(57)【要約】  【課題】  複数の金属箔を１枚の箔に加圧成形するときの接合欠陥を低減すること。  【解決手段】  本発明による加圧成形装置１は、複数の金属箔７、８を備えている加圧対象６を加圧成形するプレート２、３と、加圧対象６とプレート２、３との間に配置される定盤４、５とを備えている。定盤４、５が塑性変形するときの変形抵抗は、金属箔７、８が塑性変形するときの変形抵抗と概ね等しい。加圧成形装置１は、加圧対象６を加圧成形するときに、定盤４、５が塑性変形して加圧対象６を均一に加圧することができる。この結果、複数の金属箔７、８は、互いにムラなく、より確実に接合される。  【選択図】図１
2005074452.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の金属箔を備える加圧対象を加圧成形するプレートと、
前記加圧対象と前記プレートとの間に配置される定盤とを具備し、
前記定盤の硬さは、前記金属箔の硬さと概ね等しい
加圧成形装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記金属箔は、
第１金属箔と、
前記第１金属箔を形成する金属と同種の金属により形成される第２金属箔とを備え、
前記加圧対象は、前記第１金属箔と前記第２金属箔との間に配置される繊維を更に備える
加圧成形装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２のいずれかにおいて、
前記定盤の主成分は、前記金属箔の主成分と一致する
加圧成形装置。
【請求項４】
請求項３において、
前記金属箔は、チタンを主成分とする金属から形成され、
前記定盤は、チタンを主成分とする金属から形成される
加圧成形装置。
【請求項５】
請求項１において、
前記金属箔は、
第１金属箔と、
前記第１金属箔を形成する金属と異なる金属により形成される第２金属箔とを備える
加圧成形装置。
【請求項６】
請求項１〜請求項５のいずれかにおいて、
前記定盤は、他の定盤と交換可能に前記プレートに支持される
加圧成形装置。
【請求項７】
請求項６に記載されている加圧成形装置を用いて前記加圧対象を加圧成形する加圧成形方法であり、
前記加圧対象を加圧成形するステップと、
前記加圧成形するステップによる前記定盤の変形量を検査するステップと、
前記変形量が所定の値を超えるときに、前記定盤を前記他の定盤に交換するステップ
とを具備する加圧成形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加圧成形装置及び加圧成形方法に関し、特に、複数の金属箔を加圧して１枚の箔に成形するときに利用される加圧成形装置及び加圧成形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属の母材の中に高強度の繊維を分散させて強化した金属基複合材料が知られている。その金属基複合材料として、帯状に成形された金属基複合材料モノテーププリフォームが例示される。その金属基複合材料モノテーププリフォーム１２０は、図２に示されているように、チタン合金箔１２１、１２２が強化繊維１２３を挟んで密封している。強化繊維１２３は、炭素Ｃから形成されているカーボン心線１２４に炭化ケイ素ＳｉＣにより形成される層１２５に被覆されて形成されている。チタン合金箔１２１とチタン合金箔１２２は、その界面１２６で金属結合により接合されている。このような金属基複合材料モノテーププリフォーム１２０は、熱間静水圧成形によりさらに成形され、高比強度、高比剛性を要する航空機用エンジンなどの部品に適用されている。
【０００３】
図３は、金属基複合材料モノテーププリフォーム１２０を成形する加圧成形装置を示している。その加圧成形装置１００は、一対のホットプレート１０２、１０３と一対の定盤１０４、１０５とを備えている。加圧成形装置１００は、図示されていない減圧された環境を生成する真空チャンバーの内部に配置されている。ホットプレート１０２は、取付面１１１を有している。ホットプレート１０３は、取付面１１２を有している。取付面１１１は、取付面１１２に平行であり、取付面１１２に対向している。定盤１０４は、取付面１１１に密着されてホットプレート１０２に支持されている。定盤１０５は、取付面１１２に密着されてホットプレート１０３に支持されている。定盤１０４は、平坦である加圧面１１３を有している。定盤１０５は、平坦である加圧面１１４を有している。加圧面１１３は、加圧面１１４に平行であり、加圧面１１４に対向している。加圧面１１３と加圧面１１４との間には、加圧対象１０６が配置される。
【０００４】
加圧対象１０６は、チタン合金箔１０７、１０８と強化繊維１０９とから形成されている。チタン合金箔１０７は、厚さが０．０５ｍｍ〜０．２０ｍｍである帯に成形されている。チタン合金箔１０８は、厚さが０．０５ｍｍ〜０．２０ｍｍである帯に成形されている。すなわち、チタン合金箔１０７の厚さは、チタン合金箔１０８の厚さに概ね等しい。チタン合金箔１０７、１０８は、それぞれ、チタンＴｉを主成分とするチタン合金から形成されている。
【０００５】
強化繊維１０９は、直径（太さ）が０．１４ｍｍである複数の繊維の束である。その繊維は、それぞれ、炭素Ｃから形成されているカーボン心線に炭化ケイ素ＳｉＣが蒸着により被覆されて形成されている。強化繊維１０９は、引っ張り強度がチタン合金箔１０７、１０８より大きい。
【０００６】
加圧成形装置１００は、さらに、図示されていないヒータと駆動装置とを備えている。そのヒータは、２つのホットプレート１０２、１０３を加熱して、加圧対象１０６を加熱する。その駆動装置は、ホットプレート１０２とホットプレート１０３とを近づけるように駆動し、加圧対象１０６を加圧（圧縮）する。
【０００７】
金属基複合材料モノテーププリフォームを製造するには、まず、チタン合金箔１０７、１０８の間に強化繊維１０９が挟みこまれて、加圧対象１０６が形成される。その加圧対象１０６は、離型剤が塗布された加圧面１１３、１１４の間に挿入される。加圧成形装置１００が配置される環境は、真空チャンバーにより減圧される。加圧成形装置１００は、ヒーターによりホットプレート１０２、１０３を加熱して加圧対象１０６を加熱する。加圧成形装置１００は、加圧対象１０６が約７００℃〜１２００℃に達したら、加圧対象１０６を約７００℃〜１２００℃に保持しながら、加圧対象１０６を１ＭＰａ〜１０ＭＰａの圧力で加圧する。加圧対象１０６は、約０．５時間〜１０時間このように加圧されることにより、チタン合金箔１０７、１０８が塑性変形して互いに接合し、金属基複合材料モノテーププリフォームに成形される。
【０００８】
加圧成形装置１００は、加圧対象１０６の厚さにムラがあるときに、加圧面１１３、１１４が平坦ではないときに、または、加圧面１１３、１１４が互いに平行ではないときに、加圧対象１０６は、均一に加圧されないで、チタン合金箔１０７、１０８の界面のうちの接合していない部分である接合欠陥が生成される。その接合欠陥は、金属基複合材料モノテーププリフォームの外部からチタン合金箔１０７、１０８と強化繊維１０９との界面に異物及び大気の浸入を許し、その界面の汚染及び酸化を誘発させる。２枚の金属箔をより確実に接合する加圧成形装置が望まれている。
【０００９】
特開平７−１７９９６２号公報には、ＲＯＭによる理論強度の９０％を超える強度を発揮することのできる連続繊維強化チタン基複合材料及びその製造方法が開示されている。その連続繊維強化チタン基複合材料は、チタン合金薄板と、一方向に配列されたＳｉＣ連続繊維を交互に積み重ね、真空度が１０−１Ｐａ以上の真空中若しくは不活性ガス雰囲気中にて、加熱温度７００〜８５０℃、圧力５ＭＰａ以上、加圧時間１０時間以下の条件でホットプレスして製造される。
【００１０】
特開２０００−３３４８５号公報には、積層作業が容易で作業者の熟練を必要とせず、繊維などの強化材に起因する表面の凹凸もなく、品質の安定した金属基複合材が得られる金属基複合材が開示されている。その金属基複合材の製造方法では、基材を構成する金属又は合金の板に、周囲に縁部を残してケミカルミーリング法などの手法により強化材料の外形に合わせた形状の凹部を形成し、その凹部に強化材を挿入した単位構成材を作製して、これを積層している。
【００１１】
特開２００１−１１５９４号公報には、歩留まりを良くしてコストの向上を抑制し、マトリックスの選択自由度が高い金属基材料プリフォームおよびその製造方法、ホットプレス装置、並びに、金属基複合材料およびその製造方法が開示されている。その金属基材料プリフォームの製造方法では、まず、カーボン心線の外表面にＳｉＣ層を形成して強化繊維を作り、この強化繊維を横糸により平行にまとめて強化繊維体を形成している。そして、強化繊維体をＴｉ合金箔で挟んでホットプレスし、モノテーププリフォームを製造している。
【００１２】
特開２００３−１３８３５２号公報には、比強度が高く均一的に安定した性能を有するとともに、低コストで以って製造可能な金属基複合材料の成形方法が開示されている。その金属基複合材料の成形方法は、チタン若しくはチタン合金等の金属基材に炭化ケイ素等の強化繊維を含有させたプリフォームを封入した活力容器に、その金属基材に拡散接合温度の高温域であるＨＩＰ処理可能な温度にて熱間静水圧成形を施す前段で、初気圧を付与した容器内をＨＩＰ処理温度未満で、かつ塑性変形温度低温域又は中温域の温度まで昇温させた後、その温度域を所定時間保持して予備成形を行うことを特徴としている。たとえば、チタン若しくはチタン合金の場合、予備成形の圧力容器内温度は約３００℃以上７００℃未満でかつ圧力容器内圧力を約３０ｋｇ／ｃｍ２から１００ｋｇ／ｃｍ２以内となるようにしている。
【００１３】
特開２００３−１３８３５４号公報には、繊維延設方向と垂直方向にかかる応力に対しての強度低下を殆ど生じることなく、安定した機能性を有し信頼性のある金属基複合材料が開示されている。その金属基複合材料は、平板状の強化繊維が金属基材の間に挟持され、熱間圧延成形若しくは熱間静水圧成形等により複合化された金属基複合材料において、強化繊維の延設方向接合端が強化繊維方向に対する接合角度を約５°から６０°として斜め方向に付き合せて接合されている複合材料であって、さらに好ましくは、複数の金属基材及び強化繊維を相互に積層させて複合材料を形成する時に、付き合わせ接合位置に隣接する上方若しくは下方の強化繊維積層帯が接合部を有さない連続体であるように形成したことを特徴としている。
【００１４】
【特許文献１】特開平７−１７９９６２号公報
【特許文献２】特開２０００−３３４８５号公報
【特許文献３】特開２００１−１１５９４号公報
【特許文献４】特開２００３−１３８３５２号公報
【特許文献５】特開２００３−１３８３５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明の課題は、接合される金属箔の接合欠陥を低減する加圧成形装置及び加圧成形方法を提供することにある。
本発明の他の課題は、金属基複合材料モノテーププリフォームの接合欠陥を低減する加圧成形装置及び加圧成形方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
以下に、発明を実施するための最良の形態・実施例で使用される符号を括弧付きで用いて、課題を解決するための手段を記載する。この符号は、特許請求の範囲の記載と発明を実施するための最良の形態・実施例の記載との対応を明らかにするために付加されたものであり、特許請求の範囲に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【００１７】
本発明による加圧成形装置（１）は、複数の金属箔（７、８）を備えている加圧対象（６）を加圧成形するプレート（２、３）と、加圧対象（６）とプレート（２、３）との間に配置される定盤（４、５）とを備えている。定盤（４、５）の硬さは、金属箔（７、８）の硬さと概ね等しい。すなわち、定盤（４、５）が塑性変形するときの変形抵抗は、金属箔（７、８）が塑性変形するときの変形抵抗と概ね等しい。定盤（４、５）は、さらに、複数の金属箔（７、８）を接合することに十分な圧力を加圧対象（６）に伝達することができる程度に硬く、かつ、その加圧時に加圧対象（６）とともに塑性変形する程度に柔らかいことがより好ましい。加圧成形装置（１）は、加圧対象（６）を加圧成形するときに、定盤（４、５）が塑性変形して加圧対象（６）を均一に加圧成形することができる。この結果、複数の金属箔（７、８）は、互いにムラなく接合される。
【００１８】
金属箔（７、８）は、第１金属箔（７）と第１金属箔（７）を形成する金属と同種の金属により形成される第２金属箔（８）とを備えている。加圧対象（６）は、第１金属箔（７）と第２金属箔（８）との間に配置される繊維（９）を更に備えている。すなわち、加圧成形装置（１）は、加圧対象（６）を繊維強化金属に加圧成形するときに適用されることが好ましく、特に、加圧対象（６）を金属基複合材料モノテーププリフォームに加圧成形するときに適用されることが好ましい。
【００１９】
定盤（４、５）の主成分は、金属箔（７、８）の主成分と一致していることが好ましい。特に、金属箔（７、８）がチタンＴｉを主成分とする金属から形成されているときに、定盤（４、５）は、チタンＴｉを主成分とする金属から形成されていることが好ましい。
【００２０】
金属箔は、第１金属箔と第２金属箔とを備え、第１金属箔を形成する金属は、第２金属箔を形成する金属と異なっている。すなわち、加圧成形装置（１）は、バイメタルに加圧成形するときに適用されることが好ましい。
【００２１】
定盤（４、５）は、他の定盤と交換可能にプレート（２、３）に支持されることが好ましい。加圧成形装置（１）が加圧対象（６）を加圧成形することを繰り返すと、定盤（４、５）は、加圧対象（６）の圧縮に悪影響を及ぼす程度に塑性変形する。加圧成形装置（１）は、大きく塑性変形した定盤（４、５）を新しい他の定盤に交換されることができる。
【００２２】
本発明による加圧成形方法は、本発明による加圧成形装置（１）を用いて加圧対象（６）を加圧成形して金属基複合材料または金属積層箔を生産する方法である。本発明による加圧成形方法は、加圧対象（６）を加圧成形するステップと、加圧成形するステップによる定盤（４、５）の変形量を検査するステップと、変形量が所定の値を超えるときに、定盤（４、５）を他の定盤に交換するステップとを備えている。定盤（４、５）は、加圧成形装置（１）が加圧対象（６）を加圧成形することを繰り返すと、加圧対象（６）に悪影響を及ぼす程度に塑性変形する。定盤（４、５）が大きく塑性変形したときに新しい他の定盤に交換することは、接合される金属箔（７、８）の接合欠陥が低減されるため好ましい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明による加圧成形装置及び加圧成形方法は、複数の金属箔を加圧して１枚の箔に成形するときに、その金属箔の接合欠陥を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
図面を参照して、本発明による加圧成形装置の実施の形態を記載する。その加圧成形装置１は、図１に示されているように、一対のホットプレート２、３と一対の定盤４、５とを備えている。加圧成形装置１は、図示されていない減圧された環境を生成する真空チャンバーの内部に配置されている。ホットプレート２は、取付面１１を有している。ホットプレート３は、取付面１２を有している。取付面１１は、取付面１２に平行であり、取付面１２に対向している。定盤４は、成形する箔の約１０倍もしくはそれ以上の厚みを持っている。定盤４は、図示されていないボルトとナットとを用いて取付面１１に密着して取り付けられて、ホットプレート２に支持されている。定盤５は、成形する箔の約１０倍もしくはそれ以上の厚みを持っている。すなわち、定盤４の厚さは、定盤５の厚さと概ね等しい。定盤５は、図示されていないボルトとナットとを用いて取付面１２に密着して取り付けられ、ホットプレート３に支持されている。このため、加圧成形装置１は、定盤４を他の定盤と交換することができ、定盤５を他の定盤と交換することができる。定盤４、５は、それぞれ、チタンＴｉを主成分とするチタン合金から形成されている。定盤４は、平坦である加圧面１３を有している。定盤５は、平坦である加圧面１４を有している。加圧面１３は、加圧面１４に平行であり、加圧面１４に対向している。加圧面１３と加圧面１４との間には、加圧対象６が配置される。
【００２５】
加圧対象６は、チタン合金箔７、８と強化繊維９とから形成されている。チタン合金箔７は、一定幅、幅方向の平均板厚が一定である帯に成形されている。チタン合金箔８は、一定幅、幅方向の平均板厚が一定である帯に成形されている。すなわち、チタン合金箔７の厚さは、チタン合金箔８の厚さに概ね等しく、定盤４または定盤５の厚さは、チタン合金箔７、８の厚さの概ね１０倍である。チタン合金箔７、８は、それぞれ、チタンＴｉを主成分とするチタン合金から形成されている。チタン合金箔７、８は、それぞれ、７００℃〜１２００℃での硬さが定盤４、５の硬さと概ね等しく、すなわち、７００℃〜１２００℃で塑性変形するときの変形抵抗が定盤４、５の変形抵抗と概ね等しい。より詳細には、定盤４、５は、チタン合金箔７、８とを接合することに十分な圧力（１ＭＰａ〜１０ＭＰａ）を加圧対象６に伝達することができる程度に硬く、かつ、その加圧時に加圧対象６とともに塑性変形する程度に柔らかい。
【００２６】
強化繊維９は、直径（太さ）が０．１４ｍｍである複数の繊維の束である。その繊維は、それぞれ、炭素Ｃから形成されているカーボン心線に炭化ケイ素ＳｉＣが蒸着により被覆されて形成されている。強化繊維９は、引っ張り強度がチタン合金箔７、８より大きい。
【００２７】
加圧成形装置１は、さらに、図示されていないヒータと駆動装置とを備えている。そのヒータは、２つのホットプレート２、３を加熱して、加圧対象６を加熱する。その駆動装置は、ホットプレート２とホットプレート３とを近づけるように駆動し、加圧対象６を加圧（圧縮）する。
【００２８】
本発明による加圧成形方法の実施の形態では、まず、チタン合金箔７、８の間に強化繊維９が挟みこまれて、加圧対象６が形成される。その加圧対象６は、離型剤が塗布された加圧面１３、１４の間に挿入される。加圧成形装置１が配置される環境は、真空チャンバーにより減圧される。加圧成形装置１は、ヒーターによりホットプレート２、３を加熱して加圧対象６を加熱する。加圧成形装置１は、加圧対象６が約７００℃〜１２００℃に達したら、加圧対象６を約７００℃〜１２００℃に保持しながら、加圧対象６を１ＭＰａ〜１０ＭＰａの圧力で加圧する。加圧対象６は、約０．５時間〜１０時間このように加圧されることにより、チタン合金箔７、８が塑性変形して互いに接合し、金属基複合材料モノテーププリフォームに成形される。
【００２９】
定盤４、５は、加圧対象６が加圧されているときに、加圧対象６に密着するように塑性変形する。この結果、加圧成形装置１は、加圧対象６を均一に加圧することができ、加圧対象６の厚さにムラがあるときに、加圧面１３、１４が平坦ではないときに、または、加圧面１３、１４が互いに平行ではないときに、チタン合金箔７、８をより確実に接合することができる。このように製造された金属基複合材料モノテーププリフォームは、チタン合金箔７、８の界面のうちの接合していない部分である接合欠陥がより少なく好ましい。
【００３０】
成形された金属基複合材料モノテーププリフォームが加圧成形装置１から取り外された後に、定盤４、５の変形量が検査される。その変形量が所定の量を超えたときに、加圧成形装置１は、定盤４、５が新しい定盤に交換される。定盤４、５は、加圧成形装置１が加圧対象６を加圧成形することを繰り返すと、次に加圧される加圧対象６を正常に加圧することができない程度に塑性変形する。たとえば、加圧成形装置１は、加圧対象６を加圧成形するときに加圧面１３、１４の強化繊維と箔を加圧する部分がおおきく窪んでしまう程度に定盤４、５が変形したときに、加圧対象６全面を正常に加圧することができない。このように大きく塑性変形した定盤４、５を新しい他の定盤に交換することにより、加圧成形装置１は、再度、加圧対象６を均一に加圧して、金属箔７、８をより確実に接合することができる。
【００３１】
加圧成形装置１は、加圧対象６を２枚の異種金属により形成された金属箔から形成される加圧対象に置換することができる。このとき、定盤４、５は、既述の実施の形態と同様にして、その金属箔を互いに接合することに十分な圧力をその加圧対象に伝達することができる程度に硬く、かつ、その加圧時に加圧対象とともに塑性変形する程度に柔らかい金属により形成されている。このとき、加圧成形装置１は、その加圧対象を加圧してバイメタルまたはクラッド材に成形する。そのバイメタルは、２枚の板の線膨張係数が互いに異なることによって、温度変化に伴いたわみ、温度の検出に利用される。そのクラッド材は、高価な材料を少量だけ使い、耐食性、耐摩耗性、美観など、表面に依存した性質を出して、コスト低減を図るためにもちいられる。このように製造されるバイメタルまたはクラッド材は、２つの金属箔の界面のうちの接合していない部分である接合欠陥がより少なく好ましい。すなわち、加圧成形装置１は、バイメタル、クラッド材を加圧成形するときに利用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】図１は、本発明による加圧成形装置の実施の形態を示す断面図であり、加圧対象の長手方向に垂直な平面で切断した断面図である。
【図２】図２は、金属基複合材料モノテーププリフォームを示す断面図である。
【図３】図３は、公知の加圧成形装置の実施の形態を示す断面図であり、加圧対象の長手方向に垂直な平面で切断した断面図である。
【符号の説明】
【００３３】
１  ：加圧成形装置
２  ：ホットプレート
３  ：ホットプレート
４  ：定盤
５  ：定盤
６  ：加圧対象
７  ：チタン合金箔
８  ：チタン合金箔
９  ：強化繊維
１１：取付面
１２：取付面
１３：加圧面
１４：加圧面
【図１】
2005074452.tif 000003
【図２】
2005074452.tif 000004
【図３】
2005074452.tif 000005