JPH04224020A - フィラメントで強化された環状物体の成形方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、一般に、金属マトリッ
クスとフィラメント状強化材とで形成された環状の構造
体に係る。さらに特定していうと、本発明は、チタンベ
―ス（母材）マトリックスを有し炭化ケイ素のフィラメ
ントで強化された環状の構造体、およびそのような構造
体を極めて厳しい制約の範囲内で真円の内部形状のもの
に成形することに係る。

【０００２】

【従来の技術】チタン合金ベ―スのホイル、シ―トおよ
び類似の製品の製造、ならびにチタンベ―ス合金中に炭
化ケイ素繊維が埋め込まれた強化構造体の製造は、米国
特許第４，７７５，５４７号、第４，７８２，８８４号
、第４，７８６，５６６号、第４，８０５，２９４号、
第４，８０５，８３３号および第４，８３８，３３７号
（本出願の譲受人に譲渡されている）に記載されている
。これらの特許の明細書は引用により本明細書中に含ま
れているものとする。これらの特許に記載されている複
合体の製造は、これらの複合体がその重量にもかかわら
ず非常に高い強度特性（比強度など）をもっているので
極めて重要な研究テ―マである。このような構造体で特
に望ましい特性のひとつは、炭化ケイ素繊維（ファイバ
―）またはフィラメントの高い引張特性によってその構
造体に付与される高い引張特性である。これらの構造体
の引張特性は混合則に関係する。この規則によれば、構
造体の引張特性などのような特性のうち、マトリックス
と対照してフィラメントによってもたらされる部分（割
合）は、その構造体中に存在するフィラメントの容積割
合（％）およびフィラメント自身の引張強さによって決
まる。同様に、同じ引張特性で、マトリックスに起因す
る割合はその構造体中に存在するマトリックスの容積割
合（％）およびマトリックス自身の引張強さによって決
まる。

【０００３】上記の特許に記載されているプロセスが開
発されるまで、そのような構造体を製造するには、強化
用のフィラメントをチタンベ―ス合金のホイル間にサン
ドイッチ状に挟み、合金と強化用フィラメントの層を交
互にたくさん積重ねたものを複合構造体が形成されるま
でプレスしていた。しかし、このような従来技術の方法
は、フィラメントがリング全体の内部強化材となるよう
なリング構造体を形成しようとすると満足のいくもので
ないことが判明した。

【０００４】前記特許に教示されている構造体およびそ
のような構造体を形成する方法は、それ以前に行なわれ
ていた圧縮によってマトリックスと強化用フィラメント
のサンドイッチを形成する方法より大きく改善されてい
る。

【０００５】その後、前記の特許に記載されているよう
にして製造される構造体はそれ以前の構造体より大きく
改良された特性をもってはいるが、これらの構造体の潜
在的には極めて大きい極限引張強さは理論的に可能な値
に達しないことが判明した。上記特許に教示されている
方法に従って形成された複合体の試験によって、通常モ
ジュラスの値は混合則の予測と良く一致するが、極限引
張強さは複合体の個々の成分の基本的性質によって予測
される値よりずっと低いのが普通であることが示されて
いる。このように予期される引張特性より低いという問
題に関する出願がたくさんなされており、その中のいく
つかは同時係属中である。これらには、１９８９年１２
月４日に出願された米国特許出願第４４５，２０３号、
１９９０年１月２日に出願された同第４５９，８９４号
、１９８９年１２月２２日に出願された同第４５５，０
４１号、および１９８９年１２月２２日に出願された同
第４５５，０４８号が包含される。これらの出願の明細
書はここで引用したことにより本明細書中に含まれてい
るものとする。

【０００６】これらの引用した特許の技術を利用するの
に特に望ましいことが判明している構造体のひとつは、
金属のマトリックスを有し、しかもリング全体の周囲を
何回も回って伸延する炭化ケイ素のフィラメント強化材
を有する環状の物品である。そのようなリング構造体は
、特に全体が金属から作成された構造体と比較してその
重量の割に極めて高い引張特性をもっている。これらの
構造体は通常直径が数フィ―トまでである。

【０００７】内側の寸法が真円であるリング構造体を製
造することは、特に、そのような物品を形成する際に使
用しなければならない非常に高い温度のために困難であ
ることが判明した。このような構造体を最終目的の用途
に最も有効に使用するためには、このような構造体はよ
り複雑な構造体の部品として使用され、この目的で強化
用リングとして機能させるために円形状の１個または複
数のエレメントに嵌められることが多いので、その内部
寸法が真円でなければならない。

【０００８】この強化されたリングは、たとえば、ジェ
ットエンジンの金属マトリックス複合体コンプレッサ―
ディスクの部品として使用することができる。ジェット
エンジンの圧縮段階のディスクを強化するためには、強
化用フィラメントのたくさんの層が必要とされる。リン
グの直径はＨＩＰの高密度化の間に収縮し得るので、リ
ング構造体にフィラメント強化材の層をさらにたくさん
つけ加え続けることは非常に困難であることが判明した
。この問題を解決するひとつの方法は、一組の同心リン
グを形成し、これを組合せて１００層以上の強化材を有
する強化されたリング構造体とすることである。このよ
うなリング構造体は１〜数フィ―トの程度の極めて大き
な直径をもっているが、それにもかかわらずたった数千
分の一程度の極めて厳しい許容度以内で互いに嵌め合わ
せなければならない。明らかに、このような構造体が真
円でない場合には、数個の同心リングを組合せて単一の
組立てリング構造体にすることが非常に困難である。

【０００９】

【発明の目的】したがって、本発明のひとつの目的は、
金属マトリックスを有し真円から外れる繊維強化リング
を真円にするための方法を提供することである。

【００１０】もうひとつの目的は、真円であるかまたは
真円に極めて近い内部寸法を有する強化されたマトリッ
クスリング構造体を形成する方法を提供することである
。

【００１１】さらに別の目的は、内部寸法が真円である
炭化ケイ素強化チタンリングを提供することである。

【００１２】その他の目的の一部は明らかであるし、一
部は以下の説明中でその都度指摘する。

【００１３】

【発明の概要】本発明の広い局面のひとつにおいて、本
発明の目的は、フィラメントで強化され、しかも真円か
ら多少外れた金属マトリックスリング構造体を提供する
ことによって達成することができる。この構造体は、こ
の強化されたリングの熱膨張係数より大きい熱膨張係数
を有する金属の真円シリンダ―の上に嵌込まれる。この
シリンダ―は、リング内部の直径より多少小さい直径を
有するように形成され、そしてシリンダ―の外部真円形
状を変えることなくリング内に嵌込まれる。このリング
とその中に嵌められたシリンダ―を加熱して、内側のシ
リンダ―の直径がリングの内側の直径と同じかまたはそ
れより高くてリングマトリックスの応力緩和温度より高
い温度にする。その温度にリングとシリンダ―を１時間
未満の程度の間保った後リングとシリンダ―を冷却する
。冷却後、シリンダ―をリングから外す。

【００１４】以下の説明は添付の図面を参照するとさら
に明瞭に理解できる。

【００１５】

【発明の詳細】低圧高周波プラズマ‐スプレ―プロセス
を使用して、チタンベ―ス合金が強化用フィラメントを
含有する複合構造体中のマトリックスとして機能する多
層のチタンベ―ス合金製リングエレメントを製造する。 これらの強化複合構造体の主要なフィラメントは炭化ケ
イ素フィラメントである。チタンベ―ス合金は、たとえ
ばＴｉ‐６Ａｌ‐４Ｖ（Ｔｉ‐６４）、Ｔｉ‐６Ａｌ‐
２Ｓｎ‐４Ｚｒ‐２Ｍｏ（Ｔｉ‐６２４２）、Ｔｉ‐１
４Ａｌ‐２１Ｎｂ（Ｔｉ１４２１）などのような通常の
チタン合金（これらの組成は重量基準である）とするこ
とができるし、あるいはアルミ化チタンであることもで
きる。そのようなアルミ化物は、たとえば、チタンを４
８原子％、アルミニウムを４８原子％、ニオブを２原子
％、そしてクロムを２原子％含有するγ‐アルミ化物で
よい。

【００１６】この複合リングエレメントを製造するには
、軟鋼のシリンダ―上にマトリックス合金を１／８イン
チの厚さの層でプラズマスプレ―する。この鋼製のマン
ドレルは、硝酸溶液中で化学溶解するか、またはチタン
合金マトリックスと軟鋼との間の熱膨張の差を利用して
熱で剥離させることによって、マトリックス合金層から
除去する。次いで、すでに上記「従来の技術」の欄で引
用した特許に記載されているように、後続の巻回操作に
おいて、「スプレ―した」チタン合金マトリックスリン
グに連続なＳｉＣフィラメントを巻付ける。次に、こう
してフィラメントを巻付けたシリンダ―の上にさらにチ
タンベ―スマトリックス合金をスプレ―してフィラメン
トを完全に被覆する。巻回ステップとスプレ―ステップ
は、複合リングエレメント上で所望の数の層が積層され
るまで繰返す。

【００１７】フィラメントの間隔および配列ならびに層
間結合を改善するために、スプレ―した層を機械加工ま
たは他の方法で滑らかにすることができる。

【００１８】低圧ＲＦプラズマスプレ―プロセスで得ら
れるスプレ―密度は理論値より低いので、複合リングを
ＨＩＰ高密度化する必要がある。ＨＩＰという用語は、
よく知られている通常の加工処理ステップである加熱・
静水圧プレスを意味する。ＨＩＰ中のリングの寸法変化
によって、この複合リングの最外層内の繊維の座屈が起
こり得る。したがって、実際上、リングを高密度化する
必要が起こる前に一時に堆積することができる層の数は
２０〜３０個に限られる。このように２０または３０の
層を有する構造体の高密度化は、３０以上の層を有する
複合構造体をＨＩＰによって一時に高密度化しようとす
ると起こるリングの座屈と損傷を回避しようとするもの
である。

【００１９】形成すべき複合構造体は１５０以上ものた
くさんの層を有するものである。複合体を約１５０層も
有する構造体は、たとえば航空機のエンジンコンプレッ
サ―構造体に強化用リングとして使用するのに適してい
ると思われる新規な構造体である。この数の層を達成す
るひとつの方法は、別々に製造した多数の複合リングエ
レメントを「互いに組合せる」ことである。別個に製造
し、別個にＨＩＰ高密度化した後、このような複合リン
グエレメントを互いに「組合せて」リングアセンブリを
作成する。これはＨＩＰで接合して、所望の数の層をも
った複合リングを形成することができる。

【００２０】組合せて一個の複合体とされる個々のリン
グエレメントに関していうと、約２０層の個々のリング
エレメントはＲＦプラズマ‐スプレ―プロセスに伴って
２２〜２３回の熱サイクルにさらされる。その結果、こ
のリングエレメントは真円から０．０２０〜０．０４０
インチ歪むことがある。しかし、この程度真円から外れ
た複合構造体は、これを組合せることによって、ＨＩＰ
接合で所望の数の層をもった単一の複合リングを形成す
ることができる単一の複合体に組立てることができない
。実際、組合せたリングエレメントを拡散接合するには
、内側のリングの外側の直径が外側のリングの内側の直
径より約０．００３〜０．００５インチ小さい必要があ
る。直径数フィ―トにもなり得る部品のこのような小さ
い公差は、元々の部品が真円から外れているとほとんど
実現不可能である。最初から所望かつ必要な真円度をも
った複合リングを形成できるような方法、または組合せ
に必要とされる高い公差まで金属マトリックス複合リン
グを機械加工する前にそれらがもっていた真円度を回復
させられる方法に対するニ―ズがあるのである。本明細
書で使用する「真円」という用語は、そのリングが公差
０．０００くらいに丸いこと、または実際上公差が０．
００３インチ以下の程度に丸いということを意味する。

【００２１】本発明者らは、真円から０．１７５インチ
も外れている図１の１０のような複合リングが、この複
合体の熱膨張係数より大きな熱膨張係数を有する図１の
１２のような中実の丸いマンドレルの存在下で簡単な熱
処理を使用して、０．００３インチ以内に丸くすること
ができるということを発見した。本発明者らは、マトリ
ックス合金の応力緩和温度より高い温度での熱処理の間
に、膨張係数の高いマンドレルが複合体よりも速い速度
で膨張し、したがって複合体の内側の直径を押し広げる
作用をすることを発見した。このようにして、複合体の
内面直径は真円に保たれ、一方複合体マトリックス合金
の内部応力は高温で緩和される。このようすを図２に示
す。

【００２２】本発明の方法の成否を左右するひとつのフ
ァクタ―は、金属マトリックス複合体中に使用したフィ
ラメント状強化材の応力緩和温度がマトリックス合金と
比べてかなり高いということである。その結果、本発明
で開発された処理を使用して複合体の内部応力を変化さ
せることができるものと考えられる。複合体をマトリッ
クスの応力緩和温度以上に維持しながらフィラメントを
引張状態に維持すると、マトリックス合金中の比較的大
きい引張応力およびマトリックスと強化材との間の熱膨
張率の差に基づくフィラメント中の圧縮応力を低下させ
ることができるものと思われる。熱処理温度からの冷却
中、マトリックスと繊維の相対的な応力、温度および熱
膨張挙動に応じて、繊維応力は引張から圧縮へ次第に変
化するであろう。

【００２３】さらに、繊維を引張状態に維持すると共に
マトリックスを圧縮状態に維持すると、特に脆性のマト
リックス合金を使用した場合複合体の特性が改良される
と考えられる。マトリックス中の圧縮応力は歪みを増大
させてマトリックスと複合体の破断に至ると思われる。 本明細書中に記載した熱処理は、複合体中に所望の応力
を生じさせるものと考えられる。

【００２４】

【実施例の記載】本発明の方法をいかに実施することが
できるのか、そしてそれによって形成される構造体のタ
イプを例示するために、以下に実施例を挙げて説明する
。 実施例１ 　　マトリックス合金としてＴｉ−１４２１合金を使用
して直径が４インチで幅が４インチのリングを製造した
。 Ｔｉ−１４２１はアルミニウムを１４重量％とニオブを
２１重量％含有し、残部がチタンである合金である。こ
のチタンベ―スマトリックスの強化材は炭化ケイ素フィ
ラメントであった。これらのフィラメントはテクストロ
ン社（Ｔｅｘｔｒｏｎ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）から
入手したものであり、ＳＣＳ−６フィラメントとされて
いる。１／８インチ厚のマトリックス合金層を軟鋼のシ
リンダ―上にプラズマ‐スプレ―した。この「スプレ―
した」チタン合金マトリックスリングを次に機械加工し
て滑らかにした。次に、この滑らかなマトリックスリン
グに、以後の巻付け操作でＳｉＣフィラメントを正確に
位置決めできるように深さ約０．００３インチの連続な
螺旋状の溝を付けた。この螺旋溝中にＳｉＣの連続フィ
ラメントを巻付け、両端を固定した。次に、フィラメン
トを巻付けたシリンダ―の上にさらにＴｉ−１４２１合
金をスプレ―し、こうしてプラズマ‐スプレ―した合金
を機械加工して滑らかな表面にした。次に再び、ＳｉＣ
連続フィラメントを再度正確に位置決めできるように約
０．００３インチの深さの連続な螺旋状の溝を付けた。 この溝中にＳｉＣフィラメントを巻付け、両端を固定し
た。さらにその上にＴｉ−１４２１をスプレ―した。

【００２５】これらの操作を繰返して、所望の数の強化
用フィラメントの層が堆積したマトリックス金属中に配
合されるようにした。二番目の層を作成している間に偶
然リングが過熱され、鋼製のマンドレルに接触している
ところでかなりの変形と融解がみられた。この二番目の
層を製造した後、幅４インチの複合リングを切断して、
損傷を受けた複合体から３／４インチ幅の複合リングを
いくつか別個にとった。この切断したリングを検査した
ところ、真円から約０．１７５インチ外れていることが
判明した。

【００２６】中実の３０４Ｌステンレス鋼シリンダ―を
機械加工して、切断したリングのひとつの平均直径より
約０．０４０インチ小さい外径とした。切断したリング
をこのステンレス鋼マンドレルに押し込んだ。このマン
ドレルと切断した複合リングとを真空炉内で９００℃に
加熱し、約１５分間９００℃の温度に維持した。こうし
て１５分加熱した後アセンブリをアルゴンで急冷し、室
温まで冷却した。ここで再びリングを検査したところ今
回は０．００３インチ以内の真円度であることが判明し
た。こうして、真円を外れていたリングがこの手順によ
って真円になった。

【００２７】この複合マトリックス合金を硝酸‐フッ化
水素酸‐水溶液に溶かしてＳｉＣフィラメントのみを残
した。このフィラメントは破断していなかった。明らか
に、この熱処理では繊維はまったく破断しなかった。 実施例２ 　　実施例１に記載した試験片から切断したふたつめの
リング片を同様に熱処理した。この熱処理によってリン
グの真円度は０．００３インチ以内に回復した。すなわ
ち、実施例１でみられたのと同じ結果が得られた。

【００２８】本発明の実施の際にＳｉＣ以外のフィラメ
ント強化材を使用してもよい。たとえば、単結晶のＡｌ
２　Ｏ３　フィラメントなどのようなセラミック強化用
フィラメントを使用してもよい。

【００２９】以上のことから、元々真円から外れたリン
グ構造体を真円形状にすることに加えて、あるリング構
造体を卵形、楕円形または真円以外の類似の形のマンド
レルに押し込むことによってそのようなリング構造体を
真円以外の形状にすることも可能であるものと理解され
たい。

【図面の簡単な説明】

【図１】組立て前のシリンダ―とリングの側面図である
。

【図２】図１と類似の側面図であるが組立て後のシリン
ダ―とリングを示す図である。

【符号の説明】

１０　　複合リング １２　　マンドレル

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　フィラメントで強化された金属マトリ
   ックスのリング構造体の内部形状を真円にするための方
   法であって、フィラメントで強化された金属マトリック
   スからなり真円から多少外れた形状を有するリング構造
   体を準備し、このリングの熱膨張係数より大きい熱膨張
   係数をもつ金属からなり、リング内部の直径より多少小
   さい直径を有する真円の円筒を調製し、この円筒をリン
   グ内に押込み、リングとこれに押込まれた円筒を、円筒
   の直径がリングの内径より大きくなる温度に加熱し、前
   記リングと円筒を冷却し、リングから円筒を外すことか
   らなる方法。
2. 【請求項２】　　マトリックスの応力緩和温度より高い
   温度に加熱する、請求項１記載の方法。
3. 【請求項３】　　強化材がセラミックフィラメントであ
   る、請求項１記載の方法。
4. 【請求項４】　　強化材がＳｉＣフィラメントである、
   請求項１記載の方法。
5. 【請求項５】　　強化材がＡｌ２　Ｏ３　単結晶である
   、請求項１記載の方法。
6. 【請求項６】　　マトリックスがチタン基合金である、
   請求項１記載の方法。
7. 【請求項７】　　マトリックスがＴｉ−１４２１である
   、請求項１記載の方法。
8. 【請求項８】　　マトリックスがＴｉ−６２４２である
   、請求項１記載の方法。
9. 【請求項９】　　マトリックスがＴｉ−６Ａｌ−４Ｖで
   ある、請求項１記載の方法。
10. 【請求項１０】　　フィラメントで強化された金属マト
    リックスのリング構造体の内部形状を真円でない形状に
    するための方法であって、フィラメントで強化された金
    属マトリックスからなり本質的に真円の形状を有するリ
    ング構造体を準備し、このリングの熱膨張係数より大き
    い熱膨張係数をもつ金属からなり、リング内部の直径よ
    り多少小さい直径を有する選択された真円でない形状の
    シリンダ―を調製し、この真円でないシリンダ―をリン
    グ内に押込み、リングとこれに押込まれたシリンダ―を
    、シリンダ―の直径がリングの内径より大きくなる温度
    に加熱し、前記リングとシリンダ―を冷却し、リングか
    らシリンダ―を外すことからなる方法。