とある高さとを有する側面形成板の第２ペアを備える金属箱を形成するステップ；（ｂ）金属粉とセラミックス粉とを混合して、混合粉を調製するステップ；（ｃ）金属箱に混合粉を充填するステップ；（ｄ）金属箱内の混合粉を圧密成形して、圧粉体プリフォームを含む金属箱を提供するステップ；（ｅ）圧粉体プリフォームを含む金属箱に対してしっかりと当接するように上面形成板を金属箱の上に配置し、その縁部の周囲を封止して、圧延前アセンブリを製造するステップ；及び（ｆ）圧延前アセンブリに対して熱間加工を実行して、金属クラッドを有する金属マトリクス複合材料を得るステップ、を含む方法である。

Description

金属マトリクス複合材の製造プロセスを以下に説明する。１つの実施形態においては、金属マトリクス複合材は、中性子遮蔽材として使用される。

金属とセラミックスとを含む金属マトリクス複合材（ＭＭＣ）の材料は、原子力関連産業において、未使用及び使用済み燃料の保管及び運搬時の中性子吸収材として使われることが増えてきている。

高い最終的密度及び／又は高いセラミックス含有量を有し、少なくとも１つの実施形態において性能の向上が結果として得られるＭＭＣ物品を求める声がある。また、製造工程の改善及び／又は製造コスト低減を求める声もある。

１つの態様において提供されるのは、金属マトリクス複合材料の製造方法であって：
（ａ）ある長さとある幅とを有する底面形成板、ある長さとある高さとを有する側面形成板の第１ペア、及びある幅とある高さとを有する側面形成板の第２ペアを備える金属箱を形成するステップ；
（ｂ）金属粉とセラミックス粉とを混合して、混合粉を調製するステップ；
（ｃ）金属箱に混合粉を充填するステップ；
（ｄ）金属箱内の混合粉を圧密成形して、圧粉体プリフォームを含む金属箱を提供するステップ；
（ｅ）圧粉体プリフォームを含む金属箱に対してしっかりと当接するように上面形成板を金属箱の上に配置し、その縁部の周囲を封止して、圧延前アセンブリを製造するステップ；及び、
（ｆ）圧延前アセンブリに対して熱間加工を実行して、金属クラッドを有する金属マトリクス複合材料を得るステップを含む方法である。

前述の概要は、各実施形態を説明することを意図するものではない。また、本発明の１つ以上の実施形態の詳細についても、以下の説明に記載する。他の特徴、目的及び利点は、説明並びに特許請求の範囲から明らかとなるであろう。

添付の図面において、
圧延前アセンブリ１０の斜視図であり、 金属箱２０の斜視図であり、長さ（ｌ）、幅（ｗ）、及び高さ（ｈ）を図示しており、 圧密成形アセンブリ３０の側面図であり、及び （Ａ）０ＴＳＩ（０ＭＰａ）で圧密成形された金属マトリクス複合材料の顕微鏡写真である。 （Ｂ）３ＴＳＩ（４１ＭＰａ）で圧密成形された金属マトリクス複合材料の複合材料の、顕微鏡写真である。 （Ｃ）７ＴＳＩ（９７ＭＰａ）で圧密成形された金属マトリクス複合材料の顕微鏡写真である。

本明細書で使用する場合、用語
「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、互換的に使用され、１つ又は２つ以上を意味する。そして、
用語「及び／又は」は、生じ得る記載事例の一方又は両方が起こり得ることを指すために用いられ、例えば、Ａ及び／又はＢは、（Ａ及びＢ）並びに（Ａ又はＢ）の両方を含む。

本明細書においてはまた、端点による範囲の記載には、その範囲内に含まれる全ての数値が含まれる（例えば、１〜１０には、１．４、１．９、２．３３、５．７５、９．９８等が含まれる）。

本明細書においてはまた、「少なくとも１」の記載には、１以上の全ての数値が含まれる（例えば、少なくとも２、少なくとも４、少なくとも６、少なくとも８、少なくとも１０、少なくとも２５、少なくとも５０、少なくとも１００等）。

近年、アルミニウム複合材料が、強度及び低密度性を要する目的のためだけでなく、高いヤング率、耐摩耗性、放熱性、耐腐食性、低い熱膨張性、及び中性子吸収力を要する他の用途のためにも開発されるようになっている。一般に、求められる機能性を有するセラミックスの量を増やすことにより、それぞれの機能性を高めることが可能であるが、単にその量を増やすというだけでは、加工性、押出性、圧延性、延性、及び鍛造性が大いに損なわれる可能性がある。

それゆえ、セラミックスを予備形成し、アルミニウム溶湯で含浸させ、その後、高濃度のセラミックスを均一にマトリクス相中に分散させるという方法も考案されたが、溶湯が十分に浸透しなかったり、凝固時にひけが形成されたりすることによる欠陥が発生する恐れがある。更に、アルミニウム中でセラミックスが凝集してしまい、偏析してしまうという場合も多い。

米国特許第７，９９８，４０１号（Ｏｋａｎｉｗａら）は、ＭＭＣ中のセラミックスの含有量を高める代替的な１つの方法を開示しており、そのようなＭＭＣは容易に生産できるという。Ｏｋａｎｉｗａらが開示する方法は、金属シート内のアルミニウム／セラミックス混合粉を通電加圧焼結し、次にこの金属クラッド材を塑性加工ステップにかけるというものである。

本開示においては、金属粉とセラミックス粉とを含む混合粉を圧密成形することにより、粉体を高密度化することが可能となる一方で、熱間形成中に材料が変形したり延展したりするのが最小化できるため、その結果として、例えば、性能稼働率を高めた材料を得ることが可能となるということが判明している。

本開示は、図１を参照することにより理解することが可能である。図１に示されているのは、金属箱１２と、圧粉体プリフォーム１５と、上面形成板１８とを含む圧延前アセンブリ１０である。圧延前アセンブリは、その後圧延加工されて、ケースに包囲された状態の金属マトリクス複合材を形成する。

金属箱
金属箱は、５枚の金属面（底面形成板、側面形成板の第１ペア、及び側面形成板の第２ペア）を有する。金属箱は、５個又はそれより少数の別々の金属片から製作され得る。例えば、金属箱は、２個の金属片（側壁をすべて形成する単一の金属片と、１つの底面用金属片と）から作製することが可能である。

形成板は、金属製である。使用される金属は、粉体材料に対して優れた接着性を示しかつ熱間圧延に好適である限り、特に限定されず、例えば、アルミニウム、マグネシウム、ステンレス鋼等が挙げられる。代表的な金属としては、例えば、高純度アルミニウム（ＡＡ１１００、ＡＡ１０５０、ＡＡ １０７０等）；例えば、Ａｌ−Ｃｕ合金（ＡＡ２０１７等）、Ａｌ−Ｍｇ合金（ＡＡ５０５２等）、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ合金（ＡＡ６０６１等）、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ合金（ＡＡ７０７５等）、及びＡｌ−Ｍｎ合金のような、アルミニウム合金材料；例えば、Ｍｇ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｎ合金材料（ＡＺ３１、ＡＺ６１等）のような、マグネシウム合金材料；及び、例えば、Ｆｅ−Ｃｒ合金材料（ＳＡＥ ３０４、３１６、３１６Ｌ等）のような、ステンレス鋼合金材料が挙げられる。

金属箱は、圧粉体が加工される間、圧粉体を保持するための容器として主に機能する。選択される金属の決定は、望ましい特性、コスト等を考慮して行われるべきである。例えば、加工性と放熱能力の向上を望む場合には、高純度アルミニウムが好ましい。高純度アルミニウムはまた、原子力関連の用途の場合には汚染の制御という点で、更には、アルミニウム合金と比べた場合には原材料コストという点でも好ましい。強度又は加工性の向上を望む場合には、Ａｌ−Ｍｇ合金（ＡＡ５０５２等）が好ましい。

金属粉
金属粉とセラミックス粉とを含む混合粉が、金属箱に入っている。典型的には、金属粉はアルミニウムであるが、例えばマグネシウム又はステンレス鋼を含む、他の金属粉も用いられ得る。代表的なタイプの金属粉としては、高純度アルミニウム（例えば、ＡＡ１１００、ＡＡ１０５０、ＡＡ１０７０等のような、少なくとも純度９９．０％のアルミニウム粉）、又は、アルミニウムと、０．２〜２質量％の他の金属とを含有するアルミニウム合金が挙げられる。そのような合金には、Ａｌ−Ｃｕ合金（ＡＡ２０１７等）、Ａｌ−Ｍｇ合金（ＡＡ５０５２等）、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ合金（ＡＡ６０６１等）、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ合金（ＡＡ７０７５等）、及びＡｌ−Ｍｎ合金が挙げられるが、それらは、単独で用いても、２種類以上を混合して用いてもよい。

選択される金属粉の組成は、例えば、望ましい特性、耐腐食性、汚染制御、熱間加工中の変形への抵抗性、混合されるセラミックス粒子の量、及び原材料コストを考慮して決定することが可能である。例えば、加工性又は放熱性の向上を望む場合には、高純度アルミニウム粉（例えば、ＡＡ１ＸＸＸ（注：Ｘには数字が入る）シリーズのアルミニウム）が好ましい。高純度アルミニウム粉はまた、アルミニウム合金粉の場合と比較した原材料コストという点でも有利である。高純度アルミニウム粉としては、少なくとも９９．０質量％の純度を有するものを使用することが望ましい（なお、市販の高純度アルミニウム粉は通常、少なくとも９９．７質量％の純度を有している）。

中性子吸収力を付与することを望む場合には、ホウ素化合物を、以下に説明するセラミックス粒子として用いるが、結果として得られる中性子吸収力を更に向上させるのを望む場合には、例えば、ハフニウム（Ｈｆ）、サマリウム（Ｓｍ）、又はガドリニウム（Ｇｄ）のような、中性子吸収力を提供し得る元素を１種類、１〜５０質量％の量で、アルミニウム粉に添加することが好ましい。また、高温度下での強度が求められる場合には、チタニウム（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオビウム（Ｎｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、及びストロンチウム（Ｓｒ）から選択される少なくとも１つの元素を、また、室温下での強度が求められる場合には、シリコン（Ｓｉ）、銅（Ｃｕ）、マグネシウム（Ｍｇ）、及び亜鉛（Ｚｎ）から選択される少なくとも１つの元素を、それぞれの元素につき２質量％以下、すべての元素合計で１５質量％以下の割合で添加することが可能である。

金属粉の平均粒度は特に限定されないが、金属粉は、一般に、最大で約５００μｍ（マイクロメートル）、最大で１５０μｍ、又は更に最大で６０μｍ以下のレベルであるべきである。平均粒度の下限は、そのような粒度の粉体が製造可能である限り、特に限定されないが、粉体は、一般に、少なくとも１μｍ、少なくとも５μｍ、少なくとも１０μｍ、又は更に少なくとも２０μｍのレベルであるべきである。本開示の目的では、平均粒度とは、レーザー回折粒度分布法により測定した、Ｄ_５０値を指すものとする。金属粉の形状もまた限定されず、涙滴状、球状、楕円球状、片状、又は不規則形状のうちの任意のものであり得る。

本開示の１つの実施形態においては、金属粉は、単峰性の粒度分布を有する。本開示の別の１つの実施形態においては、金属粉は、多峰性の（例えば、二峰性、三峰性等の）粒度分布を有する。１つの実施形態においては、金属粉は二峰性の分布を有し、第１の最頻値（より小さい粒子を含む）の平均的な粒子の、第２の最頻値（より大きい粒子を含む）の平均的な粒子に対する比は、少なくとも１：２であり、あるいは１：３、１：５、１：７、１：１１、更には１：２０でさえある。最頻値どうしの間の幅は、広い場合も狭い場合もあり得る。

金属粉の生産方法は限定されず、金属粉の生産方法として公知の方法により生産され得る。生産方法は、例えば、アトマイズ法、溶融紡糸法、ディスク回転法、電極回転法、又はその他の急速冷却凝固法であり得るが、アトマイズ法、特に、溶湯を噴霧することによって粉体が製造される不活性ガスアトマイズ法が、工業規模の生産方法としては好ましい。

セラミックス粉
セラミックス粉を金属粉に混ぜて、最終的に金属マトリクス複合材を形成する。代表的なセラミックス粉には、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＣ又はＢ_４Ｃ、ＢＮ、窒化アルミニウム、及び窒化シリコンが挙げられる。上記の物質は、単独で用いたり、混合物として用いたりしてよいが、複合材料の用途にしたがって選択してよい。

選択されるセラミックス粉の組成は、例えば、望ましい特性、用いるセラミックス粒子の量、及びコストを考慮して決定することが可能である。中性子吸収力を付与することを望む場合には、典型的には、ホウ素化合物をセラミックス粒子として用いる。

ホウ素（Ｂ）は、中性子を吸収する能力を有するため、ホウ素含有セラミックス粒子を用いた場合には、本開示のＭＭＣを中性子吸収材として使用することが可能である。その場合には、ホウ素含有セラミックスは、例えば、Ｂ_４Ｃ、ＴｉＢ_２、Ｂ_２Ｏ_３、ＢＮ、ＦｅＢ、又はＦｅＢ_２であり得るが、これらは単独で、又は混合物として用いることができる。特に、Ｂの同位体であって、中性子をよく吸収する、^１０Ｂを大量に含有する、炭化ホウ素Ｂ_４Ｃを用いることが好ましい。

セラミックス粉の生産方法は限定されず、セラミックス粉の生産方法として公知の方法により生産され得る。セラミックスを合成した後、仕上げの工程（例えば、ジェットミリング又はボールミリング等）により、粒度を調節することもできる。楕円球状の粒子又は球状の粒子をもたらし得る仕上げ工程が好ましい。

セラミックス粒子の平均粒度は特に限定されないが、セラミックス粉は、一般に、最大で約６０μｍ、最大で４０μｍ、又は更に最大で２０μｍのレベルでありかつ、少なくとも１μｍ、少なくとも３μｍ、又は更に少なくとも５μｍのレベルであるべきである。平均粒度が６０μｍより大きい場合には、粗い粒子が金属マトリクス複合材を脆いものとし、機械的特性に影響を及ぼす。平均粒度が１μｍより小さい場合には、微細な粉体が集まって塊をなし、金属粉と均質な混合物を得ることが難しくなる場合がある。本発明の目的では、平均粒度とは、レーザー回折粒度分布測定法により測定した、Ｄ_５０値を指すものとする。粉体の形状もまた限定されず、球状、楕円球状、片状、又は不規則形状のうちの任意のものであり得る。

本開示の１つの実施形態においては、セラミックス粉は、単峰性の粒度分布を有する。本開示の別の１つの実施形態においては、セラミックス粉は、多峰性の（例えば、二峰性、三峰性等の）粒度分布を有する。１つの実施形態においては、セラミックス粉は二峰性の分布を有し、第１の最頻値（より小さい粒子を含む）の平均的な粒子の、第２の最頻値（より大きい粒子を含む）の平均的な粒子に対する比は、少なくとも１：２であり、あるいは１：３、１：５、１：７、１：１１、更には１：２０でさえある。最頻値どうしの間の幅は、広い場合も狭い場合もあり得る。

製造方法
本開示による、金属マトリクス複合材料の生産方法は：（ａ）金属箱を形成するステップ；（ｂ）金属粉とセラミックス粉とを混合し、混合したものを金属箱に入れるステップ；（ｃ）混合粉を金属箱内で圧密成形するステップ；（ｄ）上面形成板を金属箱の上に配置し、箱を封止して、圧延前アセンブリを形成するステップ；及び（ｅ）圧延前アセンブリを熱間加工するステップ、を含む。

箱の作製
金属箱は、複数の板形成部材から形成される場合、又は単一のピースからなる場合があり得る。１つの実施形態においては、（ｉ）金属板材料の中央部を切り出すことにより得られる単一の金属製ピース、又は（ｉｉ）適切な長さに切断された、押出し成形された中空材の、単一の金属製ピースに対して、底面板を取り付けて、金属箱は作製される。

図２に示されているのは、底面形成板２１、互いに対向する側面形成板の第１ペア２３ａ及び２３ｂ、並びに互いに対向する側面形成板の第２ペア２５ａ及び２５ｂを備える金属箱２０の模式図である。底面板は、第１の厚さ、長さ、及び幅を有する。側面形成板の第１ペアは、第２の厚さ、長さ、及び高さを有する。側面形成板の第２ペアは、第３の厚さ、幅、及び高さを有する。

金属形成板は互いに封止されることで、金属箱を形成することが可能である。金属箱の封止は、連続的であっても不連続的であってもよいが、箱が一体性を保ち、アセンブリが熱間圧延にかけられている間も、以下に説明する混合粉を収容可能になっていることが必要である。典型的には、そのような封止材には、金属が挙げられる（例えば、タングステン不活性ガス溶接のような金属不活性ガス溶接、又は摩擦撹拌溶接等）。１つの実施形態においては、ピースの縁部どうしの間に、滑らかな溶接された接合部が提供される。溶接接合部は、連続的で、きれいで、均一なフローにより形成され得る。１つの実施形態においては、溶接接合部内にいかなる空隙の存在も許されないが、それは、そのような空隙の存在が、箱又はインゴットにおける構造的弱さを意味し、後続の圧延ステップで箱が壊れて開いてしまう一因となるからである。

金属箱は、図２に示されているような長さ（ｌ）、幅（ｗ）、及び高さ（ｈ）を有する。金属箱の長さと幅との両方は、その高さよりも大きくなっている。異なるサイズの箱を採用することが可能であるということと、後続の作業により、異なる厚さの完成品を生産し得るということとが理解されるであろう。

典型的には、箱の長さは、熱間加工ステップが長さ方向の軸線に沿って実行できる限りにおいて、特に限定されない。典型的には、箱の幅は、熱間加工ステップ中に物品を平らにするために用いられる機械（例えばロール、押し出し機のサイズ）の長さにより制限される。１つの実施形態においては、箱の長さ及び幅は同じではない。１つの実施形態においては、箱の長さ及び幅が同じになっている。代表的な長さとしては：少なくとも１０ｃｍ（センチメートル）、少なくとも１５ｃｍ、少なくとも２５ｃｍ、又は更に少なくとも５０ｃｍ；かつ１ｍ（メートル）以下、２ｍ以下、５ｍ以下、又は更に１０ｍ以下、が挙げられる。代表的な幅としては：少なくとも５ｃｍ、少なくとも１０ｃｍ、少なくとも１５ｃｍ、少なくとも２５ｃｍ、又は更に少なくとも５０ｃｍ；かつ最大で５０ｃｍ、最大で１００ｃｍ、又は更に最大で２００ｃｍが挙げられる。

金属箱の高さは典型的には、熱間加工機（例えばローラー）の寸法によって制限される。代表的な高さとしては：最大で６００ｍｍ（ミリメートル）、最大で４００ｍｍ、最大で２００ｍｍ、最大で８０ｍｍ、また更に最大で５０ｍｍ；かつ少なくとも１０ｍｍ、少なくとも２０ｍｍ、また更に少なくとも３０ｍｍが挙げられる。

１つの実施形態においては、金属箱の高さは、金属箱の長さ及び幅のそれぞれより短い。このようになっていることは、混合粉と金属箱の面との間に発生する摩擦のため、冷間圧密成形を実行する際には特に好ましい。１つの実施形態においては、金属箱の高さの、幅に対する比は、少なくとも１：２、少なくとも１：２．５、又は更に少なくとも１：５であり、かつ１：１００以下、又は更に１：２００以下である。

それぞれの板は、典型的には１インチ（２．５ｃｍ）未満の厚さを有する。板は、圧密成形及び熱間加工の圧力に耐え得るような十分な厚みを有しているべきであるが、他方で、クラッドの厚みを最小化し、得られる最終製品の費用、重量、及び体積を抑制できるよう、十分に薄くなっているべきである。１つの実施形態においては、上面形成板と底面形成板とは同じ厚さである。１つの実施形態においては、上面形成板と底面形成板とは異なる厚さである。１つの実施形態においては、底面形成板とそれに対向する上面形成板とは、ペアをなす側面形成板よりも薄くなっている。１つの実施形態においては、底面形成板とそれに対向する上面形成板とは、ペアをなす側面形成板と同じ厚さであるか、又はより厚くなっている。それぞれの板の代表的な厚さとしては、少なくとも１ｍｍ、少なくとも２ｍｍ、少なくとも５ｍｍ、少なくとも８ｍｍ、少なくとも１０ｍｍ、少なくとも１２ｍｍ、又は更に少なくとも２０ｍｍであり；かつ５０ｍｍ以下、１００ｍｍ以下、１２５ｍｍ以下、又は更に２００ｍｍ以下である。

混合
金属粉とセラミックス粉とは均一に混合される。１つの実施形態においては、混合粉は、少なくとも０．１、少なくとも０．５、少なくとも１、少なくとも５、少なくとも１０、少なくとも２０、又は更に少なくとも３０質量％の、かつ最大で４０、最大で５０、最大で５５、又は更に最大で６０質量％のセラミックス粉を含む。中性子遮蔽の場合には、活性剤が炭化ホウ素であるので、炭化ホウ素が多ければ多いほど、より良い結果が得られる。しかしながら、セラミックス粉の含有量が増えるにつれて、熱間加工の際の変形への抵抗性が増加し、加工性が悪化して、形成される物品はより脆いものとなってしまう。また、金属とセラミックス粒子との間の接着性が悪化し、空隙が発生する可能性も出てくるため、望ましい機能性を得ることができなくなり、結果として得られるＭＭＣの密度、強度、及び熱伝導性が低下することになる。更に、セラミックス含有量が増加するにつれて、切削性も低下していく。

金属粉は、１種類のみのものであっても、又は複数の種類のものの混合物であってもよく、セラミックス粒子も同様に、１種類のみのものからなるものであっても、又は、例えば、Ｂ_４ＣとＡｌ_２Ｏ_３とを混合したもののように複数の種類のものからなるものであってもよい。同様に、粉体は、単峰性の又は多峰性の（例えば二峰性の）粒度分布を有し得る。

典型的には、金属粉の平均粒度とセラミックス粉の平均粒度とは、最終材料において均質性が得られるように、かつ加工を最大限容易にするように（例えば、圧縮性を増加させるように）選択される。例えば、金属粉とセラミックス粉が同様の密度を有している場合には、金属粉の粒度分布を、セラミックス粒子の粒度分布にマッチさせることが好ましい。これにより、結果として得られるＭＭＣ中に、セラミックス粉の粒子をより均一に分布させることが可能となり、特性を安定化させる効果がもたらされる。セラミックス粒子は、その破壊しやすい傾向のため、平均粒度をあまり大きくすることができないが、そのため、金属粉の平均粒度が大きすぎる場合には、セラミックス粒子と均一な混合物を得ることが困難になり、逆に金属粉の平均粒度が小さすぎる場合には、微細な金属粉が集まって塊をなし、セラミックス粉との均一な混合物を得ることが極めて困難になる。

粉体材料を十分に混合し、実質的に完全な均一性を確保するようにする。この目的のため、粉体ミキサーに、必要な量の粉体材料を入れて、一方の材料が他方の中に均一に分布したものが得られるまで撹拌することが好ましい。当該技術分野で既知の混合方法を採用することもでき、例えば、クロスフロー式Ｖ型ブレンダー、Ｖ型ブレンダー、若しくはクロスロータリーミキサーのようなミキサー、又は、振動式ミル若しくは遊星ミルを用いて、所定の時間（例えば、５分間〜１０時間）にわたり混合することができる。また、例えばアルミナボール等のような媒体を、混合中の粉砕の目的で添加することも可能である。更に、混合は、乾燥条件下又は湿潤条件下で実行することが可能である。例えば、圧密成形又は粉塵の抑制を容易にするために、例えば、水、油、溶剤、溶媒、又はその他の有機化合物若しくは無機化合物のような材料を用いてもよい。

圧密成形
完全に混合された粉体は、第１の密度を有する緩い混合粉であるが、この混合粉を金属箱に入れ、圧力をかけて圧密成形して、第２の密度を有する混合粉を生成する。圧密成形後、圧粉体プリフォームは、密度比（又は相対的密度）が、少なくとも０．６５、少なくとも０．６８、少なくとも０．７０、少なくとも０．７３、少なくとも０．７５、少なくとも０．７８、また更に少なくとも０．８０であり、かつ１．００以下である。本明細書において用いられる場合、「密度比」という用語は、全く気孔が存在しない（すなわち、完全に密な状態の材料を想定している）混合粉の密度と比較した、同じ材料の実際の密度を指す。

金属箱を型の中に置き、その金属箱一杯に混合粉を充填する。粉体材料が落ち着くのを確保して、かつ空気を実質的に含まなくなるようにするため、箱の面を木槌かハンマーで打つか、あるいは粉体材料を満たした容器を盛んに振動させることで、上の目的を達成させることもできる。圧密成形後、金属箱の上面と圧密成形された混合粉とが理論上同じ高さになるように、計算された量の混合粉が用いられる。１つの実施形態においては、当初は箱には溢れるように混合粉が充填されているので、蹴込み枠（又はスリーブ）を、型の内部に配置した金属箱の外側に置き、第１の密度を有する混合粉の余分な部分を収容させるようになっている。図３を参照のこと。混合粉は、金属箱内で圧密成形される。本明細書において用いられる場合、「圧密成形」という用語は、圧力（又は力）を用いて粉体を圧縮することであり、材料の密度を高め、粉体が固体の状態を維持することを可能とすることを指す。換言すれば、圧密成形により、粒子がより密に詰まった状態になるよう、金属箱内で粒子が再配置されるだけでなく、粒子が密に詰まることができるように粒子の変形も起こる。粒子が密に詰まった状態になると、後で更に取り回したり、加工したりする際にも、粒子が移動してしまうことが防止される。しかしながら、この圧密成形ステップ中には、金属粉の融解は実質的に起こらない。任意の圧密成形方法（すなわち、圧力又は力をかける方法）を用いることができるが、例えば、固体圧密成形、冷間静水圧成形（ＣＩＰ）、又は冷間一軸成形が挙げられる。１つの実施形態においては、型にパンチを挿入して、混合粉を圧密成形してもよい。

理論に縛られずに言えば、圧密成形により、材料の密度を上げるだけでなく、粒子を「固定し」て、後で加工したり取り回したりした際にも粒子が移動したり流動したりするのを防ぎ、結果として、均質な金属マトリクス複合材を得ることができるようになるということが考えられる。それゆえ、１つの実施形態においては、圧力（又は力）は、加工及び／又は取り回しをした際にも粒子が固定又は移動するのを妨げるように、混合粉を固定するのに実質的に十分なものでなければならない。典型的には、より大きな圧力をかけると、材料はより高い密度になり得る。一部の用途においては、圧密成形時の圧力下でセラミックス粒子が粉砕され得るが、それにより、結果として得られるＭＭＣの性能が損なわれる可能性もある。加えられる典型的な圧力は、用いられる粉体の性質に応じて、少なくとも１ＴＳＩ（平方インチあたりトン）（１４ＭＰａ（メガパスカル））、少なくとも３ＴＳＩ（４１ＭＰａ）、少なくとも５ＴＳＩ（６９ＭＰａ）、少なくとも７ＴＳＩ（９７ＭＰａ）、又は更に少なくとも９ＴＳＩ（１２４ＭＰａ）である。一部の実施形態においては、加えられる圧力は、用いられる粉体の性質に応じて、１０ＴＳＩ（１３８ＭＰａ）以下、１５ＴＳＩ（２０７ＭＰａ）以下、又は更に２０ＴＳＩ（２７６ＭＰａ）以下である。

１つの実施形態においては、振動を圧密成形と共に用いる。１つの実施形態においては、混合粉は焼結ステップにかけられない。

図３に図示されているのは、圧密成形アセンブリ３０の側面図であり、金属箱３１、混合粉３２、型の底面板３３、及び型枠３５を示している。スリーブ３４は、トップパンチ３６で圧密成形された、過剰に充填された混合粉用の蹴込みとして機能する。

混合粉を圧密成形することにより、所定の部分中の活性物質の量を最大化し、結果として得られる材料の機能性を改善することができる。また粉体を圧密成形することにより、熱間加工前に粉体を固定することもできるため、力を加えた圧密成形によって、熱間加工中に変形が起こるのを制限することができる。

圧密成形された混合粉を含む、充填された金属箱を次に、必要な寸法に切断されている上面形成板により閉鎖する。上面形成板は、金属箱に対して、底面形成板と反対側に、しっかりと当接される。上面形成板は、金属箱に対して説明したものと同じ材料製であってよい。金属箱の底面部材及び側面部材を、既に述べたように封止して圧延前アセンブリを形成する際と同様にして、上面形成板が所定の位置に封止される。

１つの実施形態においては、圧延前アセンブリの側面に、換気用の小さい開口部が設けられる。例えば、３つの４分の１インチ（６ｍｍ）径の穴が穿設され、その穴は、それぞれ４分の１インチ（６ｍｍ）径のアルミニウムリベットを挿入することにより、一時的に塞がれる。３個のリベットは栓として働き、圧延前アセンブリが圧延される時まで、その内部の材料を保持させる。圧延前アセンブリが圧延される際には、穿設された穴から栓を抜いて、内部に封じ込まれていた空気が抜けるのを可能にする。

熱間加工
圧延前アセンブリを、例えば、熱間圧延、熱間押出成形、又は熱間鍛造のような熱間加工にかけることにより、望ましい形状を実現しつつ、同時に混合粉の密度を更に向上させる。板形状のクラッド材を準備する際には、金属板材料と所定のクラッド比を有するクラッド板材料を得ることが可能である。熱間加工は、単一の処理手順からなるものであっても、複数の処理手順を組み合わせたものであってもよい。追加的に冷間加工を、熱間加工後に実行してもよい。冷間加工の場合においては、材料を、加工前に１００〜５３０℃（好ましくは４００〜５２０℃）でアニールすることにより、加工しやすいものにすることができる。

熱間圧延の場合においては、典型的には、熱間加工（例えば熱間圧延）ステップに先立って、圧延前アセンブリを最初に予熱することで金属を軟らかくする。用いられる温度は、混合粉と金属箱との組成に応じて変化し得る。例えば、混合粉が２２重量％超のセラミックス粉を含む場合には、予熱ステップは、その用いる温度が、金属粉が融解する温度の少なくとも９０％、少なくとも９２％、少なくとも９４％、又は更に少なくとも９６％となるべきであるが、金属箱の融点を超えてはならない。１つの実施形態においては、アルミニウム（ＡＡ１ＸＸＸシリーズ）の場合の圧延前アセンブリは加熱されて、材料の抵抗性を低下させるが、そのような場合の温度には、少なくとも４００℃、少なくとも４５０℃、又は更に少なくとも５００℃であり、最高でも６００℃、最高でも６２０℃、又は更に最高でも６３０℃の温度が挙げられる。

１つの実施形態においては、圧延前アセンブリを均熱炉内に、好ましくは１インチ（２．５ｃｍ）のスペーサーを圧延前アセンブリどうしの間に挟んで、あらゆる方向から均等に加熱できるようにして積み上げる。例えば、アルミニウムが用いられる場合には、炉の温度は４００℃に、又は好ましくは５００℃に、又は更に６００℃もの高さであるが７００℃を超えない温度に保たれ、圧延前アセンブリが求められる熱間加工温度になるまで加熱される。

圧延前アセンブリは金属板材料により覆われて（クラッド化されて）いるので、アセンブリの表面にはセラミックス粒子が存在しないが、そのような粒子が存在した場合には、その粒子は熱間加工の間に損傷を生じる起点となったり、材料が接触する型、ロール、又はその他の設備を摩滅させたりする可能性がある。その結果、加工性が良好であって、強度と表面特性に優れた金属マトリクス複合材料を得ることが可能となる。また、熱間加工にかけられた結果得られた材料は、金属の表面クラッドを有し、表面の金属と内部の金属マトリクス材料との間には良好な接着性があるため、金属材料によって表面がクラッド化されていないアルミニウム複合材料よりも、耐腐食性、衝撃抵抗性、及び熱伝導性に優れる。

なお、熱間加工作業により、セラミックス粉と金属粉との混合粉の厚さが薄くなるだけでなく、最終製品としての材料の互いに対向する外側の覆いをなしている板の厚さも薄くなるということが理解されるであろう。最終製品のクラッド対コアの比率は、開始時点における、圧粉体上の、上面と底面の金属板の厚さの割合によって決まる。ＭＭＣコアの両側にある金属製の外装部は、最終製品の全体の厚さの５〜７５％の範囲で変化する。ＭＭＣコアはもちろん、セラミックス粉と金属粉とが分子レベルで結合した粒子から形成されているものであるが、そのようなＭＭＣコアは、外装の内面と恒久的に分子レベルで結合している。

必要に応じて正確な寸法は変化し得るが、熱間加工ステップを通じて圧延前アセンブリの厚さを、元々の厚さの４分の１〜６０分の１以下にまで減らし、かつ圧延された材料の両側の金属外装材の厚さを、０．００３インチ（０．０７ｍｍ）より薄くならない程度に減らすのが望ましい。

１つの実施形態においては、熱間加工ステップに引き続いて、ＭＭＣ材料を平坦化する。この目的のため、ＭＭＣ材料は、重りを使いながら熱的に平坦化しても、コイル式ひずみ取り機、ローラー式の歪み取り機、又は任意の類似のプロセスを用いて平坦化してもよい。１つの実施形態においては、オーブン中で熱的平坦化をすることが好ましい。これを実現するために、約４００℃のオーブンの中に、重石の下に、ＭＭＣ材料を積み重ねて置く。サイクルの最後に、すべての材料が平坦化されているわけではないとしても、平らになったピースを取り除き、残りを再度平坦化するために戻すようにする。一部のケースでは、ＭＭＣ材料は圧延後に平らになっており、更なる平坦化処理をうけない。

１つの実施形態においては、金属クラッドを有するＭＭＣ材料は、その厚さが少なくとも１ｍｍ、少なくとも１．５ｍｍ、少なくとも２ｍｍ、少なくとも５ｍｍ、少なくとも１０ｍｍ、少なくとも１５ｍｍ、又は更に少なくとも２０ｍｍであって、かつ最大でも５０ｍｍ、最大でも１００ｍｍ、又は更に最大でも２００ｍｍである。

ギロチン式せん断法、水ジェット切断法、又は任意の他の金属切断法を用いて、ＭＭＣ材料を、使用時に求められるサイズに切断し得る。

１つの実施形態においては、ＭＭＣは、金属クラッドから取り外される。

本開示の利点及び実施形態を以降の実施例によって更に説明するが、これら実施例において列挙される特定の材料及びそれらの量、並びに他の条件及び詳細は、本発明を不当に制限するものと解釈されるべきではない。これらの実施例では、全ての百分率、割合、及び比率は、特に指示しない限り重量による。

（実施例）
金属箱（内寸：幅６インチ（１５２ｍｍ）×長さ１０インチ（２５４ｍｍ）×高さ２インチ（５０．８ｍｍ））を、４枚の側面板と１枚の底面板を金属不活性ガス（ＭＩＧ）溶接することにより作製した。ベース材料は、溶接部抵抗を最適化するために、４５°の角度、８分の３インチ（９．５ｍｍ）の深さで、面取りされている。溶接は、１６分の１インチ（１．６ｍｍ）のＡＡ１１００溶接ワイヤを用いて実行する。

アルミニウム粉は、３０重量％の微細アルミニウムと７０重量％の粗粒アルミニウムを含むものであった。炭化ホウ素粉は、３０重量％の微細炭化ホウ素と７０重量％の粗粒炭化ホウ素を含むものであった。６４重量％のアルミニウム粉を、３６重量％の炭化ホウ素粉と、１０分間にわたり、Ｂｕｆｌｏｖａｋ社（ニューヨーク州、Ｂｕｆｆａｌｏ）製Ｐａｔｔｅｒｓｏｎ−Ｋｅｌｌｅｙクロスフロー式Ｖ型ブレンダーで、窒素雰囲気中でブレンドした。ブレンドした粉体は、１９．２重量％の微細アルミニウム、４４．８重量％の粗粒アルミニウム、１０．８重量％の微細炭化ホウ素、及び２５．２重量％の粗粒炭化ホウ素を含んでいた。所定の量の混合粉を、金属箱に入れた（押圧しない（０平方インチあたりトン＝ＴＳＩ（０メガパスカル＝ＭＰａ））場合には７．３０ポンド（３．３１ｋｇ）／箱、３ＴＳＩ（４１ＭＰａ）で押圧する場合には８．１５ポンド（３．７０ｋｇ）／箱、及び、７ＴＳＩ（９７ＭＰａ）で押圧する場合には８．８０ポンド（４．００ｋｇ）／箱）。注：圧密成形を行う際に、緩い混合粉が金属箱に過剰充填されているので、スリーブを金属箱の周囲に配置して、緩い粉体を収容させる。続いて、既に述べたように、Ａｃｃｕｄｙｎｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ＆ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ社（カリフォルニア州、Ｂｅｌｌ Ｇａｒｄｅｎｓ）製圧密成形プレス機４７０Ｔで、所与の圧力をかけて混合粉を圧密成形する。金属箱を、７インチ×１１インチ（１７８ｍｍ×２７９ｍｍ）の鋼鉄製の型に入れ、６インチ×１０インチ（１５２ｍｍ×２５４ｍｍ）の鋼鉄製パンチを上に載置した。圧密成形が実行される場合には、加えられる力の大きさは、１８０トン（１．６メガニュートン）（３ＴＳＩ（４１ＭＰａ））又は４２０トン（３．７メガニュートン）（７ＴＳＩ（９７ＭＰａ））であった。次に、スリーブを使った場合にはそれを取り外し、上面板を箱の上に載置し、ＡＡ１１００フィラーワイヤでＭＩＧ溶接し、圧延前アセンブリを製造した。換気孔（４インチ×４分の１インチ（１０×０．６４ｃｍ）径の孔）を、金属箱の対向する側面に穿設した。圧延前アセンブリを、対流式炉内で１６時間にわたり、６００℃±５℃の温度まで加熱した。加熱された圧延前アセンブリは、次に、Ｆｅｎｎ社製２段可逆圧延機（８００トン（７メガニュートン）のロール分離力）を用いて圧延された。圧延前アセンブリを１３回、２２％の圧延率で通して、厚さを２．５インチ（６３．５ｍｍ）から０．１００インチ（２．５ｍｍ）まで薄くする。圧延前アセンブリをロールに通すたびごとに、３０インチ（７６２ｍｍ）径の鋼鉄製ロールに、圧延クーラントを塗布する。クロスロール（幅方向の圧延）を２回、３回目と４回目の圧延時に実行する。得られた物品を、室温まで冷却させた。

下記の表１に、得られたＭＭＣ物品の結果が示されている。加えられる圧力それぞれに対して、２つ又は３つのサンプルが用意され、以下に説明するようにして測定し、その平均を表１に報告する。熱間圧延前の密度比が、使用された混合粉の重量を金属箱の体積で割り、次に、完全に密な材料を想定した、混合粉の理論上の密度（２．６３ｇ／ｃｍ^３）で割ることによって計算される。結果として得られた物品の顕微鏡写真から、測定されたコアの割合が、ＭＭＣの面積を物品の総面積で割って１００倍して出した百分率として決定される。^１０Ｂ同位体の面密度を、炭化ホウ素の使用量対ＭＭＣの厚さに基いて、以下の式（Ｔｕｒｎｅｒ ＆ Ｔｈｏｍａｓ、Ｎｕｃｌｅａｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、第１６９巻（２０１０年））を用いて計算した：
^１０Ｂ_ＡＤ＝ＦＢ_４Ｃ×ρ_ｃｏｒｅ×ＦＢ×Ｆ^１０Ｂ×Ｔ_{ｍａｔｅｒｉａｌ}×（１−Ｆ_ｃｌａｄ）
（式中、^１０Ｂ_ＡＤは、^１０Ｂ同位体の面密度であり；
ＦＢ_４Ｃは、炭化ホウ素の使用量（０．３６）であり；
ρ_ｃｏｒｅは、コア密度（２６３２ｍｇ／ｃｍ^３）であり；
ＦＢは、炭化ホウ素中のホウ素の割合（０．７８２６）であり；
Ｆ^１０Ｂは、自然界におけるホウ素の中での^１０Ｂの割合（０．１８４）であり；
Ｔ_{ｍａｔｅｒｉａｌ}は、材料の厚さ（２．６０ｃｍ）であり；かつ、
Ｆ_ｃｌａｄは、クラッドの割合である（コアに対する測定割合）である。

結果として得られる材料の顕微鏡写真が、図４に示されているが、同図中（Ａ）は、圧密成形されていない（加えた圧力が０ＳＩ（０ＭＰａ）の）金属マトリクス複合材料であり、（Ｂ）は、３ＴＳＩ（４１ＭＰａ）の圧力を加えて圧密成形された金属マトリクス複合材料であり、（Ｃ）は、７ＴＳＩ（９７ＭＰａ）の圧力を加えて圧密成形された金属マトリクス材料である。顕微鏡写真において、炭化ホウ素（セラミックス）粒子は、濃い灰色で示されており、金属（アルミニウム）は白色で示されている。なお、図４Ａにおいては、細く湾曲した水平方向に向いた濃色のパターンが観察されるが、これは、熱間圧延中に緩い粉体が動いたことに帰せられる、流れのパターンであると考えられる。また、図４Ｃにおいては、炭化ホウ素粒子の一部が、塊をなしている、及び／又は破壊されているのが示されている。

本発明の範囲及び趣旨から逸脱することなく、本発明の予測可能な修正及び変更が当業者にとって自明であろう。本発明は、説明のみを目的として本出願に記載される実施形態に限定されるべきではない。

Claims (12)

1. 金属マトリクス複合材料の製造方法であって、該方法は：
   （ａ）ある長さとある幅とを有する底面形成板、ある長さとある高さとを有する側面形成板の第１ペア、及びある幅とある高さとを有する側面形成板の第２ペアを備える金属箱を形成するステップ；
   （ｂ）金属粉とセラミックス粉とを混合して、混合粉を調製するステップ；
   （ｃ）前記金属箱に前記混合粉を充填するステップ；
   （ｄ）前記金属箱内の前記混合粉を圧密成形して、圧粉体プリフォームを含む前記金属箱を提供するステップ；
   （ｅ）前記圧粉体プリフォームを含む前記金属箱に対してしっかりと当接するように上面形成板を前記金属箱の上に配置し、その縁部の周囲を封止して、圧延前アセンブリを製造するステップ；及び、
   （ｆ）前記圧延前アセンブリに対して熱間加工を実行して、金属クラッドを有する前記金属マトリクス複合材料を得るステップ、を含む方法。
2. 前記圧粉体プリフォームが、少なくとも０．６５の密度比を有する、請求項１に記載の方法。
3. 前記圧密成形ステップは、固体圧密成形、冷間静水圧成形、及び冷間一軸成形のうちの、少なくとも１つを用いて実行される、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記金属箱の、前記高さ対前記幅の比が、少なくとも１：２．５である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記金属箱が、アルミニウム、マグネシウム、及びステンレス鋼のうちの少なくとも１つから選択される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記金属粉が、アルミニウム、マグネシウム、及びステンレス鋼のうちの少なくとも１つから選択される、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記セラミックス粉が炭化ホウ素を含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記底面形成板、前記上面形成板、前記側面形成板、及び端部形成板が、少なくとも２ｍｍの厚さを有する、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記圧延前アセンブリの厚さが、圧延により、もともとの厚さの少なくとも４分の１にまで薄くなる、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記圧延前アセンブリが、前記金属粉の溶融温度の少なくとも９０％以内の温度に加熱される、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記熱間加工に先立って、前記圧延前アセンブリが予熱される、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記熱間加工が、熱間圧延、熱間押出成形、及び熱間鍛造のうちの少なくとも１つから選択される、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。

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