JP2002527245A - 軽量かつ剛性で薄い金属部品を得る方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、部品１の形に心材２を形成する工程と、前記心材２に空洞４を設ける工程と、金属合金＋弾性率の高い補強ファイバーの複合表皮１０の形成工程と、表皮１０の高密化工程と、使用される金属合金の等温鍛造における温度及び圧力条件下での圧縮により、心材２に前記表皮１０を拡散接合する工程とを主に含む、軽量かつ剛性で薄い金属合金部品を得る方法を提案する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 （技術分野） 本発明は、弾性率の高いファイバーにより補強され、拡散接合により組み立て
られるサンドイッチ構造の金属部品を得る方法に関する。

【０００２】 （従来技術） 航空機製造技術の分野では、強度／質量比が高い金属合金、すなわち主として
アルミニウム、マグネシウム及びチタンの合金からなる薄くて軽い部品を使用す
る。タービンエンジンの場合、これは一般に、カバー、カバーアーム及び翼であ
る。しかしながら、このような合金はヤング率が低いという欠点を有し、従って
、これらの合金で製造される部品はリブを付けて補強し、十分な剛性を有するよ
うにしなければならない。だが、このようにリブが存在すると、部品の質量が増
加するという欠点がある。しかも、これらのリブは複雑な形状を取るので、その
製造は非常にコスト高になることがある。

【０００３】 また今日、航空機製造技術では、金属母材に埋め込んだ補強ファイバーからな
る複合材料もまた使用されており、ファイバーは、炭化ケイ素ＳｉＣ、ホウ素又
は炭素から構成され、母材は、アルミニウム、マグネシウム及びチタン合金から
構成される。このような材料の機械特性は、同じ母材の合金をそれだけで使用し
た場合よりも著しく改善される。たとえば、チタン合金Ｔａ６Ｖからなる母材に
、炭化ケイ素ＳｉＣファイバーを埋め込んで構成した複合材料と、チタン合金Ｔ
ａ６Ｖだけを使用した合金とを比較すると、機械的強度は１２０％、ヤング率は
１００％増加し、一方で密度が１５％減少することが確認されている。

【０００４】 金属母材の複合材料は主に、補強ファイバー及び金属合金からなるプリフォー
ムを金属合金の超塑性成形加工温度で強く圧縮することにより得られ、ファイバ
ーは、織るか、又は巻きつけ可能である。金属合金は、「物理蒸着」又は「ＣＶ
Ｄ」と呼ばれる方法によりファイバーの周囲に付着したコーティングとしてファ
イバー間に配置されるストリップの形状を取ることができ、金属合金はまた、織
るか、又は巻きつけられるファイバーに、プラズマジェットにより付着させるこ
とができる。熱間圧縮は、部品の形状によりそれが可能である場合、すなわち形
状が主として平面である場合、プレスの型で実施できる。反対の場合、圧縮はま
た、オートクレーブでも実施可能であり、部品はコンテナに囲まれ、すなわち内
部を真空にした気密な金属外装で囲まれ、部品はまた、一定の形状で支持可能で
ある。このような方法により、同一の金属合金部品に対して機械特性を改善した
薄い複合部品を構成することができる。しかしながら、厚み全体が大型の部品を
製造する場合にこれらの方法を使用すると、既知の材料強度の原理に従って、部
品表面のファイバーが、この部品の剛性に関与するだけであるのに、多量のファ
イバーを使用しなければならない。かくして、こうした強度の高いファイバーの
購入及び使用はきわめて高価であり、このような部品の原価は、手が出ないほど
高くなる。

【０００５】 また、一部がファイバー＋金属合金の複合材料からなり、一部が金属合金だけ
からなる混合部品が製造されている。このような部品を製造するには、第２の部
分のブランクを加工し、前記の一般的な方法に従って第１及び第２の部分全体を
圧縮し、こうした熱間圧縮によって、各部分の合金を他方の部分で相互溶融する
ことにより双方の部分を接合する。

【０００６】 一般に、金属合金からなる母材に埋め込んだ高弾性率の補強ファイバーを含む
複合材料部品を構成し、熱間圧縮することは難しい工程である。何故なら、これ
らのファイバーは、弾性率が高いために、支持するときに曲率が大きくなって破
損してしまうからである。高密化及び拡散接合に必要な圧力は非常に大きいので
、通常は、ファイバーを破壊しないようにするために以下の条件を遵守する。

【０００７】 ・ファイバーは、層状で平行に隣接するように規則正しく配置する。

【０００８】 ・高密化の際に、ファイーバーの周囲の母材の流れをきわめて均質にすること
により、圧力作用下で、前記ファイバーを破損するおそれのある局部的な移動を
引き起こさないようにする。

【０００９】 たとえば、炭化ケイ素ＳｉＣからなる補強ファイバーと、チタン合金Ｔａ６Ｖ
からなる母材とから構成される複合材料を圧縮及び拡散接合するには、圧力６０
０〜８００バール、温度約９００゜Ｃが必要である。

【００１０】 （発明の開示） 本発明は、剛性で薄い金属合金部品を得る方法を提案するものであり、前記方
法は、特に、 ・薄い金属合金の心材を作る工程と、 ・弾性率が前記金属合金の弾性率の少なくとも４倍に等しい補強ファイバーを
金属合金に埋め込んだ複合材料から表皮を構成し、この表皮を前記心材の各面に
当てがう工程と、 ・ファイバーを囲む金属合金の超塑性温度で少なくとも厚みの方向に圧縮する
ことにより表皮を高密化する工程と、 ・表皮及び心材の合金の拡散温度で少なくとも厚み方向に圧縮することにより
心材に前記表皮を拡散接合する工程とを含む。

【００１１】 このような方法は、 ・Ｖ_ａが空洞のない心材の体積であり、Ｖが空洞を形成後の心材の残りの母材
の体積であるとき、心材の体積率Ｖ／Ｖ_ａをできるだけ小さく、たとえば０．９
になるように、たとえば穿孔、放電加工又は打抜きにより前記心材の少なくとも
片面に通じる複数の空洞を心材に設け、前記空洞を部品に規則正しく配分し、 ・心材に当てがう前に心材の形状に表皮を高密化することを特徴とする。

【００１２】 これは、少なくとも片側が表皮により閉じられた空洞を部品に構成する作用が
あり、前記空洞内部への前記表皮のクリープを無視することができ、また厚みを
増さずに部品を軽量化かつ剛性化する結果が得られる。

【００１３】 補強ファイバーの曲率は、各空洞の上と各空洞の近傍でほぼ一定に維持される
ので、ファイバーが破損しないようにすることができ、あるいは破損されたとし
てもごく一部に留まり、これらのファイバーを最も適切な位置に残して、部品の
強度及び剛性を確保できる。

【００１４】 かくして、予想されるような構成とは違って、上記の条件で、空洞内に著しい
クリープを形成することなく、表面が開いた多数の空洞をそれ自体が含む心材で
、金属合金の母材に埋め込まれた高弾性率の補強ファイバーからなる複合表皮を
圧縮可能であり、表皮を予め高密化することにより、前記表皮に対して、空洞内
のクリープを無視できる値に制限するのに十分な剛性が付与される。

【００１５】 有利には、金属合金は、チタン、アルミニウム及びマグネシウムを含むグルー
プから選択し、補強ファイバーは、炭化ケイ素、ホウ素及び炭素を含むグループ
から選択し、軽量金属合金を、高強度かつ高弾性率の補強ファイバーに結合する
。

【００１６】 本発明の第１の実施形態では、拡散接合は、たとえば加熱型又はプレス炉を用
いたプレスにより型で実施される。このような構成により、使用する圧縮方法と
相容れる十分な値に空洞間の材料の平均的な厚みを維持する効果があり、その結
果、母材での圧縮中に心材がつぶれないようにすることができる。

【００１７】 本発明の好適な実施形態において、表皮は、オートクレーブでの静水圧により
心材に接合される。空洞の幅は、このタイプの圧縮と相容れる値に制限しなけれ
ばならない。そこで、型で形成することが不能な部品、たとえばタービンエンジ
ンのカバーに本発明による方法を適用することができる。流体、この場合にはオ
ートクレーブのガスを介して部品に付与される圧力により、空洞内の表皮のクリ
ープが助長されることが分かる。しかしながら、こうしたクリープは、空洞の寸
法が、複合表皮の特性に依存する一定限度未満に留まる場合、無視できるものと
みなせるので、こうした状況で、航空機製造又は航空宇宙産業の品質にかなう部
品を製造可能である。

【００１８】 有利には、心材の質量を低減するとともに、強度及び剛性が同じ部品を軽量化
するために、心材の体積率を最小化する。

【００１９】 有利には、部品の締結ゾーンの近傍で心材の体積率Ｖ／Ｖ_ａを増加する。これ
により、締結ゾーンで部品の破壊強さを増し、その結果として部品をボルト締め
し、締めつけトルクを強くする結果が得られる。特定の実施形態では、前記結合
部品のすぐ隣で、心材は中実である。

【００２０】 有利には、心材において、適切なラインに沿って結合空洞を加工することがで
きる。これは、表皮間に管路を構成する効果があり、部品の厚み内で流体を循環
可能にする結果が得られる。これは特に、カバー及びカバーアームのようなター
ビンエンジンの構造部品に特に有効である。かくして、特に動作遊び（隙間）の
制御のために、潤滑剤、燃料、あるいは様々な温度のガスを供給することができ
る。

【００２１】 有利には、これらの結合空洞は、それぞれが心材の片側だけに通じており、部
品を製造する間、前記心材の一体性を維持する。

【００２２】 有利には、部品は、羽根及び脚部を一端に含むタービンエンジンの翼であり、
心材が、羽根及び脚部に延び、羽根の心材に、心材の体積率Ｖ／Ｖ_ａを小さくす
る空洞を構成し、場合によっては心材の体積率Ｖ／Ｖ_ａを大きくした空洞を脚部
に構成することにより、非常に軽量ではあるものの、脚部における大きなはめ込
み力に耐えられる翼を構成することができる。有利には、翼は、型で形成される
ので、心材の体積率を小さくすることができ、質量の節減が大きくなる。

【００２３】 本発明は、詳細な実施例及び添付図を参照することにより、いっそう理解され
、その長所が明らかになるであろう。

【００２４】 （発明を実施するための最良の形態） 最初に図１を参照する。部品１は薄く、心材２を含む。心材２は、同じく薄く
、２個の面３により厚み方向に区切られている。心材２は、複数の空洞４を含み
、各空洞４は、心材２の少なくとも１つの面３に通じている。この例では、各空
洞４が、心材２の２つの面３に通じている。心材２の各面３に拡散により表皮（
表層）１０が接合される。表皮１０の内面１１により拡散接合が実施される。こ
の拡散接合は、相互に接触する心材２及び表皮１０の各面３、１１の位置で心材
２及び表皮１０の材料の拡散による相互浸透からなる。空洞４は、表皮１０によ
って閉じられる。実際には、これらの空洞４は円柱形である。図２の実施例では
、空洞４は断面が円形であり、ほぼ平行なライン１５に沿って五の目型に配置さ
れている。空洞４と各隣接空洞との間の距離は、少なくとも局部的に、すなわち
一定の有限ゾーンでは、ほぼ一定である。図３の実施例では、空洞４は三角形で
あり、ほぼ平行なライン１５に沿って互い違いに配置されている。ライン１５の
三角形の頂部は、隣接する２本のライン１５の三角形の頂部に対して逆転してお
り、１つの三角形と、隣接する全ての三角形との頂部及び／又は辺の間の距離は
、ほぼ一定である。しかも、三角形の頂部は丸みを帯びており、心材２の材料内
で発生しうる応力の集中を低減するようにしている。

【００２５】 この例では、心材２は、チタンＴａ６Ｖを主成分とする金属合金であり、表皮
は、同様にチタンＴａ６Ｖを主成分とする金属合金の母材に炭化ケイ素ＳｉＣか
らなる補強ファイバーを埋め込んで構成される複合材料からなる。

【００２６】 方法は、以下の通りである。

【００２７】 たとえば圧延、鍛造、機械加工により、部品１の形状に心材２を製造する。空
洞４は鋳造所で直接形成するか、又は穿孔、打抜き、放電加工等により形成する
。空洞４は、部品１に規則正しく配分される、及び／又は、集中荷重を与える点
又はボスなどがあるとき局部的に心材２を補強するために中断される。心材２の
面３を機械加工して研磨又は酸洗いする。

【００２８】 金属母材の複合材料からなる表皮１０は、通常の技術、すなわちファイバー＋
ストリップ、補強した単層、プラズマによって得られる予備含浸、ＰＶＤ（物理
蒸着）によってコーティングされるファイバーの巻きつけ、あるいは他の同等の
方法の１つから材料を高密化（圧縮）可能な温度及び圧力条件で、熱間プレス工
程（必要があれば型における熱間静水圧又はプレスによる一方向プレス）によっ
て形成する。表皮１０の内面１１を機械加工し、研磨又は酸洗いする。これらの
表皮１０は、所望の剛性及び強度を得るために必要な数のファイバー層を含む。

【００２９】 心材２における表皮１０の拡散接合による組立を行うために、 ・必要な場合には心材２の面３を機械加工し、 ・心材２の面３及び表皮１０の内面１１を洗浄し、化学的に磨く又は酸洗いし
てからゆすいで、拡散による接合を準備し、 ・心材２に表皮１０を組み立て、プレス設備すなわちオートクレーブで熱間静
水圧可能なコンテナに全体を配置し、心材２と表皮１０の母材とを構成する合金
に適合する圧力及び温度サイクルを遵守することにより圧縮して、心材２に対す
る表皮１０の拡散接合を実施する。

【００３０】 次に、図１及び図４を同時に参照する。

【００３１】 まずｅ_ｏが部品１の厚み、ｅ_ａが心材２の厚み、ｅ_ｐが各表皮１０の厚さとし
て、ｅ_ｏ＝２ｅ_ｐ＋ｅ_ａという関係が示される。またＫが、この方法で得られる
部品の剛性、Ｋ_ｏがモノリシック、すなわち全体が金属で空洞４を備えない同じ
部品１の剛性、Ｍが、この方法で得られる部品の質量、Ｍ_ｏがモノリシック部品
の質量を示すものとする。さらに、Ｖ_ａが心材２の全体体積、Ｖが空洞４を形成
後に残る心材２の材料体積、Ｖ／Ｖ_ａが、心材の体積率を示すものとする。

【００３２】 グラフの横座標は、表皮１０の厚み率、すなわち２・ｅ_ｐ／ｅ_ｏを示し、厚み
率は、明らかに０と１の間でしか変わらない。

【００３３】 曲線２０、２１はそれぞれ、心材の体積率Ｖ／Ｖ_ａ＝１、すなわち空洞４がな
い場合に対する表皮の厚み率２・ｅ_ｐ／ｅ_ｏに応じたＫ／Ｋ_ｏとＭ／Ｍ_ｏの比の
変化を示している。曲線２２、２３は、心材の体積率Ｖ／Ｖ_ａ＝０．７５に対す
るこの同じ比を示し、曲線２４、２５は、心材の体積率Ｖ／Ｖ_ａ＝０．５０に対
する同じ比を示す。

【００３４】 曲線２０は、部品がその厚み全体について繊維からなる場合、すなわち表皮の
厚み率２・ｅ_ｐ／ｅ_ｏが１に等しいとき、剛性比Ｋ／Ｋ_ｏが最大値２に達するこ
とを示している。表皮の厚み率２・ｅ_ｐ／ｅ_ｏが０．２５になるとき、剛性比Ｋ
／Ｋ_ｏが１．８５に維持され、曲線２１によって与えられる対応質量比Ｍ／Ｍ_ｏ が０．９４に落ちることは興味深い。換言すれば、各表皮１０は、部品１の厚み
の１２．５％を占有するだけなのに対し、部品の剛性は８５％増加し、その質量
は６％減少している。

【００３５】 また、曲線２４、２５により、心材２が５０％軽量化されるとき、また各表皮
が、部品の厚みの１２．５％を占めるとき、部品の剛性が８０％増加し、質量が
３３％減少することが確認される。これは、それぞれＫ／Ｋ_ｏ＝１．８０、Ｍ／
Ｍ_ｏ＝０．６７、Ｖ／Ｖ_ａ＝０．５、２・ｅ_ｐ／ｅ_ｏ＝０．２５の値に対応する
。心材の体積率Ｖ／Ｖ_ａ＝０．７５に対応する曲線２２、２３からは、明らかに
中間の結果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 カバーの壁の断面図である。

【図２】 心材において加工される空洞の考えられる形状を示す図である。

【図３】 心材において加工される空洞の考えられる他の形状を示す図である。

【図４】 炭化ケイ素ＳｉＣのファイバーと、チタンを主成分とする金属合金Ｔａ６Ｖと
の場合に得られる結果を示すグラフである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｃ２２Ｃ 49/06 Ｃ２２Ｃ 49/06 Ｆ０１Ｄ 5/28 Ｆ０１Ｄ 5/28 Ｆ０２Ｃ 7/00 Ｆ０２Ｃ 7/00 Ｄ (72)発明者 ゴーテイエ，ジエラール・フイリツプ フランス国、エフ−91240・サン・ミシエ ル・シユール・オルジユ、リユ・コロ、32 (72)発明者 モリ，リユドビツク・エドモン・カミーユ フランス国、エフ−91800・ブリユノワ、 アブニユ・マドレーヌ、13 Ｆターム(参考） 3G002 EA06 EA08 EA09 4E067 AA05 AA06 AA12 AA15 BA06 DA13 DA17 DC02 EA06 EB02 EC04 4F100 AA31A AB01A AB10B AB10C AB11B AB11C AB31B AB31C BA03 BA06 BA10B BA10C BA26 DC11A DG01B DG01C EJ17 EJ172 JK07B JK07C 4K020 AA03 AA04 AA08 AC01 AC02 AC03 BB07 BB12

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 軽量かつ剛性で薄い金属合金部品（１）を得る方法であって
   、 薄い金属合金の心材（２）を作る工程と、 弾性率が金属合金の弾性率の少なくとも４倍に等しく、母材を形成する金属合
   金の母材に埋め込まれる補強ファイバーから構成される表皮（１０）を、前記心
   材（２）の各面（３）に当てがう工程と、 母材の金属合金の超塑性温度で少なくとも厚みの方向への圧縮により表皮（１
   ０）を高密化すると共に、心材（２）と表皮（１０）の母材との金属合金の等温
   鍛造温度で部品（１）の厚み方向に圧縮することにより、前記心材（２）に前記
   表皮（１０）を拡散接合する工程とを備えており、 心材（２）の少なくとも一方の面（３）に通じる複数の空洞（４）が心材（２
   ）に設けられ、 表皮（１０）は、局部的にほぼ一定の曲率をもつ表皮（１０）によって少なく
   とも一方の側が閉じられた空洞（４）を部品（１）に構成するために、前記心材
   （２）に当てがわれる前に心材（２）の形状に高密化されることを特徴とする方
   法。
2. 【請求項２】 チタン、マグネシウム及びアルミニウムを夫々主成分とする
   合金のグループから選択した金属合金を用い、炭化ケイ素、ホウ素及び炭素を含
   むグループから選択した補強ファイバーを用いることにより、軽量金属合金を、
   高強度かつ高弾性率の補強ファイバーに結合することを特徴とする請求項１に記
   載の方法。
3. 【請求項３】 接合は、プレスによる圧縮により型で実施されることを特徴
   とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 【請求項４】 拡散接合は、オートクレーブでの静水圧により実施されるこ
   とを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
5. 【請求項５】 前記部品（１）が締結ゾーンを含み、前記締結ゾーンで心材
   の体積率Ｖ／Ｖ_ａを増加することにより、前記締結ゾーンにおける部品（１）の
   破壊強さを増すことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 【請求項６】 部品（１）は、タービンエンジンの翼であり、前記翼は、薄
   い羽根と羽根を保持する脚部とを含み、羽根及び脚部に延びる心材（２）が形成
   されると共に、羽根の心材（２）に、心材の体積率Ｖ／Ｖ_ａを小さくする空洞（
   ４）が形成されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 【請求項７】 翼は、型で作られることを特徴とする請求項６に記載の方法
   。
8. 【請求項８】 表皮（１０）間に管路を構成するために、適切なラインに沿
   って結合空洞（４）を心材（２）に設けることを特徴とする請求項１から７のい
   ずれか一項に記載の方法。
9. 【請求項９】 結合空洞（４）は、それぞれが心材（２）の一方の側だけに
   通じており、部品（１）を製造する間、前記心材（２）の一体性を維持すること
   を特徴とする請求項８に記載の方法。