| 【発明の名称】 |
複合材料から成るエレメントの形成方法 |
| 【発明者】 |
【氏名】エマヌエーレ ポデスタ
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| 【要約】 |
【課題】中間軸、タービン用ディスクに用いられる複合材料から成るエレメントの形成方法を提供する。
【解決手段】複合材料から成るエレメントを形成する方法であって、複合材料から成るエレメントのマトリックスを画定する第１のエレメント２０を第１の位置に配置するステップと、複合材料から成るエレメントの補強構造体を画定する第２のエレメント２１を第２の位置に配置するステップと、及び、マトリックス内に補強構造体を配置することができるように、第１のエレメント２０と第２のエレメント例えば炭化ケイ素ベースのファイバー２１とを圧縮するステップとを有し、また、第１のエレメントはチンタン合金などの金属製ワイヤ２０であり、前記第１の配置を形成するステップは、各第２のエレメント２１に金属製ワイヤ２０を規則的に配置するステップを含む方法。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 金属マトリックスと補強構造体とを含む複合材料から成るエレメント（１）を形成する方法であって、−前記マトリックスを画定する第１のエレメント（２０）を第１の位置に配置するステップと、−前記補強構造体を画定する第２エレメント（２１）を第２の位置に配置するステップと、−前記マトリックス内に前記補強構造体を配置できるように、前記第１のエレメント（２０）及び前記第２のエレメント（２１）圧縮するステップとを含み、前記第１のエレメントは金属製ワイヤ（２０）であること、及び前記第１の配置を形成する前記ステップが、前記各第２のエレメント（２１）に前記金属製ワイヤ（２０）を規則的に配置する前記ステップを含むことを特徴とするエレメントを形成する方法。
【請求項２】 前記第２のエレメントは補強ファイバであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】 前記第２のエレメント（２１）に前記金属製ワイヤ（２０）を規則的に配置するステップは、少なくとも１本の前記金属製ワイヤ（２０）を前記各補強ファイバ（２１）に沿って配置することにより、混ぜ込んだエレメント（１６）を準備するステップを含む請求項２に記載の方法。
【請求項４】 前記混ぜ込んだエレメント（１６）を準備するステップは、少なくとも２本の金属製ワイヤ（２０）を、各一対の隣接する前記補強ファイバ（２１）の間に配置するステップを含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】 前記混ぜ込まれたエレメント（１６）を準備する前記ステップは、六角形の頂点を形成する６本の前記金属製ワイヤ（２０）により、各前記補強ファイバ（２１）を囲む前記ステップを含むことを特徴とする請求項３または４に記載の方法。
【請求項６】 前記混ぜ込まれたエレメント（１６）を用意する前記ステップは、前記金属製ワイヤ（２０）により前記補強ファイバ（２１）の周りに画定される六角形の重心に、各前記補強ファイバ（２１）を配置する前記ステップを含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】 前記混ぜ込まれたエレメント（１６）を用意する前記ステップは、前記金属製ワイヤ（２０）だけを用いて、混ぜ込まれたエレメント（１６）の各境界面（２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ）を形成する前記ステップを含むことを特徴とする請求項３から請求項６のうちのいずれかに記載の方法。
【請求項８】 前記金属製ワイヤ（２０）と前記補強ファイバ（２１）は環状であること及び、前記混ぜ込まれたエレメント（１６）を用意する前記ステップは、前記金属製ワイヤ（２０）と前記補強ファイバ（２１）とを金属材料から形成されたトロイダル本体（７）の近傍に配置することにより、実行されることを特徴とする請求項３から請求項７のうちのいずれかに記載の方法。
【請求項９】 前記本体（７）と前記カバー手段（２３、２４、２５）との間に、前記混ぜ込まれたエレメント（１６）を閉じこめるように、金属材料から成るカバー手段（２３、２４、２５）を前記本体（７）に嵌合させることにより、ベース構造体（６）を形成する前記方法を含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】 前記本体（７）と前記カバー手段（２３、２４、２５）は、前記圧縮ステップの終わりで、複合材料（１）から成る前記エレメントの各外側部分を画定すること及び、前記混ぜ込まれたエレメント（１６）は、前記圧縮ステップの終わりで、複合材料（１）から成る前記エレメントの芯を画定することを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】 前記圧縮ステップは、−前記ベース構造体（６）を制御可能な温度及び圧力状態の環境に置くステップと、−前記金属製ワイヤ（２０）、前記本体（７）、及び前記カバー手段（２３、２４、２５）を均一に前記環境の温度を超塑性温度になるまで変化させるステップと、−前記金属製ワイヤ（２０）を変形させ、前記金属製ワイヤ（２０）と前記混ぜ込まれたエレメント（１６）の補強ファイバ（２１）との間の種々の隙間を埋めるように、また、その結果、前記本体（７）と前記カバー手段（２３、２４、２５）を互いに及び前記混ぜ込まれたエレメント（１６）の前記境界面（２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ）の前記金属製ワイヤ（２０）に接着させるように、前記環境の圧力を変化させるステップとを含むことを特徴とする請求項９または１０に記載の方法。
【請求項１２】 前記金属製ワイヤは、チタン合金ベースの材料から形成されることを特徴とする請求項１から請求項１１のうちいずれかの請求項に記載の方法。
【請求項１３】 前記補強ファイバは、セラミック材料から形成されることを特徴とする請求項２から請求項１２のうちいずれかの請求項に記載の方法。
【請求項１４】 前記補強ファイバは、炭化ケイ素ベースの材料から形成されることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】 複合材料から成り、金属材料から成る構造体（４）と複合材料から成る補強エレメント（２、１６）とを含む回転部材（１）であって、前記補強エレメント（２、１６）は、金属製ワイヤ（２０）と補強ファイバ（２１）とを規則的に配置することにより得られ、また、金属材料から成る前記構造体（４）に対し圧縮することにより一体に接続され、前記金属製ワイヤ（２０）からのみ形成された各境界面（２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ）を備えることを特徴とする回転部材（１）。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、複合材料から成るエレメントを形成する方法に関するものであって、特に、中間軸、タービン、及びターボ機械用圧縮器ディスクなどの環状結合構造エレメントを形成する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】フィアタヴィオ エス．ピー．エー．社により１９９６年１２月３日に出願されたイタリア国特許出願第ＴＯ９６Ａ０００９７９号により公知であるように、上のタイプの複合材料から成るエレメントは、多数のディスクを形成し、金属材料製の各スペーサシートを伴ってディスクを積み重ね、補強ファイバから成る種々のスパイラルが埋め込まれる金属マトリックスを形成するように、その堆積体を軸線方向に圧縮することにより製造される。なお、各ディスクは、スパイラルを形成するように、連続した補強ファイバを軸に巻きつけることにより形成される。
【０００３】このような複合材料から成るエレメントの物理的特性は、特に圧縮段階においては、主に、金属マトリックス内の補強ファイバの配置により異なり、どの程度ファイバが均等に配置されるかは、どの程度各ディスクの巻きが等しく所定の間隔を置いて配置されるか、及び、どの程度種々の巻きの動きの自由度が制限されるかにより異なる。
【０００４】いずれにしても、補強ファイバの巻きは、巻き付けられたワイヤを各巻きに締め付けること、及びスパイラルの軸に対して車輪の輻のように延ばすことにより、互いに定位置に固定される。
【０００５】その上、スパイラルを形成するのと同時に、２つの平らなスパイラル状のスペーサワイヤをさらに形成することにより、巻きは、等しく所定の間隔を置いて配置され、一度、巻きに締め付けワイヤが巻かれると、スペーサワイヤは補強ファイバのスパイラルから取り出される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】上に簡単に記述した方法には、欠点がいくつかある。
【０００７】特に、所定の厚さの補強材料から成るディスク及び金属スペーサシートを用いて、複合材料から成るエレメントを形成するということは、金属マトリックス内の補強ファイバを種々所望の位置に配置することができないということを意味する。
【０００８】さらに、上の方法は、種々のかなり複雑な、ゆえにかなり高コストの、操作（補強ワイヤのスパイラルを個別に混ぜ込み、対応の巻きを締め付け、セラミック材料製のディスクとスペーサシートとを積み重ね、複合材料から成るエレメントを形成するように最終的な容器内に堆積体を配置する）を含んでいる。
【０００９】チタンの金属マトリックスである場合には、記述した方法により要求される形状、すなわち０．１ｍｍという一定の厚さのスペーサシートを得ることは容易ではなく、また、スペーサシートには、種々専用の機械加工操作（切削、研削、溶接など）が必要であり、これにより、すでに高コストであるものがさらに高いコストとなる。
【００１０】最後に、締め付けワイヤは、金属マトリックス及び補強ファイバの両方について、不活性材料から形成しなければならない。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明の目的は、公知の方法に典型的に付随する前述の欠点を、簡単で低コストの方法で取り除くように設計された、複合材料から成るエレメントを形成する方法を提供することである。
【００１２】本発明は、−前記マトリックスを画定する第１のエレメントを第１の位置に配置するステップと、−前記補強構造体を画定する第２のエレメントを第２の位置に配置するステップと、−前記マトリックス内に前記補強構造体を配置することができるように、前記第１及び第２のエレメントを圧縮するステップとを有し、前記第１のエレメントが金属製ワイヤであること、及び前記第１の配置を形成する前記ステップは、前記各第２のエレメントに前記金属製ワイヤを規則的に配置するステップを含んでいることを特徴とする、金属マトリックス及び補強構造体を含む複合材料から成るエレメントを形成する方法を提供するものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】本発明の好ましい実施形態を添付図面を参照しながら説明する。
【００１４】図１の番号１は、本発明による方法を用いて形成した複合材料から成るエレメント全体を示している。図示した例では、ターボ機械用圧縮器ディスクのような回転部材を全体として示しているが、このことについては以下に単なる例示として記述している。
【００１５】エレメント１は、対称軸線Ａを有する環状であり、また、平たいディスク状で、貫通孔３の軸線Ａを画定する中央部分２と、中央部分２について軸線に沿って両方向に突出し、放射状に突出する多数のブレード５を外側に支持している、実質的に円筒状の外側部分４とを備えている。
【００１６】さらに、中央部分２は、特に、金属材料（図示した例ではチタン合金から成るマトリックス）、及びセラミック材料（図示した例では炭化ケイ素から成る補強構造体）により、限定される複合材料から形成され、また、金属またはいわゆる「スキン」、好ましくはチタン合金から成る薄い層で外側をコーティングされる。
【００１７】また、外側部分４は、全て金属材料から形成されるが、中央部分２のマトリックスと同じ材料から形成されるのが有利である。
【００１８】エレメント１は、軸線Ａを中心とするトロイダルベース構造体６（図６）を用意し、次に圧縮することにより形成される。
【００１９】構造体６は、実質的に環状の本体７（図２、図４から９）から形成され、本体７は、エレメント１の孔３を画定する軸線Ａを中心とする貫通孔８と、軸線Ａに垂直に延びるディスク状部９とを有する。ディスク状部９の平板な端面１０から、ディスク状部９の外径より小さい外径の円筒形の管状部１１が軸線方向に突出している。
【００２０】孔８は、異なる直径である各円筒状面１２、１３により、部分９及び部分１１で画定されており、各円筒状面１２、１３は、軸線Ａに直角である平板な中間面１４により互いにつながっており、また端面１０の延長部に沿って延びている。さらに、円筒状面１２は、特に、円筒状面１３より大きな直径である。
【００２１】本体７は、軸線Ａについて環状突起部１５をさらに備え、中間面１４から孔８内に突出し、円筒状面１３に向き合う斜辺を備えた直角三角形部分を有している。
【００２２】ベース構造体６は、以下の通りに形成される。
【００２３】まず最初に、エレメント１の金属マトリックスを画定する金属製ワイヤ２０の第１の配置、及びエレメント１の補強構造体を画定するセラミック材料から成るファイバ２１の第２の配置は、本体７上で同軸線に定められる。
【００２４】本発明の重要な特徴は、第１の配置が、各ファイバ２１に対し金属製ワイヤ２０を規則的に配置することにより、形成されることである。ワイヤ２０及びファイバ２１の双方により、図示していない公知の反巻機上で混ぜ込んだ複合材料製のリング１６（図２）が画定される。図示した例では、ワイヤ２０及びファイバ２１は、円形部分を伴った環状であり（図３）、チタン合金及び炭化ケイ素からそれぞれ形成されている。
【００２５】さらに、リング１６は、特に、本体７の管状部１１の中心と同軸線に配置され、ディスク状部９の端面１０上に載置されている。
【００２６】ワイヤ２０及びファイバ２１は、２つのワイヤ２０が各一対のファイバ２１の間に配置される混ぜ型（図３）で結合するのが有利である。さらに、この混ぜ型で、各ファイバ２１は、六角形の頂点を形成する６本のワイヤ２０により囲まれており、六角形の重心を占めている。
【００２７】リング１６は、外側方向に放射状に延びる円筒状側面２２ａ及び内側方向に放射状に延びる円筒状側面２２ｂと、２つの対向する平らな環状端面２２ｃ及び２２ｄとにより、外部に画定されており、以下に詳述するように、その面２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄは、圧縮ステップの後に、リング１６、本体７、及び他の金属部である構造体６を、確実に、連続した構造とするために、金属製ワイヤ２０のみから形成されている。
【００２８】ワイヤ２０及びファイバ２１は、同じ直径であり、ともに、（図３で点線により示した）多数の六角形のベースセル１８を画定しており、また各ベースセル１８は、中央ファイバ２１と、相互に１２０°の角度をなして隣り合い中央ファイバ２１を囲んでいる６本のワイヤ２０とにより、画定されている。その結果、補強構造体の体積はマトリックスの体積の３３％となる。
【００２９】構造体６は、２つの環状閉鎖エレメント２３、２４（図４及び５）及びカバー２５（図６）と本体７を同軸線で嵌合することにより完成する。なお、これらの部材は、本体７とともにリング１６の閉鎖シートを画定している。
【００３０】特に図４から図９を参照すると、閉鎖エレメント２３は、本体７の管状部１１と同じ軸線方向高さであり、また、閉鎖エレメント（またはピストンリング）２４の軸線方向高さは、管状部１１とリング１６との軸線方向高さの間の差と等しい。
【００３１】閉鎖エレメント２３は、本体７のディスク状部９の端面１０上に載置されるように、リング１６の放射状外側面２２ａに取り付けられ、また、同様に、閉鎖エレメント２４は、ディスク状部９の反対側において、リング１６の端面２２ｄ上に載置されるように、本体７の管状部１１と閉鎖エレメント２３との間に挿入される。
【００３２】カバー２５は、円形で環状のディスク状壁２８を備えており、ディスク状壁２８の放射状内周端部及び放射状外周端部からは、各同心の円筒状内壁２９と円筒状外壁３０とが突出している。
【００３３】カバー２５は、閉鎖エレメント２３、２４と本体７の管状部１１の各自由軸端部が面するディスク状壁２８を配置し、円筒状壁２９の端部が突起部１５上に載置されるように壁２９を孔８内に挿入し、また、円筒状壁３０の端部が本体７のディスク状部９の周辺環状肩部３１上に載置されるように、閉鎖エレメント２３の外側に壁３０を取り付けることにより、組み立てられる。
【００３４】次に、突起部１５の接触部分と肩部３１の接触部分とをスポット溶接することにより、カバー２５を本体７に取り付ける。
【００３５】この時に、構造体６を約６００℃まで加熱するために、公知の分子ポンプ（図示せず）とマッフル炉（図示せず）とを用いて、構造体６の内部の空気を抜く。
【００３６】自動温度及び圧力制御を伴うヒッピング（熱間等静圧圧縮成形）加工を行うために、空気を抜いた構造体６は、従来の高圧釜（図示せず）内で圧縮される。
【００３７】第１段階で、約２時間続けて、周囲の状態において、最初に、高圧釜の温度を、チタン合金の超塑性温度まで（記述した例では約９００℃まで）上昇させる。
【００３８】次に、高圧釜の温度を、構造体６を画定する全部分が均一の温度に達する程度に長く一定に維持する。これにかかる時間は、平均２時間であるが、以下の理由により、この段階における熱伝導が減速することを考慮して計算される。すなわち、構造体６内の空気がないことにより、また、リング１６の面２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄのワイヤ２０と本体７との間の接触領域が非常に狭く、そのために、ワイヤ２０の熱伝導により極少量の熱伝導をする可能性があるということにより、この段階における熱伝導が減速することを考慮して計算される。同時に、周囲のハウジング構造体６内の高圧釜により限定された圧力を、閾値まで（記述した例では９００ｋｇ／ｃｍ2まで）上昇させ、この結果、カバー２５のディスク状壁２８が軸線Ａ（図７）に平行な方向に永久変形を生じる。カバー２５のディスク状壁２８は、特に、閉鎖エレメント２４上に載置するように曲がり、閉鎖エレメント２４が、順次、複合材料から成るリング１６を押圧し、圧力平衡装置兼伝達装置として作用する。一度、カバー２５のディスク状壁２８が、閉鎖エレメント２４が複合材料から成るリング１６を軸線方向に押しつけることができる程度に変形すると、金属製ワイヤ２０は、ワイヤ２０とファイバ２１との間にもともと存在した隙間を埋めるように変形する。この段階で、複合材料から成るリング１６は軸線Ａに沿って収縮し、また、確実に金属マトリックス内に補強構造体を定位置に配置できるように、軸線Ａについてのファイバ２１の位置が一定に保たれる。この段階で、高圧釜内の圧力は、さらに、構造体６全体が陥没する程度の閾値まで（図示した例では約１３００ｋｇ／ｃｍ2まで）上昇し、これにより、構造体６はさらに軸線Ａに対して交差方向に圧縮される（図９）。さらに、カバー２５の円筒状壁２９、３０は、特に、閉鎖エレメント２４の放射状外面と及び孔８を画定している面１３とにそれぞれ付着しており、また、複合材料から成るリング１６は、金属周面２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄに沿って、本体７のディスク状部９及び管状部１１と、閉鎖エレメント２３及び２４とに付着している。
【００３９】次に、圧縮された構造体６について、金属マトリックス及び補強ファイバ２１の熱膨張係数が異なることにより、複合材料から成るリング１６から由来した部分で生じた残りの圧力を最小限にするように、温度と圧力を下げる。
【００４０】リング１６から由来したエレメント１の部分は、図１０の形状となる。図１０の形状において、ファイバ２１は、金属マトリックス内に均等に配置されており、また軸線Ａに垂直方向に等間隔を置き、軸線Ａに平行な方向に種々の間隔を置くことにより、区切られている。
【００４１】最後に、圧縮された構造体６に、機械加工または同様の方法を行いエレメント１の最終的な形状を得ることができる。特にブレード５は、本体７のディスク状部９に由来した圧縮された構造体６の一部から形成される。
【００４２】
【発明の効果】従って、複合材料から成るエレメント１のマトリックスを形成するために金属製ワイヤ２０を用いて、ワイヤ２０とファイバ２１の直径を適宜選択することにより、金属マトリックス内の補強構造体を種々所望の位置に配置することができる。
【００４３】特に、各補強ファイバ２１に関して金属製ワイヤ２０の配置の型を適宜選択することにより、例えば、前述の六角形の配置を適用することにより、軸線Ａに対するファイバ２１の位置を維持するように、圧縮中のファイバ２１の動きの自由度を制限することができる。
【００４４】さらに、公知の方法とは異なり、記述した方法を用いて、ワイヤ２０及びファイバ２１を、混ぜ込み、直接、金属マトリックスであるエレメント１の一部を形成することがある部材（本体７）とすることにより、複合材料から成るエレメント１を形成することができる。このようにして、各ディスクの巻きを締め付け、補強ワイヤの別個のディスクを製造する必要がなくなり、また、間に各金属製のスペーサシートを伴ってディスクを積み上げ、エレメント１を製造するための容器にその堆積体を配置する長く複雑な工程も不要となる。
【００４５】スペーサシートは、チタンベースである場合は特に高価であるので、シートを用意する際の作業を行わずに済ませることができ、著しくコストを削減できる。
【００４６】最後に、圧縮段階の構造体６の収縮は、前述した公知の方法を用いるセラミックディスク及び金属製スペーサシートの堆積体の収縮より小さい。
【００４７】ただし、添付の特許請求項の範囲を逸脱しない限り、ここに記述し図示した方法を変更することができるのは、明らかである。
【００４８】特に、補強ファイバ２１は、金属など異なる材料から形成することができる。
【００４９】本体７、閉鎖エレメント２３、２４、及びカバー２５は、互いに異なる金属材料、及びワイヤ２０の材料とは異なる材料から形成することができる。
【００５０】最後に、複合材料から成るリング１６は、一度形成すると、構造体６から引き抜き、異なる複合材料から成るエレメントを形成するために用いることもできる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】５９１２４３９６３
【氏名又は名称】エラシス システマ リセルカ フィアット ネル メッツォジオルノ ソチエタ コンソルティレ ペル アジオニ
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| 【出願日】 |
平成１２年１１月６日（２０００．１１．６） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００６５２１５
【弁理士】
【氏名又は名称】三枝 英二 （外８名）
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| 【公開番号】 |
特開２００１−２３４３０７（Ｐ２００１−２３４３０７Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年８月３１日（２００１．８．３１） |
| 【出願番号】 |
特願２０００−３３７８２０（Ｐ２０００−３３７８２０） |
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