JP5858925B2 - 繊維から成る内部補強材を有する複合金属部品を製造する方法、それを実施するためのブランク、およびこのようにして得られる金属部品 - Google Patents

Description

本発明は、内部の繊維状の補強材、特にセラミック繊維を組み込むことによって複合金属部品を製造するためのプロセスに関し、また、プロセスを実行するのに使用されるプリフォーム、および得られる複合金属部品に関する。

本発明は、金属基複合材またはＭＭＣｓの分野に関する。

引張および圧縮強度いずれの機械的強度もさらに増加させながら金属部品の重量を低減するために、通常、金属マトリックスの中に繊維、たとえば炭素繊維、アラミド（たとえば、Ｋｅｖｌａｒ（Ｒ））繊維、またはセラミック繊維を組み込むことが推奨される。セラミック繊維、特に炭化珪素ＳｉＣ繊維は、航空機産業分野または航空宇宙分野、あるいは、たとえば（セラミック製ブレーキを用いて）制動するための安全分野において要求される、高温での高性能用途に特に使用される。

これらの部品の製造には、それ以前に金属被覆フィラメントからインサートを製造することが必要である。金属は、特に、これらの部品を取り扱うのに必要な弾性および可撓性を与える。

たとえば、仏国特許第２８８６２９０号明細書に説明されているこの種の補強部品を製造するための知られているプロセスは、マンドレルの周りに巻かれた被覆フィラメントのコイルを形成することを含んでいる。次いで、コイルは、インサートのためのハウジングを形成するようにキャビティが事前に機械加工されている、金属製主要本体または容器の中に組み込まれる。キャビティの深さは、コイルの高さよりも大きく、蓋のほぞがその中に挿入されるために形成される。

蓋は、熱間等静水圧圧密化ステップ中にシールされるためにキャビティの周囲に真空下で溶接され、その間に、蓋は変形され、コイルは、ほぞによって圧縮される。

熱間等静水圧圧密化技術は、１０００バール（ｂａｒ）程度の高圧、および同様に（１０００℃程度の）高温が数時間の間加えられるエンクロージャ内に部品を配置することにある。

この処理中に、被覆フィラメントの間の隙間が、クリープによって消失し、被覆フィラメントの金属シースが、一緒に溶接され、その中にセラミック繊維が延在する金属合金から成る高密度のアセンブリを形成するために拡散溶接によってキャビティの壁に溶接される。得られた部品は、次に所望の形に機械加工される。

本プロセスにより、ロータディスクまたは（ブリスクと呼ばれる）ブレード一体型ディスクなどの、軸対称の航空用部品を製造できるが、またリンク、シャフト、シリンダアクチュエータ本体、およびケーシングなどの非軸対称部品も製造することができる。

しかしながら、主要本体にキャビティを機械加工することは、特に底面と側壁との間のキャビティの底部の小さな丸み半径のために、実施するのが困難な作業である。この小さな丸み半径は、長方形の横断面を有しかつ小さな半径のフィラメントから形成されるインサートができるだけ小さなすきまで嵌合されるために、必要である。蓋に対応するほぞを機械加工することもまた、現れ出ない角度のため、および完全にキャビティと合致する形状を有することが必要であるということのために容易でない。

さらに、製造されるべき部品が、楕円形さもなければ長方形部分から成る軸対称ではなくて細長形状である場合には、長い長さにわたる正確な嵌め込みは、実現するのが困難である。このことは、非常に剛性のある被覆フィラメントたとえばセラミック繊維から形成されるインサートの場合にはなお一層困難であり、これには、完全に嵌合するハウジングの形成が必要になる。蓋は、繊維を離脱させないようにキャビティの中に正確に嵌合しなければならない。

したがって、機械加工は、通常、高い製造コストを招く。特に、その蓋を有する容器の主要本体の機械加工は、部品のトータルコストの実質的な部分を示している。これらのコストを低減し、ステップを簡単にするために、本出願人は、キャビティが蓋と共に直線のインサートを収容する製造プロセスを開発しており、その寸法は、蓋をこのインサートに位置出しできるようにするように設定される。次いで、キャビティは、たとえば液体窒素にこれを浸漬することによって、冷たいときに蓋の寸法を小さくすることによって、締まり嵌め作業によってシールされ、その後に、蓋は、締まり嵌めを生じるようにキャビティ内で膨張する。したがって、この解決策は、シールを生成し、それによってキャビティの形状を簡単にする。

このプロセスは、仏国特許出願第０８／５４５８９号明細書によって２００８年７月４日に出願された特許出願に説明されている。

仏国特許第２８８６２９０号明細書

この解決策は、次の理由のために、続いて起こる熱間等静水圧圧密化作業中に、蓋およびインサートを収容する容器のキャビティ内でのシールの損失という高い危険性を導くものである。

この作業は、容器−インサート−蓋アセンブリを二重の温度上昇／圧力上昇サイクルにかけることにある。圧力は、圧密化用ガス状流体、通常アルゴンによって加えられる。

温度上昇の影響を受けて、蓋と容器との間の締まり嵌め作業によって生じる応力が緩和する。同時に、容器外側の圧力もまた増加し、圧密化用ガスが、蓋と容器との間でインサートを収容するキャビティの中に浸透する。この種の浸透は、互いに対して、および／またはキャビティの壁に対してインサートのフィラメントのシースを圧密化し、拡散溶接することを妨げ、または低下させる場合がある。

この問題を解決するために、本発明は、蓋が圧密化段階以前に容器に事前溶接される処理を提案している。

より正確には、本発明の１つの主題は、繊維状の内部補強材を組み込むことによって複合金属部品を製造するためのプロセスであり、補強繊維を含む対応する形状のインサートを収容するための少なくとも１つのキャビティを金属本体または容器に機械加工するステップと、容器のキャビティの中のインサートの上に蓋を導入するステップであり、蓋が対面する容器の壁に押し付けられて保持される壁を有するステップと、この種の容器−インサート−蓋アセンブリに熱間等静水圧圧密化サイクルを実行するステップと、前記部品を得るために前記アセンブリを機械加工するステップとを含む、製造プロセスである。次いで、容器に対して蓋を押圧するこのステップは、容器−インサート−蓋アセンブリの温度が上昇され維持される拡散事前溶接熱処理によって継続され、それによって容器に蓋を固着する。

これらの条件のもとで、等静水圧圧密化は、最適化され、もはや特定の溶接を用いた蓋によって容器の外側クロージャを必要とせず、それによって、内部の事前溶接を介してインサートの中に漏れるガスがないことによる上質の圧密化をさらに保証しながら、コストを低減する。

前処理は、単独で熱的な第１段階の後に外部ホットプレス段階が続く熱間等静水圧圧密化サイクルの中に組み込まれることが好ましい。

特定の実施形態によれば、
事前溶接ステップの前に、締まり嵌め作業が、壁の間の圧縮締まり嵌めで終わるように蓋の対面する壁と容器の対面する壁との間で行われ、
この締まり嵌め作業は、蓋がキャビティの中に挿入され、次いで室温に戻ると膨張するに任せられる前に、その寸法を小さくするために蓋を冷却することによって、および／または蓋がその中に導入される前に、膨張によってそのキャビティの寸法を大きくするためにこの温度上昇中に容器を加熱することによって行われ、
冷却が、ドライアイスまたは液化ガス、特に液体窒素を用いて急冷によって行われる。

また、本発明の主題は、上で規定したプロセスの温度上昇段階中に組み立てられる金属部品のプリフォームである。このプリフォームは、金属本体または容器を備え、補強繊維インサートは、前記キャビティ内のインサート上に配置されかつ前記容器に固着される金属蓋と共に、容器に形成されるキャビティ内に配置される。

特定の実施形態によれば、
キャビティは、インサートを収容する長手方向の第１の主要部分と、第１の部分の延長部分として少なくとも第２の部分とを備え、蓋は、インサートを覆う中央部分と、少なくとも２つの異なる平面でインサートを部分的に包囲するようにキャビティの第２の部分に対応する形状を有する少なくとも１つの延長部分とを備える。したがって、蓋は、簡単で容易に実現できる形状寸法の金属ブロックを形成し、
蓋は、圧密化ステップの瞬間に、主要部分と蓋の少なくとも１つの延長部分との間に連続的な変形ゾーンを備え、
インサートおよびキャビティは、直線であり、その結果、蓋は、繊維を離脱させないように熱処理段階中にキャビティに正確に容器と適合し、
インサートは、多角形、特に長方形、楕円形、または円形から成るように選択される横断面を有し、
インサートは、一緒に束ねられ、かつ金属、特にチタンで被覆される繊維から形成され、それによって圧密化中に拡散溶接を容易にし、
プリフォームは、対応する形状のインサートを組み込む細長い形状のいくつかのキャビティを有し、キャビティは、平行であろうとなかろうと直線部分に沿って配置される。この配置により、直線ブランチを有する延伸された環状形状のインサートを使用することなく、多数の長手方向内部補強材を生ずることができ、これは、インサート用のキャビティの機械加工をインサートの形状に適合させることを必要とし、このことは、手際を要する面倒な作業である。繊維は、その長手方向に沿って本質的に作用するので、この多数の補強材は、部品の強度を犠牲にすることなく得られる。

本発明の他の特徴および利点は、添付の図面を参照して、次の詳細な例示的な実施形態を読むと明らかになるであろう。

本発明によるプロセスの熱処理の主要なステップを実施する例の概略断面図である。 本発明によるプロセスの熱処理の主要なステップを実施する例の概略断面図である。 本発明によるプロセスの熱処理の主要なステップを実施する例の概略断面図である。 本発明による金属部品プリフォームを製造するための組立作業の例の斜視シースルー図である。 本発明による金属部品プリフォームを製造するための組立作業の例の斜視シースルー図である。 本発明による圧密化されたインサートを組み込んだ着陸装置リンク部品の斜視図である。

この説明では、「上部の（ｕｐｐｅｒ）」および「下部の（ｌｏｗｅｒ）」のタイプの位置の用語は、地球重力（Ｅａｒｔｈ’ｓ ｇｒａｖｉｔｙ）の方向に対する物体の位置を示している。

図１ａの概略断面図を参照して、示される金属本体または容器１０は、たとえば着陸装置リンクを形成することが意図される。キャビティ１２は、容器１０にその上面Ｆ_ｓから機械加工されている。このキャビティは、その下部のインサート１４とその上部の蓋１６とを受け入れ、蓋は、インサートを覆っている。

図１ａに示される例では、蓋１６は、等静水圧圧密化段階において下で言及されるように材質補正の理由で容器１０の上面Ｆ_ｓから突出している。

キャビティ１２、インサート１４、および蓋１６は、相補的な形状から成り、技術的制約を考慮して、それらの間に、全く隙間がないか、または可能な限り小さな最小隙間を有するように機械加工される。特に、蓋１６および容器１０は、先に圧力を加えることによって互いに当たっている壁１６ａおよび壁１０ａを有する。

締まり嵌め作業は、蓋を液体窒素で予冷却することによって蓋および容器の対面する壁の間で実施されることが有利である。次いで、蓋は、すべての方向に収縮し、キャビティ内でインサートの上に配置される。次に来る事前溶接段階中に温度が上昇するにつれて熱くされると、蓋は、すべての方向に膨張し、次いで、蓋および容器の対面する壁は、互いに押し当たり、その結果締まり嵌めを形成する。

次いで、熱間拡散事前溶接サイクルが、等静水圧圧密化をその後行うことができる適切なエンクロージャ（図示せず）において実行される。温度上昇およびこのサイクルの持続時間は、容器の金属が拡散するように適応される。事前の与圧は、この温度上昇中に応力が十分に緩和できるように計算される。

例では、金属は、チタン合金であり、溶接温度は、８５０℃と１０００℃との間である。チタン合金の場合、温度保持時間は、少なくとも３０分である。この事前溶接は、完全にまたは少なくとも部分的に蓋を容器に固着する。容器および蓋は、同じ金属−例ではチタン合金で作られることが有利である。この固着処理の後に、次いで、容器１０および蓋１６は、図１ｂに概略的に示されるように、繊維状インサート１４を取り囲むただ単一の実在物だけを形成し、蓋は、依然として上面Ｆ_ｃに突出部分１６ｓを形成する。

次いで、熱間等静水圧圧密化作業は、図１ｃに概略的に示されるように実施される。圧力（矢印Ｆ）が、容器１０の面のすべてに直角に加えられ、その結果蓋が潰れるようになる。１０００バールおよび１０００℃程度までそれぞれ達する場合がある加圧ガスの注入および温度により、インサート１４のマトリックスの金属は、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することができる。

インサートの体積が約１５％から２０％だけ減少することを知って、蓋の寸法は、蓋１６の上面１６ｓが、加圧中に容器１０の上面Ｆ_ｓと同じ高さになるように、事前に計算される。プロセスの終わりに、容器、蓋、および繊維は、図１ｃにクロスハッチングを付して示される収縮量１８および１９によって示されるように、圧密化される。

したがって、部品のブランクは、マトリックス内に閉じ込められるフィラメントによって補強される。最終の機械加工作業は、所望の形状で部品を得る働きをする。

図２ａおよび図２ｂに示される斜視図は、プリフォーム２０を製造する目的で構成部品の組立を具体的に示している。構成部品は、キャビティ１２を有する細長い形状の容器１０を備え、またこれは、細長い形状、ブロックの形の直線のインサート１４および蓋１６から成る。

機械加工されたキャビティ１２は、平坦な底部、および底部に対して直角な壁を有する直線である。底部が壁に合流する表面は、インサート１４をできるだけ小さなすきまで嵌合できるようにするように小さな曲率半径を有する。キャビティは、中央部分１２ｃと、中央部分の両側に長手方向延長部分を形成する２つの環状端部部分１２ｅおよび１２ｅ’とを備える。

中央部分１２ｃは、直線のインサート１４を嵌合するためのハウジングとして役立つことが意図される。インサートは、金属被覆セラミック繊維のアセンブリから形成され、金属は、実施形態の例ではチタンである。

蓋１６の形状は、いったんこれがそのハウジングに配置されると、インサート１４を取り囲むようなものである。蓋１６は、全体にわたるブロック形状と、キャビティ１２の寸法にできるだけ近づけて調整される寸法とを有し、中央部分１６ｃならびに端部部分１６ｅおよび１６ｅ’は、中央部分の長手方向延長部分を形成する。端部部分は、蓋がその上面Ｆ_ｉおよびその端面Ｆ_ｅおよびＦ_ｅ’、すなわち３つの異なる平面でインサートを取り囲むようになっている。

蓋の端部部分１６ｅおよび１６ｅ’の高さＨは、その中央部分１６ｃの高さ１６ｈとインサート１４の高さの和に対応し、キャビティ１２の深さよりも僅かに大きい。蓋の端部部分１６ｅおよび１６ｅ’は、それぞれインサート側面でキャビティの底部において空間を残す面取り面１６ｐおよび１６ｐ’を有する。これらの面は、圧密化中に蓋の変形を容易にする自由空間を画定する。

例では、プリフォーム２０を得るために、蓋を容器に固着するステップは、締まり嵌め作業の前に置かれることが有利である。これを行うために、蓋１２の温度は、蓋がすべての方向に収縮することになるように、急速に低下される。それを行う１つの簡単な手段は、液体窒素にこれを浸漬することである。冷却された後に、蓋は、次いでキャビティに容易に配置される。膨張すると、蓋は、容器の側壁に圧縮によってしっかりと嵌合する。

従来、等静水圧圧密化エンクロージャ（図示せず）は、あるいは１０００℃までおよびそれ以上の広い温度範囲内で加熱を調整するための手段と、真空を生成するための手段と、１０００バールまでおよびそれ以上の高圧を加えるための手段とを含む。

拡散溶接サイクルの温度は、容器および蓋を構成する金属、ここではチタン合金を従来通り溶接するための温度である。

熱処理、特に事前溶接段階は、圧密化設備で行われることが有利である。したがって、事前溶接および圧密化は、連続的な連鎖にある。

蓋１６の上面Ｆ_ｃは、プリフォーム２０の熱間等静水圧圧密化を完成するために１０００バールまで加圧されると、沈下する。

より正確には、インサートは、チタン合金で被覆される繊維の束から形成される。処理により、このインサートの体積の減少および緻密化が生じるので、蓋は、ピストンのようにキャビティの中に下降する。面取り面１６ｅおよび１６ｅ’によって形成される遷移ゾーンにより、蓋の任意の損傷を生じる剪断力なしに、蓋が変形できるようになる。このように得られるブランクは、所望の金属部品を製造するためにすぐにも機械加工され得る。

本発明は、説明され示された実施形態の例に限定されるものではない。

容器の上に蓋を押圧することは、板ばね、機械的スペーサ等を導入することによって、当業者の能力の範囲内で任意の手段によって行われ得る。

機械加工されるべき部品のタイプに応じて、補強されるべき部品の構造に適合されるいくつかのインサートを組み込むことが必要である。

したがって、図３に示されるリンク部品３０では、穴３４、３５、３５’、および３６が機械加工される前に、インサートは、非並行脚部３３、３３’のそれぞれの直線部分３１および３１’のそれぞれについて本発明の方法を用いて圧密化されている。インサートは、引張り荷重と圧縮荷重の両方の伝達を確実にする。

本発明のプロセスにより、これらの条件のもとで、この部品の長手方向部分に１つまたは複数のインサートを組み込む任意の部品を製造することができる。

さらに、蓋の形状は、変更することができ、部分的にまたは完全にインサートを取り囲むことができる。この場合には、いくつかの蓋が、たとえば貫通キャビティを設けることによってインサートを取り囲むことができ、インサートは、キャビティの中央に配置され、２つの蓋は、容器の２つの対向する面からインサートの両側に配置される。

Claims (9)

1. 繊維状の内部補強材（１４）を組み込むことによって複合金属部品（３０）を製造するための製造プロセスにして、
   補強繊維を含む対応する形状のインサート（１４）を収容するための少なくとも１つのキャビティ（１２）を金属本体または容器（１０）に機械加工するステップと、
   容器のキャビティ（１２）の中のインサート（１４）の上に蓋（６）を導入するステップとを含み、蓋が対面する容器の壁（１０ａ）に押し付けられて保持される壁（１６ａ）を有し、前記製造プロセスがさらに、
   拡散事前溶接熱処理を実行するように蓋および容器を加熱するステップを含み、前記拡散事前溶接熱処理において、蓋（６）を容器（１０）に固着するように、容器−インサート−蓋アセンブリの温度が上昇しかつ維持され、前記製造プロセスがさらに、
   前記容器−インサート−蓋アセンブリに熱間等静水圧圧密化サイクルを実行するステップと、
   前記複合金属部品（３０）を得るために前記アセンブリを機械加工するステップとを含む製造プロセスであって、
   前記拡散事前溶接熱処理が、熱間等静水圧圧密化サイクルに組み込まれ、該熱間等静水圧圧密化サイクルにおいて、単独で熱的な段階の後に外部ホットプレス段階が続くことを特徴とする、製造プロセス。
2. 拡散事前溶接熱処理の前に、締まり嵌め作業が、壁の間の圧縮締まり嵌めを得るように、蓋（１６）の対面する壁（１６ａ）と容器（１０）の対面する壁（１０ａ）との間で行われる、請求項１に記載の製造プロセス。
3. 締まり嵌め作業が、蓋（１６）がキャビティの中に挿入される前に、寸法を小さくするために蓋（１６）を冷却し、次いで室温に戻ると蓋（１６）が膨張することによって、および／または蓋（１６）がキャビティの中に導入される前に、膨張によってそのキャビティ（１２）の寸法を大きくするために容器（１０）を加熱することによって行われる、請求項２に記載の製造プロセス。
4. キャビティ（１２）が、インサート（１４）を収容する長手方向の第１の主要部分（１２ｃ）と、第１の主要部分の延長部分として少なくとも第２の部分（１２ｅ、１２ｅ’）とを備え、蓋（１６）が、インサート（１４）を覆う中央部分（１６ｃ）と、少なくとも２つの異なる平面でインサート（１４）を部分的に包囲するようにキャビティ（１２）の第２の部分（１２ｅ、１２ｅ’）に対応する形状を有する少なくとも１つの延長部分（１６ｅ、１６ｅ’）とを備える、請求項１から３のいずれか一項に記載の製造プロセス。
5. 蓋（１６）が、中央部分（１６ｃ）と少なくとも１つの延長部分（１６ｅ、１６ｅ’）との間に連続的な変形ゾーン（１６ｐ、１６ｐ’）を備える、請求項４に記載の製造プロセス。
6. インサート（１４）およびキャビティ（１２）が所定の方向に平行な複数の平面からなる、請求項４または５に記載の製造プロセス。
7. インサート（１４）が、多角形、楕円形、または円形から成るように選択される横断面を有する、請求項６に記載の製造プロセス。
8. インサート（１４）が、一緒に束ねられ、かつチタンで被覆される繊維から形成される、請求項４から７のいずれか一項に記載の製造プロセス。
9. 対応する形状の１つまたは複数のインサート（１４）を組み込む細長い形状の少なくとも１つのキャビティ（１２）が機械加工され、１つまたは複数のキャビティが、所定の方向にほぼ一定の形状を有する金属本体の１つまたは複数のまっすぐな部分に沿って配置され、対応する形状の１つまたは複数のインサート（１４）が、少なくとも１つのキャビティ（１２）に組み込まれることを特徴とする、請求項４から８のいずれか一項に記載の製造プロセス。

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