JP5512667B2 - セラミック繊維によって強化された金属部品を製造する方法 - Google Patents

Description

本発明は、セラミック繊維から形成された内部強化材を有し、金属マトリックスに繊維状の挿入物を組み込むことによって得られた金属部品の製造に関する。

特に、引張および／または圧縮では、金属部品により大きな強度を付与しながら金属部品の重量を低減する目的で、セラミック繊維を適切な方法で金属部品に組み込むことが知られている。これらは、例えば、チタンなどの金属よりも実質的に大きい引張強度および圧縮強度を有する炭化ケイ素（ＳｉＣ）繊維である。

これらの部品の製造には、金属が被覆されたセラミック単繊維から挿入物を事前に形成することが必要である。セラミック単繊維は、ＣＭＭ繊維または被覆単繊維とも称せられる。金属は、特に、単繊維を扱うために必要な弾性および柔軟性を付与する。

そのような強化された部品を製造するための知られている方法は、マンドレルのまわりに被覆された単繊維を巻回する製造を含む。巻回物は、次いで、挿入物用のハウジングを形成するスロットが予め機械加工された金属本体または容器に導入される。スロットの深さは、巻回物の高さより大きい。カバーは容器上に置かれ、その周囲に溶接される。カバーは、スロットの形状に相補的な形状を有するほぞを有し、その高さは、スロットを満たすようにスロット内に置かれた巻回物の高さに適合される。次に、熱間等方圧プレスステップが行なわれ、その間にカバーが変形され、巻回物はほぞによって圧縮される。スロットの端に沿った容器の表面は、プレス段階の間にカバーの漸進的な変形を確実にするための角面を形成するように傾斜されている。

熱間等方圧プレス技術は、約１０００ｂａｒの高圧、さらには約１０００℃の高温に数時間の間さらされたエンクロージャー内で処理される部品を置くことにある。

この処理中に、被覆された単繊維の金属シースは、拡散溶接によってスロットの壁に一緒に溶接されて、セラミック繊維が延在する合金から構成される緻密アセンブリを形成する。得られた部品は、次いで所望の形状に機械加工される。

方法は、ローターディスクやブリスク（一体的にブレードの付いたディスク）などの線対称航空部品だけでなく、連接棒、シャフト、アクチュエーター体、ケーシングなどの非線対称部品の製造に役立つ。

特に、底面とサイドウォールとの間のスロットの底における小さな接合半径のために、本体にスロットを機械加工することは困難である。そのような小さな接合半径は、長方形の断面を有し、小さな半径の単繊維から形成された挿入物をできるだけ小さな隙間で収容するために必要である。カバーにおける対応するほぞの機械加工は、非開放端角のため、かつ完全にスロットと一致する形状を有することが必要であるので容易ではない。

出願人は、一方向の引張力および／または圧縮力の伝達に寄与するストレート部を備えた挿入物を組み込む細長い形状の部品を製造する方法を開発した。この方法は２００７年７月２６日の仏国特許出願第０７／０５４５３号明細書に記載されている。出願人は、また、直線状挿入物を製造する方法を開発した。この方法は、熱間等方圧プレスによって容器中で前記ブランクを圧縮し、次いで圧縮容器中で直線状挿入物を機械加工する場合に、巻回形態の挿入物のブランクを製造することにある。そのような方法は、２００７年７月２６日の仏国特許出願第０７／０５４５４号明細書に記載されている。

仏国特許第２８８６２９０号明細書

しかしながら、製造される部品が線対称ではないが、横長形状、長円形状またはストレート部を備えた形状である場合に、長い全長にわたる正確な調節を達成することは困難である。これは、挿入物が完全に適合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、非常に硬い被覆された単繊維から形成された挿入物にとって、なおさら困難である。カバーは、繊維を逃がさないようにスロット中で完全に集められなければならない。

挿入物を別に製造し、次いで挿入物を本体のスロットに移動する代わりに、ＳＮＥＣＭＡ名義の仏国特許第２８８６２９０号明細書は、一実施形態によれば、本体上に巻回物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つの段部が本体に設けられる。第１の段部は、被覆された単繊維の直接巻回用の座面を有する。この表面は巻回方向に平行である。巻回物が完成された場合、スロットは、第１の段部に関して段差を形成する第２の段部の形状に相補的な形状を有する本体上に部品を置くことによって再構成される。次いで、ほぞを備えたカバーが、ちょうど巻回された挿入物上に置かれ、アセンブリは圧縮操作を受ける。製造の問題は、アセンブリ操作が複雑なままであるので、この解決法によって部分的にだけ解決される。

出願人名義の仏国特許出願第０７／０９１７１号明細書は、金属体中の挿入物用のハウジングがＬ形状の断面の切り込みの形態を有し、カバーは、Ｌ形状の断面であるとともに前記挿入物を備えた金属体の形状に相補的な形状の内部切り込みを有することを明示している。さらに、カバーは、圧縮力が切り込みの面に垂直に及ぼされるように、外側に形成されている。

現在の製造技術は、被覆された繊維の巻回物および容器（本体およびカバー）から、金属マトリックス複合材料からなる１つまたは複数の強化材を含む金属部品を開発することを可能にする。これらの構造は非常に有効であるが、高い製造コストを有する。特に、そのカバーを備えた容器の本体の機械加工は、部品の全コストの大部分を意味する。

出願人は、製造操作およびコストを低減するステップを単純化する目的で、細長い形状の部品を製造する方法を改善する目的を設定した。

この目的は、セラミック繊維で強化された金属部品を製造する方法により本発明によって達成され：
挿入物用の少なくとも１つのハウジングが上面を有する金属体に機械加工され、
金属が被覆されたセラミック繊維から形成された少なくとも１つの挿入物がハウジング内に置かれ、
挿入物はカバーで被覆され、
挿入物のまわりの間隙空間で真空が生成され、前記空間は真空下で密閉され、
アセンブリ、すなわちカバーを備えた金属体は熱間等方圧加圧によって処理され、
前記処理されたアセンブリは前記部品を得るために機械加工される。

方法は、カバーがスロット中の挿入物を被覆するとともに金属体の上面から突出する要素と、前記要素を備えた上面を被覆するシートとを含むことを特徴とする。

カバーをスロット中の挿入物を被覆する要素および前記要素から分離したシートに分割することによって、この部品の製造は著しく単純化される。スロット中の挿入物を被覆する要素の機能は、ピストンの機能を果たすことであり、シートの機能はアセンブリが密閉されることを可能にすることである。さらに、前記要素が熱間等方圧プレス段階の間に、挿入物の緻密化に起因する体積の低減を補うように突出していることを確実にすることによって、金属体中のスロットの機械加工が単純化される。

挿入物は細長い形状、例えば、１つまたは複数のストレート部を備えた横長環状形状であってもよい。好ましくは、挿入物は直線であり、例えば、挿入物は直線ブロックの形態を有し、金属体中の挿入物用のハウジングは対応する形状の直線スロットを有する。スロット中の挿入物を被覆する要素は、そのとき、ブロック状である。

挿入物が直線ブロックの形態を有する場合の一実施形態によれば、スロットは、挿入物用の第１のハウジング部分と、第１の部分を延長する少なくとも１つの第２の部分とを有し、ブロック状の要素は、挿入物を被覆する中央ブランチと、スロットの第２の部分に対応する形状の延長部とを含む。このようにして、カバーのこの要素は、単純形状の容易に製造可能な金属ブロックを形成する。

好ましくは、ブロック状の要素は、中央ブランチと延長部との間に漸進的な変形域を含む。この漸進的な変形域は、プレスステップの間にカバーが破損することを防ぐ。

挿入物は、多角形、特に長方形、楕円形または円形断面を有する。

好ましくは、挿入物は、束に集められた、金属が被覆された繊維から形成され、それによって、準備操作を低減する。

有利には、挿入物を囲む空間は、金属シートと金属体との間の溶接ビードによって密閉される。

本発明の解決策は、例えば、２つの平行または非平行ブランチに沿って置かれた、細長い、特に直線形状の２つの挿入物を１つの面で適合する場合に特有の利点を有する。先行技術によれば、２つの長手内部強化材を得るために、２つの円弧状部によってともに接続された２つの直線ブランチを備えた環状形状の挿入物が、予め製造される。ハウジングは、次いで、挿入物の正確な形状にしたがって機械加工される。挿入物の形状にハウジングの形状を適合させることは、非常に巧妙で高価な操作であると分かった。したがって、隅肉を除去することは、繊維が部品の中央部分において繊維の長手方向に沿って実質的に機能するので、最終部品の強度を犠牲にすることなく、機械加工と取り付けの両方を単純化する。

本発明の１つの限定しない実施形態は、以下に、添付図面を参照してより詳細に説明される。

本出願人の知られている先行技術による細長い部品の製造における様々なステップ１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄを示す。 挿入物を組み込む容器を機械加工した後に得られる部品の一例を示す。 本発明による機械加工されたスロットを備えた金属体、および挿入物とカバーの一部を形成するブロックとの取り付けを斜視で示す。 スロットが形成された金属体、繊維状の挿入物および所定位置のカバーのブロックを、透明であるように斜視で示す。 挿入物および金属体上にカバーを共に形成するブロックおよびシートを断面で示す。

仏国特許出願第０７／０５４５３号明細書から得られた図１は、細長い形状の本体４を備えた容器１を示し、例えば、着陸装置用の連接棒を形成することを目的としている。本体４の２つの各面にスロット４１が機械加工されている。このスロットは、挿入物３を収容する役目をし、挿入物３は、２つのストレート部を含み、互いに平行であってもよく、平行でなくてもよく、円弧状部によって端部で接合されている。挿入物は、チタンなどの金属で被覆されたセラミック繊維を有するタイプである。スロットおよび挿入物は、挿入物が隙間なしでまたは最小の隙間でスロットに適合されるように相補的な形状を有する。２つのカバー５は突出部を備えており、突出部はほぞ５１を形成し、２つのカバー５は本体４の両面を被覆する。ほぞはスロットに収容された挿入物を押圧し、スロットを満たす。カバー５は、例えば、電子ビーム溶接によって本体４に溶接され、容器内部で真空が生成される。

このアセンブリは、約０．２５ｍｍの非常に小さな直径を有する繊維が熱間等方圧プレスの間に移動または逃げる可能性を防ぎ、圧縮が行われることを可能にする機能を有する。容器は、図１ｂに示され、挿入物を示すために部分的に取り除かれている。容器は、次いで、熱間等方圧プレス処理を受けるためにエンクロージャー内に置かれる。図１ｃの容器の断面は、スロット４１の端４２がほぞ５１に隣接するカバー５の部分との隙間を残すように面取りされていることを示している。熱間等方圧プレス操作中に、カバーの表面に垂直な方向に圧力がかけられ、カバーをつぶす。約１０００℃の熱および１０００ｂａｒの圧力は、金属が挿入物を構成する被覆された単繊維間のギャップを占めることを可能にする。挿入物の体積は約２３％減少する。このようにして、ほぞは下方へ移動され、ほぞの一方側の隙間が吸収される。手順の終わりに、金属は溶解し、容器は圧縮された。このようにして、部品は、金属の塊に埋め込まれた単繊維によって強化される。図１ｄは、部品が透明であるかのように２つの挿入物を備えた部品ブランクを示す。次いで、ブランクは、図２に示される部品８を得るために機械加工される。この部品８はブランチ８２間に穴８１を有する。セラミック繊維はブランチ８２に組み込まれており、引張力および圧縮力が伝達されることを確実にする。使用された挿入物は、環状形状であるが、仏国特許出願第０７／０５４５４号明細書に記載されているように、直線要素から棒の形態で形成されてもよい。仏国特許出願第０７／０５４５４号明細書の場合には、直線要素は、予め圧縮された後、容器に組み込まれる。

本発明の解決策は、そのような部品がより経済的に得られることを可能にする。

図３は、この図に関して、上面１０Ｂを備えた細長い形状の金属体１０を示す。直線スロット１０Ａは、機械加工されて、その底は平らであり、その壁は底に対して垂直である。底と壁との間の接合表面は、できるだけ小さな隙間で挿入物が適合されることを可能とするように小さな曲率半径を有する。スロットは、その長手延長に中央部１０Ａ１および２つの端部１０Ａ２、１０Ａ３を有する。端部は丸くされている。スロットは、被覆されたセラミック繊維のアセンブリから形成された直線ブロック状の挿入物１１用のハウジングとしての機能を果たし、挿入物は、スロットの中央部１０Ａ１の長さ以下の長さ１を有する。挿入物はスロットの中央部１０Ａ１に適合する繊維束を形成する。ブロック状の要素１２は、スロットを構成するハウジング内に置かれた挿入物１１を被覆する。ブロック状の要素１２は、スロット１０Ａと同じ形状および同じ寸法を有し、要素１２が上から見られる場合、隙間まで挿入物を覆ってスロットに適合されることを可能にする。要素１２は、挿入物を被覆する中央部１２Ａ１と、中央部の長手延長におけるその両側に２つの端部１２Ａ２、１２Ａ３とを含む。

２つの端部の厚さは、スロット内に置かれた挿入物の厚さと中央部の厚さに相当し、スロットの深さよりわずかに大きい。要素１２は２つの端部１２Ａ２、１２Ａ３を介してスロットの底に当たる。各端部は、角面１２Ａ２’、１２Ａ３’を有し、挿入物側でスロットの底との空間を残すことがわかる。ブロック状の要素は、表面１０Ｂから突出している。金属シート１４、金属体と同じ金属、特にチタン合金が、金属体の上面に置かれ、真空および熱間等方圧プレスをもたらすように周囲で溶接される。シートは、突出する要素１２の形状と一致するように形成される。このように、シートは、穴１４’を有し、その形状は、ブロック状の要素１２の突出部に相当する。

このようにして、挿入物を備えた本発明による部品の一例の製造は、次のステップを含む：
例えば、チタン合金からなる金属体１０が、少なくとも１つの上平面を備えて準備される、
少なくとも１つの開口したスロット１０Ａが、上または下面１０Ｂ上で機械加工される。この操作は、スロットの深さおよび幅のみが考慮される必要があるので比較的簡単である、
被覆された直線状繊維の集められた束から形成された挿入物１１は、スロット内に置かれる、
ブロック状の要素１２は、所定位置に置かれる。ブロック１２がスロット内に容易に置かれることができるように、ブロック状の要素およびスロットの寸法が決まる。

ブロック状の要素１２が挿入物を覆って所定位置に置かれ、図４に示されるように、要素１２は、面１０Ｂおよびシート１４から突出しており、ブロック状の要素上に適合するようにその穴１４’を備えて形成されており、所定位置に入れられた後に、アセンブリは排出される。

金属体の表面からブロック状の要素１２の上端が突出している。シートは周囲に適切に溶接され、真空をしっかりとするとともにスロット内部の真空を維持するように溶接ビード１５を形成する。

このように準備された容器は、熱間等方圧プレスを行うためのエンクロージャーに導入される。

アセンブリは容器を圧縮するように加熱され高圧にさらされる。処理は挿入物の体積の低減および緻密化をもたらす。ブロック状の要素の中央部はピストンの機能を果たし、スロット中に下降する。角面１２Ａ２’、１２Ａ３’によって形成された移行域は、せん断力がブロックを破損させることなく要素１２が変形することを可能にする。

得られたブランクは、機械加工される準備ができている。

対応する数の挿入物の位置決めを含む機械加工後、例えば、図２に示された部品が得られる。

これは、直線状挿入物を収容するためのスロットを機械加工する本発明の実施形態を示し、長手方向に閉じられている。しかしながら、１つまたは複数の長手方向に開いたスロットを製造することは、本発明の範囲外ではない。

さらに、挿入物は、金属部品を内部強化する用途に適切な、いずれかの形状を有してもよい。形状は、丸い部分によって接合された２つのストレート部を備えたリングの形態で横長であってもよい。スロット中の挿入物を被覆する要素は、挿入物を覆って適合し、スロットをふさがなければならない場合、挿入物と同じ形状を有する。

このように、本発明の方法は、特に、１つまたは複数の直線状挿入物を組み込む細長い形状のいずれかの部品を製造することを可能とする。

Claims (9)

1. セラミック繊維で強化された金属部品を製造する方法であって、
   挿入物用の少なくとも１つのハウジング（１０Ａ）が上面（１０Ｂ）を有する金属体（１０）に機械加工され、
   金属が被覆されたセラミック繊維から形成された少なくとも１つの挿入物（１１）がハウジング内に置かれ、
   挿入物がカバーで被覆され、
   ハウジング内の挿入物のまわりの間隙空間に真空が生成されて、該間隙空間が真空下で密閉され
   アセンブリ、すなわちカバーを備えた金属体が熱間等方圧加圧によって処理され、
   前記処理されたアセンブリの外形が前記部品を得るために機械加工され、
   カバーが、ハウジング内の挿入物（１１）を被覆するとともに上面から突出する要素（１２）と、前記要素（１２）を備えた金属体の上面を被覆するシート（１４）とを含むことを特徴とする、方法。
2. 挿入物（１１）が細長い形状であり、金属体中の挿入物用のハウジングが対応する形状のスロットである、請求項１に記載の方法。
3. 挿入物が直線形状であり、ハウジング内の挿入物を被覆する要素がブロック状である、請求項１に記載の方法。
4. ハウジング（１０Ａ）が、挿入物用の第１のハウジング部分（１０Ａ１）と、第１の部分（１０Ａ１）を延長する少なくとも１つの第２の部分（１０Ａ２、１０Ａ３）とを有し、ブロック状の要素（１２）が、挿入物を被覆する中央ブランチ（１２Ａ１）と、ハウジング（１０Ａ）の第２の部分（１０Ａ２、１０Ａ３）に対応する形状の延長部（１２Ａ２、１２Ａ３）とを含む、請求項３に記載の方法。
5. ブロック状の要素（１２）が、中央ブランチ（１２Ａ１）と延長部（１２Ａ２、１２Ａ３）との間に変形域（１２Ａ２’、１２Ａ３’）を含む、請求項４に記載の方法。
6. 挿入物（１１）が、多角形断面あるいは楕円形または円形断面を有する、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 挿入物が、束に集められた、金属が被覆された繊維から形成される、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記間隙空間が、金属シートと金属体の間の溶接ビード（１５）によって密閉される、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
9. 少なくとも第２の挿入物が金属体内に置かれる、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。

Images