JP2000054091A - 平板状ｆｒｍプリフォームおよび複合化成形体製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 航空機エンジンの圧縮機のブレードもしくは
ロータを製作するための平板状ＦＲＭプリフォームおよ
び複合化成形体製造方法に関する。 【解決手段】 平板状ＦＲＭプリフォームは、最終的複
合化成形体の形状にして平面にされた強化繊維２と、強
化繊維２の外周面に蒸着されたマトリックス金属１によ
る蒸着皮膜とからなるワイヤ状プリフォーム３と、ワイ
ヤ状プリフォーム３と直交して配設され、マトリックス
金属１とマイクロスポット溶接されるマトリックス金属
箔５とからなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、気体燃料又は液体
燃料を燃料とするガスタービンの圧縮機等に適用される
ブレード形状もしくはロータ等、回転するＦＲＭ複合化
成形体の製造に適用され、特に、高速回転を行い、高温
状態で遠心力に伴う応力が大きくなる過酷な条件で使用
されるＦＲＭ製の複合化成形体を製造する為に好適な平
板状ＦＲＭプリフォーム、および平板状ＦＲＭプリフォ
ームを使用して製作される複合化成形体製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】高速都市輸送旅客機等の次世代の航空機
エンジンの開発においては、燃焼温度の上昇と軽量化が
重要な事項となっており、軽量で耐熱性の大きい新素材
による複合化成形体の開発が望まれている。

【０００３】このようななかで、航空機エンジンに使用
されるガスタービン圧縮機のブレードもしくはロータデ
ィスクへの平板状ＦＲＭプリフォームもしくは平板状Ｆ
ＲＭプリフォームを使って製作される複合化成形体製造
方法の採用は、最も大きな効果が見込まれるものとされ
ている。

【０００４】図３は、従来のこのような平板状ＦＲＭプ
リフォームの製作工程の１例を示す図である。図に示す
とおり、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ、又はＴｉ−１５Ｖ−３Ｃ
ｒ−３Ａｌ−３Ｓｎの如き、Ｔｉ合金若しくはチタンア
ルミナイド系金属間化合物を用いた、マトリックス金属
１を蒸着したＳｉＣの如き強化繊維２からなるワイヤ状
プリフォーム３を、製作を行う複合化成形体の平面状に
合わせた形状に並べておき、これらをバインダー４によ
り一時的に相互に固定し平面状にして、これを一体複合
化して複合化成形体の一部分を形成する平板状ＦＲＭプ
リフォームを製作することが行われている。

【０００５】しかしながら、このようにして平板状ＦＲ
Ｍプリフォームを製作するようにしたものにおいては、
平面状にしたワイヤ状プリフォーム３を一体複合化する
前に、真空加熱処理によりワイヤ状プリフォーム３を一
時的に相互に固定して平面状にしているバインダー４を
蒸発させる必要があり、このために、ワイヤ状プリフォ
ーム３を一体複合化する際に、バインダー４により平面
状にされているワイヤ状プリフォーム３の移動が起こ
り、一体複合化したときの平面状にされたワイヤ状プリ
フォーム３の最終形状を保持するのが困難になることが
ある。

【０００６】また、並置されたワイヤ状プリフォーム３
を一時に固定しておくため、バインダー４を利用するよ
うにしているために、ワイヤ状プリフォーム３の外周
面、すなわち、一体複合化されたとき相互に接合される
ワイヤ状マトリックス３の接合面に汚染（酸化）の可能
性が生じ、このために一体複合化された平板状ＦＲＭプ
リフォームおよび平板状ＦＲＭプリフォームを積層して
形成された最終形状の複合化成形体の力学的特性が劣化
する恐れがある。

【０００７】また、図４は、従来の平板状ＦＲＭプリフ
ォームの製作工程の他の例を示す図である。図に示す通
り、上述したＴｉ合金若しくはチタンアルミナイド系金
属間化合物と同様の素材を用いたマトリックス金属１を
蒸着した、ＳｉＣの如き強化繊維２からなるワイヤ状プ
リフォーム３を、同様に平面状に並べておき、これをホ
ットプレス等により、高温状態で押圧して一体化して平
板状ＦＲＭプリフォームを製作することも行われてい
る。

【０００８】しかしながら、このようにして平板状ＦＲ
Ｍプリフォームを製作するようにしたものにおいては、
ワイヤ状プリフォーム３を高温状態にし、押圧して、一
体化を行うホットプレス工程に要するコストが高コスト
になるという不具合がある。また、ホットプレス工程に
おいては、ワイヤ状プリフォーム３を高温状態にして長
時間保持しておく必要があるため、前述したバインダー
４を使用するようにした場合と同様に、ワイヤ状マトリ
ックス３の汚染（酸化）の可能が生じ、このような平板
状ＦＲＭプリフォームを積層して一体複合された最終形
状の複合化成形体の力学的特性が劣化するとともに、強
化繊維２とマトリックス金属との界面反応によっても、
力学的特性が劣化することがあり、最終形状にされた複
合化成形体に所定の設計強度を維持させることができな
くなるという不具合がある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述した従
来の製作工程で製作された平板状ＦＲＭプリフォーム、
および平板状ＦＲＭプリフォームを使って製造された複
合化成形体において生じる不具合を解消して、一体複合
化したとき、設計通りに強化繊維が配置され、しかも平
板状ＦＲＭプリフォームの形状保持が容易で、平板状Ｆ
ＲＭプリフォームを使用した最終形状の複合化成形体の
製作がきわめて容易になり、低コストで製造効率を上げ
ることができ、さらには、平板状ＦＲＭプリフォームお
よび最終形状の複合化成形体の力学的特性が劣化するこ
ともない、軽量で、強度を設計値通りに大きくできる平
板状ＦＲＭプリフォーム、および平板ＦＲＭプリフォー
ムプリフォームを使用して製作される複合化成形体製造
方法を提供することを課題とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】このため、本発明の平板
状ＦＲＭプリフォームは次の手段とした。

【００１１】（１）積層することにより、任意形状の複
合化成形体を形成できるような平面形をなして並置され
た複数の強化繊維と、強化繊維の外表面に蒸着され、強
化繊維の外周面に蒸着皮膜を形成するようにしたマトリ
ックス（母材）金属とからなるワイヤ状プリフォームを
設けた。

【００１２】なお、強化繊維はＳｉＣの如き炭化珪素系
の素材を使用し、また、マトリックス金属はＴｉ−６Ａ
ｌ−４Ｖ、又はＴｉ−１５Ｖ−３Ｃｒ−３Ａｌ−３Ｓｎ
の如きＴｉ合金、チタンアルミナイド系金属間化合物を
使用することが好ましい。また、ワイヤ状プリフォーム
で形成するようにした平板は、必ずしも厚み一定のもの
に限定されるものではなく、最終的に形成される複合化
成形体の形状に合わせて、厚みを局所的に変化させるよ
うにしたものにすることもできるものである。

【００１３】（２）ワイヤ状プリフォームの並置方向、
すなわち、マトリックス金属の蒸着皮膜が外周面に形成
された強化繊維の配設された方向と直交させて配置さ
れ、マトリックス金属の蒸着皮膜とマイクロスポット溶
接され、ワイヤ状プリフォームの形状を、あらかじめ並
置された平面状に保持できるようにしたマトリックス金
属箔を設けた。

【００１４】なお、マトリックス金属箔は、マトリック
ス金属と同様のＴｉ合金、チタンアルミナイド系金属間
化合物を使用することが好ましい。

【００１５】（ａ）本発明の平板状ＦＲＭプリフォーム
は、上述のように、マトリックス金属を蒸着した強化繊
維からなるワイヤ状プリフォームを使用して平板状ＦＲ
Ｍプリフォームを形成するために、マトリックス金属箔
をワイヤ状プリフォームのマトリックス金属にマイクロ
スポット溶接して、このマトリックス金属箔により、ワ
イヤ状プリフォームが並置されて任意形状の複合化形成
体を形成する平面状の平板状ＦＲＭプリフォームを形成
するとともに、形成された平面形状を保持するようにし
たので、バインダーを使って平板状ＦＲＭプリフォーム
を形成するようにした場合に生じていた、一体化複合化
して平板状ＦＲＭプリフォームを形成する前の、並置さ
れたワイヤ状プリフォームの移動が生じるようなことな
く、目的とする平面形状にされ、目的とする形状にワイ
ヤ状プリフォームで配設された、平面状ＦＲＭプリフォ
ームを正確に形成することが容易にできる。

【００１６】また、バインダーにより強化繊維の外周面
に蒸着されたマトリックス金属が汚染されることがな
く、マトリックス金属の汚染に伴い劣化する、一体複合
化されたときの隣接するワイヤ状プリフォームの間の結
合力が弱まることがなく、目的とする形状にされて、一
体複合化されたときの平板状ＦＲＭプリフォームの力学
的特性が劣化することもない。

【００１７】また、ワイヤ状プリフォームをホットプレ
スにより一体複合化して、平板状ＦＲＭプリフォームを
形成する場合に生じていた、高コスト化が回避できると
ともに、ホットプレス工程の高温状態長時間保持によ
り、一体複合化された平板状ＦＲＭプリフォームに生じ
る汚染の可能性がなくなり、積層されて最終形状に一体
複合化された、複合化成形体の平板状ＦＲＭプリフォー
ムの接合時の積層部に生じることのある力学的強度が劣
化することなく、さらには、強化繊維とマトリックス金
属の界面反応により生じる、複合化成形体の強化繊維と
マトリックス金属界面の蒸着部の力学的強度が劣化する
ことなく、最終形状の複合化成形体の強度を設計値通り
の強度に保持することができる。また、本発明の複合化
成形体製造方法は、次の手段を採用した。

【００１８】（３）積層することにより、任意形状の最
終形状の複合化成形体を形成できるような平面形をなし
て並置された、複数の強化繊維と強化繊維の外周面に蒸
着されたマトリックス金属とで形成された蒸着皮膜とか
らなるワイヤ状プリフォームと、強化繊維の配設された
方向と直交させて配置されたマトリックス金属箔をワイ
ヤ状プリフォームのマトリックス金属にマイクロスポッ
ト溶接することにより任意形状の最終成形体の平面形状
の平板を形成する平板形成工程。

【００１９】（４）平板形成工程で形成された最終状態
の複合化成形体の平面形状の平板に形成された成形体平
板状ＦＲＭプリフォームを積層して、複合化成形体の厚
み方向の最終状態の形状を形成する積層工程、 （５）積層工程で複合化成形体の平面形状および厚み形
状にされた、成形体平板状ＦＲＭプリフォームをホット
プレス等により複合化成形して一体化して複合化成形体
にする複合化工程。

【００２０】（ｂ）本発明の複合化成形体製造方法は、
上述のように、マトリックス金属を蒸着した強化繊維か
らなるワイヤ状プリフォームに対して、マトリックス金
属箔をマイクロスポット溶接することにより、複合化成
形体の平面形状を保持した平板状ＦＲＭプリフォームに
したことにより、一体複合化時の形状保持が容易であ
り、正確な形状の平板状ＦＲＭプリフォームに形成で
き、さらに、一体複合化を行うマトリックスの汚染が無
く、最終的に形成される複合化成形体の強度を設計値通
りに保持できるとともに、低コストで製造することがで
きる。

【００２１】また、このようにして形成された平板状Ｆ
ＲＭプリフォームを積層し、ホットプレス等により複合
化成形して複合化成形体を形成するようにしたことによ
り、容易に任意形状の複合化成形体を、任意の材料を使
用して製造することが出来るようになる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の平板状ＦＲＭプリ
フォームの実施の一形態を、図面にもとづき説明する。
図１は、本発明の平板状ＦＲＭプリフォームの実施の第
１形態を示す図で、図１（ａ）は平板状ＦＲＭプリフォ
ームの断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の斜視図であ
る。

【００２３】図に示すように、ＳｉＣからなる直径約１
４０μｍの強化繊維２（ＳｉＣ繊維商標ＳＣＳ−６：米
国ＴＥＸＴＲＯＮ Ｓｙｓｔｅｍｓ社製品）の外周面
に、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ、又はＴｉ−１５Ｖ−３Ｃｒ−
３Ａｌ−３Ｓｎのような、Ｔｉ合金もしくはチタンアル
ミナイド系金属間化合物からなるマトリックス金属１を
蒸着し、Ｔｉ合金等の蒸着皮膜を形成した直径約２００
μｍのワイヤ状プリフォーム３を形成して、ワイヤ状プ
リフォーム３の外周面が隣接して配置するワイヤ状プリ
フォーム３の外周面と接触するようにして整列させ、圧
縮機のブレードの平面形状を形成するようにしたものの
上に、マトリックス金属箔５を置き、マトリックス金属
箔５とマトリックス金属１とをマイクロスポット溶接す
る。

【００２４】マトリックス金属箔５は、図１（ａ）に示
すように任意間隔で整列され、図１（ｂ）に示すよう
に、ブレード形状の平面形状を形成するように整列させ
たワイヤ状プリフォーム３の強化繊維２の方向と直交さ
せて置かれるとともに、強化繊維２の長さ方向に均等ピ
ッチにして複数配置するようにしている。これにより、
図４（ｂ）に示す様なブレード形状の平面形状を形成す
る平板状プリフォーム６が製造できる。

【００２５】このように、ワイヤ状プリフォーム３とマ
トリックス金属箔５からなる図４（ｂ）に示す平面形状
にされた平板状プリフォーム６を用いて、ブレード形状
の最終目的形状に合わせて平板やブレード形状治具上に
積層する。これを、ホットプレス等により複合化成形す
ることにより、最終目的形状であるブレード形状等の複
合化成形体を容易に製造することが可能である。

【００２６】図２は、本発明の平板状ＦＲＭプリフォー
ムの実施の第２形態を示す図である。図１（ａ）に示す
ワイヤ状プリフォーム３と同様にＴｉ合金もしくはチタ
ンアルミナイド系金属間化合物からなるマトリックス金
属２を蒸着した、ＳｉＣからなる強化繊維２であるワイ
ヤ状プリフォーム３を螺旋状に巻き、圧縮機のディスク
の断面形状を形成するようにしたものの上に、マトリッ
クス金属箔５を強化繊維２の方向と直交する方向に配置
して、ワイヤ状プリフォーム３のマトリックス金属２と
マイクロスポット溶接する。これにより、平板螺旋状の
ディスク等の回転体を形成することのできる平板状ＦＲ
Ｍプリフォーム３が製造できる。

【００２７】このようにして、平板螺旋状に形成された
平板状ＦＲＭプリフォーム３を最終状態の複合化成形体
の厚さに積層し、ホットプレス等により複合化成形する
ことにより、圧縮機のロータ、円形のディスクおよびリ
ング形状の複合化成形体を容易に製造することが可能に
なる。

【００２８】

【発明の効果】以上述べたように、本発明の平板状ＦＲ
Ｍプリフォームは、ワイヤ状プリフォームの配設された
方向に対して直交して配設されたマトリックス金属箔と
ワイヤ状プリフォームの外周面に蒸着されたマトリック
ス金属とをマイクロスポット溶接することにより、ワイ
ヤ状プリフォームを配設することにより形成され、形状
に保持された、平板状ＦＲＭプリフォームにすることが
できるために、マトリックス金属の汚染が無く、また、
強化繊維とマトリックス金属間の界面反応が生じること
が無く、力学的強度が低下することがない。

【００２９】また、一体化複合化する前にワイヤ状プリ
フォームの移動が生じるようなことがなく、正確な形
状、しかも、ワイヤ状プリフォームが正確に配置された
平板状ＦＲＭプリフォームとすることができ、ひいて
は、正確な形状をした力学的強度の大きい最終状態の複
合化成形体とすることができる。さらに、ホットプレス
を使用することなく平板状プリフォームが形成できるの
で、平板状プリフォームのマトリックス金属が汚染され
ることなく、低コストにすることができる。

【００３０】また、本発明の平板状ＦＲＭプリフォーム
を積層し、ホットプレス等により複合化成形する、複合
化成形体製造方法を採用したことにより、複合化成形体
にされた時の形状が保持されて形成され、容易に任意形
状の複合化成形体を正確に製造することが出来る。つま
り、ＦＲＭディスク・ＦＲＭロータ、ＦＲＭブレード等
の製作作業が容易になり、製造効率および製作精度を上
げることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の平板状ＦＲＭプリフォームの実施の第
１形態を示す図で、図１（ａ）は横断面図、図１（ｂ）
は斜視図、

【図２】本発明の平板状ＦＲＭプリフォームの実施の第
２形態を示す平面図、

【図３】従来の平板状ＦＲＭプリフォームの１例を示す
横断面図、

【図４】従来の平板状ＦＲＭプリフォームの他の例を示
す横断面図である。

【符号の説明】

１ マトリックス金属 ２ 強化繊維 ３ ワイヤ状プリフォーム ４ バインダー ５ マトリックス金属箔 ６ 平板状ＦＲＭプリフォーム

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 福島 明 愛知県小牧市大字東田中1200番地三菱重工 業株式会社名古屋誘導推進システム製作所 内株式会社先進材料利用ガスジェネレータ 研究所小牧分室内 Ｆターム(参考） 4K020 AA01 AA08 AC03 BA01 BA04 BA08 BB10 BB41 BC01

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 平面状に並置された複数の強化繊維およ
   び前記強化繊維の外周面に蒸着されたマトリックス金属
   とからなるワイヤ状プリフォームと、前記ワイヤ状プリ
   フォームの並置方向と直交させて配設され、前記マトリ
   ックス金属とマイクロスポット溶接され、前記ワイヤ状
   プリフォームの形状を並置された平面状に保持するマト
   リックス金属箔とからなることを特徴とする平板状ＦＲ
   Ｍプリフォーム。
2. 【請求項２】 平面状に並置された複数の強化繊維およ
   び前記強化繊維の外周面に蒸着されたマトリックス金属
   とからなるワイヤ状プリフォームと、前記ワイヤ状プリ
   フォームの並置方向と直交させて配設され、前記マトリ
   ックス金属にマイクロスポット溶接されたマトリックス
   金属箔とにより、任意の最終形状の複合化成形体を形成
   するための平面状の成形体平板状ＦＲＭプリフォームを
   形成する平板形成工程と、前記平板形成工程で形成され
   た成形体平板状ＦＲＭプリフォームを積層して前記複合
   化成形体を形成する積層工程と、前記複合化成形体の最
   終形状に形成された前記成形体平板状ＦＲＭプリフォー
   ムを一体複合化する複合化工程とからなることを特徴と
   する複合化成形体製造方法。