特許 6914760 金属マトリックス複合材構造を製造するための装置及び方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6914760

(24)【登録日】2021年7月16日

(45)【発行日】2021年8月4日

(54)【発明の名称】金属マトリックス複合材構造を製造するための装置及び方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 20/12 20060101AFI20210727BHJP

【ＦＩ】

   B23K20/12 310

   B23K20/12 344

【請求項の数】10

【外国語出願】

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2017-137642(P2017-137642)

(22)【出願日】2017年7月14日

(65)【公開番号】特開2018-79507(P2018-79507A)

(43)【公開日】2018年5月24日

【審査請求日】2020年7月14日

(31)【優先権主張番号】15/239,386

(32)【優先日】2016年8月17日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】500520743

【氏名又は名称】ザ・ボーイング・カンパニー

【氏名又は名称原語表記】Ｔｈｅ Ｂｏｅｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ

(74)【代理人】

【識別番号】110002077

【氏名又は名称】園田・小林特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】ヴァーマ， ラヴィ

【審査官】 正木 裕也

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−２２７９６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１４／１０６０４４（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｋ ２０／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）構造（８００）を形成するための方法（１００）であって、
補助相材料（２３１）が配置される界面（２０２）を共有する主要相材料（２１１）の少なくとも２つのブロック（２１０、２２０）を含むアセンブリ（２００）であって、前方エッジ（２０４）から後方エッジ（２０６）まで延びる長さ（Ｌ）、前記長さに垂直に延びる幅（Ｗ）、及び厚さ（Ｔ）を有するアセンブリ（２００）を形成すること（１０２）と、
前記少なくとも２つのブロックを互いに向かって付勢する又は前記少なくとも２つのブロックを所定の位置で維持するプレスの２つのプラテン（５１０、５２０）のうちの少なくとも１つに前記アセンブリを留めること（１０６）と、
前記前方エッジから前記後方エッジまで前記界面に沿って回転摩擦攪拌ピン（６００）を通すこと（１０８）であって、前記摩擦攪拌ピンが、前記アセンブリの少なくとも前記幅に延びる混合長さ（６２２）を有し、前記摩擦攪拌ピンを通すことが、前記補助相材料を前記主要相材料内に分散させ、前記少なくとも２つのブロックを溶接する、通すこと（１０８）と
を含む方法。

【請求項2】

前記摩擦攪拌ピンが前記界面（２０２）に沿って通される際に、前記摩擦攪拌ピン（６００）を対向する端で駆動することを更に含む、請求項１に記載の方法（１００）。

【請求項3】

前記アセンブリ（２００）を形成すること（１０２）が、前記少なくとも２つのブロック（２１０、２２０）のうちの少なくとも１つのブロックの空洞（４１０）内に前記補助相材料（２３１）を配置することを含む、請求項１又は２に記載の方法（１００）。

【請求項4】

前記少なくとも２つのブロック（２１０、２２０）が、２つの界面（９４１、９５１）を画定する少なくとも３つのブロック（９１０、９２０、９４０）を備える、請求項１から３の何れか一項に記載の方法（１００）。

【請求項5】

前記補助相材料（２３１）が、第１の界面（９４１）に配置された第１の補助相材料、及び第２の界面（９５１）に配置された第２の補助相材料を備える、請求項４に記載の方法（１００）。

【請求項6】

アセンブリ（２００）を保持するように構成された第１のプラテン（１０１０）及び第２のプラテン（１０２０）であって、前記アセンブリが、補助相材料（２３１）が配置される界面（２０２）を共有する主要相材料（２１１）の少なくとも２つのブロック（２１０、２２０）を含み、かつ前方エッジ（２０４）から後方エッジ（２０６）まで延びる長さ（Ｌ）、前記長さに垂直に延びる幅（Ｗ）、及び厚さ（Ｔ）を有する、第１のプラテン（１０１０）及び第２のプラテン（１０２０）と、
前記アセンブリの前記幅の対向側面に配置され、かつ前記アセンブリの前記長さに沿って通るように構成された第１のチャック（１０３０）及び第２のチャック（１０４０）と、
前記第１及び第２のチャックにおいてそれぞれ支持された第１の端（１０５２）及び第２の端（１０５４）を有する摩擦攪拌ピン（１０５０）であって、前記摩擦攪拌ピンが、前記アセンブリの少なくとも前記幅に延びる混合長さ（１０５６）を有し、前記摩擦攪拌ピンを通すことが、前記補助相材料を前記主要相材料内に分散させ、前記少なくとも２つのブロックを溶接する、摩擦攪拌ピン（１０５０）と
を備える摩擦攪拌アセンブリ（１０００）。

【請求項7】

前記第１のチャック（１０３０）及び前記第２のチャック（１０４０）が、前記摩擦攪拌ピン（１０５０）の前記第１の端（１０５０）及び前記第２の端（１０５２）をそれぞれ駆動するように構成されている、請求項６に記載の摩擦攪拌アセンブリ（１０００）。

【請求項8】

前記摩擦攪拌ピン（１０５０）が、前記アセンブリ（２００）の前記厚さの２５％から８５％までの直径を有している、請求項６又は７に記載の摩擦攪拌アセンブリ（１０００）。

【請求項9】

前記摩擦攪拌ピン（１０５０）が、前記アセンブリ（２００）の前記厚さの１／３から１／２までの直径を有している、請求項６から８の何れか一項に記載の摩擦攪拌アセンブリ（１０００）。

【請求項10】

前記アセンブリ（２００）の前記厚さ（Ｔ）に沿って配置された複数の摩擦攪拌ピン（１０５０）を備える、請求項６から９の何れか一項に記載の摩擦攪拌アセンブリ（１０００）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示の実施形態は、一般に、シート又はプレートなどの金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）構造の製造に関する。

【背景技術】

【0002】

金属マトリックス複合材は、流し込み成形中に補助相粉末を溶融金属内に分散させることによって生産され得る。しかしながら、粉末を溶融金属内に分散させることが難しいこともある。例えば、粉末は、浮くか沈んで固まる傾向があり、分散が不規則になることもある。粉末が固まると、激しい攪拌行動によっても分散させることが難しいこともある。問題は、アルミニウム圧延プロセス用のダイレクトチルインゴットなどの大きなインゴットの場合に際立つことがある。

【発明の概要】

【0003】

したがって、本明細書で開示される種々の実施形態において、ＭＭＣ構造又は構成要素の形成が改良される。

【0004】

本開示のある実施形態は、金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）構造を形成するための方法を提供する。方法は、補助相材料が配置される界面を共有する主要相材料の少なくとも２つのブロックを含むアセンブリを形成することを含む。アセンブリは、前方エッジから後方エッジまで延びる長さ、長さに垂直に延びる幅、及び厚さを有する。方法はまた、アセンブリを留めることを含み、少なくとも２つのブロックを互いに向かって付勢すること、又は少なくとも２つのブロックを所定の位置で維持することのうちの少なくとも１つを行う。また、方法は、前方エッジから後方エッジまで界面に沿って回転摩擦攪拌ピンを通すことを含む。摩擦攪拌ピンは、少なくともアセンブリの幅に延びる混合長さを有し、アセンブリの長さに沿って回転摩擦攪拌ピンを通すことは、補助相材料を主要相材料内に分散させ、少なくとも２つのブロックを溶接する。

【0005】

本開示のある実施形態は、摩擦攪拌アセンブリを提供する。摩擦攪拌アセンブリは、第１のプラテン及び第２のプラテン、第１のチャック及び第２のチャック、並びに摩擦攪拌ピンを含む。第１のプラテン及び第２のプラテンは、アセンブリを保持するように構成される。アセンブリは、補助相材料が配置される界面を共有する主要相材料の少なくとも２つのブロックを含む。アセンブリは、前方エッジから後方エッジまで延びる長さ、長さに垂直に延びる幅、及び厚さを有する。第１及び第２のチャックは、アセンブリの幅の対向側面に配置され、かつアセンブリの長さに沿って通るように構成されている。摩擦攪拌ピンは、第１及び第２のチャックにおいてそれぞれ支持された第１及び第２の端を有し、少なくともアセンブリの幅に延びる混合長さを有している。回転摩擦攪拌ピンを通すことは、補助相材料を主要相材料内に分散させ、少なくとも２つのブロックを溶接する。

【0006】

本開示のある実施形態は、摩擦攪拌構造を提供する。本構造は、補助相材料が配置される界面を共有する主要相材料の少なくとも２つのブロックを含むアセンブリであって、前方エッジから後方エッジまで延びる長さ、長さに垂直に延びる幅、及び厚さを有するアセンブリを形成することと；アセンブリを留め、少なくとも２つのブロックを互いに向かって付勢すること、又は少なくとも２つのブロックを所定の位置で維持することのうちの少なくとも１つを行うことと；前方エッジから後方エッジまで界面に沿って回転摩擦攪拌ピンを通すことであって、摩擦攪拌ピンが、アセンブリの少なくとも幅に延びる混合長さを有し、摩擦攪拌ピンを通すことが、補助相材料を主要相材料内に分散させ、少なくとも２つのブロックを溶接し構造を形成する、通すこととによって形成される。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】本開示の実施形態による方法のフローチャートを提供する。

【図2】様々な実施形態による摩擦攪拌溶接されるアセンブリの概略側面図を提供する。

【図3】様々な実施形態による摩擦攪拌溶接されるアセンブリの概略透視図を提供する。

【図4】種々の実施形態による空洞を有するブロックの側断面図を提供する。

【図5】留められた位置における図２のアセンブリの概略側面図を示す。

【図6】種々の実施形態による摩擦攪拌ピンの側概略図を示す。

【図7】摩擦攪拌溶接されている図２のアセンブリの側概略図を示す。

【図8】摩擦攪拌溶接後の図２のアセンブリの概略側面図を示す。

【図9】種々の実施形態による３つのブロック及び２つの界面を含む摩擦攪拌溶接されているアセンブリを示す。

【図10】種々の実施形態に従って形成された摩擦攪拌アセンブリの概略端図を提供する。

【図11】図１０の摩擦攪拌アセンブリの側概略図を提供する。

【図12】航空機の製造及び保守方法のブロック図である。

【図13】航空機の概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

上記の概要、及び特定の実施形態の以下の詳細な説明は、添付の図面と併せて読むことにより、より深く理解されるだろう。本明細書で使用される「一（ａ）」又は「１つの（ａｎ）」に続く単数形の要素又はステップは、複数の当該要素又はステップを必ずしも除外しないと理解されたい。更に、「１つの実施形態」への言及は、本明細書に記載の特徴を組み込む追加の実施形態の存在を除外すると解釈すべきでない。また、反対に明示的に記述されない限り、特定の性質を有する一又は複数の要素を「備える」「含む」又は「有する」実施形態は、その性質を有しない追加の要素を含み得る。

【0009】

本開示の種々の実施形態は、補助相材料が配置される主要相材料の２つの構成要素間の界面で摩擦攪拌溶接を用いる。摩擦攪拌溶接は、主要相材料内に補助相材料を混合し、主要相材料の２つの構成要素を溶接し、補助相材料が主要相材料内に分散された状態のＭＭＣ構造である、単一の構成要素又は構造（例えば、シート又はプレート）を形成する。

【0010】

種々の実施形態は、金属／第２相／金属サンドイッチを通して横方向に横断する回転ピン、ロッド又はワイヤを使用し、金属を加熱及び可塑化し、第２相（例えば、セラミック粉末）を金属層に分散させて、ＭＭＣを製造する固体物理方法を提供する。種々の実施形態における攪拌作用は、第２の相の微細分散による金属層の一体構造への結合につながる。

【0011】

本開示の実施形態は、プレート及びシートなどのＭＭＣ構造を形成するためのシステム及び方法を提供する。種々の実施形態は、ＭＭＣ構造を形成する際に改良された便利さを提供する。種々の実施形態は、主要相材料において補助相材料の改良された分散を提供する。種々の実施形態は、第２の材料を金属プレート内に分散させるソリッドステート方法を提供する。卑金属より高い硬度及び強度、並びに低い密度を有するＭＭＣ構造（例えば、プレート）を生産するための種々の実施形態が提供される。

【0012】

図１は、種々の実施形態による、金属マトリックス複合材（例えば、プレート又はシート）を形成するための方法１００のフローチャートを提供する。方法１００は、例えば、本明細書で検討される種々の実施形態の構造又は態様（例えば、システム及び／又は方法）を用いてもよく、又はそれらによって実行されてもよい。様々な実施形態では、一定のステップが省略されるか、追加されることがあり、一定のステップが組み合わされることがあり、一定のステップが同時に実行されるか又は一定のステップが共に実行されることがあり、一定のステップが複数のステップに分けられることがあり、一定のステップが異なる順番で実行されることがあり、あるいは、一定のステップ又は一連のステップが反復して再実行されることがある。

【0013】

１０２において、アセンブリが形成される。アセンブリは、主要相材料の少なくとも２つのブロックを含む。少なくとも２つのブロックは、補助相材料が配置される少なくとも１つの界面を共有する。例えば、２つのブロックを含むアセンブリについて、ブロックの間には１つの界面が存在するだろう。別の例として、３つのブロックを含むアセンブリについて、ブロックの間には２つの界面（例えば、第１のブロックと第２のブロックの間に第１の界面、第２のブロックと第３のブロックとの間に第２の界面）が存在するだろう。アセンブリは、前方エッジから後方エッジまで延びる長さ、長さに垂直に延びる幅、及び厚さを有する。図２は、種々の実施形態による摩擦攪拌溶接されるアセンブリの側概略図を提供し、図３は、摩擦攪拌溶接されるアセンブリの斜視図を提供する。

【0014】

図２に見られるように、図示されたアセンブリ２００は、第１のブロック２１０及び第２のブロック２２０を含む。第１のブロック２１０及び第２のブロック２２０は、主要相材料２１１から作られる。種々の実施形態における主要相材料２１１は、金属であり得る。例えば、主要相材料２１１は、アルミニウム、チタニウム、又はマグネシウムであり得る。図示されたアセンブリ２００はまた、第１のブロック２１０と第２のブロック２２０との間の界面２０２に位置する中間層２３０を含む。中間層２３０は、補助相材料２３１に属する。幾つかの実施形態では、補助相材料２３１は、金属であり得る。幾つかの実施形態では、補助相材料２３１は、セラミック粉末などの非金属であってもよい。一般に、第１のブロック２１０及び第２のブロック２２０は、方法１００の一部として、補助相材料２３１を主要相材料２１１と混合しながら、溶接されることになる。図２及び図３に最もよく見られるように、アセンブリ２００は、長さＬ、幅Ｗ、及び厚さＴを有している。例として、厚さＴは、種々の実施形態において、１／２インチから３インチまでの厚さであり得る。他の実施形態では、他の厚さが使用され得る。長さＬは、前方エッジ２０４から後方エッジ２０６まで延びる。

【0015】

幾つかの実施形態では、中間層２３０は、シート（例えば、第１の金属のブロックの間に配置される第２の金属のシート）として提供され得る。他の実施形態では、補助相材料２３１の中間層２３０は、粉末であってもよく、別の例として、粉末を圧縮することによって作られたウエハのシートであってもよい。例えば、図示された方法１００の１０４において、補助相材料が、主要相材料の２つのブロックのうちの少なくとも１つのブロックの空洞内に配置される（例えば、堆積される）。図４は、空洞４１０を有するブロック４００の側断面概略図を提供する。ブロック４００は、種々の実施形態において、例えば、第１のブロック２１０又は第２のブロック２２０のうちの一方又は両方として用いられ得る。図４に示されるように、ブロック４００は、空洞４１０を画定するためにブロック４００の周囲を延びるショルダ４２０を含む。ショルダ４２０が、２つのブロックの間の界面で補助相材料（例えば、セラミック粉末）を保持するために、ブロック４００の全周囲に沿って延び得る。幾つかの実施形態では、ブロック４００は、ブロック４００を含むアセンブリ（例えば、アセンブリ１００）の輸送中に第２のブロックに仮溶接又は固定され得る。

【0016】

図１に戻り、１０６において、アセンブリが留められる。例えば、アセンブリは、プレスの２つのプラテンの間に留められ得る。留めるプロセスは、アセンブリの少なくとも２つのブロックを互いに向かって付勢すること、又は少なくとも２つのブロックを所定の位置で維持することのうちの少なくとも１つを行う。一般に、留めることは、摩擦攪拌溶接プロセス中に、アセンブリの構成要素を構成要素の間の所望の位置又は関係に維持するために実行される。

【0017】

図５は、留められた位置における図２のアセンブリ２００の概略側面図を示す。図５に見られるように、アセンブリ２００は、プレスの第１のプラテン５１０と第２のプラテン５２０との間に配置される。摩擦攪拌ピン６００は、最初はアセンブリ２００の前方エッジ２０４に近接して配置される。

【0018】

図６は、種々の実施形態により形成された摩擦攪拌ピン６００の側概略図を提供する。摩擦攪拌ピン６００は、者フォト６１０がそれに沿って第１の端６１２から対向する第２の端６１４まで延びる軸６０２を画定する。第１の端６１２及び第２の端６１４の各々は、チャックに受容され及び／又はモータによって駆動されピンを回転させるように構成され得る。種々の実施形態において、各端で摩擦攪拌ピン６００を支持することは、アセンブリ（例えば、アセンブリ２００）を通して摩擦攪拌ピン６００の前進中の曲げ又は屈曲を低減するのに役立つ。フルート６２０は、シャフト６１０から半径方向に延び、混合長さ６２２を画定する。種々の実施形態において、フルート６２０に異なる幾何学形状が使用され得ることに留意されたい。例えば、フルート６２０は、幾つかの実施形態では真っすぐに延び、他の実施形態では螺旋状に延びる。種々の実施形態では、鋸歯状又は他の形状が、フルート６２０に同様に提供されてもよい。ショルダ６３０は、フルート６２０の両側に配置される。図示された実施形態では、フルート６２０の端とショルダ６３０との間に間隙が示されているが、他の実施形態において、そのような間隙が必ずしも存在する必要はないことに留意されたい。一般に、ショルダ６３０は、摩擦攪拌溶接されているアセンブリの側面又はエッジに沿って適所に材料を保持するのに役立つように構成される。したがって、ショルダ６３０は、フルート６２０によって画定されたピン直径６２４より大きい直径６３２を有する。直径６３２は、摩擦攪拌ピン６００が使用されることになるプレスのプラテンの間の距離未満であり得る。フルート６２０は、摩擦攪拌プロセスによって発生する高温でピンの剛性及び寸法的完全性を維持し、摩擦攪拌溶接中に金属の混合を促進するために、タングステンカーバイトなどの比較的堅い材料から作られ得る。幾つかの実施形態では、ピン直径６２４は、摩擦攪拌溶接されているアセンブリの厚さの２５％から８５％まで（例えば、アセンブリ２００の厚さＴの２５％から８５％まで）であり得る。幾つかの実施形態では、ピン直径６２４は、摩擦攪拌溶接されているアセンブリの１／２から１／３までの厚さであり得る。

【0019】

図１に戻り、１０８において、摩擦攪拌ピンは、アセンブリの前方エッジからアセンブリの後方エッジまで界面に沿って通される。種々の実施形態では、摩擦攪拌ピンは、摩擦攪拌溶接されているアセンブリの少なくとも幅に延びる混合長さを有している。例えば、片持ちピンが摩擦攪拌溶接されている物体の一部を通って単に延びる、ある従来の摩擦攪拌溶接プロセスとは対照的に、摩擦攪拌ピン６００は、混合長さ６２２が少なくとも幅Ｗと同じくらい長く、かつ混合長さがアセンブリ１００の全体の幅Ｗを通るように摩擦攪拌ピン６００が位置付けられた状態で、アセンブリ２００を摩擦攪拌溶接するために使用され得る。摩擦攪拌ピンがアセンブリの長さに沿って通される際に、摩擦攪拌ピンは回転もする（例えば、一又は複数の関連するモータによって）。例えば、幾つかの実施形態では、摩擦攪拌ピンは、対向する端（例えば、摩擦攪拌ピン６００の第１の端６１２及び第２の端６１４）で支持される。更に、幾つかの実施形態では、摩擦攪拌ピンは、対向する端で駆動され得る（例えば、第１のモータは、第１の端６１２から摩擦攪拌ピンを駆動し、第２のモータは、第２の端６１４から摩擦攪拌ピンを駆動し得る）。種々の実施形態において両端のピンを支持することは、溶接されることになるアセンブリの幅を通って通される際に、ピンの曲げ又は屈曲を低減する。２つのモータは、互いに同期し得る。

【0020】

アセンブリの長さに沿った界面に沿って摩擦攪拌ピンを通すことは、補助相材料を主要相材料内に分散させ、主要相材料の少なくとも２つのブロックを溶接する。したがって、主要相材料全体に分散した補助相材料を含む単一構造が、種々の実施形態において提供される。幾つかの実施形態では、界面が摩擦攪拌ピンの軸と位置合わせされ得るのに対して、他の実施形態では、界面が摩擦攪拌ピンの軸からずらされ得ることに留意されたい。一般に、種々の実施形態では、界面は、ピン直径（例えば、フルートの直径）によって画定されたゾーン又はバンド内に位置する。本明細書で使用されるように、「ピン直径」という用語は、摩擦攪拌ピンの特性（例えば、フルートの直径）を指し、混合が起こり得る実際のゾーン又は厚さを限定するものではないことに留意されたい。種々の実施形態における混合は、摩擦攪拌ピンのピン直径の外側で起こることがあり、同様にプロペラからの後流部分（ｗａｋｅ）は、プロペラ直径を超えて延びる。摩擦攪拌ピンがアセンブリの長さに沿って前進する際に、摩擦攪拌ピンがアセンブリの長さに沿って前方エッジから後方エッジまで前進する横方向の速度だけではなく、摩擦攪拌ピンの回転速度も、所望の混合及び／又は溶接を実現するために制御され得る。例えば、一又は複数の材料の溶融温度未満を保持するのに十分低く温度を維持しつつ、混合されている材料の増速流に対して十分に高く温度を維持するように、速度が制御され得る。

【0021】

図７は、摩擦攪拌溶接中に留められた位置における図２のアセンブリ２００の概略側面図を示す。図７に示されるように、摩擦攪拌ピン６００は、アセンブリ２００の長さＬに沿って前進し、補助相材料２３１は、主要相材料２１１と混合され、第１のブロック２１０及び第２のブロック２２０は、溶接され、摩擦攪拌ピン６００の背後に（前進方向に）単一のＭＭＣが形成される。

【0022】

図８は、摩擦攪拌溶接後のアセンブリ２００の概略側面図を示す。図８に見られるように、アセンブリ２００は、方法１００によって、主要相材料２１１全体に分散された補助相材料２３１、並びに単一の摩擦攪拌溶接された構造８００を形成するために溶接された第１のブロック２１０及び第２のブロック２２０を有する、単一摩擦攪拌溶接された構造８００に処理された。

【0023】

代替的実施形態では、より多くのブロック及び界面が使用されてもよいことに留意されたい。図９は、３つのブロック及び２つの界面を含む摩擦攪拌溶接されているアセンブリ９００を示す。アセンブリ９００は、第１のブロック９１０、第２のブロック９２０、及び第３のブロック９３０を含む。第１のブロック９１０、第２のブロック９２０、及び第３のブロック９３０は、一又は複数の主要相材料で作られている。アセンブリ９００は、ブロックの間の２つの界面を画定する。要するに、アセンブリ９００は、第１のブロック９１０と第２のブロック９２０との間に第１の界面９４１を画定し、第２のブロック９２０と第３のブロック９３０との間に第２の界面９５１を画定する。第１の中間層９４０が、第１の界面９４１に配置され、第２の中間層９５０が、第２の界面９５１に配置される。第１の中間層９４０及び第２の中間層９５０は、一又は複数の補助相材料で作られている。一般に、補助相材料は、摩擦攪拌ピン９６０がアセンブリ９００の長さＬに沿って通過する際に、摩擦攪拌溶接によって主要相材料全域で混合又は分散される一方で、主要相材料は、摩擦攪拌溶接によって、溶接される。図示された実施形態では、摩擦攪拌ピン９６０は、第１の中間層９４０及び第２の中間層９５０が中点の対向側面にある状態で、アセンブリ９００の厚さＴの中点に位置付けられる。例えば、主要相材料全体への補助相材料分散の所望レベルの均一性を提供するために、補助相材料の界面及び中間層の特定の場所及び／又は数は変更され得ることに留意されたい。

【0024】

図示された例示的アセンブリ９００は例として提供され限定的なものではなく、代替的実施形態では他の配置が用いられ得ることにも留意されたい。例えば、３つのブロック及び２つの界面を上回るブロック及び界面が、種々の実施形態で用いられてもよい。別の例として、１つの摩擦攪拌ピンが例示された実施形態において示されているが、代替的実施形態では、複数の摩擦攪拌ピンが用いられてもよい。例えば、幾つかの実施形態では、１つの摩擦攪拌ピンが、界面毎に提供されてもよい。別の例として、他の実施形態において、より多くの界面が用いられてもよい。例えば、２つの摩擦攪拌ピン（ピン毎に２つの界面）を含む４つの界面が提供されてもよい。

【0025】

幾つかの実施形態では、同一の主要相材料がブロック毎に使用され、同一の補助相材料が中間層毎に使用され得る一方で、他の実施形態では、異なる材料が使用され得ることに更に留意されたい。例えば、幾つかの実施形態では、異なる材料が、２以上のブロックに対する主要相材料に使用され得る。例えば、例示的実施形態では、第１のブロック９１０は、第１の材料（例えば、第１の金属）で作られ、第２のブロックは、第２の材料（例えば、第２の金属）で作られ、第３のブロックは、第３の材料（例えば、第３の金属）で作られ得る。代替的には又は追加的には、異なる材料は、２以上の界面に対する補助相材料に使用され得る。例えば、図示された実施形態では、第１の中間層９４０は、第４の材料（例えば、第４の金属及び／又は第１のセラミック粉末）で作られ、第２の中間層９５０は、第５の材料（例えば、第５の金属及び／又は第２のセラミック粉末）で作られ得る。異なるブロック及び／又は中間層に対する異なる材料が、種々の実施形態で使用され得、生じた構造の厚さ全体に勾配又は可変特性を提供する。

【0026】

図１０は、種々の実施形態により形成された摩擦攪拌アセンブリ１０００の概略端図を提供し、図１１は、摩擦攪拌アセンブリ１０００の側概略図を提供する。図１０及び図１１に見られるように、摩擦攪拌アセンブリ１０００は、本明細書で検討されるような摩擦攪拌溶接されることになるアセンブリ（例えば、アセンブリ２００）を受容するように構成される。

【0027】

図１０及び図１１に見られるように、摩擦攪拌アセンブリ１０００は、第１のプラテン１０１０、第２のプラテン１０２０、第１のチャック１０３０、第２のチャック１０４０、及び摩擦攪拌ピン１０５０を含む。摩擦攪拌アセンブリ１０００の種々の構成要素は、所望の位置で構成要素を固定するように、及び／又は種々の構成要素の移動を保持若しくは案内するように構成されたフレーム１０９０（図を容易かつ明瞭にする目的で、図１０では接続線として概略的に示されている）に装着され得る。例えば、第１のプラテン１０１０及び第２のプラテン１０２０は、互いに向かって（アセンブリ２００を引き取るように）、又は互いから離れるように（アセンブリ２００を解除するように）付勢され得る。摩擦攪拌ピン１０５０は、第１のチャック１０３０及び第２のチャック１０４０の中に固定され、第１のチャック１０３０及び第２のチャック１０４０は、アセンブリ２００の長さに沿って付勢され、アセンブリを摩擦攪拌溶接する。摩擦攪拌ピン１０５０は、一般に、例えば、本明細書で検討される摩擦攪拌ピン６００に類似するように構成され得る。図１０で最もよく見られるように、摩擦攪拌ピン１０５０は、第１のチャック１０３０の中に固定された第１の端１０５２、及び第２のチャック１０４０の中に固定された第２の端１０５４を含む。図示された摩擦攪拌ピン１０５０は、アセンブリ２００全体の幅にわたって摩擦攪拌溶接を提供するために、アセンブリ２００の少なくとも幅Ｗに延びる混合長さ１０５６（例えば、フルートによって画定される）を有している。

【0028】

第１のプラテン１０１０及び第２のプラテン１０２０は、摩擦攪拌溶接されるアセンブリ（例えば、図１０及び図１１に２点鎖線で示されるアセンブリ２００）を保持するように構成される。第１のプラテン１０１０及び／又は第２のプラテン１０２０は、例えば、互いに向かって又は互いから離れるように第１のプラテン１０１０及び第２のプラテン１０２０を付勢するように構成された一又は複数のシリンダ又は他のアクチュエータに結合され得る。

【0029】

第１のチャック１０３０及び第２のチャック１０４０は、アセンブリ２００の幅Ｗの対向側面に（又は第１のプラテン１０１０及び第２のプラテン１０２０の対向側面に）配置され、アセンブリ２００の長さＬ（又は第１のプラテン１０１０及び第２のプラテン１０２０の長さ）に沿って通るように構成される。例えば、チャックは、摩擦攪拌溶接されているアセンブリの長さに沿って前進するように、リニアガイド内に配置され、シリンダ又は他のリニアアクチュエータ１０８０（図１１を参照）によって作動し得る。ガイドはまた、所望の位置（アセンブリ２００の界面と位置合わせされている）で摩擦攪拌ピン１０５０を位置付けるように使用され得る。図示された実施形態では、各チャックはまた、摩擦攪拌溶接中に摩擦攪拌ピン１０５０を回転させるために使用される関連モータを含む。図１０で最もよく見られるように、摩擦攪拌アセンブリ１０００は、第１のチャック１０３０と関連する第１のモータ１０６０を含み、また第２のチャック１０４０と関連した第２のモータ１０７０を含む。第１のモータ１０６０が摩擦攪拌ピン１０５０の第１の端１０５２を駆動する（例えば、第１の端１０５２を回転させる）一方で、第２のモータ１０７０は、摩擦攪拌ピン１０５０の第２の端１０５４を駆動する（例えば、第２の端１０５４を回転させる）。第１のモータ１０６０及び第２のモータ１０７０は、同時に同じ回転速度で摩擦攪拌ピン１０５０の端を回転させ、同期していない回転によって引き起こされ得る任意のねじれを低減又は除去するために同期し得る。図示された実施形態のモータは、摩擦攪拌ピン１０５０が、アセンブリ２００を摩擦攪拌溶接するために、アセンブリ２００の長さに沿って前進する間に、摩擦攪拌ピン１０５０を回転させるために使用される。アセンブリ２００の長さＬに沿って摩擦攪拌ピン１０５０を通すことは、補助相材料（例えば、２つの主要相材料の間の界面に位置する材料）を主要相材料内に分散させ、主要相材料のブロックを溶接する。

【0030】

本開示の例は、図１２に示す航空機の製造及び保守方法１９００、及び、図１３に示す航空機１９０２に照らして説明されうる。製造前の段階で、例示的な方法１９００は、航空機１９０２の仕様及び設計（ブロック１９０４）と材料調達（ブロック１９０６）とを含み得る。製造段階では、航空機１９０２の構成要素及びサブアセンブリの製造（ブロック１９０８）と、システムインテグレーション（ブロック１９１０）とが行われうる。その後、航空機１９０２は認可及び納品（ブロック１９１２）を経て運航（ブロック１９１４）に供され得る。運航中、航空機１９０２には、定期的な整備及び保守（ブロック１９１６）が予定されうる。定期的な整備及び保守は、航空機１９０２の一又は複数のシステムの改変、再構成、改修などを含みうる。例えば、様々な実施形態では、本開示の例がブロック１９０８又は１９１６のうちの一又は複数と併せて使用されうる。

【0031】

例示的な方法１９００のプロセスの各々は、システムインテグレータ、第三者、及び／又は顧客などのオペレータによって実行又は実施されうる。本明細書の目的に関しては、システムインテグレータは、限定しないが、任意の数の航空機製造者、及び主要システムの下請業者を含み得、第三者は、限定しないが、任意の数のベンダー、下請業者、及び供給業者を含み得、オペレータは、航空会社、リース会社、軍事団体、サービス機関などであり得る。

【0032】

図１３に示されるように、例示的な方法１９００によって製造された航空機１９０２は、複数の高レベルのシステム１９２０及び内装１９２２を有する機体１９１８を含みうる。高レベルシステム１９２０の例には、推進システム１９２４、電気システム１９２６、油圧システム１９２８、及び環境システム１９３０のうちの一又は複数が含まれる。任意の数の他のシステムが含まれてもよい。航空宇宙産業の例を示したが、本書で開示されている原理は、自動車産業のような他の産業にも適用されうる。従って、航空機１９０２に加えて、本明細書に開示された原理は他の輸送手段、例えば、陸上輸送手段、海上輸送手段、宇宙輸送手段等に適用可能である。様々な実施形態では、本開示の実施例を、機体１９１８と併せて使用することができる。

【0033】

本書で示され、説明されている装置（複数可）及び方法（複数可）は、製造及び保守方法１９００の一又は複数の任意の段階において用いられうる。例えば、構成要素及びサブアセンブリの製造１９０８に対応する構成要素又はサブアセンブリは、航空機１９０２の運航期間中に製造される構成要素又はサブアセンブリと同様の様態で製作又は製造されうる。また、装置（複数可）、方法（複数可）又はそれらの組み合わせの一又は複数の例は、例えば、航空機１９０２の組立てを著しく効率化するか、又はコストを削減することにより、製造段階１９０８及び１９１０において利用されうる。同様に、装置又は方法実現の一又は複数の実施例、或いはそれらの組み合わせは、限定するものではないが例としては、航空機１９０２の運航期間中に、例えば整備及び保守（ブロック１９１６）で利用され得る。

【0034】

本書で開示されている装置及び方法の種々の実施例は、多種多様な構成要素、特徴及び機能を含む。本書が開示する装置及び方法の様々な実施例には、本書が開示する装置及び方法の任意の他の実施例中の、任意の構成要素、特徴及び機能が、任意の組み合わせで含まれうること、並びに、こうした可能性がすべて、本開示の本質及び範囲に含まれる意図であることを理解すべきである。

【0035】

本開示の実施形態の説明のために、上部、底部、下方、中央、横方向、水平、垂直、前方などの空間及び方向に関する様々な語が用いられる場合があるが、そのような語は図面で示す方向に対するものとして用いられているにすぎないことが理解される。向きを、反転させる、回転させる、又はそうでなければ、上部が下部に、また下部が上部になるように、また水平が垂直になる等のように変化させることができる。

【0036】

例示される実施形態の構成要素の特定の配設（例えば数、種類、配置など）は、様々な代替的実施形態において改変されうることに、留意すべきである。例えば、種々の実施形態において、異なる数の所与の構成要素が用いられ、異なる種類（複数可）の所与の構成要素が用いられ、任意の数の構成要素（又はその態様）が組み合わされ、所与の構成要素が複数の構成要素に分割され、一又は複数の構成要素の一又は複数の態様が構成要素間で共有され、所与の構成要素が加えられ、又は所与の構成要素が省略され得る。

【0037】

本明細書で使用されるように、タスク又は工程を実施する「ように構成される」構造、限定事項、又は要素は、特にタスク又は工程に対応するように、構造的に形成、構成、又は適合されている。明確にし誤解を避けるために、タスク又は工程を実施するために変更可能であるに過ぎない対象物は、本明細書で使用するタスク又は工程を実施する「ように構成」されてはいない。その代わりに、本明細書で使用される「ように構成される」の使用は、構造的適合又は特性を示し、かつタスク又は工程を実行する「ように構成される」と記載される任意の構造、限定又は要素の構造的要件を示す。

【0038】

上記の説明は、限定ではなく、例示を意図するものであることを理解するべきである。例えば、上述の実施形態（及び／またはそれらの態様）は、互いに組み合わせて使用することができる。加えて、様々な実施形態の範囲から逸脱することなく、特定の状況又は材料を様々な実施形態の教示に適応させるために、多数の改変が加えられ得る。本明細書に記載の材料の寸法及び種類は、様々な実施形態のパラメータを規定することを意図しているが、これらの実施形態は限定的なものではなく例示的な実施形態である。上述の説明を精査することにより、当業者には他の多くの実施形態が明らかであろう。したがって、様々な実施形態の範囲は、添付の特許請求の範囲、及びこうした特許請求の範囲が認められる均等物の全範囲を参照して、決定されるべきである。

【0039】

更に、本開示は、下記の条項による実施形態を含む。
条項１． 金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）構造を形成するための方法であって、
補助相材料が配置される界面を共有する主要相材料の少なくとも２つのブロックを含むアセンブリであって、前方エッジから後方エッジまで延びる長さ、長さに垂直に延びる幅、及び厚さを有するアセンブリを形成することと、
アセンブリを留め、少なくとも２つのブロックを互いに向かって付勢すること、又は少なくとも２つのブロックを所定の位置で維持することのうちの少なくとも１つを行うことと、
前方エッジから後方エッジまで界面に沿って回転摩擦攪拌ピンを通すことであって、摩擦攪拌ピンが、アセンブリの少なくとも幅に延びる混合長さを有し、摩擦攪拌ピンを通すことが、補助相材料を主要相材料内に分散させ、少なくとも２つのブロックを溶接する、通すことと
を含む方法。
条項２． 摩擦攪拌ピンが界面に沿って通される際に、摩擦攪拌ピンを対向する端で支持することを更に含む、条項１に記載の方法。
条項３． 摩擦攪拌ピンが界面に沿って通される際に、摩擦攪拌ピンを対向する端で駆動することを更に含む、条項２に記載の方法。
条項４． アセンブリを形成することが、少なくとも２つのブロックのうちの少なくとも１つのブロックの空洞内に補助相材料を配置することを含む、条項１に記載の方法。
条項５． 少なくとも２つのブロックが、２つの界面を画定する少なくとも３つのブロックを備える、条項１に記載の方法。
条項６． 少なくとも３つのブロックが、互いに異なる金属から成る３つのブロックを備える、条項５に記載の方法。
条項７． 補助相材料が、第１の界面に配置された第１の補助相材料、及び第２の界面に配置された第２の補助相材料を備える、条項５に記載の方法。
条項８． 主要相材料がアルミニウムを含む、条項１に記載の方法。
条項９． 補助相材料がセラミック粉末を含む、条項１に記載の方法。
条項１０． アセンブリを保持するように構成された第１のプラテン及び第２のプラテンであって、アセンブリが、補助相材料が配置される界面を共有する主要相材料の少なくとも２つのブロックを含み、かつ前方エッジから後方エッジまで延びる長さ、長さに垂直に延びる幅、及び厚さを有する、第１のプラテン及び第２のプラテンと、
アセンブリの幅の対向側面に配置され、かつアセンブリの長さに沿って通るように構成された第１のチャック及び第２のチャックと、
第１及び第２のチャックにおいてそれぞれ支持された第１の端及び第２の端を有する摩擦攪拌ピンであって、摩擦攪拌ピンが、アセンブリの少なくとも幅に延びる混合長さを有し、摩擦攪拌ピンを通すことが、補助相材料を主要相材料内に分散させ、少なくとも２つのブロックを溶接する、摩擦攪拌ピンと
を備える摩擦攪拌アセンブリ。
条項１１． 第１のチャック及び第２のチャックが、摩擦攪拌ピンの第１の端及び第２の端をそれぞれ駆動するように構成されている、条項１０に記載の摩擦攪拌アセンブリ。
条項１２． 摩擦攪拌ピンが、アセンブリの厚さの２５％から８５％までの直径を有している、条項１０に記載の摩擦攪拌アセンブリ。
条項１３． 摩擦攪拌ピンが、アセンブリの厚さの１／３から１／２までの直径を有している、条項１０に記載の摩擦攪拌アセンブリ。
条項１４． アセンブリの厚さに沿って配置された複数の摩擦攪拌ピンを備える、条項１０に記載の摩擦攪拌アセンブリ。
条項１５． 摩擦攪拌ピンのうちの少なくとも２つが独立して駆動される、条項１４に記載の摩擦攪拌アセンブリ。
条項１６． 補助相材料が配置される界面を共有する主要相材料の少なくとも２つのブロックを含むアセンブリであって、前方エッジから後方エッジまで延びる長さ、長さに垂直に延びる幅、及び厚さを有するアセンブリを形成することと、
アセンブリを留め、少なくとも２つのブロックを互いに向かって付勢すること、又は少なくとも２つのブロックを所定の位置で維持することのうちの少なくとも１つを行うことと、
前方エッジから後方エッジまで界面に沿って回転摩擦攪拌ピンを通すことであって、摩擦攪拌ピンが、アセンブリの少なくとも幅に延びる混合長さを有し、摩擦攪拌ピンを通すことが、補助相材料を主要相材料内に分散させ、少なくとも２つのブロックを溶接し構造を形成する、通すことと
によって形成される摩擦攪拌溶接構造。
条項１７． 少なくとも２つのブロックが、２つの界面を画定する少なくとも３つのブロックを備え、少なくとも３つのブロックが互いに異なる金属から成る３つのブロックを備える、条項１６に記載の摩擦攪拌溶接された構造。
条項１８． 少なくとも２つのブロックが、２つの界面を画定する少なくとも３つのブロックを備え、補助相材料が、第１の界面に配置された第１の補助相材料、及び第２の界面に配置された第２の補助相材料を備える、条項１６に記載の摩擦攪拌溶接された構造。
条項１９． 主要相材料がアルミニウムを含む、条項１６に記載の摩擦攪拌溶接された構造。
条項２０． 補助相材料がセラミック粉末を含む、条項１６に記載の摩擦攪拌溶接された構造。

【0040】

ここに記載した説明は、ベストモードを含む様々な実施形態を開示するために実施例を使用しており、それは、さらに、任意のデバイス及びシステムの作製及び使用、並びに組込まれた任意の方法の実行を含め、様々な実施形態を実施することを可能にするためである。様々な実施形態の特許性の範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者が想起する他の実施例を含み得る。かかる他の実施例は、実施例が特許請求の範囲の文言と相違しない構造要素を有する場合、又は、実施例が、特許請求の範囲の文言とごくわずかな相違しかない同等の構造要素を含む場合、特許請求の範囲内であることが意図される。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】