JP5629763B2 - 流体法によって金属でセラミック材料繊維を被覆する方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、金属マトリックス複合材料の一般的分野に関する。より詳細には、本発明は、流体法によって金属でセラミック材料繊維を被覆する方法および装置に関する。

本発明の適用の分野うちの１つは、航空機の分野、より正確には金属マトリックス複合材料に頼ることにより、顕著な重量節減を実現できるようになるターボジェットの分野である。

知られている方法では、金属マトリックス複合材料は、繊維によって補強される金属合金に基づくマトリックスによって構成され、繊維は、たとえばセラミックで作られる。このような材料は、剛性および強度に関して高レベルの性能を有し、圧縮機やタービン用のディスク、シャフト、アクチュエータシリンダ等のようなターボジェット部品を作るために、モノリシック合金の代わりに使用され得る。

有利な方法では、金属マトリックス複合材料はまた、ブレード、ケーシング、スペーサ等のようなモノリシック合金の部品で適切な場所に配置される局所的な補強を与えるために使用され得る。このような環境下で、補強は、一般に、金属シースで被覆されるセラミック中心コアによって構成される「被覆繊維」と呼ばれる半製品から製作される。

このような被覆繊維のセラミックコアは、たとえば、電気泳動によって、または液体金属の浴で流体法を用いて被覆することによって電場で蒸気法を用いて被覆され得る。この目的のために、欧州特許第０９３１８４６号明細書は、流体法によって金属でセラミック材料繊維を被覆する方法を説明している。その方法は、本質的に、坩堝の内側に浮揚した溶融金属の装入物を維持するステップと、張架されたセラミック材料の繊維を前記装入物を通り抜けて走行させるステップとから成る。金属の浴からの出口で、繊維は、特に繊維の走行速度に依存する厚さの金属被覆に被覆される。

実際には、そのタイプの液体被覆方法によって得られる被覆の品質は、大部分は、金属装入物に浸漬される繊維の瞬間高さに依存することが知られている。被覆が走行するにつれて、装入物の重量は減少し、それによって、坩堝の中の繊維の位置が一定に保たれる場合は、その中に浸漬される繊維の瞬間高さが自動的に減少する。結果として、被覆の厚さは、被覆の公称条件がもはや満足されなくなるまで被覆繊維に沿って連続的に変化し、これは、被覆が中断されなければならないことを意味する。これは、金属の所与の装入物の場合、結果として得られる被覆の品質は、繊維の有限長だけに対して受け入れられ、その長さは、選択された被覆厚さの関数であることを意味する。たとえば、５０立方センチメートル（ｃｍ^３）の体積を有する装入物の場合、および小さな厚さの被覆の場合、受け入れられる品質を与える被覆繊維の長さは、数百メートルであり得る。対照的に、（５０マイクロメートル（μｍ）程度の）薄い被覆の場合、受け入れられる品質から成る被覆繊維の長さは、僅かに数十メートルである。

欧州特許第０９３１８４６号明細書

液体被覆方法によって得られる被覆繊維の品質は、たとえこれが相変わらず受け入れられるとしても、被覆の厚さが被覆繊維の全長にわたって一定でない限り最適化されない。これに応じて、そのタイプの被覆方法の生産性は、被覆繊維の長さが限定されるので比較的低い。

その問題を解決し、大きな長さの被覆繊維を作るために、粉末、ワラ、または繊維を用いることによって被覆を行いながら、溶融金属の浴を再び満たす提案が行われている。それにもかかわらず、繊維や粉末を送出するための手段自体が高価であるので、その解決策は、比較的高価であるという欠点を示す。さらに、新たな物質を所与の浴の中に組み入れることは、被覆プロセスに有害な不安定性を招く場合がある。

したがって、本発明の主要な目的は、大きな長さおよび安価なコストの被覆繊維を作ることができるようになる被覆方法および被覆装置を提案することによって、このような欠点を緩和することである。

この目的は、流体法を用いて金属でセラミック材料繊維を被覆する方法にして、坩堝の内側に実質的に球形になって浮揚した溶融金属の装入物を維持するステップと、繊維の一部が金属被覆で被覆されるために装入物に浸漬されるように、張架されたセラミック材料繊維を坩堝の両側に配置されるボトムプーリとトッププーリとの間を所定の速度で走行させるステップから成る方法であって、また、装入物に浸漬される繊維の一部を、装入物に浸漬される繊維の瞬間高さが被覆作業を通じて実質的に一定のままであるように装入物の残余体積に応じて被覆時に移動させるステップから成ることを特徴とする方法によって達成される。

これに応じて、本発明はまた、流体法によって金属でセラミック材料繊維を被覆するための装置にして、金属の装入物を溶融するのに適し、かつ実質的に球形になって浮揚した装入物を維持するための坩堝と、セラミック材料の張架された繊維を受け入れるのに適し、かつプーリの間を走行する繊維の一部が金属被覆を受け入れるために装入物に浸漬され得るように坩堝の両側に配置されるトッププーリおよびボトムプーリとを備える装置であって、装入物に浸漬される繊維の瞬間高さが被覆作業を通じて実質的に一定のままであるように、装入物に浸漬される繊維の一部を装入物の残余体積に応じて移動させるように被覆時に使用するのに適した手段をさらに含むことを特徴とする装置を提供する。

したがって、本発明は、浸漬される繊維の瞬間高さを一定に保つように、その重量の減少に応じて金属の装入物を通り抜ける繊維を移動させることを提案する。この解決策は、非常に多くの利点を与える。特に、本方法によって得られる被覆繊維の長さは、単一の装入物を用いながら、すなわち新たな材料を組み入れるいかなる必要もなしに少なくとも５倍増加され得る。さらに、いかなる新たな材料もないので、溶融装入物は、良好な均一性を示し、それによって被覆の品質が改善される。結果として、本発明の方法により、安価なコストで良好な品質、およびいわゆる「媒体」長さ（すなわち、５０ｃｍ^３の体積を与える装入物、および５０μｍの厚さを与える被覆の場合に２００メートル（ｍ）から６００ｍの範囲にある）の被覆繊維を得ることができる。より大きな長さは、初期装入物の体積に坩堝のサイズを適応させることによって可能である。したがって、１キロメートルを超える長さは、約１５０ｃｍ^３の装入物を用いて得られ得る。

さらに、本発明のこの方法は、被覆時に他のパラメータのすべてを一定に保ちながら実施され得る。特に、および有利には、プーリの間の繊維の走行速度は、被覆を通じて実質的に一定に維持されることができ、それによって被覆繊維の冷却に関する問題を回避する。最後に、非常に大きな長さの被覆繊維を得るために、この解決策は、金属浴を再び満たすステップから成る上述した技術に並行して頼ることを妨げるものではない。

有利な装置では、装入物に浸漬される繊維の一部を移動させることは、繊維の走行方向に実質的に直角な方向に行われる。このような環境下では、装入物に浸漬される繊維の一部は、プーリのうちの１つと坩堝との間に挿置される少なくとも１つのホイールによって移動させられ、繊維の走行方向に直角に移動させることができる。

他の有利な装置では、装入物に浸漬される繊維の一部は、装入物の繊維の一部の初期位置、装入物の初期特性、繊維の走行速度、および繊維の被覆ピックアップ容量に応じて計算される速度で移動させられる。

本発明の他の特徴および利点は、非限定的な特徴を有する実施を示す添付の図面を参照し、次の説明から明らかになる。

本発明の被覆装置の概略図である。 本発明の被覆方法の実施形態を示す図である。 本発明の被覆方法の実施形態を示す図である。 本発明の被覆方法の実施形態を示す図である。

図１は、流体法によって金属でセラミック材料繊維を被覆するための本発明の装置１０を示している。

装置１０は、特に、「浮遊」坩堝とも呼ばれるコールド式の坩堝１２を備え、これは、それ自体の壁を構成する材料で溶融金属を汚染することを回避するように設計される。このタイプの坩堝は、それ自体よく知られており、したがって、本明細書ではより詳細に説明されない。必要ならば、１つの実施形態を説明している欧州特許第０９３１８４６の参照することができる。

坩堝１２は、垂直軸１４の周りに円形対称であるボウルから成る。坩堝は、底部開口１８よりも大きな頂部開口１６を有し、これらの開口は、円形であり、垂直軸１４上で心出しされる。図１に示されるように、坩堝はまた、その開口１６と開口１８との間に延在する複数の垂直スロット１９を含む。知られている方法では、これらの垂直スロット１９により、電気インピーダンスを整合できるようになり、坩堝の冷却を促進する。

また、坩堝１２は、やはり軸１４上で心出しされ、かつ坩堝に配置される液体金属を浮揚して維持できるようになる特性の電磁場を生成するのに適した螺旋状コイル２０によって取り囲まれる。また、冷却回路（図示せず）が、坩堝を冷却するために坩堝の壁の周りに配置される。

実質的に球状の形状を有する溶融金属、たとえばチタン合金の装入物２２は、坩堝１２の内側に適切な温度で浮揚して維持される。螺旋状コイル２０によって生成される電磁場は、装入物２２の表面を坩堝の壁から遠ざかるように保つ働きをする。装入物が溶融されながら、被覆されるべき繊維は、溶融ゾーンの外側に保たれる（図示されていない段階）。

被覆の目的の場合、セラミック材料の繊維２４は、最初のうちは坩堝１２を通して傾斜され、次いで頂部ルーズプーリ２６と底部ルーズプーリ２８との間で張力を受けて保たれ、そのプーリは、坩堝の両側に配置され、これらのプーリの間で張力を掛けられる繊維の一部３０が被覆時に軸１４と実質的に平行な、かつ溶融金属の装入物２２に浸漬される方向に延在するように、互いに対して水平に配置される。これらのルーズプーリ２６および２８は、繊維２４を案内する働きをする。

また、被覆装置は、坩堝１２の下方に配置される繊維送出スプール３２、坩堝の上方に配置される被覆繊維を受け入れるためのスプール３４、および作業時にスプールを駆動するための図示されていない手段を含んでいる。

被覆装置の作業は、上記のことから明確に理解され得る。スプール３２および３４をセットして回転させると、繊維を、ルーズプーリ２８とルーズプーリ２６との間で所定の速度で走行させることができるようになる。被覆時に、繊維の一部３０は、溶融金属の装入物２２を通して通過し上方へ、ひいては液体金属を取り込む。金属の浴を離れると、繊維は、繊維がプーリの間を走行する特に所定の速度に依存する被覆の厚さを有する金属被覆で被覆される。

また、本発明の装置は、装入物の残余体積に応じて溶融金属の装入物２２に浸漬される繊維の一部３５を移動させるように被覆時に作動するための手段も含んでいる。例示として、これらの手段は、坩堝１２と底部プーリ２８との間に挿置されるホイール３６から成ることができ、このホイールは、モータ４０による駆動の下で繊維の走行方向に直角なレール３８に沿って移動可能である。このようなホイールを用いると、軸１４に関して繊維の浸漬された一部３５の位置は、坩堝の垂直スロット１９のうちの１つに繊維を移動させることによって変更され得る（図２Ａから図２Ｃ）。当然、ホイールは、坩堝と頂部プーリとの間に（別法として、またはその上に）挿置されることもできる。

さらに、ホイール３６は、溶融金属の装入物２２に浸漬される繊維の一部３５の瞬間高さｈが被覆作業を通じて実質的に一定のままであるように、レール３８に沿って移動させられる。軸１４に関して繊維の位置が被覆時に変化しないままである場合、および被覆の走行につれて溶融金属の体積が減少するので、この場合は装入物に浸漬される繊維の瞬間高さは、必然的に減少する。

浸漬された高さｈを一定に維持するために、被覆時にこれが変化するにつれて溶融金属の装入物２２の体積に合わせてレール３８に沿ってホイール３６が位置を変える速度をサーボ制御することが適切である。被覆中の装入物の体積の評価は、次の仮定を基礎として計算され得る。すなわち、装入物２２の形状が、被覆を通して球のままであること、および装入物を通過する繊維の一部３５が、金属球体の弦であると解釈され得ることである。したがって、被覆が行われながら金属の球の体積Ｖ（ｔ）を知ると、その半径ｒ（ｔ）、およびしたがって瞬間高さｈが一定のままであることを確実にするために繊維が移動させられるべき速度を推論することができる（特に、高さｈは、ｒ（ｔ）の関数である）。

図２Ａから図２Ｃを参照して、浸漬された繊維の瞬間高さｈが一定のままであることを確実にするように繊維に適用されるべき移動速度について、このような計算の２つの実施態様の説明が次に続く。

これらの例の計算は、４４ｃｍ^３および１２０ｃｍ^３のそれぞれの体積を有する初期金属装入物、３７．４０ミリメートル（ｍｍ）の一定の瞬間高さｈ、３メートル／秒（ｍ／ｓ）のスプールの間の繊維の走行速度、ならびに３．３立方センチメートル／分（ｃｍ^３／ｍｉｎ）の装入物ピックアップ速度の場合に行われる。

重さが２００グラム（ｇ）の装入物について得られるパラメータは、以下の通りである：
浸漬された繊維の一部３５と軸１４との間の（ｔ＝０秒（ｓ）における）初期水平距離ｄ_０（図２Ａに対応するステップ）：１１．５３ｍｍ、
繊維に適用される初期移動速度Ｖ_０：３．１２ミリメートル／分（ｍｍ／ｍｉｎ）、
浸漬された繊維の一部３５と軸１４との間の（ｔ＝５０ｓにおける）最終水平距離（図２Ｃに対応するステップ）：８．４１ｍｍ、および
繊維に適用される最終移動速度Ｖ_５０：４．４４ｍｍ／ｍｉｎ

したがって、４４ｃｍ^３の体積を有するこのような装入物の場合、図１に示されるホイール３６は、３．１２ｍｍ／ｍｉｎから４．４４ｍｍ／ｍｉｎまでの範囲にある速度でレール３８に沿って位置を変えることができなければならない。

１２０ｃｍ^３の体積を有する装入物について得られるパラメータについては、これらは以下の通りである：
浸漬された繊維の一部３５と軸１４との間の（ｔ＝０ｓ）における）初期水平距離ｄ_０：２４．１０ｍｍ、
繊維に適用される初期移動速度Ｖ_０：１．０８ｍｍ／ｍｉｎ、
浸漬された繊維の一部３５と軸１４との間の（ｔ＝２００ｓにおける）最終水平距離ｄ_２００：１９．９４ｍｍ、および
繊維に適用される最終移動速度Ｖ_２００：１．４４ｍｍ／ｍｉｎ

１２０ｃｍ^３の体積を有するこの装入物の場合、ホイール３６は、１．０８ｍｍ／ｍｉｎから１．４４ｍｍ／ｍｉｎまでの範囲にある速度でレール３８に沿って移動させられることができなければならない。したがって、４４ｃｍ^３の体積を有する装入物と比べると、１２０ｃｍ^３の体積を有する装入物は、その移動速度を調整する必要があるより小さな範囲を有するホイール３６を要求するという利点を与える。

図２Ｂは、図２Ａの初期ステップと図２Ｃの最終ステップとの間の中間ステップを示し、その中間ステップでは、浸漬された繊維の一部３５と軸１４との間の距離はｄ_ｔと書かれ、繊維に適用される移動速度はＶ_ｔと書かれていることを観察されたい。

Claims (7)

1. 流体法を用いて金属でセラミック材料繊維を被覆する方法であって、
   坩堝（１２）の内側に球形になって浮揚した溶融金属の装入物（２２）を維持し、金属の装入物の浮揚が電磁場によって得られるステップと、繊維の一部（３５）が金属被覆で被覆されるために装入物に浸漬されるように、張架されたセラミック材料繊維（２４）を坩堝の両側に配置されたボトムプーリ（２８）とトッププーリ（２６）との間を所定の速度で走行させるステップとから成り、
   前記方法がさらに、装入物に浸漬される繊維の一部を、装入物に浸漬される繊維の瞬間高さ（ｈ）が被覆作業を通じて一定のままであるように装入物の残余体積に応じて被覆時に移動させるステップから成り、装入物（２２）に浸漬される繊維の一部（３５）の移動が、繊維の走行方向に直角な方向に起こることを特徴とする、前記方法。
2. 装入物（２２）に浸漬される繊維の一部（３５）が、プーリ（２６、２８）のうちの１つと坩堝（１２）との間に挿置される少なくとも１つのホイール（３６）によって移動させられ、繊維の走行方向に直角に移動させることができる、請求項１に記載の方法。
3. 装入物（２２）に浸漬される繊維の一部（３５）が、装入物の繊維の一部の初期位置、装入物の初期特性、繊維の走行速度、および繊維の被覆ピックアップ容量に応じて計算される速度で移動させられる、請求項１または２に記載の方法。
4. 金属がチタン合金である、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. プーリ（２６）とプーリ（２８）との間の繊維の走行速度が、被覆を通じて一定に維持される、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 流体法によって金属でセラミック材料繊維を被覆するための装置であって、
   金属の装入物（２２）を溶融するのに適し、かつ球形になって浮揚した装入物（２２）を維持し、金属の装入物の浮揚が電磁場によって得られる坩堝（１２）と、
   セラミック材料の張架された繊維（３４）を受け入れるのに適し、かつプーリの間を走行する繊維の一部（３５）が金属被覆を受け入れるために装入物に浸漬され得るように坩堝の両側に配置されたトッププーリ（２６）およびボトムプーリ（２８）とを備えており、
   前記装置がさらに、装入物に浸漬される繊維の瞬間高さが被覆作業を通じて一定のままであるように、装入物に浸漬される繊維の一部を装入物の残余体積に応じて移動させるように被覆時に使用するための手段（３６、３８、４０）を含み、装入物（２２）に浸漬される繊維の一部（３５）の移動が、繊維の走行方向に直角な方向に起こることを特徴とする、前記装置。
7. 装入物に浸漬される繊維の一部が装入物の残余体積に合わせて移動させられる速度をサーボ制御するように、被覆時に使用するための手段をさらに含む、請求項６に記載の装置。

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