JP3808705B2 - 軽量かつ剛性で薄い金属部品を得る方法 - Google Patents

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は、弾性率の高いファイバーにより補強され、拡散接合により組み立てられるサンドイッチ構造の金属部品を得る方法に関する。
【０００２】
（従来技術）
航空機製造技術の分野では、強度／質量比が高い金属合金、すなわち主としてアルミニウム、マグネシウム及びチタンの合金からなる薄くて軽い部品を使用する。タービンエンジンの場合、これは一般に、カバー、カバーアーム及び翼である。しかしながら、このような合金はヤング率が低いという欠点を有し、従って、これらの合金で製造される部品はリブを付けて補強し、十分な剛性を有するようにしなければならない。だが、このようにリブが存在すると、部品の質量が増加するという欠点がある。しかも、これらのリブは複雑な形状を取るので、その製造は非常にコスト高になることがある。
【０００３】
また今日、航空機製造技術では、金属母材に埋め込んだ補強ファイバーからなる複合材料もまた使用されており、ファイバーは、炭化ケイ素ＳｉＣ、ホウ素又は炭素から構成され、母材は、アルミニウム、マグネシウム及びチタン合金から構成される。このような材料の機械特性は、同じ母材の合金をそれだけで使用した場合よりも著しく改善される。たとえば、チタン合金Ｔａ６Ｖからなる母材に、炭化ケイ素ＳｉＣファイバーを埋め込んで構成した複合材料と、チタン合金Ｔａ６Ｖだけを使用した合金とを比較すると、機械的強度は１２０％、ヤング率は１００％増加し、一方で密度が１５％減少することが確認されている。
【０００４】
金属母材の複合材料は主に、補強ファイバー及び金属合金からなるプリフォームを金属合金の超塑性成形加工温度で強く圧縮することにより得られ、ファイバーは、織るか、又は巻きつけ可能である。金属合金は、「物理蒸着」又は「ＣＶＤ」と呼ばれる方法によりファイバーの周囲に付着したコーティングとしてファイバー間に配置されるストリップの形状を取ることができ、金属合金はまた、織るか、又は巻きつけられるファイバーに、プラズマジェットにより付着させることができる。熱間圧縮は、部品の形状によりそれが可能である場合、すなわち形状が主として平面である場合、プレスの型で実施できる。反対の場合、圧縮はまた、オートクレーブでも実施可能であり、部品はコンテナに囲まれ、すなわち内部を真空にした気密な金属外装で囲まれ、部品はまた、一定の形状で支持可能である。このような方法により、同一の金属合金部品に対して機械特性を改善した薄い複合部品を構成することができる。しかしながら、厚み全体が大型の部品を製造する場合にこれらの方法を使用すると、既知の材料強度の原理に従って、部品表面のファイバーが、この部品の剛性に関与するだけであるのに、多量のファイバーを使用しなければならない。かくして、こうした強度の高いファイバーの購入及び使用はきわめて高価であり、このような部品の原価は、手が出ないほど高くなる。
【０００５】
また、一部がファイバー＋金属合金の複合材料からなり、一部が金属合金だけからなる混合部品が製造されている。このような部品を製造するには、第２の部分のブランクを加工し、前記の一般的な方法に従って第１及び第２の部分全体を圧縮し、こうした熱間圧縮によって、各部分の合金を他方の部分で相互溶融することにより双方の部分を接合する。
【０００６】
一般に、金属合金からなる母材に埋め込んだ高弾性率の補強ファイバーを含む複合材料部品を構成し、熱間圧縮することは難しい工程である。何故なら、これらのファイバーは、弾性率が高いために、支持するときに曲率が大きくなって破損してしまうからである。高密化及び拡散接合に必要な圧力は非常に大きいので、通常は、ファイバーを破壊しないようにするために以下の条件を遵守する。
【０００７】
・ファイバーは、層状で平行に隣接するように規則正しく配置する。
【０００８】
・高密化の際に、ファイーバーの周囲の母材の流れをきわめて均質にすることにより、圧力作用下で、前記ファイバーを破損するおそれのある局部的な移動を引き起こさないようにする。
【０００９】
たとえば、炭化ケイ素ＳｉＣからなる補強ファイバーと、チタン合金Ｔａ６Ｖからなる母材とから構成される複合材料を圧縮及び拡散接合するには、圧力６００〜８００バール、温度約９００゜Ｃが必要である。
【００１０】
（発明の開示）
本発明は、剛性で薄い金属製の部品を得る方法を提案するものであり、前記方法は、特に、
・薄い金属合金の心材を作る工程と、
・弾性率が前記金属合金の弾性率の少なくとも４倍に等しい補強ファイバーを金属合金に埋め込んだ複合材料から表皮を構成し、この表皮を前記心材の両面に当てがう工程と、
・ファイバーを囲む金属合金の超塑性温度で少なくとも厚みの方向に圧縮することにより表皮を高密化する工程と、
・表皮及び心材の合金の拡散温度で少なくとも厚み方向に圧縮することにより心材に前記表皮を拡散接合する工程とを含む。
【００１１】
このような方法は、
・Ｖ_ａが空洞のない心材の体積であり、Ｖが空洞を形成後の心材の残りの母材の体積であるとき、心材の体積率Ｖ／Ｖ_ａをできるだけ小さく、たとえば０．９になるように、たとえば穿孔、放電加工又は打抜きにより前記心材の少なくとも片面に通じる複数の空洞を心材に設け、前記空洞を部品に規則正しく配分し、
・心材に当てがう前に心材の形状に表皮を高密化することを特徴とする。
【００１２】
これは、少なくとも片側が表皮により閉じられた空洞を部品に構成する作用があり、前記空洞内部への前記表皮のクリープを無視することができ、また厚みを増さずに部品を軽量化かつ剛性化する結果が得られる。
【００１３】
補強ファイバーの曲率は、各空洞の上と各空洞の近傍でほぼ一定に維持されるので、ファイバーが破損しないようにすることができ、あるいは破損されたとしてもごく一部に留まり、これらのファイバーを最も適切な位置に残して、部品の強度及び剛性を確保できる。
【００１４】
かくして、予想されるような構成とは違って、上記の条件で、空洞内に著しいクリープを形成することなく、表面が開いた多数の空洞をそれ自体が含む心材で、金属合金の母材に埋め込まれた高弾性率の補強ファイバーからなる複合表皮を圧縮可能であり、表皮を予め高密化することにより、前記表皮に対して、空洞内のクリープを無視できる値に制限するのに十分な剛性が付与される。
【００１５】
有利には、金属合金は、軽量の金属合金と高強度かつ高弾性率の補強ファイバーとを組み合わせるために、チタン、アルミニウム及びマグネシウムを含むグループから選択し、補強ファイバーは、炭化ケイ素、ホウ素及び炭素を含むグループから選択する。
【００１６】
本発明の第１の実施形態では、拡散接合は、たとえば加熱型又はプレス炉を用いたプレスにより型で実施される。このような構成により、使用する圧縮方法と相容れる十分な値に空洞間の材料の平均的な厚みを維持する効果があり、その結果、母材での圧縮中に心材がつぶれないようにすることができる。
【００１７】
本発明の好適な実施形態において、表皮は、オートクレーブでの静水圧により心材に接合される。空洞の幅は、このタイプの圧縮と相容れる値に制限しなければならない。そこで、型で形成することが不能な部品、たとえばタービンエンジンのカバーに本発明による方法を適用することができる。流体、この場合にはオートクレーブのガスを介して部品に付与される圧力により、空洞内の表皮のクリープが助長されることが分かる。しかしながら、こうしたクリープは、空洞の寸法が、複合表皮の特性に依存する一定限度未満に留まる場合、無視できるものとみなせるので、こうした状況で、航空機製造又は航空宇宙産業の品質にかなう部品を製造可能である。
【００１８】
有利には、心材の質量を低減するとともに、強度及び剛性が同じ部品を軽量化するために、心材の体積率を最小化する。
【００２０】
有利には、心材において、適切なラインに沿って空洞を加工することができる。これは、表皮間に管路を構成する効果があり、部品の厚み内で流体を循環可能にする結果が得られる。これは特に、カバー及びカバーアームのようなタービンエンジンの構造部品に特に有効である。かくして、特に動作遊び（隙間）の制御のために、潤滑剤、燃料、あるいは様々な温度のガスを供給することができる。
【００２１】
有利には、これらの空洞は、それぞれが心材の片側だけに通じており、部品を製造する間、前記心材の一体性を維持する。
【００２２】
有利には、部品は、羽根及び脚部を一端に含むタービンエンジンの翼であり、心材が、羽根及び脚部に延び、羽根の心材に、心材の体積率Ｖ／Ｖ_ａを小さくする空洞を構成し、場合によっては心材の体積率Ｖ／Ｖ_ａを大きくした空洞を脚部に構成することにより、非常に軽量ではあるものの、脚部における大きなはめ込み力に耐えられる翼を構成することができる。有利には、翼は、型で形成されるので、心材の体積率を小さくすることができ、質量の節減が大きくなる。
【００２３】
本発明は、詳細な実施例及び添付図を参照することにより、いっそう理解され、その長所が明らかになるであろう。
【００２４】
（発明を実施するための最良の形態）
最初に図１を参照する。部品１は薄く、心材２を含む。心材２は、同じく薄く、２個の面３により厚み方向に区切られている。心材２は、複数の空洞４を含み、各空洞４は、心材２の少なくとも１つの面３に通じている。この例では、各空洞４が、心材２の２つの面３に通じている。心材２の各面３に拡散により表皮（表層）１０が接合される。表皮１０の内面１１により拡散接合が実施される。この拡散接合は、相互に接触する心材２及び表皮１０の各面３、１１の位置で心材２及び表皮１０の材料の拡散による相互浸透からなる。空洞４は、表皮１０によって閉じられる。実際には、これらの空洞４は円柱形である。図２の実施例では、空洞４は断面が円形であり、ほぼ平行なライン１５に沿って五の目型に配置されている。空洞４と各隣接空洞との間の距離は、少なくとも局部的に、すなわち一定の有限ゾーンでは、ほぼ一定である。図３の実施例では、空洞４は三角形であり、ほぼ平行なライン１５に沿って互い違いに配置されている。ライン１５の三角形の頂部は、隣接する２本のライン１５の三角形の頂部に対して逆転しており、１つの三角形と、隣接する全ての三角形との頂部及び／又は辺の間の距離は、ほぼ一定である。しかも、三角形の頂部は丸みを帯びており、心材２の材料内で発生しうる応力の集中を低減するようにしている。
【００２５】
この例では、心材２は、チタンＴａ６Ｖを主成分とする金属合金であり、表皮は、同様にチタンＴａ６Ｖを主成分とする金属合金の母材に炭化ケイ素ＳｉＣからなる補強ファイバーを埋め込んで構成される複合材料からなる。
【００２６】
方法は、以下の通りである。
【００２７】
たとえば圧延、鍛造、機械加工により、部品１の形状に心材２を製造する。空洞４は鋳造所で直接形成するか、又は穿孔、打抜き、放電加工等により形成する。空洞４は、部品１に規則正しく配分される、及び／又は、集中荷重を与える点又はボスなどがあるとき局部的に心材２を補強するために中断される。心材２の面３を機械加工して研磨又は酸洗いする。
【００２８】
金属母材の複合材料からなる表皮１０は、通常の技術、すなわちファイバー＋ストリップ、補強した単層、プラズマによって得られる予備含浸、ＰＶＤ（物理蒸着）によってコーティングされるファイバーの巻きつけ、あるいは他の同等の方法の１つから材料を高密化（圧縮）可能な温度及び圧力条件で、熱間プレス工程（必要があれば型における熱間静水圧又はプレスによる一方向プレス）によって形成する。表皮１０の内面１１を機械加工し、研磨又は酸洗いする。これらの表皮１０は、所望の剛性及び強度を得るために必要な数のファイバー層を含む。
【００２９】
心材２における表皮１０の拡散接合による組立を行うために、
・必要な場合には心材２の面３を機械加工し、
・心材２の面３及び表皮１０の内面１１を洗浄し、化学的に磨く又は酸洗いしてからゆすいで、拡散による接合を準備し、
・心材２に表皮１０を組み立て、プレス設備すなわちオートクレーブで熱間静水圧可能なコンテナに全体を配置し、心材２と表皮１０の母材とを構成する合金に適合する圧力及び温度サイクルを遵守することにより圧縮して、心材２に対する表皮１０の拡散接合を実施する。
【００３０】
次に、図１及び図４を同時に参照する。
【００３１】
まずｅ_ｏが部品１の厚み、ｅ_ａが心材２の厚み、ｅ_ｐが各表皮１０の厚さとして、ｅ_ｏ＝２ｅ_ｐ＋ｅ_ａという関係が示される。またＫが、この方法で得られる部品の剛性、Ｋ_ｏがモノリシック、すなわち全体が金属で空洞４を備えない同じ部品１の剛性、Ｍが、この方法で得られる部品の質量、Ｍ_ｏがモノリシック部品の質量を示すものとする。さらに、Ｖ_ａが心材２の全体体積、Ｖが空洞４を形成後に残る心材２の材料体積、Ｖ／Ｖ_ａが、心材の体積率を示すものとする。
【００３２】
グラフの横座標は、表皮１０の厚み率、すなわち２・ｅ_ｐ／ｅ_ｏを示し、厚み率は、明らかに０と１の間でしか変わらない。
【００３３】
曲線２０、２１はそれぞれ、心材の体積率Ｖ／Ｖ_ａ＝１、すなわち空洞４がない場合に対する表皮の厚み率２・ｅ_ｐ／ｅ_ｏに応じたＫ／Ｋ_ｏとＭ／Ｍ_ｏの比の変化を示している。曲線２２、２３は、心材の体積率Ｖ／Ｖ_ａ＝０．７５に対するこの同じ比を示し、曲線２４、２５は、心材の体積率Ｖ／Ｖ_ａ＝０．５０に対する同じ比を示す。
【００３４】
曲線２０は、部品がその厚み全体について繊維からなる場合、すなわち表皮の厚み率２・ｅ_ｐ／ｅ_ｏが１に等しいとき、剛性比Ｋ／Ｋ_ｏが最大値２に達することを示している。表皮の厚み率２・ｅ_ｐ／ｅ_ｏが０．２５になるとき、剛性比Ｋ／Ｋ_ｏが１．８５に維持され、曲線２１によって与えられる対応質量比Ｍ／Ｍ_ｏが０．９４に落ちることは興味深い。換言すれば、各表皮１０は、部品１の厚みの１２．５％を占有するだけなのに対し、部品の剛性は８５％増加し、その質量は６％減少している。
【００３５】
また、曲線２４、２５により、心材２が５０％軽量化されるとき、また各表皮が、部品の厚みの１２．５％を占めるとき、部品の剛性が８０％増加し、質量が３３％減少することが確認される。これは、それぞれＫ／Ｋ_ｏ＝１．８０、Ｍ／Ｍ_ｏ＝０．６７、Ｖ／Ｖ_ａ＝０．５、２・ｅ_ｐ／ｅ_ｏ＝０．２５の値に対応する。心材の体積率Ｖ／Ｖ_ａ＝０．７５に対応する曲線２２、２３からは、明らかに中間の結果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 カバーの壁の断面図である。
【図２】 心材において加工される空洞の考えられる形状を示す図である。
【図３】 心材において加工される空洞の考えられる他の形状を示す図である。
【図４】 炭化ケイ素ＳｉＣのファイバーと、チタンを主成分とする金属合金Ｔａ６Ｖとの場合に得られる結果を示すグラフである。

Claims (8)

1. 軽量かつ剛性で薄い金属製の部品（１）を得る方法であって、
   薄い金属合金の心材（２）を作る工程と、
   弾性率が金属合金の弾性率の少なくとも４倍に等しく、母材を形成する金属合金の母材に埋め込まれる補強ファイバーから構成される表皮（１０）を、前記心材（２）の両面（３）に当てがう工程と、
   母材の金属合金の超塑性温度で少なくとも厚みの方向への圧縮により表皮（１０）を高密化すると共に、心材（２）と表皮（１０）の母材との金属合金の等温鍛造温度で部品（１）の厚み方向に圧縮することにより、前記心材（２）に前記表皮（１０）を拡散接合する工程とを備えており、
   心材（２）の少なくとも一方の面（３）に通じる複数の空洞（４）が心材（２）に設けられ、
   表皮（１０）は、局部的にほぼ一定の曲率をもつ表皮（１０）によって少なくとも一方の側が閉じられた空洞（４）を部品（１）に構成するために、前記心材（２）に当てがわれる前に心材（２）の形状に高密化されることを特徴とする方法。
2. 軽量の金属合金と高強度かつ高弾性率の補強ファイバーとを組み合わせるために、チタン、マグネシウム及びアルミニウムを夫々主成分とする合金のグループから選択した金属合金を用いると共に、炭化ケイ素、ホウ素及び炭素を含むグループから選択した補強ファイバーを用いることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 拡散接合が、プレスによる圧縮により型で実施されることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 拡散接合は、オートクレーブでの静水圧により実施されることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
5. 前記部品（１）が、タービンエンジンの翼であり、前記翼は、薄い羽根と羽根を保持する脚部とを含み、羽根及び脚部に延びる心材（２）が形成されると共に、羽根の心材（２）に、心材の体積率Ｖ／Ｖ_ａを小さくする空洞（４）が形成されることを特徴とする請求項１から４に記載の方法。
6. 翼は、型で作られることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 表皮（１０）間に管路を構成するために、適切なラインに沿って空洞（４）を心材（２）に設けることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. 空洞（４）は、それぞれが心材（２）の一方の側だけに通じており、部品（１）を製造する間、前記心材（２）の一体性を維持することを特徴とする請求項７に記載の方法。

Images