JP6125421B2 - 金属マトリックス複合体から作製された細長いインサートを製造する方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属マトリックス複合材料の分野に関し、より詳細にはその主題は、金属部品を補強するための、金属マトリックス内にセラミック繊維を含むものから形成されたインサートを製造する方法である。

特に航空学分野では、部品の強度を最小限の重量および外形寸法に対して最適化することが不変の目的である。特定の部品は、現在、これ以後「ＣＭＭ」と呼ばれる金属マトリックス複合材料から作製されたインサートを含むことができ、この部品はまた、一体ものとすることもできる。そのような複合材料は、たとえば炭化ケイ素ＳｉＣセラミック繊維などの繊維が中に延びる、たとえばチタン合金Ｔｉである金属合金マトリックスを含む。そのような繊維は、チタンのものよりも著しく大きい引張強度を有する（通常、１０００ＭＰａに対して４０００ＭＰａ）。したがって、力を吸収するのは繊維であり、金属合金マトリックスは、部品の残りの部分との結合機能を実行し、相互に接触してはならない繊維を保護および分離する。さらに、セラミック繊維は、耐食処理されるが、金属によって必ず補強されなければならない。

これらの複合材料は、ブレードなどの一体部品のための補強材などの、ディスク、シャフト、シリンダ本体、ハウジング、支柱の製造に使用され得る。

たとえばターボジェット内の圧縮機ディスクの場合、知られている補強技術は、被覆繊維の円形巻き線を部品内に挿入することである。ＣＭＭインサートを製造する１つの技術は、Ｓｎｅｃｍａの名義で出願された欧州特許第１．７２６．６７７号明細書に説明された被覆糸を巻き付ける原理を利用する。インサートは、金属シースで覆われたセラミック繊維を各々が含む複数の被覆糸から得られる。このタイプの糸は、これ以後被覆糸と呼ばれる。この製造は、被覆糸の束または結合層を、回転部品の周りにその部品の軸に対して垂直に巻き付けるステップを含む。インサートは次いで、容器内で高温の静水圧圧縮のステップにかけられる。容器は、ＣＭＭ材料から作製されたインサートを受け入れるための空洞が中に機械加工され、その後高温の静水圧圧縮処理にかけられる金属部品ブランクである。この処理は、これ以後ＣＩＣと呼ばれる。

こうして得られた、説明された部品は、円形タイプのものであり、圧縮機ディスクだけでなく、シャフト、シリンダ本体またはハウジングなどの円形部品の製造にも特に適している。

他の機械部品は、円形部品によって示されるものとは異なる特性を必要とする。これは、特に、たとえば着陸システム内に使用される連結棒または本質的に楕円形状のものである、エンジンサスペンションなどの構造部品の場合である。これらの部品の機能は、一方方向のけん引力および／または圧縮力を伝達することである。これらの部品の補強は、このとき、少なくとも部分的に直線またはほぼ直線の形状であるＣＭＭから作製されたインサートを必要とする。具体的には、繊維は、力の方向に配向されなければならない。

これらのインサートの工業的および最小コストでの製造は、難しい。

ＣＭＭ材料から作製された少なくとも１つのインサートを備える機械部品を製造する方法が知られている。方法は、直線またはほぼ直線のセクションをその一部分が含む環状支持体の周りに、被覆糸の束または結合層を巻き付けることによってインサートブランクを製造することを含む。

ＳｎｅｃｍａおよびＭｅｓｓｉｅｒ−Ｄｏｗｔｙの名義の仏国特許出願公開第２．９１９．２８４号明細書で説明された方法は、この原理を展開し、このとき、第１の金属容器内に上記のインサートブランクを挿入すること、第１の容器を高温で静水圧圧縮すること、その後インサート要素を形成するために第１の容器を機械加工することとを含む。このインサート要素の製造後、機械部品を製造する方法は、以下のステップを含む：第２の容器内にインサート要素を挿入すること、第２の容器を高温で静水圧圧縮すること、および所望の金属部品を形成するために第２の容器を機械加工すること。こうして得られた機械部品、たとえば連結棒は、有利には、その中に組み込まれたセラミック繊維の方向に一方方向のけん引力および／または圧縮力を伝達することを可能にする。

インサートブランクの圧縮後に直線的なインサート要素になるように切断する中間のステップを経る代わりに、被覆糸を束として保ちながら、ブランクを形成する環状コイルを切断することを企図することが可能である。仏国特許出願公開第２．９２５．８９６号明細書は、このタイプの束を、両端部で開口する直線溝内に組み込むことを教示している。

欧州特許第１７２６６７７号明細書 仏国特許出願公開第２９１９２８４号明細書 仏国特許出願公開第２９２５８９６号明細書 仏国特許出願公開第２９３３４２２号明細書 仏国特許出願公開第２９３３４２３号明細書 仏国特許出願公開第２９１９２８３号明細書

上記の解決策は、これらの工程の工業化に影響を与えるいくつかの欠点を有する。

被覆糸は、非直線部分では失われる。半製造の被覆糸は、部品の総コストにおいてかなりのコストを占めるため、この損失は些細なものではない。

とりわけ長円形状上の巻き付けは、巻き付けられたインサート内に応力を引き起こし、切断時にインサートの変形を生じるリスクが発出される。

これらの技術は、被覆糸を切断ゾーンに沿って保つためにシステムの数を増大することを必要とする。

さらに、事前に組み立てられた被覆糸の層を巻き付けることによるコイリングに基づく技術は、特に、繊維に対して垂直な、すなわち四角形または矩形である断面を有するインサートの生産向けである。

特定の用途では、複合インサートと部品の構造の残りの部分との間の力の吸収を改善するために、正方形または矩形ではないセクションを備えたインサートを有することが望ましい。詳細には、たとえば台形または楕円形である断面を有する補強材は、硬度における急劇な変化を防止または少なくとも抑制し、したがって台形ゾーンの機械的強度を改善することを可能にする。

たとえば、着陸装置の部品、または横方向の取付体をその両端の間に含むエンジンを懸架するための連結棒などの細長い部品の場合、取付体に固定された部品の縁部に沿って繊維の数が少なくなる補強材が、この取付体における力のより良好な移行を可能にする。

本発明の目的は、コストが低減され、工業化が容易であるインサートを製造する技術を完全にすることである。

本発明の別の目的は、成形と呼ばれる、すなわち断面が正方形または矩形の形状とは異なり得るインサートの生成を可能にする製造技術である。

上記の目的は、金属被覆されたセラミック繊維で形成された、一緒に結合された被覆糸を含む、金属容器内にＣＩＣによって組み込まれるように設計された細長い形状のインサートを製造する方法であって、被覆糸を隣り合わせに、被覆糸の複数の層からなる束として置くこと、被覆糸の束を引っ張って成形要素を通過させ、それにより、その束を横断方向に圧縮しながら、それを成形要素によって決められた断面を有して形成すること、および成形要素の下流側に、束を横断方向に締め付けるストラップを置くことであるステップを含むことを特徴とする方法を用いて達成される。

好ましくは束は、糸リールから巻き出された被覆糸から成形される。

糸の束は、成形要素を通過する前、被覆糸の円形セクションから生じる裂目空間を有する。成形要素は、束に所望の形状を与えながら、糸および裂目空間の広がりを低減するように寸法設定される。工業化および糸の束の成形に関する問題が、こうして簡単に解決される。成形要素の通路断面は、インサートに望まれる横断面の形状に応じて自由に選択される。

１つの実施形態によれば、成形要素は少なくとも２つのロータリローラを備え、２つのローラの軸は、被覆糸の進行方向に対して垂直に配向される。輪郭を完成させるために、成形要素は、とりわけ、ローラ間に固定された横方向の支持体を備える。成形要素はまた、通路断面の輪郭を形成する複数のローラを備えることもできる。ローラの機能は、被覆糸の束の移動に伴いながら、その束上の摩擦を低減することである。固定された要素もまた、繊維の摩擦が低減されるまでに限り適するものである。

したがって、その通路断面が、直線、湾曲、または他の長円もしくは円形断面である側部を有する多角形である成形要素を成形することが可能である。

成形要素への繊維の誘導を容易にし、その後これらを束として保つために、ホイルとも呼ばれる金属シートが、有利には、束の被覆糸と成形要素の側部の少なくとも一部分との間に挿入される。

被覆糸の組立体は、インサートが成形要素を通過する下流側にインサートに沿って置かれたカラーまたはリングによって維持される。リングは、たとえば束がそれによって緊密に取り囲まれるストラップを形成する金属シートで形成され、ストラップの両端は、互いの上に折り畳まれた後に溶接される。

被覆糸の束は次いで、金属容器内に置かれたインサートの長さに対応する所望の長さに切断される。インサートの両端で被覆糸が広がり、その取り扱いおよび容器内への設置を難しくすることを防止するために、締め付けリングによって束を切り取ることが賢明であるが、その理由は、得られたリングの部分が端部に置かれ、束の締め付けをもたらすためである。

方法の１つの実施形態によれば、被覆糸は、束に組み合わされる前に、副組立体または基本束を形成するために成形要素方向に移動するように誘導される。これらは、互いに重ねられて前記束を形成する層になり得る。基本束は、別個のリールから副組立体の被覆糸を同時に巻き出すことによって形成される。たとえば、決められた数の層が得られるまで決められた数の被覆糸を平坦に並置することによって得られた直線の被覆糸の層のスタックを形成することがこうして可能である。より具体的には、第１の層が、とりわけ金属シートを含む支承面上に置かれ、最後の層が、成形要素によって重ね合わされる。層の代わりに、基本束は任意の断面形状を有することができる。

別の実施形態によれば、被覆糸は、成形要素の通路断面に集束するように置かれた複数のガイド、チャネル、またはチューブ内で基本束になるように組み合わせられる。

本発明の方法は、インサートの組み込み、金属容器内の実施、および組立体の高温の静水圧圧縮を含む金属部品を製造する方法の一ステップであり、これは、たとえば、Ｍｅｓｓｉｅｒ Ｄｏｗｔｙの名義の仏国特許出願公開第２９３３４２２号明細書または仏国特許出願公開第２９３３４２３号明細書に記載されている。

このタイプの方法によれば、
インサート用の少なくとも１つのハウジングが、容器を形成する金属体内に機械加工され、
前記インサートがハウジング内に置かれ、
金属カバーが、インサートを覆うように本体上に置かれ、
カバーが金属本体上に溶接され、
金属体とカバーの組立体が、高温の静水圧圧縮によって溶接され、
前記処理された組立体が、前記部品を得るように機械加工される。

本発明の解決策により、成形要素のすぐ下流で、インサートを容器に組み込むことが可能になる。たとえば、容器は、被覆糸の束が中に滑り入れられる長手方向の貫通ハウジングを備えることができる。この場合、保持リングまたは長手方向のホイルも省くことが可能である。

本発明はまた、少なくとも１つの繊維状の補強材を長手方向に含む細長い形状の部品にも関し、前記部品は前述の方法によって得られ、その補強材の断面は、矩形または正方形ではない台形または楕円形状などの形状を有する。

本発明は、添付の概略図を参照して、単に例示的でありかつ非限定的である例として与えられた本発明の実施形態の以下の詳細な説明的記載の中でより良好に理解され、その他の目的、詳細、特徴および利点がより明確になるであろう。

従来技術による、細長い形状の部品を製造するためのさまざまなステップ１ａから１ｄを示す図である。 本発明による、直線のインサートを製造するための設備の側面図である。 図２の設備の正面図である。 本発明によって製造されたインサートである。 成形ダイの変形形態を示す図である。

ＳｎｅｃｍａおよびＭｅｓｓｉｅｒ−Ｄｏｗｔｙの名義の仏国特許出願公開第２．９１９．２８４号明細書から抜き取られた図１の１ａは、たとえば、着陸装置の連結棒を形成するように設計された細長い形状の主要本体４を有する容器１を示している。本体４の２つの面上の各々には、溝４１が機械加工されている。この溝は、インサート３を収容することを可能にしており、インサート３は、円形の弓状部分によって両端において一緒に接合された、互いに平行でも平行でなくてもよい２つの直線部分を含む。インサートは、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のものである。

溝およびインサートは、インサートが溝内に隙間を有さずに嵌合されるように合致する形状のものである。容器内の溝およびカバー上のほぞは、０．２５ｍｍ程度の非常に小さい直径を有する繊維が、高温の静水圧圧縮中に抜けることを防止するために完璧に組み立てられなければならない。２つのカバー５は、ほぞ５１を形成する突起部分が設けられ、本体４の面を覆っている。ほぞは、溝内に収容されたインサート上に着座し、溝に差し込まれる。カバー５は、たとえば電子ビームによって本体４に溶接され、容器内部の真空を確実にする。

容器は図１の１ｂで見られ得る。容器は、インサートを示すために部分的に切り取られている。容器は次いで、適切な筺体内に置かれ、その中で高温の静水圧圧縮処理を受ける。この処理の目的は、容器、すなわちそのカバーおよび被覆糸の層を互いに対して固定し、一体部品を形成することである。図１の１ｃの容器の断面は、溝４１の縁部４２が、ほぞ５１に隣接するカバー５の部分と共に隙間を構成するように面取りされることを示している。高温の静水圧圧縮作業中、カバーの表面に対して垂直な方向に圧力が及ぼされ、カバーの崩壊を生じさせる。

それぞれ１０００℃および１０００バール程度の熱および圧力は、マトリックスの金属が、インサートを形成する被覆糸間の空きスペースを充填することを可能にする。インサートの体積は、約２３％減少する。したがってほぞが、溝の底部の方向に移動され、ほぞの両側の隙間が吸収される。プロセスの最後において、金属部分が拡散によって互いに溶接され、被覆糸のインサートが圧縮される。部品は、固体ブロック内に捕捉された被覆糸によってこうして強化される。

図１の１ｄは、透明に見られ得る２つのインサートを有して得られた部品ブランクを示している。ブランクは次いで、所望の部品を得るように機械加工される。セラミック繊維は、張力および圧縮力を伝達する部分のゾーン内にこうして組み込まれる。

この仏国特許出願公開第２９１９２８３号明細書の教示によって使用されるインサートは、環状のものであるが、仏国特許出願公開第２９１９２８４号明細書で説明されたように、これらは、細長い棒形状の要素で形成され得る。後者の場合、インサートは、事前に圧縮された後、本明細書で説明された技術によって容器内に組み込まれる。

仏国特許出願公開第２９１９２８４号明細書による直線インサートの生成は、被覆糸を、直線部分を有する環状形状のコイリング装置の周りに巻き付けることを含む。形状は、直線部分を有する楕円または直線部分をその辺が形成する多角形でよい。

１本または複数本の被覆糸を巻き付けてカラーとして形成した後、カラーの巻きは、溶接された金属ストラップによって互いに固定される。この組立体は、容器内に組み込まれ、上記で説明された技術によって高温の静水圧圧縮を受ける。この半仕上げ部分から、容器内に個々に組み込まれた細長い形状の圧縮インサートが、セラミック繊維補強材を有する部品の製造に合わせて機械加工される。

本発明によれば、インサートの生成は、房または束のように組み立てられた被覆糸１３から直接構成される細長い形状のインサートを形成することによって簡易化される。

図２を参照すれば、本発明の方法の実施を可能にする代表的な設備は、被覆糸１３が巻き付けられた複数のリール列１２を支持するスプール１０を備える。被覆糸は、それらが集束するチャネル型のスライド１４のシステム内にそれぞれのリールから引き出される。システムは、被覆糸を一緒にして束にする。この段階では、束は比較的広がっている。被覆糸は、有利には、互いに平行である、並置された被覆糸１３の複数の副組立体または層として置かれる。

薄いホイルまたは金属シート１６が、ガッタ１４の形態の工具の底部に置かれる。ホイルの金属は、好ましくは、インサートが意図される金属部分のものと同じである。たとえばこれはチタン合金である。

被覆糸は、下側ホイル１６上に着座する。これらは、たとえば層として互いに積み重ねられる。層の幅、層を形成する被覆糸の数は、ベースから上側層にかけて変わり得る。たとえば、束は、台形の形状の断面を有することができる。ホイル１５が、被覆糸の層のスタックの上部に置かれる。

層内の糸の数は、限定的ではなく製造する部品によって決まる。図の描写は簡単に指し示したものであり、糸の直径は、ガッタのものと同じ縮尺ではない。被覆糸は、緩みを有することなく、または糸間に最低限の緩みを有して層内に並置される。この段階では、被覆糸は、横断方向の応力を受けない。

層の代わりに、単一の束１３ｆとして一緒にされた基本束で形成された副組立体として糸を有することが可能である。

被覆糸の束１３ｆは、成形要素１７を通ってこうして誘導され、ここで束は横断方向の圧縮を受ける。この場合の成形要素は、水平軸を有する２つのローラ１７ｇを備える。図３に見られ得るように、ローラは、フレーム１７ｂ内に回転可能に装着される。２つのローラ間の間隔は、それらの支持体の縦方向の移動によって調整され得る。図示されない適切なモータが、任意選択でこれらを回転させる。成形要素の通路断面の輪郭は、束の両側に横方向に置かれた、スライダを形成する２つの固定された支持体１７ｌによって補われる。支持体１７ｌはフレーム１７ｂに固定される。この例によれば、これらは、縦方向に対して傾けられる。したがって成形要素の通路断面の輪郭は、台形である。

成形要素を通り抜けると、被覆糸の束は、成形要素の形態、この場合は台形を得る。したがって、成形要素の出口では、束を所与の形状に保つことが必要である。

次いでストラップを形成する小さいホイル１８が所定位置に置かれ、被覆糸の束の周りに巻き付いて組立体を受ける。

束は、たとえばペンチを用いる引っ張り工具によって成形要素からこうして引き抜かれる。

インサート１３ｉが、仕上げられた状態で図４に示されている。

本発明の方法は、正方形、矩形、または台形の断面のインサートの生成に限定されないことが理解される。多くの形状が当業者の応用範囲内に存在する。束に多角形形状を与えるために、束を囲む複数のロールまたはローラを成形要素内に有することが可能である。多角形の辺は直線でよいが、湾曲していてもよい。好都合なプロファイルを選ぶことでよい。

成形要素の形状および横断方向の寸法は、使用が望まれるインサートの表面形状および寸法によって規定され得る。この場合、インサートを形成するのに必要な被覆糸の数が、決定される。その反対に、決められた数の被覆糸を有するインサートの必要性も存在し得る。この場合、成形要素の通路断面は、その出口に所望の数の被覆糸を含むことができるように調整される。

調整され得る誘導要素を横断方向に適所に有することが有利であり、その目的は、後退位置において、被覆糸の束を、それらが束上に締め付けられる前に所定位置に置くことを可能にするためである。ローラおよび金属支持体の間隔を調整することにより、通路の断面および被覆糸の束が出てくる断面を調整することが可能になる。

また、被覆糸が束内で結合することを助ける振動要素を置くことも有利になり得る。

図５は、成形要素の別の非限定的な例となる実施形態を示している。これは、水平軸を有する２つのローラ１７’ｇで形成され、これらのローラ１７’ｇは、縦方向軸および直線プロファイルを有する２つのローラ１７’ｌと相互作用する湾曲プロファイルを有する。

本発明はまた、複数のインサートを同時に生成することも可能にし、インサートは、こうして得られた束の長さ内で切断される。

図４に示されるものなどのインサートが仕上げられると、これは、金属部品を形成するために、既知のおよび上記で説明された方法によって金属容器内に組み込まれる。細長い部品を生成するための図１に示された従来技術の方法と比べて、容器の各面には、２つの直線インサートが中に置かれる直線の溝が作り出される。他の部分に関しては方法は同じである。

金属部品を生成する特定の方法によれば、ホイルの１つは、支持体として、またインサートが中に置かれる金属容器のカバーとしても使用される。カバーは、高温の静水圧圧縮処理の前に、部品内に真空を生成しながら容器上に溶接される。

Claims (11)

1. 細長い形状のインサートを製造する方法であって、該インサートは、金属容器内に熱間静水圧圧縮処理によって組み込まれるように設計されたものであり、該インサートは、前記金属容器内に組み込まれる前に一緒に結束された複数の被覆糸を含んでおり、該被覆糸が、金属被覆されたセラミック繊維で形成されたものであり、
   被覆糸（１３）を隣り合わせにして、被覆糸の複数の層からなる束（１３ｆ）として置くこと、
   被覆糸の束を横断方向にすなわち被覆糸の束の長さ方向を横断する方向に沿って圧縮しながら成形要素（１７）によって決められた断面を有する被覆糸の束を形成するように、成形要素を通して被覆糸の束を引っ張ること、および
   成形要素の下流側に、束を横断方向に締め付けるストラップ（１８）を配置することからなるステップを備えることを特徴とする、前記方法。
2. 成形要素（１７）が、少なくとも２つのロータリローラ（１７ｇ）からなる通路を備えており、これらのロータリローラの間を被覆糸の束が誘導される、請求項１に記載の方法。
3. ２つのロータリローラ（１７ｇ）が平行軸を有する、請求項２に記載の方法。
4. 成形要素（１７）が、前記２つのロータリローラ（１７ｇ）が回転可能に装着されるフレーム（１７ｂ）を備え、前記２つのロータリローラ（１７ｇ）の平行軸が、被覆糸の移動方向に対して垂直であって、かつ被覆糸の移動方向に対して垂直な同一面に配向され、前記成形要素（１７）の通路断面の輪郭が、２つの支持体（１７ｌ）によって補われ、２つの支持体（１７ｌ）が、２つのロータリローラ（１７ｇ）間でフレーム（１７ｂ）に固定され、かつ前記成形要素（１７）を通して引っ張られる束（１３ｆ）の両側に横方向に配置される、請求項３に記載の方法。
5. 成形要素（１７）の通路断面が、直線または湾曲した辺を有する多角形である、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 成形要素の通路断面が、楕円または円形である、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
7. 金属シート（１５、１６）が、束の被覆糸と成形要素の側部の少なくとも１つの部分との間に挿入される、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記束を得るために、複数の被覆糸が、単一の束に一緒にされる基本束で形成された副組立体として置かれる、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
9. ストラップ（１８）が、インサートに沿って成形要素の下流側に置かれる、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
10. 請求項１から９のいずれか一項によって形成されたインサートの金属容器内への組み込み、および組立体の高温の静水圧圧縮を含む、金属部品を製造する方法。
11. 長手方向に延在する少なくとも１つのインサートを含む細長い形状の部品を製造する方法であって、請求項１０の方法によって得られた細長い金属部品の製造を含み、インサートの断面が非矩形形状を有する、方法。

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