JPH04231449A - Preparation of pipe by using reusable mandrel - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】0001
【発明の背景】本発明は、プラズマ溶射技術による管の
製造に関するものである。更に詳しく言えば、本発明は
再使用可能なマンドレルを使用しながらプラズマ溶射技
術によってほぼ環状の製品を製造する方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION This invention relates to the manufacture of tubes by plasma spray techniques. More particularly, the present invention relates to a method of manufacturing generally annular articles by plasma spray techniques using reusable mandrels.
【０００２】各種の形状を持った製品を製造するために
プラズマ溶射技術を使用し得ることは公知である。プラ
ズマ媒質として高周波プラズマを使用するプラズマ溶射
技術によって製品を製造する方法は、幾つかの特許明細
書中に記載されている。また、チタン基合金箔、薄板お
よび類似の製品の製造方法、並びにチタン基合金中に炭
化ケイ素繊維を埋込んで成る強化複合材料の製造方法は
、いずれも本発明の場合と同じ譲受人に譲渡された米国
特許第４７７５５４７、４７８２８８４、４７８６５６
６、４８０５２９４、４８０５８３３および４８３８３
３７号の明細書中に記載されている。It is known that plasma spray techniques can be used to produce products with a variety of shapes. Methods for manufacturing products by plasma spraying techniques using radio-frequency plasma as plasma medium are described in several patent specifications. In addition, the method for manufacturing titanium-based alloy foils, sheets, and similar products, as well as the method for manufacturing reinforced composite materials comprising silicon carbide fibers embedded in titanium-based alloys, are all assigned to the same assignee as the present invention. No. 4775547, 4782884, 478656
6, 4805294, 4805833 and 48383
It is described in the specification of No. 37.
【０００３】上記の特許明細書中に記載されたような複
合材料は重量の割に極めて優れた強度特性を有するため
、それらの製造は集中的な研究の対象となっている。
特に望ましい性質の１つは、炭化ケイ素繊維またはフィ
ラメントによって複合材料に付与される優れた引張特性
である。かかる複合材料の引張特性は混合規則に準拠し
ている。このような混合規則に従えば、母体ではなくフ
ィラメントに帰因される引張特性の比率は、複合材料中
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、母体に
帰因される同じ引張特性の比率は、複合材料中に存在す
る母体の体積百分率および母体自身の引張強さによって
決定される。Composite materials such as those described in the above-mentioned patent specifications have very good strength-to-weight properties, so their manufacture has been the subject of intensive research. One particularly desirable property is the excellent tensile properties imparted to composite materials by silicon carbide fibers or filaments. The tensile properties of such composite materials comply with the mixing rules. According to such mixing rules, the proportion of tensile properties that can be attributed to the filaments rather than the matrix is determined by the volume percentage of the filaments present in the composite and the tensile strength of the filaments themselves. Similarly, the proportion of the same tensile properties attributed to the matrix is determined by the volume percentage of the matrix present in the composite and the tensile strength of the matrix itself.
【０００４】上記の特許明細書中に記載された方法が開
発される以前には、チタン基合金の箔と補強用フィラメ
ントとを交互に配置して成る堆積物を圧縮することによ
ってサンドイッチ構造物が製造されていた。しかしなが
ら、フィラメントが内部補強材を成すような環状構造物
を製造するためには、かかる従来の方法は満足すべきも
のではないことが判明した。Prior to the development of the method described in the above-mentioned patent, sandwich structures were made by compressing deposits of alternating titanium-based alloy foils and reinforcing filaments. It was manufactured. However, it has been found that such conventional methods are unsatisfactory for producing annular structures in which the filaments constitute internal reinforcement.
【０００５】上記の特許明細書中に記載された複合材料
およびそれらの製造方法は、母体と補強用フィラメント
との堆積物を圧縮してサンドイッチ構造物を製造すると
いう以前の技術に比べて大幅な改良を成すものであった
。The composite materials and methods of their manufacture described in the above patent specifications provide significant improvements over previous techniques of compressing matrix and reinforcing filament deposits to produce sandwich structures. It was an improvement.
【０００６】上記の特許明細書中に記載されたごとくに
して製造された複合材料が以前のサンドイッチ構造物に
比べて大幅に改善された性質を有するとは言え、それら
の複合材料が示し得る極限引張強さは理論的に可能な値
にまでは達していないことが後になって判明した。すな
わち、上記の特許明細書中に記載された方法に従って製
造された複合材料を試験したところ、モジュラス値は一
般に混合法則によって予測された値と良く一致するのに
対し、極限引張強さは複合材料の各成分の性質から予測
された値よりも遥かに低いのが通例であることが証明さ
れた。引張特性が予想よりも低いという問題の解決を目
的として幾つかの特許出願が提出されているが、それら
の一部は未だに係属中である。かかる特許出願としては
、１９８９年１２月４日に提出された米国特許出願第４
４５２０３号、１９９０年１月２日に提出された同第４
５９８９４号、並びに１９８９年１２月２２日に提出さ
れた同第４５５０４１および４４５０４８号が挙げられ
る。Although the composite materials produced as described in the above-mentioned patent specifications have significantly improved properties compared to previous sandwich structures, the extreme limits that these composite materials can exhibit are It was later discovered that the tensile strength did not reach the theoretically possible value. That is, when we test composite materials made according to the method described in the above patent specification, the modulus values generally agree well with those predicted by the law of mixtures, whereas the ultimate tensile strength of the composite material It has been proven that the values are typically much lower than expected from the properties of each component. Several patent applications have been filed aimed at solving the problem of lower than expected tensile properties, some of which are still pending. Such patent applications include U.S. Patent Application No. 4 filed on December 4, 1989.
No. 45203, No. 4 filed on January 2, 1990
No. 59894, and Nos. 455041 and 445048 filed on December 22, 1989.
【０００７】これらの引用特許の技術を特に望ましく適
用し得ることが判明した構造物の一例は、金属母体と、
多数回にわたって外周全体に巻付けられた炭化ケイ素フ
ィラメント補強材とから成る環状構造物である。かかる
環状構造物は、特に金属のみから成る環状構造物に比べ
た場合、重量の割に極めて優れた引張特性を有している
。とは言え、特にかかる環状構造物を製造する際には非
常に高い温度を使用しなければならないという理由のた
め、極めて厳密な内部寸法を持った環状構造物を製造す
るのが非常に困難であることが判明した。かかる環状構
造物が厳密な内部寸法を有していなければならないのは
、それらを最終用途において最も効果的に使用し得るよ
うにするためである。すなわち、かかる環状構造物はよ
り複雑な構造物の一部として使用されることが多く、し
かもその際には１個または数個の円形要素上に嵌合して
補強リングとして使用されるのである。[0007] An example of a structure to which it has been found that the techniques of these cited patents can be particularly desirably applied includes a metal matrix,
It is an annular structure consisting of a silicon carbide filament reinforcement wrapped around the entire circumference multiple times. Such annular structures have extremely good tensile properties relative to their weight, especially when compared to annular structures made only of metal. However, it is very difficult to produce annular structures with extremely precise internal dimensions, especially because of the very high temperatures that must be used to produce such annular structures. It turns out that there is something. Such annular structures must have precise internal dimensions so that they can be used most effectively in their end use. That is, such annular structures are often used as part of more complex structures, where they are fitted over one or several circular elements and used as reinforcing rings. .
【０００８】実際に製造されている環状構造物の中には
、多数の層を成すようにして補強用フィラメントを多数
回にわたり周囲に巻付けて成るようなものがある。この
ような強化環状構造物は、たとえば、ジェットエンジン
の圧縮機円板の羽根用の補強リング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において羽根を
保持するために使用するには、多数の補強用フィラメン
ト層が必要とされる。しかしながら、熱膨張率の差やそ
の他の理由により、環状構造物に多数の補強用フィラメ
ント層を追加し続けることは極めて困難であることが判
明した。かかる問題を解決する方法の一例が、
年 月 日に提出された同時係属
米国特許出願第 号の明細書中
に記載されている。この特許出願明細書中に記載された
方法は、一連の同心環状構造物を製造し、次いでそれら
を組立てることによって１００以上の補強用フィラメン
ト層を有する強化環状集合体を得るというものである。
かかる環状構造物は１フィートないし数フィート程度の
極めて大きい直径を有することがあるが、そのような場
合でも、それらは僅か１０００分の数インチという極め
て厳密な許容差をもって嵌合させなければならない。[0008] Some annular structures that are actually manufactured are made by wrapping reinforcing filaments around the circumference many times in many layers. Such a reinforced annular structure can be used, for example, as a reinforcing ring for the blades of a compressor disk of a jet engine. Multiple reinforcing filament layers are required for use in retaining blades in jet engine compressor stages. However, due to differences in thermal expansion coefficients and other reasons, it has proven extremely difficult to continue adding multiple reinforcing filament layers to the annular structure. An example of how to solve this problem is
No. 1, filed in the specification of co-pending U.S. patent application no. The method described in this patent application involves manufacturing a series of concentric annular structures and then assembling them to obtain a reinforced annular assembly having more than 100 reinforcing filament layers. Such annular structures can have very large diameters, on the order of a foot to several feet, and even then they must be fitted to very tight tolerances of only a few thousandths of an inch.
【０００９】上記のごとき環状集合体を製造するために
は、一連の標準内径を有する１組の環状構造物を嵌合さ
せることが好ましい。このように環状構造物の寸法を標
準化すれば、環状集合体の製造プロセスが容易になるば
かりでなく、環状構造物の経済的な製造も可能になるの
である。たとえば、環状集合体が約１フィートの内径を
有する場合には、相異なる内径を有する複数の初期リン
グを使用することにより、それぞれに約０．２００イン
チの厚さを有する１組の強化環状構造物を製造すればよ
い。更に詳しく述べれば、１２インチの内径および全部
で１００以上の補強用フィラメント層を有する環状集合
体を得るためには、それぞれに２０の補強用フィラメン
ト層を有する５個の環状構造物を使用することが望まし
い場合がある。各々の補強用フィラメント層は約０．０
０９〜０．０１０インチの厚さを有するから、各々の環
状構造物は約０．２００インチの厚さを有することにな
る。それ故、使用すべき環状構造物は１２、１２．４、
１２．８、１３．２および１３．６インチの内径を有す
ればよいことになる。これらの初期リングのそれぞれを
使用して補強用フィラメントおよび母体金属を層状に設
置することにより、約０．２００インチの総合厚さを有
する強化環状構造物を製造すればよいわけである。[0009] In order to manufacture such an annular assembly as described above, it is preferable to fit together a set of annular structures having a series of standard internal diameters. Standardizing the dimensions of the annular structure in this way not only facilitates the manufacturing process of the annular assembly, but also enables economical manufacture of the annular structure. For example, if the annular assembly has an inner diameter of about 1 foot, then a set of reinforced annular structures each having a thickness of about 0.200 inches can be created by using multiple initial rings with different inner diameters. All you have to do is manufacture things. More specifically, to obtain an annular assembly having an inner diameter of 12 inches and a total of more than 100 reinforcing filament layers, five annular structures each having 20 reinforcing filament layers are used. may be desirable. Each reinforcing filament layer is approximately 0.0
09 to 0.010 inches, each annular structure has a thickness of approximately 0.200 inches. Therefore, the cyclic structures to be used are 12, 12.4,
It would be sufficient to have inside diameters of 12.8, 13.2 and 13.6 inches. Each of these initial rings may be used to layer reinforcing filaments and host metal to produce a reinforced annular structure having a total thickness of about 0.200 inches.
【００１０】このようなわけで、厳密に再現可能な内径
を有する１組の初期リングを製造するための簡便かつ経
済的な方法が要望されているのである。[0010]Therefore, there is a need for a simple and economical method for producing a set of initial rings with precisely reproducible inner diameters.
【００１１】[0011]
【発明の概要】本発明の目的の１つは、プラズマ溶射環
状構造物を高い信頼度で経済的に製造するための方法を
提供することにある。SUMMARY OF THE INVENTION One of the objects of the present invention is to provide a method for reliably and economically manufacturing plasma sprayed annular structures.
【００１２】また、明確に規定された内径を有するプラ
ズマ溶射環状構造物の製造を可能にする方法を提供する
ことも本発明の目的の１つである。It is also an object of the invention to provide a method which allows the production of plasma sprayed toroids having a well-defined internal diameter.
【００１３】更にまた、所定の再現可能な内部寸法を有
する環状構造物を高い信頼度で経済的に製造するために
役立つ方法を提供することも本発明の目的の１つである
。Furthermore, it is an object of the present invention to provide a method that serves to reliably and economically manufacture annular structures having predetermined and reproducible internal dimensions.
【００１４】本発明のその他の目的および利点は、以下
の説明を読むことによって自ら明らかとなろう。Other objects and advantages of the invention will become apparent by themselves upon reading the following description.
【００１５】上記の目的を達成するためには、本発明の
一側面に従って述べれば、相対的に大きい熱膨張率を有
し、かつ製造すべき環状構造物の内部寸法より僅かに小
さい外部寸法を有するマンドレルが用意される。かかる
マンドレルをプラズマ火炎中において加熱した後、酸化
アルミニウム層のごとき保護酸化物層がマンドレル表面
上にプラズマ溶射される。マンドレル表面上に保護酸化
物層を形成した後、マンドレルの熱膨張率よりも実質的
に小さい熱膨張率を有する母体金属の層をマンドレルの
酸化物被覆表面上にプラズマ溶射することによって環状
構造物が形成される。次いで、酸化物で被覆されたマン
ドレルおよびその上に形成された環状構造物が室温にま
で冷却される。かかる冷却に際し、それぞれの材料の熱
膨張率に比較的大きい差があるため、マンドレルは環状
構造物よりも顕著に収縮する。マンドレルの酸化物被覆
表面が環状構造物から分離する結果、環状構造物をマン
ドレルから取外すことができる。なお、マンドレルから
の環状構造物の分離は酸化物層中において起こるから、
第２の環状構造物をプラズマ溶射する前に酸化物層を部
分的に補充しなければならないことが認められている。
環状構造物を取外した後、マンドレルが再び加熱され、
保護酸化物層がマンドレル上にプラズマ溶射され、次い
でその上に母体金属層がプラズマ溶射される。このよう
にして第２の環状構造物をマンドレルの酸化物被覆表面
上に形成した後、環状構造物およびマンドレルを室温に
まで冷却すれば、マンドレルの酸化物被覆表面から環状
構造物が分離することになる。In order to achieve the above object, according to one aspect of the present invention, the annular structure to be manufactured has an external dimension that has a relatively large coefficient of thermal expansion and is slightly smaller than the internal dimension. A mandrel is prepared. After heating such a mandrel in a plasma flame, a protective oxide layer, such as an aluminum oxide layer, is plasma sprayed onto the mandrel surface. After forming a protective oxide layer on the mandrel surface, an annular structure is formed by plasma spraying onto the oxide-coated surface of the mandrel a layer of a host metal having a coefficient of thermal expansion substantially less than that of the mandrel. is formed. The oxide-coated mandrel and the annular structure formed thereon are then cooled to room temperature. Upon such cooling, the mandrel shrinks more significantly than the annular structure due to the relatively large difference in coefficient of thermal expansion of the respective materials. The separation of the oxide-coated surface of the mandrel from the annular structure allows the annular structure to be removed from the mandrel. In addition, since the separation of the annular structure from the mandrel occurs in the oxide layer,
It has been recognized that the oxide layer must be partially replenished before plasma spraying the second annular structure. After removing the annular structure, the mandrel is heated again and
A protective oxide layer is plasma sprayed onto the mandrel, and then a host metal layer is plasma sprayed thereon. After the second annular structure is formed on the oxide-coated surface of the mandrel in this manner, if the annular structure and the mandrel are cooled to room temperature, the annular structure is separated from the oxide-coated surface of the mandrel. become.
【００１６】マンドレルの酸化物被覆表面上に母体金属
をプラズマ溶射して環状構造物を形成する操作を繰返せ
ば、実質的に同じ内径を有する複数の環状構造物が高い
信頼度で経済的に製造されることになる。By repeating the process of plasma spraying a host metal onto the oxide-coated surface of a mandrel to form annular structures, a plurality of annular structures having substantially the same inner diameter can be produced reliably and economically. will be manufactured.
【００１７】上記の方法において、相異なる直径を有す
る１組のマンドレルを用意すれば、再現可能な内径を有
する１組の環状構造物を製造することができる。In the above method, by providing a set of mandrels with different diameters, it is possible to produce a set of annular structures with reproducible internal diameters.
【００１８】本発明は、添付の図面を参照しながら以下
の詳細な説明を読むことによって一層明確に理解されよ
う。The invention will be more clearly understood from the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings.
【００１９】[0019]
【発明の詳細】高周波プラズマ溶射法に従って基体上に
チタン基合金材料をプラズマ溶射することにより、該材
料の箔を形成し得ることが知られている。かかる方法は
、米国特許第４８３８３３７号の明細書中に開示されて
いる。基体上への金属のプラズマ溶射によってその他の
様々な構造物が製造されてきたが、かかる方法に関して
は多数の特許文献および技術文献が存在している。とは
言え、基体がマンドレルである場合には、かかるマンド
レルを除去するための簡便な方法は、プラズマ溶射層の
内側からマンドレルを機械加工によって除去することか
ら成るか、あるいはプラズマ溶射層の内側からマンドレ
ルを化学的に溶解することから成っていた。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION It is known that a foil of a titanium-based alloy material can be formed by plasma spraying the material onto a substrate according to radio frequency plasma spraying. Such a method is disclosed in US Pat. No. 4,838,337. Various other structures have been fabricated by plasma spraying metals onto substrates, and a large body of patent and technical literature exists regarding such methods. However, if the substrate is a mandrel, a convenient method for removing such a mandrel consists of machining the mandrel from inside the plasma sprayed layer; It consisted of chemically dissolving the mandrel.
【００２０】本発明の方法においては、マンドレルとそ
の上に形成された環状構造物とが自発的かつ自動的に分
離する結果、化学的溶解剤あるいは機械加工やその他の
金属加工技術に頼ることなしに環状構造物をマンドレル
から取外すことができる。In the method of the present invention, the mandrel and the annular structure formed thereon spontaneously and automatically separate, resulting in no recourse to chemical solubilizers or machining or other metalworking techniques. The annular structure can then be removed from the mandrel.
【００２１】実質的に同じ内部寸法を有する複数のプラ
ズマ溶射環状構造物を製造するための技術は、２つの作
業の組合せに依存している。第１の作業は、マンドレル
の表面を酸化物被膜で被覆することである。かかる酸化
物被膜は、プラズマ溶射された母体金属をマンドレルか
ら分離するための剥離剤として役立つことになる。The technique for producing multiple plasma sprayed toroids having substantially the same internal dimensions relies on a combination of two operations. The first operation is to coat the surface of the mandrel with an oxide coating. Such an oxide coating will serve as a stripping agent to separate the plasma sprayed host metal from the mandrel.
【００２２】本発明の方法が依存する第２の作業は、プ
ラズマ溶射される母体金属の熱膨張率に比べて十分に大
きい熱膨張率を有するマンドレルを用意することである
。その結果、マンドレルはその上にプラズマ溶射された
環状構造物よりも顕著に収縮し、それによって環状構造
物の内面から分離することになる。本発明の方法におい
ては、これらの作業の組合せに基づき、実質的に同じ内
部寸法を有する環状構造物を単一のマンドレルの使用に
よって繰返し製造することができるのである。The second task on which the method of the invention relies is to provide a mandrel with a coefficient of thermal expansion sufficiently large compared to that of the host metal to be plasma sprayed. As a result, the mandrel will shrink more significantly than the annular structure plasma sprayed thereon and thereby separate from the inner surface of the annular structure. In the method of the present invention, due to the combination of these operations, annular structures having substantially the same internal dimensions can be manufactured repeatedly through the use of a single mandrel.
【００２３】本発明の利点の一部は、本発明を有利に適
用し得るような製造プロセスに関連して考察した場合に
最も良く理解することができる。Some of the advantages of the present invention can be best understood when considered in the context of manufacturing processes in which the invention may be advantageously applied.
【００２４】かかる適用例とは、上記のごとく、１組の
環状構造物を同心的に嵌合することによって比較的多数
（すなわち、１００以上）の補強用フィラメント層を有
する環状集合体を製造する場合である。かかる目的のた
めには、前記の「発明の背景」中に記載されているごと
く、それぞれに約２０の補強用フィラメント層を有する
５個の強化環状構造物が使用される。これら５個の強化
環状構造物は互いに相異なる内径を有していて、隣接す
る強化環状構造物同士の内径の差は約０．４インチであ
る。An example of such an application is, as described above, in which an annular assembly having a relatively large number (ie, 100 or more) of reinforcing filament layers is produced by concentrically fitting together a pair of annular structures. This is the case. For this purpose, five reinforcing annular structures each having about 20 layers of reinforcing filaments are used, as described in the Background of the Invention above. The five reinforcing annular structures have different inner diameters, with the difference in inner diameter between adjacent reinforcing annular structures being about 0.4 inch.
【００２５】かかる１組のフィラメント強化環状構造物
を製造するために所望されかつ本発明によって可能とな
ることは、厳密な許容差の範囲内において高い信頼度で
再現可能な初期内径を有する出発材料としての環状構造
物を製造することである。換言すれば、１２インチの内
径を有する環状構造物が所望される場合には、本発明の
方法は極めて厳密な許容差の範囲内で１２インチの内径
を有する環状構造物の製造を可能にするのである。同様
にして、１２．４、１２．８、１３．２および１３．６
インチの内径を有する環状構造物を製造することも可能
である。[0025] In order to produce such a set of filament-reinforced annular structures, what is desired and made possible by the present invention is a starting material having an initial inner diameter that is reliably reproducible within tight tolerances. The purpose is to manufacture a ring-shaped structure. In other words, if an annular structure with an inner diameter of 12 inches is desired, the method of the present invention allows the production of an annular structure with an inner diameter of 12 inches within very tight tolerances. It is. Similarly, 12.4, 12.8, 13.2 and 13.6
It is also possible to manufacture annular structures with an inner diameter of inches.
【００２６】次に、かかる環状構造物の製造プロセスを
添付の図面に関連して説明しよう。先ず図１について説
明すれば、製造すべき環状構造物の内径よりも僅かに小
さい外径を有するマンドレル１０が用意される。図１に
示されるごとく、マンドレル１０は厚肉または中実の構
造物であることが好ましい。厚肉の構造物が好適である
理由は、マンドレルの反復使用に伴って加熱および冷却
工程に繰返して暴露されるから、マンドレルが変形して
真円状態から逸脱することを回避し得ることにある。先
ず最初に、通常のプラズマガン１２の使用により、マン
ドレル１０上に保護酸化物層１４がプラズマ溶射される
。かかる目的のためには、酸化アルミニウム、酸化マグ
ネシウムなどのごとき酸化物の粉末が使用される。マン
ドレル１０上に保護酸化物層１４を設置するためには、
通常のプラズマ火炎を使用すればよい。かかる保護酸化
物層１４は、マンドレル１０の表面のごとき金属表面に
対して密着性を有し、かつ該金属表面上に永続性の被膜
を形成することが判明している。Next, the manufacturing process of such an annular structure will be explained with reference to the accompanying drawings. Referring first to FIG. 1, a mandrel 10 is prepared which has an outer diameter slightly smaller than the inner diameter of the annular structure to be manufactured. As shown in FIG. 1, mandrel 10 is preferably a thick-walled or solid structure. Thick-walled structures are preferred because they prevent the mandrel from deforming out of roundness due to repeated exposure to heating and cooling processes associated with repeated use of the mandrel. . First, a protective oxide layer 14 is plasma sprayed onto the mandrel 10 using a conventional plasma gun 12 . For such purposes, powders of oxides such as aluminum oxide, magnesium oxide, etc. are used. To place the protective oxide layer 14 on the mandrel 10,
You can use regular plasma flame. Such a protective oxide layer 14 has been found to adhere to and form a permanent coating on a metal surface, such as the surface of the mandrel 10.
【００２７】次に、酸化物で被覆されたマンドレル１０
が低圧高周波プラズマ溶射室（図示せず）内に導入され
る。そこにおいて、マンドレル１０は高周波プラズマガ
ン１８から発生するプラズマ火炎の下方で回転運動を行
い得るように取付けられる。かかる高周波プラズマガン
１８は、前記の「発明の背景」において引用された特許
（たとえば、米国特許第４７８２８８４号）の明細書中
に記載されているようなものであればよい。なお。高周
波プラズマガン１８は 年 月
日に提出された同時係属米国特許出願第
号の明細書中に記載されているような
ものであることが好ましい。Next, the mandrel 10 coated with oxide
is introduced into a low pressure high frequency plasma spray chamber (not shown). There, the mandrel 10 is mounted so as to be able to perform rotational movement beneath the plasma flame generated by the high frequency plasma gun 18. Such a high-frequency plasma gun 18 may be of the type described in the patent specification cited in the Background of the Invention (eg, US Pat. No. 4,782,884). In addition. High frequency plasma gun 18 is
Co-pending U.S. patent application filed on
Preferably, it is as described in the specification of No.
【００２８】高周波プラズマガン１８の使用により、Ｔ
ｉ−６２４２（チタン−６％アルミニウム−２％スズ−
４％ジルコニウム−２％コバルト）のごときチタン基合
金から成る母体金属の層２２がマンドレル１０の酸化物
被覆表面１４上にプラズマ溶射される。こうして形成さ
れた層２２は、たとえば約 １／８インチの厚さを有し
ていればよい。層２２の好適な厚さは幾つかの因子に依
存する。１つの因子は、得られた環状構造物が自立状態
になければならないことである。従って、層２２の厚さ
は自立状態の環状構造物を与えるのに十分なものでなけ
ればならない。もう１つの因子は、環状構造物の使用目
的である。環状構造物の外面を機械加工する予定があれ
ば、機械加工によって除去されるべき金属の分だけ厚さ
を追加しておく必要がある。By using the high frequency plasma gun 18, T
i-6242 (Titanium - 6% Aluminum - 2% Tin -
A layer 22 of host metal consisting of a titanium-based alloy (such as 4% zirconium-2% cobalt) is plasma sprayed onto the oxide-coated surface 14 of the mandrel 10. The layer 22 thus formed may have a thickness of, for example, about 1/8 inch. The suitable thickness of layer 22 depends on several factors. One factor is that the resulting annular structure must be free-standing. Therefore, the thickness of layer 22 must be sufficient to provide a free-standing annular structure. Another factor is the intended use of the cyclic structure. If the outer surface of the annular structure is to be machined, additional thickness will be required to account for the metal to be removed by machining.
【００２９】 年 月 日
に提出された同時係属米国特許出願第
号の明細書中に一層詳しく説明されている理由
により、母体金属から成る環状構造物の内側部分は強化
環状構造物の廃棄部分を成す。
詳しく述べれば、それぞれに２０の補強用フィラメント
層を有する１組の強化環状構造物を同心的に嵌合させて
からＨＩＰを施して合体させることにより、１００以上
の補強用フィラメント層を有する環状集合体が製造され
る。その場合、各々の環状構造物上に２０の補強用フィ
ラメント層を設置した後、かつ５個のかかる強化環状構
造物を嵌合合体させて１００以上の補強用フィラメント
層を有する単一の環状集合体を製造する前に、各々の強
化環状構造物の内側部分が機械加工によって除去される
のである。Co-pending US patent application filed on
For reasons explained in more detail in that specification, the inner part of the annular structure of parent metal constitutes a waste part of the reinforcing annular structure. Specifically, a set of reinforcing annular structures each having 20 reinforcing filament layers are fitted concentrically and then combined by HIP to form an annular assembly having 100 or more reinforcing filament layers. The body is manufactured. In that case, after placing 20 reinforcing filament layers on each annular structure, and 5 such reinforcing annular structures are fitted together into a single annular assembly having 100 or more reinforcing filament layers. Prior to manufacturing the body, the inner portion of each reinforcing annular structure is removed by machining.
【００３０】各々の強化環状構造物の最も内側の母体金
属層が機械加工によって除去される理由は、強化環状構
造物中におけるフィラメントの体積分率を高めることに
ある。The reason why the innermost matrix metal layer of each reinforcing annular structure is removed by machining is to increase the volume fraction of filaments in the reinforcing annular structure.
【００３１】母体金属の層２２がプラズマ溶射された後
、層２２およびマンドレル１０が冷却される。その結果
、層２２はマンドレル１０から自発的に分離し、従って
図３に示されるごとくにマンドレル１０から引抜くこと
ができる。After the base metal layer 22 is plasma sprayed, the layer 22 and mandrel 10 are cooled. As a result, layer 22 spontaneously separates from mandrel 10 and can therefore be pulled from mandrel 10 as shown in FIG.
【００３２】本発明の方法を一層詳しく説明するため、
以下に実施例を示す。To explain the method of the present invention in more detail,
Examples are shown below.
【００３３】[0033]
【実施例１】４インチの長さおよび４インチの直径を有
する軟鋼製の中空環状体をマンドレルとして用意した。
軟鋼は約１４×１０−６／℃の熱膨張率を有していた。
空気プラズマ溶射法に従い、かかる中空環状体の表面上
に厚さ０．００３〜０．００５インチの酸化アルミニウ
ム層をプラズマ溶射した。その際には、メトコ（Ｍｅｔ
ｃｏ） ３ＭＢ型プラズマガンを使用すると共に、メト
コ社によって提唱された溶射条件を使用した。先ず最初
にマンドレルをプラズマ火炎で加熱し、次いでその上に
酸化アルミニウム層をプラズマ溶射した。酸化アルミニ
ウム層の設置後、前記の「発明の背景」において引用さ
れた米国特許および米国特許出願の明細書中に記載され
たものと同様な低圧高周波プラズマ溶射室内にマンドレ
ルを配置した。プラズマトーチの使用により、酸化物で
被覆されたマンドレルを母体金属のプラズマ溶射に適し
た高温にまで加熱した。使用した母体金属はチタン基合
金Ｔｉ−６２４２（Ｔｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−２
Ｍｏ）であった。なお、このチタン基合金の熱膨張率は
約１１×１０−６／℃であった。Example 1 A hollow annular body made of mild steel having a length of 4 inches and a diameter of 4 inches was prepared as a mandrel. The mild steel had a coefficient of thermal expansion of approximately 14 x 10-6/°C. A layer of aluminum oxide having a thickness of 0.003 to 0.005 inch was plasma sprayed onto the surface of the hollow ring according to an air plasma spray method. At that time, Metco (Metco)
co) A 3MB type plasma gun was used and the spray conditions proposed by Metco were used. The mandrel was first heated with a plasma flame and then a layer of aluminum oxide was plasma sprayed onto it. After installation of the aluminum oxide layer, the mandrel was placed in a low pressure high frequency plasma spray chamber similar to those described in the specifications of the US patents and US patent applications cited in the Background of the Invention above. Using a plasma torch, the oxide coated mandrel was heated to a high temperature suitable for plasma spraying of the parent metal. The base metal used was titanium-based alloy Ti-6242 (Ti-6Al-2Sn-4Zr-2
Mo). The coefficient of thermal expansion of this titanium-based alloy was about 11 x 10-6/°C.
【００３４】厚さ約０．１２５インチのチタン基合金層
を設置した後、酸化アルミニウム層およびチタン基合金
層を有するマンドレルを室温にまで冷却し、そして低圧
高周波プラズマ溶射室から取出した。After installing the approximately 0.125 inch thick titanium-based alloy layer, the mandrel with the aluminum oxide layer and the titanium-based alloy layer was cooled to room temperature and removed from the low pressure high frequency plasma spray chamber.
【００３５】プラズマ溶射室から取出したところ、母体
金属層（すなわち、環状構造物）は酸化物で被覆された
マンドレルから自発的かつ自動的に分離していることが
判明した。その結果、化学的溶解剤、機械加工またはそ
の他の破壊的手段を使用することなしに環状構造物をマ
ンドレルから引抜くことができた。Upon removal from the plasma spray chamber, the host metal layer (ie, the annular structure) was found to spontaneously and automatically separate from the oxide coated mandrel. As a result, the annular structure could be pulled from the mandrel without using chemical lysers, machining, or other destructive means.
【００３６】容易に理解される通り、本発明方法の実施
はマンドレルを非反応性の酸化物被膜で被覆することに
依存すると共に、マンドレルの材料とそれの酸化物被覆
表面上に設置された母体金属との間に実質的な熱膨張率
の差が存在することに依存する。本発明方法の実施によ
って満足すべき結果を得るためには実質的な熱膨張率の
差が要求されるが、かかる熱膨張率の差はできるだけ大
きいことが好ましい。As will be readily understood, the implementation of the method of the present invention relies on coating the mandrel with a non-reactive oxide coating and on the material of the mandrel and the matrix disposed on its oxide-coated surface. It relies on the existence of a substantial difference in coefficient of thermal expansion between the metal and the metal. Substantial differences in coefficients of thermal expansion are required to obtain satisfactory results by practicing the method of the invention, and it is preferred that such differences in coefficients of thermal expansion be as large as possible.
【００３７】チタン基合金から成る環状構造物を形成し
、次いでそれを酸化物で被覆されたマンドレルから取外
した後、マンドレルからの分離時に環状構造物によって
運び去られた酸化アルミニウムを補充するため、マンド
レルに追加の酸化アルミニウムを再びプラズマ溶射した
。次に、母体金属から成る第２の環状構造物を製造する
ため、新たな酸化アルミニウム層を有するマンドレルを
低圧高周波プラズマ溶射室内に配置して加熱した。かか
るマンドレルの表面上に同じチタン基合金から成る母体
金属層（すなわち、環状構造物）を形成した後、マンド
レルおよび環状構造物を室温にまで冷却し、そして低圧
高周波プラズマ溶射室から取出した。この場合にも、環
状構造物は酸化物で被覆されたマンドレルから自発的に
分離し、従って機械的または化学的手段の使用せずにマ
ンドレルから引抜くことができた。After forming the titanium-based alloy annular structure and then removing it from the oxide-coated mandrel, in order to replenish the aluminum oxide carried away by the annular structure upon separation from the mandrel, The mandrel was again plasma sprayed with additional aluminum oxide. The mandrel with the new aluminum oxide layer was then placed in a low pressure high frequency plasma spray chamber and heated to produce a second annular structure of the base metal. After forming a host metal layer (i.e., an annular structure) of the same titanium-based alloy on the surface of such a mandrel, the mandrel and annular structure were cooled to room temperature and removed from the low pressure high frequency plasma spray chamber. Again, the annular structure spontaneously separated from the oxide-coated mandrel and could therefore be pulled from the mandrel without the use of mechanical or chemical means.
【００３８】本実施例において製造された２個の環状構
造物の内径を測定したところ、０．００３〜０．００５
インチの許容差の範囲内において同じであることが判明
した。When the inner diameters of the two annular structures manufactured in this example were measured, they were 0.003 to 0.005.
They were found to be the same within inch tolerances.
【００３９】上記の実施例によって実証されるごとく、
本発明の方法によれば、実質的に同じ内径を有する多数
の環状構造物を製造することが可能である。As demonstrated by the examples above,
According to the method of the invention it is possible to produce a large number of annular structures having substantially the same internal diameter.
【図１】保護酸化物層で被覆されたマンドレルの概略等
角図である。FIG. 1 is a schematic isometric view of a mandrel coated with a protective oxide layer.
【図２】図１の酸化物被覆マンドレル上に母体金属をプ
ラズマ溶射することによって形成された環状構造物を示
す概略等角図である。2 is a schematic isometric view showing an annular structure formed by plasma spraying a host metal onto the oxide-coated mandrel of FIG. 1; FIG.
【図３】全体を冷却した後に図１の酸化物被覆マンドレ
ルから環状構造物を取外すところを示す概略等角図であ
る。FIG. 3 is a schematic isometric view showing the removal of the annular structure from the oxide-coated mandrel of FIG. 1 after cooling the whole;
１０ マンドレル １２ プラズマガン １４ 保護酸化物層 １６ プラズマ火炎 １８ 高周波プラズマガン ２０ プラズマ火炎 ２２ 母体金属層または環状構造物 10 Mandrel 12 Plasma gun 14 Protective oxide layer 16 Plasma flame 18 High frequency plasma gun 20 Plasma flame 22 Base metal layer or annular structure
Claims (6)
ドレルを用意し、（ｂ） 反応性の低い酸化物で前記マ
ンドレルを被覆し、（ｃ） 高周波プラズマ溶射法によ
り、前記マンドレルの酸化物被覆表面上に熱膨張率の小
さい母体金属をプラズマ溶射して環状構造物を形成し、
（ｄ） 前記マンドレルおよび前記環状構造物を冷却す
ることによって前記マンドレルから前記環状構造物を自
発的に分離させ、次いで（ｅ） 前記プラズマ溶射工程
および前記冷却工程を複数回にわたって繰返すことによ
り、実質的に同じ内径を有する複数の環状構造物を得る
諸工程から成ることを特徴とする、実質的に同じ内径を
有する複数の環状構造物の製造方法。1. (a) preparing a mandrel having a large coefficient of thermal expansion; (b) coating the mandrel with an oxide with low reactivity; and (c) coating the mandrel with the oxide by high-frequency plasma spraying. Plasma spray a base metal with a low coefficient of thermal expansion onto the surface to form an annular structure,
(d) cooling the mandrel and the annular structure to spontaneously separate the annular structure from the mandrel; and (e) repeating the plasma spraying step and the cooling step multiple times to substantially reduce the 1. A method for manufacturing a plurality of annular structures having substantially the same inner diameter, the method comprising the steps of obtaining a plurality of annular structures having substantially the same inner diameter.
請求項１記載の方法。2. The method of claim 1, wherein said oxide is aluminum oxide.
記工程がプラズマ溶射法によって実施される請求項１記
載の方法。3. The method of claim 1, wherein said step of coating said mandrel with an oxide is performed by plasma spraying.
求項１記載の方法。4. The method of claim 1, wherein the base metal is a titanium-based alloy.
請求項１記載の方法。5. The method of claim 1, wherein the host metal is Ti-6242.
厚さを有する請求項１記載の方法。6. The method of claim 1, wherein said annular structure has a thickness of about 1/8 inch.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 19980711 |