JP2714573B2 - 多層荷重保持および断熱部材からなる基本構造およびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 背景の説明 この発明は断熱特性を有する多層金属構造に関し、特
に超音波および極超音速航空機での使用に適合されたこ
のクラスの構造部品に向けられる。

航空機および航空宇宙構造部品の設計における主要な
問題は、最新の航空機、時に超音速および極超音速航空
機のスピードおよび高度により課せられる過酷な応力に
耐えるだけでなく、このような条件下で課せられる高い
熱負荷に耐えるような材料をどのようにして生産するか
ということである。

さらに、これまで生産されてきたこの種の基本構造物
は比較的複雑であり、製造するのに多数の工程を必要と
する問題があった。

先行技術に係る金属構造は以下の特許に開示されてい
る。

カーク（Kirk）らに与えられた米国特許第3,029,910
号に、ビードで補強された剛性パネル状になった金属の
航空機用構成要素として使用される剛性構造ユニットを
開示している。剛性パネルは外皮と、剛性を与えるため
にビードで形成された内皮と、さらに剛性を増加するた
めのビード内に設けられたコア材料と各種の強化端縁部
材や複合部材を含み、それらが適切な結合材によって一
体化されている。構成部品は多くの段階を経て組立てら
れる。

シプリー（Shipley）らに与えられた米国特許第3,03
7,592号は積層された金属構造のための十文字コアを開
示する。この構造は複数の波形の金属コアエレメントが
横に平行に並んで結合され、各エレメントの波の頂部が
隣接するコアエレメントの波の谷部に接触して固定され
る。このような金属構造は多くの段階を経て製造され
る。

上記に例示した特許の金属構造は基本的に基本構造と
して用いらられるが、そのような構造は断熱特性を有し
ていない。

それゆえ、そのような構造部材において断熱が要求さ
れるときは構造特性を有しない、寄生的なまたは受動的
な断熱材料が別に用いられる。

本願発明の１つの目的は多層の断熱要素を有する新規
な基本構造を生産することである。

他の目的は高速旅客機、特に超音速および極超音速航
空機に特に適しており、別の断熱材が必要でないような
多層の構造的要素を提供することである。

本願発明のさらに他の目的は拡散接合および超可塑性
成形によって構成される多層の基本構造を提供すること
である。この製法においては、構造の中間層は荷重を受
けるとともに断熱材として作用する反射シールドを形成
する。

この発明のさらに他の目的は本願発明の多層の断熱部
材となる得る基本構造を製造するための効率的な方法を
提供することである。

発明の概要 多くの合金は超可塑性を示し、予め定められた形状の
部品を製造するための超可塑性成形にかけることができ
る。超可塑性は材料が異常なほどの引張りによる伸びを
示すとともに、変形時においては局部的なネックが生じ
ない状態で伸ばすことができる材料の特性である。その
ような超可塑性成形の前に製作品においてある選択され
た領域で固定し、製作品の固定されていない領域におい
ては超可塑性成形を起こさせるような金属製作品に拡散
接合が行なわれる。これは金属製作品の隣接する接触表
面にイットリア、窒化硼素、グラファイトまたはアルミ
ナのようないわゆるストップオフ材（stop-off materia
l）を適用することによって達成される。これによっ
て、そのように処理された領域は当業者によって知られ
ているように、拡散接合時に接合されない。

拡散接合とは、接合部において表面接触を行なわせ、
原子の混合を引き起こすようにしばらくの間熱と圧力を
加えることによって類似のたは非類似の金属の表面間に
おいて固体状態で金属的に結合さる技術をいう。

本願発明によれば、チタニウムのような複数の金属シ
ートが、隣接するシート間の所定の位置にストップオフ
材料が置かれた状態で組立てられ、その積層されたもの
が拡散接合されて超可塑性成形される。積層の外側面シ
ートとそれぞれの中間コアシートの間にストップオフ材
をユニークなストップオフパターンで配置し、拡散都合
した後、超可塑性成形することによって拡散する。その
結果、対向して相互に間隔を隔てた１対の面シートと、
複数の間隔を隔てられた内部コアシートからなる単一構
造が製造できる。ここでは外部面シートおよび内部コア
シートのすべてのシートが接合され、その構造内部に幾
何学的にトラス形状を有するユニットが規則的にその内
部に配列される。そのようなトラスユニットは内部で接
続された基本的に台形の形または正弦波形に似た形状を
有している。

結果として生じる単一のトラス構造においては、トラ
スユニットが基本的に荷重を受ける構造部材であり、ト
ラス構造を構成する台形部材に一体に接続された外部面
シート間の内部シートもまた荷重を受ける。しかしなが
ら、この部材はさらに熱を反射する反射シールド部材と
しても作用する。このように、断熱効果を有する内部反
射シールドを有する構成部材が形成されるため、断熱の
ために受動的な断熱材料を用いる必要がない。単一の多
層断熱部材からなる基本構造を製造するのに用いられる
内部コアシートの数は、耐荷重、用いられる材料の断熱
特性に応じて変化する。

本願発明の多層断熱要素を含む基本構造は拡散接合と
超可塑性成形によって単一の操作で製造できる。層を形
成する内部コアシートは放熱シールドとして働き、熱を
外部面シートに向けて反射し、構造を通して内側の面シ
ートに伝わる熱を減らすとともにトラス構造の安定化に
役立つ。これによって熱がパネルを貫通するのが防がれ
る。本願発明の多層構造は荷重のタイプが１軸荷重や２
軸荷重のように異なった荷重形態にも対応できるし、こ
の構造が基本構造としてかつ断熱システムとして効果的
に機能するような熱荷重を最小にするよう設計が可能で
ある。

このように、外部面シートから内部面シートに構造を
貫通して熱が伝わる代わりに、本願発明の多層の単一基
本構造を用いた場合には、内部反射シールド部材が熱を
構造の外側へ反射し、構造を通して熱が伝わるのを防
ぐ。この特徴のお蔭で、本願発明の多層トラス構造は超
高速または極超高速航空機の使用に適している。という
のは、基本構造は構造全体において温度を減らす必要が
ある場合にはどこにも用いられるからである。本願発明
の構造によればそのような航空機において断熱材を追加
する必要がなくなるかまたはその必要性を最小限にでき
る。その結果、構造全体の重量や全パネル厚さを減らす
ことでき、容積効率が良くなる。本願発明の基本構造を
製造するための超可塑性成形および拡散接合プロセスは
基本的に単純なプロセスであり、航空機の構造部品を製
造するために現在行なわれているプロセスに比べて安価
である。

本願発明による多層断熱基本構造はフェイルセイフタ
イプの燃料閉じ込め構造用の多層の燃料バリアとしても
用いることができる。これは航空宇宙輸送機のための設
計基準である。これは、内部に設けられた相互に空間を
あけられた反射シールド部材が実際燃料タンクの二重ま
たは多重のバリアとして作用するからである。本願発明
の構造はそれゆえ、タンクの外側に寄生的に熱保護層を
設けることなく、航空宇宙輸送機の外部タンクの製造に
用いることができる。反射シールド部材は荷重を受け、
かつ同時に断熱材として作用する。その結果、構造の外
側面シートに対応するタンクの外側表面は熱くなって
も、内部面シートはずっと低い温度にできる。このよう
に、内部面シートに隣接するタンクの内壁に接触する燃
料は内部に断熱材を加えることなく外部面シート部の高
温から守られる。

一体として形成された反射シールドを有するトラス構
造の多層断熱基本構造は支える荷重によって内部シール
ド部材の厚さを変えることができる。また、熱シールド
部材はトラス構造を横方向にサポートするために波形を
することもできる。反射性の内部シールド部材は必要で
あれば、拡散接合および超可塑性成形の前に化学的にそ
の厚さを減らすことができる。

本願発明の構造部材は必要であれば腐食や摩耗を減ら
すために高温に晒される航空宇宙輸送機の外部の組織化
されないタイルとしても用いられ得る。

この発明は添付の図面と関連して考えられると、この
発明の下記の詳細な説明からより容易に理解されるであ
ろう。

好ましい実施例の詳細な説明 図面の第１図を参照すると、たとえば6Al-4Vチタン合
金のような拡散接合および超可塑性成形が可能な複数個
の金属シートが互いに接触して置かれ、10で示される積
重ねを形成する。シートの積重ねは１対の面シート11,1
2と、両面シートの間に置かれた５枚のコアシート13,1
4,15,16および17を含む。すべてのシートは隣接のシー
トと直接接触している。

イットリア、窒化硼素、グラファイトまたはアルミナ
のようなストップオフ材の予め定められたパターン21が
シートの接触面に適用される。そのようなストップオフ
材は積層される前にシートに適用され、その結果シート
が積重ねられるときには図示のようにストップオフパタ
ーン21が形成される。

全ストップオフパターン21は連続した対向して千鳥状
に配列されたストップオフ材のパターン化された部分2
4,25からなり、そのストップオフ材は各場合において面
シート11,12のそれぞれから内側に向かって配列され
る。ストップオフパターン部分24の各々は、面シート11
および隣り合うコアシート３の間の長いストップオフ領
域18と、隣り合うコアシート13および14の間のより短い
長さのストップオフ領域19と、隣り合うコアシート14お
よび15の間のさらに短い長さのストップオフ材20からな
る幾何学的に対称的なパターンからなる。

向かい合う隣り合った相補的なストップオフパターン
部分25の各々は、面シート12および隣り合うコアシート
17の間の長いストップオフ領域18′と、隣り合うコアシ
ート16および17の間のより短い長さのストップオフ領域
19′と、隣り合うコアシート15および16の間にさらに短
い長さのストップオフ領域20′とからなる幾何学的対称
パターンからなる。

ストップオフパターン部分25の各々のストップオフ領
域18′、19′、および20′の長さはストップオフパター
ン部分24の各々がストップオフ領域18、19、および20の
長さとそれぞれ同じであるということが注目されるであ
ろう。

このように、ストップオフパターン部分24および25の
各々のピラミッド状であり、それぞれの対向する面シー
ト11および12から始まり、シート10の積重ねの中央のあ
たりでピラミッドの上部の端部で終わるということが理
解される。

また、連続するピラミッド状ストップオフパターン部
分24の各々はシート積重ねの長さ方向に沿って、２つの
隣り合った対向するピラミッド状ストップオフパターン
部分24と対称的に重なり合い、逆に連続するストップオ
フパターン部分25の各々は、２つの隣り合う対向したピ
ラミッド状ストップオフパターン部分24と対称的に重ね
られるということが注目されるであろう。さらに、連続
するストップオフパターン部分24の各々の一番短いスト
ップオフ領域20の長さは、２つの隣り合った対向するス
トップオフパターン部分25の一番長いストップオフ領域
18′の間（ａ）で示される距離よりも長く、同様に連続
するストップオフパターン部分25の各々の一番短いスト
ップオフ領域20′の長さは、隣り合った対向したストッ
プオフ領域部分24の一番長いストップオフ領域18の間の
（ｂ）で表わされる距離よりも長い。距離（ａ）および
（ｂ）は実質上等しくすることができ、この部分はまた
節部材として知られる。用語「節」は面シート11および
12の内部シートと接続される部分および第２図に例示さ
れるように超可塑性成形で形成される支えトラフ部材の
交わる点27を示す。

積重ねのシート10の隣り合ったシートの間の拡散接合
は、シートの積重ねをプレスに置くこと、およびシート
の適当な接合温度まで加熱し、同時に圧力がシートに印
加されることにより達せられる。拡散接合温度は1450゜F
（787℃）から約1900゜F（1037℃）まで変化し得、たと
えば6A1-4Vチタン合金について約1700゜F（927℃）であ
り、接合圧力は約100psi（7kg/cm²）から約2000psi（14
0kg/cm²）まで変化し得、通常約150psi（10.5kg/cm²）
から約600psi（42kg/cm²）までである。プレス圧力を用
いる代わりに、ガス圧力が使用され得る。しかしなが
ら、もし多重の部品の平坦な積重ね接合が選択されるな
らば、プレス圧力が利用される。

拡散接合動作の結果として、シートの積重ね11ないし
17における隣り合ったシートの拡散接合は、ストップオ
フ材を含まない領域で発生する。このように、隣り合っ
たシート11および13、および隣り合ったシート12および
17はそれぞれ、隣り合ったストップオフ領域すなわち層
18および18′の間の領域で結合され、隣り合ったシート
13および14、および隣り合ったシート16および17はそれ
ぞれ、隣り合ったストップオフ層19および19′の間の領
域で結合され、隣り合ったシート14および15、および隣
り合ったシート15および16はそれぞれ、隣り合ったスト
ップオフ層20および20′の間の領域で結合される。スト
ップオフ領域18、19、および20、および18′、19′、お
よび20′に沿った隣り合ったシートは結合されない。

上記のようなシートの積重ねの拡散接合の後、結果と
して生じる結合されたモノリシック積重ねはその後従来
の態様で超可塑性成形にかけられる。これは拡散接合さ
れたシートの積重ねを、たとえば上部および下部の工具
を有する成形装置の中に置くことによって達せられる。
ガス圧力をアセンブリの中へ、および拡散接合されたシ
ートの間の結合されないストップオフ領域の中へ導入す
るための通路が設けられる。結合された積重ねは適当な
温度および圧力状態の下で超可塑的に成形される。隣り
合ったシートの結合されない領域における超可塑性成形
は約200psi（14kg/cm²）ないし約400psi（28kg/cm²）、
たとえば約300psi（21kg/cm²）の圧力で行なわれ、同時
にシートの積重ねを拡散接合で使用されたのと同じ温
度、たとえば6Al-4Vチタン合金について約1700゜F（927
℃）で加熱する。

超可塑性成形および拡散接合動作およびそのような処
理を行なうための装置は米国特許第3,927,817号で詳細
に記述される。そのような開示は参照によりここに援用
される。

第２図は断面で、第１図の拡散接合されたモノリシッ
クシートの積重ねの超可塑性成形により得られる多層の
基本構造を図解する。超可塑性成形の間にそのような構
造を生産するとき、結合されないストップオフ領域18に
おけるコアシート13のストレッチングは、面シート11か
ら離れてキャビティＡを形成し、結合されないストップ
オフ領域19におけるコアシート14のストレッチングは、
コアシート13から離れてキャビティＢを形成し、結合さ
れないストップオフ領域20におけるコアシート15のスト
レッチングは、シート14から離れてキャビティＣを形成
するということが理解されるであろう。

同様に、結合されないストップオフ領域18′における
コアシート17のストレッチングは、面シート12から離れ
てキャビティＦを形成し、結合されないストップオフ領
域19′におけるコアシート16のストレッチングは、コア
シート17から離れてキャビティＥを形成し、結合されな
いストップオフ領域20′におけるコアシート15のストレ
ッチングは、コアシート16から離れてキャビティＤを形
成する。

第２図において26で示される、超可塑性成形に続いて
生産された結果として生じる構造は、良好な構造特性と
良好な断熱特性との両方を有する多層トラス構造であ
る。このようにトラス構造は構造全体に延在する一体的
に接続された複数の台形部材が対向する面シート11およ
び12に接続されている。そのような台形部材は内部で間
隔を保って延在するコアシート13および14、およびコア
シート16および17に一体的に接続され、かつそれを支え
る。コアシート13および16は面シート11および12の間で
間隔を保った第１の反射シールド13a、16aを事実上形成
し、コアシート14および17は、第１の反射シールドから
間隔を保った、そのような面シートの間に第２の反射シ
ールド14a、17aを事実上形成する。そのような反射シー
ルドは、お互いに平行に、かつ面シート11および12に平
行に構造の範囲内で内部に延在する。超可塑性成形は成
形のための圧力を使用し、生産される構造のパネルは気
密性があるので、全体の構造のパネルはより効率的な断
熱特性のために乾燥した空気が排出または追い出され
る。

このように、たとえばこの発明の多層の断熱部材とな
り得る基本構造26が航空宇宙輸送機の外部の表面に隣り
合う部品として使用されるところでは、コアシートによ
り形成される内部の反射シールドによる多層断熱のた
め、外がの環境から外部の面シートを通って構造の内部
へ伝達する熱は、反射シールドに反射し返されるであろ
うし、事実上構造を通って内部の面シートへの熱の貫通
が低減する。

このように、この発明の構造は、タンクの外側に寄生
的な断熱を用いることなく、特に宇宙船の外部の燃料タ
ンクの構成で使用されることができる。この発明の構造
で、内部の反射シールドと関連したトラス構造は負荷を
保持し、反射シールドはさらに断熱材として機能し、燃
料閉じ込めのための多層バリアを提供する。このよう
に、タンクの外部の壁を形成する多層の断熱部材となる
基本構造の外部の面シートは熱くなり得るが、内部の面
シートは外部の面シートと比較してずっと低い温度であ
る。もしタンクの中の燃料が構造の内部の面シートに隣
り合って配置されるならば、そのような燃料は内部に断
熱材が付加されることなく、外部の面シートと接触する
熱い環境から保護されることができる。さらに、内部の
面シートは弧を描かれることができ、すなわち複数個の
弧状の一体的に接続された部材から形成され、熱負荷を
最小にする。

この発明には種々の修正がなされ得る。このように拡
散接合され超可塑的に形成されるこの発明の断熱部材と
なる基本構造を生産する積重ねシートの金属シートは、
チタンまたはその合金以外の、たとえばアルミニウム、
アルミニウム合金、チタンアルミナイド（titanium alu
minide）、たとえば鉄ニッケル合金のような超合金材
料、ベリリウム、グラファイトアルミニウム複合物を含
む金属マトリックス複合物、および銅被覆グラファイト
のような、拡散接合および超可塑性成形が可能な金属か
ら形成されることができる。しかしながら、好ましい金
属はチタン合金およびアルミニウム合金である。さら
に、コアシートおよびトラス部材は面シートと異なる金
属または金属合金で作られることができる。このよう
に、たとえばコアシートおよびトラス部材は、たとえば
CPチタン合金のような１つのチタン合金からなり得、面
シートはたとえば６−4Vチタン合金のような異なったチ
タン合金からなり得る。

コアシートの数および全体のストップオフパターンは
この発明の多層の基本構造であるトラス構造を構成する
コアシートまたは内部反射シールドの数を変化するため
に整えられることができ、この発明の基本構造は好まし
くは少なくとも２つの間隔を保ったコアシート、たとえ
ば２ないし６のコアシートを含むということが理解され
るであろう。また、シートの厚さは負荷に耐えるために
変更されることができ、構造の反射シールドはより大き
い横方向の支えを提供するために波形をつけられること
ができる。さらに、もし望まれるならば、コアシートは
厚さおよび重量を減少するために化学的に処理されるこ
とができる。

上述のことから、この発明は内部の反射シールドの準
備により、および受動的な断熱材の使用を避けることに
より、構造の強度および断熱特性を兼ね備え、拡散接合
および超可塑性成形のプロセスにより生産され、拡散接
合の前に独特のストップオフパターンを使用する独特の
基本構造を提供することができるということが理解され
る。

この発明の精神の範囲内で、この発明の種々のさらに
他の修正が当業者に浮かぶであろうから、この発明は前
掲の特許請求の範囲の範囲による以外は制限されないと
解される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明による、隣り合ったシートの間に予
め選択されたパターンのストップオフ材を有する金属シ
ートの積重ねの断面図である。 第２図は、第１図の積重ねシートを拡散接合し超可塑的
に成形した後生産される、この発明の多層構造部品の断
面図である。 図において、11および12は面シートであり、13、14、1
5、16および17はコアシートであり、21はストップオフ
材の予め定められたパターンである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭51−111465（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−61793（ＪＰ，Ａ) 特公 昭59−24893（ＪＰ，Ｂ２) 米国特許4530197（ＵＳ，Ａ)

Claims (13)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】拡散接合され、超可塑的に成形されるトラ
   ス構造を含む、多層の荷重保持および断熱部材となる基
   本構造であって、 前記トラス構造は、対向して相互に間隔を隔てて設けら
   れた１対の面シートと、前記１対の面シートの間に設け
   られた複数のコアシートとで形成される複数の台形構造
   を含み、 前記台形構造を構成する台形部材は、前記面シートとコ
   アシートとが前記面シートの延在する方向とそれに交わ
   る方向において、相互に一部で接合し、他の部分で離間
   されている、基本構造。
2. 【請求項２】前記コアシートが前記面シートに向かって
   熱を反射し返す、反射シールド部材であり、それによっ
   て前記構造を通って一方側の面シートから他方側の面シ
   ートへの熱の貫通を低減する、請求項１に記載の基本構
   造。
3. 【請求項３】前記反射シールド部材が、お互いに平行
   に、かつ前記面シートに平行に、トラス構造の内部に延
   在する、請求項２に記載の基本構造。
4. 【請求項４】前記面シート、コアシート、および台形部
   材が、チタン、アルミニウム、アルミニウム合金、チタ
   ン合金、超合金、ベリリウム、金属マトリックス複合物
   および銅被覆グラファイトからなる群から選ばれる材料
   から構成される、請求項１に記載の基本構造。
5. 【請求項５】前記面シートがある金属から構成され、前
   記コアシートおよび前記台形部材が別の金属から構成さ
   れる、請求項１に記載の基本構造。
6. 【請求項６】前記面シートがあるチタン合金から構成さ
   れ、前記反射シールド部材および前記台形部材が別のチ
   タン合金から構成される、請求項３に記載の基本構造。
7. 【請求項７】１対の面シートおよび前記１対の面シート
   の間に位置する複数のコアシートを含む、お互いにコン
   タクトした金属シートの積重ねを形成するステップと、 隣り合った面シートおよびコアシートのコンタクトする
   表面の間に、および隣り合ったコアシートのコンタクト
   する表面の間にある一定の予め選択された領域において
   ストップオフ材を配置することにより予め定められたス
   トップオフパターンを形成するステップと、 ストップオフ材を含む領域とは違った領域で隣り合った
   シートの接合を起こすために前記シートの積重ねを拡散
   接合にかけるステップと、 ストップオフ材を含む接合されない領域において前記コ
   アシートのストレッチングを起こすために前記拡散接合
   された積重ねを超可塑性成形にかけることにより、トラ
   ス構造を形成するステップを含み、 前記トラス構造は、複数の台形構造を含み、前記台形構
   造を構成する台形部材は前記面シートと、前記複数のコ
   アシートで形成され、前記コアシートは前記超可塑性成
   形の間に形成されたキャビティにより相互にかつ前記面
   シートと間隔を隔てて設けられた部分と、相互にかつ前
   記面シートと接触した部分とを含む、多層の荷重保持お
   よび断熱部材となる基本構造を製造するための方法。
8. 【請求項８】ストップオフパターンはピラミッド状であ
   り、それぞれの前記面シートから始まりコアシートの中
   央あたりで終わる、請求項７に記載の方法。
9. 【請求項９】連続するピラミッド状ストップオフパター
   ンの部分の各々はそれぞれの一方側の面シートから他方
   側へ延び、２つの隣り合う対向したピラミッド状ストッ
   プオフパターンは対称的に重なり合う、請求項８に記載
   の方法。
10. 【請求項１０】連続するストップオフパターン部分の各
    々の一番短いストップオフ領域の長さは２つの隣り合っ
    た対向したストップオフパターン部分の一番長いストッ
    プオフ領域の間の距離よりも長い、請求項９に記載の方
    法。
11. 【請求項１１】前記面シート、コアシートはチタン、ア
    ルミニウム、アルミニウム合金、チタン合金、超合金、
    ベリリウム、金属マトリックス複合物および銅被覆グラ
    ファイトからなる群から選ばれる材料から構成される、
    請求項７に記載の方法。
12. 【請求項１２】前記拡散接合は高い温度でプレス圧力接
    合またはガス圧力接合により行なわれる、請求項７に記
    載の方法。
13. 【請求項１３】前記超可塑性成形が隣り合ったシートの
    間に結合されないストップオフ領域の中にガス圧力を導
    入し、同時に高い温度に加熱することにより行なわれ、
    コアシートの前記ストレッチングおよび前記キャビティ
    の成形を起こす、請求項７に記載の方法。