JPH01268802A - 金属製品成形方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は粉末金属からエアフォイルの如き金属製品を成
形する方法に関する。

（従来の技術） 粉末金属からタービン羽根の如き製品を成形する方法は
米国出願第８５３０５１７６号（１９８５年７月１９日
付）による欧州特許公報第０１７２６５８Ａｔ（１９８
６年２月２６日公開）の粉末金属製品の成形方法と題す
る文献に開示されている。この公報は金属層を原型上に
電気めっきすることによって容器を成形する方法につい
て開示している。上記原型はその後金属層内から除去す
ることによって金属粉末で満たされた空の容器を残すよ
うになっている。容器を充填し密封した後、同容器は高
温平衡加圧操作に付されることによって最終的に金属粉
末粒子が結合して一体の本体が成形される。

米国特許筒４，３２９，１７５号（１９８２年５月１１
日発行）の粉末冶金法により製造された製品とその製造
方法と題する発明には粉末金属からガスタービン羽根や
ロータを製作する方法が開示されている。この特許は金
属粉末より成形された製品の物理的特性は異なる金属粉
末を使用することによって製品の異なる部分で異ならせ
ることができ異なる製品部分を形成できるということを
教えている。そのため容器の第１の部分を標準的な金属
粉末で充たし、容器の第２の部分を異なる物理的特性を
有する被処理金属粉末で充たすようになっている。

米国特許筒４．３２９．１７５号中に言及されている被
処理金属粉末は標準的な金属粉末を一対のロール間に通
すことによって成形される。上記ロールは米国特許筒３
，９７６，４８２号（１９７６年８月２４日発行）中の
予備合金化された熱可塑性粉末と圧縮製品と題する発明
中に開示されたものと同様な方法で粉末を機械的に変形
している。羽根の一部を形成するために可塑変形した金
属粉末粒子を使用し、羽根の別の一部を成形するために
標準的もしくは非変形粉末を使用することによって金属
粉末が高温平衡加圧操作に付されるときに異なる粒子成
長特性が得られる。

金属粉末を上記米国特許筒３，９７６，４８２号により
教示のものと同様の方法で一対のロール間に通すことに
よって変形しようとする場合、粉末粒子はまづ異なる大
きさに分離された後錬りロール機内の適当な大きさの隙
間内を通過する。このため、金属粉末粒子は可塑変形も
しくは歪みにより付勢される。然しなから、このプロセ
スと共にそれより小さな粒子が錬りロール機の隙間内を
通過し冷間加工されないという可能性がある。冷間加工
されない粒子はその後比較的微粒子形にまで再結晶する
ことはないであろう。冷間加工されながつた粉末粒子か
ら生ずるより粗い微細組織領域は疲労割れが開始される
部位を提供することになる。

（課題を解決するための手段、作用） 本発明は金属粉末からエアフォイルの如き金属製品を成
形する方法に関する。金属製品が中空であるか内部に凹
所を含んでいる場合、金属粉末を格納する容器はまづそ
の中子を金属製品の形の関数である形を有する原型材料
の本体で被うことによって形成される。原型と中子上を
金属層で付着する。その後原型材料を金属層内から除去
してその内部に中子を有する容器を残す。もし金属製品
が内部凹所を有しない場合には、中子は省略されること
になろう。

容器は少なくとも一部中子を包囲する金属粉末で充填す
る。金属粉末は容器を比較的低温で比較的高圧の流体に
さらすことによって冷間圧縮される。容器に対する流体
圧力は金属粉末の粒子を互いに加圧しまた中子に対して
加圧することによって金属粒子の全てを可塑変形するか
冷間加工する。

冷間圧縮中には金属粒子どうしの間には全く重要な結合
作用は存在しない。

金属粉末の粒子が冷間圧縮され終った後、それらは熱間
圧縮され粒子どうしを結合させる。この結果、中子を少
なくとも一部包囲する一体の本体が形成される。金属粉
末の可塑変形粒子は微粒子形で再結晶する。再結晶した
金属粉末の微粒子の大きさは製品の疲労強度を太き（す
る。熱間圧縮プロセスが完了後、中子は一体形の本体か
ら除去される。

金属製品内に形成された凹所が製品の一端もしくは両端
に開口を有する場合には、中子の一端もしくは両端が容
器により把持されることによって中子は容器内の所定位
置に保持されることになる。

そのため、もしその凹所が製品の一端に開口を有するな
らば、中子の一端は原型材料の一端から突出すことにな
る。容器を形成するために原型材料上に付着される金属
層もまた中子の露出された端部上に付着させられる。こ
のため中子は金属層により把持され中子と金属層を各々
に対する運動に対して保持する結果となる。

一定製品の場合、中子を容器と共に把持することによる
以外の方法で支持することが望ましい場合が考えられる
。このことはピン要素を原型材料内を延ばすことによっ
て行うことができる。各ピン要素の外側端部は原型材料
から突出し、各ピン要素の内側端部は中子と係合する。

金属層が原型材料上に付着すると、同金属は各ピン要素
の突出した外側端部附近に付着してピン要素を金属層内
に係止する。ピン要素は次いで容器を金属粉末で充填す
る間に中子を位置決めすることになろう。

（発明の目的） 従って、本発明の目的は金、属製品を成形する新規かつ
改良された方法で、金属粉末容器が冷間圧縮されそれら
を互いと中子とに対して加圧することによって金属粉末
の粒子な可塑的に変形し、次いで金属粉末が熱間圧縮さ
れ金属粉末粒子どうしを共に結合させ一体形の本体を形
成するものを提供することである。

本発明のもう一つの目的は金属粉末からエアフォイルを
成形する新規かつ改良された方法で、容器が金属粉末に
より充たされ密封され冷間圧縮プロセスに付され金属粉
末粒子な可塑的に変形した後、熱間圧縮プロセスに付さ
れることによって金属粉末の粒子どうしを共に結合して
一体形の本体を形成するものを提供することである。

本発明のもう一つの目的は金属粉末から製品を成形する
新規かつ改良された方法で、ピン要素が中子を包囲する
原型材料の本体内を延び金属層が原型材料の本体上に付
着されピン要素を所定位置に固定して原型材料が金属層
内から除去され終った後に、それらが中子を位置決めで
きるようにするものを提供することである。

本発明の上記ならびにその他の目的ならびに特徴は添附
図面と相撲って以下の叙述を考慮することにより一層明
らかとなろう。

（実施例、発明の効果） 第１図には金属粉末により作った金属製品２０１個が略
示されている。金属製品２０は中空で金属製品の一面、
即ち下面２４内へ開いた内側凹所２２を備えている。第
１図では金属製品２０は立方体形の内側凹所２２を有す
る立方体形を有するように描かれているが、金属製品は
製品の使用目的に応じて外側面と多（の異なる形を有す
る内側凹所２２をもつことができよう。

製品２０はチタン合金により形成される。金属製品２０
は多（の異なるチタン合金で形成することができるが金
属製品は７’　ｉ　−６Ａ：Ｌ−４Ｖ合金で成形される
。金属製品２０はチタン合金で形成することが望ましい
が、金属製品はコバルトもしくはニッケル合金の如きそ
の他の合金で形成することもできる。

金属製品２０は比較的微粒子形を有する。微粒子の大き
さであることによって疲労強度が太き（なる。金属製品
２０の疲労強度はその微粒子の大きさにより大きくなる
が、引張り強さもしくは降伏強さの損失は存在しない。

微粒子組織は製品２０全体を延びることによって疲労亀
裂の開始部位となる粗い微構造領域がな（なる。

金属製品２０は金属粉末により作る。同製品を作るため
に原型組成体３０（第２図）を形成する。

原型組成体３０は原型材料の本体３４により部分的に包
囲された剛性中子３２を備える。金属層３６（第３図）
は中子３２の露出された端部３８と原型材料の本体３４
とにわたり電気メツキする。

金属層３６は電気メツキにより中子３２と原型材料の本
体３４とにわたって付着させろことが望ブしいが、必要
に応じて他の公知の金属層３６付着法を使用することも
できよう。原型材料の本体３４はその後金属層３６内か
ら除去され中子３２が付着された容器４２（第４図）を
残す。

空の容器４２は開口４６を通して金属粉末４４（第４図
）で満たされる。開口４６はその後プラグもしくは閉鎖
部材４８（第５図）により密封される。粉末金属４４は
密封された容器４２を比較的低温で比較的高圧の流体に
さらすことによって冷間圧縮プロセスに付される。容器
４２の外側面全体の周囲に流体圧により与えられる等し
い諸刃は第５図の矢印５０により示されている。

比較的可撓性の容器４２は流体圧５０により径方向内側
方向に圧縮される。このため球形の金属粉末粒子５４は
互いに加圧され金属粉末粒子を第６図に略示した形で可
塑変形する。更に、金属粉末粒子５４は中子３２（第７
図〕に対して加圧されることによって可塑的に変形され
る。この結果、密封容器４２内の球形の金属粉末粒子５
４は全て冷間加工されることになる。

容器４２内の金属粉末４４が第５図に略示する形で全て
冷間圧縮された後、金属粉末は第８図に略示した形に熱
間圧縮される。第５図に示す形で金属粉末４４を冷間圧
縮する間、金属粉末４４の粒子５４（第６図）どうしの
間には何ら重要な結合作用は見られない。然しなから、
熱間圧縮中、金属粉末の粒子５４は共に結合して製品２
０の形に相当する形を有する一体形の本体５８を形成す
る。

金属粉末４４（第８図）を熱間圧縮する間、密封容器４
２の外側面全体は再び第８図に矢印６２　　　゛で略示
した流体圧力と、第８図の矢印６６で略示した熱にさら
される。熱と圧力の影響の結果、金属粉末粒子は共に結
合しあって一体の本体５８を形成する。金属粉末４４が
熱間圧縮されて一体形の本体５８を形成し終った後、容
器４２の金属層は除去されて中子３２が除去されて第１
図の製品２０を形成する。もし製品２０が凹所２２を有
するかわりに中実形であれば、中子３２は省略すること
ができよう。

粉末金属４４を熱間圧縮する間、粉末金属粒子５４は共
に拡散結合してすこぶる微粒子の形で再結晶する。この
微粒子のサイズは冷間圧縮中に粉末金属の粒子５４の歪
みを付勢したり冷間加工することによって発生するもの
である。容器４２は比較的柔く延性であるため、冷間圧
縮中に内側方向にたわむことによって金属粉末粒子５４
の全ては冷間圧縮プロセス中に可塑変形することになる
。

それゆえ、粉末金属粒子５４は全て熱間圧縮中に再結晶
して製品２０全体に均一な微粒子を形成する。

もし汚染物質、即ち異物粒子が容器４２内に進入すると
製品２００強度は損われることになろう。

それ故、容器４２はそれが金属粉末４４で満たされた後
に密封する。容器４２は熱間圧縮プロセスが完了するま
で密封状態に維持される。それ故、汚染物質は金属を冷
間、熱間圧縮する間密封容器内には進入することはでき
ない。

亘ｊヱＬＬ並 原型組成体３０（第２図）は容器４２（第４図）を成形
する際に使用される。原型組成体３０は中子３２を備え
るが、同中子３２は外側方向に突出す端部３８は除き原
型材料の本体３４により包囲される。剛性中子３２の内
側部分７０、すなわち、原型材料３４により包囲された
中子の部分は製品２０内の凹所２２（第１図）の形に相
当する形を有する。凹所２２は矩形をしているため、中
子３２の内側部分７０もまた矩形状をしている。剛性中
子３２は１２％未満のクロミウムを含有する低炭素鋼に
より成形される。

原型材料の本体３４（第２図）は製品２０の形に相当す
る形を有する。製品２０は矩形立方体状に成形されるた
め、原型材料の本体３４もまた矩形立方体状に成形され
る。然しなから、原型材料の本体３４は容器４２内に粉
末金属を注ぎ込む入口４６（第４図）を形成しやすくす
る突起７２を有する。公知の原型材料で多くの異なるタ
イプのものを使用することができるが、原型材料の本体
３４はワックス、即ち天然ワックスか合成ワックスの何
れかにより成形することが有利である。突起７２は例外
として原型材料のワックス本体３４の外側面は製品２０
の外側面の形と相当する形を有する。

原型組成体３０（第２図）を成形する場合には、スチー
ル製の中子３２を正確に成形したマスターダイ内に取付
ける。マスターダイの表面は中子の端部３８を把持する
一方、中子の部分７０はダイのキャビティ内へ延びる。

ダイのキャピテイは製品２０と原型材料の本体３４に相
当する形を有する。然しなから、マスターダイキャビテ
ィの大きさは原型材料の収縮を補償するために原型材料
の本体３４よりも若干大きくなっている。

高温ワックスもしくはプラスチックが中子３２の内側端
部７０附近のダイキャピテイ内へ注入される。いったん
高温ワックスもしくはプラスチック原型材料がマスター
ダイキャビティ内で凝固し終ると、ダイが開き、原型材
料の本体３４と中子３２はマスターダイから除去される
。原型組成体３０が成形される方法は中子を格納する原
型が投入鋳造プロセスで使用するために成形される場合
の方法と同様である。

原型材料３４０本体の外側面はその後連続した銀層を原
型材料の本体３４０表面領域上にスプレーすることによ
って導電性にされる。然しなから、銀層はこの表面が不
導電性となるように突起７２０円形端面７４（第２図）
より除去される。原型材料は銀によりスプレーすること
が望ましいが、グラファイトもしくはその他の任意の導
電材料を原型材料上にスプレーすることができよう。ま
た、原型材料の本体３４の外側面を無電界ニッケルもし
くはニッケルーコバルトのコーチングを塗布したり他の
任意の金属を蒸着することによって導電性とすることが
考えられる。

原型材料の本体３４の外側面と金属中子３２の露出端部
３８上には連続した薄い金属層３６（第３図）を付着さ
せる。突起７２の端面７４は導電性とされなかったため
、連続する金属層３６が端面７４上には延びることはな
い。然しなから、金蝿層３６は原型材料の本体３４の他
の全ての露出面と中子３２の全露出面上に延びる。この
結果、中子３２は金属層３６により包囲されることにな
る。必要とあらば、金属層３６を突起７２の端面７４上
に延ばした後、除去して開口を形成することができよう
。

他の方法を使用することもできるが、原型組成体をニッ
ケル層で電気メツキすることによって金属層３６を原型
組成体３０上に付着させることが望ましい。電気メツキ
の費用を最少限にするためにニッケル層３６は合理的に
可能な限り薄くすべきであろう。然しなから、金属層３
６は容器４２を粉末金属で充填する間に自立して粉末金
属４４を冷間、熱間圧縮する間に容器４２がさらされる
比較的高い流体圧に耐えることができる程厚（すべきで
ある。更に、金属層３６はそれが中子３２の露出端部３
８を把持して金属層と中子を互いに対する運動に対して
保持することができる程の厚さを有すべきである。金属
層３６の厚さは０．０１０〜０６０８０インチの範囲と
することができる。−例では、層３６は０．０５０イン
チ厚のニッケルにより形成された。

原型組成体３０がニッケルその他の金属層３６により電
気メツキされた後、原型材料の本体３４を金属層内から
除去する必要がある。このことを行うために、原型組成
体３４と金属層３６は原型材料の本体３４を形成するワ
ックスの融点を上廻り金属層３６の融点を下廻る温度に
加熱する。その後溶融したワックスは突起７２により形
成された開口４６から流出する。勿論、もし金属層３６
が突起７２の表面７４を横切って延びているならば、金
属層は表面７４から切断して溶融ワックスが流れる開口
を提供するようにしなければならないであろう。

金属層３６内側から溶融ワックスが導通する作用は金属
層３６の反対端に開口を形成することによって促進する
ことができよう。かくして、２つの突起、即ち、第２図
の突起７２に相当する突起と、中子３２の露出した外側
端部３８に隣接した原型材料の本体３４の下側上の第２
の突起が存在することが可能となろう。２つの開口のう
ちの一つは金属粉末により容器４２（第４図）を充填す
る前に密封することによって下部開口からの粉末の損失
を防止することができよう。

金属層３６の内部に残存するワックスは高温の溶剤によ
り清掃する。金属層３６内に溶剤を導通させるには金属
層内に２つの開口が形成されていれば容易になる。もし
原型材料の本体３４が銀により導電性になると、銀は高
温の硝酸液の如き適当な試薬によって除去される。然し
なから、もし原型材料の本体３４がグラファイトにより
導電性とされるばあいには、チタン粉末を熱間圧縮する
間にチタン粉末４４内にニッケルが拡散する作用を阻止
するからグラファイトを除去するには及ばない。

原型材料の本体３４が層３６の内側から除去されると容
器４２（第４図）が形成される。中子３２の上端部７０
は容器４２の内部へ突出し容器の側壁から隔たる。然し
ながら、中子３２の下部端部３８（第４図で見た時）は
容器４２により確実に把持される。中子の端部３８と容
器４２間の相互接続によってそれらは互いに対する運動
に対して保持される。それ故、中子３２は凹所２２（第
１図）が製品２０の内部内・＼延びるのと同じ形で容器
４２の開いた内側内へ延びることになる。

金属粉末の冷間圧縮 金属粉末４４を冷間圧縮するために容器４２は粉末（第
４図）で満たされる。容器４２が粉末４４により満たさ
れる前に容器は脱気される。その後容器４２は真空環墳
内で充填される。このため粉末４４は容器充填中に容器
がらガスが逆流せずに開口４６を通って容器４２内へ自
由に注入することが可能になる。金属粉末４４は中子３
２の内側部分７０を包囲して容器４２を完全に充填する
。

一例では、金属粉末４４は球形粒子を有するＴｉ−６Ａ
ｌ−４Ｖであった。チタン合金粉末の球形粒子は米国特
許第３，０９９，０４１号（１９６３年７月３０日発行
）で「粉末製造法ならびに装置ｊと題するものに開示さ
れたものと類似する回転電極プロセスにより形成される
。球形粒子は５０〜５００ミクロンの大きさを有するこ
とができる。

勿論、必要とあらば、それと異なる粒子サイズと形の他
の金属粉末を使用することもできよう。

金属粉末４４（第４図）の粒子５４（第６図）の形が球
形であるため、容器内には比較的高密度の金属粉末が存
在することになる。そのため、６０〜６５％の嵩密度が
存在することになろう。

この比較的高い嵩密度のため製品２０を正確に形成する
ことが容易になる。

容器４２が金属粉末４４（第４図）を完全に充填され終
った後、容器はエンドキャップもしくはクロージヤー４
８（第５図）で直ちに密封される。

密封され充填された容器４２内の金属粉末４４は冷間圧
縮されて粒子間に重要な結合が生ずることなく金属粉末
の粒子５４を可塑的に変形することになる。このことは
容器４２を冷間アイツタチックプレス工程に付すことに
よって行われる。

密封充填容器４２は冷間アイツタチックプレス内で水中
に浸される。容器４２の外側に対して水により加えられ
た流体圧力は第５図の矢印５ｏにより示す形で太き（な
る。容器４２に対して加えられる静水圧は容器４２と粉
末金属粒子（第６図、第７図）を変形させるに十分であ
る。

金属粉末４４を冷間圧縮するために容器４２に加えられ
る流体圧５０（第５図）は平方インチあたり１０，００
０〜ｓ　ｏ、ｏ　ｏ　ｏボンドの範囲である。

容器４２に対する静水圧の付与は比較的低温の下で、即
ち２５０下未満、普通的７５°Ｆの温度で行われる。ご
（短時間の間だけ最大流体圧を維持することができる。

−例ではチタン合金粉末４４はほぼ７５下の温度で平方
インチあたり６０，０００ボンドまで増大する流体圧の
下で冷間圧縮された。

−たん平方インチあたり６０，０００ポンドの最大圧に
達すると流体圧を解除した。

第５図に矢印５０で略示した容器４２の外側にかかる水
圧は球形の金属粉末粒子５４（第６図）どうしを互℃・
に加圧する。水圧力は第６図に略示した形で球形の金属
粉末粒子５４を可塑変形するに十分である。更に、球形
金属粒子５４を中子３２の外側面（第７図）に対して加
圧した。金属粉末粒子５４を中子３２の表面８０に対し
て加圧する力は第７図じ略示する形で金属粒子な可塑変
形するに十分である。球形金属粒子５４ど５しを互いと
中子３２に対して加圧することによって球形金属粒子５
４を冷間加工もしくは歪み付勢することは粒子間に十分
な結合作用なしに行われる。

かくして金属粉末粒子５４は互いに結合せず、金属粉末
の冷間圧縮中に中子３２に接着することがない。

容器４２全体は流体圧力５０にさらされるために、容器
４２の比較的延性の金属は内側方向に屈曲して流体圧力
５０を金属粉末粒子５４に伝達する。この結果、金属粉
末粒子５４は全て流体圧力により可塑変形することにな
る。金属粉末粒子５４がそれぞれ冷間加工もしくは歪み
付勢されるため、金属粉末４４の熱間圧縮中に金属製品
２０全体にわたって均一な再結晶作用が生ずる。

金属粉末４４が冷間圧縮され終った後、金属粉末を熱間
圧縮して中子３２附近に延びる一体の本体５８（第８図
）内に粉末金属粒子５４どうじを共に結合する。金属粉
末粒子５４を熱間圧縮する間、比較的微粒子組織をもっ
た冷間加工した金属粉末粒子が再結晶する。この微粒子
組織のため製品の引張り強さと降伏強さに影響を及ぼさ
ずに製品２０の疲労強さが太き（なる。

金属粉末４４を熱間圧縮するため、冷間加工もしくは歪
み付勢された金属粉末の密封容器はオートクレーブ内の
熱間平衡加圧操作にさらされる。

かくして、金属粉末の密封容器４２は高温ガスオートク
レーブ内に配置され、第８図の矢印６６で略示した熱は
容器４２を経て金属粉末４４と中子３２へ伝達される。

金属粉末４４は金属粉末の粒子５４の拡散結合を促進す
るに十分の温度に加熱される。

金属粉末４４の加熱と同時に容器４２の外部は比較的高
圧のアルゴンの如き不活性ガスにさらされる。容器４２
に対する流体圧のため容器は内側方向に屈曲して力が金
属粉末粒子５４に伝達される。流体圧と熱６６により加
えられた力は金属粉末粒子どうしが共に結合するに十分
な時間維持され剛性の金属中子３２のまわりを延びる一
体の本体を形成する。

熱間平衡プレス操作中に金属粉末４４が加熱される特定
の温度は金属粉末、圧力の大きさ、圧力が維持される時
間に応じて変化することになろう。

然しなから、流体圧を１時間半ないし３時間平方インチ
あたり１５，０００〜４５，０００ボンドの範囲に流体
圧を維持しながらチタン合金粉末を１．２００〜１，８
５０下の温度範囲に加熱することが望ましい。この時間
熱と流体圧を加えるだけで金属粉末粒子５４どうじを共
に結合させて一体の本体５８を中子３２のまわりに形成
させるのに十分である。先に冷間圧縮により可塑変形し
た金属粒子５４は微粒子を共に再結晶する。

金属粉末４４が中子３２の周囲に熱間圧縮され終った後
に、金属容器４２を本体５８の外側と中子３２の露出端
部３８から取外す。これは容器４２を高温の硝酸液にさ
らすことによって行われる。更に、中子３２を高温の硝
償液にさらすことによって本体５８の内側から取外す。

中子３２は１２％未満のクロム含有量を有する低炭素鋼
により形成されるため、中子は高温の硝酸液により溶解
する。この結果、金属製品２０内の凹所２２の形に相当
する形をした凹所が形成される。一体の本体５８は容器
４２に対する開口４６が形成されたところに突起を有す
ることになろう。この突起を除去して一体の本体５８に
金属製品２０の形に相当する形を附与する。

先ず金属粉末を冷間圧縮Ｉ、た後同金属粉末を先に説明
した形で熱間圧縮することによって製品２０を形成する
場合、製品は比較的高い疲労強さを有することになろう
。この高い疲労強さは金属粉末を熱間圧縮する前に金属
粉末を冷間圧縮することにより発生する微粒子によるも
のと考えられる。冷間圧縮の効果を判断するために２群
のサンプル製品を作った。第１群の製品は冷間圧縮され
なかった粉末より作った。第２群の製品は冷間圧縮され
た粉末より作った。

第１群の３個のサンプル製品はマイナス３５メツシユ（
５００マイクロメ一タ未満）のチタン合金粉末（Ｔｉ　
−６Ａｔ−４Ｖ　）より作った。３個の粉末容器を１．
．５００下と平方インチあたり１５，０００ポンドの圧
力の下、熱間平衡プレス操作に２時間性した。その後３
個のサンプルを２４時間。

１．３００下の温度で焼なましした。上記３個のサンプ
ルは熱間圧縮前には冷間圧縮しなかった。試験直後、３
個のす／プルの疲労破損は４１，９００サイクル、６０
，０４０サイクル、および７０，１００サイクルで発生
した。

第２群の３個のサンプル製品はマイナス３５メツシユ（
５００マイクロメ一タ未満）のチタン合金粉末（Ｔｉ−
６Ａｔ−４Ｖ）より作った。３個の粉末容器は冷間平衡
プレス内でほぼ７５下と平方インチあたり６０，０００
ポンドの圧力の下で冷間圧縮した。これら３個のサンプ
ルをその後２時間の間１．５００下と平方インチあたり
１５，０００ポンドの圧力の下で熱間平衡プレス操作に
付した。その後、３個のサンプルを２４時間１，３００
下で焼きなましした。試験後、これらのサンプルは１７
６、４４０サイクル、２１３，９６０サイクル、および
２１５，３８０サイクルで破損した。

第１群と第２群のサンプル間の唯一の実質的な差異は第
２群のサンプルが熱間圧縮前に冷間圧縮された点である
。冷間圧縮の結果、サンプルの疲労寿命には相当の向上
がみられた。第２群のサンプルは第２群のサンプルより
もはるかに大きな疲労寿命を有したが、それらはほぼ同
じ引張強さと降伏強さを有していた。かくして、第１群
に相当するサンプルは平方インチあだ、９１４７．５０
０ボンドの引張り強さと平方インチあたり１４４，００
０ポンドの降伏強さを有していた。第２群に相当するサ
ンプルは平方インチあたり１４７．０００ポンドの引張
り強さと平方インチあたり１４４，５００ポンドの降伏
強さを有していた。

エアフォイル−第１例 第９図と第１０図には金属のエアフォイル（ａｉｒｆｏ
ｉｌ）　９０が略示されている。金属エアフォイル９０
は粉末金属製で内側に凹所９２（第９図）を有している
。金属エアフォイル９０はタービン機関用の羽根である
。エアフォイル９０はチタン合金、殊にテタｙＴｉ−６
Ａｔ−４Ｖより作られる。エアフォイル９０はその疲労
強さを向上させるためにすこぶる微細の粒子を有する。

エアフォイルは先端部分９４と板端部分９６を有する。

凹所９２は先端部分９４から板端部分９６を経て延び、
エアフォイルの板端部分でのみ開放する。エアフォイル
９０はその長手方向中心軸の周囲に比較的厳しいねじり
部分を有する。そのため、前縁部９８はほとんど８０°
の角度間隔により先端部分１０４から角度的に偏位した
板端部分１０２を有する。同様にして、エアフォイル９
０の後縁１０８はほとんど８０°の角度間隔だけ先端部
分１１２から偏位した板端部分１１０を有する。

エアフォイル９０の形と必璧な物理的性質を有するエア
フォイルを鋳造法や鍛造法により作ることは不可能では
ないにしてもすこぶる困難であろう。然しなから、金属
エアフォイル９０は金属粉末を冷間圧縮して金属粉末を
可塑変形した後金属粒子を熱間圧縮してそれらを共に製
品２０と第１−８図に関して先に述べた形で結合させる
ことによって作る。

エアフォイル９０は内側に凹所９２を有している。それ
故、エアフォイル９０内の凹所９２の形に相当する形を
した剛性の金属中子１１６（第１１図）が提供された。

凹所９２とスチール中子１１６はエアフォイル９０の前
Ｒ９８と後縁１０８と同じねじれた形をしている。ワッ
クス原型材料の本体１１８（第１１図）は中子１１６を
包囲する。

中子１１６の端部１２０は中子３２の端部３８（第２図
）が原型材料の本体３４かも突出すのとほぼ同一の形で
原型材料の本体１１８から突出１゜ている。もし凹所９
２がエアフォイル９０から省略すれば、中子１１６は不
要であろう。

金属層１２２は原型材料の本体１１８と中子１１６の露
出端部１２０上に付着させる。金属層１２２はニッケル
により形成し電気メツキ製法により付着させる。円形の
開口１２４は別として、薄い連続する金橋層１２２は甲
子１１６と原型材料の本体１１８を完全釦包囲する。

原型材料１１８０本体をその後溶かして金属の層１２２
内側から通し容器を形成する。容器は次いで脱気され金
属粉末を充填する。充填した容器は直ちに密封する。金
属粉末は容器を完全に充填し中子１１６を包囲する。金
属粉末はチタン合金で第１−８図に示した本発明の実施
例に関して先に説明した形で球形の金属粒子を有してい
る。

充填密封容器内の金属粉末はその後冷間圧縮して第５−
７図に略示した形で金属粉末の粒子を変形する。冷間圧
縮後、容器内の金属粉末は第８図に略示する形で熱間圧
縮して一体形の本体を形成する。金属容器は一体形の本
体の外側から除去して中子を一体形の本体の内側から取
外す。この結果、金属エアフォイルの疲労強さを著しく
増大させる微粒子組織をもった金属エアフォイル９０（
第９．１０図）が形成される。

第９−１１図に関して説明した本発明の実施例では、中
子１１６の部分１２０を原型材料の本体１１８と中子上
に電気メツキした金属層１２２によって把持する。この
結果、エアフォイルの板端部分９６で完全に開放した凹
所９２を有するエアフォイル９０が得られる。然しなか
ら、エアフォイルの機端と（もしくは）先端部分に比較
的小さな開口だけを有する凹所をもったエアフォイル９
０に類似したエアフォイルを形成することが望ましいこ
とが考えられる。このことを行うために、中子１２０と
金属層１２２は第１１図に示した形で金属層により中子
を把持する以外のやり方で互（・に対して位置決めしな
ければならない。

第１２−１４図に示した本発明の実施例の特徴によれば
、剛性の金属中子工３０（第１２図）は中子１３０から
外側方向に突出した複数のピン要素１３２により金属層
（第１３図）と容器（第１４図）に対して位置決めする
。ピン要素１３２の内側端部１３４（第１２図）はスチ
ール中子１３０に固定接続される。このことは金属ピン
要素１３２の内側端部が挿入される凹所な中子内に形成
することによって行われる。然しなから、金属ピン要素
１３２は溶接するか必要とあらば中子１３０へ固定する
ことができよう。

剛性スチール中子１３０はワックスの原型材料の本体１
３８により包囲される。原型材料の本体１３８はエアフ
ォイルの所望形状に相当する形をしている。ピン要素１
３２は原型材料の本体１３８の外側方向に突出す外側端
部１４８を有する。中子１３０はエアフォイル内の所望
凹所の形に相当する形をしている。中子１３０は原型材
料の本体１３８の外側表面（第１３図）と整合した端面
を有する一対の突起１４２．１４４を有する。

原型材料の本体１３８により中子１３０を包囲するため
に中子１３０はマスターダイ内に配置する。ピン要素１
３２の外側端部１４８はダイ内に形成した凹所内に延び
る。中子はワックス原型材料の本体１３８の形に相当す
る形をしたダイキャビティの中心部分内にピン要素１３
２により支持される。突起１′４２．１４４の端面は別
として、中子１３０の表面はダイキャビティの表面から
隔てられる。

一旦中子がダイキャビティ内に位置決めされダイが閉じ
ると、高温のワックスもしくはプラスチックがダイキャ
ビティ内に射出される。高温ワックスは中子１３０とピ
ン要素１３２の周囲で固化する。中子１３０はダイキャ
ビティの表面から隔たっているため、ワックス原型材料
は突起１４２．１４４の端面ば別として中子全体を包囲
する。ピン要素１３２の外側端部１４８はマスターダイ
の区画により包囲されるため、ピン要素の外側端部は原
型材料の本体１３０かも外側方向に突出する（第１３図
）。

甲子１３０と原型材料の本体１３８はマスターダイから
増外される。ワックス原型材料の本体１３８はその後鍋
もしくはグラファイトの如き導電性材料のコーチングに
より被覆される。その後、金属層１５２（第１３図）は
原型材料の本体と中子１３０上に電気メツキされる。電
気メツキ技術を用いて金属層１５２を原型材料の本体１
３８と中子１３０上に付着させることが望ましいが、必
要とろらば金属層１５２を付着させるために他の方法も
使用することができよう。

金属層１５２は金属ピン要素１３２の露出端部１４８上
に延び、ピン要素の露出端部を把持する。

この結果、ピン要素１３２の外９１１１端部１４８は金
属層１５２内に確実に固定される。ピン要素１３２の内
側端部１３４は中子１３０に接続されるため、ピン要素
は中子と金属層を確実に相互接続しそれらを互いに対す
る運動に対して保持する。

その後、原型材料１３８を金属の層１５２の一端の開口
１５４を介して溶融除去し、中子１３０がピン要素１３
２により支持される容器１５８（第１４図）を形成する
。かくして、金属ピン要素１３２は中子１３０と容器１
５８間のスペースを通って延び中子と容器を相互接続し
てそれらを相対運動に対して保持する。中子１３０上の
突起１４２．１４４は容器１５８と衝合するが、中子は
主としてピン要素１３２により支持される。突起１４２
．１４４は中子を取外しやすくするための手段を与える
ためのものである。

その後、容器１５８は金属粉末１６２（第１４図）を充
填される。金属粉末１６２は中子１３０と容器１５８間
のスペースを光たす球形粒子を有する。金属粉末１６２
はピン要素１３２と中子１３０を包囲する。ピン要素１
３２は金属粉末１６２の主要成分のうちの少なくとも一
つと同じ材質より形成することが有利である。そのため
金属粉末１６２はチタン合金（Ｔｉ　−６ＡＬ−４Ｖ　
）でピン要素１３２は同じチタン合金により形成される
。

容器１５８は真空環境内で金属粉末１６２により充たさ
れる。容器１５８が充填されるや否や、容器は密封され
る。その後金属粉末１６２は容器１５８を冷間平衡プレ
ス操作に付すことによって冷間圧縮される。

冷間平衡プレス操作中、第５図の力５０に相当する水圧
は比較的低温、即ち２５０７未満の温度、普通約７５下
で密封容器１５８の表面全体にわたって加えられる。第
５図で矢印５０で示す水圧のため、金属粉末１６２の球
形粒子は可塑変形もしくは冷間加工される。金属粉末１
６２の粒子は粉末粒子５４について第６図に略示した形
で互いに対して加圧されることによって可塑変形される
。

同様に、粉末粒子も粉末粒子５４につき第７図に示した
形で中子１３０に対して加圧されることによって可塑変
形ないし冷間加工される。冷間加工中、金属粉末１６２
０粒子どうしの間には何ら重要な結合作用は存在しない
。

金属粉末１６２が冷間圧縮され球形金属粉末粒子が冷間
加工により可塑変形された後、金属粉末は熱間圧縮され
る。熱間圧縮は金属粉末１６２の粒子を共に結合し中子
１３０を包囲する一体形の本体を形成する。冷間加工し
た金属粉末の密封容器１５８は熱間平衡プレス操作に付
されることによって熱間圧縮される。

熱間平衡プレス操作はオートクレーブ内で１．２００Ｔ
〜１，８５０下間の温度と平方インチあたり１５，００
０〜４５，０００ポンドの圧力の下に１時間半ないし３
時間の間行われる。その熱と圧力の結果、金属粒子は共
に結合して中子を包囲する一体形の本体が形成される。

金属粉末粒子と共に結合する間、ピン要素１３２の材料
は金属粉末材料と拡散結合される。ピン要素１３２は粉
末１６２、もしくは金属粉末の主要成分の少なくとも一
つと同じ材質より形成されるため、ピン要素１３２の材
料はその結果得られる材料の一体形本体の性質に悪影響
を及ぼさずに熱間圧縮中に金属粉末と拡散結合すること
ができる。

金属粉末１６２を熱間圧縮した後、容器１５８はその結
果得られる一体形の金属本体の外側から取外される。更
に、中子１３０は金属粉末１６２の粒子どうしの結合作
用によって形成された金属本体内側から除去される。こ
のことは高温の硝酸液により行うことができる。中子１
３０上の突起１４２．１４４は中子に接近する手段を提
供する。

第１２−１４図に示した本発明の実施例の場合、ピン要
素１３２は原型材料の本体１３８が中子を包囲する以前
に中子１３０に接続される。然しなから、原型材料１３
８０本体を中子１３０の周囲に射出成形した後、ピン要
素１３２が原型材料の本体を経て延びて中子と係合する
ようにすることが考えられる。もしこのことが行われた
ならば、ピン要素１３２の内側端部１３４は中子内に形
成された凹所もしくは開口内に受取られるかわりに中子
１３００表面と衝合することになろう。ワックス原型材
料の本体１３８を経てピン要素を挿入することはピン要
素を加熱後それらをワックス原型材料の本体１３８を貫
いて加圧することによって容易にすることができる。

第１２−１４図にはピン要素１３２はエアフォイルの前
後縁部に相当する領域内に延びるように描かれている。

然しなから、ピン要素を中子１３００大ぎな側面からエ
アフォイルの大きな側面に相当する位置へ外側方向へ延
びるようにすることが考えられる。ピン要素１３２が原
型材料内を延びる位置と方法にかかわらず、ピン要素の
内側端１３４は中子１３０と係合することになろう。ピ
ン要素の外側端部１４８はそれらを金属層１５２内に固
定できるように原型材料の本体１３８から突出している
。

エアフォイル□第３例 第９−１１図に示したエアフォイルの実施例では内側の
凹所９２はエアフォイルの板端部分９６でのみ開いてい
る。第１２−１４図に示したエアフォイルの実施例では
、エアフォイル内の内側凹所は中子突起１４２．１４４
が取外されるところに２つの小さな開口を有している。

然しなから、エアフォイルはエアフォイル内を児全に延
びる、即ち、エアフォイルの板端部分と先端部分間に内
側凹所を形成することができよう。そのため第１５．１
６図に示したエアフォイルの例では凹所はエアフォイル
の対向しあう長手方向端面どうじの間を延びている。

剛性の低炭素鋼中子１６８（第１５図）は原型材料の本
体１７０の対向しあう端部内を延びそこから突出してい
る。たとえワックス原型材料の本体１７０が第１５図に
全体として矩形をしたものとして非常に略示されていて
も、ワックス原型材料の本体１７０はエアフォイルの形
に相当する形を有するものと解すべきである。また中子
１６８は第１５図には非常に略して描かれている。然し
ながら、中子１６８はエアフォイル内に形成される凹所
の形に相当する形をしている。中子１６８はエアフォイ
ルの所望の長さを超えて延びる突出した端部１７４，１
７６を有している。

金属層１８０（第１６図）は電気メツキされるか第１５
図の原型組成体上に付着させる。金属層１８０は原型材
料の本体１７０と中子１６８の突出した端部１７４．１
７６上に延びる。この結果、中子１６８は金属層１８０
によシその対向しろう端部で把持される。

ワックス原型材料１７０は金属層１８０内から取外され
て中子１６８が延びる内側キャビティを有する容器が形
成される。この容器は金属粉末で充填し、密封し、冷間
圧縮プロセスに付した後第１−１４図に示す実施例と相
俟って先に説明した形で熱間圧縮工程に付される。熱間
圧縮工程が完了後、容器と中子はその結果化ずる金属製
の一体形本体から取外される。

結論 上記説明に鑑みて、本発明が金属粉末から金属製品２０
を成形する新規かつ改良された方法を提供することは明
らかでるる。金属製品２ｏが中空か内側凹所を含む場合
には、金属粉末４４を格納する容器４２は容器内に中子
３２をもって形成される。同容器はまづ中子３２を金属
製品２ｏの形の関数である形をもった原型材料（第２図
）の本体３４で被覆することによって成形される。金属
層３６（第３図）は原型３４と中子３２上に付着される
。その後原型材料３４は金属層３６内から除去されて内
部に中子３２を有する容器４２（第４図）が残される。

もし金属製品２０が内側凹所２２を有しないばあいには
、中子は省略されることになろう。

容器４２は少なくとも一部中子３２を包囲する金属粉末
４４で充たされる。金属粉末４４は容器４２を比較的低
温で高圧の流体にさらすことによって冷間圧縮される。

容器４２に対する流体圧は金属粉末の粒子５４を互いに
対して（第６図）と中子３２に対して加圧して（第７図
）、金属粒子５４全てを塑性変形もしくは冷間加工する
。冷間圧縮中、金属粒子５４どうじの間には何ら重要な
結合作用は存在しない。

金属粉末粒子５４が冷間圧縮された後（第５図）、それ
らは熱間圧縮されて（第８図）′Ｈ，子５４どうじを共
に結合する。この結果、少なくとも一部中子３２を包囲
する一体の本体５８が形成される。

金属粉末の塑性変形した粒子５４は微粒子サイズをもっ
て再結晶する。再結晶した金属粉末の微粒子の大きさＫ
よって製品２０の疲労強さが向上する。熱間圧縮工程（
第８図）が完了後、中子３２は一体の本体５８から除去
される。

金属製品内に形成された凹所が製品の一端もしくは両端
から延びる時（第９及び１５図）、中子の一端もしくは
両端を容器によシ把持させることによって中子を容器内
の所定位置に保持することができる。そのため、凹所２
２は製品２０の一端２４に開口を有する。中子３２の端
３８は原型材料の本体３４の一端から突出す。また、原
型材料の本体３４上に付着して容器４２を形成する金属
層３６も中子３２の露出端部３８上に付着させられる（
第３図）。この結果、中子３２は金属層３６により把持
され中子と金属層を相互間の運動に対して保持すること
になる。

一定製品の場曾、中子を容器によりそれを把持する以外
の形で支持することが望ましいことが考えられる。この
ことはピン要素１３２（第１２−１４図）を原型材料１
３８（第１３図）内を延ばすことによって行うことがで
きる。ピン要素１３２の各々の外側端部１４８は原型材
料の本体１３８から突出す（第１３図）。各ピン要素１
３２の内側端部１３４は中子１３０と係合する。金属層
１５２が原型材料の本体１３８上に付着される場合、金
属が各ピン要素１３２の突出した外側端部１４８の周囲
に付着してピン要素を金属層内に固定する。ピン要素１
３２は次いで容器１５８を金属粉末１６２で充填する間
に中子１３０を位置決めすることになろう（第１４図）
。

【図面の簡単な説明】

第１図は金属粉末より成形され内側に凹所を有する製品
の概略図、 第２図は第１図の製品を成形する際に使用される原型組
成体を示す断面図、 第３図は第２図の原型組成体上に付着された金属層を示
す断面図、 第４図は第３図の金属層内から原型材料を取除くことに
よって形成された容器で金属粉末を充填したものを示す
断面図、 第５図は第４図の容器内の金属粉末が容器を比較的低温
かつ高圧の流体にさらすことによって冷間圧縮される方
法を描いた概略図、 第６図は金属粉末の球形粒子が冷間圧縮中に互いに対し
て塑性変形される方法を示した概略拡大図、 第７図は金属粉末の球形粒子が冷間圧縮中中子に対して
塑性変形される方法を示す概略拡大図、第８図は容器内
の金属粉末が冷間圧縮後熱間圧縮される方法を示す概略
図、 第９図は金属粉末より形成された内側に凹所を有するエ
アフォイルの構造を示す概略断面図、第１０図は第９図
のエアフォイルがその長手方向中心軸のまわりにねじら
れる方法を示す第９図の線１０−１０に沿って描いた平
面図、第１１図は第９図と第１０図のエアフォイルに相
当する原型組成体上に付着された金属層を示す断面図、 第１２図はエアフォイル内に凹所を形成するために使用
される中子で外側方向に延びる複数のピン要素を備えた
ものの平面図、 第１３図は第１２図の中子と、原型材料の本体と、上記
中子と原型材料本体上とピン要素の端部附近に付着され
た金属層との間の関係を示す平面図、 第１４図はピン要素が原型材料の本体を形成することに
よって形成された容器内に第１２．１３図の中子を位置
決めする方法を示す平面図、第１５図は両端内に開口を
有する凹所をもったエアフォイルについて中子と原型材
料の本体間の関係を示す高度に略した概略図、 第１６図は金属層が第１５図の中子と原型材料上に付層
される方法を示す概略断面図である。 ２０・・・金属製品、２２・・・凹所、３０・・・原型
組成体３４・・・本体、３２・・・中子、３６・・・金
属層、４６・・・開口、４４・・・金属粉末、５４・・
・金属粉末粒子（外４名）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、金属容器にその内部に剛性中子を付着させ、同容器
   を金属容器で充填し、上記の容器に金属粉末を充填する
   段階が少なくとも一部中子を金属粉末で包囲した後、金
   属粉末を冷間圧縮して金属粉末粒子どうしの間に重要な
   結合作用なしに金属粉末の粒子を塑性変形する段階より
   成り、金属粉末を冷間圧縮する上記段階が容器を比較的
   低温かつ比較的高圧の流体にさらし、金属粉末粒子を容
   器に対して加えられた流体圧の影響の下に互いに対して
   加圧し、金属粉末粒子を容器に対して加えられた流体圧
   の影響の下に中子に対して加圧し、互いに対してと中子
   に対して加圧される時に金属粉末粒子を変形した後、金
   属粉末を熱間圧縮して金属粉末の粒子どうしを結合して
   少なくとも一部中子を包囲する一体形の本体を形成し、
   上記一体形の本体から中子を取外して一体形の本体内に
   凹所を形成することを特徴とする粉末金属からの金属製
   品成形方法。 ２、端部と同端部から外側方向に延びる本体部分を有す
   る中子を提供し、同中子をその本体部分をダイキャビテ
   ィ内に少なくとも一部配置された形でダイに対して所定
   位置に保持し、上記中子を保持する段階が中子の端部を
   ダイで把持することを含み、中子の端部をダイで把持す
   る一方で原型材料をダイキャビティ内へ通して中子の本
   体部分を少なくとも一部包囲する原型材料の本体を形成
   し、中子と原型材料の本体をダイから取外し、金属層を
   原型材料本体と中子の少なくとも一部上に付着させ少な
   くとも一部容器を形成し、上記の金属層を付着させる段
   階が金属層をダイにより先に把持された中子の端部上に
   付着させることを含み、容器内から原型材料の本体を取
   外し金属層と中子の少なくとも一部との間にスペースを
   残し、中子の少なくとも一部と金属層の少なくとも一部
   とをダイにより先に把持された中子の端部と金属層間に
   伝達された力の影響の下に相対運動に対して保持し、容
   器を金属粉末により充填し、上記の容器を金属粉末によ
   り充填する段階が中心と金属層間のスペースを金属粉末
   により少なくとも一部充填する段階を含み、その後容器
   を密封し、金属粉末を熱間圧縮して金属粉末粒子どうし
   を共に結合し一体形の本体を形成することを特徴とする
   金属製品成形方法。