JP5270693B2 - セラミック繊維で補強された金属部品の製造プロセス - Google Patents

Description

本発明は、セラミック繊維で形成された内部補強材を有し、金属マトリクス中のセラミック繊維からなるタイプの複合材料でできたインサートの組み込みを含む、金属部品の製造に関する。

特に引っ張りまたは圧縮の強度を強化しながら、金属部品の重さを減らす目的のため、セラミック繊維を組み込むことが知られている。例えば、これらはチタニウムなどの金属よりも実質的に大きい引っ張り強度および圧縮強度を有する炭化珪素（ＳｉＣ）繊維である。

これらの部品の製造は、金属マトリクスを有するセラミックフィラメントからのインサートの前形成を含み、このインサートは金属で被覆されたセラミック繊維を含む。これらはＣＭＭ繊維または被覆フィラメントとも称される。金属が、これらを扱うのに必要な弾性および可撓性を与える。

このような補強部品を製造する知られているプロセスは、心棒の周りに被覆フィラメントの巻き線を製造するステップを含む。巻き線はその後、ハウジングを形成するスロットが事前に加工されている主要金属本体または容器（ｃｏｎｔａｉｎｅｒ）に導入される。スロットの深さは巻き線の高さより長い。カバーが容器の上に配置され、真空にした後その周辺に溶接される。カバーはスロットの形状を補完する形状のほぞを有し、その高さはスロットを埋めるようにスロット内に配置された巻き線の高さと一致している。次に、熱間等静圧圧縮成形ステップが実行され、その間にカバーは変形し、巻き線はほぞによって圧縮される。

熱間等静圧圧縮成形技術は、数時間の間、ほぼ１０００バール程度の高圧、およびほぼ１０００℃程度の高温にも曝される、エンクロージャの中に部品を配置するステップを含む。

被覆フィラメントの金属シースは拡散によって一緒に溶接されてスロット壁となり、内部にセラミック繊維が延在する金属合金からなる高密度アセンブリを形成する。得られた部品はその後、所望の形状に機械加工される。

プロセスは、ロータディスク、ブリスク（一体型ブレードディスク）、シャフト、アクチュエータ本体、ケーシングなどの、軸対称な航空部品の製造に役立つ。例えば接続棒の形成など、楕円形部品も製造される。

特にスロットの底部の半径が小さいため、本体にスロットを機械加工することは難しい。この小さい半径はインサートを収容するために必要であり、これは長方形の断面を有する。非開放端角部のため、対応するほぞをカバーに機械加工することも容易ではない。特に機械加工する部品が軸対称ではないが長尺であって、楕円形の形状または直線部を有している場合、長尺の長さにわたる精密な調整を成し遂げることは難しい。完璧に一致するハウジングの形成を必要とするセラミック繊維のため、非常に硬質な被覆フィラメントから作られたインサートでは、これはさらに難しい。

インサートを別途製造して本体のスロットに移す代わりに、ＳＮＥＣＭＡ出願の仏国特許第２８８６２９０号明細書は、一実施形態によれば、本体上に巻き線を直接製造することを提案している。スロットの代わりに、２つのショルダが本体に設けられている。第一のショルダは、被覆フィラメントを直接巻くための座面を有している。この面は、巻き方向に平行である。巻き線が完成すると、第一ショルダに対して段を形成する第二のショルダの形状を補完する形状の部品を本体に配置することによって、スロットが再構成される。ほぞを備えるカバーはその後、巻かれたばかりのインサート上に配置され、アセンブリは圧縮工程に入る。アセンブリ工程が複雑なままなので、製造の問題はこの解決法によって部分的にしか解決されていない。

出願人は、製造工程のステップを簡素化し、コストを削減することを目指し、このような部品を製造するためのプロセスを改良する目的を設定した。

本発明によれば、セラミック繊維で補強された金属部品を製造するためのプロセスであって：
インサート用ハウジングが上面を有する金属本体に形成され、
金属マトリクスを有する繊維から形成された少なくとも１つのインサートがハウジング内に配置され、
インサートを覆うように金属カバーが本体上に配置され、
真空下で配置された後にカバーが金属本体に溶接され、
アセンブリが熱間等静圧圧縮成形処理を施され、
処理済みアセンブリが所望の形状に機械加工され、
このプロセスは、ハウジングが２つの互いに垂直な面を有するＬ字型断面の切り込みの形状を有し、カバーがＬ字型断面および前記インサートを備える金属本体の切り込みの形状を補完する形状の内部切り込みを有し、圧縮力が切り込みの前記面に対して垂直にかかるようにカバーが外側に形成されていることを特徴とする。

好ましくは、金属本体の切り込みは、前記上面に対して垂直な面と、前記上面と平行な面とを含む。

このように、組み立てられる部品の形状を変更することによって、従来技術と比較して、本体の場合でもカバーの場合でも、インサート用ハウジングを機械加工するために使用される工具のアクセスが良く、それによってこれらの工程をより単純に、従ってより安価に、実行する。部品数が２つに減少し、それによって以前の解決法と比較して、組み立て工程を簡素化する。また、この形状によって圧縮力を２つの非平行な方向に印加することが可能になり、より効果的な圧縮に貢献している。なお、環状インサートの場合には、インサートの変形がその軸に対して平行になることは、留意すべきである。

この解決法は、異なる実施形態を可能にする。第一の実施形態によれば、インサートは被覆フィラメントを巻き付けることによって事前に形成され、それが切り込み内に配置される。別の実施形態によれば、インサートは切り込み内で直接被覆フィラメントを巻き付けることによって形成され、これは巻き付け心棒を形成する。

この解決法は、異なる部品を製造することも可能にする。インサートは環状の形状を有していてもよい。このように、補強すべき部品の形状に応じて、軸対称リングを形成してもよく、または長尺形状の部品として少なくとも１つの直線部を有してもよい。長尺形状の部品では、インサートは環状である必要はなく、１つ以上の直線要素から形成されてもよい。

より正確には、巻き線の断面は四角く、巻き線の第一面は切り込みの１つの面に対向し、巻き線の第二面は切り込みの別の面に対向する。

有利には、本体上のカバーの変形を中心に置いて案内するために、カバーは切り込みの１つの面と共に作用する心出し面を有し、特に本体の切り込みのこの面はこの上面に対して垂直である。

本発明は、以下の添付図面を参照して、より詳細に説明される。

先行技術による、インサートを備える部品の図である。 ２つのショルダを備える、仏国特許第２８８６２９０号明細書で開示されている先行技術の解決法を示す。 本体およびカバーの両方に切り込みがある、本発明の解決法を示す。 熱間等静圧圧縮成形工程におけるカバーおよびインサートの変形のシミュレーションを示す。 熱間等静圧圧縮成形工程におけるカバーおよびインサートの変形のシミュレーションを示す。 軸対称な部品の製造への本発明の適用を示す。 長尺形状の部品の製造への本発明の適用を示す。 機械加工の後に、本発明によって製造された完成品の一例を示す。

図１は、従来技術の１つの操作方法を示す。主要金属本体Ｐは、四角い断面のスロットＲを含む。１束の被覆フィラメントからなり、一時的に保持されて結束されている、インサートＩは、このスロット内に配置されている。カバーＣを形成する第二の部品は、本体Ｐ上に配置され、この第二部品はスロットＲに適合する形状を有するほぞＴを備え、インサートＩに対向する。スロットＲまたはほぞＴの縁は、ほぞに隣接するカバーのその部分に間隙を設けるように、面取りされている。熱間等静圧圧縮成形工程の間、カバーの表面に対して垂直な方向に圧力がかけられる。圧力と熱は、マトリクスの金属にインサートを構成する被覆フィラメントの間の空間を占有させるのに役立つ。インサートの容積は２３％減少する。従ってほぞが下方向に移動し、ほぞの片側の間隙が吸収される。プロセスの後、金属が溶解し、従って金属の塊に埋め込まれたフィラメントによって部品が補強される。類似の技術は、欧州特許第８３１１５４号明細書に記載されている。

仏国特許第２８６６２９０号明細書から得られた図２からわかるように、軸１４０を中心とする回転の本体１３９は、例えばチタン合金でできているが、軸に対して中心に位置し、容器の高さと同じ高さＨ’を有する、内側部を含む。その周囲１４２は、高さｈおよび幅ｄの第一ショルダ１４３と同じだけ面取りされている。このショルダの周辺には第二ショルダ１４４があり、その半径寸法は、容器の幅を完成する。その表面１４５は、第一環状ショルダの表面の高さを下回る高さまで延在する。一時的に保持された１束の被覆フィラメントで形成された環状インサート１４７は、所定の位置に置かれる。外部リング１４６が第二ショルダに追加されるが、これは本体の中央部の高さに対応する高さを有する。外部リング１４７は、第一ショルダを備えるスロットを再構成するように溶接されている。カバー１４８は、環状突起部１４９を有し、被覆フィラメントの束に対向している。この段階から先は、前のプロセスと同じプロセスである。

本発明の解決法を実行する非限定的な方法は、以下の図面に示される。

図３は、断面図および斜視図において、インサートを組み込んで製造される部品の一部を示す。例えばチタン合金でできている、金属部品の本体２は、上面２１および周囲縁２２を有する。縁２２から後退している、Ｌ字型断面の切り込み２３は、機械加工されている。この切り込みは、上面２１に対して垂直な面２３Ｐと、それに対して平行な面２３Ｓとを有する。２３Ｐの高さＨおよび２３Ｓの幅Ｌは、配置されるインサートの寸法に応じて決定される。切り込み２３と縁２２との間に、本体２は表面２３Ｓの高さよりも低い高さを有する縁表面部２４を備え、その一方でショルダ２５は、２つの部分２３および２２の間の変移を形成する。

１束の被覆フィラメントで形成されて四角い断面を有するインサート３は、切り込みに収容される。その高さＨｉは面２３Ｐの高さよりもわずかに低く、その幅Ｌｉもまた面２３Ｐの幅よりも狭い。

有利であるが非限定的なことに、インサートは仏国特許第２８６６２９０号明細書によって教示される方法の１つを利用して製造されてもよい。これは、被覆フィラメントの構造、前記フィラメントの製造、被覆フィラメントの接合層の製造、この層の、それが巻き付けられている金属支持体または下部層の層への接合、およびレーザまたは２つの電極の間の接触によるフィラメントの溶接を含む。

インサートが直線インサートである場合、それは２００７年７月２６日に仏国特許第０７／０５４５４号明細書の番号で出願人によって出願された特許出願に記載されている技術によって、有利に圧縮済みまたは製造済みである。

本体２に配置されているのは、インサートを備える本体の様々な部分に一致するように形成されたカバー４である。より正確には、これは、上面２１に対向する底壁４１と、縁面部２４に対向する縁壁４４と、２つの壁４１および４４の間の垂直側壁４２とを含む。この側壁は、内部切り込み４３を有する。切り込み４３は、底壁４１に対して垂直な面４３Ｐを有するＬ字型断面を有する。この面は、それが重なるショルダ２５に沿って延在する。切り込みは、本体２の切り込み２３の面２３Ｓと平行な面４３Ｓを有し、インサート３の上面に対向する。面４３Ｓの幅は、面２３Ｓの幅と同じである。インサートの高さＨｉは面２３Ｐの高さＨよりもわずかに低いので、壁４２はその表面部４２Ｐを介してこれと接触する。

カバーは、本体２と３カ所で一致しない。面取りは、本体の上面２１と、底壁４１と共に間隙を設ける切り込み２３との間で、機械加工される。この間隙は、底壁をくりぬくことによっても得ることができる。同様に、縁壁４４と縁面２４との間に間隙が設けられる。インサートの幅Ｌｉは切り込み２３の面２３Ｓの幅よりもわずかに狭いので、カバーの切り込み４３の面４３Ｐとインサートとの間に空間が形成されることも、留意すべきである。

カバーおよび本体がこのように共に配置され、溶接されて真空下にあるとき、アセンブリには熱間等静圧圧縮成形処理が施され、アセンブリにかかる圧力は、２つの方向Ｐ１およびＰ２に沿った力を発生させる。方向Ｐ１に沿った圧縮力は、カバーと、平行になっている底壁４１および縁壁４４との外面にかけられる。圧力はＰ１に対して垂直な方向Ｐ２に沿って、最初の２つの外面に対して垂直な側壁４２の外面にもかけられる。

方向Ｐ１に沿ってカバーにかかる力は、これを面２３Ｐおよび４３Ｐと平行に変形させ、インサートはこの方向に圧縮され、カバー４の底壁４１と縁壁４４の間、および本体２の上面２１と縁面２４との間の間隙は吸収される。

カバーの切り込みの面４３Ｐとインサートとの間の間隙も、方向Ｐ２に沿った圧縮力に起因するカバーの変形によって吸収される。

インサートが環状形状の場合、リングの軸に対して垂直な面では変形しない。

図４および図５は、カバーおよびインサートに施される変形のシミュレーションを示す。インサートは軸対称な形状で、変形はインサートの軸方向に指向している。

単純な形状が採用されているので、本発明のプロセスは、従来のフライス工具を使用して本体に切り込みを付けることができるという利点を有する。カバーの切り込みにも、同様の利点がある。

軸対称な部品を製造するために、切り込みは軸対称であってもよい。図６は、一部分が切り取られた斜視図において、カバー１０４に組み付けられた本体１０２を示す。

本体１０２は、環状の形状であるインサート１０３を収容するのに、その軸を中心とした軸対称の切り込み１２３を有する。アセンブリは、切り込み１３４を有するカバー１０４によって覆われている。図３と同じ要素が見られるが、参照番号は１００を加えた番号である。インサートは本体１０２の切り込み１２３とカバー１０４の切り込み１４３との間に保持され、熱間等静圧圧縮成形は方向Ｐ１に沿ってインサート１０３を圧縮する効果を有する。切り込み１４３の面１４２Ｐおよび１４３Ｐは、本体１０２の面１２３Ｐおよび１２５に沿って摺動し、インサート１０３を圧縮する。第二の圧縮は、方向Ｐ２に沿った力によって提供され、これが壁１４２を変形させる。

インサートは、それを個別に巻き付けてから切り込みに合わせることによって製造されてもよい。しかしながら、形状は切り込みに直接巻き付けられるようになっている。

本発明は、図７に示されるもののように、軸対称ではない部品を製造することも可能にする。参照番号は図３と同じ部分を示すが、それに２００を加えた番号である。本体２０２は長尺の形状を有し、これは２つの直線部によって接続された２つの半円部に分かれている。切り込み２２３は、２つの半円部と２つの直線部とを有する長尺形状である。この切り込みは、対応する形状のインサートを受ける。部品は、それぞれ切り込み２４３を有する、２つのカバー２０４によって覆われている２つの切り込み２２３を有する２つの面を含む。

熱間等静圧圧縮成形処理の準備が整った組み立て部品を２１０で示す。

図８は、プロセスを利用して製造されることが可能な部品の一例を示す。インサート３は本体２の塊（ｍａｓｓ）に埋め込まれている−これは本体を透明にした状態で図示されている。所望の形状を与えるために、部品は機械加工される。この技術を利用すると、このように、張力および圧縮力の両方において作用する航空機着陸装置の接続棒などの長尺部品を製造することができる。

より一般的には、必ずしも環状ではない切り込み、例えば直線部を有する切り込みが、本体に容易に設けられ得る。対応する切り込みの機械加工もまた容易である。

Claims (10)

1. セラミック繊維で補強された金属部品を製造するためのプロセスであって、インサート用ハウジングが上面（２１）を有する主要金属本体（２）に形成されるステップと、金属マトリクスを有する繊維から形成されたインサート（３）がハウジング内に配置されるステップと、インサート（３）を覆うように金属カバー（４）が本体（２）上に配置されるステップと、真空下にてカバーが金属本体に溶接されるステップと、アセンブリが熱間等静圧圧縮成形処理を施されるステップと、処理済みアセンブリが所望の形状に機械加工されるステップとを含み、ハウジングが２つの互いに垂直な面（２３Ｐおよび２３Ｓ）を有するＬ字型断面の切り込み（２３）の形状を有し、カバー（４）がＬ字型断面および前記インサート（３）を備える金属本体の切り込み（２３）の形状を補完する形状の内部切り込み（４３）を有し、圧縮力が切り込み（２３）の前記面（２３Ｐおよび２３Ｓ）に対して垂直にかかるようにカバー（４）が外側に形成されていることを特徴とする、プロセス。
2. 金属本体の切り込み（２３）が、主要金属本体（２）の上面（２１）に対して垂直な面（２３）と、本体（２）の上面（２１）と平行な面（２３Ｓ）とを含む、請求項１に記載のプロセス。
3. インサート（３）が、被覆フィラメントを巻き付けることによって事前に形成され、主要金属本体（２）の切り込み（２３）内に配置される、請求項１または２に記載のプロセス。
4. インサートが主要金属本体の切り込み（２３）内で直接被覆フィラメントを巻き付けることによって形成され、前記切り込みが巻き付け心棒を形成する、請求項１または２に記載のプロセス。
5. インサートが環状形状を有する、請求項３または４に記載のプロセス。
6. インサートが軸対称リングを形成する、請求項５に記載のプロセス。
7. インサートによって形成されたリングが少なくとも１つの直線部を有する、請求項５に記載のプロセス。
8. その巻き線の断面が四角形であって、巻き線の第一の面が主要金属本体（２）の切り込み（２３）の１つの面に対向し、巻き線の第二の面が切り込み（２３）のもう１つの面に対向している、請求項３から７のいずれかに一項に記載のプロセス。
9. 本体のカバーの変形を中心に置いて案内するために、カバーが主要金属本体の切り込み（２３）の１つの面と共に作用する心出し面を有する、請求項１から８のいずれか一項に記載のプロセス。
10. 面（２３Ｐ）が主要金属本体の上面（２１）に対して垂直であり、その心出し面が前記切り込みの上面（２１）に対して垂直な切り込みの前記面（２３Ｐ）と共に作用する、請求項９に記載のプロセス。

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