JP5265857B2 - 金属母材の複合材料でできたインサートを有する管状構成部品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属母材の複合材料でできたインサートを含む管状構成部品の製造に関する。

特に航空の分野において、不断の目的の１つは、最小質量および最小サイズのために構成部品の強度を最適化することである。したがって、ある特定の構成部品は、今後、金属母材の複合材料でできたインサートを含む可能性がある。このような複合材料は、例えば炭化ケイ素（ＳｉＣ）セラミック繊維などの繊維が、内部を延びるチタン（Ｔｉ）合金などの金属合金母材を含む。このような繊維は、チタンの引っ張り強度よりもはるかに大きな引っ張り強度を有する（典型的には、１０００ＭＰａと比べて４０００ＭＰａ）。したがって、負荷を担うのは繊維であって、金属合金母材は、構成部品の残りとの結合剤の機能と、さらに相互に接触してはならない繊維を保護および隔離する機能とを果たしている。さらに、セラミック繊維は、耐腐食性を有するが、必ず金属で補強されなければならない。

これらの複合材料は、例えばブレードなどモノリシックな構成部品用の補強材など、ディスク、シャフト、ラム本体、ケーシング、およびスペーサを製造するのに使用できる。

このような複合材料インサートを得るために、「被覆されたフィラメント」と呼ばれる、金属によって被覆されたセラミック繊維を含むフィラメントが、予め形成される。金属は、フィラメントに必要な弾性と可撓性を与え、フィラメントの取扱いを容易にする。好ましくは、微細なカーボンまたはタングステンフィラメントが、繊維の中心に、繊維の軸に沿って存在し、このカーボンフィラメントは、炭化ケイ素で被覆される。一方、繊維に付着される液状金属が冷却されるときに発生する熱緩和の相違の際に、拡散隔壁／緩衝機能を提供するために、繊維と金属との間にカーボン薄膜が置かれる。

複合材料フィラメントまたは被覆されたフィラメントの製造は、例えば、電界中での金属蒸着によって、金属粉末を用いた電気泳動によって、または液状金属浴でのセラミック繊維の浸漬被覆によってなどの、種々の方法で実行できる。セラミック繊維を液状金属に浸漬するこのような被覆プロセスが、本出願人名義の欧州特許第０９３１８４６号で提示されている。このプロセスによるフィラメントの製造は、短時間で可能である。このようにして、構成部品に含まれる複合材料インサートの製造の基礎として作用する、複合材料フィラメント、または被覆されたフィラメントが得られる。

金属合金母材の複合材料でできたインサートを備えた構成部品を得るための知られているプロセスにおいては、被覆されたフィラメントは、次に、プリフォーム（ｐｒｅｆｏｒｍ）と呼ばれる加工品から形成される。このようなプリフォームは、中心のマンドレルの周りに延びる２つの金属保持フランジ間に、被覆されたフィラメントを巻きつけることによって得られる。巻きつけは、螺旋状に行われ、得られるプリフォームはディスク形状で、その厚さは、プリフォームを構成する被覆されたフィラメントの厚さである。プリフォームを確実に結合するために、保持フランジは、例えばアクリル樹脂など結合機能を与える材料が噴射される開口を含んでいる。

図１は、複合材料インサートを有する構成部品の一実施形態を概略的に示している。それぞれがディスク形の複数のプリフォーム１が、全体形状が円筒形の容器２内に積み重ねられている。容器は環状空洞３を有し、この空洞３の容器の軸４を横断する断面形状は、プリフォーム１の断面形状である。プリフォーム１は、空洞３の全高さが埋まるまで積み重ねられる。このようにして、典型的には８０個のプリフォームが積み重ねられる。この操作は手作業である。

次に、結合剤の除去作業、続いてガス抜きが実行され、それによって例えばアクリル樹脂などの結合剤がプリフォーム１から除去される必要がある。これは、冷間および熱間のときに、汚染要素が、圧縮段階の間においてチタンと接触状態を維持してはならないためである。

環状空洞と相補的であるが軸方向寸法が小さい形状の突起部６を有する環状蓋５が、容器２の上部に置かれている。突起部６は、上部プリフォーム１と接触しており、蓋５は、例えば電子ビーム溶接によって容器２に溶接される。好ましくは、このアセンブリは真空内に置かれる。その後の工程において、このアセンブリは、熱間等静圧圧縮される。この作業の間、並置され被覆されたフィラメントで構成されるインサートが、圧縮され、被覆されたフィラメントの金属シースが、一体に溶接され、拡散によって容器２の空洞３の壁に溶接され、これにより、その内部でセラミック繊維（例えばＳｉＣ繊維）が環状に延びる、金属合金（例えばチタン合金）で構成された密なアセンブリを形成する。

積み重ねられたプリフォーム１を小型化した結果、複合材料でできたインサートを含む円筒形の構成部品が得られる。この構成部品は、任意に応力緩和処理されて、アセンブリが冷却されるとき、セラミック繊維とそれらが埋め込まれる金属との間の膨張差を補償することができる。

次に、構成部品は、通常、最終的な構成部品を得るために機械加工される。

複合材料インサートを有する構成部品を製造するこのプロセスには、多くの欠点があり、長さ、複雑性、およびその工程が必要とする高精度の理由から、工業規模での利用を困難にしている。

第１に、セラミック繊維は脆いため、被覆されたフィラメントの操作が、特にフィラメント間の接触を防止しなければならず、被覆されたフィラメントの溶接は、従来は想定されていなかった。

さらに、結合剤除去およびガス抜き作業は、時間を要するだけでなく、結合剤を全て除去できる確実性がない。詳細には、チタン合金の適正な後続の作用に必要な、結合剤の完全な除去を保証するために、いくつかの結合剤除去およびガス抜き工程が必要である。これは、そのプロセスの総継続時間を長くし、全体のコストを増大させる。

さらに、フィラメントが２つのフランジ間に巻き付けられている間に破損した場合、新しいプリフォームを形成しなければならないが、現在に至るまで、この問題を解決し、巻き付けを再開する手段は何ら存在していない。

さらに、被覆されたフィラメントプリフォームを容器内に位置付けする工程は、現在、手作業である。それによって作業コストおよび特に作業の精度が、影響を受ける。現在、容器内での被覆されたフィラメントの位置付けは、それが複合材料の性能を決定する限りにおいては、製造工程の重要な要素であり、構成部品の主応力によってセラミック繊維の向きの影響を極めて強く受ける。被覆されたフィラメントの位置付けは、さらに、構成部品の製造の種々の工程の間に、セラミック繊維の完全性を保つことによって、複合材料の品質も決定する。最後に、繰り返すが、被覆されたフィラメントを位置付けする作業は比較的長く、手作業で行われるため、被覆されたフィラメントの位置付けが、構成部品の最終的なコストを決定する。したがって、容器内でのフィラメントの位置付けが、改良に役立つ。

複合材料でできたインサートを備えた構成部品の製造に関する従来の技術では、ロータディスクなどの環状の構成部品の製造が提案されている。複合材料でできたインサートを備えた管状の構成部品、特にロータシャフトを製造することが考えられているが、大きな技術的困難性が、そのような製造の工業的実現を妨げていた。シースの中に、シースを形成する２つのマンドレル間に長手方向に延びる、相互に平行な被覆されたフィラメントをシースにすべり込ませ、次にアセンブリ全体に熱間等静圧圧縮を施すことを提案するプロセスが考えられてきた。不可能ではないにしても、被覆されたフィラメントの場合に、高密度の被覆されたフィラメントを得ることが望まれる場合、被覆されたフィラメントを挿入することが、極めて時間を要することは明らかである。さらに、フィラメントを適切に位置付けできないことは、フィラメントを損傷し、結果的に構成部品の不適切な作用を生じる危険性が高くなる。被覆されたフィラメントのプリフォームをシースの全長にわたって積み重ねることも考えられてきたが、このような積み重ねの欠点は先に述べた。さらに、力の効果的な利用のためには、セラミック繊維は構成部品を横切って延びないことが望ましい。
欧州特許第０９３１８４６号明細書

本発明の主題は、複合材料でできたインサートを含む、ターボマシンのロータシャフトなどの管状の構成部品を製造できる方法であり、前記方法は、工業規模で実施できる。

本発明によれば、金属母材の複合材料でできたインサートを含み、かつ内部でセラミック繊維が延びる、管状の構成部品を製造する方法は、被覆されたフィラメントの接合されたシートを、金属マンドレルの周りでドーピングしまたは覆い、各フィラメントは、金属シースで覆われたセラミック繊維を有し、フィラメントは、スポット溶接で接合される、ドレーピング（ｄｒａｐｉｎｇ）工程を含んでいることを特徴とする。

添付の図面を参照する以下の説明を読むことにより、本発明はより明確に理解され、他の特徴が明らかになろう。

被覆されたフィラメントの接合されたシートを製造する方法を最初に説明する。

最初に、複数の被覆されたフィラメントが、知られている技術のうちの１つによって、好ましくはセラミック繊維が液状金属浴に浸漬される被覆プロセスによって、形成される。これらのフィラメントは、それぞれボビンに巻き付けられている。各フィラメントの直径は、例えば０．２ｍｍから０．３ｍｍである。

図２を参照すると、それぞれの周囲に被覆されたフィラメント８が巻き付けられた複数のボビン７が、ボビン７のモジュール９に配置されている。このモジュール９によって、以下に示すように、フィラメント８を互いに交差させずに、ボビン７をワーピングモジュールの方向に巻き戻すことができるように配置することができる。この場合、ボビンモジュール９は、ボビン７のうち半分は三角形の一辺に沿って、残り半分は三角形の他辺に沿って支持する、二等辺三角形の形状の構造を有する。三角形の頂点は、ボビン７から、ボビンモジュール９の構造を形成する三角形の対称軸上に位置する点の方向に、フィラメント８が巻き戻される辺に向いている。

別の実施形態では、各ボビン７は、被覆されたフィラメントの束またはアレイを支持してもよい。したがって、１００本の被覆されたフィラメントのシートを形成するには、周囲に巻き付けられた１０本の被覆されたフィラメントの束を有する、１０個のボビン７を使用してよい。

被覆されたフィラメント８は、ワーピングモジュール１０の方向に巻き戻される。ワーピングモジュール１０が、その構造が当業者には理解できるため、概略的に簡単にここに示されている。ワーピングモジュール１０は、織物の分野で用いられるワーピングモジュールに類似するものである。ワーピングモジュール１０は、互いに接触して相互に重なることなく、同一平面の層として、フィラメント８を相互に平行に延ばすことができる、案内手段を含む。目的は、相互に接触する平行なフィラメント８の平坦なシートを形成することである。

このようにワーピングされたフィラメント８が、レーザ溶接モジュール１１内に導かれる。このモジュールは、その上方でフィラメント８が移動する平坦な支持体１２を含み、この支持体の上方に、レーザ溶接装置１３が取り付けられている。したがって、フィラメント８は、レーザ溶接装置１３を通過して駆動される。好ましくは、アセンブリ全体が、不活性雰囲気内、例えばノズルを介して注入されるアルゴン雰囲気内に収容される。レーザ溶接装置１３は、例えばネオジウム（Ｎｄ）がドープされたＹＡＧ（イットリウムアルミニウムガーネット）レーザを備えてもよい。このＹＡＧレーザは、その出力およびそのレーザビームの照射点に関して高精度であるという利点を有し、きわめて細いビームを有するという利点もある。好ましくは、この場合のレーザは、２Ｗから５Ｗの間の出力を有する。

レーザ溶接モジュール１１の下流側で、フィラメント８が、モジュール１７によって駆動され、フィラメント８はボビンモジュール９から支持体１２の上に移動するように引き出される。この駆動モジュール１７は、この場合、その周りにフィラメント８が巻きつけられる回転ボビン１７’を含む。ボビン１７’は、矢印１８で示すように回転する。このように、フィラメント８は、駆動モジュール１７によって、ボビンモジュール９の各ボビン７から、ワーピングモジュール１０およびレーザ溶接モジュール１１に沿って駆動され、アセンブリ全体は、被覆されたフィラメント８の接合されたシートを形成する装置５５を形成する。接合されたシートは、駆動モジュールのボビン１７’に巻き付けられる。

図５は、２つのフィラメント８を一体に溶接するレーザ溶接装置１１において、フィラメント８が移動する方向と交差する面における断面図を示している。溶接は、レーザ溶接装置１３を用いたスポット溶接により実行される。各フィラメント８は、複数のスポット溶接点によってその隣接フィラメントと接合される。各フィラメント８は、すでに理解されるように、例えばＴｉ合金でできたシースなど、金属シース１５で覆われたセラミック繊維１４を含む。レーザビームは、矢印１６で示されるように、支持体１２に沿って駆動されるフィラメント８の軸全てを含む面と垂直に、２つの連続したフィラメント８間の接触点の方向に向けられる。これにより、フィラメントの金属シース１５を局所的に溶解する。レーザは、低出力で使用されるが、高度に集束しているため、セラミック繊維１４は、この局所的な溶解によって影響を受けない。金属シース１５の最小の体積が溶解される。これは、フィラメント８が、この点で一体に接合されていることを保証するのに十分である。溶接パラメータは、金属の溶解から生じる溶解プールが流れ出ないように最適化される。

レーザビームは、２つのフィラメント８と重なる点領域に沿って、フィラメント８の面に垂直に向けられることが重要であり、それによってレーザビームが、セラミック繊維１４を損傷せず、その完全性は、複合材料インサートを有する構成部品の製造の用途において、レーザビームに割り当てられる作用に必要な条件である。

スポット溶接の強度は、あまり大きくなくてもよい。スポット溶接の機能は、単に、接合されたシートを形成する目的で、フィラメント８を全体に結合し、または相互に保持することを保証するだけでよい。この結合は、例えば、複合材料のインサートを有する構成部品を形成するために、シートを扱い、場合によっては巻き付けたり、巻き戻したりすることができるのに十分な強度だけあればよい。したがって、溶接は、単にフィラメント８を一体に保持するだけである。

図３および図４は、１２本の被覆されたフィラメント８を有するシートを形成する場合における、レーザ溶接モジュール１１の２つの考えられる動作モードを概略的に示している。

図３の動作モードにおいては、被覆されたフィラメント８が、レーザ溶接装置１３の下に位置する場合、駆動モジュール１７が停止して、フィラメント８を静止状態にする。次に、溶接装置１３は、フィラメントが、溶接装置１３の下で移動する方向に垂直なセグメントに沿って、隣接するフィラメント８間で一連のスポット溶接点を形成する。この目的のために、溶接装置１３は、図５を参照して上記で説明したように、２つのフィラメント８間で第１のスポット溶接点１９を形成する。次に、溶接装置は、２つのフィラメント８間の次の接触点と一致するように、フィラメント８の移動方向と垂直に停止および移動され、全てのフィラメント８がこの移動部分に沿って一体に接合されるまで、第２のスポット溶接点１９（および後続の溶接点）で溶接される。したがって、溶接装置１３は、溶接装置１３の下のフィラメント８の移動方向に垂直なスポット溶接１９のセグメントを形成する。次に、駆動モジュール１７が作動されて、フィラメント８を、溶接装置１３を過ぎて長さ「Ｌ」分だけ移動させ、その後、最初のセグメントと平行な別のセグメントでこの動作が繰り返される。

図４で示す動作モードでは、フィラメント８が、矢印２０で示す移動の方向および向きに連続して駆動され、この移動は、駆動モジュール１７によってなされる。溶接装置１３は、先と同じ動作、すなわち溶接動作を実行し、その後フィラメント８が、第１のフィラメント８から最後のフィラメントまで移動方向２０と垂直な経路などに沿って次の点の方向に移動し、次に逆方向に移動する。フィラメント８の移動速度が十分に遅い場合、移動する２つのフィラメント８間のスポット溶接１９が可能である。したがって一連のスポット溶接点１９が、フィラメント８間で形成され、この溶接点は、フィラメント８によって形成されたシート上でジグザグ形状を形成する。

各スポット溶接点１９を溶接する際に、駆動モジュール１７を停止することによって、ジグザグ形状のスポット溶接点１９のこのような分布を得ることもできる。駆動モジュール１７は、溶接装置１３が移動している間に、フィラメント８を、各スポット溶接点１９間の短い距離「ｌ」にわたり駆動する。

さらに、スポット溶接点１９を形成する瞬間に、フィラメント８の移動速度だけを遅くなるように作動することもできる。

スポット溶接点１９をこのように分布する利点は、フィラメント８によって形成されるシートの表面全体にわたり、優れた均一性が得られることである。

どのような場合にも、レーザ溶接モジュール１１を出ると、フィラメント８は、保持しているスポット溶接点１９でフィラメント８が一体に接合される、接合されたシートの形状となる。シートは、駆動モジュール１７のボビン１７’に巻き付けられる。

被覆されたフィラメント８の接合されたシートを製造するプロセスの準備段階は、ここでは参照していない。設定段階は、当業者が自由に構成することができる。設定段階は、例えば、プロセスの開始時に、フィラメント８をボビン１７’に一体に接合することなく、したがってシート形状でない最後に巻かれたシートの最も内側の部分を巻き付けることによって、あるいは、例えば、別の駆動装置を用いて、プロセスの開始時にフィラメントを駆動し、フィラメントがシート形状になり始めると、それらをボビン１７’に接続させることによって、構成できる。

図３に示す部分構成におけるスポット溶接点１９のセグメント間の距離「Ｌ」、または図４に示すジグザグ形状の２つの連続したスポット溶接点１９間の長手方向距離「ｌ」は、被覆されたフィラメント８のシートの所望の剛性によって定められる。したがって、固いシートについては、スポット溶接点１９が互いに接近され、柔軟なシートについては、スポット溶接点１９はより離れる。スポット溶接点１９の分布の別の構成も、当然考えられる。スポット溶接点１９の構成および間隔は、接合されたシートの意図する用途に応じて選択され、特に、シートを巻き付け、捩れ等にする必要がある場合、最小限の空間を考慮することにより、用途の定められた条件の下でのアセンブリ全体の接合を保証する。スポット溶接点１９の分布構成に関する仕様は、プロセス自体によって決まるというよりむしろ、被覆されたフィラメント８のシートの意図する用途によって決まる。

これまで説明してきたプロセスを実現するために、レーザ溶接の実行速度とその精度のもたらす結果として、一体に接合される被覆されたフィラメント８の接合されたシートを、自動システムにおいて工業規模で製造できる。したがって、大量の被覆されたフィラメント８のシートが、様々な方法で利用可能な形状で高速に得られる（数キロメートルの同一シートを形成することができる）。さらに、シートは、フィラメント８の金属シース１５を溶解することによって、したがって材料を追加せずに、特に接着剤などの結合剤を追加せずに一体に接合され、それによって、一般には、被覆されたフィラメントを用いて複合材料インサートを有する構成部品を形成するプロセスにおいて、全ての結合剤を除去する工程を無くすることができる。

次に、本発明による、金属母材複合材料でできたインサートを有する管状構成部品を製造する方法を述べる。

図６を参照すると、被覆されたフィラメント８のシート２１が、結果として形成され、前記シートは、ここでは、図３で示されるシートを形成する方法によって、一体に固定された１４の相互に平行なフィラメントを含む。このように、相互に平行な、シート２１の全体軸２３に垂直な（すなわち、フィラメントが直線状に延びているときの、フィラメント８の軸に垂直に）セグメント２２に沿って延びるスポット溶接点によって、フィラメント８は一体に接合される。幅「Ｄ」のシート２１の末端セグメント２６、２７を得るために、シート２１の両端が斜めにされ、シート２１の軸２３に対して角度「α」を形成する。

図７を参照すると、このように斜めにされたシート２１は、円筒形マンドレル２４の周りにドレーピングされるかまたは配置される。このマンドレル２４は、中空金属管で、ここではチタン合金であり、好ましくは、被覆されたフィラメント８のセラミック繊維が被覆される金属と同一金属で作られる。マンドレルは、円形の外周を有し、その値は、シート２１の斜めにされた両端の幅「Ｄ」の値と同一である。ドレーピングの前に、シート２１が、マンドレル２４の一端の周りに、その末端セグメント２６の１つにより巻き付けられ、その後マンドレル２４の周りに螺旋状にドレーピングされる。螺旋状のドレーピングは、シート２１の軸２３と、シート２１の斜めにされた両端を形成するセグメント２６、２７との間、特にマンドレル２４の一端の周りに予め巻き付けられているセグメント２６との間の角度αのために可能である。シート２１の長手方向の縁部は、マンドレル２４の軸２５に対して角度β（ここで、β＝π／２−α）を形成する。シート２１は、マンドレル２４の周囲に全てドレーピングされ、シート２１の被覆されたフィラメント８を相互に重ねずに、マンドレルの外面を完全に覆う。シート２１の長手方向の縁部は、ドレーピングの各巻き付けに続いて相互に接触する。最後に、シート２１は、その末端セグメント２６、２７が、その寸法がマンドレル２４の展開面積に一致するように設計され、斜めにされる。

最終構成部品において望まれる金属母材の複合材料でできたインサートの厚みに応じて、マンドレル２４の周りに複数のシート２１を次々にドレーピングできる。好ましくは、１枚のシートが、先のシート２１の周りにドレーピングされると、マンドレル２４の端部の最初の位置は、新しいシートがドレーピングされ終わると、その被覆されたフィラメント８は、それぞれ先行のシートの２つの被覆されたフィラメント８の間に交互に延び、それによってアセンブリをさらに小型にする。さらに、シート２１を、角度を付けてずらすことにより、さらにシートの長手方向の縁部が、それに沿って接合する曲線が相互にずれ、好ましくは可能な限り離れてずれるようにする（２つの長手方向の縁部間の接触を形成する各曲線は、例えば、先行シートの２つの隣接曲線から等距離に位置してもよい）。各新しいシート２１の寸法は、すでにドレーピングされたシート２１の数によって調節しなければならないことは言うまでもない。個々のフィラメントの寸法と、マンドレルの周辺長さと、すでにドレーピングされた層の数とを知ることにより、各追加シートを形成するフィラメントの数は、容易に計算できる。好ましくは、シート２１が最初に配置されかつ巻き付けられるマンドレル２４の端部は、シート２１の総数の厚みと同一かこれよりも大きい半径方向寸法の、軸方向ストップを形成するリムを有する。同じことは他端にも適用できる。

角度αは、最終構成部品が受ける応力および種々の応力モード（遠心力、引張り力、ねじれ、圧縮など）に応じて、当業者により決定される。力を受けるのは、主にセラミック繊維で、それらの向きおよび分布が、構成部品の性質に重要な影響を有する。したがって、当該用途に応じて、角度α、被覆されたフィラメント８の直径、セラミック繊維の直径などを適合させることができる。ここで考慮される特定の場合においては、αは４５°に設定される。

任意に、多数のシート２１が、マンドレル２４の周りにドレーピングされる場合、種々の角度αが、これらシート２１に与えられてもよい。しかし、この場合には、その金属シースがより厚い被覆されたフィラメント８を用いて、被覆されたフィラメント内にあるセラミック繊維を適切に保護することが推奨される。

シート２１をドレーピングするために、シート２１の端部２６が、マンドレル２４または先行のシートの端部周りに巻き付けられるとき、ドレーピングの開始時に、シートが最初のシート２１である場合には、シートはマンドレル２４に固定され、あるいはシートが最後のシート２１である場合には、先行のシートに固定される。ドレーピングが続行され、シート２１の他端が、同様の方法でアセンブリ全体に固定される。好ましくは、２つの電極間の接触と中間周波数の電流通過による、接触溶接方法が用いられ、後で示されるように、シート２１の端部の細い帯部を溶接する。任意の別の方法を採用してもよい。

実施の別の方法によれば、シート２１は、マンドレル２４に対して長手方向の線に沿って、好ましくは、後述するように、２つの電極の接触と中間周波数の電流通過とによる接触溶接方法を用いて、マンドレル２４または先行のシートに溶接されてもよい。

所望の数のシート２１が、マンドレル２４の周囲にドレーピングされ終わると、アセンブリ全体が、このアセンブリの外径と等しい内径を有するシース内に挿入される。好ましくは、このシースは、被覆されたフィラメント８の繊維を被覆する金属合金と同一の金属合金、ここではチタン合金で作製される。好ましくは金属円板によって両端のそれぞれに差し込まれるアセンブリが、均一かつ円筒形状になるように、シースは、マンドレル２４の軸方向ストップを形成するリムと相補的である。円板およびシースは、好ましくは、電子ビーム溶接によって溶接されて、密封された容器を形成する。これらの円板は、チタン合金で作製されるのが好ましい。電子ビーム溶接によって、シース内部に予め真空を生成できる。形成されたアセンブリは、次に熱間等静圧圧縮によって小型化される。

例えば圧力１０００ｂａｒ、９５０℃で実施される熱間等静圧圧縮の間において、チタン合金は拡散させられ、内部でセラミック繊維が延びる複合材料の金属母材を作製するように形成される。チタン合金は、高温で粘性があるため、金属母材を形成する間、セラミック繊維を損傷せずに、材料の良好な拡散フローを可能にする。したがって、当該の特定の場合においては、マンドレル２４に対応する内側のチタン合金厚みと、セラミック繊維が螺旋状に延びるチタン合金母材を有する複合材料でできた中心のインサートと、シースに対応する外側のチタン合金厚みとを有する、シャフトが得られる。

このシャフトは、所望の最終構成部品に一致するように機械加工できる。好ましくは、金属板と、シートに対する１つまたは両方の任意の軸方向ストップリムとを備えたシャフトの両端を除去して、全長に渡って均一なシャフトを得ることができる。このようなシャフトは、複合材料インサートによる力に対して優れた抵抗力を有する利点があり、それによってシャフト壁の全厚みを、従来のシャフトの全厚みよりも大幅に薄くすることができる。この薄い厚みは、大幅な軽量化とは別に、サイズが小さいことを意味し、これは多くの同軸シャフトの存在を必要とする用途において有用である。シャフトは、そのベースの構成要素が、ここではチタン合金であるため、極めて優れた耐腐食性も示し、その耐腐食性は、例えばスチールの耐腐食性より優れている。ただし、セラミック繊維が存在しない場合は、チタン合金は、力に対して十分な抵抗力を有さない。

上述のプロセスは、その実行の簡単さおよび高信頼性の理由から、工業規模で実現可能であり、以下に述べるレーザスポット溶接および電極接触溶接によってシートを形成する方法を用いる場合には、さらにこれが言える。レーザ溶接によって形成されたシートは、すでに理解されたように、強度が大きく、さらに可変強度であり、取扱いが容易であり、接着剤など何らかの追加材料が不要であるという利点を有する。これによって、結合剤除去およびガス抜き操作がなくなり、Ｔｉ合金とセラミック繊維のみを含んだシートを、直接ドレーピングすることを可能にする。

複合材料インサートを有する管状構成部品を製造する上述のプロセスにおいては、少なくともプロセスの最初と最後に、シートを上に巻き付ける金属支持体か、または底部の層のシートのどちらかに、シートを固定することが有利である。

これまで、被覆されたフィラメントを固定するプロセスは、フィラメント上に接着剤を噴射することを提示してきたが、これの欠点は上に述べた。さらに、シートを溶接する工程を含むプロセスは、多くの実行困難性に直面するため通常は避けられる。最大の困難性は、被覆されたフィラメント内にあるセラミック繊維が損傷を受けないようにしなければならないことである。これらの繊維の直径は、１００μｍから２００μｍまたはそれ以上であり、曲げおよび剪断力に特に脆い。被覆されたフィラメントのセラミック繊維に対するあらゆる損傷は、このフィラメントに固有の利点を無効にする。

以下に、被覆されたフィラメント、または接合されたシートまたは被覆されたフィラメントの束を、金属支持体に局所的に溶接するプロセスおよび装置を説明する。なお、支持体は、厳密な意味では金属支持体か、別の被覆されたフィラメントか、別のシートまたは被覆されたフィラメントの束のいずれかであることを理解されたい。このプロセスおよびこの装置によって、フィラメント内にあるセラミック繊維の完全性を保ちながら、フィラメントまたはシートまたは束を支持体に固定することができる。このプロセスおよび装置は、さらに、巻き付けまたは配置プロセス中に破損した場合に、フィラメントを修復することもできる。

図８を参照すると、図は、例えば、シートを形成するための上述のプロセスによって形成された被覆されたフィラメント８のシート２９が、マンドレル２４に接合されることを示す。このため、巻き付けの開始時に、マンドレル２４にシート２９を固定することが望ましい。これを実行するために、２つの電極間を溶接し、中間周波数電流を通す接触溶接装置３１が用いられる。被覆されたフィラメント８が、マンドレル２４の外周に沿って延びる。シート２９は、ここでは１０本のフィラメントを有する。

電極溶接装置３１は、正電極３３と負電極３４とに接続される中間周波数発生器３２を含む。図８に示す実施形態においては、正電極３３と負電極３４とは、マンドレル２４の軸に沿って延びる。これらの電極の断面形状は、幅全体にわたり均一である。

例えば銅またはタングステンで形成された正電極３３は、斜めにされた端部３７を有する。この端部３７の形状は、電流ラインを最大限収束することにより、正電極３３と被覆されたフィラメント８のシート２９との間の可能な限り狭い、接触線または接触帯部に沿って通過するような形状に形成される。この端部３７は丸くされ、フィラメント８を剪断し損傷する危険性のないようにされる。この端部３７の半径は、電流ラインが可能な最大の収束を得るが、小さ過ぎず、フィラメント８を剪断しないよう選ばれる。

負電極３４の形状もまた、シート２９を溶接しなければならないマンドレル２４との接触領域を最小限にすることにより、電流ライン３８を可能な限り狭い線または帯部に沿って収束させるような形状に形成される。ここでは管状であるマンドレル２４の幾何形状は、円筒形の負電極３４を使用でき、これによって、電流ラインの収束に好適な発生器への接触領域を低減することを意味している。

電極３３、３４をこのように配置することによって、シート２９を、極めて狭い帯部に沿ってマンドレル２４に溶接することを保証する。この帯部における電流の集中は、一定である。

電極溶接プロセスは、シート２９の金属の加熱を、シート２９を押し付ける電極３３、３４によって得られるわずかな鍛造効果と組み合わせるという特別な特徴を含む。有利には、加熱および押し付けの力と継続時間を制御し、最小の金属の加熱とその鍛造効果を得て、これにより固体溶接を可能にする。

シート２９は、正電極３３と負電極３４との間で、シート２９とマンドレル２４を通る電流流れによって加熱され、中間周波数発生器３２によって発生された電流が制御される。圧力が、シートを押し付ける正電極３３によって、ここでは、シート２９に印加され、このように正電極は第２の機能、すなわち押し付けの機能を有する。シート２９のフィラメント８は剪断されてならないため、シートの端部３７の丸みを帯びた形状が、この機能にとって重要であることが大前提である。

図９は、時間ｔの関数として、破線曲線５６として、電極３３、３４間を通る電流の強度の変化を示し、ｘ軸上の実線曲線５７として、正電極３３によって加えられる圧力の変化を示す、グラフである。さらに、ｘ軸の下には、シート２９の圧縮を表す実線曲線５８が示されている。

次に、電極溶接プロセスの実行を、以下に説明する。上述のとおり、これは固体溶接プロセスである。正電極３３と負電極３４とは、被覆されたフィラメント８のシート２９とマンドレル２４の内面とにそれぞれ接触するようにされる。第１段階においては、２つの電極３３、３４間で圧力のみが被覆されたフィラメント８に印加される。圧力は値Ｐ１とされ、この圧力が時間ｔ１まで維持される。好ましくは、Ｐ１は５０Ｗから１００Ｗである。この「冷間」圧縮成形段階の機能は、被覆されたフィラメント８間と、マンドレル２４の壁面との両方に、被覆されたフィラメント８が良好に接触することを保証することである。被覆されたフィラメント８のうち少なくとも２つの層が、一体に溶接される、後に試験される場合においては、この段階の間における目的は、当該の全フィラメントを確実に相互に接触させることである（フィラメントの一層が、残りの層に対する支持体の役割を果たしている）。この良好な接触によって、次の段階の間における電流の適正な流れを保証する。

第２段階においては、時間ｔ１で、圧力はＰ１に一定値を維持するが、電流は値Ｉ１まで増加する。好ましくは、Ｉ１は５００Ａから１５００Ａの間である。これによって被覆されたフィラメント８のセラミック繊維を被覆する金属が加熱され、溶接プロセスが開始される。

第３段階においては、時間ｔ２で、圧力はＰ１よりも大きい値Ｐ２まで増加し、シート２９の被覆されたワイヤ８の追加的な鍛造を実行する。追加の鍛造のため、すなわち電流の流れ（したがって加熱）と増加した圧力の作用の組み合わせのために、時間ｔ２までわずかであり均一であったシート２９の圧縮が、増加することが、曲線５８から分かる。次に溶接がなされる。

第４段階において、時間ｔ３の後に、圧力が値Ｐ１にまで戻される。

第５段階において、圧力が値Ｐ１に復帰した時間ｔ４から、電流はゼロにリセットされ、一方で、圧力は値Ｐ１に維持されて、電極３３、３４によって加えられる圧力をゼロまで低減して、プロセスを完了する最終段階の開始である時間ｔ５まで、溶接部が冷却するときに溶接部を適正な位置に保持する。

曲線５８から、第４、第５、および最終段階の間に、シート２９の圧縮が、弾性効果によってわずかに低減される（すなわち、シートの厚みが再びわずかに増す）ことが、分かる。圧縮は、通常０．０５ｍｍから０．１５ｍｍの範囲にある。

したがって、２つの電極間のこの接触溶接プロセスにより、被覆されたフィラメント８の金属シースは、局所的に加熱および溶接され、これにより、正電極３３の端部３７とシート２９との間の接触領域の狭い帯部に沿って、マンドレル２４の外面について示した場合には、シース間で、それらの支持体との接合を形成する。この溶接は、セラミック繊維を損なうことなくなされる。より詳細には、中間周波数の電流を通すことによって、局部的温度上昇を発生させて、被覆されたフィラメント８のシースの構成材料は、固体状態を維持するが、材料を溶接（および鍛造）する温度範囲に到達して、材料の融点には到達しないようにする。電極によって印加される力（典型的には１０ＤａＮのオーダー）によって、溶接を作動できる。このように、この帯部に沿って、内部にセラミック繊維が位置する金属のモノリシックな厚みが得られ、前記繊維は、溶接作業によって損なわれない。

このように、シート２９がマンドレル２４に固定されると、配置プロセスを開始できる。この固定はそれ程強くなくてもよく、意図される用途、ここでは被覆されたフィラメント８のシート２９をマンドレル２４に配置することに対して、十分な溶接保持帯部である。

図１０を参照すると、同じ動作が配置の終了時に実行され、これにより、シート２９の端部を、その真下に位置するシート２９の底部層に溶接する。用いられる接触溶接プロセスは同様である。中間周波数発生器３２で発生された電流と、正電極３３によって加えられる圧力が、好ましくは、シート２９の２つの最も外側の層だけが一体に溶接されて、溶接帯部に沿って、２列のセラミック繊維が狭い幅にわたって位置するモノリシック層であるように形成されるように、最適化される。シート２９の複数の層を一体に溶接することは排除されない。これは必ずしも欠点を伴わない。この理由は、配置が、１つの構成部品内に１つのインサートを形成するよう意図されている場合には、アセンブリ全体は、いずれにせよ、その後小型化されるからである。それにもかかわらず、エネルギーレベルを制御して、シートの溶接深さを制御する。電流は、正電極３３からシート２９の全ての層とマンドレル２４とを通って負電極３４に流れる。「冷間」押し付け段階によって、電流を適切に流すための、層間の接触を確実に行なう。

装置を横断方向に利用することによって、マンドレル２４の軸を横切る溶接帯部を形成することもできる。次に、正電極３３の斜めにした端部３７を凹形状として、溶接帯部をその端部の全周辺周りに形成するように、マンドレル２４が回転されることができる。

１つまたは複数の被覆されたフィラメントを溶接する接触溶接プロセスによって、フィラメントまたはシートまたはフィラメントの束が、巻き付けられまたはドレーピングされている間に破損した場合、それらを修復することも考えられる。従来技術においては、フィラメントが巻き付けられていた場合、それが破損すると、巻き付けプロセスを停止し、巻き付けプロセスを新しく開始しなければならず、巻き付けられかつ破損したフィラメントが失われることを意味していた。接触溶接プロセスによって、フィラメントまたはシートの破損した端部を一体に溶接することができ、巻き付けまたはドレーピングを再開することができる。

従来技術の複合材料インサートを有する構成部品を得るための操作の概略斜視図である。 被覆されたフィラメントの接合されたシートを製造する装置の概略図である。 図２の装置の第１の動作モードによって形成されたシートの上方からの概略図である。 図２の装置の第２の動作モードによって形成されたシートの上方からの概略図である。 ２つのフィラメントを一体に溶接するための、図２の装置のレーザ溶接モジュールにおいて、被覆されたフィラメントが移動する方向を横切る平面における断面概略図である。 複合材料でできたインサートを有する管状構成部品を製造するプロセスを実行するための、斜めにされた両端を有する被覆されたフィラメントのシートの概略斜視図である。 マンドレル周りに図６のシートを配置する概略斜視図である。 マンドレル上へのシートの巻き付け開始時に、金属支持体に被覆されたフィラメントのシートを溶接する電極溶接装置の第１の実施形態の概略斜視図である。 本発明の用途において述べた支持体に被覆されたフィラメントのシートを溶接する電極溶接プロセスにおいて、時間の関数として、電極間を流れる電流の強度の変化と、電極によって加えられる圧力の変化と、シートの小型化の変化を概略的に示すグラフである。 マンドレル上へのシートの巻き付け終了時における、図８の装置の断面を概略的に示す図である。

符号の説明

７ ボビン
８ 被覆されたフィラメント
９ ボビンモジュール
１０ ワーピングモジュール
１１ レーザ溶接モジュール
１２ 平坦な支持体
１３ レーザ溶接装置
１４ セラミック繊維
１５ 金属シース
１７ 駆動モジュール
１７’ 回転ボビン
１９ スポット溶接点
２１、２９ シート
２２ セグメント
２３ 全体軸
２４ 円筒形マンドレル
２５ 軸
２６、２７ 末端セグメント
３１ 電極溶接装置
３２ 中間周波数発生器
３３ 正電極
３４ 負電極
３７ 端部
３８ 電流ライン

Claims (8)

1. 内部にセラミック繊維が延び、かつ金属母材の複合材料でできたインサートを有する、管状構成部品を製造する製造方法であって、
   被覆されたフィラメントの接合されたシート（２１）を金属マンドレル（２４）の周りに覆い被せる工程を含み、
   各フィラメントが、金属シースで覆われたセラミック繊維を含み、
   フィラメントが、スポット溶接で接合されており、
   シートの斜めにされた端部が、マンドレル（２４）の一端の周りに巻き付けられ、次にシートが、マンドレルの周囲に縁部を互いに隣り合わせて螺旋状に覆い被せられることを特徴とする、管状構成部品を製造する製造方法。
2. すでに覆い被せたシートの周りに、被覆されたフィラメントの接合されたシートを配置する少なくとも１つの追加工程を含む、請求項１に記載の管状構成部品を製造する製造方法。
3. マンドレル（２４）と被覆されたフィラメントの接合された１つ以上のシート（２１）とが、金属シースに挿入され、アセンブリ全体が、熱間等静圧圧縮によって小型化される、請求項１または２に記載の管状構成部品を製造する製造方法。
4. 熱間等静圧圧縮の前に、マンドレルの各端部が、金属円板に溶接される、請求項３に記載の管状構成部品を製造する製造方法。
5. 接合された１つ以上のシート（２１）が、シートを製造する方法によって形成され、該シートを製造する方法において、被覆されたフィラメント（８）が、シート状になるように互いに隣り合って並べられ、かつ駆動モジュールによってレーザ溶接装置（１３）を通過して並べて駆動され、レーザ溶接装置（１３）が、隣接フィラメント間にスポット溶接点（１９）を形成する、請求項１から４のいずれか一項に記載の管状構成部品を製造する製造方法。
6. ２つの電極（３３、３４）間の接触溶接方法と中間周波数の電流を２つの電極間でシート及びマンドレルに流すことを用いて、シートがマンドレルまたはすでに覆い被せたシートに固定され、
   １つの電極がシートに付けられ、１つの電極がその支持体に付けられ、
   電流を流すことにより、固体状態の拡散による溶接を誘導する、請求項１から５のいずれか一項に記載の管状構成部品を製造する製造方法。
7. シートが、覆い被せの開始時と終了時の両方においてシートの両端で固定される、請求項６に記載の管状構成部品を製造する製造方法。
8. シートが、長手方向の帯部に沿って固定されている、請求項６または７に記載の管状構成部品を製造する製造方法。

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