JP5844729B2 - ハイブリッドコンポーネント - Google Patents

Description

本発明は、好ましくは実質的に異なる材料特性を有する少なくとも２つの金属部分を備えるハイブリッドコンポーネントを形成する方法に関する。本発明は、こうして形成したハイブリッドコンポーネントにも関する。

金属コンポーネント間の接合は、現在多くの方法で取り組まれているが、それぞれの方法に限界がある。

ファスナの使用が一般的であるが、これは、フランジのボルト締めを必要とするためコンポーネントの重量の増加につながる。ボルト締めを可能にするために穿孔する孔は、亀裂発生部位として働く可能性のある応力集中も引き起こす。したがって、締結継手は、多くの航空宇宙用途に適していない。

異種金属材料同士を接合する一般的な方法は、溶接又はろう付けである。しかしながら、これらのプロセスには限界がある。溶接は、特定の材料及び材料の組み合わせでしか行うことができず、溶接プロセスは、脆弱で耐疲労性能に悪影響を及ぼし得る局部的な熱影響部を導入する可能性がある。

金属部分間では接着継手が可能である。しかしながら、これは剥離及び引張りに弱く、従来の航空宇宙用構造内での使用の適性が限られる。接着剤は、水分及び高温に敏感な傾向もあるため、多くの用途に適さない。

特許文献１は、金属コンポーネントの結合面に積層造形（additive fabrication）プロセスで表面突起を一連の層状に「成長させる」方法を記載している。接着剤薄層を用いて、相補的な表面突起を有する一対の金属コンポーネントを貼り合わせることができる。相補的な突起は、結合部の表面積を改善する。

国際公開第２００８／１１０８３５号明細書

本発明の第１の態様は、少なくとも２つの金属部分を備えるハイブリッドコンポーネントを形成する方法であって、第１の金属部分の取り合い面（interfacing surface）に少なくとも１つの肉眼で視認可能な取り合い特徴部（interfacing feature）を形成することにより、この部分を準備するステップと、第１の部分をモールド内に位置決めするステップと、金属粉体をモールド内及び取り合い特徴部（単数又は複数）の周りに導入するステップと、金属粉体を熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）プロセスにより固結させて、取り合い特徴部（単数又は複数）を封入する第２の金属部分を形成し、コンポーネントの第１の部分と第２の部分との間に機械的接続を提供するステップと、を含む方法を提供する。

本発明のさらに別の態様は、少なくとも２つの金属部分を備えるハイブリッドコンポーネントであって、第１の金属部分は、この部分の取り合い面に形成した少なくとも１つの肉眼で視認可能な取り合い特徴部を有し、第２の金属部分を、金属粉体を取り合い特徴部（単数又は複数）の周りで熱間静水圧プレスプロセスにより固結させることにより形成して、コンポーネントの第１の部分と第２の部分との間に機械的接続を提供した、ハイブリッドコンポーネントを提供する。

本発明は、ハイブリッドコンポーネントを少なくとも２つの部分で形成することができるという点で有利である。このように、第１の金属部分及び第２の金属部分は、種々の目的に最適化した材料で形成することができる。例えば、第１の部分の材料は、複合材料に接合するように最適化することができる一方で、第２の金属部分は、比較的安価な材料で形成することができる。ＨＩＰプロセスは、約１００ＭＰａを超える高圧で通常は実行する。高圧を用いるため、取り合い特徴部（単数又は複数）が複雑な形状を有する場合でも、取り合い特徴部（単数又は複数）の周りでの金属粉体の固結により、空隙も欠陥もほとんど又は全くない高密度のハイブリッドコンポーネントを作ることができる。これは、鋳込み成形又は金属射出成形等の他の形成プロセスと比較して特に有益である。こうしたプロセスでは、取り合い特徴部（単数又は複数）の周りに若干の局在欠陥ができる可能性があり、これらのプロセスに起因してコンポーネントに若干の空隙が内在することになる。実際には、ハイブリッドコンポーネントは、第２の部分を鋳込み成形により形成した場合、鋳込み成形プロセスにより生じた孔隙を閉じるために製造後にＨＩＰプロセスを施すことが多い。したがって、本発明のハイブリッドコンポーネントを形成する方法は、より少ないステップでコンポーネントを形成できるという点で有利である。

取り合い特徴部（単数又は複数）は巨視的である。すなわち、取り合い特徴部は、概して少なくとも１ｍｍの寸法を有する。取り合い特徴部は、単なる表面粗さ以上のものであり、第１の部分と第２の部分との間で明確な機械的接続を形成する。好ましくは、取り合い特徴部（単数又は複数）は、少なくとも５ｍｍの寸法を有する。

取り合い特徴部（単数又は複数）は、取り合い面上に一連の層状に成長させることができ、各層は、エネルギー及び／又は材料を取り合い面に指向させることにより成長させる。用いることができる適当な積層造形技法は、粉体層（powder bed）プロセス又は粉体供給プロセスである。代替的に、取り合い特徴部（単数又は複数）は、機械加工により形成することができる。取り合い特徴部は、取り合い面から延びる突起の配列であり得る。代替的に、取り合い特徴部は、複数の枝を有する樹状突起であり得る。さらにまた、取り合い特徴部は、取り合い面における一連の凹部若しくは溝又は凹部若しくは溝の配列であり得る。

取り合い特徴部（単数又は複数）を有する第１の部分は、モールド内に固定することができ、金属粉体を流動性材料として導入して、モールドに充填し取り合い特徴部（単数又は複数）を包囲させることができる。

ハイブリッドコンポーネントは、ブラケット本体（第２の部分）及び取り合いストリップ（第１の部分）を備えるブラケットコンポーネントであり得る。

第２の部分を周りに形成するときに第１の部分の取り合い特徴部がその完全性を保持するように、第１の部分の材料は、第２の部分の材料よりも高い融点を有することが好ましい。第１の部分の材料は、第２の部分の材料よりも高いヤング率、耐食性、又は破壊靭性の少なくとも１つを有し得る。

好ましくは、第１の部分は第２の取り合い面を有し、突起の配列を、別のコンポーネントへの埋め込み用に第２の取り合い面から延ばして形成する。突起は、第２の部分の形成前又は形成後に第２の取り合い面に形成することができる。他方のコンポーネントは、複合コンポーネントとすることができ、積層複合コンポーネントであることが好ましい。第１の取り合い面及び第２の取り合い面は、第１の部分がハイブリッドコンポーネントの取り合いストリップとして働くように第１の部分の両面にあり得る。

次に、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

ブラケット本体及び取り合いストリップを含む、第１の実施形態のハイブリッドブラケットコンポーネントの断面図を示す。 第１の実施形態の取り合いストリップの断面図を示す。 熱間静水圧プレスモールドでの第１の実施形態のハイブリッドブラケットコンポーネントの形成の断面図を示す。 ブラケット本体及び取り合いストリップを含む、第２の実施形態のハイブリッドブラケットコンポーネントの断面図を示す。 第２の実施形態の取り合いストリップの断面図を示す。 複合コンポーネントに接合した第２の実施形態のハイブリッドブラケットコンポーネントの断面図を示す。 ブラケット本体及び取り合いストリップを含む、第３の実施形態のハイブリッドブラケットコンポーネントの断面図を示す。 ブラケット本体及び取り合いストリップを含む、第４の実施形態のハイブリッドブラケットコンポーネントの断面図を示す。

図１に示すハイブリッドブラケットコンポーネント１は、第１の金属部分及び第２の金属部分を備える。第２の金属部分は、ブラケットコンポーネント１の本体２を形成し、第１の金属部分は、取り合いストリップ３を形成する。

次に、図１に示すハイブリッドブラケットコンポーネント１を形成する方法を詳細に説明する。まず、巨視的な取り合い特徴部４の３次元配列を矩形板６の取り合い面５に形成して、取り合いストリップ３を形成し、これを図２に示す。取り合い特徴部４は、尖端７及び張出部８をそれぞれが有する突起の配列である。

図３に示すように、取り合い特徴部４を有する取り合いストリップ３は、２つ割りの熱間静水圧プレスモールド９に、取り合い特徴部４をモールド内に向けて組み込む。モールド９は、取り合いストリップ３の縁部１１を収容する凹部１０を有する。取り合いストリップ３が所定位置にある状態で、モールド９は、ブラケットコンポーネント１の本体２の形状に概ね対応する内部体積を画定する。

ポート１２，１３を介して、金属粉体をモールド９に導入して内部体積に充填する。金属粉体は、取り合いストリップ３の取り合い特徴部４を包囲する。続いて、モールド９内の組立体に、金属粉体を固結させて固体の高密度部分である本体２にする温度及び圧力で、熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）を施す。これにより、２つの金属部分２，３間に機械的接続を発生させてハイブリッドブラケットコンポーネント１を形成する。続いて、ハイブリッドブラケット１をＨＩＰモールド９から取り出す。

取り合いストリップ３は、Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ等のチタン製である。本体２は、アルミニウム製である。ハイブリッドブラケット１は、コンポーネント全体で傾斜機能材料を有する傾斜機能部品である。ハイブリッドブラケット１は、その露出面１４の１つの耐食性及び破壊靭性が改善されていると同時に、主にアルミニウム製であるため全体的に軽量且つ比較的安価であるという点で有利である。

取り合いストリップ３の材料が本体２の材料よりも高い融点を有することで、本体２をＨＩＰプロセスで成形するときに、取り合いストリップ、特にその取り合い特徴部４がその構造的完全性を保持するようになることが重要である。

当業者には明らかであるが、２つの金属コンポーネントの材料は、種々の用途に適した傾斜機能ハイブリッド部品を提供するように変更することができる。さらに、ハイブリッドコンポーネントが３つ以上の金属部分を含み、追加の金属部分それぞれを別個のＨＩＰモールドで形成することもできる。第１の金属部分の材料は、第２の金属部分の材料よりも高いヤング率、耐食性、又は破壊靭性の少なくとも１つを有し得る。

ＨＩＰプロセスによる追加の金属部分の形成の代替として、金属射出成形、鋳込み成形、又は他の適当なプロセスを代替的に用いてもよい。

取り合い特徴部４は、取り合い面５に一連の層状に順次成長させ、これは、積層造形プロセス、つまり特許文献１（第８欄〜第１１欄を参照）に記載のような粉体層プロセス又は粉体供給プロセスにより行う。粉体層プロセスでは、金属粉体の層を支持部材上で圧延し、レーザヘッドが、レーザを粉体層の選択部分に指向させて粉体層を走査する。溶融した粉体の固化のための休止後に、焼結に備えて別の粉末層を前の層の上に圧延する。したがって、プロセスの進行に伴い、焼結部分が構成され、未固結粉体部分により支持される。焼結部分の完成後、これを支持部材から取り外し、未固結粉体を除去する。粉体層プロセスを用いて、板６及び取り合い特徴部４を含む金属取り合いストリップ３の全体を形成することができる。

粉体供給システムを用いて、予め製造した板６上に連続して取り合い特徴部４を蓄積させることができる。粉体供給システムは、取り合い特徴部を直列又は並列に成長させることができるが、粉体層システムは、取り合い特徴部を並列に成長させることしかできない。粉体供給システムでは、未焼結粉体がチャネルを通ってレーザビームの焦点に流れ込む。粉体は、堆積するにつれて溶融してビーズを形成し、これが既存の材料と共に固結する。粉体は、取り合い面５の選択部分にのみ指向させ、送出しつつ溶融させる。特許文献１に記載の粉体層システム又は粉体供給システムのレーザ源は、電子ビームを指向させるための電子ビーム源等の別のパワービーム源に置き換えることができる。

代替的に、取り合い特徴部４は、国際出願第２００４／０２８７３１号明細書に記載のプロセスを用いて、板６の取り合い面５から表面材料を「めくり上げて（flick-up）」特徴部４を彫刻するために、電子ビーム等のパワービームを用いることにより生成することができる。

取り合い特徴部４は、機械加工により形成することもできる。

ハイブリッドブラケットコンポーネント２１の第２の実施形態を図４に示す。ハイブリッドブラケット２１は、第１の金属部分及び第２の金属部分を備える。第２の金属部分は、ブラケットコンポーネント２１の本体２２を形成し、第１の金属部分は、取り合いストリップ２３を形成する。

ハイブリッドブラケット２１は、ハイブリッドブラケット１と同様であるが、取り合いストリップ２３が、矩形板２６の第１の取り合い面２５上の巨視的な取り合い特徴部２４の配列に加えて、第１の取り合い面２５の反対側の第２の取り合い面３６に突起３５の配列を含む点が異なる。

図４に示すハイブリッドブラケットコンポーネント２１を形成する方法は、第１の実施形態に関して上述したものと同様であるが、第２の取り合い面３６に突起３５の配列を形成するステップを追加する。取り合い特徴部２４は、尖端２７及び張出部２８をそれぞれが有する突起の配列である。突起３５は、突起２４とは逆向きであり、同じく尖端３７及び張出部３８をそれぞれが有する。

取り合い特徴部２４及び突起３５は、特許文献８に記載の積層造形プロセスの１つにより、取り合い面２５，３６に一連の層状に順次成長させる。代替的に、取り合い特徴部２４及び突起３５は、国際公開第２００４／０２８７３１号明細書に記載のプロセスにより、又は機械加工により形成することができる。２組の突起２４，３５の形成に用いる方法に応じて、第１の組の突起を取り合い面の一方に形成した後に板２６を反転させることで、他方の組の突起を取り合い面の他方に形成できるようにする必要があり得る。

本体２２は、第１の実施形態に関して上述したのと同様の方法で形成し、ＨＩＰプロセスで取り合い特徴部２４の周りで金属粉体を固結させることによりハイブリッドブラケットコンポーネント２１を形成する。

上記方法の代替として、第２の実施形態のハイブリッドブラケットコンポーネント２１は、ハイブリッドブラケットコンポーネント１を採用して、上述の突起形成法のいずれかにより露出面１４上に突起３５の配列を形成することにより形成してもよい。

ハイブリッド貫入強化型（Hybrid Penetrative Reinforcement）（ＨＹＰＥＲ）継手は、ブラケットコンポーネント２１の突起３５の配列を複合コンポーネントに埋め込んでから、コンポーネントを共硬化させることにより形成することができる。ＨＹＰＥＲ継手の形成は、特許文献１（第７欄及び第８欄を参照）に詳述されている。

ブラケットコンポーネント２１は、突起２５を外向きにしてモールドに組み込み、複合レイアップ材をモールドに敷く。複合レイアップ材は、未硬化エポキシ樹脂を予備含浸した一連の一方向性炭素繊維プライを備える。各プライは、「プレプレグ」として従来既知である。初期のプレプレグには、突起３５を貫通させる。レイアップ材の形成後、いわゆる「減圧バッグ」プロセスによりこれを硬化及び固結させる。すなわち、レイアップ材を真空膜（及び随意に、通気層又はピールプライ等のさまざまな他の層）により覆い、真空膜から排気して固結圧力を加えるとともに水分及び揮発物を抽出し、レイアップ材を（随意にオートクレーブで）加熱してエポキシ樹脂マトリックスを硬化させる。エポキシ樹脂マトリックスは、硬化前に溶融すると流れて突起３５と密着する。突起は、マトリックスと機械的に係合する一方で、結合部の表面積も拡大する。得られるＨＹＰＥＲ継手を図６に示し、この場合、ブラケットコンポーネント２１は、モールドからの取り出し後に複合コンポーネント４０に接合した。接合したコンポーネントは、続いてさまざまな他のコンポーネントと組み立てることができる。

上述のＨＹＰＥＲ継手を形成する方法の代替として、プライをドライ繊維プライとしてモールドに敷き、その後そこに樹脂を注入して硬化させ、複合コンポーネント４０を形成してもよい。

突起のプロファイルは、複合コンポーネントへの埋め込みに最適化することができる。各突起は、円錐状の先端、円錐台形の底部、及び逆円錐台形の張出部を有し得る。張出部は、傾斜して第２の取り合い面の方を向いたアンダーカット縁部を有し得る。円錐状の先端及び逆円錐台形の張出部は、合わせて各突起の「頭部」を形成する。

上述の実施形態では、取り合い特徴部は、尖端及び張出部をそれぞれが有する突起の配列である。しかしながら、取り合い特徴部が多くの異なる形態をとり得ることが理解されよう。

図７は、本体１０２及び取り合いストリップ１０３を備えるハイブリッドブラケットコンポーネント１０１の第３の実施形態を示す。取り合いストリップは、その取り合い面１０５に形成して樹状構造を有する単一の取り合い特徴部１０４を有する。図８は、本体２０２及び取り合いストリップ２０３を備えるハイブリッドブラケットコンポーネント２０１の第４の実施形態を示す。取り合いストリップは、その取り合い面２０５に一連の溝として形成した取り合い特徴部２０４の配列を有する。

図７及び図８に示す実施形態の取り合い特徴部（単数又は複数）１０４／２０４は、例えば、前述の積層造形プロセス、表面彫刻プロセス、又は機械加工プロセスの１つにより形成することができる。ブラケットコンポーネント１０１／２０１の本体１０２／２０２は、前述のＨＩＰプロセスを用いて取り合い特徴部（単数又は複数）１０４／２０４の周りで金属粉体を固結させることにより形成することができる。取り合いストリップ及び本体に前述と同様の材料を用いることができる。ハイブリッドブラケットコンポーネント１０１／２０１は、第２の実施形態を参照して上述した方法を用いてＨＹＰＥＲ継手を形成することにより、複合コンポーネントに接合することができる。

本発明を１つ又は複数の好適な実施形態を参照して上述したが、添付の特許請求の範囲に定める本発明の範囲から逸脱することなく、種々の変更及び変形が可能であることが理解されよう。

Claims (15)

1. 少なくとも２つの金属部分を備えるハイブリッドコンポーネントを他のコンポーネントに接合する方法であって、
   前記ハイブリッドコンポーネントが、第１の金属部分における取り合い面に少なくとも１つの肉眼で視認可能な取り合い特徴部を形成することにより、当該第１の金属部分を準備するステップと、前記第１の金属部分をモールド内に位置決めするステップと、金属粉体を前記モールド内及び前記取り合い特徴部の周りに導入するステップと、前記金属粉体を熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）プロセスにより固結させて、前記取り合い特徴部を封入する第２の金属部分を形成し、前記コンポーネントの前記第１の金属部分と前記第２の金属部分との間に機械的接続を提供するステップと、を含む方法により形成され、
   前記ハイブリッドコンポーネントの前記第１の金属部分における他の取り合い面から延びる突起の配列を形成するステップと、
   前記突起を前記他のコンポーネントに埋め込むステップと、
   を有する、方法。
2. 請求項１に記載の方法において、前記取り合い特徴部は、前記取り合い面上で、エネルギー及び／又は材料を前記取り合い面に指向させることによって成長する各層を含む一連の層状に成長する、方法。
3. 請求項１に記載の方法において、前記取り合い特徴部は、機械加工により形成する、方法。
4. 請求項１に記載の方法において、前記取り合い特徴部は、尖端を有する、方法。
5. 請求項１に記載の方法において、前記取り合い特徴部は、前記取り合い面から延びる突起の配列である、方法。
6. 請求項１に記載の方法において、前記取り合い特徴部は、複数の枝を有する樹状突起である、方法。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法において、前記第１の金属部分の材料は、前記第２の金属部分の材料よりも高い融点を有する、方法。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法において、前記第１の金属部分の材料は、前記第２の金属部分の材料よりも高いヤング率、耐食性、又は破壊靭性を有する、方法。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法において、前記第２の金属部分は、前記ＨＩＰによる固結により高密度にする、方法。
10. 請求項１に記載の方法であって、前記取り合い特徴部は張出部を有する、方法。
11. 請求項１に記載の方法において、前記突起は、前記第２の金属部分の形成前又は形成後に前記第１の金属部分の前記第２の取り合い面に形成する、方法。
12. ハイブリッドコンポーネントと別のコンポーネントとの間の継手であって、
    前記ハイブリッドコンポーネントは、少なくとも２つの金属部分を備え、
    第１の金属部分が、前記第１の金属部分の取り合い面に形成した少なくとも１つの肉眼で視認可能な取り合い特徴部を有し、第２の金属部分が、金属粉体を前記取り合い特徴部の周りで熱間静水圧プレスプロセスにより固結させることにより形成されて、前記第１の金属部分と前記第２の金属部分とが機械的に接続され、
    前記ハイブリッドコンポーネントの第１の部分は、その第２の取り合い面から延びる突起の配列をさらに備え、前記突起の配列が、他方のコンポーネントに埋め込まれる、継手。
13. 請求項１２に記載の継手において、前記他方のコンポーネントは複合コンポーネントである、継手。
14. 請求項１２又は１３に記載の継手において、前記他方のコンポーネントは積層コンポーネントである、継手。
15. 請求項１２〜１４のいずれか１項に記載の継手において、前記取り合い面は前記第１の金属部分の両面にある、継手。

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