JPH0994678A - チタン合金構造の一体成形方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来方法に比べて、工程の簡略化により製造
時間が短縮する。 【解決手段】 拡散接合したチタン合金材１の超塑性成
形工程と超塑性成形したチタン合金材１と金具２，３と
の拡散接合工程を、加圧治具１０，１１とシール治具１
３，１４により形成される成形空間１２において続いて
行なうことで製造時間を短縮する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、航空機の機体構
造、特に耐熱性を必要とする部位に適用されるチタン合
金の２層以上の構造を持つ部品と金具を、超塑性成形と
拡散接合技術を用いて一体構造とするチタン合金構造の
一体成形方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】たとえば、チタンやチタン合金の多くに
は、超塑性を備えたものがあり、適当なチタン合金は、
３００パーセントに達する表面積の全増加が可能である
ことがわかっている。このようなチタン合金は、超塑性
成形手段により、非常に複雑な形状に成形できるが、チ
タンやチタン合金は、特に高温における空気中の酸素、
窒素、および水蒸気に敏感であり、超塑性成形を行なう
場合、制御された環境において加熱と成形を行ない、チ
タンの清浄性を確実にする必要がある。

【０００３】３層以上のチタン合金部品を超塑性成形と
拡散接合技術を用いて一体に成形する技術手段として、
３枚のチタン合金シート素材を用意し、中間に位置する
コアシートの一面の接合不要区域および他面の接合不要
区域に、ボロンナイト等の接合防止剤を塗布し、このコ
アシートの両面にフエースシートを重ね合わせ、この重
合シートを成形型の内部にセットし、型の内部空間およ
び各シートの境界内を真空引きした後、全体を加熱し、
十分に昇温後、型の内部空間に不活性ガス（一般的には
アルゴンガス）を導入し、３枚のチタン合金シート素材
の接合区域を拡散接合することでチタン合金部品を成形
する技術手段は、たとえば、Ｔｉｔａｎ１９８６ Ｖｏ
ｌ ２ ６０３〜６３０「チタン拡散接合」により知ら
れている。

【０００４】一方、超塑性成形したチタン合金構造（パ
ネル）を実用化するには、チタン合金構造に金具等の取
付け部を結合することが必要であり、チタン合金構造に
金具を結合するために、ファスナ結合手段や溶接手段
（ロー付け手段を含む）が採用されている。たとえば、
チタン合金構造に金具をファスナで結合するには、成形
されたチタン合金構造の所定部位に孔をあけるととも
に、金具の対応する部位に孔をあけ、ファスナを介して
チタン合金構造と金具を組立てることで行なう。また、
チタン合金構造に金具を溶接で結合するには、チタン合
金構造の所定位置に金具をセットし、チタン合金構造と
金具の接合部を溶接手段で一体的にすることで行なう。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】金具付チタン合金構造
を上記チタン合金の一体成形方法を用いて成形する場
合、チタン合金構造を成形する成形工程と成形したチタ
ン合金構造に金具を取付ける金具組立工程の２工程を必
要とするから、金具付チタン合金構造の製造時間が長く
なり、製造コストが高くなる。

【０００６】また、上記チタン合金の一体成形方法で成
形された金具付チタン合金構造は、チタン合金構造への
金具の組立作業に制約があるため、チタン合金構造の形
状に制限があり、しかも、ファスナ結合手段や溶接手段
やロー付け手段より形成される結合点や結合線による荷
重伝達に強度を依存しているため、金具付チタン合金構
造のチタン合金構造と金具の結合部の荷重伝達効率は悪
い。

【０００７】さらに、上記チタン合金の一体成形方法に
用いられる治工具は、成形品の全周を治工具面で囲むた
め治工具の成形面を成形品の複雑な製品形状に対応した
製品形状に加工することが必要であり、治工具製造コス
トも高くなる。

【０００８】本発明は上記した点に考慮してなされたも
ので、超塑性成形／拡散接合品の成形時間を短縮すると
ともに、チタン合金構造と金具との結合部を接合面全面
としたチタン合金構造の一体成形方法を提供することを
目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明のチタン合金構造
の一体成形方法は、拡散接合したチタン合金材の超塑性
成形工程と超塑性成形したチタン合金材と金具との拡散
接合工程を、加圧治具とシール治具により形成される成
形空間において続いて行なうことで、金具組立工程を省
き、製造時間を短縮して製造コストを下げるとともに、
チタン合金構造と金具の結合部を接合面全面として荷重
伝達の効率を高める。また、チタン合金構造と金具との
組立工程を接合過程の一環として二次工程を排除するた
め、組立作業性の考慮等が不要となり設計の自由度が増
し構造形状の最適化が図られる。

【００１０】

【実施例】以下本発明の実施の形態を図面につき説明す
る。図１は、本発明のチタン合金構造の一体成形方法に
用いられる超塑性成形と拡散接合が可能なチタン合金材
１と、このチタン合金材１に拡散接合される鋳造金具
２，３を示す。

【００１１】上記チタン合金材１は、上面フエースシー
ト４と、下面フエースシート５と、上面フエースシート
４と下面フエースシート５の間に配置されるコアシート
６から形成されている。上面フエースシート４と下面フ
エースシート５とコアシート６は、互いに拡散接合が可
能なチタン合金から選定される。コアシート６の下面中
央部にはボロンナイト等の接合防止剤層７が塗布され、
コアシート６の上面両側にはボロンナイト等の接合防止
剤層８（図２）が塗布されている。コアシート６に設け
た接合防止剤層７はコアシート６と下面フエースシート
５の接合不要区域を形成し、コアシート６に設けた接合
防止剤層８はコアシート６と上面フエースシート４の接
合不要区域を形成する。上面フエースシート４の隅部に
は、真空引きおよびガス導入のための孔９が形成され、
この孔９に図示しないパイプが溶着される。

【００１２】上記鋳造金具２，３は、チタン合金材１と
拡散接合する特性を有し、超塑性成形温度や拡散接合温
度で溶融しない材料、たとえば、チタン合金（Ｔｉ・６
Ａｌ・２Ｓｎ・４Ｚｒ・２Ｍｏ）を精密鋳造することで
成形される。この鋳造金具２，３は鍛造品や押出型材で
あってもよい。鋳造金具の鋳造組織は、超塑性を示しに
くいので、チタン合金シートに鋳造金具のチタン合金材
より高温変形抵抗の低いチタン合金材を用いることで、
鋳造金具がその形状を保持し、チタン合金材のみが変形
して接合面を形成することができる。鋳造金具２，３
は、チタン合金材１と同じチタン合金とすることもでき
る。この場合には、超塑性成形時に、鋳造金具２，３の
温度をチタン合金材１の温度より約１００℃程度低い温
度にすることが望ましい。

【００１３】つぎに、本発明のチタン合金構造の一体成
形方法について説明する。まず、３枚のチタン合金シー
ト４，５，６を重ね合わせたチタン合金材１を、図３に
示すように、下側加圧治具１０と上側加圧治具１１の間
にセットし、セットしたチタン合金材１の上面両側端に
鋳造金具２，３を配置する。これら鋳造金具２，３は、
チタン合金材１の上面フエースシート４にスポット溶接
により仮止めされる。これにより、鋳造金具２，３は、
チタン合金材１の所定位置に位置決め固定される。

【００１４】つぎに、シール治具１３，１４を下側加圧
治具１０と上側加圧治具１１の間にセットし、シール治
具１３，１４と下側加圧治具１０と上側加圧治具１１と
に区画される成形空間１２を形成する。シール治具１
３，１４は、鋳造金具２，３の外側に位置して、鋳造金
具２，３の変形を押さえるとともに、成形空間１２を密
封空間にする。

【００１５】つぎに、図示しない真空装置により、上側
加圧治具１１に設けた真空引きおよびガス導入口１５を
通して成形空間１２を１×１０^-4ｔｏｒｒ以下になるよ
うに真空引きし、これに続いて、治具全体を超塑性成形
および拡散接合温度まで加熱する。この超塑性成形温度
は、チタン合金がＴｉ・６Ａｌ・４Ｖであれば、約９０
０℃の温度である。

【００１６】ついで、治具全体の温度が超塑性成形温度
に達したら、上側加圧治具１１に設けた真空引きおよび
ガス導入口１５から下側加圧治具１０と上側加圧治具１
１とシール治具１３，１４の間に形成される成形空間１
２に不活性ガス（アルゴンガス・ヘリウムガス）または
窒素ガス等を導入する。この不活性ガスの導入により、
チタン合金材１の３枚のチタン合金シート４，５，６
は、接合防止剤層７，８の部分を除いて互いに拡散接合
される。このチタン合金の拡散接合条件は、チタン合金
（Ｔｉ・６Ａｌ・４Ｖ）の場合、約９００℃の温度で、
約３０気圧で、約２時間である。

【００１７】チタン合金材１の拡散接合が終了したら、
図示しない真空装置により、上側加圧治具１１に設けた
真空引きおよびガス導入口１５を通して成形空間１２を
真空状態にする。

【００１８】つぎに、不活性ガスをガス導入口９（図
１）より、３枚のチタン合金シート４，５，６の接合防
止剤層７，８による未接合区域を介して拡散接合された
チタン合金シート４，５，６の内部に導入し、図４に示
すように、チタン合金材１を超塑性成形する。この超塑
性成形は、チタン合金（Ｔｉ・６Ａｌ・４Ｖ）の場合、
温度約９００℃で、ひずみ速度が１０^-3〜１０^-4ｍｍ／
ｍｍ／秒程度になるようにガス圧力を制御することで行
なう。チタン合金材１の超塑性成形により、拡散接合し
た上面フエースシート４とチタン合金コアシート６の間
にキャビテイ１６，１７が形成され、拡散接合した下面
フエースシート５とコアシート６の間にキャビテイ１８
が形成される。

【００１９】チタン合金材１の超塑性成形が行なわれた
後、キャビテイ１６，１７，１８内の不活性ガスのガス
圧を上げて、不活性ガスのガス圧を所定時間保持する。
不活性ガスのガス圧を上げることで、図５に示すよう
に、チタン合金材１のチタン合金シート４と鋳造金具
２，３が拡散接合される。この拡散接合が不十分である
場合には、不活性ガスのガス圧と時間をさらに増加す
る。

【００２０】チタン合金材１のチタン合金シート４と鋳
造金具２，３の拡散接合が終了したら、キャビテイ１
６，１７，１８内の不活性ガスを排出し、成形品を取り
出す。この場合、成形品の部品形状によっては変形を防
止するために、成形品を治具の温度が下がってから取り
出してもよい。

【００２１】このようにして、成形されたチタン合金構
造は、金具２，３を一体接合によりチタン合金構造１に
組立てたので、チタン合金構造と金具の結合部を接合面
全面として荷重伝達の効率を高め、全体重量が軽くな
る。

【００２２】図６ないし図１０は本発明の他の実施の形
態を示す。この実施の形態では、チタン合金構造は、超
塑性成形と拡散接合が可能なチタン合金材２０とこのチ
タン合金材２０に拡散接合される鋳造金具２１から構成
される。

【００２３】チタン合金材２０は、上面フエースシート
２２と下面フエースシート２３から構成され、下面フエ
ースシート２３の上面両側にボロンナイト等の接合防止
剤層２４，２５が塗布される。鋳造金具２１は、断面形
状を中空台形状である。この鋳造金具２１の断面形状は
必要に応じて中空矩形状等に変更される。

【００２４】なお、図６において符号２６は、上面フエ
ースシート２２の隅部に形成した真空引きおよびガス導
入のための孔である。

【００２５】つぎに、作用を説明する。まず、２枚のフ
エースシート２２，２３を重ね合わせたチタン合金材２
０を、図８に示すように、下側加圧治具３０と上側加圧
治具３１の間にセットし、チタン合金材２０の上面中央
部に鋳造金具２１を配置する。鋳造金具２１はチタン合
金材２０の上面フエースシート２２にスポット溶接によ
り仮止めされる。

【００２６】つぎに、下側加圧治具３０と上側加圧治具
３１の間に成形空間３２を形成するように、下側加圧治
具３０と上側加圧治具３１にシール治具３３，３４をセ
ットする。上面フエースシート２２と鋳造金具２１の高
温下強度が同程度の場合、鋳造金具２１の中空部にセラ
ミックなどの治具を入れるか、不活性ガス圧をかけてお
くことが望ましい。

【００２７】つぎに、図示しない真空装置により、上側
加圧治具３１に設けた真空引きおよびガス導入口３５を
通して、成形空間３２の圧力が１×１０^-4ｔｏｒｒ以下
になるように真空引きし、これに続いて、治具全体を超
塑性成形温度まで加熱する。この超塑性成形温度は、チ
タン合金がＴｉ・６Ａｌ・４Ｖであれば、約９００℃の
温度である。

【００２８】治具全体が超塑性成形温度まで加熱した
ら、上側加圧治具３１に設けた真空引きおよびガス導入
口３５から下側加圧治具３０と上側加圧治具３１とシー
ル治具３３，３４の間に形成される成形空間３２に不活
性ガスを導入する。この不活性ガスの導入により、チタ
ン合金材２０の２枚のチタン合金シート２２，２３は、
接合防止剤層２４，２５の部分を除いて拡散接合され
る。このチタン合金の拡散接合条件は、チタン合金（Ｔ
ｉ・６Ａｌ・４Ｖ）の場合、約９００℃の温度、約３０
気圧で、約２時間である。

【００２９】チタン合金材２０の拡散接合が終了した
ら、図示しない真空装置により、上側加圧治具３１に設
けた真空引きおよびガス導入口３５を通して成形空間３
２を真空状態にし、ついで、２枚のチタン合金シート２
２，２３の内部に不活性ガスを導入することで、図９に
示すように、チタン合金材２０を超塑性成形する。チタ
ン合金材２０の超塑性成形により、拡散接合した上面フ
エースシート２２と下面フエースシート２３の間にキャ
ビテイ３６，３７が形成され、一方鋳造金具２１は元の
断面が維持される。この超塑性成形は、チタン合金（Ｔ
ｉ・６Ａｌ・４Ｖ）の場合、温度約９００℃で、ひずみ
速度が１０^-3〜１０^-4ｍｍ／ｍｍ／秒程度になるように
ガス圧力を制御することで行なう。

【００３０】チタン合金材２０の超塑性成形後、キャビ
テイ３６，３７の不活性ガスのガス圧を上げ、不活性ガ
スのガス圧を所定時間保持することで、図１０に示すよ
うに、チタン合金材２０のチタン合金シート２２と鋳造
金具２１が拡散接合される。

【００３１】チタン合金材２０のチタン合金シート２２
と鋳造金具２１の拡散接合が終了したら、上側加圧治具
３１に設けた真空引きおよびガス導入口３５を通して成
形空間３２の不活性ガスを排出し、成形品を取り出す。
部品形状によっては変形を防止するために、治具の温度
が下がってから取り出す。

【００３２】図１１ないし図１３は本発明の他の実施の
形態を示す。この実施の形態は、図３ないし図５に示す
本発明の実施の形態とシール治具１３Ａ，１４Ａの構造
と取付け位置が異なっている。

【００３３】上記実施の形態においては、３枚のチタン
合金シート４，５，６を重ね合わせたチタン合金材１と
鋳造金具２，３を、図３と同様に、下側加圧治具１０と
上側加圧治具１１の間にセットし、図１１に示すよう
に、シール治具１３Ａとシール治具１４Ａを下側加圧治
具１０と上側加圧治具１１の間にセットする。上記シー
ル治具１３Ａとシール治具１４Ａは、図３に示すシール
治具１３，１４と形状が異なり、鋳造金具２，３から半
径方向外側に間隔を置いた位置にセットされる。そのた
め、シール治具１３Ａとシール治具１４Ａと下側加圧治
具１０と上側加圧治具１１とに区画される空間は、鋳造
金具２，３より半径方向内側の成形空間１２と鋳造金具
２，３より半径方向外側の空間４０である。シール治具
１３Ａとシール治具１４Ａは、鋳造金具２，３から離れ
て配置されるので、図３に示すシール治具１３とシール
治具１４のように鋳造金具２，３の外面を支持する必要
がない。シール治具１３Ａとシール治具１４Ａは、下側
加圧治具１０と上側加圧治具１１間の位置決めおよびシ
ール治具として作用するだけでよいから、図３に示すシ
ール治具１３とシール治具１４と異なり、形状が単純
で、同じ高さの部品を加工する場合、別の下側加圧治具
と上側加圧治具との共用が可能になる。

【００３４】つぎに、図示しない真空装置により、上側
加圧治具１１に設けた真空引きおよびガス導入口１５を
通して成形空間１２を１×１０^-4ｔｏｒｒ以下になるよ
うに真空引きし、これに続いて、治具全体を超塑性成形
および拡散接合温度まで加熱する。この超塑性成形温度
は、チタン合金がＴｉ・６Ａｌ・４Ｖであれば、約９０
０℃の温度である。

【００３５】ついで、治具全体の温度が超塑性成形温度
に達したら、上側加圧治具１１に設けた真空引きおよび
ガス導入口１５から下側加圧治具１０と上側加圧治具１
１と鋳造金具２，３の間に形成される成形空間１２に不
活性ガスを導入する。この不活性ガスの導入により、チ
タン合金材１の３枚のチタン合金シート４，５，６は、
接合防止剤層７，８の部分を除いて互いに拡散接合され
る。このチタン合金の拡散接合条件は、チタン合金（Ｔ
ｉ・６Ａｌ・４Ｖ）の場合、約９００℃の温度で、約３
０気圧で、約２時間である。

【００３６】チタン合金材１の拡散接合が終了したら、
図示しない真空装置により、上側加圧治具１１に設けた
真空引きおよびガス導入口１５を通して成形空間１２を
真空状態にする。

【００３７】つぎに、不活性ガスを図示しないガス導入
口より、３枚のチタン合金シート４，５，６の接合防止
剤層７，８による未接合区域を介して拡散接合されたチ
タン合金シート４，５，６の内部に導入し、図１２に示
すように、チタン合金材１を超塑性成形する。この超塑
性成形は、チタン合金（Ｔｉ・６Ａｌ・４Ｖ）の場合、
温度９００℃で、ひずみ速度が１０^-3〜１０^-4ｍｍ／ｍ
ｍ／秒程度になるようにガス圧力を制御することで行な
う。チタン合金材１の超塑性成形により、拡散接合した
上面フエースシート４とチタン合金コアシート６の間に
キャビテイ１６，１７が形成され、拡散接合した下面フ
エースシート５とコアシート６の間にキャビテイ１８が
形成される。超塑性成形時に、鋳造金具２，３より半径
方向外側の空間４０に、成形空間１２の圧力またはキャ
ビテイ１６，１７の圧力に合わせて圧力と流量を制御し
た不活性ガスを供給することで、鋳造金具２，３の外方
への変形を押さえることが可能となる。

【００３８】チタン合金材１の超塑性成形が行なわれた
後、キャビテイ１６，１７，１８および空間４０内の不
活性ガスのガス圧を上げて、不活性ガスのガス圧を所定
時間保持する。不活性ガスのガス圧を上げることで、図
１３に示すように、チタン合金材１のチタン合金シート
４と鋳造金具２，３が拡散接合される。

【００３９】チタン合金材１のチタン合金シート４と鋳
造金具２，３の拡散接合が終了したら、キャビテイ１
６，１７，１８内の不活性ガスを排出し、成形品を取り
出す。

【００４０】なお、上記実施の形態では、チタン合金部
品の成形に、２枚と３枚のシートを用いたが、この枚数
はそれ以上であってもよい。

【００４１】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によるチタン
合金構造の一体成形方法は、従来方法に比べて、工程の
簡略化により製造時間が短縮する。また、金具の面を成
形面として利用することで治工具の簡略化が可能にな
る。さらに、チタン合金構造と金具との組立工程を接合
過程の一環として二次工程を排除するため、組立作業性
の考慮等が不要となり設計の自由度が増し構造形状の最
適化が図られる。

【００４２】また、本発明によるチタン合金構造は、金
具を一体接合によりチタン合金構造に組立てたので、チ
タン合金構造と金具の結合部を接合面全面として荷重伝
達の効率を高め、全体重量が軽くなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるチタン合金構造の一体成形方法に
用いられるチタン合金材と金具を示す図。

【図２】図１のチタン合金材の上面フエースシートを示
す図。

【図３】本発明によるチタン合金構造の一体成形方法の
拡散接合段階を示す図。

【図４】本発明によるチタン合金構造の一体成形方法の
超塑性成形段階を示す図。

【図５】本発明によるチタン合金構造の一体成形方法の
最終段階を示す図。

【図６】本発明によるチタン合金構造の一体成形方法の
他の実施形態に用いられるチタン合金材と金具を示す
図。

【図７】図６のチタン合金材の上面フエースシートを示
す図。

【図８】本発明によるチタン合金構造の一体成形方法の
他の実施形態の拡散接合段階を示す図。

【図９】本発明によるチタン合金構造の一体成形方法の
他の実施形態の超塑性成形段階を示す図。

【図１０】本発明によるチタン合金構造の一体成形方法
の他の実施形態の最終段階を示す図。

【図１１】本発明によるチタン合金構造の一体成形方法
の他の実施形態の拡散接合段階を示す図。

【図１２】本発明によるチタン合金構造の一体成形方法
の他の実施形態の超塑性成形段階を示す図。

【図１３】本発明によるチタン合金構造の一体成形方法
の他の実施形態の最終段階を示す図。

【符号の説明】

１ チタン合金材 ２，３ 鋳造金具 ４ 上面フエースシート ５ 下面フエースシート ６ コアシート ７ 接合防止剤層 ８ 接合防止剤層 １０ 下側加圧治具 １１ 上側加圧治具 １２ 成形空間 １３ シール治具 １４ シール治具

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】超塑性成形と拡散接合が可能なチタン合金
   シートを接合防止剤を介して複数枚重ね合わせ、重ね合
   わせたチタン合金材と金具を一対の加圧治具の間にセッ
   トし、シール治具を成形空間を形成するよう一対の加圧
   治具の間にセットし、加圧治具とシール治具により形成
   される成形空間を真空引きし、真空引きした治具全体を
   超塑性成形温度まで加熱し、超塑性成形温度まで加熱し
   た治具の成形空間に不活性ガスを導入してチタン合金材
   のチタン合金シートを拡散接合し、チタン合金シートが
   拡散接合された後、成形空間の不活性ガスを排出して成
   形空間を真空状態にし、不活性ガスを真空状態の拡散接
   合したチタン合金材のチタン合金シートの間に導入して
   拡散接合したチタン合金材を超塑性成形し、チタン合金
   シート内に導入された不活性ガスのガス圧を上げて超塑
   性成形したチタン合金材と金具を拡散接合することを特
   徴とするチタン合金構造の一体成形方法。
2. 【請求項２】金具がチタン合金材の精密鋳造品、鍛造
   品、または押出型材であることを特徴とする請求項１に
   記載のチタン合金構造の一体成形方法。
3. 【請求項３】チタン合金材が３枚のチタン合金シートで
   構成され、中間に位置するチタン合金シートの両面に接
   合防止剤を塗布することを特徴とする請求項１に記載の
   チタン合金構造の一体成形方法。
4. 【請求項４】チタン合金材が２枚のチタン合金シートで
   構成され、一方のチタン合金シートに接合防止剤を塗布
   し、他方のチタン合金シートに真空引きおよびガス導入
   のための孔を設けることを特徴とする請求項１に記載の
   チタン合金構造の一体成形方法。
5. 【請求項５】請求項１のチタン合金構造の一体成形方法
   により作られたチタン合金構造。