JP2008161942A - 金属マトリックス複合材の摩擦撹拌溶接 - Google Patents

Abstract

【課題】繊維強化複合材の金属マトリックス中の体積分率を接合前と実質的に同じとなるように接合する繊維強化複合材の製造方法を提供する。
【解決手段】その中に分布する強化用繊維を有する金属マトリックスからなる第１複合材１１２及び第２複合材１１４を、突合せ面に沿って摩擦撹拌接合を行う。第１複合材は所定の接合経路に沿った固体結合によって第２複合材に結合されて、接合経路内の強化用繊維の平均体積分率が複合部材の平均体積分率と実質的に同じになる。
【選択図】図２

Description

本発明は概して金属マトリックス構成材に関し、より詳細には、摩擦撹拌溶接（摩擦撹拌接合）によるそのような構成材の結合に関する。

従来技術では、強化用繊維を有する金属マトリックスを用いて複合材料を構成すること（以下、「金属マトリックス複合材」という）が知られている。これらの材料は、軽量性と高い強度を兼ね備える。一般的に、強化用繊維は長さが比較的短く、構成材が等方特性を有するように不規則に配向される。そのような複合材から構成することのできるタービンエンジン構成材の非限定的な例として、回転ファンブレードや他の種類の翼形、回転軸および回転ディスク、静的構造などが挙げられる。

金属マトリックス複合材は、所望の形状に成形することや、加熱溶接等の手段を介して結合することができる。残念ながら、溶接工程中に生じる流体流れがこの所望の配向を妨げ、ひいては厄介なことに、マトリックスのみで構成材にかけられるすべての負荷を支える領域を接合部に沿って形成する。

したがって、その機械特性を保ちつつ金属マトリックス複合材を接合する必要性がある。

上述の要求は本発明によって満たされ、本発明は１つの態様にしたがって、特定の配向でその中に分布する強化用繊維を有する金属マトリックスからなる第１複合部材を提供し；特定の配向でその中に分布する強化用繊維を有する金属マトリックスからなる第２複合部材を提供し；所定の接合経路に沿った摩擦撹拌溶接によって該第１部材を該第２部材に接合して、該接合経路内の該強化用繊維の平均体積分率が接合前の該複合部材における該強化用繊維の平均体積分率と実質的に同じにすることを含む、繊維強化複合材の製造方法を提供する。

本発明の別の態様にしたがって、繊維強化複合材は、特定の配向でその中に分布する強化用繊維を有する金属マトリックスからなる第１複合部材と；特定の配向でその中に分布する強化用繊維を有する金属マトリックスからなる第２複合部材とを含み；該第１部材は所定の接合経路に沿った固体結合によって該第２部材に結合されて、該接合経路内の該強化用繊維の平均体積分率が該部材の残材における該強化用繊維の平均体積分率と実質的に同じになる。

本発明は、添付図面と併せて以下の説明を参照することにより、最もよく理解できるであろう。

さまざまな図を通して同一の参照番号が同一の要素を示す図面を参照すると、図１は、接合経路１６に沿って結合された第１および第２部材１２および１４からなる、例示的な従来技術の強化金属マトリックス構成材１０を示す。部材１２および１４はともに、その中に強化用繊維２０が配置される金属ポリマーマトリックス１８からなる複合材料から作られる。図示の例では、強化用繊維２０は、部材１２および１４に等方構造特性を与えるように不規則な三次元配向性を有する。なお、繊維２０は説明のために極めて誇張して示されている。部材１２および１４は熱溶接等の従来工程を用いて結合され、そこで各部材１２および１４のマトリックス１８は、溶融して一緒に流動するように、接合部に沿って固相点を超える温度まで加熱される。部材１２および１４はその後、単一の構成材１０を形成するように冷却することができる。残念ながら、熱溶接工程は、その中に強化用繊維２０がないか、または強化用繊維２０が独自の分布密度すなわち配向で分布する熱影響部２２を形成する。こういった状況下では、接合経路１６の周囲の領域は、強化用繊維２０の使用から期待される最大限の強度に達していない。

図２から図４は、摩擦撹拌溶接を用いた突き合わせ接合における強化金属マトリックス複合材の結合工程を示す。この例では、第１および第２部材１１２および１１４は接合経路１１６に沿って結合されて、完成した構成材１１０を形成する。図示の部材１１２および１１４は、一定厚を有する単純な板状要素である。しかしながら、これらは単なる代表的な例であり、本明細書で説明される工程は、摩擦撹拌溶接の影響を受けやすいあらゆるタイプの構成材を接合するために使用することができる。繊維強化金属から構成することのできるタービンエンジン構成材の例として、回転ファンブレード、出口案内翼、反転翼列および他のさまざまな静的構造などが挙げられる。さらに、本方法は、図示の突き合わせ接合以外の接合構造にも適用できる。

第１および第２部材１１２および１１４の各々は、強化用繊維１２０がその中に配置される金属マトリックス１１８からなる。図示の例では、強化用繊維１２０は、部材１１２および１１４に等方構造特性を与えるように不規則な三次元配向性を有しているが、所望の特性を得るために他の配向性を使用することもできる。強化用繊維１２０は基本的に、部材１１２および１１４の各々の全体積にわたって均一に分布する。この分布は、マトリックス１１８の単位体積に対する繊維の平均体積分率で説明することができる。すなわち、０．０という値はマトリックス１１８内に強化用繊維１２０が全くないことを表し、１．０という値は強化用繊維１２０が隙間なく密集していることを表す。

金属マトリックス１１８は、特定用途の要求に応じて異なる。構成成分として適していることが知られている金属の非限定的な例の１つは、チタンとその合金である。

強化用繊維１２０もまた、特定用途に応じて異なる。繊維は、マトリックス１１８との相乗的な構造的結合を形成するために、マトリックス１１８を超える引張強度を効果的に有する。強化用繊維１２０に利用できる材料の非限定的な例として、シリコンコートカーボン、炭化ケイ素、タングステン、ガラス、他の種類の炭素繊維および金属などが挙げられる。図示の例では、強化用繊維１２０は、約１マイクロメーター（４０マイクロインチ）〜約２５マイクロメーター（９８０マイクロインチ）の直径を有し、約１００〜約１５，０００のアスペクト比で約１ｍｍ（０．００４インチ）〜約３８ｃｍ（１４．７インチ）の長さが得られる。

部材１１２は、摩擦撹拌溶接工程を用いて部材１１４に接合される。溶接工程は、既知のタイプの摩擦撹拌溶接機械器具（図示せず）を用いて行われる。図２に示されるように、先端「Ｒ」を有する円筒状の段付耐摩耗性ピン「Ｐ」が回転し、接合経路１１６に押し付けられる。ピンＰと部材１１２および１１４の間の摩擦により、材料が軟化して、溶融することなく流動するようになる。したがって、摩擦撹拌溶接は固体結合工程の一種である。図示の例では、ピンＰは約１０．７ｍｍ（０．４２０インチ）の段直径「Ｄ」を有し、先端Ｒは、段からその遠位端まで約２．８ｍｍ（０．１１０インチ）の長さ「ｌ」と約６．４ｍｍ（０．２５０インチ）の直径「ｄ」を有しており、そこに左ねじが形成される。以下の例示的パラメータが好ましい摩擦撹拌溶接結合をもたらすことが分かった：ピン速度は約７００〜約９００ＲＰＭ、横移動速度は約１０ｃｍ／分（４インチ／分）〜約１５．２ｃｍ／分（６インチ／分）、ピンＰへの押力は約４９９ｋｇ（１１００ポンド）〜約６３５ｋｇ（１４００ポンド）。ピンＰは、接合経路１１６に沿って部材１１２および１１４をまたいで横移動し、結合された部材１１２および１１４がその後に残る。

ピンＰが接合線に沿って横移動すると、発生した熱がピンＰから部材１１２および１１４の表面へと伝達されて、温度勾配の減少をもたらす。この勾配に沿って、部材１１２および１１４への影響に応じたさまざまな領域を確認することができる。撹拌部「Ｓ」は、先端Ｒの幅をわずかに超える幅、例えば先端Ｒの端からそれぞれの側に約０．２５ｍｍ（０．０１０インチ）を有して形成される。熱機械変化部「Ｔ」は、撹拌部「Ｓ」の端から、例えばそれぞれの側に約０．２５ｍｍ（０．０１０インチ）外方に延在する。熱影響部「Ｈ」は、熱機変化部「Ｔ」の端から、例えばそれぞれの側に約０．７６ｍｍ（０．０３０インチ）外方に延在する。これらの領域の各々の幅は、部材１１２および１１４の熱特性と同様に、その形状および寸法の影響を受ける。

撹拌部Ｓ内では、先端Ｒの周囲にマトリックス１１８の渦巻き循環流が発生する。マトリックス１１８が流体状態にあるので、強化用繊維１２０はこの流れで自由に動くことができる。強化用繊維は、先端Ｒの周囲に運ばれる（図３参照）。強化用繊維１２０は、その長手方向軸が材料の剪断勾配と平行に整列する傾向があることが分かった。したがって、強化用繊維が渦巻き流の周囲に運ばれるので、強化用繊維は渦巻き流に接したままになる傾向がある。熱機械変化部Ｔ内では、強化用繊維１２０の運搬は減少するが、強化用繊維は接合経路１１６に垂直な移動剪断面と平行に自身を配向する傾向がある。従来技術のタイプの熱結合と対照的に、強化用繊維１２０は接合経路１１６の近傍に留まる傾向がある。

プローブＰが接合線を横移動すると、撹拌部Ｓは冷却して凝固し、部材１１２および部材１１４間の圧密が生じる。個々の繊維１２０は配置と配向を維持し、マトリックス１１８は凝固中に繊維を「捕捉」する。摩擦撹拌溶接パラメータは、強化用繊維１２０の最終配向に影響するように修正することができる。例えば、ピン速度に応じて横移動速度を増加または減少させることができる。比較的急速な横移動速度では、接合経路１１６の全域で強化用繊維１２０の運搬が減少してしまう傾向があるのに対して、比較的速い横移動速度では、接合経路１１６の全域で強化用繊維１２０の運搬が増加することになる。さらに、高いピン速度または圧力は、撹拌部Ｓおよび熱機械変化部Ｔの大きさを増大させ、運搬量が増加する傾向にある。図４は、強化用繊維１２０を接合経路１１６に沿って実質的に不規則に配向する方法で結合された構成材１１０を示す。図５は、接合経路１１６’に沿って結合された２つの部材１１２’および１１４’から作られた同様の構成材１１０’を示す。この例では、強化用繊維１２０’は、接合経路１１６’に対して直角により配向しやすくなる。そのような配向は、比較的低い横移動速度で期待されるものである。

完璧な溶接では、接合経路に沿ってあまり加工を必要としない滑らかな表面仕上げが施され、満足な完成品が得られる。従来技術の熱結合方法と対照的に、結合前の平均繊維体積分率と同様に、接合経路１１６内およびその全域で強化用繊維１２０の分布が拡大する。したがって、部材１１２および１１４の構造特性が十分に保たれ、構成材の接合経路１１６に沿った脆弱性がなくなる。

前述の内容では、摩擦撹拌溶接を用いた繊維強化金属複合材の結合工程を説明した。本発明の特定の実施形態を説明したが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、それらにさまざまな修正を加えることができることが当業者には明らかとなるであろう。したがって、本発明の好適な実施形態および本発明を実施するための最良の形態の前述の説明は、限定ではなく例示目的のためだけに提供され、本発明は特許請求の範囲によって規定されるものである。

熱的に結合された２つの部材からなる従来技術の構成材の平面図である。 摩擦撹拌溶接工程を用いて接合される２つの部材の側面図である。 摩擦撹拌溶接工程で接合されている２つの部材の上面図である。 摩擦撹拌溶接工程後の図３の部材の上面図である。 別の摩擦撹拌溶接工程による結合後の図３の部材の上面図である。

符号の説明

１０ 金属マトリックス複合材
１２ 第１部材
１４ 第２部材
１６ 接合経路
１８ 金属ポリマーマトリックス
２０ 強化用繊維
２２ 熱影響部

Claims (10)

1. 特定の配向でその中に分布する強化用繊維（１２０）を有する金属マトリックス（１１８）からなる第１複合部材（１１２）を提供し；
   特定の配向でその中に分布する強化用繊維（１２０）を有する金属マトリックス（１１８）からなる第２複合部材（１１４）を提供し；
   所定の接合経路（１１６）に沿った摩擦撹拌溶接によって該第１部材（１１２）を該第２部材（１１４）に接合して、該接合経路（１１６）内の該強化用繊維（１２０）の平均体積分率が接合前の該複合部材（１１２、１１４）における該強化用繊維の平均体積分率と実質的に同じにすることを含む、
   繊維強化複合材の製造方法。
2. 該強化用繊維（１２０）は、該摩擦撹拌溶接ステップ後の該接合経路（１１６）内に該特定の配向で維持される、請求項１に記載の方法。
3. 該強化用繊維（１２０）は、不規則な配向で該第１および第２複合部材（１１２、１１４）内に配置される、請求項１に記載の方法。
4. 該強化用繊維（１２０）は、該摩擦撹拌溶接ステップ後の該接合経路（１１６）内に不規則な配向で配置される、請求項３に記載の方法。
5. 該強化用繊維（１２０）は、該接合経路（１１６）内に新たな特定の配向で配置される、請求項４に記載の方法。
6. 複数の該強化用繊維（１２０）は、該摩擦撹拌溶接ステップ後の該接合経路（１１６）の全域に広がる、請求項１に記載の方法。
7. 特定の配向でその中に分布する強化用繊維（１２０）を有する金属マトリックス（１１８）からなる第１複合部材（１１２）と；
   特定の配向でその中に分布する強化用繊維（１２０）を有する金属マトリックス（１１８）からなる第２複合部材（１１４）とを含み；
   該第１部材（１１２）は所定の接合経路（１１６）に沿った固体結合によって該第２部材（１１４）に結合されて、該接合経路（１１６）内の該強化用繊維（１２０）の平均体積分率が該部材（１１２、１１４）の残材における該強化用繊維の平均体積分率と実質的に同じになる、
   繊維強化複合材。
8. 該強化用繊維（１２０）は、該摩擦撹拌溶接ステップ後の該接合経路（１１６）内に該特定の配向で維持される、請求項７に記載の複合材。
9. 該強化用繊維（１２０）は、不規則な配向で該第１および第２複合部材（１１２、１１４）内に配置される、請求項７に記載の複合材。
10. 該強化用繊維（１２０）は、該接合経路（１１６）内に不規則な配向で配置される、請求項９に記載の複合材。

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