JPH04231169A - Cone shape-object reinforced with filament and its manufacture - Google Patents

Cone shape-object reinforced with filament and its manufacture

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Publication number
JPH04231169A
JPH04231169A JP3121941A JP12194191A JPH04231169A JP H04231169 A JPH04231169 A JP H04231169A JP 3121941 A JP3121941 A JP 3121941A JP 12194191 A JP12194191 A JP 12194191A JP H04231169 A JPH04231169 A JP H04231169A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
filament
mandrel
layer
reinforced
matrix
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
JP3121941A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Paul Alfred Siemers
ポール・アルフレッド・シーマース
Joseph Jay Jackson
ジョセフ・ジェイ・ジャクソン
Edward Anthony Ardini
エドワード・アンソニイ・アーディニ
Stephen Francis Rutkowski
スティーブン・フランシス・ラトコウスキ
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
General Electric Co
Original Assignee
General Electric Co
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by General Electric Co filed Critical General Electric Co
Publication of JPH04231169A publication Critical patent/JPH04231169A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/18After-treatment
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C47/00Making alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments
    • C22C47/16Making alloys containing metallic or non-metallic fibres or filaments by thermal spraying of the metal, e.g. plasma spraying
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00Aeronautics or air transport
    • Y02T50/60Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Abstract

PURPOSE: To obtain a composite structure having high strength and durability by being reinforced with a filament having non-uniform cross-section. CONSTITUTION: A layer of matrix metal is formed on a mandrel 10 with a nearly conical shape by plasma spraying. A spiral groove is formed in the surface of the layer by machining. A reinforcing filament 20 is wound in the groove. The second layer of matrix metal is formed on the wound layer by spraying to embed the filament. A reinforced composite structure containing laminated filament is formed by repeating this procedure.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

【0001】0001

【産業上の利用分野】本発明は、一般に、フィラメント
で強化された非常に高い強度と耐久性を有する金属物品
の製造に係り、より詳細には、円錐形状のフィラメント
強化金属物品の製造と、それを製造できる方法とに係る
TECHNICAL FIELD This invention relates generally to the production of filament-reinforced metal articles of very high strength and durability, and more particularly to the production of conically shaped filament-reinforced metal articles; and the method by which it can be manufactured.

【0002】0002

【従来の技術】フィラメントで強化された物品がプラズ
マ溶射技術によって製造できるということは公知である
。そのようなフィラメント強化構造体に関して多数の特
許が本出願の譲受人に発行されている。チタン合金を基
材とするホイル、シ―トおよびその他類似の物品ならび
にチタン基合金中に炭化ケイ素繊維が埋め込まれている
強化構造体の製造は、米国特許第4,775,547号
、第4,782,884号、第4,786,566号、
第4,805,294号、第4,805,833号およ
び第4,838,337号(本出願の譲受人に譲渡され
ている)に記載されている。これらの特許の開示内容は
ここで引用したことにより本明細書中に含まれているも
のとする。
BACKGROUND OF THE INVENTION It is known that filament-reinforced articles can be produced by plasma spray techniques. A number of patents have been issued to the assignee of this application relating to such filament reinforced structures. The manufacture of foils, sheets and other similar articles based on titanium alloys and reinforced structures with silicon carbide fibers embedded in titanium-based alloys is described in U.S. Pat. No. 4,775,547; , No. 782,884, No. 4,786,566,
No. 4,805,294, No. 4,805,833 and No. 4,838,337 (assigned to the assignee of this application). The disclosures of these patents are hereby incorporated by reference.

【0003】これらの特許に記載されている複合体の製
造は、これらの複合体がその重量に比して極めて高い強
度特性をもっているため多くの研究の主題となっている
。特に望ましい特性のひとつは、炭化ケイ素の繊維また
はフィラメントの高い引張特性によって構造体に付与さ
れる高い引張特性である。この構造体の引張特性は混合
則に関連している。この規則によると、引張特性のよう
な性質の、マトリックスと対照してフィラメントに起因
する割合は、その構造体中に存在するフィラメントの体
積百分率およびフィラメント自身の引張強さによって決
定される。同様に、同じ引張特性でマトリックスに起因
する割合は、その構造体中に存在するマトリックスの体
積百分率とマトリックス自身の引張強さによって決定さ
れる。
The manufacture of the composites described in these patents has been the subject of much research because these composites have extremely high strength properties relative to their weight. One particularly desirable property is the high tensile properties imparted to the structure by the high tensile properties of the silicon carbide fibers or filaments. The tensile properties of this structure are related to the law of mixture. According to this rule, the proportion of properties such as tensile properties that are attributed to the filament as opposed to the matrix is determined by the volume percentage of the filament present in the structure and the tensile strength of the filament itself. Similarly, the proportion attributable to the matrix with the same tensile properties is determined by the volume percentage of the matrix present in the structure and the tensile strength of the matrix itself.

【0004】上記の特許に記載されている方法が開発さ
れる前、このような構造体を製造するには、強化用フィ
ラメントをチタン基合金の間にサンドイッチ状に挟み、
合金と強化用フィラメントの層が交互に積層された積層
体を、複合構造体が形成されるまでプレスしていた。し
かし、この従来技術の方法は、フィラメントがリングや
その他の構造体の全体にわたる内部強化材となるリング
構造体などのようないろいろな形状の物品を形成しよう
とした場合にはとても満足のいくものではなかった。
Prior to the development of the method described in the above-mentioned patent, such structures were manufactured by sandwiching reinforcing filaments between titanium-based alloys.
A laminate of alternating layers of alloy and reinforcing filament was pressed until a composite structure was formed. However, this prior art method is very satisfactory when attempting to form articles of various shapes, such as ring structures, where the filament is an internal reinforcement throughout the ring or other structure. It wasn't.

【0005】上記の特許に教示されている構造体とその
製造方法によって、マトリックスと強化用フィラメント
のサンドイッチを圧縮によって形成するという以前の技
術は大きく改善された。
The structures and methods of fabrication taught in the above-mentioned patents represent a significant improvement over the previous technique of forming matrix and reinforcing filament sandwiches by compression.

【0006】後になって、上記の特許に記載されている
ようにして製造した構造体はそれより以前の構造体より
大きく向上した特性をもってはいるが、これらの構造体
の潜在的に極めて高い極限引張強さは理論的に可能な値
まで達してはいないことが判明した。上記の特許に教示
されている方法に従って形成された複合体を試験したと
ころ、モジュラスの値は一般に混合則から予想される値
と良く一致しているが、極限引張強さは普通複合体の個
々の成分の基本的な性質によって予測される値よりずっ
と低いことが立証された。この予想より低い引張特性の
問題を克服しようとして多くの特許出願がなされており
、これらの出願のいくつかは現在係属中である。たとえ
ば、1989年12月4日に出願された米国特許出願第
445,203号、1990年1月2日に出願された米
国特許出願第459,894号、ならびに1989年1
2月22日に出願された米国特許出願第455,041
号および同第455,048号がある。これらの出願の
明細書はここで引用したことにより本明細書中に含まれ
ているものとする。
[0006] Although later structures produced as described in the above-mentioned patents had greatly improved properties over earlier structures, the potentially extremely high limits of these structures It was found that the tensile strength did not reach the theoretically possible value. Testing of composites formed according to the method taught in the above-mentioned patents has shown that although the modulus values are generally in good agreement with those expected from the mixing rule, the ultimate tensile strength is generally proved to be much lower than the values predicted by the fundamental properties of the components. A number of patent applications have been filed in an attempt to overcome this problem of lower than expected tensile properties, and several of these applications are currently pending. See, for example, U.S. Patent Application No. 445,203, filed December 4, 1989, U.S. Patent Application No. 459,894, filed January 2, 1990, and
U.S. Patent Application No. 455,041 filed February 22nd
No. 455,048. The specifications of these applications are hereby incorporated by reference.

【0007】これらの特許の技術を使用する際に特に望
ましいことが判明している構造体のひとつは、金属マト
リックスを有しており、炭化ケイ素フィラメント強化材
が環全体をなんども取巻いている環状物品である。この
ような強化用フィラメントを用いて直径数インチ〜数フ
ィ―トのリングやチュ―ブが製造されている。そのよう
なリング構造体やチュ―ブ構造体は、特に全体が金属で
できた構造体と比べると、その重量に比して非常に高い
引張特性をもっている。
One structure that has been found to be particularly desirable when using the technology of these patents has a metal matrix with silicon carbide filament reinforcement surrounding the entire annulus. It is a circular article. Rings and tubes ranging from several inches to several feet in diameter have been manufactured using such reinforcing filaments. Such ring and tube structures have very high tensile properties relative to their weight, especially when compared to structures made entirely of metal.

【0008】この繊維で強化されたリングは、たとえば
ジェットエンジンの圧縮機ディスクの強化用リング構造
体として使用することができる。ジェットエンジンの圧
縮機段階におけるディスクの補強に供するためには、強
化材の層がたくさん必要である。リング構造体に付加す
るフィラメント強化材の層を増やし続けることは、熱膨
脹係数やその他の要因に差があるために極めて困難であ
ることが判明した。
[0008] This fiber-reinforced ring can be used, for example, as a reinforcing ring structure for compressor discs in jet engines. Many layers of reinforcement are required to provide reinforcement for the disks in the compressor stage of jet engines. Continuing to add more layers of filamentary reinforcement to the ring structure has proven extremely difficult due to differences in coefficients of thermal expansion and other factors.

【0009】フィラメントで強化されたマトリックスの
外側層をリング構造体に付加し続けると生じる問題のひ
とつは、HIP(熱間静水圧プレス)の間に通常の圧密
化が起こるにつれて外側フィラメントの圧縮と座屈が外
側のリングで生じ易いということである。このようなフ
ィラメントの座屈が生じるとフィラメントの損傷を引起
こし、したがってそのフィラメントが一部を構成してい
るリングの損傷が起こり得る。このような座屈は繊維層
の数が増大するにつれて発生し易くなる傾向があり、そ
の数が20層または30層に達した場合には、このよう
な値を越えて層を付加すると、HIP処理によって構造
体全体が圧密化される際にフィラメントの座屈と損傷が
起こり得る。
One of the problems that arises with continuing to add outer layers of filament-reinforced matrix to ring structures is the compression and compression of the outer filaments as normal consolidation occurs during HIP (hot isostatic pressing). This means that buckling is more likely to occur in the outer ring. Such buckling of the filament can cause damage to the filament and, therefore, to the ring of which it is a part. Such buckling tends to occur more easily as the number of fiber layers increases, and when the number reaches 20 or 30 layers, adding layers beyond these values causes HIP Filament buckling and damage can occur as the process consolidates the entire structure.

【0010】この問題を解決したひとつの方法は、  
              に出願された同時係属中
の米国特許出願第(代理人整理番号RD−20,406
)号に記載されている。この出願に記載されている解決
法は、一連の同軸リングを形成してそれらを互いに組合
せて100層以上の強化材層を有する強化されたリング
構造体を作製することである。このようなリング構造体
は直径が1フィ―トまたは数フィ―ト程度と非常に大き
くなることがあるにもかかわらず、たった千分の数イン
チという極めて狭い許容範囲内で互いに組合せなければ
ならない。
One way to solve this problem is to
Co-pending U.S. Patent Application No. RD-20,406 (Attorney Docket No. RD-20,406)
). The solution described in this application is to form a series of coaxial rings and combine them with each other to create a reinforced ring structure with over 100 layers of reinforcement. Although these ring structures can be very large, on the order of a foot or several feet in diameter, they must fit together within extremely narrow tolerances of only a few thousandths of an inch. .

【0011】マンドレル上に物品を形成することに関連
する従来技術はほとんどがほぼ管状の物品の製造に係わ
っている。このような構造体に関する特許文献および関
連技術は、ほぼ一様な断面積を有する管状物品を製造す
るための非常に有効で効率的な方法を教示している。
Most of the prior art relating to forming articles on mandrels involves the production of generally tubular articles. The patent literature and related art relating to such structures teaches highly effective and efficient methods for manufacturing tubular articles having substantially uniform cross-sectional areas.

【0012】目的によっては、一様な断面積をもたない
管状の強化構造体を得るのが望ましいと思われる。たと
えば、そのような構造体のひとつは円錐の形態をした強
化構造体である。そのような円錐は軸方向の断面が一様
でなく、実際先が細くなった形状である。
For some purposes, it may be desirable to have a tubular reinforcing structure that does not have a uniform cross-sectional area. For example, one such structure is a reinforcing structure in the form of a cone. Such a cone is not uniform in axial cross-section and is in fact tapered in shape.

【0013】[0013]

【発明の概要】したがって、本発明のひとつの目的は、
一様でない断面を有するフィラメントで強化された概し
て管状の金属物品を製造することができる方法を提供す
ることである。
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, one object of the present invention is to
It is an object of the present invention to provide a method by which generally tubular metal articles reinforced with filaments having non-uniform cross-sections can be manufactured.

【0014】もうひとつの目的は、ほぼ円錐形状のフィ
ラメント強化金属物品の製造方法を提供することである
Another object is to provide a method of manufacturing a generally conically shaped filament reinforced metal article.

【0015】別の目的は、円錐形状のフィラメント強化
金属物品を提供することである。
Another object is to provide a conically shaped filament reinforced metal article.

【0016】その他の目的の一部は以下の説明で明らか
になるだろうし、一部はそのつど指摘する。
Some of the other objects will become apparent from the following description, and some will be pointed out from time to time.

【0017】本発明の広い局面において、本発明の目的
を達成することができるためには、形成しようとする円
錐形物品の所望の内部寸法にほぼ合致する外部寸法を有
する円錐形マンドレルを準備する。この円錐形マンドレ
ルを低圧プラズマ蒸着チャンバ内に入れ、プラズマ蒸着
によりマンドレル表面上にマトリックス金属のコ―ティ
ングを形成する。こうして被膜された円錐形マンドレル
を冷却し、チャンバから取出し、機械加工して滑らかな
表面をもたせると共に、強化用のフィラメント部材を受
容して適所に保持するのに適した螺旋状の溝をその表面
に設ける。この表面コ―ティングをもちフィラメントが
巻付けられた円錐形マンドレルを低圧プラズマ蒸着チャ
ンバ内に再度導入し、フィラメントを担持している表面
上にプラズマ溶射してマトリックス金属の第二の被膜を
設ける。
In a broad aspect of the invention, the objects of the invention can be achieved by providing a conical mandrel having external dimensions that approximately match the desired internal dimensions of the conical article to be formed. . The conical mandrel is placed in a low pressure plasma deposition chamber and a matrix metal coating is formed on the mandrel surface by plasma deposition. The coated conical mandrel is cooled, removed from the chamber, and machined to provide a smooth surface and to provide a helical groove in the surface suitable for receiving and holding the reinforcing filament member in place. Provided for. The filament-wound conical mandrel with this surface coating is reintroduced into the low pressure plasma deposition chamber and a second coating of matrix metal is applied by plasma spraying onto the filament-bearing surface.

【0018】次に、この被膜された物品を、ふたたびチ
ャンバから取出して機械加工することにより、比較的滑
らかな表面をもたせると共に、螺旋状に巻かれた強化用
フィラメントを受容するのに適した螺旋状の溝を設けて
もよい。次いで、このフィラメントを担持する円錐とマ
ンドレルを低圧プラズマ蒸着チャンバ内に再度導入し、
その表面上にプラズマ溶射してマトリックス金属の第二
のオ―バ―コ―トを設けることができる。
The coated article is then removed from the chamber and machined to provide a relatively smooth surface and a helix suitable for receiving the helically wound reinforcing filament. A shaped groove may be provided. The cone and mandrel carrying this filament are then reintroduced into the low pressure plasma deposition chamber;
A second overcoat of matrix metal can be provided over the surface by plasma spraying.

【0019】この機械加工、溝切り、巻き付けおよび溶
射の工程は、所望の数の強化材層をもった円錐形の強化
構造部材が形成されるまで何回でも繰返すことができる
This machining, grooving, wrapping and spraying process can be repeated any number of times until a conical reinforced structural member with the desired number of layers of reinforcement is formed.

【0020】こうして形成された強化物品は機械加工ま
たは化学薬品による溶解などによってマンドレルから外
すことができ、その後円錐形状の強化部材を業界でよく
知られているプロセスによってHIP処理してコンパク
トに固めることができる。
The reinforced article thus formed can be removed from the mandrel, such as by machining or chemical dissolution, and the conical reinforcement member can then be compacted by HIPing by processes well known in the industry. I can do it.

【0021】便宜上、この一連の工程を機械加工、溝切
りおよび巻き付け工程と呼ぶことにする。驚くべきこと
に、ほぼ円形の断面を有する構造体を製造する際にこの
一連の工程を使用することによって、密度の高くなった
構造体が得られ、またフィラメントの座屈が検出される
ことなく以前に可能であったよりもたくさんの強化材層
をもたせた構造体が得られることが判明したのである。
For convenience, this series of steps will be referred to as machining, grooving and winding steps. Surprisingly, by using this sequence of steps in producing structures with approximately circular cross-sections, dense structures are obtained and without detectable buckling of the filaments. It has been found that structures can be obtained with more layers of reinforcement than previously possible.

【0022】[0022]

【発明の詳細】一般に、フィラメントで強化された構造
体は、その構造体中のフィラメントの個々のストランド
間が比較的一様な間隔をもっているのが望ましい。特に
、金属溶射技術によって形成される構造体の場合はその
ようにするのが望ましい。ほぼ円柱状の表面上に強化用
フィラメントを巻き付けるのは難しいときがあり、巻き
付けようとする表面に凹凸があるために強化用フィラメ
ントのストランド間の間隔が一様にならなかったり、実
際にそのような不均一のために2本以上のストランドが
接触したりすることがある。マトリックス金属を溶射に
よって塗布する場合、フィラメントの接触があると、溶
射された金属がそのようなフィラメントの内部と回りに
充分に浸透してそれらフィラメントを包み込む現象が実
質的に妨げられる結果、マトリックス構造体に対する最
良の強化効果と複合体の最高の密度とを得ることができ
なくなる。この問題を克服するためのひとつの方法は、
に出願された同時係属中の米国特許出願第(代理人整理
番号RD−20,425)号に開示され、かつ特許請求
されている。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Generally, it is desirable for filament-reinforced structures to have relatively uniform spacing between the individual strands of filaments in the structure. This is particularly desirable for structures formed by metal spraying techniques. Wrapping reinforcing filament over a generally cylindrical surface can be difficult, as unevenness in the surface to be wrapped may result in uneven spacing between the reinforcing filament strands, or in practice. Two or more strands may come into contact due to unevenness. When matrix metals are applied by thermal spraying, the presence of filament contact substantially prevents the sprayed metal from fully penetrating and enveloping such filaments, resulting in a matrix structure. It becomes impossible to obtain the best strengthening effect on the body and the highest density of the composite. One way to overcome this problem is to
The invention is disclosed and claimed in co-pending U.S. patent application Ser.

【0023】ある種の応用では、故意に凹凸をもたせた
表面上にフィラメント強化構造を形成するのが望まれる
場合があることが認められている。たとえば、通常の円
柱はその長手方向に沿って一定で一様な直径をもってい
る。しかし、円柱構造の物品によっては、強化された構
造体を目的とする特定の用途に使用できるようにするた
めに、円柱の一方の端もしくは両方の端または中央のど
こかにくぼみが設けられるものがある。本発明の独特な
特異性を示すひとつの単純な問題は、概して円錐形状を
もち、しかも円錐螺旋形状を想定してその円錐形状部分
に強化材を巻き付けたほぼ円柱状の構造体を形成しよう
とする場合である。しかし、このような円錐形状の表面
の場合、規則的または平滑でない表面上での強化材スト
ランドの移動に関する上記した問題はいっそう重大にな
る。
It has been recognized that in certain applications it may be desirable to form a filament reinforced structure on an intentionally textured surface. For example, a typical cylinder has a constant, uniform diameter along its length. However, in some articles of cylindrical construction, an indentation is provided at one or both ends or somewhere in the middle of the cylinder to enable the reinforced structure to be used for the specific intended use. There is. One simple problem that illustrates the unique peculiarity of the present invention is to form a generally cylindrical structure having a generally conical shape, with a reinforcing material wrapped around the conical portion, assuming a conical spiral shape. This is the case. However, in the case of such conically shaped surfaces, the problems described above regarding movement of the reinforcement strands on surfaces that are not regular or smooth become even more critical.

【0024】円錐表面上に巻かれたフィラメントは表面
上を極めて移動し易く、いくつかのストランドの望まし
くない接触を引き起こすことがある。このようなフィラ
メントは、これらを支持するマンドレルの直径の小さい
方の部分(先端部分)に集まる傾向があるからである。
[0024] Filaments wound on a conical surface tend to move very easily over the surface, which can cause undesired contact of some strands. This is because such filaments tend to collect on the smaller diameter portion (tip portion) of the mandrel that supports them.

【0025】図1に例示したようなほぼ円錐の形状を有
するマンドレルを用意してその表面にマトリックス金属
の最初の層をコ―トすれば、フィラメント状強化材を適
用するほぼ円錐形状の表面が得られる。そのようなフィ
ラメント状強化材の個々のストランドが一団となって接
触して、金属溶射では通り抜けられないような表面を形
成する傾向は、このような構造体の場合まったく明らか
である。本出願人の知る限りにおいては、この形態に作
製したフィラメント強化構造体は今までにない。
By preparing a mandrel having a generally conical shape, as illustrated in FIG. can get. The tendency of the individual strands of such filamentary reinforcement to come into contact together and form a surface that cannot be penetrated by metal spraying is quite evident in such structures. To the applicant's knowledge, no filament-reinforced structure has ever been made in this configuration.

【0026】本発明者らがしたことは、長手方向の断面
は一様ではないがフィラメント状強化材が表面に沿って
均一に分布しているほぼ円柱状の構造体の製造を可能に
することである。
What we have done is to enable the production of approximately cylindrical structures whose longitudinal cross-section is not uniform, but in which the filamentary reinforcement is uniformly distributed along the surface. It is.

【0027】これを達成するために、先が細くなってい
る表面に螺旋状の溝を機械加工により設けて、フィラメ
ント状強化材を受容する際の案内として役立たせると共
に、表面に沿った強化材の間隔をあらかじめ決定する。
To accomplish this, a helical groove is machined into the tapered surface to serve as a guide for receiving the filamentary reinforcement and to provide reinforcement along the surface. determine the interval in advance.

【0028】この螺旋状の溝は、付着させたままのマト
リックス金属の表面に直接機械加工することもできるし
、あるいは、付着したマトリックス金属を最初に機械加
工して滑らかな円錐とした後その円錐の滑らかになった
表面に機械加工することもできる。付着したマトリック
スをまず機械加工して滑らかにしてから溝を切ると、フ
ィラメントの体積割合が高くなる。
The helical grooves can be machined directly into the surface of the as-deposited matrix metal, or the deposited matrix metal can first be machined into a smooth cone and then the cone can be machined directly into the surface of the as-deposited matrix metal. It can also be machined into a smooth surface. If the deposited matrix is first machined to smooth it and then grooved, the filament volume fraction will be high.

【0029】本発明の方法を実施することができる各ス
テップは添付の図面を参照して説明することができる。
[0029] Each step by which the method of the invention can be carried out can be explained with reference to the accompanying drawings.

【0030】まず図1を参照する。切頭円錐の形状を有
するマンドレル10を準備する。このマンドレル10は
直径の大きい方の端から軸方向に沿って伸びているハン
ドル12をもっており、これにより、図には示してない
低圧プラズマ蒸着チャンバ内におけるマンドレルの操作
と回転が可能となる。
First, reference is made to FIG. A mandrel 10 having the shape of a truncated cone is prepared. The mandrel 10 has a handle 12 extending axially from its large diameter end to allow manipulation and rotation of the mandrel within a low pressure plasma deposition chamber (not shown).

【0031】このマンドレル10を上記のようなチャン
バ内に導入し、チタン基合金などのようなマトリックス
金属の表面層14を円錐表面にプラズマ溶射する。
The mandrel 10 is introduced into a chamber as described above, and a surface layer 14 of a matrix metal, such as a titanium-based alloy, is plasma sprayed onto the conical surface.

【0032】マトリックス金属の表面層14の溶射後、
円錐をチャンバから取出し、付着したマトリックス表面
に少なくとも1個の螺旋状の溝16を機械加工する。機
械加工により単一の溝を形成して、強化用フィラメント
を表面に巻き付けるための誘導路とするのが好ましい。 強化用フィラメントとしての効果を出すためには、強化
しようとする表面に高い体積割合のフィラメントを配置
しなければならない。フィラメントは極めて細いので、
フィラメント強化材の体積割合を大きくするには1イン
チ当たり100以上のストランドを巻き付ける。1イン
チ当たりに100以上というストランド密度で巻き付け
られるフィラメント間の適切な間隔を維持することは非
常に難しいということが分かるであろう。意外にも、本
発明者らは、強化用フィラメントの体積割合が高い強化
構造体を形成するのに必要な高いストランド密度のフィ
ラメントをほぼ一様な間隔に維持することができるとい
うことを見出した。円錐形の表面に機械加工されたほぼ
V字状の溝の詳細を、図4の部分拡大図に示す。フィラ
メント20は、図5に示してあるように円錐に巻き付け
られた後このV字状の溝の中にとどまる。
After spraying the surface layer 14 of matrix metal,
The cone is removed from the chamber and at least one helical groove 16 is machined into the deposited matrix surface. Preferably, a single groove is machined to provide a guideway for wrapping the reinforcing filament around the surface. In order to be effective as a reinforcing filament, a high volume fraction of the filament must be placed on the surface to be reinforced. The filament is extremely thin, so
To increase the volume fraction of filament reinforcement, wrap more than 100 strands per inch. It will be appreciated that maintaining proper spacing between filaments wound with strand densities of 100 or more per inch can be very difficult. Surprisingly, the inventors have found that the volume fraction of reinforcing filaments allows the filaments to be maintained at a nearly uniform spacing with the high strand density required to form a reinforced structure. . A detail of the generally V-shaped groove machined into the conical surface is shown in the enlarged partial view of FIG. The filament 20 remains within this V-shaped groove after being wrapped into a cone as shown in FIG.

【0033】フィラメントを円錐上に巻き付けた後、こ
の円錐をプラズマ蒸着チャンバ中にふたたび導入し、フ
ィラメントが巻かれている表面にマトリックス金属をプ
ラズマ溶射して第二のコ―ティング22を設けてフィラ
メントをマトリックス金属内に埋め込む。
After winding the filament onto the cone, the cone is reintroduced into the plasma deposition chamber and a second coating 22 is applied by plasma spraying a matrix metal onto the surface around which the filament is wound. embedded within the matrix metal.

【0034】この溝切り、巻き付けおよび溶射の工程は
、円錐形マンドレル上に強化層を築き上げるために何回
か繰返すことができる。生成した構造体20をHIP処
理して、この構造体を圧密化すると共に、その物品に対
して理論的に最大の密度に近い密度にまでその密度を高
める。
This process of grooving, wrapping and spraying can be repeated several times to build up the reinforcing layer on the conical mandrel. The resulting structure 20 is HIPed to consolidate the structure and increase its density to near the theoretical maximum density for the article.

【0035】[0035]

【実施例の記載】本発明の方法の実施の様子を以下の実
施例で例示する。この実施例で実際に形成した構造体は
、次第に減少する直径をもつものではなくて一定の直径
をもつものである。しかしながら、すぐに分かるように
、この実施例に示す方法は、次第に減少する直径の構造
すなわち円錐構造で使用するのに適するように容易に変
換できる。 実施例1   最初に空気中でプラズマ溶射することにより、厚み
0.002″のAl2 O3 層を設けることによって
マトリックス金属層蒸着用の軟鋼金属製マンドレルを製
造した。次にこのマンドレルを、その上にマトリックス
金属としてチタン基合金を蒸着するのに適した低圧高周
波(rf)プラズマ蒸着チャンバ内に導入した。実際に
使用したチタン基合金はTi−6242(Ti−6Al
−2Sn−4Zr−2Mo)であった。マンドレル表面
上に約0.125インチの層を蒸着した後マンドレルを
放冷すると、マンドレルからTi−6242が剥がれた
のでこれをチャンバから取出した。このTi−6242
リングは直径が約4インチ、長さが約4インチであった
。 このTi−6242リングを旋盤で機械加工することに
よって、蒸着した金属の粗い表面を除去した。粗い表面
を除いた後、機械加工により金属の表面に螺旋状の溝(
1インチ当たりフィラメント112本)を形成した。 炭化ケイ素のフィラメント、特定的にはテキストロン・
スペシャルティ―・マテリアルズ社(Textron 
SpecialtyMaterials Corpor
ation)から入手できるSCS−6フィラメントを
マンドレルの一端に取付けて固定した後、そのフィラメ
ントを、先にマトリックス金属表面に機械加工してあっ
た溝に沿ってマンドレル上に巻き付けた。 溝が完全に埋ったら、フィラメントの他端も留めて次の
作業の間そのまま適切な場所にフィラメントを保持した
DESCRIPTION OF EXAMPLES The implementation of the method of the invention is illustrated in the following examples. The structure actually formed in this example has a constant diameter rather than a decreasing diameter. However, as will be readily apparent, the method illustrated in this example can be easily converted to be suitable for use with structures of decreasing diameter or conical structures. Example 1 A mild steel metal mandrel for matrix metal layer deposition was manufactured by first providing a 0.002" thick layer of Al2O3 by plasma spraying in air. This mandrel was then deposited on top of the The titanium-based alloy was introduced into a low-pressure radio frequency (RF) plasma deposition chamber suitable for depositing a titanium-based alloy as a matrix metal.The titanium-based alloy actually used was Ti-6242 (Ti-6Al).
-2Sn-4Zr-2Mo). After depositing a layer of approximately 0.125 inch on the mandrel surface, the mandrel was allowed to cool and the Ti-6242 peeled off the mandrel, which was removed from the chamber. This Ti-6242
The ring was approximately 4 inches in diameter and approximately 4 inches long. The Ti-6242 ring was machined on a lathe to remove the rough surface of the deposited metal. After removing rough surfaces, machining creates spiral grooves (
112 filaments per inch). Silicon carbide filaments, specifically Textron
Specialty Materials Company (Textron)
Specialty Materials Corporation
After an SCS-6 filament, available from A. cation), was attached and secured to one end of the mandrel, the filament was wrapped onto the mandrel along the grooves that had been previously machined into the matrix metal surface. Once the groove was completely filled, the other end of the filament was clamped to keep it in place for the next step.

【0036】このフィラメントを担持しているTi−6
242リングをふたたび低圧プラズマ蒸着チャンバ内に
入れ、低圧rfプラズマ蒸着法により繊維の上と回りお
よびリングの表面上にマトリックス金属の第二の層を蒸
着した。蒸着後、リングを放冷してチャンバから取出し
た。マトリックス金属の第二の層を機械加工して、先に
設けてあった層の半径方向0.010インチ以内で滑ら
かな表面とし、その表面に機械加工して螺旋状の溝を設
けた。リング表面に形成した溝内に強化用フィラメント
を巻き付けてその上にマトリックス金属をさらに溶射す
るという工程を、マンドレル上に強化材とマトリックス
金属の層が8つ形成されるまで繰返した。
Ti-6 supporting this filament
The 242 ring was again placed in the low pressure plasma deposition chamber and a second layer of matrix metal was deposited over and around the fibers and on the surface of the ring using low pressure RF plasma deposition. After deposition, the ring was allowed to cool and removed from the chamber. The second layer of matrix metal was machined to a smooth surface within 0.010 inch radially of the previous layer, and the surface was machined with helical grooves. The process of wrapping the reinforcing filament into the groove formed in the ring surface and spraying additional matrix metal over it was repeated until eight layers of reinforcing material and matrix metal were formed on the mandrel.

【0037】本発明のもうひとつ別の特徴は、表面フィ
ラメントを巻き付ける物品の長さ方向に沿って複合体の
特性を変化させることが望ましいような特定の用途に対
して、そのような複合体の特性を長さ方向に沿って変化
させるために、その長さ方向にわたって強化材の個々の
ストランド間の間隔を変えることが可能であるというこ
とである。そのような間隔を変えるには、フィラメント
を巻き付ける溝の間隔を変える。
Another feature of the present invention is the ability to adapt such composites for certain applications where it is desirable to vary the properties of the composite along the length of the article around which the surface filament is wound. In order to vary the properties along the length, it is possible to vary the spacing between the individual strands of reinforcement along its length. To change such spacing, change the spacing between the grooves around which the filament is wound.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

【図1】本発明の実施の際に使用するのに適した円錐形
マンドレルの概略図である。
FIG. 1 is a schematic diagram of a conical mandrel suitable for use in practicing the invention.

【図2】マンドレル上にマトリックス金属の層を付着さ
せた後の状態のマンドレルを示す概略図である。
FIG. 2 is a schematic diagram showing the mandrel after depositing a layer of matrix metal on the mandrel.

【図3】図2のコ―トされたマンドレルを機械加工して
滑らかな表面を形成すると共にその表面に螺旋状の溝を
形成した状態の概略説明図である。
3 is a schematic illustration of the coated mandrel of FIG. 2 machined to form a smooth surface and a helical groove formed in the surface; FIG.

【図4】図3の表面に切った溝の詳細な図である。FIG. 4 is a detailed view of the grooves cut into the surface of FIG. 3;

【図5】図3のマンドレルの螺旋状の溝内にフィラメン
トを巻き付けた状態の概略説明図である。
FIG. 5 is a schematic explanatory diagram of a state in which a filament is wound within the spiral groove of the mandrel in FIG. 3;

【図6】図5の構造体をマトリックス金属の層でコ―ト
して強化用のフィラメントをマトリックスの表面内に埋
め込んだ状態の概略説明図である。
6 is a schematic illustration of the structure of FIG. 5 coated with a layer of matrix metal with reinforcing filaments embedded within the surface of the matrix; FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10  マンドレル、 14  マトリックス金属の表面層、 16  溝、 20  フィラメント、 22  マトリックス金属の第二のコ―ティング。 10 Mandrel, 14 Matrix metal surface layer, 16 groove, 20 filament, 22 Second coating of matrix metal.

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】  チタン基合金のマトリックス内にフィ
ラメント状強化材が複数の列状に埋め込まれており、前
記マトリックス内における強化材のフィラメントとフィ
ラメントとの間の間隔が均一であり1/100インチ未
満内に固定されている、フィラメントで強化された複合
構造体。
1. A plurality of rows of filamentary reinforcing material are embedded within a matrix of titanium-based alloy, and the spacing between filaments of the reinforcing material within the matrix is uniform and is 1/100 inch. A filament-reinforced composite structure that is anchored within.
【請求項2】  その上に複合構造体を形成するために
ほぼ円錐状の形状を有するマンドレルを準備し、このマ
ンドレル上にプラズマ溶射によりマトリックス金属の層
を設け、この層の表面に機械加工により螺旋状の溝を設
け、この表面の溝中に強化用フィラメントを巻付け、こ
のフィラメントを巻付けた層の上に溶射により前記マト
リックス金属の第二の層を設けてこの中に前記フィラメ
ントを埋め込むことからなる、フィラメントで強化され
た複合構造体の製造方法。
2. In order to form a composite structure thereon, a mandrel having a substantially conical shape is prepared, a layer of matrix metal is provided on the mandrel by plasma spraying, and the surface of this layer is machined. A spiral groove is provided, a reinforcing filament is wound in the groove on the surface, a second layer of the matrix metal is provided by thermal spraying on the layer around which the filament is wound, and the filament is embedded in this second layer. A method for manufacturing a filament-reinforced composite structure, comprising:
JP3121941A 1990-06-29 1991-04-25 Cone shape-object reinforced with filament and its manufacture Withdrawn JPH04231169A (en)

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US54620090A 1990-06-29 1990-06-29

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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4324755C1 (en) * 1993-07-23 1994-09-22 Mtu Muenchen Gmbh Method for the production of fibre-reinforced drive components
JP3094320B2 (en) * 1994-11-02 2000-10-03 株式会社先進材料利用ガスジェネレータ研究所 Preform for FRM disc
US5897922A (en) * 1997-04-07 1999-04-27 National Research Council Of Canada Method to manufacture reinforced axi-symmetric metal matrix composite shapes

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4518625A (en) * 1983-12-09 1985-05-21 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Arc spray fabrication of metal matrix composite monotape
US4782884A (en) * 1987-02-04 1988-11-08 General Electric Company Method for continuous fabrication of fiber reinforced titanium-based composites
US4775547A (en) * 1987-02-25 1988-10-04 General Electric Company RF plasma method of forming multilayer reinforced composites
US4816347A (en) * 1987-05-29 1989-03-28 Avco Lycoming/Subsidiary Of Textron, Inc. Hybrid titanium alloy matrix composites

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Publication number Publication date
ITMI911109A1 (en) 1991-12-30
FR2663955A1 (en) 1992-01-03
DE4112745A1 (en) 1992-01-02
CA2042254A1 (en) 1991-12-21
GB9108809D0 (en) 1991-06-12
GB2245598A (en) 1992-01-08
ITMI911109A0 (en) 1991-04-23

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