JPH07112283A - 拡散接合のための方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 チタンアルミ合金材料および他の類似した反
応性物質を拡散接合するプロセスを促進するための改良
された装置を提供する。 【構成】 レトルト（１００）は、金属サンドイッチ構
造を製造するプロセスの間金属シートのスタック（４
０）の予め選択された領域を拡散接合する際に使用され
る。レトルトは、チタンアルミ合金の複数のシートが選
択された領域で互いに接合されパックを形成することが
できる、汚染のない真空の環境を促進する。接合のプロ
セスは高い温度でのガス拡散接合の技術を含む。所望の
サンドイッチ構造を形成するために、接合されたブラン
クは連続的に超塑性的に伸張される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の背景】この発明は、チタンアルミ合金材料から
の構造ユニットの製造に関し、より特定的にはチタンア
ルミ合金シートを選択的に接合し、さらに超塑性的に伸
張されて所望の形のサンドイッチ構造を形成することが
できる金属構造を形成するためのプロセスおよび装置に
関する。

【０００２】

【既知の先行技術に関する議論】チタンアルミ合金材料
は、冶金技術において、高温に対する強度ならびに酸化
およびクリープに対する耐性が優れている材料として周
知である。

【０００３】チタンアルミ合金は他のチタン合金と同様
に、比較的脆くかつ室温またはそれに近い温度で加工お
よび／または製造することが難しい金属である。様々な
産業用の構造の形成に広く使用されている製造技術は拡
散接合である。

【０００４】拡散接合とは、接合面で原子を混合（co-m
ingling ）させるようにある時間継続して熱および圧力
を加えることによる、類似したまたは異なる金属の表面
の冶金接合をいう。

【０００５】圧力を加えることによって材料の塑性流動
が得られ、通常の中空領域は満たされる。もし圧力が低
すぎれば接合面に小さな中空領域が残り、接合強度は到
達できる最大値よりも小さくなるであろう。また圧力を
加えることによって、表面の酸化物および表面の凹凸が
壊され、接合のための表面を清潔にする。

【０００６】拡散接合に使用される高い温度は接合面で
の原子の拡散を促進するとともに金属を軟化して表面の
変形を促進し、これにより接合面での原子の結合および
動きに関してより密接な接触が得られる。

【０００７】この技術を実行するにあたって、高い温度
での空気中の酸素、窒素および水蒸気の含有量に特に敏
感な材料を確実に清潔にするために、チタンアルミ合金
材料の拡散接合が制御された環境で行なわれなければな
らないことが認められてきた。チタンアルミ合金は、こ
の接合プロセスの間保護されなければ脆くなりかつその
完全性は破壊される。

【０００８】

【発明の概要】したがってこの発明の主な目的はチタン
アルミ合金材料および他の類似した反応性物質を拡散接
合するプロセスの助けとなるような改良された装置を提
供することである。

【０００９】この発明の別の目的は、分離されかつ制御
された環境でチタンアルミ合金材料の拡散接合を容易に
しこれにより接合されるべき表面の汚染を最小限にする
ことができる、これらの材料のためのレトルトまたはエ
ンベロープを提供することである。

【００１０】この発明のさらに別の目的は、ガス拡散接
合のプロセスを実行する前にレトルトを効果的に排気す
ることができるようにするためのフレーム部材を保護レ
トルトまたはエンベロープ内に提供することであり、こ
こでレトルトはまたガス拡散接合を行なうために必要な
拡散接合チャンバのチャンバを規定する１つの構成要素
として機能する。

【００１１】簡単に言うと、この発明は汚染のないプロ
セスを確実に行なうことができる環境でチタンアルミ合
金のブランクの加工物のスタックの予め選択された領域
を拡散接合するための金属エンベロープ、およびそのよ
うな装置を使用して汚染のない拡散接合を達成するため
の方法である。

【００１２】より特定的には、保護エンベロープは第１
の上方の金属シートおよび第２の下方の金属シートを含
み、それらのシートはともに好ましくはステンレススチ
ールである。ブランク加工物のスタックは第１のシート
と第２のシートとの間に配置され、かつ矩形の金属フレ
ームは２つのシートの間で規定される容積内でスタック
の周辺に隣接して配置される。シートがその周辺で封止
された後、その中の容積は適切な装置によって真空にさ
れる。矩形のフレームのスロットは、２つのシートの間
で規定されかつフレーム内に配置される容積の排気を容
易にする。フレーム自体は、汚染のない真空の環境を作
り出す間、加工物のスタックの縁部が押し潰されるのを
防ぐ。

【００１３】保護エンベロープの第２の金属シートの頂
部で第１のフレームの周辺の外側の位置に固定される第
２の矩形のフレームを加えることによって、保護エンベ
ロープとともに効果的にガス拡散接合工具を形成する構
造が得られる。この工具は、それと密閉して係合される
第２の工具とともに、工具の温度を上げるサイクルの後
に高圧ガスが向けられるチャンバを形成して拡散接合プ
ロセスを行なうことによって、加工物のスタックガス拡
散接合を容易にする。

【００１４】この発明の他の目的および利点は以下の好
ましい実施例を考慮しかつ添付の図面を参照すれば明ら
かになるであろう。

【００１５】この発明は好ましい手順とともに説明され
るが、以下の好ましい実施例の詳細な説明はこの発明を
それらの手順に制限するものではないことが理解される
はずである。反対に、この発明はこの発明の意図および
範囲内に含まれ得るすべての変更、修正およびそれに相
当するものを含むものとする。

【００１６】

【好ましい実施例の詳細な説明】周知のように、拡散接
合は別々の要素を接合して単一の塊を形成することがで
きるプロセスである。使用する接合材およびパラメータ
の質は、それぞれどの材料を使用するかによって必然的
に変わる。

【００１７】この発明は特に、その表面が拡散接合およ
び超塑性プレフォームに必要な高い温度、すなわち使用
する特定の合金に応じて１７００°Ｆないし約１９００
°Ｆの温度で汚染されるであろう反応性金属に関する。

【００１８】図１を参照すると、この発明に従った、サ
ンドイッチ構造に形成されるべき３つの金属シートから
なるアセンブリの分解図が示されている。このアセンブ
リは金属ブランク１０、１２および１４からなり、好ま
しくはこれらはすべてそれぞれ対向する主要な上面およ
び下面１５および１６、１７および１８、ならびに１９
および２０を有するシートの形状である（図４も参
照）。使用するシートの数は負荷条件および設計の要求
に応じて変化する。しかしながら、最低２つのシートを
使用しなければならない。望ましくは、シートの少なく
とも１つは超塑性の特性を備える。加工可能な温度範囲
内で適切な超塑性の特性を示せばいかなる金属もそのよ
うなシートに使用することができる。しかしながら、非
常に重要であるのは、拡散接合に必要な温度範囲内で超
塑性の特性を示し、かつ形成する際の温度で汚染されや
すい金属材料である。典型的にこれらの特徴を示す材料
はチタンアルミ合金である。チタンアルミ合金の形成す
る際の温度が約１０００°Ｆであることに注目すること
が重要である。金属ブランク１０、１２および１４の最
初の厚さは、形成されるべき部分の寸法の関数として決
定される。

【００１９】金属シートの選択された領域だけを接合す
るための好ましいステップは、シートとシートとの付着
または接合が望まれない、シートのスタック内のそれら
の領域に適切な遮断材料を与えるステップである。した
がって図１に示すように、領域３０、３２および３４は
遮断材料で覆われそれらの領域での接合は防がれる。表
面１５、１８および２０上の他の領域もまた接合しない
ように覆われてもよい。代替的には、金属シート構造
は、接合が望まれる領域でスポット溶接またはろう付け
されてもよい。さらに、以下に説明するように、金属シ
ート構造またはスタック４０は選択的に圧力を加えるこ
とによって選択された領域で拡散接合され得る。

【００２０】さらに、スタック４０の選択された領域を
それらの位置で拡散接合をしないようにするために遮断
材料で処理する場合、９２および９４として示されるよ
うな付加的な領域もまた接合しないように処理しなけれ
ばならない。一旦レトルトがスタックの拡散接合のプロ
セスを促進するために使用されそのプロセスが完了する
と、特に超塑性形成（ＳＰＦ）のプロセスにおいては、
レトルトを除去してからスタックはさらに処理されるで
あろう。このＳＰＦプロセスを実行するために、ガスイ
ンフレーションチューブをスタックの典型的には予め定
められた位置に挿入しなければならない。付加的な領域
９２および９４に与えられる遮断材料は、チューブが挿
入されるスタックのシートの接合を防ぐ。これにより、
ＳＰＦプロセスに使用する膨張ガスはこのように予め定
められた拡散接合されていない領域を通ってスタックの
内部に確実に到達する。

【００２１】図２は、この発明のレトルト１００を、レ
トルトの構成要素を示すために一部分破断した斜視図で
示している。特定的には、レトルト１００は第１のシー
ト１０２および第２の底部シート１０４を含み、第１お
よび第２のシートはその間の容積を規定する。好ましく
は、２つのシートはたとえばステンレススチールのよう
な容易に形成可能な熱伝導性材料から形成される。上述
のように、複数の上に重ねた金属シートからなる金属シ
ートアセンブリまたはスタック４０は、底部シート１０
４の上側に配置される。その外形が実質的に矩形である
第１のフレーム１１０は、レトルトの頂部シートと底部
シートとの間で規定されかつ底部シートの上にありかつ
スタックの周辺にある容積内に配置される。第１のフレ
ームの高さは好ましくはスタックの高さよりも高く、そ
のためレトルトの頂部シートが底部シートの上に固定さ
れると、頂部シートと底部シートとの間で規定される容
積はスタックを包みこむ。

【００２２】好ましくは、レトルトを構成する際に、ま
ずスタック４０を底部シート１０４の実質的に中央に配
置する。その後フレーム１１０をスタックのまわりに配
置し、これを底部シートにタック溶接してもよい。頂部
シートは底部シートの上のスタックおよび第１のフレー
ムの上に配置され、その後頂部シートの周辺はたとえば
頂部および底部シートの周辺に沿って溶接することによ
って底部シートの周辺に固定され（一般に図２および図
３の溶接部１３０参照）、その結果頂部シートと底部シ
ートとの間で形成されかつ第１のフレームの周辺の中に
ある「容積」は効果的に封止される。

【００２３】第１のフレーム１１０のスロット１１２
（図３参照）は、レトルトの頂部シート１０２と底部シ
ート１０４との間で規定される容積を真空にするのを容
易にするために設けられる。スロットは第１のフレーム
の周辺全体に互いに予め定められ選択された間隔をあけ
て設けられ、かつ第１のフレームの内側（スタック４０
に隣接する側）から対向する外側に延在する。さらにス
ロットは第１のフレームの高さに対して直角に配置され
る。浅い溝（好ましくは幅．０６０インチで深さ．０２
０インチのオーダ）１０６は、底部シート１０４で第１
のフレーム１１０の両側に形成される。溝は、第１のフ
レームの外側に隣接して配置される内側の端部から第１
のフレームと底部シートの外側の周辺との間の距離の約
３分の２の位置に配置される外側の端部に延びる。第１
のフレームの対向する側の各々で、浅い溝の外側の端部
と底部シートの外側の周辺を越える外界とを通じるよう
にするための短い導管１５０および１５２が底部シート
上に配置される。これにより、頂部および底部シートが
互いに封止されレトルトを形成する場合、頂部シート１
０２と底部シート１０４との間で規定されかつ第１のフ
レーム内にある「容積」の空気はレトルトの外側に配置
される適切な装置によって真空にすることができる。こ
の方法で、実際に拡散接合のステップを実行する前の最
初の加熱段階のプロセスの間、レトルト内で汚染および
酸素のない環境を維持することができる。

【００２４】図３に示されているように好ましくは外形
が矩形である、薄いシート材料１０８および１０８は好
ましくは底部シートに形成される溝１０６にそれぞれ隣
接して配置される。これらのシートの厚さは、レトルト
の縁部の封止を妨げないがしかし排気および加熱段階の
プロセスの間レトルトの第１のフレーム内の「容積」と
外界とを通じるようにする通路または溝１０６を塞ぐ、
レトルトの頂部および底部シートから保護する大きさで
ある。

【００２５】レトルト内の「容積」の排気は、導管部材
１５０または１５２の一方を密閉しかつ導管部材の他方
を真空ポンプに接続して、さらにポンプを駆動してレト
ルトの内部に負圧（吸引）を与えてそれにより「容積」
を真空にすることによって達成され得る。ポンプは、ポ
ンプに関連する圧力計Ｐ１が予め定められた真空レベル
に達したことを示すまで動作する。第２の圧力計Ｐ２は
レトルト全体が真空状態になったことを保証するために
使用され得る。これは、圧力計をレトルトの内部に接続
しかつ圧力計をレトルト全体が真空であることを証明す
るために使用することによって達成される。

【００２６】レトルトを真空にするこのプロセスの間、
シート１０８および１０８は溝１０６がふさがれないよ
うにする役目を果たす。さらに支持および／または保護
するために、シート１０８および１０８と外形および厚
さが類似したシート１０９および１０９をシート１０８
および１０８の外側で溝の両側に設けてもよい。

【００２７】レトルト１００はまた、外形が実質的に矩
形でありかつその周囲の外形が第１のフレーム１１０に
一致しかつその大きさが第１のフレーム１１０を含む第
２のフレーム１２０を含む。第２のフレームは、第１の
フレームを底部シートに固定するために使用される方法
と同様の付着方法でレトルトの頂部シート１０２の上に
固定される。第２のフレームの目的は、開示された金属
シートのスタック４０の拡散接合を達成するために企図
された装置とともに以下に説明される。図４に示される
ように、フレーム１２０の頂部表面は、頂部シート１０
２の頂部表面に関して、頂部シート１０２の最も上の表
面の上に延在するほど十分に高い高さに配置される。

【００２８】次に図４を参照すると、この発明によって
企図された態様で高温ガス拡散接合を行なうために使用
することができる装置が示されている。より特定的に
は、装置は上方のプレス部材２１０および下方のプレス
部材２２０を含む。プラテン部材２１２は上方のプレス
部材の露出面に装着され、上方の工具２１４は上方のプ
ラテン部材の露出面に装着される。同様に、下方のプラ
テン部材２２２は下方のプレス部材２２０の露出面に装
着され、下方の工具２２４は下方のプラテン部材の露出
面に装着される。上方および下方のプラテンはセラミッ
ク材料から製造される。好ましくは、上方および下方の
工具は優れた熱伝達の特徴を有する金属から作られる。
水平に延在するガス供給通路２３０は第２の垂直に延在
するガス供給通路２３２に接続され、これは上方の工具
の中央の位置から上方の工具の露出面の中央の位置に延
在する。圧力ライン２３５は、以下により詳細に説明す
る目的のために、ガス供給通路２３０を高圧力の接合ガ
スソース（図示せず）およびガス供給通路２３０へのガ
スの流れを起こしかつ止めるための適切なバルブ手段に
接続する。

【００２９】レトルトアセンブリ１００がプレスアセン
ブリの下方の工具上の適切な位置に配置されると、上方
および下方の工具は相対的に移動しそのため２つの工具
の間の間隔は減少する。上方の工具が下方の工具に向か
って下に移動すると、上方の工具の露出面は第２のフレ
ーム１２０の頂部表面と係合する。上方の工具は十分な
下方向の圧力で動かされフレーム１２０の頂部表面と係
合し、レトルトの頂部シート１０２の上面とフレーム１
２０の内側と上方の工具の露出した下面との間の封止さ
れた容積「Ｖ」を作り出す。これらの操作を通して、外
部に接続されるポンプを介してレトルト内で真空が維持
される。

【００３０】この時点で、レトルト１００に加熱された
環境が作り出されかつレトルトはプレスアセンブリ２０
０に固定され続ける。レトルトが約１７００°Ｆないし
１９００°Ｆの範囲内の温度に加熱されると、ガスはラ
イン２３５を介して容積「Ｖ」に送られ容積「Ｖ」内に
非常に大きな圧力を作り出す。この圧力によってレトル
トの頂部シートはレトルトの底部シートに向かって下方
向に駆動される。この態様で、スタック４０の金属シー
トの互いに面する表面は拡散接合を行なうのに十分な大
きさの力で押付けられる。

【００３１】プロセスのこの局面の間、フレーム１２０
は、レトルトの頂部シートが容積「Ｖ」に送られている
ガスによってスタックに対して下方向に駆動されるとき
スタック４０の金属シートの縁部がレトルトの頂部シー
トによって押し潰されないようにする。

【００３２】この高圧力および高熱の環境を（拡散接合
を達成するための十分な継続時間の）予め定められた時
間維持した後、ガスの圧力は解放され、かつプレスアセ
ンブリのまわりの環境の温度は下げられ、かつプレスア
センブリは開放されかつレトルトはレトルトを実際に除
去することができる温度に冷される。

【００３３】このようにこの発明に従って、上述の目
的、目標および利点を十分に満たすシートのような加工
物のスタックを拡散接合する方法を実行するためのレト
ルトが提供されたことは明らかである。この発明は特定
の実施例に関して説明されたが、上述の説明を考慮すれ
ば種々の変更、修正および変形が当業者に明らかである
はずである。したがって、この発明は前掲の特許請求の
範囲の意図および範囲内のそのような変更、修正および
変形をすべて含むものとする。

【図面の簡単な説明】

【図１】保護エンベロープに挿入する前の、選択的に拡
散接合するために処理される３つの金属シートからなる
アセンブリの分解図である。

【図２】拡散接合を行なう前の、金属シートのパックに
関するレトルトの製造方法を示す、レトルトの一部破断
斜視図である。

【図３】レトルトの上に固定されるフレーム部材を含み
ガス拡散接合を行なう際に有用な工具を形成する、図２
に示されるレトルトの内部の様々な構成要素を示す、一
部破断上面図である。

【図４】高い温度に加熱しかつ拡散接合を行なうステッ
プの前に、密閉されたレトルトが上方および下方のプレ
スアセンブリ工具の間に配置される、この発明によって
企図されるような拡散接合を行なうのに使用される工具
のアセンブリの側面図である。

【符号の説明】

４０ スタック １０２ 第１のシート １０４ 第２のシート １０６ 溝 １０８ シート １１０ 第１のフレーム １１２ スロット １２０ 第２のフレーム １３０ 溶接部 １５０ 導管 １５２ 導管

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 セブ・アール・サーキシアン アメリカ合衆国、90503 カリフォルニア 州、トーランス、レッドビーム・アベニ ュ、19514

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 スタックの状態に構成されたチタンアル
   ミ合金材料のシートの様々な領域の変形を防ぐ一方同時
   にシートのスタックの他の予め選択された領域を拡散接
   合するための方法であって、前記方法は、 上方および下方の金属シートの間にチタンアルミ合金材
   料の前記スタックを配置して前記スタックを含むエンベ
   ロープを規定するステップと、 前記エンベロープ内でシートの前記スタックの外側に保
   護的なフレーム部材を配置するステップとを含み、前記
   フレーム部材の高さは前記スタックの高さよりも高く、
   さらに、 前記フレーム部材の外側で前記エンベロープの前記上方
   および下方のシートを互いに密閉するステップと、 前記エンベロープに汚染のない環境を与えるステップ
   と、 拡散接合を行なうステップとを含み、これにより前記様
   々な領域は変形されない、方法。
2. 【請求項２】 金属の封止されたエンベロープに前記ス
   タックを配置する前記ステップは、前記エンベロープの
   内部と外界とを通じさせるための手段を設けるステップ
   を含み、 前記エンベロープに汚染のない環境を与える前記ステッ
   プは、真空にする装置を前記通じさせるための手段に接
   続して前記エンベロープ内を真空にするステップを含
   む、請求項１に記載の方法。
3. 【請求項３】 ガス圧力拡散接合プロセスの間反応性金
   属の加工物に対して汚染のない環境を与えるための装置
   であって、前記装置は、 周辺の縁部の領域が互いに面する頂部および底部シート
   と、前記底部シートに関連し前記周辺の縁部の領域の内
   部に配置されるエンベロープ部分を外界と通じるように
   させるためのチャネル手段とを含む金属エンベロープ
   と、 前記頂部シートと底部シートとの間に配置されかつ前記
   加工物を囲むフレーム手段とを含み、 前記頂部および底部シートならびに前記フレーム手段は
   加工物が収納される内部の容積を規定し、 前記フレーム手段の高さは前記加工物よりも高く、その
   ため前記加工物の縁の部分は拡散接合プロセスの間押し
   潰されないようにされる、装置。
4. 【請求項４】 前記チャネル手段に通じ前記拡散接合プ
   ロセスの前およびその間前記周辺の縁部の領域の内部に
   配置される前記エンベロープ部分を真空にするための手
   段をさらに含む、請求項３に記載の装置。
5. 【請求項５】 前記エンベロープの前記頂部シートの上
   に配置される第２のフレーム部材をさらに含み、前記第
   ２のフレーム部材の周辺は前記フレーム手段を含み、か
   つその高さは前記エンベロープの頂部シートの最も高い
   部分の高さよりも高く、そのため前記ガス拡散接合プロ
   セスが実行されるとき、プレス装置と接触するものはな
   く、 そのため、前記ガス拡散接合プロセスを実行する際に、
   前記第２のフレーム部材はプレス装置と協働して、その
   中で拡散接合の大きさの圧力が発生されるガス拡散接合
   チャンバを作り出す、請求項３に記載の装置。