JPH06226467A - 拡散結合を行なうための装置および金属サンドイッチ構造を成形するための方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】拡散結合と超塑性成形のプロセスを組合わせて
チタンアルミナイドサンドイッチ構造を製作する方法を
提供する。 【構成】チタンアルミナイドのブランクはパックを成形
するための選択された領域でレトルト内の真空下でお互
いに対して結合され、それからレトルトを除去するとす
ぐ超塑性をもって拡張される。金属ブランク１０，１
２，１４の様々な予め選択された領域の結合は高められ
た温度の気体拡散結合技術により結合される。その間に
パックが温度の予め定められた範囲内の一温度で気体を
抜き取られたレトルト内で拡散結合される第１の熱サイ
クルと、その間に結合されたブランクのパックの後続の
超塑性成形がレトルトを取除いた状態で実行される第２
の熱サイクルとからなる。選択的に、第１の熱サイクル
の間、超塑性予備成形のステップが実行され、パックは
弓形のまたは他の形状の成形部材に対抗して予備成形さ
れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の背景】

【０００２】

【発明の分野】この発明は拡散結合技術を使用してブラ
ンクの選択された領域を接合することによって、かつそ
の結合されたブランクを超塑性をもって拡張して所望の
形状のサンドイッチ構造を成形することによってチタン
アルミナイドブランクから金属のサンドイッチ構造を作
る方法に関する。

【０００３】

【既知の先行技術の議論】その非常に純粋な形でのチタ
ンは比較的柔らかく、弱くかつ極端に延性のある金属で
あるが、他のエレメントを加えることによって、それは
高い強度および剛性、耐食性、利用延性ならびに低い密
度を示す工学材料に転換され得る。

【０００４】近年優れた高温強度ならびに耐酸化性およ
び耐クリープ性を示すある種のチタン合金が開発され、
かつこれらの理由のために航空宇宙応用において広い有
用性をみいだした。これらの合金はチタンアルミナイド
合金として既知である。

【０００５】これらの金属を成形するための多くのプロ
セスが試みられてきたが、ほとんどが成功しなかったし
一貫性もなかった、なぜならチタンアルミナイド合金は
相対的に脆く、かつ室温または室温に近い温度で加工お
よび／または製作することが困難であるからである。卓
越した１つのプロセスは同時の拡散結合（ＤＢ）の有無
に関わらず超塑性成形（ＳＰＦ）である。チタンアルミ
ナイドおよび類似の反応性金属を使用して超塑性成形を
行なう際に、高められた温度で空気中の酸素、窒素およ
び水蒸気含有量に特に敏感なチタンの清潔さを確実にす
るために制御された環境で材料を加熱しかつ成形するこ
とが必要である。チタンアルミナイドは保護されなけれ
ば、それは脆くなり、かつその一体性（integrity ）は
破壊される。

【０００６】典型的に、サンドイッチ構造の製作はまず
金属箔またはリボンを巻くこと、それからその箔シート
を所望のセル状の芯構成に成形しかつ接合することおよ
びそれからその芯構成をろう付けまたは点溶接によって
面シートに取付けることを含む。先行技術の方法学が遭
遇した問題は、過度の材料の使用による芯製作の高いコ
ストおよび成形の非常な困難さ、過度の時間消費および
サンドイッチ形状の製作コストを含む。加えて、別の動
作がサンドイッチ構造にクローズアウトまたはアタッチ
メントを接合するために要求される。先細りのようなサ
ンドイッチ構造にとって普通でない形状の製作はほとん
ど不可能である。これは箔が製造するのが極端に困難で
かつ高価であり、溶接またはろう付けによる接合が確固
として確立されず、かつ全体の組立コストおよび製作費
用がしばしばひどく高いということがわかったチタンア
ルミナイド材料に特に当てはまる。

【０００７】

【発明の概要】したがって、この発明の主要な目的は、
１つの連続的な動作において拡散結合と超塑性成形のプ
ロセスを組合せるチタンアルミナイドサンドイッチ構造
の製作のための改良された方法を提供することである。

【０００８】この発明の他の目的は第１の連続的な動作
において拡散結合と超塑性予備成形技術とを使用してチ
タンアルミナイドサンドイッチ構造を製作するための改
良された方法を提供して、必要とされるコスト、困難性
および時間を大幅に低減し、かつ結合され予備成形され
た構造を超塑性をもって拡張することである。

【０００９】簡単に言うと、この発明に従って、気体拡
散結合技術を使用してレトルト中の真空下でチタンアル
ミナイドブランクの予め選択された領域を一体結合し、
それから拡散結合されたブランクを超塑性をもって拡張
して所望のサンドイッチ構造を成形するための方法およ
び装置が提供される。超塑性予備成形のステップは弓形
のまたは他の形状の成形部材を使って拡散結合と同時に
実行され得る。

【００１０】新規の装置はそれぞれの成形表面を有する
第１および第２の工具、第１のチャンバを成形するよう
に工具の少なくとも１つをスタックを取巻くレトルトと
係合するように移動させるための手段、拡散結合が発生
し得る第１の温度まで第１のチャンバを加熱するための
手段、および加圧気体を第１のチャンバに運んでスタッ
クのシートの選択された領域の拡散結合を引起こすに十
分な力でコンテナをスタックに対抗して均質に押圧する
ための手段を含む。スタックの拡散結合の後で、レトル
トは取除かれ、かつ加圧気体はスタックの内部に運ばれ
てスタック内部のサンドイッチ構造への超塑性拡張を引
起す。

【００１１】

【詳細な説明】超塑性成形を成功させるために、超塑性
特性を示す材料を使用することが必要である。選択され
た材料が超塑性特性を示す程度は歪み速度感度の測定お
よび壁厚の許容可能なばらつきの設計測定からの一般項
で予測可能である。歪み速度感度はＭ＝｛ｄ（１ｎ
ｓ）｝／｛ｄ（１ｎ ｅ）｝と規定され、この式におい
てｓは平方インチあたりのポンドでの応力であり、かつ
ｅは分の逆数での歪み速度である。

【００１２】歪み速度感度は周知の捩じり試験によって
測定され、約０．５以上の歪み速度感度は満足のいく結
果を与えることがわかってきた。値が大きくなればなる
ほど、超塑性特性は大きい。金属の最大歪み速度感度は
金属が相変換温度近くで変形するとき発生するのが見ら
れる。チタンアルミナイドについては、超塑性が観察さ
れ得る温度範囲は約１７５０°Ｆないし約１９００°Ｆ
である。

【００１３】他の変数も歪み速度感度に影響を及ぼすこ
とが発見され、それゆえに適切な金属材料を選択する際
に考慮されなければならない。粒度を減少させることは
歪み速度感度にとって相応じてより高い値という結果に
なる。加えて、歪み速度および材料の集合組織は歪み速
度感度に影響を及ぼす。チタンアルミナイドに関して、
ｍ値は歪み速度の中間値（約２×１０^{- 4} ｉｎ．／ｉ
ｎ．／ｓｅｃ．）でピークに達することが発見された。
最大安定変形のために、超塑性成形はこの歪み速度でま
たはこの歪み速度の近くで行なわれなければならない。
最適の歪み速度からあまりに大きく変動すると超塑性特
性の損失という結果になり得る。

【００１４】それによって別個のエレメントが単一の一
体の塊を成形する拡散結合は様々な種類の金属および合
金で習慣的に行なわれてきた。しかしながら、結合の品
質および使用されるパラメタは．被削材の各特定の選択
に対して必然的に変化する。

【００１５】この発明は超塑性成形および拡散結合のた
めに要求される高められた温度で汚染されるであろう表
面を有する、たとえばチタンアルミナイドのような、反
応性金属に特に向けられる。これらの金属はまたこの発
明のプロセスに特によく適合する、なぜならそれらは拡
散結合に適切な温度範囲、つまり使用される特定の合金
に依存して約１７５０°−１９００°Ｆで非常に高い超
塑性特性を示すからである。

【００１６】ここで図１を参照して、この発明に従って
サンドイッチ構造に成形される３ピースの金属シートア
センブリの分解図が示される。このアセンブリはすべて
が好ましくはシートの形状であり、それぞれ上部および
下部の対向した主表面１５および１６、１７および１
８、ならびに１９および２０を有する金属ブランク１
０、１２、１４から作られる（図４も見られたい）。使
用されるシートの数は負荷状態および設計要求に依存し
て変化するであろう。しかしながら、最小限で２枚のシ
ートが使用されなければならず、かつ少なくともそのシ
ートの一方は超塑性特性を示さなければならない。加工
可能な温度範囲内で適切な超塑性特性を示す金属であれ
ば何でもかかるシートのために使用され得るが、この発
明は拡散結合に要求される温度範囲内で超塑性特性を示
し、かつ成形温度で汚染されやすい、アルファ−２チタ
ンアルミナイドのような金属に特に関する。アルファ−
２チタンアルミナイドを使用する際に、成形温度は好ま
しくは約１８００°Ｆである。金属ブランク１０、１
２、１４の初期の厚さは成形されるべき部分の寸法の関
数で決定される。

【００１７】適切なストップオフ材料がシート間のアタ
ッチメントも所望されないシートのスタック内の選択さ
れた領域に与えられる。したがって、図１に示されるよ
うに、領域３０、３２および３４はストップオフ材料で
覆われてそれらの領域での結合を妨げる。表面１５、１
８および２０上の他の領域もまたもし所望されればスト
ップオフで覆われ得る。代替的に、金属シート構造は接
合が所望されるそれらの領域で点溶接されるまたはろう
付けされ得る。加えて、以下に説明されるように、金属
シート構造またはスタック４０は圧力の選択的な印加に
よって選択された領域で拡散結合され得る。

【００１８】図２および図３は拡散結合技術がかかるプ
ロセスに適切な十分に高い温度で実行されるときに、か
かる結合プロセスが制御された、酸素のないかつ汚染の
ない環境で行なわれ得ることを確実にするという目的の
ために金属シートのスタックの周りに成形されたレトル
トまたはコンテナを例示する。

【００１９】図２および図３に示されるように、レトル
ト４００は金属、好ましくはステンレス鋼からなる最上
部シート４０２および金属、やはり好ましくはステンレ
ス鋼からなる底シート４０４を含む。好ましくは、レト
ルトの最上部および底シートはたとえば溶接によるよう
な実質的に気密の態様でその周辺に固定されて金属シー
ト構造またはスタック４０を封止して包む。真空溝４１
２および４１４はレトルトの底シート４０４に形成さ
れ、かつ金属シートスタック４０の両側に配置される。
溝はレトルト内のそれぞれのスタック端縁からレトルト
の隣接して置かれた封止された端縁の方へ外方向に、か
つそれを通って延在するように位置決めされる。真空溝
は重要である、なぜならそれらは封止されたレトルト内
およびスタック内で真空を作り出すことを容易にするか
らである。この態様で、上に述べられたような汚染のな
いかつ酸素のない環境がこの発明によって考えられたプ
ロセスの加熱段階および拡散結合段階の間レトルト内で
維持され得る。

【００２０】封止されたレトルト内に真空を作りだすた
めに、図２で示されるように、真空線または管４２２を
経て真空溝４１２と相互接続される真空ポンプ４３２が
作動されてレトルトの内部に負圧力（吸込み）を与え
る。ポンプ４３２は圧力ゲージ４４２が予め定められた
真空レベル、最適には１０^{- 5} Ｔｏｒｒと１０^{- 6} Ｔｏ
ｒｒとの間の達成を示すまで動作される。第２のゲージ
４４４は真空がレトルト全体にわたって達成されたこと
を確実にするために使用される。これは管４２４および
真空溝４１４を経てゲージをレトルトの内部に結合する
ことによって、かつゲージを使ってレトルト全体の真空
を確かめることによって達成される。

【００２１】ステンレス鋼ストリップ５０２から製作さ
れた金属封止フレーム５００は、金属スタック４０の端
縁から距離をおいて、さらにそれに平行になるような態
様でレトルトの最上部シート４０２の上に配置される。
封止フレーム５００はレトルト４００の最上部シート４
０２に取付けられ（図３を注目されたい）、かつ各スト
リップ５０２は内部側５５２、外部側５５４および最上
部表面５５６を含む。封止フレーム５００の目的は金属
シートのスタック４０の拡散結合を達成するために使用
される装置と関連して以下に述べられる。

【００２２】図に示された封止フレーム５００の寸法は
正確に描かれていないが、それはレトルトの構造の態様
の真の表現であることが意図される。実際には、封止フ
レームストリップ５０２の最も有利な高さは好ましくは
１／４″および１／２″の間のオーダである。

【００２３】ここで図４を参照して、それによって金属
シートのスタック４０の拡散結合のプロセスが達成され
得る１つの装置６００が示される。この装置は上部押圧
部材６１０と下部押圧部材６２０とを含む。上部押圧部
材の露呈された面に取付けられているのは圧盤部材６１
２であり、上部工具６１４は上部圧盤部材の露呈された
面上に取付けられる。同様に下部圧盤部材６２２は下部
押圧部材６２０の露呈された面上に取付けられ、かつ下
部工具６２４は下部圧盤部材の露呈された面上に取付け
られる。上部および下部圧盤はセラミック材料から製作
される。好ましくは、上部および下部工具は優れた熱伝
達特性を有する金属から作られる。水平に延在する気体
伝達通路６３０は一方の側表面からその一般に中央位置
まで延びて上部工具６１４に設けられる。気体伝達通路
６３０は上部工具の中央位置から上部工具の露呈された
面の中央位置まで延びる第２の垂直に延在する気体伝達
通路６３２と接続される。圧力線６３５は気体伝達通路
６３０を高い圧力下で結合気体源（図示せず）、および
かつ以下に詳細に述べられる目的のために気体伝達通路
６３０への気体の流れを開始したり止めたりするための
適切なバルブ手段と接続させる。

【００２４】レトルトアセンブリ４００（図２で示され
る）がプレスアセンブリの下部工具上の適切な場所に位
置決めされたとき、上部および下部工具は２つの工具の
間の空間が減少されるようにお互いに対して動かされ
る。好ましくは、プレスアセンブリは上部工具が下部工
具に対して動くように製作される（つまり下部工具が固
定された位置で支持され、かつ上部工具が下部工具に対
して移動可能である）。上部工具が下部工具に向けて下
方向に移動するとき、上部工具の露呈された面はそれか
ら封止フレームが構成される金属ストリップの最上部表
面５５６と係合する。上部工具はレトルト最上部シート
４０２の上部表面、封止フレームの内部側５５２および
上部工具の下部露呈された表面の間に規定された封止さ
れた体積「Ｖ」を作り出すために十分な下方向の圧力を
もって封止フレーム５００の最上部表面と係合するよう
に移動することが引起される。プロセス全体にわたっ
て、ポンプ４３２はレトルト４００内の真空を維持して
いる。加熱された環境はレトルト４００の周りで作り出
され、レトルトはプレスアセンブリ６００内に固定され
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ので、気体は体積「Ｖ」内で非
常に大きな圧力を作り出し、かつそれによってスタック
４０の金属シートの様々な表面が一体に押圧され、かつ
それよって拡散結合を経験することを引起すように線６
３５を介して体積「Ｖ」の中にポンプで注入される。
（拡散結合を達成するための十分な持続期間の）予め定
められた時間期間の間この高い圧力および高い熱環境を
維持した後、気体圧力は解放され、プレスアセンブリの
周りの温度環境は冷却され、プレスアセンブリは開かれ
かつレトルトはそれからレトルトが製作されたステンレ
ス鋼の最上部および底シートを金属シートの結合された
ばかりのスタックの周りから除去することを可能にする
のに十分に低い温度まで冷却される。

【００２５】第２の成形装置７００が図５に示され、そ
れによって金属シートのスタック４０の拡散結合および
超塑性成形のプロセスが達成され得る。この装置は上部
押圧部材７１０と下部押圧部材７２０とを含む。上部押
圧部材の露呈された面に装着されているのは圧盤部材７
１２であり、かつ上部成形工具７１４が上部圧盤部材の
露呈された面上に装着される。同様に、下部圧盤部材７
２２は下部押圧部材７２０の露呈された面上に装着さ
れ、かつ下部工具７２４は下部圧盤部材の露呈された面
上に装着される。

【００２６】第１の成形装置に関して、この装置の上部
および下部圧盤は好ましくはセラミック材料から製作さ
れ、かつ上部および下部工具は優れた熱伝達特性を有す
る金属から作られる。しかしながら、上部工具６１４に
実質的に平面の露呈された面が成形される第１の成形装
置６００と違って、この成形装置の上部成形工具７１４
には一般に球形のまたは円筒状の属性を有する窪みが成
形される。

【００２７】水平に延在する気体伝達通路７３０は一方
の側表面からその一般に中央の場所へと延びて上部成形
工具７１４に設けられる。気体伝達通路７３０は上部成
形工具の中央場所から上部成形工具の窪んだ表面上の中
央場所へと延びる第２の垂直に延在する気体伝達通路７
３２と接続される。圧力線７３５は上部工具の気体伝達
通路７３０を高い圧力下での結合気体源（図示せず）、
および気体伝達通路７３０への気体の流れを開始しかつ
止めるための適切なバルブ手段と接続させる。

【００２８】下部成形工具７２４にはまた下部成形工具
の一方の側表面からその一般に中央の場所へと延びる水
平に延在する気体伝達通路７４０が設けられる。気体伝
達通路７４０は上部成形工具の中央場所から下部成形工
具の実質的に平らな表面上の中央場所へと延びる第２の
垂直に延在する気体伝達通路７４２と接続される。圧力
線７４５は下部工具の気体伝達通路７４０を高い圧力下
で結合気体源（図示せず）と接続させ、かつ気体伝達通
路７４０への気体の流れを開始しかつ止めるための適切
なバルブ手段と接続させる。

【００２９】拡散結合および超塑性予備成形を行なうた
めの図５に開示された装置の用途は図４に示された装置
の用途と多くの点で類似する。初めに、図２および図３
で示されたレトルトアセンブリ４００は封止フレーム８
００を底シート４０４の下方向に面する表面上に取付け
ることによって修正される。封止フレーム８００は封止
フレーム５００と類似の構成を有し、かつ封止フレーム
５００の機能に類似する機能が与えられる。修正された
レトルトアセンブリ（図４のレトルトアセンブリと区別
するために図５では参照番号４００′をもって示され
る）はそれからプレスアセンブリの下部成形工具７２４
上の適切な場所に位置決めされる（図５を見られた
い）。上部および下部工具７１４、７２４はそれから２
つの工具の間の空間が減少されるようにお互いに対して
動かされる。上部工具の下部工具へ向けての下方向の移
動は、上部成形工具の一番下の面が図４に示された装置
の動作に関連して説明されたのと類似の態様で封止フレ
ーム金属ストリップの最上部表面と係合することを引起
す。上部成形工具の一番下の面は十分な圧力で封止フレ
ームの最上部表面を押しつけて修正されたレトルトアセ
ンブリを下方向に動かす。これは２つの封止された体積
「Ｖ」および「Ｖ′」を作り出すという結果になる。こ
れらの体積の第１のもの「Ｖ」はレトルト最上部シート
４０２′の上部表面、封止フレーム５００の内側表面お
よび上部成形工具の下部の露呈された弓形の表面によっ
て規定される。これらの体積の第２のもの「Ｖ′」はレ
トルト底シート４０４′の下部表面、封止フレーム８０
０の内側表面および下部工具の上部の露呈された実質的
に平面の表面によって規定される。

【００３０】この成形プロセスの間ずっと、ポンプ４３
２はレトルト４００′内の真空を維持している。加熱さ
れた環境はレトルト４００′の周りで作り出され、レト
ルトはプレスアセンブリ７００内に固定される。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、気体は体積「Ｖ」内に非常に大きな圧
力を作り出し、かつそれによってスタック４０の金属シ
ートの様々な表面が一体に押圧されて、かつそれによっ
て拡散結合を経験することを引起すように線７３５を介
して体積「Ｖ」の中にポンプで注入される。（拡散結合
を達成するための十分な持続期間の）予め定められた時
間期間の間この高い圧力および高い加熱環境を維持した
後、線７３５の気体圧力は遮られ、その代わりに線７４
５を介して別ルートで送られる。ここで加圧気体の体積
「Ｖ′」への送り出しは、拡散結合されたスタック４０
が、依然として気体を抜かれたレトルト４００′内にあ
り、かつ約１７００°Ｆと１９００°Ｆとの間の拡散結
合温度にある一方で、上方向に変形して上部成形工具７
１４の弓形の成形表面と係合することを引起す。この態
様で、スタック４０は拡散結合と予備成形とをすべて単
一の熱サイクルで経験する。一旦この拡散結合／予備成
形プロセスが完了すると、体積「Ｖ′」内の気体圧力は
解放され、プレスアセンブリ７００の周りの温度環境は
冷却され、プレスアセンブリは開けられかつレトルトは
それからレトルトが製作されたステンレス鋼の最上部お
よび底シートを金属シートの拡散結合されたばかりで、
かつ超塑性をもって予備成形されたスタック４０の周り
から取除くことを可能にするのに十分低い温度まで冷却
される。

【００３１】ここで図６を参照して、拡散結合または超
塑性予備成形と結合された拡散結合のプロセスが達成さ
れた後超塑性成形を行なうための好ましい装置４２が例
示される。示されるように、この好ましい装置は上部工
具４４を含み、それはどんな所望の形状でも可能なリン
グの形状の好ましくは一体の側壁４５を有する。上部フ
レーム４４と同一の外面積寸法を好ましくは有する下部
工具４６は平坦であり、かつ例示されるように金属ブラ
ンク４０のスタックを支持するためのベースとして作用
し得る。特許請求の範囲のために、上部工具４４と下部
工具４６との双方はどちらもが協働して所望の成形され
た構造を成形するのでともに成形部材と考えられる。上
部工具４４の内部表面は内部チャンバ４８とメスのダイ
表面とを規定する。１つ以上のオスのダイ部材（図示せ
ず）がチャンバ４８に設けられて成形されるべき部分の
形状を変化させることが可能である。下部工具４６上に
支持される金属ブランク４０のスタックはチャンバ４８
を覆う。スタックの金属ブランクはすべて溶接、ろう付
けまたは拡散結合などによって接合するのに適切な材料
でなければならない。少なくとも外部金属ブランクの１
つは、かつおそらくは内部ブランクは所望の成形温度
で、かつ好ましくはスタックの拡散結合のために要求さ
れる温度範囲内で超塑性特性を示すために有効な歪み速
度感度を有しなければならない。これは図７の拡張され
たスタック４０によって示され、そこではシート１２お
よび１４の双方が超塑性をもって拡張される一方で、成
形されたスタックのシート１０は実質的に変化しないま
まである。スタック４０のシートの初期の厚さは成形さ
れるべき部分の寸法によって決定される。使用される接
合方法、つまり拡散結合は金属ブランクのために選択さ
れる材料、超塑性成形のために要求される温度および所
望される強度に依存する。しかしながら、特にチタンア
ルミナイドについては、拡散結合が好まれる、なぜなら
これは溶接またはろう付けのような他の従来の接合方法
に比べて最も強い接合という結果になるからである。さ
らに、結合温度は一般に超塑性成形に適切である。

【００３２】前述のように、ストップオフが領域３０、
３２、３４で使用されてこれらの領域での結合を妨げ
る。選択される特定のストップオフは結合を妨げなけれ
ばならないし、かつスタックの単数または複数の金属と
互換性がなければならない（スタック金属と非反応性で
かつスタック金属への拡散が最小である）。チタンアル
ミナイド金属ブランクについては、適切なストップオフ
材料は黒鉛、窒化ホウ素およびイットリアである。典型
的に、イットリアストップオフを使用する際に、ブラン
ク上のストップオフパターンはイットリアの溶液および
そのための結合剤を使ってシルクスクリーンプロセスを
使用して与えられる。結合剤は結合の間イットリアを所
定位置に保持し、かつ金属成形温度以下で結局は蒸発す
る。

【００３３】選択された場所でのスタック４０の接合は
スタックがそこに置かれる前に成形装置４２の外側で通
常は達成される。上部工具４４の重量はスタック４０の
ための締めつけ手段として作用する。スタック４０の単
一の連続端縁は上部工具４４と下部工具４６との間に効
果的に強制される。これは成形されるべきスタックのブ
ランクの部分が引っ張られるよりはむしろ延ばされるこ
とを確実にする。所望されるところでは、液圧ジャッキ
（図示せず）のような付加的な締めつけ手段がスタック
４０をより効果的に強制するために使用され得る。使用
され得る他の付加的な締めつけ手段は圧盤５０を有する
好ましくは液圧であるプレス（図示せず）である。成形
装置４２は圧盤５０の間に位置決めされ、かつ圧縮さ
れ、それによってスタック４０が効果的に強制され、か
つチャンバ４８が空気から封止されることを確実にす
る。この配列は圧盤５０がセラミック材料から作られ、
かつ抵抗加熱されたワイヤ５２がスタック４０を成形温
度まで加熱するためにそこに設けられ得るときに特に有
利である。もし加熱圧盤が使用されなければ、他の加熱
方法が加熱手段によって通常は取囲まれる成形装置４２
を使って使用され得る。

【００３４】代替的に、環境制御システムはスタック４
０の汚染防止および拡散結合のために設けられ、その場
合スタック４０は成形装置４２内で接合されない。この
システムの目的はスタック４０が加熱、結合および流体
圧力による成形の間不活性気体にのみ露呈されることを
確実にすることである。スタック４０の金属ブランクは
高められた結合および成形温度でさえかかる気体の性質
のために不活性気体に反応しない。したがって、この環
境において、スタックの汚染は最小限にされる。

【００３５】線５２は一端（図示せず）で加圧された不
活性気体源に接続され、かつ上部工具４４のオリフィス
５４を介してチャンバ４８に接続される。線５２を介す
るチャンバ４８への不活性気体の流れを支配するための
バルブ５６と圧力を示す圧力ゲージ５８とが設けられ
る。使用される不活性気体は好ましくは気体形状のアル
ゴンである。線５２はまたチャンバ４８の不活性気体の
ための出口として機能し、かつチャンバ４８の真空を作
り出すための吸込みポンプ（図示せず）のような真空源
にも接続され得る。線５２が出口として使用されると
き、バルプ５６はチャンバ４８からの不活性気体の流れ
を支配する。付加的な線６０が工具４４の反対側上に最
適に設けられる。この線６０は上部工具４４のオリフィ
ス６２を介してチャンバ４８に接続され、かつチャンバ
４８の不活性気体のための出口として機能する。バルブ
６４はチャンバ４８からの不活性気体の流れの調整のた
めに線６０に設けられる。線６０は通風口として単に機
能するかまたは吸込みポンプ（図示せず）のような真空
源に接続され得る。

【００３６】代替の方法において、汚染防止システムは
またスタック４０の気体圧力拡散結合を行なうための手
段として機能し得る。したがって、スタック４０が図２
で示されるように成形装置４２の中に置かれるとき、ス
タックは、加熱圧盤５０から発生され、かつ線５２を介
して付加的な加圧不活性気体を加えることによってチャ
ンバ４８内の圧力を上昇させる一方でバルブ６４によっ
て線６０を閉鎖したままに維持することによってスタッ
ク４０に圧力を加える熱によって、不活性気体大気中で
適切な拡散結合温度（スタック４０の金属ブランクがア
ルファ−２チタンアルミナイド材料からなるときは約１
８００°Ｆ）にまで加熱され得る。この態様において、
スタック４０の処理されない領域はアルファ−２材料に
対して好ましくは約９００ｐｓｉであるかかる圧力を適
当な成形時間（スタック４０の厚さに依存しかつ３０分
から１２時間の間で変わり得る）の間印加することによ
って拡散結合される。スタック４０のブランクの端縁は
もし所望されれば上部工具４４の重量の形でのその上の
封止圧力によって、かつ選択的に押圧および／または締
めつけ手段からの圧力によって拡散結合され得る。スタ
ック４０を拡散結合した後、過度の不活性気体は線５２
および６０を介してチャンバ４８から取除かれてスタッ
ク４０の膨張を許容するであろう。

【００３７】図７で示される構成にスタック４０を拡張
するために、拡張管７２および７４が設けられる（詳細
については図１および図８を見られたい）。拡張管７２
（および同様にスタック４０の反対側上に置かれる拡張
管７４）は金属ブランク１０および１４の間に位置決め
され、かつ窪み７６および７８によって規定されるチャ
ネル７５および窪み７８の上に重なる金属ブランク１４
の表面２０のその部分の中に突き出す。窪み７７および
７９はそれぞれブランク１０および１２の両側上に設け
られ、膨張管７４にチャネルを与える。かかるチャネル
内の拡張管７２の位置決めは工具４４および４６による
管７２の圧縮を妨げる。また、管７２をチャネル７５の
中に部分的にのみ突出するように置くことによって、不
活性気体はスタック４０の金属ブランクの間に、この場
合矢印８０および８２によって示されるようにブランク
１２の両側にかなり均等に流れる。図６に示されるよう
に、拡張管７２および７４はそれを通る不活性気体の流
れを支配するためにそこにバルブ８４および８６をそれ
ぞれ有し、ならびに圧力を示すための圧力ゲージ８８お
よび９０をそれぞれ有する。

【００３８】拡張管７２および７４はまた蒸発した結合
剤をはかせるための機能も果たす。この目的のために、
管７２は入口として、かつ管７４は出口として作用し、
不活性気体の流れはスタックが拡張する前にスタック４
０を通って伝えられ蒸発した結合剤をはかせる。

【００３９】１対の横の溝（その対の一方の溝７３のみ
が図８に示される）が下部工具４６の両側に設けられ、
一方の溝７３は窪み７６と整列され、かつ他方の溝（図
示せず）は窪み７７と整列するように位置決めされる。
横の溝はスタック４０の金属ブランクの間の膨張管７２
および７４からの不活性気体の通過が、上部および下部
工具４４および４６によって加えられる圧力によるスタ
ックのピンチングによって、処理された領域３０および
３４に到達することを妨げられないことを確実にするた
めに設けられる。横の溝の幅は窪み７６および７７と好
ましくは同一であるが、横の溝は不活性気体の流れが処
理された領域３０および３４に到達する前にピンチング
が起こらないようにスタック内のさらに内部で終結す
る。

【００４０】図１に示されるように、ストップオフによ
ってスタック４０の選択された領域を処理してその上で
の拡散結合を妨げる場合、９２および９４で示されるよ
うな付加的な領域はその上での結合を防ぐために同様に
処理されなければならず、その結果膨張管７２および７
４からの気体はスタック４０の拡張のための選択された
処理された領域に到達する。開口部９６がスタック内部
の膨張管７２および７４から他の処理された領域へ不活
性気体をさらに送るために処理された領域３０、３２、
３４に設けられ、かつスタック内（この場合は金属ブラ
ンク１２の両側上）での等しい圧力を確実にするために
設けられる。もし圧力が等しくなければ、図７に例示さ
れる構成のサンドイッチの金属ブランク１２の結果とし
て生じる芯は最終的なサンドイッチ構造の負荷保持能力
に対する結果として生じる影響で、歪められるであろ
う。

【００４１】本出願人の発明方法に従って図７に示され
る拡張された金属サンドイッチ構造を作るために、金属
ブランク工作物１０、１２、１４が設けられる。シート
１２および１４の双方は超塑性成形のための効果的な歪
み速度感度を有する材料から形成されなければならな
い。最適に１つ以上のブランクが３０、３２、３４のよ
うな特定の場所で処理されるので、その結果金属ブラン
クがスタック内で配列されかつ拡散結合されるとき、ス
タックの選択された領域のみがそれによって接合され
る。交互に、スタックは選択的な接合のために点溶接ま
たはろう付けされ得る。拡散結合によって接合する場
合、レトルトおよび真空の使用が非常に好ましい。しか
しながら、代替の方法を使用すれば成形する前にスタッ
クを成形装置４２の中に置くことを必要とするであろ
う。チャンバ４８内の圧力は線５２を介するチャンバ４
８の中への加圧不活性気体の流れによって上昇されるで
あろう。一旦チャンバ４８が不活性気体大気を有すれ
ば、スタックは拡散結合および超塑性成形の双方にとっ
て適切な最適な温度に圧盤５０を加熱する際に、抵抗ワ
イヤ５２によって加熱されるであろうが、しかしながら
この温度はもし異なった温度が超塑性成形のために要求
されれば後から上げられたり下げられたりすることが可
能である。チャンバ４８内の圧力は線５２を介する付加
的な加圧不活性気体によってスタック４０の拡散結合に
適切な圧力に上昇されるであろう。その圧力は拡散結合
に十分な時間期間の間維持されるであろう。スタックの
金属ブランクがアルファ−２である場合、使用される温
度は約１８００°Ｆであり、圧力は８００−９００ｐｓ
ｉであろう。これらの値は適切な範囲内、つまり値が拡
散結合および／または超塑性成形のために十分である範
囲内で維持される限り、成形および結合の間もちろん変
化し得る。時間期間はスタック４０の使用される合金、
温度、圧力および厚さに依存して変化する。持続期間は
３０分から１５時間の範囲で変わるが、３時間が比較的
代表的な予測時間である。前に述べられたように、結合
温度は約１７５０°Ｆから約１９００°Ｆまで変化し得
る。気体結合圧力は約８００ｐｓｉから２０００ｐｓｉ
以上まで変化し得るが、好ましい範囲は約８００から約
９００ｐｓｉである。

【００４２】スタック４０を拡張する前に、チャンバ内
の圧力は線５２および６０を介して低減される。超塑性
成形温度で、これはアルファ−２チタンアルミナイド材
料については約１８００°Ｆ（一般には１７５０°Ｆな
いし１９００°Ｆ）であるが、スタックは加圧不活性気
体を線７２および７４を介して流すことによって拡張さ
れる一方で、最適には真空が線５２および６０を介して
チャンバ４８に与えられる。高められた成形温度でスタ
ックの内部を汚染から保護する加圧不活性気体は管７２
および７４からチャネル７５へ流れ（好ましくはスタッ
クの両側上で）、それから不活性気体はスタック内を流
れる。スタック内のかかる加圧不活性気体はスタックの
内部とチャンバ４８との間の圧力差によるスタックの拡
張を強制する。アルファ−２の超塑性成形のために通常
使用される圧力差は通常は約８００から９００ｐｓｉの
範囲である。金属ブランク１４は圧力差によって初めは
持上げられ、選択された接合された領域でそれとともに
金属ブランク１２を引っ張る。かかる拡張は加圧不活性
気体が開口部９６を介して流れてスタック内に等しい圧
力を与えることを可能にするので、その結果芯（工作物
１２）が均質に成形される。等しい圧力はまたスタック
の金属ブランク１０をその初期の位置に保持し、後者は
ベースまたは下部工具４６に対抗して強制される。

【００４３】図９および図１０は修正された成形装置１
３０および選択的接合のための異なった技術の使用を示
す。金属ブランク１３４および１３６とともに２シート
スタック１３２を使用することも例示される。スタック
１３２は成形装置１３０の中に挿入される前に拡散結
合、ろう付けまたは点溶接によって接合され得る。もし
拡散結合されれば、金属ブランク１３４、１３６は適切
なストップオフでまず選択的に処理されるので、その結
果スタックのある予め定められた領域のみが接合される
であろう。

【００４４】成形装置１３０は中間の窪みまたはチャン
バ１４４によってお互いから距離をおいて設けられた複
数個の突出部１４２によって規定される下部の弓形の表
面を有する上部工具１４０を使用する。下部工具１５０
は突出部１４２によって成形されたのと相補的な上部弓
形の表面１５２を有する。膨張管１６０および１６２は
２つの金属ブランク１３４および１３６の間に位置づけ
られる。ブランク１３４および１３６（図１の実施例に
関連して述べられた金属ブランク１０の窪み７６および
７７に類似）には、管１６０および１６２がその中に置
かれる円筒状のチャンバ（図示せず）を規定する整列さ
れた窪み（図示せず）が設けられる。線１６４および１
６６は、図２および図３の実施例に示される線５２およ
び６０に類似して、チャンバ１４４に不活性気体環境を
与え、かつチャンバ１４４から不活性気体を抜取るため
の真空源への通風口または接続部として作用し、それら
のチャンバ内で金属ブランク１３４を超塑性をもって拡
張する。管１６４および１６５の各々にはバルブ（図示
せず）および圧力ゲージ（図示せず）が設けられて、チ
ャンバ１４４内の不活性気体の付加および除去を制御す
るであろう。管１６４および１６６はチャンバ１４４へ
のアクセスを与えるボア１７０および１７２にそれぞれ
接続される。スタック１３２の厚さおよび所望の湾曲に
依存して、スタックはロール成形または超塑性成形のよ
うな従来のシート金属成形による成形装置１３０の中へ
の挿入に先立って、または上部工具１４０の突出部１４
２および下部工具１５０の表面１５２によってスタック
に加えられた圧力によって成形装置１３０の中に挿入さ
れた後に、かかる形状に予備成形され得る。成形装置１
３０での予備成形は好ましい、なぜなら予備成形および
選択的な拡散結合はスタックが成形装置の中に挿入され
る前に接合されないときに同時に行なわれ、それによっ
て製作時間および設備コストを節約するからである。

【００４５】この成形装置１３０を使用して、接合され
ないスタックは要求された温度で適切な時間期間の間上
部工具１４０および下部工具１５０からの圧力の印加に
よって拡散結合され得る。突出部１４２のために、圧力
はスタックの選択された領域にのみかけられるので、そ
れらの領域のみが拡散結合され、それによって結合され
ない領域での拡張を可能にする。

【００４６】拡散結合（またはもしスタックがすでに接
合されていれば成形装置への挿入）および予備成形の
後、スタック１３２は線１６０および１６２を介する不
活性気体の流れによって膨張され、その結果金属ブラン
クの接合されない領域はチャンバ１４４の中に拡張され
る。最適に、真空が線１６４および１６６を介してチャ
ンバ１４４に与えられるであろう。拡張のために設けら
れた唯一の空間はチャンバ１４４であるので、金属ブラ
ンク１３４のみが拡張され、かつ結果としてそのブラン
クのみが超塑性成形に適切な材料から作られなければな
らない。拡散結合、予備成形および超塑性拡張はすべて
１つの動作において同一の装置内で行なわれ得ることが
上から理解される。

【００４７】図１１は変わりやすく成形された構造の成
形を図示し、この構造はそれに付属品が接合された先細
のサンドイッチ構造として示される。本出願人は上部工
具の対応する成形表面を適切に設計することによってサ
ンドイッチ構造の先細りを達成する。図１１において、
上部工具１７０は一方側から他方側（左から右として示
される）へ下方向にある角度で曲がる上部成形表面１７
２を有する。したがって、スタック１７６の上部金属ブ
ランク１７４が表面１７２に対して超塑性をもって拡張
されるとき、それはかかる表面の先細の中に成形され
る。スタック１７６のブランク部材１７８によって成形
される芯もまた上部ブランク１７４の動きに対する依存
性のために先細にされる。

【００４８】任意の設計で示されるアタッチメント１８
０は同一の成形装置内のスタックの超塑性拡張の間結合
線１８３に沿って上部部材１７４上のスタック１７６に
接合され、それによって製作時間、装置コストおよび成
形の困難さを低減する。アタッチメント１８０は適切に
成形された溝１８２内に位置づけられ、そこではアタッ
チメントはかかる溝から突出したりしなかったりし、ま
たは溝を使用することなく成形チャンバ内に置かれるの
で、その結果オスかまたはメスの成形表面のどちらかを
それ自体成形する。特許請求の範囲のために、溝が使用
される場合はそれは成形チャンバの一部であると考えら
れ、その結果アタッチメントは溝にあるときにはチャン
バ内に位置決めされる。例示される実施例において、ス
タックが超塑性をもって拡張されるとき、それは結合線
１８３に沿ってアタッチメント１８０と接触する。超塑
性成形温度のために、アタッチメントもまた加熱され、
かつスタックを拡張する圧力は結局上部部材が表面１７
２およびアタッチメントに対抗して押しつけることを強
制する。アタッチメントは温度および圧力が適切な時間
期間の間要求される拡散結合レベルで維持されるとき結
合線１８３に沿ってスタックに拡散結合される。最適に
は、部材１７４および１７８の超塑性成形のための温度
および圧力は拡散結合にとっても適切であるので、その
結果圧力または温度は成形した後拡散結合のために上げ
られたりまたは下げられたりする必要がないであろう。
アタッチメントのための選択された材料は部材１７４の
材料への拡散結合のために適切な、かつ好ましくは類似
の材料でなければならない。典型的に使用される超塑性
成形気体圧力は９００ｐｓｉであって、これは拡散結合
に通常使用される２０００ｐｓｉよりかなり小さい圧力
であるので、結果として生じる結合は完全な親金属の強
度にはならないが、しかし高い品質のろう付け接合にお
そらくは類似するであろう。しかしながら、一旦サンド
イッチ構造が完全に拡張されると、図１１に示されるよ
うに、圧力は拡張されたサンドイッチ内で膨張管１９
０、１９２を介して完全な拡散結合のためにより適切な
レベルにまで上昇され得る。

【００４９】１９４で示されるようなクローズアウト
は、上部および下部工具１７０および１７１それぞれに
よる圧力の印加で拡散結合温度にスタックを加熱するこ
とによって、スタック１７６の拡張されない端部を含む
クローズアウトを拡散結合することによって同一の動作
で拡張されたサンドイッチ構造に成形されることが可能
である。成形装置から取除かれた図１１の拡張されたサ
ンドイッチ構造２００は側端部が切離された状態で図１
２で示される。

【図面の簡単な説明】

【図１】結合装置に挿入する前の選択的な拡散結合のた
めに処理された３ピースの金属シートアセンブリの分解
図である。

【図２】拡散結合を行なう前の金属シートのパックの周
りのレトルトの製作の態様を示す、一部が取壊された状
態の斜視図である。

【図３】図２の切断線２Ｂ−２Ｂに沿って切取られた図
２に示された金属シートのレトルトおよびパックの断面
図である。

【図４】封止されたレトルトが拡散結合のステップを行
なうのに先立って上部および下部プレスアセンブリ工具
の間に配置された状態で、この発明によって考えられる
拡散結合を行なうために使用される１つの工具アセンブ
リの断面図である。

【図５】封止されたレトルトが拡散結合のステップを行
なうのに先立って上部および下部プレスアセンブリ工具
の間に配置された状態で、この発明によって考えられる
拡散結合および超塑性成形の双方を行なうために使用さ
れる第２の工具アセンブリの断面図である。

【図６】図１の３ピース結合された金属シートアセンブ
リがそこに挿入された状態で、金属のサンドイッチ構造
の製作のために使用される成形装置の好ましい実施例の
断面立面図である。

【図７】破線が拡張された接合されたアセンブリの成分
金属シートの最終的な位置を例示する、図６の成形装置
内で完全に拡張された３ピース結合された金属シートア
センブリを例示する図である。

【図８】３ピース金属シートアセンブリのための膨張管
接続の詳細図である。

【図９】２ピース結合された金属シートアセンブリが初
期の位置に挿入された状態で修正された成形装置の断面
立面図である。

【図１０】２ピース結合された金属シートアセンブリが
最終的な拡張された位置に挿入された状態で修正された
成形装置の断面立面図である。

【図１１】アタッチメントが破線のところでサンドイッ
チ構造に接合された状態で、最終的に成形された位置で
先細にされた３ピース結合された金属シートアセンブリ
を例示する修正された成形装置の断面立面図である。

【図１２】図１１の成形されたサンドイッチ構造の部分
斜視図である。

【符号の説明】

１０ 金属ブランク １２ 金属ブランク １４ 金属ブランク ４０ スタック ４００ レトルト ５００ 金属封止フレーム

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 サンドイッチ構造に拡張可能な構造ユニ
   ットを成形するためにチタンアルミナイドブランクのス
   タックの予め選択された領域の拡散結合を行なうための
   装置であって、 前記スタックの周りに封止された気体を抜かれた環境の
   限界を定めるための手段と、 封止されたチャンバを成形するために前記範囲を定める
   手段の部分と各々が係合可能な第１および第２の協働す
   る工具部材と、 前記チタンアルミナイドブランクの拡散結合に適切な温
   度に前記第１および第２の工具部材と前記範囲を定める
   手段とを加熱するための手段と、 範囲を定める手段と第１の工具部材との間に規定された
   前記チャンバに加圧気体を供給するための手段とを含
   み、前記加圧気体は前記範囲を定める手段を前記第２の
   工具部材に向けてかつ前記ブランクと係合するように、
   前記金属ブランクの前記予め選択された領域の拡散結合
   を引起こすのに十分な圧力で付勢する、装置。
2. 【請求項２】 前記第２の工具部材はそれに対抗してブ
   ランクのスタックが前記ブランクの拡散結合に続いて押
   圧される成形表面を含み、その結果拡散結合が完成され
   た後前記チャンバは前記スタックの超塑性予備形成を引
   起すためにさらに加圧されることが可能で、それによっ
   て前記第２の工具部材の形状に対応する輪郭をそれに与
   える、請求項１に記載の装置。
3. 【請求項３】 範囲を定める手段は第１および第２の協
   働する工具部材と係合可能な封止フレーム手段をその外
   部上に含み封止されたチャンバを形成する、請求項１に
   記載の装置。
4. 【請求項４】 前記気体運搬手段は前記第１の工具に加
   圧気体源とチャネル手段とを含み、第１の工具は加圧気
   体の前記源と連通する一端と前記第１のチャンバと連通
   する他方の端部とを有し、前記気体運搬手段は前記第１
   のチャンバと前記第２のチャンバとの間で加圧気体の流
   れを選択的に再指向するための手段を含む、請求項１に
   記載の装置。
5. 【請求項５】 チタンアルミナイド材料を使って金属サ
   ンドイッチ構造を成形するための方法であって、 レトルト内に前記チタンアルミナイド材料のシート金属
   ブランクのスタックを封止するステップを含み、前記ス
   タックは少なくとも１つの前記シート金属ブランクの予
   め選択された領域に加えられたストップオフ材料を有
   し、 前記レトルト内に汚染のない加圧環境を作り出すステッ
   プと、 前記レトルトの部分の周りに封止されたチャンバを形成
   し、気体で前記チャンバを加圧して前記スタックのブラ
   ンクが均一の圧力で一体押圧されることを引起し、それ
   によって前記スタックの選択された領域は前記汚染のな
   い環境で第１の高められた温度で拡散結合され、さらに 前記レトルトを取除いて第２の高められた温度で前記拡
   散結合されたスタックを超塑性をもって拡張して所望の
   サンドイッチ構造を成形するステップとを含む、方法。
6. 【請求項６】 前記第１の温度で前記拡散結合されたス
   タックを超塑性をもって予備成形するステップをさらに
   含む、請求項５に記載の方法。
7. 【請求項７】 前記第１の温度は約１７００°Ｆから約
   １９００°Ｆの範囲であり、前記第２の温度は約１７０
   ０°Ｆから約１９００°Ｆの範囲であり、かつ前記汚染
   のない環境は真空である、請求項５に記載の方法。