JP3399596B2 - 拡散接合のための方法および装置 - Google Patents
拡散接合のための方法および装置Info
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- B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
- B23K20/22—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating taking account of the properties of the materials to be welded
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- Mechanical Engineering (AREA)
- Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)
Description
の構造ユニットの製造に関し、より特定的にはチタンア
ルミ合金シートを選択的に接合し、さらに超塑性的に伸
張されて所望の形のサンドイッチ構造を形成することが
できる金属構造を形成するためのプロセスおよび装置に
関する。
は、冶金技術において、高温に対する強度ならびに酸化
およびクリープに対する耐性が優れている材料として周
知である。
に、比較的脆くかつ室温またはそれに近い温度で加工お
よび/または製造することが難しい金属である。様々な
産業用の構造の形成に広く使用されている製造技術は拡
散接合である。
ingling )させるようにある時間継続して熱および圧力
を加えることによる、類似したまたは異なる金属の表面
の冶金接合をいう。
が得られ、通常の中空領域は満たされる。もし圧力が低
すぎれば接合面に小さな中空領域が残り、接合強度は到
達できる最大値よりも小さくなるであろう。また圧力を
加えることによって、表面の酸化物および表面の凹凸が
壊され、接合のための表面を清潔にする。
の原子の拡散を促進するとともに金属を軟化して表面の
変形を促進し、これにより接合面での原子の結合および
動きに関してより密接な接触が得られる。
での空気中の酸素、窒素および水蒸気の含有量に特に敏
感な材料を確実に清潔にするために、チタンアルミ合金
材料の拡散接合が制御された環境で行なわれなければな
らないことが認められてきた。チタンアルミ合金は、こ
の接合プロセスの間保護されなければ脆くなりかつその
完全性は破壊される。
アルミ合金材料および他の類似した反応性物質を拡散接
合するプロセスの助けとなるような改良された装置を提
供することである。
された環境でチタンアルミ合金材料の拡散接合を容易に
しこれにより接合されるべき表面の汚染を最小限にする
ことができる、これらの材料のためのエンベロープを提
供することである。なお、表面の汚染には、酸化、窒
化、油脂、埃などが含まれる。
合のプロセスを実行する前にエンベロープを効果的に排
気することができるようにするためのフレーム部材を保
護エンベロープ内に提供することであり、ここでエンベ
ロープはまたガス拡散接合を行なうために必要な拡散接
合チャンバのチャンバを規定する1つの構成要素として
機能する。
セスを確実に行なうことができる環境でチタンアルミ合
金のブランクの加工物のスタックの予め選択された領域
を拡散接合するための金属エンベロープ、およびそのよ
うな装置を使用して汚染のない拡散接合を達成するため
の方法である。
の上方の金属シートおよび第2の下方の金属シートを含
み、それらのシートはともに好ましくはステンレススチ
ールである。ブランク加工物のスタックは第1のシート
と第2のシートとの間に配置され、かつ矩形の金属フレ
ームは2つのシートの間で規定される容積内でスタック
の周辺に隣接して配置される。シートがその周辺で封止
された後、その中の容積は適切な装置によって真空にさ
れる。矩形のフレームのスロットは、2つのシートの間
で規定されかつフレーム内に配置される容積の排気を容
易にする。フレーム自体は、汚染のない真空の環境を作
り出す間、加工物のスタックの縁部が押し潰されるのを
防ぐ。
部で第1のフレームの周辺の外側の位置に固定される第
2の矩形のフレームを加えることによって、保護エンベ
ロープとともに効果的にガス拡散接合工具を形成する構
造が得られる。この工具は、それと密閉して係合される
第2の工具とともに、工具の温度を上げるサイクルの後
に高圧ガスが向けられるチャンバを形成して拡散接合プ
ロセスを行なうことによって、加工物のスタックガス拡
散接合を容易にする。
ましい実施例を考慮しかつ添付の図面を参照すれば明ら
かになるであろう。
るが、以下の好ましい実施例の詳細な説明はこの発明を
それらの手順に制限するものではないことが理解される
はずである。反対に、この発明はこの発明の意図および
範囲内に含まれ得るすべての変更、修正およびそれに相
当するものを含むものとする。
合は別々の要素を接合して単一の塊を形成することがで
きるプロセスである。使用する接合材およびパラメータ
の質は、それぞれどの材料を使用するかによって必然的
に変わる。
び超塑性プレフォームに必要な高い温度、すなわち使用
する特定の合金に応じて927℃(1700°F)ない
し約1038℃(1900°F)の温度で汚染されるで
あろう反応性金属に関する。
ンドイッチ構造に形成されるべき3つの金属シートから
なるアセンブリの分解図が示されている。このアセンブ
リは金属ブランク10、12および14からなり、好ま
しくはこれらはすべてそれぞれ対向する主要な上面およ
び下面15および16、17および18、ならびに19
および20を有するシートの形状である(図4も参
照)。使用するシートの数は負荷条件および設計の要求
に応じて変化する。しかしながら、最低2つのシートを
使用しなければならない。望ましくは、シートの少なく
とも1つは超塑性の特性を備える。加工可能な温度範囲
内で適切な超塑性の特性を示せばいかなる金属もそのよ
うなシートに使用することができる。しかしながら、非
常に重要であるのは、拡散接合に必要な温度範囲内で超
塑性の特性を示し、かつ成形する際の温度で汚染されや
すい金属材料である。典型的にこれらの特徴を示す材料
はチタンアルミ合金である。チタンアルミ合金の成形す
る際の温度が約538℃(10 00°F)であることに
注目することが重要である。金属ブランク10、12お
よび14の最初の厚さは、成形されるべき部分の寸法の
関数として決定される。
るための好ましいステップは、シートとシートとの付着
または接合が望まれない、シートのスタック内のそれら
の領域に適切な遮断材料を与えるステップである。した
がって図1に示すように、領域30、32および34は
遮断材料で覆われそれらの領域での接合は防がれる。表
面15、18および20上の他の領域もまた接合しない
ように覆われてもよい。代替的には、金属シート構造
は、接合が望まれる領域でスポット溶接またはろう付け
されてもよい。さらに、以下に説明するように、金属シ
ート構造またはスタック40は選択的に圧力を加えるこ
とによって選択された領域で拡散接合され得る。
それらの位置で拡散接合をしないようにするために遮断
材料で処理する場合、92および94として示されるよ
うな付加的な領域もまた接合しないように処理しなけれ
ばならない。一旦エンベロープがスタックの拡散接合の
プロセスを促進するために使用されそのプロセスが完了
すると、特に超塑性成形(SPF)のプロセスにおいて
は、エンベロープを除去してからスタックはさらに処理
されるであろう。このSPFプロセスを実行するため
に、ガスインフレーションチューブをスタックの典型的
には予め定められた位置に挿入しなければならない。付
加的な領域92および94に与えられる遮断材料は、チ
ューブが挿入されるスタックのシートの接合を防ぐ。こ
れにより、SPFプロセスに使用する膨張ガスはこのよ
うに予め定められた拡散接合されていない領域を通って
スタックの内部に確実に到達する。
を、エンベロープの構成要素を示すために一部分破断し
た斜視図で示している。特定的には、エンベロープ10
0は第1のシート102および第2の底部シート104
を含み、第1および第2のシートはその間の容積を規定
する。好ましくは、2つのシートはたとえばステンレス
スチールのような容易に成形可能な熱伝導性材料から成
形される。上述のように、複数の上に重ねた金属シート
からなる金属シートアセンブリまたはスタック40は、
底部シート104の上側に配置される。その外形が実質
的に矩形である第1のフレーム110は、エンベロープ
の頂部シートと底部シートとの間で規定されかつ底部シ
ートの上にありかつスタックの周辺にある容積内に配置
される。第1のフレームの高さは好ましくはスタックの
高さよりも高く、そのためエンベロープの頂部シートが
底部シートの上に固定されると、頂部シートと底部シー
トとの間で規定される容積はスタックを包みこむ。
に、まずスタック40を底部シート104の実質的に中
央に配置する。その後フレーム110をスタックのまわ
りに配置し、これを底部シートにタック溶接してもよ
い。頂部シートは底部シートの上のスタックおよび第1
のフレームの上に配置され、その後頂部シートの周辺は
たとえば頂部および底部シートの周辺に沿って溶接する
ことによって底部シートの周辺に固定され(一般に図2
および図3の溶接部130参照)、その結果頂部シート
と底部シートとの間で形成されかつ第1のフレームの周
辺の中にある「容積」は効果的に封止される。
(図3参照)は、エンベロープの頂部シート102と底
部シート104との間で規定される容積を真空にするの
を容易にするために設けられる。スロットは第1のフレ
ームの周辺全体に互いに予め定められ選択された間隔を
あけて設けられ、かつ第1のフレームの内側(スタック
40に隣接する側)から対向する外側に延在する。さら
にスロットは第1のフレームの高さに対して直角に配置
される。浅い溝(好ましくは幅.060インチで深さ.
020インチのオーダ)106は、底部シート104で
第1のフレーム110の両側に形成される。溝は、第1
のフレームの外側に隣接して配置される内側の端部から
第1のフレームと底部シートの外側の周辺との間の距離
の約3分の2の位置に配置される外側の端部に延びる。
第1のフレームの対向する側の各々で、浅い溝の外側の
端部と底部シートの外側の周辺を越える外界とを通じる
ようにするための短い導管150および152が底部シ
ート上に配置される。これにより、頂部および底部シー
トが互いに封止されエンベロープを形成する場合、頂部
シート102と底部シート104との間で規定されかつ
第1のフレーム内にある「容積」の空気はエンベロープ
の外側に配置される適切な装置によって真空にすること
ができる。この方法で、実際に拡散接合のステップを実
行する前の最初の加熱段階のプロセスの間、エンベロー
プ内で汚染および酸素のない環境を維持することができ
る。
が矩形である、薄いシート材料108および108は好
ましくは底部シートに形成される溝106にそれぞれ隣
接して配置される。これらのシートの厚さは、エンベロ
ープの縁部の封止を妨げないがしかし排気および加熱段
階のプロセスの間エンベロープの第1のフレーム内の
「容積」と外界とを通じるようにする通路または溝10
6を塞ぐ、エンベロープの頂部および底部シートから保
護する大きさである。
部材150または152の一方を密閉しかつ導管部材の
他方を真空ポンプに接続して、さらにポンプを駆動して
エンベロープの内部に負圧(吸引)を与えてそれにより
「容積」を真空にすることによって達成され得る。ポン
プは、ポンプに関連する圧力計P1が予め定められた真
空レベルに達したことを示すまで動作する。第2の圧力
計P2はエンベロープ全体が真空状態になったことを保
証するために使用され得る。これは、圧力計をエンベロ
ープの内部に接続しかつ圧力計をエンベロープ全体が真
空であることを証明するために使用することによって達
成される。
間、シート108および108は溝106がふさがれな
いようにする役目を果たす。さらに支持および/または
保護するために、シート108および108と外形およ
び厚さが類似したシート109および109をシート1
08および108の外側で溝の両側に設けてもよい。
に矩形でありかつその周囲の外形が第1のフレーム11
0に一致しかつその大きさが第1のフレーム110を含
む第2のフレーム120を含む。第2のフレームは、第
1のフレームを底部シートに固定するために使用される
方法と同様の付着方法でエンベロープの頂部シート10
2の上に固定される。第2のフレームの目的は、開示さ
れた金属シートのスタック40の拡散接合を達成するた
めに企図された装置とともに以下に説明される。図4に
示されるように、フレーム120の頂部表面は、頂部シ
ート102の頂部表面に関して、頂部シート102の最
も上の表面の上に延在するほど十分に高い高さに配置さ
れる。
企図された態様で高温ガス拡散接合を行なうために使用
することができる装置が示されている。より特定的に
は、装置は上方のプレス部材210および下方のプレス
部材220を含む。プラテン部材212は上方のプレス
部材の露出面に装着され、上方の工具214は上方のプ
ラテン部材の露出面に装着される。同様に、下方のプラ
テン部材222は下方のプレス部材220の露出面に装
着され、下方の工具224は下方のプラテン部材の露出
面に装着される。上方および下方のプラテンはセラミッ
ク材料から製造される。好ましくは、上方および下方の
工具は優れた熱伝達の特徴を有する金属から作られる。
水平に延在するガス供給通路230は第2の垂直に延在
するガス供給通路232に接続され、これは上方の工具
の中央の位置から上方の工具の露出面の中央の位置に延
在する。圧力ライン235は、以下により詳細に説明す
る目的のために、ガス供給通路230を高圧力の接合ガ
スソース(図示せず)およびガス供給通路230へのガ
スの流れを起こしかつ止めるための適切なバルブ手段に
接続する。
センブリの下方の工具上の適切な位置に配置されると、
上方および下方の工具は相対的に移動しそのため2つの
工具の間の間隔は減少する。上方の工具が下方の工具に
向かって下に移動すると、上方の工具の露出面は第2の
フレーム120の頂部表面と係合する。上方の工具は十
分な下方向の圧力で動かされフレーム120の頂部表面
と係合し、エンベロープの頂部シート102の上面とフ
レーム120の内側と上方の工具の露出した下面との間
の封止された容積「V」を作り出す。これらの操作を通
して、外部に接続されるポンプを介してエンベロープ内
で真空が維持される。
れた環境が作り出されかつエンベロープはプレスアセン
ブリに固定され続ける。エンベロープが約927℃(1
700°F)ないし1038℃(1900°F)の範囲
内の温度に加熱されると、ガスはライン235を介して
容積「V」に送られ容積「V」内に非常に大きな圧力を
作り出す。この圧力によってエンベロープの頂部シート
はエンベロープの底部シートに向かって下方向に駆動さ
れる。この態様で、スタック40の金属シートの互いに
面する表面は拡散接合を行なうのに十分な大きさの力で
押付けられる。
は、エンベロープの頂部シートが容積「V」に送られて
いるガスによってスタックに対して下方向に駆動される
ときスタック40の金属シートの縁部がエンベロープの
頂部シートによって押し潰されないようにする。
を達成するための十分な継続時間の)予め定められた時
間維持した後、ガスの圧力は解放され、かつプレスアセ
ンブリのまわりの環境の温度は下げられ、かつプレスア
センブリは開放されかつエンベロープはエンベロープを
実際に除去することができる温度に冷される。
的、目標および利点を十分に満たすシートのような加工
物のスタックを拡散接合する方法を実行するためのエン
ベロープが提供されたことは明らかである。この発明は
特定の実施例に関して説明されたが、上述の説明を考慮
すれば種々の変更、修正および変形が当業者に明らかで
あるはずである。したがって、この発明は前掲の特許請
求の範囲の意図および範囲内のそのような変更、修正お
よび変形をすべて含むものとする。
散接合するために処理される3つの金属シートからなる
アセンブリの分解図である。
関するエンベロープの製造方法を示す、エンベロープの
一部破断斜視図である。
含みガス拡散接合を行なう際に有用な工具を形成する、
図2に示されるエンベロープの内部の様々な構成要素を
示す、一部破断上面図である。
プの前に、密閉されたエンベロープが上方および下方の
プレスアセンブリ工具の間に配置される、この発明によ
って企図されるような拡散接合を行なうのに使用される
工具のアセンブリの側面図である。
Claims (3)
- 【請求項1】 スタックの状態に構成されたチタンアル
ミ合金材料のシートの予め選択された領域の拡散接合を
防ぐと同時にシートのスタックの残りの領域を拡散接合
するための方法であって、前記方法は、 上方および下方の金属シートの間にチタンアルミ合金材
料の前記スタックを配置して前記スタックを含むエンベ
ロープを規定するステップと、 前記エンベロープ内でシートの前記スタックの外側に保
護的なフレーム部材を配置するステップとを含み、前記
フレーム部材の高さは前記スタックの高さよりも高く、
さらに、 前記フレーム部材の外側で前記エンベロープの前記上方
および下方のシートを互いに密閉するステップと、 前記エンベロープ内に汚染のない環境を与えるステップ
と、 拡散接合を行なうステップとを含み、封止された金属のエンベロープ内に前記スタックを配置
する前記ステップは、前記エンベロープの内部と外界と
を通じさせるための手段を設けるステップを含み、 前記エンベロープ内に汚染のない環境を与える前記ステ
ップは、真空にする装置を前記通じさせるための手段に
接続して前記エンベロープ内を真空にするステップを含
む 、方法。 - 【請求項2】 ガス圧力拡散接合プロセスの間反応性金
属の加工物に対して汚染のない環境を与えるための装置
であって、前記装置は、 周辺の縁部の領域が互いに面する頂部および底部シート
と、前記底部シートに関連し前記周辺の縁部の領域の内
部に配置されるエンベロープ部分を外界と通じるように
させるためのチャネル手段とを含む金属エンベロープ
と、 前記頂部シートと底部シートとの間に配置されかつ前記
加工物を囲むフレーム手段と、 前記チャネル手段に通じ前記ガス圧力拡散接合プロセス
の前およびその間前記 周辺の縁部の領域の内部に配置さ
れる前記エンベロープ部分を真空にするための手段を含
み、 前記頂部および底部シートならびに前記フレーム手段は
加工物が収納される内部の容積を規定し、 前記フレーム手段の高さは前記加工物よりも高く、その
ため前記加工物の縁の部分はガス圧力拡散接合プロセス
の間押し潰されないようにされる、装置。 - 【請求項3】 前記エンベロープの前記頂部シートの上
に配置される第2のフレーム部材をさらに含み、前記第
2のフレーム部材の周辺は前記フレーム手段を含み、か
つその高さは前記エンベロープの頂部シートの最も高い
部分の高さよりも高く、そのため前記ガス圧力拡散接合
プロセスが実行されるとき、前記頂部シートはプレス装
置と接触せず、 そのため、前記ガス圧力拡散接合プロセスを実行する際
に、前記第2のフレーム部材はプレス装置と協働して、
その中でガス圧力拡散接合の大きさの圧力が発生される
ガス圧力拡散接合チャンバを作り出す、請求項2に記載
の装置。
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JPH07112283A JPH07112283A (ja) | 1995-05-02 |
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Family
ID=27235210
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP25183693A Expired - Lifetime JP3399596B2 (ja) | 1991-07-01 | 1993-10-07 | 拡散接合のための方法および装置 |
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