JP2011508083A - 金属マトリクス複合材料からなるインサートで部品を作製する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、セラミック繊維からなる補強材（１５）を含む金属部品を作製する方法に関する。方法は、金属が被覆された繊維の束を集めることによって、少なくとも１つの環状形状のインサート（１５）を形成するステップと、インサートが中空モールドの壁（１０ａ、１０ｂ）間に間隔を置くように、インサートを中空モールド（１０）に設置するステップと、モールドを金属粉末で満たすステップと、モールド内に真空を生成し、モールドを閉鎖するステップと、壁間で粉末粒子を結合するとともに、壁間で挿入繊維を結合するのに十分な温度および圧力で組立品を熱間等静圧圧縮成形するステップと、モールドを除去し、所望の形状に任意に機械加工するステップとを含む。

Description

本発明は、金属マトリクス中にセラミック繊維を備えた種類の金属マトリクス複合材料からなる補強材を有する金属部品を製造する方法に関する。

航空分野では、特に、できるだけ低い質量を目的として最適の機械的性質を有する部品を製造することが試みられている。この目的のために、金属マトリクス複合材料からなるインサートが、ある部品に組み入れられている。この複合材料は、チタン合金などの金属マトリクスに埋め込まれたセラミック繊維、例えば、炭化ケイ素繊維を含む。セラミック繊維は、非常に高い引張強度および圧縮強度を有する特性を有し、それらの強度は金属よりも大きい。金属マトリクスは、部品用バインダおよび繊維の保護および分離の機能をもたらす。

補強材を備えたそのような部品を製造する知られている方法としては、マンドレルのまわりに被覆フィラメントを巻回する製造が挙げられる。巻回物は、次いでハウジングを形成する溝が予め機械加工された主金属本体または容器（ｃｏｎｔａｉｎｅｒ）に組み入れられる。溝の深さは、巻回物の高さより大きい。カバーが容器上に設置され、その周囲に溶接される。カバーは、溝の形状に相補的な形状のほぞを有し、その高さは、溝を満たすように溝内に設置された巻回物の高さに一致する。巻回物がほぞによってぎっしり詰められながら、熱間等静圧圧縮成形ステップが次いで行なわれる。被覆フィラメントの金属シースは一緒に溶接され、セラミック繊維が環状に延在する金属合金からなる密度の高い組立品を形成するために、溝の壁に対して拡散される。得られた部品は、次いで所望の形状に機械加工される。

そのような部品の製造を単純化する目的で、インサートを別に製造し、次いで本体において溝に対してインサートを移動させる代わりに、ＳＮＥＣＭＡ名義の仏国特許第２８８６２９０号明細書は、本体上で直接巻回することを提案している。溝の代わりに、２つの段部が本体に設けられている。第１の段部は、被覆フィラメントの直接の巻回のための座面を有する。この表面は巻回方向と平行である。巻回が完了された場合、溝は、本体上に部品を設置することによって再構成され、本体は、第１の段部に対して段差を形成する第２の段部の形状に相補的な形状である。ほぞを備えたカバーは、次いでちょうど巻回されたインサート上に設置され、組立品は次いでぎっしり詰められる。

上記製造技術は、ハウジングの正確な機械加工を必要とし、部品ブランクがインサートの圧縮および要素の溶接によって製造された後、機械加工操作で部品を得る。したがって、これらの操作は、大量の材料を機械加工するだけでなく、行なうことが巧妙な機械加工操作を必要とする。これらの理由で、この種の部品の製造コストは高く、可能な限り製造コストを低減することが望ましい。

したがって、本発明の目的は、コストを低減するようにこの種の補強材を備えた部品の製造を改善することである。

セラミック繊維補強材を含む金属部品を製造するための本発明による方法は：
金属が被覆されたセラミック繊維を集めることによって、インサートを形成するステップと、
内容積が製造される部品の外皮（ｅｎｖｅｌｏｐ）に相当する中空金属モールドを準備するステップと、
インサートが中空モールドの壁から間隔をあけられるように、インサートを金属モールドに組み込むステップと、
モールドを金属粉末で満たすステップと、
モールドをカバーで閉鎖し、その包囲部の中に真空を生成し、モールドにカバーを溶接するステップと、
モールドの外皮を変形し、粉末および繊維をぎっしり詰めて、粉末粒子と繊維を結合するのに十分な温度および圧力で組立品を熱間等静圧圧縮成形するステップと、
モールドを除去し、必要に応じて所望の形状に機械加工するステップとを含む。

熱間等静圧圧縮成形操作において粉末技術を使用することによって、高い寸法精度および良好な機械的性能の両方、さらには優れた冶金均質性を有する部品を直接製造することが可能である。さらに、その方法に起因する部品の形状は、機械加工操作を必要とせず、または少し必要とする最終部品にできるだけ近いように選択されることができる。

方法は、部品の形状および所望の補強材に応じて、様々な形状の１つ以上のインサートの使用を可能とする。したがって、各インサートは、環状形状であってもよい。より具体的には、インサートは軸対称であってもよく、または、少なくとも１つの直線部を有していてもよい。インサートが直線セグメントの形態で直線である場合、インサートは、熱間等静圧圧縮成形処理に一緒に施された被覆フィラメントから形成されることが好ましい。

少なくとも２つのインサートがモールド内に設置される場合、インサートは重ねられてもよい。配置は、製造される部品の構造および期待される機械的特性によって決まる。

得られたブランクに対する機械加工操作を制限するために、突起がモールド内部に設けられ、機械加工によって材料が取り除かれる区域において金属粉末で満たされる体積を低減する。これらの突起は、セラミック繊維によって強化された区域間の前記金属部品に穴を画定する。

欧州特許第１６６９１４４号明細書は、粉末冶金によっても内部補強材を備えた中空ファンブレードなどの金属物品の製造を開示している。しかしながら、方法は、予備的形成品を製造し、次いで、中空物品を製造するためにこの予備的形成品を形成することを必要とする。そのような方法は本発明を実行するのに適切ではない。

文献の英国特許第２２８０９０９号明細書は、セラミック繊維補強材を含む金属部品の製造を開示している。金属が被覆された繊維が支持材に巻回されている。組立品は箔で被覆されており、組立品全体には熱間等静圧圧縮成形操作が施される。しかしながら、そのような技術は、予め加工されたインサートが設置された中空モールドからの部品の製造を可能としない。２つの文献である欧州特許第９９７５４９号明細書および独国特許第４３３５５５７号明細書も複数の繊維からのインサートの形成を開示していない。

本発明の他の特徴および利点は、添付図面を参照して次の説明を読むことで明らかとなる。

セラミックマトリクス複合材料からなるインサートで、細長い形状の部品を製造するための従来技術の容器を示す。 上方から見た、本発明による部品を製造するためのモールドを、そのカバーなしで示す。 側方から見た、図２のモールドの縦断面図を示す。 側方から見た、モールド内でインサートを支持する他の方法の縦断面図を示す。 側方から見た、さらなる材料を有する部品を得るためのモールドの実施形態の縦断面図を示す。 図５に示される種類のモールド内で得られた部品を、透視したかのように切り取られた部分を示す。 側方から見た、対称部品を得るためのモールドの他の実施形態の縦断面図を示す。 図７に示される種類のモールド内で得られた部品を、透視したかのように切り取られた部分を示す。 図２、図３、図４、図５におけるものの種類のモールド内で得られた部品を、透視したかのように示す。

図１は、従来技術の容器４を示し、細長い形状であり、金属マトリクス複合材料からなるインサートで部品を製造するためのものである。溝４１はインサート３を収容するように容器内で機械加工された。インサートがいかなる隙間もなく溝に適合されるように、溝とインサートは相補的な形状である。次いで、カバー５が組立品を被覆し、図では見えないが、溝内のインサートに影響を与えるように突出表面を有する。組立品内で真空が生成され、カバーは、例えば、電子ビーム溶接によって溶接される。組立品は、次いで適切なエンクロージャ内に設置され、高圧および高温（１０００ｂａｒ、１０００℃）を施すことによって熱間等静圧圧縮成形操作をうける。少なくとも１つの直線部を含むインサートで製造するための技術は、出願人名義で２００７年７月２６日の仏国特許出願第０７／０５４５３号明細書および仏国特許出願第０７／０５４５４号明細書に記載されている。

このように製造されたブランクは、次いで、所望の形状を得るために機械加工される。上記特許出願で示されるように、航空機着陸装置用部品などの複雑な形状を有する部品が得られてもよい。

本発明の解決法は、そのような部品がより経済的に得られることを可能にする。

まず、製造される部品の形状に近い中空形状を備えたスチール製モールドが準備される。

図２、図３は、概ね細長い形状の部品を製造するためのそのようなモールド１０を示す。このモールドは、中空であり、規定の厚みの平底１０ａおよび壁１０ｂを備え、完成部品の厚みに相当する高さを有する。モールドは、穴の内部に突起１１、１２、１３を含む。この図の例によれば、突起は、モールドを閉鎖するカバー１４と接触することを可能にする高さを有する。しかしながら、図５に示されるように、高さは低くてもよい。

インサート１５がモールド内に設置される。ここで、このインサートは、２つの半円部分間に２つの直線部を含む。この種のインサートの場合には、直線部は平行であってもよく、平行でなくてもよく、半円部分は同じ直径を有していてもよく、また有していなくてもよい。

インサートは、仏国特許第２８８６２９０号明細書によって教示される方法の１つによって、限定されずに製造される。これは、被覆フィラメントの構造、それらの製造、被覆フィラメントの結合されたプライの製造、このプライが巻回される金属支持材または下層のプライに対するプライの結合、レーザー溶接によってまたは２つの電極間の接触によるフィラメントの溶接を含む。インサートが少なくとも１つの直線部を含む場合、インサートは、出願人名義の２００７年７月２６日の仏国特許出願第０７／０５４５３号明細書または仏国特許出願第０７／０５４５４号明細書で付与された方法のうちの１つを使用してより具体的に製造される。したがって、インサートは複数の被覆フィラメントから得られてもよく、各被覆フィラメントは、軸対称部のまわりに金属シースを巻回するステップで金属シースで被覆されたセラミック繊維を含み、巻回の一部は、直線方向に沿って行われる。インサートが直線セグメントを形成する場合、インサートは直線部を備えたインサートブランクから得られてもよく、インサートブランクはぎっしり詰められ（ｃｏｍｐａｃｔｅｄ）、次いで直線セグメントに切断される。

インサートは、穴の内部に位置され、モールドの壁から間隔をあけられている。モールド内にインサートを維持するための１つの手段は、場合によっては、全長にわたってインサートの幅に相当する幅を有する支持材１６上に、またはインサートの下に分布するピン上にインサートを設置することにある。この支持材は、粉末と同じ金属からなることが好ましい。

１つの実施形態では、図４に示されるように、支持材は、Ｌ形状の断面を有する部品１６’からなってもよい。この場合、支持材は、仏国特許第２８８６９２０号明細書に記載されるように、被覆フィラメントがインサートを構成するために巻回されたマンドレルから有利に形成される。

モールドは金属粉末１８で満たされる。この種の用途では、金属は、合金ＴＡ６Ｖなどのチタン合金、Ｉｎｃｏｎｎｅｌ６２５などのニッケル合金、またはステンレス鋼であってもよい。使用される合金は、それが粉末冶金で使用されるのに適切な粒径分布を有する。

インサートがモールド内に設置される前に、粉末がモールド内に部分的に導入されてもよく、必要に応じて粉末は予めぎっしり詰められる。モールドは次いで満たされる。

カバー１４は、このようにして満たされたモールド上に設置され、真空が穴内に生成される。包囲部は次いでそれを溶接することによって密閉される。

このようにして準備されたモールドは、熱間等静圧圧縮成形エンクロージャ内に設置される。このような筺体は、１０００℃の温度、１０００ｂａｒの圧力で数時間、部品を維持すること可能にする。これらの条件では、モールドは、インサートと粉末の両方の２０から２５％の体積の低減のために変形される。

この操作後、粉末の密度は十分に高められ、孔は残らない。接触部分はすべて、拡散溶接によって一緒に溶接される。被覆フィラメントは、セラミック繊維が含まれるマトリクスを形成することによって一緒に溶接される。挿入部のマトリクスを構成する金属は、粉末を構成する金属と同じである。しかしながら、挿入部のマトリクスを構成する金属は、粉末を構成する金属と異なっていてもよい。

モールドは、次いで、酸を使用する選択的溶解によって、または機械的に取り除かれる。必要に応じて、部品は所望の形状を得るために機械加工される。

この方法は、部品の構成を変えることを可能にする。上記例において、突起は、モールドの穴の全体高さに及ぶ。最小量の材料が使用され、図９に示されるようなものなどの、貫通開口２１、２２、２３を備えた部品２０が得られる。金属の塊に一体化されたインサート１５は、透視したかのように見せてある。

図９は、本発明を実行することによってこのように製造することが可能な部品の一例を示す。部品を得るためのコストは、加熱加圧成形操作後に機械加工を必要とする技術よりも約３０％低い。

図５に示される例においては、モールド５０の突起５１、５２、５３は、モールドの穴の高さにわたって部分的にのみ延在する。図６で分かるように、軽量部分５１’、５２’、５３’を備えるが貫通開口を備えない部品５０’が得られる。インサートは、部品を透視したかのように図において見せてある。

図７に示される例において、中央壁７４に対して対称の突起７２、７３を有するモールド７０およびその関連カバー７１が使用される。図８に示される鋳物７０’は対称である。

Claims (9)

1. 少なくとも１つのセラミック繊維補強材（１５）を含む金属部品を製造する方法であって、
   金属が被覆されたセラミック繊維を束に集めることによって、少なくとも１つのインサート（１５）を形成するステップと、
   インサートが中空モールド（１０）の壁（１０ａ、１０ｂ）から間隔をあけられるように、インサートを中空モールド（１０）に組み込むステップと、
   モールドを金属粉末で満たすステップと、
   モールド内に真空を生成し、モールドを閉鎖するステップと、
   粉末粒子とインサートの被覆繊維を結合するのに十分な温度および圧力で組立品を熱間等静圧圧縮成形するステップと、
   モールドを除去し、必要に応じて所望の形状に機械加工するステップとを含む、方法。
2. インサートが環状形状、特に軸対称形状を有する、請求項１に記載の方法。
3. インサートが少なくとも１つの直線部を有する、請求項１に記載の方法。
4. インサートがまっすぐであり、熱間等静圧圧縮成形処理が一緒に施された被覆フィラメントから形成される、請求項１に記載の方法。
5. インサートが支持材（１６、１６’）によってモールド内に設置される、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 支持材がインサートを巻回するためのマンドレルである、請求項５に記載の方法。
7. 少なくとも２つのインサートがモールド内に設置される、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. ２つのインサートがそれらが重ねられるように設置される、請求項７に記載の方法。
9. 突起（１１、１２、１３、５１、５２、５３、７２、７３）がモールド（１０、５０、７０）内に設けられ、突起はセラミック繊維によって強化された区域間の前記金属部品に穴を画定する、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。

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