(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属マトリックス複合体から作られた挿入物を含みその中にセラミック繊維が伸びる管状部品の製造方法であって、この方法は、
フィラメントのバンドルまたはフィラメントの束のバンドルのフィラメントが支持部品の一端部に近接して固定され、前記フィラメントが互いに分離し、各フィラメントが金属シースで被覆されたセラミック繊維を含むステップと、
支持部品が、金型の円筒状通路を通って配置されるステップとを含み、
バンドルのフィラメントまたはバンドルのフィラメントの束が、支持部品の周囲に配置されてその軸に沿って並進駆動される金型によって螺旋路に沿って支持部品の周囲に全て巻かれ、支持部品がその軸の周りを回転駆動され、
前記円筒状通路の長さが、支持部品の直径の２０％から３０％である、方法。
【請求項２】
金型が、また支持部品の軸の周りを回転駆動される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
金属マトリックス複合体から作られた挿入物を含みその中にセラミック繊維が伸びる管状部品の製造のための装置であって、
被覆フィラメントまたは被覆フィラメントの束のバンドルを形成するモジュールを備え、前記被覆フィラメントは互いに分離して、各フィラメントが金属シースでコーティングされたセラミック繊維を含み、前記装置がさらに、
フィラメントを支持部品の一端部に近く固定する手段と、
螺旋路に沿って支持部品の周囲にバンドルのフィラメントまたはバンドルのフィラメントの束の全てを巻き取る巻き取り手段とを含み、巻き取り手段が、支持部品が通って配置されるのに適した円筒状通路を有しかつその軸に沿って並進駆動される金型を含み、装置が支持部品をその軸の周りに回転駆動するように設計され、
前記円筒状通路の長さが、支持部品の直径の２０％から３０％である、装置。
【請求項４】
被覆フィラメントのバンドルを形成するモジュールが、各々複数の孔を穿孔された２つのプレートを含む、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
各孔がフィラメントを案内するためのスリーブを有し、２つの機能、すなわちフィラメントの保護およびフィラメントの引っ張りに関与する機能を実行するように設計される、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
スリーブがゴムから作られる、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
金型がまた支持部品の軸の周りを回転駆動されるように設計される、請求項３から６のいずれか一項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属マトリックス複合体から作られた挿入物を含む管状部品の製造に関する。
【０００２】
特に航空分野において、最小の質量と最小のサイズで部品の強度を最適化することは常に目標である。したがって、いくつかの部品は以降金属マトリックス複合体から作られた挿入物を含むことができる。そのような複合体は金属合金マトリックス、例えば、チタン（Ｔｉ）合金マトリックスなどを含み、その中を繊維、例えば炭化ケイ素（ＳｉＣ）セラミック繊維が伸びる。それらの繊維はチタンを超える引張り強度を有する（１０００ＭＰａに対して典型的には４０００ＭＰａ）。したがって、負荷を担うのは繊維であり、金属合金マトリックスは部品の残りと結合する機能、また、互いに接触すべきではない繊維を保護し絶縁する機能を与える。さらに、セラミック繊維は腐食に抵抗性があるが、金属で補強する必要がある。
【０００３】
これらの複合体は、ディスク、シャフト、シリンダアクチュエータ本体、筐体、スペーサー、ブレードなどの単一部品用補強などの製造に用いることができる。したがって、これらの部品の寸法、特に厚さと質量はかなり低減することができる。例えば、ブレード支持ディスクは簡単なリングに低減することができる。
【０００４】
それらの複合体から作られた挿入物を得るために、「被覆フィラメント」と呼ばれる各々金属で被覆されたセラミック繊維を含むフィラメントが前もって形成される。金属はフィラメントの取り扱いに必要な弾性と可撓性をフィラメントに与える。非常に薄い炭素またはタングステンフィラメントが繊維の中心にその軸に沿って存在するのが好ましい。この炭素フィラメントは炭化ケイ素でコーティングされ、炭素の薄い層が繊維と金属との間に挿入されて、繊維の上に堆積された液体金属の冷却の際に起きる差動熱緩和の間の拡散バリア／バッファー機能を提供する。
【背景技術】
【０００５】
複合体フィラメントまたは処理されたフィラメントの製造は、様々な方法、例えば、電界中の金属気相成長、金属粉から出発する電気永動、あるいはそれらを液体金属浴中に浸漬することによるセラミック繊維のコーティングによって行うことができる。それらのセラミック繊維の液体金属への浸漬によるコーティング方法は、本出願人によってＥＰ０９３１８４６に開示される。この方法を用いるフィラメントの製造は、迅速である。複合体フィラメント、または被覆フィラメントはこのようにして得られ、部品に含まれるであろう複合体挿入物の製造の基本である。
【０００６】
さらに詳細には、本発明は金属マトリックス複合体から作られた挿入物を含む実質上管状部品の製造に適用される。これは、例えば、ターボ機械ロータシャフトである。先行技術はそのような部品の様々な形成方法を提供する。
【０００７】
第１の方法によれば、各々螺旋状に巻き取られた被覆フィラメントから結合剤によって固化されたディスクは、容器中に互いに上下に積み重ねられる。次いでチタンの汚染を防止するために結合剤が除去され、次いで、複合体から作られた挿入物を有する部品を得るために容器を閉じて熱平衡プレスによって圧縮される。そのような方法は実施するのに長時間かかり、複雑である。また、環状部品の形成には適していない。これは、部品を得るために形成し次いで多数のディスクを積み重ねるのが必要なためである。さらに、例えばターボジェットロータシャフトにおいて、シャフトは主として捩れで働くので、応力および様々な応力モード（遠心力、張力、捩れ、圧縮など）の合成は少なくとも１つの長手方向の成分を有する。ここで、セラミック繊維はこの繊維が伸びる軸（曲線を描く）の接線方向の負荷を受ける、言い換えれば、被覆フィラメントの機械的特性はその長手方向に沿って高い。しかし、説明した方法のように螺旋状に巻かれるとき、フィラメントは横断方向の負荷だけを受けることができる。
【０００８】
シースの中に、シースを形成する通常２つの管の間に互いに平行に縦に伸びるロッドの形態の被覆フィラメントをねじ込み、次いで、組み立て体全体を熱平衡プレスを行うことを提案する他の方法が考えられた。フィラメントが、シャフトの軸に平行ではなくそれに角度を付けて伸びることを望むならば、フィラメントはシースのいずれかの側に配置されたディスクに固定され、これらのディスクがその軸の周りを互いに反対方向に回転する。この種の方法において、高密度の被覆フィラメントを望むならば、被覆フィラメントの設置は不可能ではないが、最後のフィラメントは非常にやりにくいことが実証される。さらに、それらを損傷し部品の挙動に悪影響を与えるフィラメントを誤って配置する危険性が高い。
【０００９】
これらの問題を低減するために、本出願人は、ＦＲ０５５１４０６において、被覆フィラメントが接合されたシートを金属支持体部品の周りに重ねるステップを含む方法を提案した。そのような方法は、やはり被覆フィラメントが部品の軸に対して作る角度を選択するが、シートが支持部品の回りに重ねられる角度によって、工業規模での管状部品の製造を可能にする。
【００１０】
被覆フィラメントのシートは、場合によって、それを重ねるのが問題となり得るある種の剛性を有するので、そのような方法はさらに改善することができる。さらに、フィラメントは互いに接合されるので、それらは個別の通路を取る自由度に欠けるが、隣り合うフィラメントによってその動きに影響を受ける。
【特許文献１】欧州特許第０９３１８４６号明細書
【特許文献２】仏国特許出願公開第０５５１４０６号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、効率的で工業規模での実施が簡単な、金属マトリックス複合体から作られた挿入物を有する管状部品の形成方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この目的のために、本発明は、金属マトリックス複合体から作られた挿入物を含みその中にセラミック繊維が伸びる管状部品の形成方法を提供することであり、この方法は、
フィラメントバンドルのフィラメントが支持部品の一端部に近接して固定され、このフィラメントは互いに分離し、各フィラメントは金属シースで被覆されたセラミック繊維を含むステップと、
バンドルの全てのフィラメントが支持部品の周囲に螺旋路に沿って巻かれるステップとを含み、
フィラメントは、支持部品の周囲に配置されてその軸に沿って並進駆動される金型によって支持部品の周囲に巻かれ、支持部品はその軸の周りを回転駆動される。
【００１３】
本発明によって、管状部品を工業規模で形成することができる。フィラメントは互いに分離して一緒に巻かれるので、それらは少しの応力もなく支持部品の周囲に巻かれ個別に配置される。さらに、フィラメントは螺旋路に巻かれるので、繊維は支持部品の周りをその軸に対して所定角度で伸び、角度は部品にかかる負荷を繊維が適切に受け取るような調節が容易である。また、本発明の方法は、被覆フィラメントが金型を離れる際に、支持体上への巻取り方法の制御を可能にする。これは、支持体の周囲を並進して動くのは金型であり、支持体は並進して静止しているが回転駆動が維持され、フィラメントの張力は制御され、既に巻き取られたフィラメントは支持体上に「圧縮されて」保持され、動いたのが支持体であったならば、そのようにはならない（巻取りを離れる際にフィラメントには張力がかかるので）からである。したがって、フィラメントは互いに良好に並列する。
【００１４】
本発明の方法は、特にチタン合金で被覆したフィラメントの巻取りによく適している。これは、チタンの融点が約１７５０℃であるので、フィラメントのコーティングとその支持体上への巻取りを組み合わせることは考えられず、それらを乾燥し次いでそれらを支持体上に巻き取ることを可能にするために、繊維を予備コーティングする必要があるからである。本発明の方法は、そのような繊維を支持体上に配置することを可能にする。
【００１５】
方法中に、フィラメントバンドルのフィラメントが支持部品の一端部に近く固定されることと特定されるとき、フィラメントは支持部品に直接、または支持部品の端部近くで支持部品から離れて、静止部品のいずれかに固定することができる。
【００１６】
一実施形態によれば、金型も支持部品の軸の周りを回転駆動される。
【００１７】
本発明はまた、金属マトリックス複合体から作られた挿入物を含み、その中にセラミック繊維が伸びる管状部品の製造のための装置に関し、この装置は、互いに分離して各フィラメントが金属シースでコーティングされたセラミック繊維を含む被覆フィラメントのバンドルを形成するモジュールと、フィラメントを支持部品の一端部に近く固定する手段と、螺旋路に沿って支持部品の周囲にバンドルのフィラメント全てを巻き取るための巻取り手段とを含み、巻取り手段は支持部品の周囲に配置されてその軸に並進駆動されるのに適した金型を含み、装置はその軸の周りを支持部品が回転駆動するように設計される。
【００１８】
一実施形態によれば、被覆フィラメントのバンドルを形成するモジュールは各々複数の孔を穿孔された２つのプレートを含む。
【００１９】
この場合、各孔は、２つの機能、すなわち、フィラメントの保護およびフィラメントの引っ張りに関与する機能を実行するように設計された、フィラメントを案内するためのスリーブを有するのが有利である。
【００２０】
また、スリーブはゴムから作られるのが有利である。
【００２１】
一実施形態によれば、金型は支持部品の軸の周りを回転駆動されるように設計される。
【００２２】
本発明は、添付図面を参照して、方法の好ましい実施形態および本発明の装置の好ましい実施形態の説明を読み取ることによってより良好に理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
最初に、本発明の方法を実施するための装置１を説明する。
【００２４】
装置１は被覆フィラメント用の支持体片７を位置に保持するための装置６を含み、これは以降支持体片７と呼ばれる。ここで、支持体片７は軸Ａのシャフトの形態を有する。保持装置６は第１端部７ａによって支持体片７を保持する。この保持装置６は、本明細書において、他の保持手段は何も必要なくその端部７ａによって支持体片７を保持するように設計される。詳細には、支持体片７はその第２端部７ｂでは支持されない。他の実施形態によれば、支持体片７を他方の端部で保持するために心押し台が提供される。
【００２５】
本実施形態において、支持体片７を保持するための装置６は機械加工旋盤チャック型のチャック６である。チャック６は支持体片７がその軸Ａの周りを回転するように設計される。
【００２６】
装置１は被覆フィラメント２のボビンのモジュール（これは図示せず）を含み、被覆フィラメント２に張力を与えるためのモジュール（再び、図示せず）に被覆フィラメント２を供給することを可能にする。張力を与えるモジュールから出発して、フィラメントは各々プレート４、４’上に円の形態に分配された複数の孔５、５’を穿孔された２つのプレート４、４’を含む被覆フィラメント分配モジュール３に供給される。プレート４、４’はその中の１つの孔５、５’が他のプレートの孔５、５’に対面するように配置される。孔５、５’は被覆フィラメント２または被覆フィラメント２の束を案内することが意図される。図２を参照すれば、各孔５、５’はフィラメント２またはフィラメント２の束、この場合フィラメント２の束を案内するためのスリーブ１２を有する。スリーブ１２はゴムから作られ、ゴムはフィラメント２に摩擦力を発生するので、案内の機能とは別に２つの他の機能、すなわち、被覆フィラメント２を保護しフィラメント２の張力付与とこの張力の制御に関与する機能を実行する。
【００２７】
分配モジュール３を離れると、被覆フィラメント２は被覆フィラメント２の環状バンドル２’の形態をしている。したがって、分配モジュールの機能は、被覆フィラメント２のバンドル２’を形成する（および分配する）ことである。用語「分配モジュール３」および「被覆フィラメント２のバンドル２’を形成するモジュール３」は、互換性をもって用いられる。これは、単一フィラメント２が各孔５、５’で案内される場合、存在する孔５、５’と同じ数の被覆フィラメント２のバンドル２’、または存在する孔５、５’と同じ数の被覆フィラメントの束２のバンドル２’のいずれかである。フィラメント２の数はフィラメント２が支持体片７の展開された表面全体を覆うことができるように選択される。本実施形態において、直径１００ｍｍの支持体片７は４０個のフィラメント２の束が３０個提供される。したがって、プレート４、４’は３０個の孔５、５’を有し、各孔５、５’を４０個のフィラメント２の束が通過する。
【００２８】
装置１は、支持体片７の軸Ａに平行なスピンドル９に沿って並進して引張られる可動支持アーム８を含む。支持アーム８はその共通軸Ａの支持体片７の周囲に配置された金型１０を支持する。並進駆動される金型１０の機能は被覆フィラメント２を回転駆動される支持体片７の周囲に巻き取り、支持体片７上に被覆フィラメント２の螺旋状巻取りを形成することである。本実施形態において、金型１０も、例えば、ベルトシステムによってその軸Ａの周りを回転駆動される。これはフィラメント２を支持体片７上にさらに良好に配置することを可能にする。
【００２９】
図３を参照すれば、金型１０は、支持体片と被覆フィラメント２がそこを通過するように、その中央部分に支持体片７の直径よりもわずかに大きな直径Ｄの円筒状通路１１ａを有し、それは支持体片７を案内しわずかに応力を与える。この直径Ｄは、フィラメントの単一層が支持体片７上に巻き取られる場合、支持体片７の直径にフィラメントの直径の２．１から２．５倍を加えたものであることが好ましい。この通路１１ａのランドＰ、すなわち、通路１１ａの長さは、フィラメント２が受けることが望ましい応力に応じて寸法が定められる。このランドは、支持体片７の直径の２０から３０％であるのが好ましい。金型１０の入り口で、金型はじょうご形状部分１１ｂ、ここでは円錐台形を有し、導入部分１１ｂと呼ばれ、その金型１０の軸Ａに対する角度αは金型１０によって巻き取られる被覆フィラメント２の数に依存する。金型１０の出口で、金型１０はじょうご形状部分１１ｃ、ここでは円錐台形を有し、その主な機能は被覆フィラメント２上の応力を緩和することである。
【００３０】
金型１０の機能は被覆フィラメント２を支持体片７に巻き取ることである。金型が並進して動き、支持体片が回転するので、それはフィラメント２を螺旋路に沿って巻き取る。
【００３１】
ここで、複合体挿入物を有する管状部品を形成する方法をより詳細に説明する。
【００３２】
被覆フィラメント２は、知られている技術の１つ、例えば、それらを液体金属浴中に浸漬被覆することによるセラミック繊維のコーティング方法を用いて形成される。これらのフィラメント２はボビン上に巻き取られる。各フィラメント２は、例えば０．２から０．３ｍｍの直径を有する。各々その周縁に巻き取られた１個以上の被覆フィラメント２を有する複数のボビンは、ボビンモジュール（図示せず）上に配置される。このモジュールは、ボビンがフィラメント２を互いに交差することなく張力モジュールおよび分配モジュール３に向かって供給できるように配置することを可能にする。
【００３３】
本実施形態によれば、各ボビンに巻き取られるのは被覆フィラメント２の束である。言い換えれば、束に配置され、互いに並列であるが互いに分離している複数の被覆フィメント２は各ボビン上に巻き取られる。そのようなボビンはフィラメント２の束のバンドルを形成し次にこれらのフィラメントを支持体片７の周りに巻き取ることを可能にする。当業者であれば、これを個々のフィラメント２のバンドルのフィラメントが支持体片７の周りに巻き取られる場合に置き換えることは容易であろう。
【００３４】
被覆フィラメント２の束は張力モジュールに送られ、次いで分配モジュール３に送られる。適切な配置によって、張力モジュールはボビンモジュール中に一体化することができることに留意されたい。
【００３５】
フィラメント２の各束は分配モジュール３の第１プレート４の孔５中に導入され、そこから出て、第１孔５に対面する第２プレート４’の孔５’に進む。フィラメント２の束の環状バンドル２’がこのようにして形成される。
【００３６】
フィラメント２の束は支持体片７の第１端部７ａ、すなわち、分配モジュール３から最も離れた支持体片７の端部に送られる。フィラメントはこの端部７ａで遮断または固定される。ここで、これらのフィラメント２の端部は固定されるが、その端部ではないフィラメント２の一部を固定することが可能である。この固定は任意の方法で達成することができる。後で判明するように、フィラメント２のこの固定端部部分は続いて取り除かれ、最終部品の一部を形成しない。フィラメント２は溶接、ろう付けまたは任意の他の機械的固定手段によって固定することができる。１つの特別の実施形態を参照すれば、フィラメント２は支持体片７の端部７ａで固定されず、端部７ａの近傍の他の静止片上に固定される。重要な点はフィラメント２が、適切にその上に巻き取られるように、支持体片７ａの端部近くで遮断されることである。また、本発明者らは第０５５１４０６号として出願された仏国特許出願が被覆フィラメントを電極によって溶接する方法を開示することを特記する。そのような方法は、支持体片７の端部７ａにフィラメント２を単に固定するため、または、例えば金型１０の動きに並進する、または螺旋路に従う電極溶接装置によって、フィラメント２上に支持体片７に沿って溶接線を形成するために用いることができる。
【００３７】
フィラメントが支持体片７の端部近くで遮断されると、金型１０が支持体片７の周囲に取り付けられる。支持体片７は軸Ａの周りを回転するが、金型１０は、ここで、同時に支持体片７の軸Ａの周りを回転しながら支持アーム８によって並進駆動される。したがって、バンドル２’のフィラメント２の束は支持体片７の周りに螺旋路に沿って巻き取られる。言い換えれば、金型１０はフィラメント２の束のバンドル２’を支持体片７の周りに捩じること、すなわち、フィラメント２を全て一緒に支持体片７の周りに巻き取ることを可能にし、各フィラメントは互いに分離しているので支持体片７の周りに個々に配置される。無論、フィラメント２は支持体片７を覆うために互いの側に配置される。金型１０、分配モジュール３、張力モジュール、およびボビンモジュールによるフィラメント２の引っ張りによって、フィラメント２は支持体片７の位置に押圧されて保持される。
【００３８】
被覆フィラメント２が支持体片７の軸Ａに対して作る角度は、単純に金型１０の支持体片７の軸Ａに平行な並進変位速度に対する支持体片７（ここでは金型１０も）の回転速度の比で定まる。ここで、この角度は４５°に選択される。
【００３９】
フィラメント２が支持体片７全体に巻き取られると、それらは支持体片７の第２端部７ｂに固定される。第１端部７ａの場合のように、ここに固定する方法は重要ではなく、同じ固定方法が考えられる。
【００４０】
したがって、支持体片７は、金型１０の１行程でその表面全体を被覆フィラメント２の層で覆われる。そのような方法はわずかな動作しか必要とせず、工業規模で実施することが容易である。様々な要素の寸法を適合させることによって同じ方法を用いて、支持体片７の回りに１個以上の他の追加の層を巻き取ることが可能である。
【００４１】
１つの特定の実施形態によれば、単一金型または適切な連続の金型のいずれかによって、複数の層が同時に巻き取られる。
【００４２】
いくつかの層が支持体片７に巻き取られる場合、これらの層は、例えば、上で参照した電極溶接によって、隣接層の間で固定するのが好ましい。
【００４３】
所望数の層が支持体片７の周りに巻き取られると、主要部分が形成される。この目的のために、組み立て体全体をその内径がこの組み立て体の外径に等しいシースの中に挿入する。このシースは被覆フィラメント２の繊維のコーティングと同じ金属合金、ここではチタン合金から作られる。組み立て体全体が円筒の形態を取るように、その各端部に円形金属プレートを差込む。円形プレートおよびシースは封止された容器を構成するように電子ビーム溶接によって溶接するのが好ましい。ここでは、これらのプレートはチタン合金から作られる。電子ビーム溶接はシース内部を予め真空にすることを可能にする。次いで、形成された組み立て体全体を熱平衡プレス（ｈｏｔ  ｉｓｏｓｔａｔｉｃ  ｐｒｅｓｓｉｎｇ）によって圧縮する。
【００４４】
例えば、９５０℃で１０００バールの圧力下で行われる熱平衡プレスの間、チタン合金は拡散し、複合体の金属マトリックスを形成し、その中をセラミック繊維が伸びる。チタン合金は高温で粘性があるので、金属マトリックスの形成中、セラミック繊維を損傷することなく材料の良好な拡散流れを可能にする。したがって、対象の特定の場合において、支持体片７に相当するチタン合金の内部厚さ、セラミック繊維が螺旋状に伸びるチタン合金マトリックス複合体から作られた中央の挿入物、およびシースに相当する外側のチタン合金厚さを有するシャフトが得られる。
【００４５】
支持体片７に固定されたフィラメント２の部分に相当するシャフトの端部は、次いで機械加工を行って廃却される。したがって、得られたシャフトはその長さ全体にわたって均一であり、セラミック繊維はシャフトの軸Ａに一定の角度を作る。他の実施形態によれば、相当する部分は端部に金属プレートを追加する前に廃却され、これは熱平衡プレスの前に行われる。この場合、端部が廃却された後に、フィラメント２が確実に支持体片上の位置に保持されることが必要である。例えば、それらはフィラメント２と支持体片７との間に、特に上で参照した電極溶接によって得られる溶接線で位置に保持することができる。
【００４６】
得られたシャフトは複合体挿入物によって負荷に対して非常に良好な耐性を有する利点を有し、その壁の厚さ全体を従来のシャフトよりも実質上小さくすることが可能である。この薄い厚さはかなりの重量節約以外に、多くの同軸シャフトの存在を必要とする用途に有用な小さなサイズであることを可能にする。また、ここではその基本的な構成物質がチタン合金であるので、シャフトは非常に良好な腐食抵抗性を有し、その腐食挙動は例えば鋼のものよりもはるかに優れている。しかし、セラミック繊維が存在しないと、チタン合金単独では負荷に対する十分な耐性はなくなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】被覆フィラメントのバンドルが巻き取られる間の本発明の装置の好ましい実施形態の部分概要斜視図である。
【図２】図１の孔の詳細な概要斜視図である。
【図３】本発明の装置の好ましい実施形態の金型の断面図を示す。
【符号の説明】
【００４８】
１  装置
２  被覆フィラメント
３  プレート被覆フィラメント分配モジュール
４、４’  プレート
５、５’  孔
６  保持装置
７  支持体片
７ａ  第１端部
７ｂ  第２端部
８  可動支持アーム
９  スピンドル
１０  金型
１１ａ  円筒状通路
１１ｂ、１１ｃ  じょうご形状部分
１２  スリーブ
【図１】
0005414997.tif 000002
【図２】
0005414997.tif 000003
【図３】
0005414997.tif 000004