(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心繊維（１）の周りにらせん状に巻き付けられている金属合金フィラメント（２）によって取り囲まれている、セラミック材料からできている中心繊維（１）から成る撚線と、
撚線を被覆する金属強化層（３）と、
を備える複合体強化インサート。
【請求項２】
撚線が、Ｎ個のフィラメント（２）を備え、Ｎは６以上であり、好適にはＮは７、１９または３７に等しいフィラメント（２）である、請求項１に記載の強化インサート。
【請求項３】
中心繊維（１）が、シリコンカーバイドからできている、請求項１または２に記載の強化インサート。
【請求項４】
フィラメント（２）が、チタニウム、ニッケルまたはアルミニウム系合金からできている、請求項１から３のいずれか一項に記載の強化インサート。
【請求項５】
強化層（３）が、フィラメント（２）を形成する基材と同じ材料からできている、請求項１から４のいずれか一項に記載の強化インサート。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項に記載の強化インサートによって強化されているターボ機械部品。
【請求項７】
中心セラミック繊維（１）から強化インサートを作製する方法であって、撚線を形成するために、中心繊維の周りに金属合金フィラメント（２）を撚り合わせるステップ（ａ）と、
保護金属層（３）によって撚線を被覆するステップ（ｃ）と、
を含む方法。
【請求項８】
被覆するステップが、浮上溶解中に、撚線が液体金属浴中に浸されるステップを含み、浮上溶解中の液体金属が、フィラメントの基材と同じ材料を含む充填材を含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
点溶接によってフィラメントを固定するステップ（ｂ）をさらに含む、請求項７または８に記載の方法。
【請求項１０】
撚線が、耐酸化保護層によって被覆されるステップをステップ（ａ）とステップ（ｃ）との間にさらに含む、請求項７から９のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、好適にはターボ機械部品用の強化インサート、およびそのような強化インサートを製造するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
航空分野における永続的目標は、最小の質量および寸法に対して部品の強度を最適化することである。したがって、現在いくつかの部品は、金属マトリックスによる複合材料でできた強化インサートを含むことができる。そのような複合材料は、例えばチタニウムＴｉ、ニッケルＮｉ、アルミニウムＡｌ合金でできており、例えばシリコンカーバイドＳｉＣセラミック繊維など、繊維が内部に配置される金属合金マトリックスを通常は備える。そのような繊維は、チタニウムよりもはるかに高い引張強度を有し（１０００ＭＰａと比較して典型的には４０００ＭＰａ）、典型的には剛性が３倍である。したがって、力は繊維によって抵抗を受け、金属合金マトリックスが繊維の間に荷重を伝達し、残りの部品とのバインダ機能を果たし、かつ互いに接触してはならない繊維を保護および分離する機能を果たす。セラミック繊維はやはり強いが、しかし脆く、金属によって保護される必要がある。
【０００３】
これらの複合材料は、ディスク、シャフト、アクチュエータ本体、ケーシング、スペーサを製造するために使用可能であり、ブレードなどの一体式部品のための補強として使用可能である。それらは、例えば圧力下でバレルまたは流体タンクなどの圧力容器など、１つの部品に３次元力場が加えられる他の分野の応用の中でもやはり使用可能である。
【０００４】
複合材料からできているそのような強化インサートを得るために、第１のステップは、金属ケーシングによって被覆されるセラミック繊維から成る強化材を備える「被覆されたワイヤ」を形成することである。金属被覆は、ワイヤをより堅くするが、しかしその靭性を向上させ、それによって取り扱うためには有益になる。
【０００５】
先行技術では、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）繊維の被覆は、電子ビーム物理蒸着（ＥＢＰＶＣ）方法を使用して行われることが多い。しかしながら、この方法は、効率の点から費用対効果にさほど優れていない。さらに、蒸着速度が１分当たり１メートル程度であるので、被覆方法は長時間を要する。
【０００６】
先行技術はまた、溶融金属浴中に浮上中のＳｉＣ繊維を被覆する直接的方法を開示する。例えば、欧州特許第０９３１８４６号明細書はそのような被覆方法を開示する。この文献は、液体金属が、適切な温度で、少なくとも部分的にるつぼの壁に接触することをなくすために、適切なるつぼの中で浮上状態に維持されることが可能であることを開示する。浮上は、るつぼを取り囲む電磁的手段によって達成される。プリエンプション手段によって緊張状態に保持されるセラミック繊維が、金属浴を通って引っ張られる。金属浴の中で繊維が移動する速度は、繊維上の金属の必要な厚さに応じて定義される。この方法は、前述の方法よりも速いが、しかし繊維のずれを生成する。さらに、この方法は、ＳｉＣ繊維のパーセンテージと金属マトリックスのパーセンテージとの比率を調節することを困難にする。さらに、この方法によって製造されるインサートの中に不安定化が発生する可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】欧州特許第０９３１８４６号明細書
【特許文献２】欧州特許第１９９５３４２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、強化された強度を有する、複合体が選択可能である強化インサートを開示することによって、当技術分野の不利な状態を克服することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
これを達成するために、本発明の第１の態様が、中心繊維の周りにらせん状に巻き付けられている金属合金外側フィラメントによって取り囲まれている、セラミック材料からできている中心繊維から成る撚線と、撚線を被覆する金属強化層とを備える、好適にはターボ機械のための複合体強化インサートに関する。
【００１０】
「撚線」は、フィラメントまたは繊維が、中心フィラメントまたは繊維の周りの同心の層の中に配置されるアセンブリである。
【００１１】
したがって、強化層が中心繊維上に直接蒸着される従来技術による強化インサートとは異なり、本発明は、金属合金が最初に中心繊維の周りに巻き付けられることができ、次いで得られるアセンブリが金属強化層によって被覆され得ることを開示する。したがって強化インサートは、改善された剛性を有する。さらに有力なことに、その中心繊維は、中心繊維を取り囲む金属部分に対して心合わせされる。さらに、そのような強化インサートは、セラミック材料のパーセンテージと金属合金のパーセンテージとの比率を選択することが容易なので、特に有利である。
【００１２】
本発明による強化インサートは、１つまたは複数の以下の特徴を単独で有することも可能であり、または技術的に可能な場合は組み合わせることも可能である。
【００１３】
異なる実施形態によれば、撚線は金属合金で作られるＮ個のフィラメントを備えることができ、Ｎは６以上である。Ｎは好適には、７、１９または３７である。金属フィラメントの直径および金属フィラメントの数Ｎは、インサートが選択された数Ｖｆを有するように決定される。数Ｖｆは、セラミック繊維の面積とその繊維を取り囲む金属合金フィラメントの面積との間の比率に相当する。撚線が、６個の金属合金フィラメントを備える場合、好適には、これらのフィラメントは、中心繊維の周りに単一層を形成するように配置される。その時、Ｖｆは、１／７、または１４．３％である。Ｖｆが１４％未満である構成が選択される場合、撚線は、中心繊維の周りに１８個または１９個以上のフィラメントを備え、好適には、これらのフィラメントは、中心繊維の周りに複数の同心の層を形成するように配置される。
【００１４】
中心繊維は、好適にはシリコンカーバイドから作られ、シリコンカーバイドは良好な機械特性を有する。
【００１５】
有利なことに、フィラメントは、強化インサートが良好な機械的強度対重量比率を有するように、チタニウム、ニッケルまたはアルミニウム系金属合金からできている。
【００１６】
好適には金属強化層は、フィラメントを形成する金属合金と同じ金属基材からできている。
【００１７】
本発明の第２の態様は、好適にはターボ機械の中で使用するように意図される、中心セラミック繊維から強化インサートを作製する方法であって、（ａ）撚線を形成するために、中心繊維の周りに金属合金フィラメントを撚り合わせるステップと、（ｃ）保護金属層によって撚線を被覆するステップとを含む方法にさらに関する。
【００１８】
そのような方法は、簡単で、早く、複合体が選択され得る強化インサートを得るために使用され得る。さらに、そのように作製されるインサートのセラミック繊維は、心合わせされる。
【００１９】
方法は、（ｂ）点溶接によってフィラメントを固定するステップをさらに含むことができる。このステップは、レーザまたは電子ビームによって行われることができる。しかしながら、フィラメントが膨張せずに、撚線が機械的強度を有するならば、この固定するステップは必須ではない。
【００２０】
被覆するステップは、好適には、浮上溶解中に、撚線が液体金属浴中に浸されるステップを含む。
【００２１】
浮上溶解中の液体金属が、好適には、フィラメントの基材と同じ材料を含む充填材を含む。
【００２２】
方法は、撚線が耐酸化保護層によって被覆されるステップをステップ（ｂ）とステップ（ｃ）との間にさらに含むことができる。フィラメントの金属合金が酸化に敏感である場合、この保護層は特に役立つ。これは、例えばフィラメントがアルミニウム合金からできている場合である。次いで、撚線は、保護層によって、好適には銅製ナノ層によって被覆され得る。次いで、撚線が液体金属浴に入る時、この保護層は消失する。
【００２３】
本発明の別の態様は、本発明の第１の態様によるインサート、または本発明の第２の態様による方法を使用して作製されるインサートを備える、ターボ機械の金属部品にさらに関する。
【００２４】
本発明は、以下のステップ、本発明の第１の態様による強化インサート、または本発明の第２の態様による方法によって得られる強化インサートをターボ機械の部品の周りに巻き付けることによって取り付けるステップと、ターボ機械の部品を熱間等静圧圧縮によって圧縮するステップとを含む、ターボ機械のための金属部品を作製する方法にもまた関する。
【００２５】
本発明の他の特徴および利点が、説明する添付の図面を参照して、詳細な説明を読んだ後、より明確になるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】セラミックフィラメントの断面図である。
【図２】金属合金フィラメントによって取り囲まれたセラミック繊維の断面図である。
【図３】３つの撚線の斜視図である。
【図４】強化層によって被覆された撚線の図である。
【図５】単一層構造のための金属フィラメントの半径と繊維の半径の比率の変化、およびフィラメントの数に応じて得られるＶｆを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
同一または類似の要素は、明瞭さを向上させるために、すべての図面上で同一の参照符号によって識別される。
【００２８】
本発明の一実施形態による強化インサートを作製する方法が、図１から図４を参照して説明される。強化インサートは、セラミック中心繊維１からできている。この中心繊維１は、シリコンカーバイドからできている。
【００２９】
方法は、中心繊維１の周りに金属合金フィラメント２を巻き付けることによって撚線を作製する第１のステップ（ａ）を含む。フィラメントは、好適には、チタニウム、ニッケルまたはアルミニウム系金属合金からできている。フィラメントは、中心繊維の周りにらせんを形成するように、中心繊維の周りにらせん状に巻き付けられる。比率Ｖｆに依存して、撚線は、多少のフィラメント２を含むことができる。数Ｖｆは、中心繊維の面積と金属フィラメントの面積との間の比率として定義される。例えば、直径１４０μｍの中心繊維１は、１５４００μｍ２の横断面を有する。直径７０μｍのフィラメントを含む撚線は、３８５０μｍ２の横断面を１０個有するので、合計が３８５００＋１５４００＝５３９００μｍ２となる。したがって、面積比率Ｖｆは、１５４００×５３９００×１００＝２９％である。
【００３０】
撚線は、通常Ｎ個のフィラメントを備え、Ｎは６以上である。フィラメント２は、中心繊維１の周りに同心の層の中に配置される。中心繊維１の直径およびフィラメント２の直径は、シリコンカーバイド繊維のパーセンテージと撚線材料のパーセンテージとの間の必要とされる比率Ｖｆに応じて変化することができる。寸法の関係は、ｓｉｎ（１８０°／Ｎ）＝ＲＳ／（Ｒ１＋Ｒ２）Ｖｆ＝Ｒ１＾２／（Ｒ１＾２＋Ｎ＊Ｒ２＾２）であり、その場合、Ｒ１＝セラミック繊維の半径、Ｒ２＝金属フィラメントの半径、Ｎ＝金属フィラメントの数である。
【００３１】
周囲のフィラメントの数に応じて、Ｒ２／Ｒ１の比率の変化と共に、撚り合わせる単一層の場合、フィラメントの数に応じて、数Ｖｆの変化が図５に示されている。
【００３２】
例えば、７個の直径１０７μｍのフィラメントによって取り囲まれ、３μｍの保護層によって被覆される、直径１４０μｍのシリコンカーバイド繊維は、２０％に等しいシリコンカーバイドＳｉＣ繊維のパーセンテージを有する。
【００３３】
中心繊維１の周りに金属合金フィラメントを撚り合わせる操作中に、中心繊維を損傷することを回避するために、中心繊維は、２０ｍｍ未満の任意の曲率半径を生成せずに移動自在であることが必須である。これを達成するために、撚り合わせる操作中に中心繊維を巻き付けるために使用される滑車は、２０ｍｍ未満の中心繊維内の曲率半径を生成することを回避するために、十分に大きくなければならない。
【００３４】
撚線が中心繊維の周りで膨張するという現象を被る場合、その時、フィラメントの小さい点溶接が、撚り機械に沿って成され得る。レーザ溶接または電子ビーム技術が、使用され得る。
【００３５】
さらに、フィラメント２が酸化に敏感な金属合金から作られている場合、方法は、撚線が保護層によって被覆されるステップ（ｃ）を含むことができる。例えば、フィラメント２のために使用される金属合金がアルミニウム系である場合、保護層は銅製ナノ層であり得る。この保護層は、次のステップ中に消失する。
【００３６】
次いで方法は、撚線が金属強化層３によって被覆されるステップ（ｃ）を含む。これを達成するために、撚線は、中心繊維１の周りにらせん状に巻き付けられるフィラメントと同じ材料の充填材を有する液体金属浴の中に浮上溶解中に、浸される。したがって、フィラメント２がチタニウム系合金から作られている場合、液体金属浴の充填材は、好適にはチタニウムを含む。同様に、フィラメント２がアルミニウム系金属合金からできている場合、充填材は、好適にはアルミニウムを含む。液体金属浴を使用する撚線被覆方法は、従来技術の中で公知である。例えば、そのような方法は、欧州特許第０９３１８４６号明細書、または欧州特許第１９９５３４２号明細書の中に説明されている。フィラメント２は、被覆するステップ中に、再溶融されることは全くない。この被覆するステップ（ｃ）が終了すると、撚線は、金属強化層３によって被覆される。この強化層３は、連続的である。
【００３７】
次いで方法は、強化インサートの凝固ステップを含み、そのステップの間に強化インサートは堅くなる。
【００３８】
したがって得られる結果は、セラミック中心繊維１と、中心繊維の周りにらせんを形成するように、中心繊維１を取り囲む金属合金フィラメント２とを備える撚線と、撚線を被覆する金属合金強化層３とを備える、本発明の一実施形態による強化インサートである。
【００３９】
したがって、得られる強化インサートは、製造が容易であり、非常に強い。さらに、その複合体は容易に修正され得る。
【００４０】
したがって得られる強化インサートは、次いで、特に航空分野で部品を強化するために使用され得る。これを達成するために、続いて、強化インサートは、ターボ機械のための部品の周りに、特にターボ機械ケーシングまたはディスクの周りに巻き付けることによって形成され得る。強化インサートは、強化されるべき部品の中に配置される。次いで得られるアセンブリは、熱間等静圧圧縮によって圧縮され得る。その結果、完全な圧縮複合体部品がもたらされる。
【００４１】
当然ながら、本発明は、図面を参照して説明される実施形態に限定されず、本発明の範囲から逸脱せずに、変形形態が考えられ得る。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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