JPH06508794A - 拡散接合アルミニウム構造体の超塑性変形 - 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】 拡散接合アルミニウム構造体の超塑性変形本発明は超塑性成形、特に複数のアル ミニウム合金シートからサンドイッチ構造体を塑性成形する改良方法に関する。

金属シートを有用な形状に成形することは通常、プレス成形のごときハード工作 （ｈａｒｄ　ｔｏｏｌ　ｉｎｇ）によって材料に力をかけることで行われる。こ れとは対照的に超塑性成形処理においては、ガス圧をかけることにより加工片に 必要な変形を行う。ダイキャビティによって加工片の膨張は制限されるが、接触 ゾーンの近傍において所望の形状が得られるまでグイと変形シートとの密着は起 こらない。

多数のアルミニウム合金に超成形を施し得る可能性があり、従って航空機製造業 者の間では、現在チタン製品に使用されているのと類似の拡散接合／超塑性成形 （ＤＢ／ＳＰＦ）併用方法を使用してアルミニウム合金構造体を製造することが 望まれている。

しかしながら、チタン合金が拡散接合を受ける性向は大部分の構造アルミニウム 合金に勝っており、多くの場合、チタン拡散接合の強度はバルク金属のそれに匹 敵する。これに反して、アルミニウム合金間の接合部の接合界面は親材料よりず っと弱くなり得る。このことは、超塑性成形に要求される高い温度において特に 当てはまる。この結果、応力が拡散接合に垂直にかけられると、接合部は比較的 小さい剥離力下で剥離し易い。

低剥離強さは、複数シート構造体における拡散接合の使用を阻止または制限する ものであり、その結果製造業者は、シート集成体内の応力が超塑性変形を行うの に要求されるレベルに達する前に剥離破壊が起こらないよう、アルミニウム構造 体の超塑性変形の代替法を積極的に捜しめている。

本発明者らは先行英国特許出願筒２　２４１　９１４Ａ号において、既知の方法 と比較して優れた特性を有する材料を与える、アルミニウムーリチウム合金を拡 散接合する方法を開示している。得られる材料は高剪断応力に耐性を示し得るが 、ソート断面が厚さ１ｍｍ以下の極めて薄い場合を除き、超塑性成形を受けるの に十分な剥離強さを持たない。

これは、拡散接合チタン合金の接合部に認められる高い剥離強さとは全く対照的 であり、従って本発明の目的は、拡散接合アルミニウム合金の剥離強さを、かか る材料が超塑性成形によって加工するのに適当となる程度にまで増大することで ある。

本発明は、複数のアルミニウム合金シートからサンドイッチ構造体を超塑性成形 する方法であって、アルミニウム合金シートを、１対の外側シートと少なくとも １つのコアシートとを含むよう面と面を合わせて積重ね、 内部空洞を有する加工片を製造すべく所定のパターンに従う接合ゾーンにおいて 前記シートを拡散接合し、前記加工片を合金シートの超塑性成形温度にまで加熱 し、前記加工片の超塑性変形を行うべ（前記空洞にガス圧を印加する ことからなり、拡散接合が実施されるゾーンにおいて拡散接合ステップを行う前 に前記積重ね体に強化材が与えられ、それによって前記強化材が、後続の超塑性 成形の間にかけられる引張応力が拡散接合の剥離破壊を惹起するのを防止し、超 塑性束が加工片の拡散接合ゾーン間の領域で選択的に生じるよう作用することを 特徴とする方法を提供する。

強化材は、加工片が成形される親シート上に所定のパターンで接合されているス トリップまたはバッチのごとき独立した部材の形態をとり得る。かかる独立部材 は、親シートを相互に結合するのと同じ拡散接合作業において該親シートに拡散 接合されるのが便宜的である。

或いは、強化材を親シート材料と一体的に成形することもできる。これは、その 突出部が隣接シートに拡散接合することに使用される段状領域を所定のパターン で形成すべく選択された領域において、より厚手のシートを機械加工または化学 的切削することにより達成される。

強化材の最適な厚さ及び剛性は使用する超塑性成形条件及び加工片の特性に従う 。例えば、同じ程度の剥離強さを得るために、より厚手の加工片にはより剛性の またはより厚手の強化材が必要である。

強化材を含めることから生じる重量増加を最小限にするためには、出来れば強化 材を比較的剛性の材料で形成することが好ましい。従って、強化材を平形シート に接合する場合には、強化材をより厚手のシート材料から一体的に成形する場合 とは異なり、金属マトリックス複合材料から、または族ノートより剛性の別の合 金で、更に場合によってはセラミック材料で強化材を形成するのが有利である。

親合金シートの超塑性成形温度、即ち典型的には５１５〜５３０℃の温度におい て、強化材の剛性が親合金シートの剛性よりも相対的に高いことは特に有利であ る。

強化材を製造する材料に従って、場合によっては、強化材を合金シートに効果的 に接着するために液相拡散接合法を使用することが必要となり得る。

また、重量を最小限にする目的で、拡散接合の縁部に垂直にまたは平行に溝を設 けることにより強化材を輪郭切削（ｃｏｎｔｏｕｒｉｎｇ）することも挙げられ る。以下、添付の図面を参照し、本発明を実施例によって説明する。

図１は、強化材を含まない剥離試験片の試験前と試験後を示す図である。

図２は、強化材を備えた試験片の対応図である。

図３は、図１及び図２に示したように構成した試験片の剥離挙動を比較するグラ フである。

図４は、独立した強化材を有する合金シートの集成体の拡散接合の前の断面図で ある。

図５は、一体的強化材を有する合金シートの集成体の拡散接合の前の断面図であ る。

図６は、拡散接合後の図４のシート集成体を示す図である。

図７は、超塑性成形中の図６の拡散接合シート集成体を示す図である。

図８は、超塑性変形作業の完了を示す図である。

図９は、最終的なトラスサンドイッチを示す図である。

図１及び図２を参照すると、図１ａは剥離試験前の９００Ｔ形剥離試験片１０を 示す。この試験片は、番号１３で示されたところで一定長に沿って相互に接合さ れ、自由端部は９０°屈曲して“Ｔ”のアーム１４．１５を形成している、厚さ １．５ｍｍの２つの８０９０アルミニウム一リチウム合金（ｔｈｅ　Ａｌｕｍｉ ｎｕｍ　Ａｓ５ｏｃｉａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ａｍｅｒｉｃａの呼称）ストリップ１ １゜１２からなる。接合１３は、本発明者らの先行英国特許出願第２　２４１　 ９１４Ａ号に開示された方法に従い、５６０℃において０゜７５　Ｍ　Ｐ　ａの 圧力を４時間かけることで固相拡散接合することにより形成した。

変形を起こすべくアーム１４．１５に引張荷重をかけることにより、試験片１０ の高温剥離抵抗を評価した。この評価は、５３０℃において荷重点間の歪率３Ｘ １０−’ｓ−’で実施した。これらは、８０９０アルミニウム一リチウム合金が 超塑性挙動を示す条件である。

図１ｂは変形後の試験片１０を示す。接合１３は上記試験条件下で、拡散結合ゾ ーン１３において徐々に剥離破壊が増大し、アームが曲がることにより剥離して 開き、アーム１４及び１５に見掛けの塑性変形はなかった。

図２ａは、４ｍｍの８０９０アルミニウム一リチウム合金シート材料から機械加 工された１、６ｍｍの改良シート試験片２０を示す。荷重ピンホールにおける試 験片の破損を防ぐためにストリップ２１．２２の端部では４ｍｍの全厚を維持し たが、他の場所では図１の実施例と直接比較するのが容易なように、アーム２４ ．２５の厚さを１．６ｍｍに薄くした。アームは、番号２３で示したところで相 互に拡散接合しである。試験片２０は更に、拡散接合領域２３においてストリッ プ２１．２２に固相拡散接合されている強化材ストリップ２６．２７を有するこ とにより改良されている。強化ストリップ２６．２７は、平均粒径３μｍの炭化 ケイ素粒子を２０重量％含む８０９０アルミニウム一リチウム合金からなる厚さ ５ｍｍの金属マトリックス複合材料で形成されていた。

図２ｂは、上述の試験片１０と同じ温度条件及び引張応力を受けた後の試験片２ ０を示す。接合線２３に剥離の徴候は全くなしに、アーム２４．２５において約 ５０％の超塑性延伸が得られた。

図３は、５３０℃における試験片１０及び２０の剥離強さ対クロスヘッド変位の グラフを示す。実線グラフは未改良試験片１０の挙動を示しており、６．７Ｎｍ ｍ”に荷重ピークを持ち、その後にプラトー域が続いている。ピークは拡散接合 １３における剥離の開始を示すものであり、プラトーは、剥離破壊が多少なりと も一定の荷重で伝播することを示すものである。

改良試験片２０の挙動は図３に破線で表わされている。

ここでは、比較的値かな変位の後、約７．５Ｎｍｍ”の強さで荷重ピークに達し ている。このピークはアーム２４゜２５の超塑性延伸の開始を示すものである。

グラフからは、この超塑性変形は荷重が次第に小さくなって起こっているかに見 えるが、実際には超塑性流れ応力は名目上一定である。グラフの下降は、延伸す るにつれてアーム２４．２５の幅及びゲージが共に減少することによって生じる 。

上記の剥離強さの向上は室温挙動にも反映される。５３０℃で溶体化処理した後 、上記試験片１０及び２０と類似のＴ形剥離試験片を空冷し、熟成し、前述のご とく引張荷重をかけた。下記に示すように、強化材を有する改良試験片で得られ る荷重ピークは、未改良試験片より約５倍太き厚さ５ｍｍの前述のごとき金属マ トリックス複合材料を用いて剛化した厚さ４ｍｍのアルミニウム合金シートを有 する試験片を使用した別の試験では、剥離破壊の開始の前に１７．４Ｎｍｍ−’ のピーク剥離強さが生み出された。

上記実施例は、固相拡散接合試験片における本発明方法の有効性を示しているが 、液相拡散接合を使用する状況にも同様に適用可能であることも試験から判った 。本発明者らの先行英国特許出願第２　２４１　９１４Ａ号に記載のごとき液相 法によって１０μｍの銅の中間層を使用して拡散接合した厚さ１．６ｍｍのアル ミニウム合金シートから構築した未剛化試験片の剥離強さのピーク値及びプラト ー値はそれぞれ４．４Ｎｍｍ−’及び１．９Ｎｍｍ−’であった。これらの値は 、剥離破壊のない超塑性成形作業を維持するにはあまりに低すぎる。これとは対 照的に、本発明に従って強化液相拡散接合試験片には、かなり満足の行くように 超塑性成形を行うことができた。

剛化液相拡散接合製品における剥離強さの向上によって、それらは剥離破壊の恐 れなしに超塑性成形され得る。室温においては、剛化液相拡散接合試験片の剥離 強さは固相拡散接合の対応物に匹敵する。

強化材を用いて改良された試験片の挙動は、適当に改良された加工片の最終部材 の強度を低下させる接合部剥離の危険性なしに、超塑性成形を受け得る可能性を 示唆する。

図４〜図８は、アルミニウム合金シートのトラスコアサンドイッチに適用された 本発明の方法を示す。この種の構造体は一般にはチタン合金から超塑性成形／拡 散接合法によって形成されているが、超塑性変形段階で遭遇する剥離応力によっ て、これまではこのような製品を拡散接合アルミニウム合金から製造することは 阻止されている。

図４には、外側スキンシート３０．３２とコアシート３１との間に中間強化材ス トリップ３３が配置された、アルミニウムーリチウム合金シー１−３０．３１及 び３２の３層構造体が示されている。ストリップ３３は、粒状炭化ケイ素を用い て強化されたアルミニウムーリチウム合金の金属マトリックス複合材料、または 別のより剛性な合金、またはセラミック材料のような剛性材料でできている。所 望されない領域における拡散接合を防止する必要がある箇所にはバリヤコーティ ング３４が与えられている。

図５は、一体的強化材４３を有する輪郭切削コアシート（ｃｏｎｔｏｕｒｅｄ　 ｃｏｒｅ　５ｈｅｅｔ）４１上に外側スキンシート４０．４２が重層する別の構 成を示す。

輪郭切削コアシート４１は、強化材４３を形成する段状部分を所望のパターンで 残すよう選択的に機械加工または化学的切削されたより厚手のシートでできてい る。図４の実施例のごとくバリヤコーティング４が使用される。

それぞれの層間で拡散接合を行うため、適当な温度及び圧力条件下で図６に示し たように構成部材を相互にプレスする。８０９０アルミニウム一リチウム合金に 対しては、これは通常、最初に接合片の温度を２５０℃まで上昇したら１２０Ｍ Ｐａでプレスし、次いで一定時間で温度を５００℃まで上げながら圧力フ　Ｍ　 Ｐ　ａでプレスし、最後に５００〜５８０℃の温度で少なくとも１時間０．７５ ＭＰａでプレスすることを含む。破線３５で示した拡散接合領域がより明確に判 るように、断面図ではあるがここでは加工片を斜線なしで示している。

ダイ３６．３７は、超塑性成形される拡散接合領域上にキンク状面を有する断面 の加工片を生成するよう、図示したような輪郭とすることができる。この断面は 、続いて加工片が超塑性成形のために別のダイに与えられるとき、変形を開始す るのに必要なガス圧を低下する補助手段でもある。

成型ダイ３８内で加工片を成形するため、加工片を超塑性成形に適当な５１５〜 ５３０℃の温度に加熱し、図７に示した内部空洞ＰＩ、Ｐ２及びＰ３にガス圧を 印加する。上方ダイメンバ（図示せず）がシート３０を平坦に維持する一方で、 シート３１及び（３１はどではないが）３２は変形を受ける。強化ストリップ３ ３のために増大した耐剥離性は、引張応力をコアシート３１に集中し、一方では 接合界面に垂直に作用する引張剥離応力成分の作用を抑制する。

これは実際、接合部に剥離破壊を惹起することなく、コアシート内で超塑性歪が 起こることを意味する。

図８は超塑性成形作業の終了時のトラスコアサンドイッチを示しており、外側層 ３２は成型ダイ３８のかどにしっかりとプレスされている。図９は、ダイから取 り出した後の最終部材を示している。

図１〜３に関連して上述した９０６Ｔ形剥離試験は起こり得る最悪のケースを示 していることに留意されたい。一般に、超塑性成形法によって製造される構造体 は図９に示したトラスコアサンドイッチと類似であって、コアは接合平面に対し て９０°未満の角度φしか傾斜していない。これは、トラスサンドイッチにおい て剥離を開始するためにコアシートによってかけられるべき引張力は９０°のケ ースに要求されるより大きく、 剥離力＝引張力ｘ　ｓｉｎφ であることを意味する。このことは、室温及びそれより高い温度の両状況に当て はまる。

最終製品の重量を削減するため種々の改良を行うことができる。上述したように 、拡散接合領域の縁部に垂直または平行に延伸する溝を強化材に形成することが できる。或いは、または場合によってはかかる断面形成と組み合わせて、外側シ ート３０及び３２への接着がバリャコーテイング３４によって阻止されるところ では、図４に示した選択的強化ストリップ３３を除外することができる。図５の 実施態様においては、上方にバリヤコーティング４４を有する段状部分４３を除 去することにより上記選択的除外を行い得る。

超塑性成形／拡散接合によるチタン合金シート構造体の製造は、必要とされる作 業及び工作ジグの数を減らすだけでなく、幾つかの部材を同時に製造し得るが故 に、実質的な製造コスト削減につながっている。有意な重量削減は、リベットま たは同様の締結具を回避することによっても実現可能である。これは、このよう な締結具に伴う応力集中を回避したり、また腐食作用を最小限にするという追加 利益を有する。

本発明は、上記利点を、これまでは超塑性成形の際に剥離破壊し易かった拡散結 合材料、特に拡散接合アルミニウム合金構造体に拡張し得る。本発明のＤ　Ｂ／ Ｓ　Ｐ　Ｆ方法を使用して成形し得る種類の部材の例としては気密室用の点検カ バー及びドアが挙げられる。これらは、使用に際して著しい応力に暴露される構 造体であって、それらのサービス時の信頼性は疑いのないものであらねばならな い。この信頼性は、以下の請求の範囲によって規定される本発明の強化材を備え ることにより保証される。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. １．複数のアルミニウム合金シートからサンドイッチ構造体を超塑性成形する方 法であって、 アルミニウム合金シートを、１対の外側シートと少なくとも１つのコアシートと を含むよう面と面を合わせて積重ね、 内部空洞を有する加工片を製造すべく所定のパターンに従う接合ゾーンにおいて 前記シートを拡散接合し、前記加工片を前記合金シートの超塑性成形温度にまで 加熱し、 前記加工片の超塑性変形を行うべく前記空洞にガス圧を印加する ことを含み、拡散接合が実施されるゾーンにおいて拡散接合ステップを行う前に 前記積重ね体に強化材が与えられ、それによって前記強化材が、後続の超塑性成 形の間にかけられる引張応力が拡散接合の剥離破壊を惹起することを防止し、超 塑性歪が加工片の拡散接合ゾーン間の領域で選択的に生じるよう作用することを 特徴とする方法。
2. ２．前記強化材が親シート材料と一体的に形成されており、これが、所定のパタ ーンをなす凸部及び凹部を形成するために少なくとも１つのシートの一面または 各面から材料を選択的に除去する処理によって行われており、前記凸部が隣接シ ートへ拡散接合するために使用されることを更に特徴とする請求項１に記載の方 法。
3. ３．前記強化材が、親シート材料に所定のパターンで接合されているストリップ またはパッチのごとき独立した部品を含むことを更に特徴とする請求項１に記載 の方法。
4. ４．前記強化材が、前記親シートを相互に結合するのと同じ拡散接合作業におい て該親シート材料に拡散接合されていることを更に特徴とする請求項３に記載の 方法。
5. ５．前記強化材が、親シート材料の超塑性成形温度において該親シート材料より 相対的に高い剛性を有することを更に特徴とする請求項３または４に記載の方法 。
6. ６．前記強化材が、金属マトリックス複合材料；合金またはセラミック材料を含 む群から選択されることを更に特徴とする請求項５に記載の方法。
7. ７．前記親シート材料がアルミニウムーリチウム合金でできており、前記強化材 が、アルミニウムーリチウム合金のマトリックス中に粒状炭化ケイ素強化材を含 む金属マトリックス複合材料でできている請求項３から６のいずれか一項に記載 の方法。