JP3782505B2

JP3782505B2 - 超塑性加工方法

Info

Publication number: JP3782505B2
Application number: JP10133496A
Authority: JP
Inventors: クリフォード・シー・バンプトン
Original assignee: Rockwell International Corp
Current assignee: Boeing North American Inc
Priority date: 1995-04-28
Filing date: 1996-04-23
Publication date: 2006-06-07
Anticipated expiration: 2016-04-23
Also published as: DE69516118T2; EP0739661B1; EP0739661A1; DE69516118D1; US5620537A; JPH08300034A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属合金を超塑性成形するための超塑性加工方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高い強度の金属合金から製造される構造物は、一般に単体のシートや板や鍛造部材から組み上げられ機械的に固定された組立部品を含んでいる。このようにして組立部品を組立てできた構造物は、しかしながら、構造物の重量の軽減や製造コストの削減に対して厳しい限界がある。
【０００３】
高い強度を有する金属組立部品のコストを低減する主な方法は、一体構造法を用いて製造することのできる構造を設計することである。そのような一体構造の方法の１つに、よく知られた押出し加工方法がある。
【０００４】
従来の技術として、たとえば、均一溝型アングル材押出し加工（以下「ＥＣＡＥ（Equal Channel Angular Extrusion の略）」と記す）、粉末冶金学、多段ステップ、多軸恒温、制御された歪み速度鍛造は、金属合金において均一で、等軸で、超微細結晶粒の顕微鏡構造を形成することができる。ＥＣＡＥプロセスは、厚い断面ビレットにおいて、超微細結晶粒を形成することができるが、たとえば、１インチの厚さのプレートについて Segalらによって“The Application of Equal Channel Angular Extrusion to Produce Extraordinary Properties in Atvanced Metallic Materials,”First Int. Conf. on Proc. Mat. for Prop., Henein他編集., pp.971-74, Honolulu, HI, （1993）．に記述されている。ＥＣＡＥプロセスにおいては、図２に示すように、ビレット２２は均一断面を有する垂直溝型を通って押出される。ＥＣＡＥプロセスにおいては点線２４で示すように、ビレットを横切って均一な剪断応力歪みが発生する。低い圧力の下でＥＣＡＥによる型において、ビレット２２が通る複数の孔のパスによってはビレット２２の外径寸法が変わることはなく、高い累積的な変形をバルクに形成することができる。このような高い累積歪みを与えることができるというＥＣＡＥの能力は、厚い断面ビレットを一貫して均一で等軸で超微細結晶粒を含む顕微鏡構造を例外的に制御することができる。他のよく知られた方法、たとえば、U. S. Pat. No. 4,721,537に記載されている「Method of Producing a Fine Grain Aluminum Alloy using Three Axes Deformation」には、ビレットの大きさを大きくすることが困難なことが明らかにされている。一般にそのような方法は、特別に作られた薄いシートや急速凝固粉末法によってのみしか顕微鏡構造を制御することができない。
【０００５】
一般に、押出し加工は金属合金の部分的な複雑さ、最小の加工の厚さ、加工する大きさおよび局部的な顕微鏡構造の制御には限界があるため、大型で高い強度を持つ金属合金部材に対しては有用ではない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
高い強度を有する金属合金部材において重量を減らしたりコストを低減したりする可能性のために特に航空機産業において、高い強度を有する金属合金の一体構造のプロセスに改良が望まれている。しかし、上述したように、大型で高い強度を有する金属合金部材に対する押出し加工法では、形状、厚さおよび大きさに限界があったり、合金の局部的な顕微鏡構造の制御には限界があった。本発明の主な目的は、高い強度を有する金属合金部材を一体的に成形することである。本発明の特徴は、金属がある作用応力下で、破断に至るまでに数百％以上の巨大伸びを生ずる現象を利用した超塑性押出し加工のプロセスにある。本発明の効果は、均一、等方的な機械的性質および耐腐食性質を有しつつ、大型で一体的に成形され複雑な形状を有し、重量が軽く低コストで耐久性があり矯正可能な高い強度を有する金属合金を成形することができることである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は超塑性押出し加工方法を含み、たとえば航空機産業において用いられるような大型で複雑な形を有し、高い強度の金属合金部材を製造するのに有用なものである。超塑性押出し加工は、そのプロセスにおいて、超塑性を示す範囲に金属合金を維持するように注意深く制御された歪み速度と温度とを除けば、従来の押出し加工プロセスとよく似ている。典型的な粗い粒径や再結晶化されていない金属合金を用いることは、超塑性押出し加工は実用的ではない。しかしながら、超塑性押出し加工に要求される歪み速度と温度は、たとえば粒径がサブミクロンを含む１０ミクロン以下の微細結晶粒を有する金属合金を含むように維持することができる。そのような合金系は、アルミニウム合金、チタニウム合金、ニッケル、コバルトおよび鉄をベースとした超合金、ステンレス鋼、炭素鋼、銅合金、マグネシウム合金、および他の超塑性を形成することができる合金を含んでいる。
【０００８】
たとえば、幅広く用いられているＡＡ７４７５（Aluminum Association Designation）アルミニウム合金、あるいは、ごく最近開発されたＡＡ２０９０アルミニウム合金のような高い強度を持ち熱処理を行なうことができる金属合金が、まず初めに製造され、均一で等軸で微細結晶粒を持つようになった。これは、たとえばＥＣＡＥとしてよく知られた従来の技術によって、１インチの厚さの断面部材を有する合金でも達成できるであろう。微細結晶粒を有する合金ビレットは、超塑性押出し加工（ＳＰＥ（super plastic extrusion の略））に適している。
【０００９】
微細結晶粒ビレットの超塑性押出し加工の間に、温度と歪み速度は、メタルフローに必要な応力が従来の押出し加工において要求される応力よりもかなり低くなるように制御される。低い変形ストレスにより、もっと弱い押出し加工型を用いることができる。このことは、与えられた圧力ローディング容量により押出し加工された部材において、より薄い部分や大型の一体型の押出しパネルを製造することができることを示している。このようにして、超塑性押出し加工プロセスは、たとえば中空の閉鎖型箱型パネル、あるいは、一体型のＴ型補強された航空機用の薄板を生産するのに有用である。
【００１０】
超塑性押出し加工の後、一体型の剛性を有するパネルは、溶体化処理され引張り矯正加工される。引張り矯正加工は、パネルが押出し加工型を通過しているときや、溶体化処理に伴う水によって急冷されている間に生ずる変形を取除くことができる。このことは、またいくらかの変形エネルギを与え、Ｔ６焼戻しよりもより高い強度のＴ８焼戻しを行なうことができる。そして、たとえばＡＡ２０９０アルミニウム合金に高い強度をもたらす。押出されたパネルは、押出し方向に横切る方向の曲率を有するとともに、この曲率の方向と直交する方向に曲率が生じるのを防ぐ一体的剛性の特徴を本来備えているが、パネルは、加圧器においてクリープ時効成形され複雑な曲率を形成することができる。微細結晶粒は室温において並外れた高い強度を与えるが、緩やかに昇温された場合にのみ顕著な結晶粒界の滑りが発生する。これは、結果的に実際の温度と加えられた変形応力に依存する高いクリープ速度あるいは超塑性をもたらす。このようにして、２００〜３００ｐｓｉの圧力と２５０〜３００°Ｆの温度範囲の温度を与えることができる加圧器において、押出し加工されたパネルへのシンプルバキュームシーリング法は、熱処理による時効により合金をＴ８焼戻しし、クリープ成形によりパネル全体にわたって複雑な曲率を形成することができる。
【００１１】
このようにして得られた大型で複雑な曲率を有し、薄い断面と一体的な剛性と高い強度を有する金属合金パネルは、微細結晶粒を保持している。このことは、従来の結晶粒を有する金属合金と比較すると、強度、粘性、靭性、耐腐食性に非常に優れていることを示す。溶体化処理の間に顕著な結晶成長がたとえ起こっても、十分に再結晶化された結晶粒構造の均一性と等軸性の性質は、従来のように押出し加工された高い強度を有する合金においては見られないような均一で等方的な機械的性質を保証している。
【００１２】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の超塑性押出し加工方法について説明する。この方法は他の優れた金属成形方法と一緒に相乗的に組合わされて、高い強度を有する金属合金の一体的に成形され複雑な形をした一枚岩のような部材を、従来のような組立部品よりも低いコストでしかも軽量に成形することができる。図１は、超塑性押出し加工プロセスと組合せて一体構造の金属部材を製造するのに用いることのできるいくつかの金属成形技術の概要を示したものである。
【００１３】
図１を参照して、第１のステップ１１では金属合金を溶融し精製する。超塑性押出し加工のプロセスに適した合金系は、アルミニウム合金、チタニウム合金、ニッケル、コバルトおよび鉄をベースとした超合金、ステンレス鋼、炭素鋼、銅合金、マグネシウム合金および他の超塑性を形成することができる合金を含んでいる。合金が精製された後、その合金はステップ１２に示すようにインゴッドに鋳造される。
【００１４】
超塑性押出し加工に備えて、ステップ１３において、鋳造されたインゴッドを、たとえば、結晶粒の大きさがサブミクロン以下の大きさを含む約１０ミクロン以下の均一で等軸の微細結晶粒顕微鏡組織を有する押出し加工ビレットに成形することが必要である。
【００１５】
図１において、ステップ１４に示されているように、本発明の超塑性押出し加工（ＳＰＥ）方法は、最初の金属合金ビレットが均一で等軸な微細結晶粒を有している場合にのみ実用的である。このような金属合金ビレットは上述したプロセスにより形成することができる。微細結晶粒は、結晶粒界滑りによる超塑性変形機構を達成するのに必要である。従来の粗く非等軸の再結晶化されていない結晶構造を有する合金は、超塑性機構というよりはむしろ結晶学的な転位によってのみしか効果的に変形することができない。
【００１６】
従来の金属部材押出し加工は、予熱されたビレットと非恒温の型を用いて、最も高い歪み速度において行なわれる。図３に示すように、超塑性押出し加工は、金属合金ビレットの歪み速度と温度とが押出し加工の間において、超塑性の性質を示す範囲内にあるように合金を維持するよう制御されていることを除けば、従来の型による金属の押出し加工方法と類似している。
【００１７】
特定の金属に対して超塑性を示す温度範囲は、上限が顕著な結晶成長を起こす温度と下限が超塑性を示し始める温度との間にある。一般に、微細結晶粒材料においては、超塑性はより低い温度で発生する。結晶粒の大きさが増すにつれ、超塑性に適した温度は上昇し、超塑性成形方法に適した温度範囲は、一般に、もはや超塑性を示さないところまで狭まる。
【００１８】
たとえば、超塑性を示す温度範囲内に維持するように温度制御された恒温の型３２を用いて、微細結晶粒ＳＰＥプロセスが行なわれている間に粒界滑りによる金属合金塑性流動応力は、従来の押出し加工の間に生じる転位による変形によって発生する応力より１桁低い。超塑性押出し加工の間に生じる低い流動応力によれば、用いられる押出し加工型３２はもっと弱いものでもよく、押出し加工３４に示すように交互に薄い断面を有した部分や、与えられた圧力荷重容量に対してより大きなオーバオールパネルを成形することができる。ＳＰＥプロセスは大型で、そして非常に薄い断面のパネルを製造するのに用いることができる。たとえば、特定の押出し型の最も速い歪み箇所において、超塑性の性質を示すように歪み速度を維持することによって、Ｔ型補強パネル３４や閉鎖型箱型パネル３６を形成することができる。Ｔ型補強された押出し加工パネル３４や閉鎖型箱型の押出し加工されたパネル３６の断面は、複雑な形状を有する押出し加工された部材の例として、図４および図５にそれぞれ示されている。超塑性押出し加工された部材の最終的な顕微鏡組織は、従来のように押出し加工された製品と比較して、より優れ、そして、より等方的な性質を与える均一で等軸な微細結晶粒構造を有している。
【００１９】
本発明の超塑性押出し加工プロセスにおける大きな効果は、高い強度を有する合金において、たとえば、閉鎖型箱型パネル３６のように中空部材を押出し加工することができることである。中空部材を有する最も簡単な成形は円形管であるが、しかし、もっと多くの複雑な形を連続的に押出し加工することができる。より高い押出し加工圧力が要求される多孔を有する型は、ある圧力下で溶接することのできる合金を用いて使用される。多孔を有する型はその型の上面に開孔部が設けられており、そこから材料が２つまたはそれ以上のセグメントに押し込まれ、そして型の表面の下で、一般に拡散結合によって溶接され、中空部分の部材を成形するために型に力が加えられる。押出し加工された管状の部分は、型の上部より低い側に取付けられた心棒によって成形される。このことは、心棒に固定された支持を与え、押出し加工の間に連続的な孔を形成することができる。材料は、型のさまざまな部分に流れ、最終的な押出し加工の前に適切に溶接成形することができるように剪断歪みを起こさなければならない。
【００２０】
従来の多孔を有する型による押出し加工においては、速い歪み速度と、非恒温の型と、そして大きい結晶粒を有する金属とを用いる場合、たとえば、軟らかいアルミニウム合金のような非常に低い剪断強度を有する合金に対して、限界があった。高い強度を有するアルミニウム、銅および鋼合金のようなより硬い合金系に対しては、一般に、押出し加工の温度において、その高い剪断強度のために多孔を有する型を用いて押出し加工をすることができない。超塑性押出し加工プロセスにおいては、しかしながら、微細結晶粒の材料の剪断強度はおよそ、１０分の１に減少するため、多孔を有する型を通して押出し加工することができる。さらに、微細結晶粒は多孔を有する型による押出し加工プロセスにおいて中空部分に必要な、たとえば、拡散結合のような固体状態による溶接を容易にする。
【００２１】
次に、超塑性押出し加工方法の一例として、アルミニウムリチウム合金であるＡＡ２０９０（Aluminum Association designation）による超塑性押出し加工方法について説明する。ただし、これは、本発明のプロセスにおいて何ら限定するものではない。ＥＣＡＥによって、微細結晶粒にされたＡＡ２０９０合金の一定の真歪み速度引張りテストにより、温度６６０°Ｆと１０^-4ｓｅｃ^-1の真歪み速度において最も高い超塑性の振る舞いを示した。テストの目的として、簡単な押出し加工型を押出し比１５：１の下で成形し、前述の温度と歪み速度において超塑性押出し加工プロセスができることを証明した。押出し加工によるＩ型ビームは、一定の変位速度を維持し、そして一定の温度になるように制御された型の下で圧力を加えて成形された。平均の歪み速度ε_tは次の式で計算される。
【００２２】
ε_t＝６νｌｎＲ／Ｄ_b
ここで、νは変位速度、すなわち押出し加工のラムスピード、Ｒは押出し加工比、そして、Ｄ_bはビレットの直径である。押出し加工比１５：１の下で微細結晶粒を有するＡＡ２０９０合金の超塑性押出し加工は、非常に低い圧力（たとえば押出し加工ビレットの内部において約３００ｐｓｉ）の下で、温度６３５°Ｆ、ラムスピード０．０００１インチ／秒において、良好に行なわれる。超塑性押出し加工によって成形されたＩ型ビームの中央部と底部のウエブは０．０２０インチ（０．５ｍｍ）の厚さで表面の仕上がりは良好であった。標準的なＡＡ２０９０合金を用い、この形を従来のように押出し加工すると１０倍以上の圧力が要求され、押出し加工型が破損するであろう。
【００２３】
上で述べたように、超塑性押出し加工プロセスは、アルミニウム合金、チタニウム合金、ニッケル、コバルトおよび鉄をベースとした超合金、ステンレス鋼、炭素鋼、銅合金、マグネシウム合金および他の超塑性を形成することができる合金を含む合金系に対して適している。例として、これに限られたものではないが、金属合金のさまざまな微細結晶粒に対して、超塑性押出し加工の温度と歪み速度の数値を次の表１に示す。
【００２４】
【表１】

【００２５】
押出し加工の後、たとえば、パネル３４のような一体に剛性化された部材は、図１のステップ１５に示されているように溶体化処理され、そして、ステップ１６に示されているように引張り矯正加工される。
【００２６】
さらに、ステップ１７に示されているように、加圧器において時効とクリープ成形とを同時に行なう。低い応力の下においては、高いクリープ速度は緩やかに上昇する温度の下でのみ達成することができる。なぜなら、超塑性押出し加工された部材の微細結晶粒顕微鏡組織は顕著な結晶粒界滑りを起こすからである。しかしながら、微細結晶粒顕微鏡組織は、室温において非常に高い強度も与える。このような性質のために、押出し加工された部材のシンプルバキュームシーリングは、たとえば、高い強度を有するＡＡ２０９０アルミニウム合金に対して２００〜３００ｐｓｉの圧力と２５０〜３００°Ｆの温度を与えることのできる加圧器において、高い強度を有するＴ８焼戻しのような所望の状態にまで合金を時効することができ、しかも同時に、所望の曲率を有する金属またはセラミックの単純な押型器の表面のような型を用いて、複雑な曲率をクリープ成形することができる。従来の低温形成プロセスと比較すると、スプリングバックと残留応力が無視できるため、クリープ時効成形プロセスにおいては、寸法誤差も少なく再現性も高い。トリミング、溶接および組立といった最終工程が、図１のステップ１８に示すように行なわれる。
【００２７】
以上により、一連の超塑性押出し加工プロセスが終了する。
なお、今回開示された実施の形態は、単なる一例にすぎず、特許請求の範囲に記載された発明の均等の範囲内において、種々の実施の態様を取り得ることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る超塑性押出し加工を用い、一体構造を有する金属部材を成形するステップを示した図である。
【図２】従来の技術に係る微細結晶粒を有する金属ビレットを製造するためのＥＣＡＥによるプロセスを示した図である。
【図３】本発明に係る超塑性押出し加工によって、一体構造を有する金属部材を製造するための恒温の押出し加工型の斜視図である。
【図４】本発明に係る超塑性押出し加工によって製造されたＴ型補強金属パネル部材の断面を示した図である。
【図５】本発明に係る超塑性押出し加工によって製造された密閉箱型金属パネル部材の断面を示した図である。
【符号の説明】
２２ビレット
３２押出し加工型
３４Ｔ型補強パネル

Claims

金属の超塑性押出し加工方法であって、
超塑性を示す温度および歪み速度内において、超塑性成形に適した均一性、等軸性の微細結晶粒顕微鏡組織を有する金属ビレットを供給する工程と、
前記超塑性を示す温度および歪み速度内に前記金属を保持した状態で、押出し加工型を通して前記金属ビレットを押出し加工する工程とを含み、
前記押出し加工型から押出し加工された部材を、クリープ時効成形する工程をさらに含む、超塑性加工方法。
前記ビレットを押出し加工する工程は、前記超塑性を示す温度範囲内に前記ビレットを保持するように、温度制御された押出し加工用型を備えた工程を含む、請求項１に記載の超塑性加工方法。
前記温度制御された押出し加工用型を備えた工程は、恒温的に制御された恒温押出し加工用型を備えた、請求項２に記載の超塑性加工方法。
前記ビレットを押出し加工する工程は、前記ビレットを前記超塑性を示す歪み速度内に維持するように、押出し加工のラム速度の制御を含む、請求項１に記載の超塑性加工方法。
前記押出し加工のラム速度を制御する工程は、前記ビレットの最も速い歪み位置において、前記超塑性を示す歪み速度に維持する工程を含む、請求項４に記載の超塑性加工方法。
前記ビレットを供給する工程は、前記均一性、等軸性の微細結晶粒顕微鏡組織を形成するために、前記ビレットの均一溝型アングル材押出し加工による工程を含む、請求項１に記載の超塑性加工方法。
前記押出し加工の工程は、前記押出し加工型から中空の断面部材を押出す工程を含む、請求項１に記載の超塑性加工方法。
前記ビレットを供給する工程は、アルミニウム合金と、チタニウム合金と、ニッケル、コバルトおよび鉄をベースとした超合金と、ステンレス鋼と、炭素鋼と、銅合金と、マグネシウム合金とからなる超塑性を形成することのできる金属の群から金属を選択する工程を含む、請求項１に記載の超塑性加工方法。