JP2002061502A - セラミックス複合材料からなるディスクまたはブリスク - Google Patents
セラミックス複合材料からなるディスクまたはブリスクInfo
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 部位に応じて必要な強度を保持させる。
【解決手段】 円筒座標系の３次元に配向される強化用
繊維を有する。強化用繊維は、外周側５ａに配置される
第１繊維群６ａと内周側５ｂに配置される第２繊維群６
ｂとを備える。第１繊維群６ａは、第２繊維群６ｂより
も大きな高温クリープ強度を有し、第２繊維群６ｂは、
第１繊維群６ａよりも大きな引張強度を有する。
繊維を有する。強化用繊維は、外周側５ａに配置される
第１繊維群６ａと内周側５ｂに配置される第２繊維群６
ｂとを備える。第１繊維群６ａは、第２繊維群６ｂより
も大きな高温クリープ強度を有し、第２繊維群６ｂは、
第１繊維群６ａよりも大きな引張強度を有する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、航空、宇宙、船
舶、発電等の分野において、例えば圧縮機やタービン等
の構成部品として用いられる高速で回転するセラミック
ス複合材料のディスクまたはブリスク（ディスクと翼と
が一体に形成されたもの）に関するものである。
舶、発電等の分野において、例えば圧縮機やタービン等
の構成部品として用いられる高速で回転するセラミック
ス複合材料のディスクまたはブリスク（ディスクと翼と
が一体に形成されたもの）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】例えば、航空機の圧縮機やタービンで
は、動翼を支持するためにディスクが用いられている。
従来、このディスクは、ほとんどが金属で作られていた
が、近年、軽量化および耐熱性向上のため、セラミック
ス材料あるいはセラミックス複合材料で形成されるディ
スクの開発が進められている。セラミックス複合材料か
らなるディスクは、例えば、強化繊維の縦糸と横糸によ
って２次元織物を作り、この２次元織物を複数段に積層
したものに対し、気相含浸法（ＣＶＩ）またはポリマー
含浸焼成法によってマトリックス原料を含浸させてなる
複合材に機械加工を施すことで得られる。
は、動翼を支持するためにディスクが用いられている。
従来、このディスクは、ほとんどが金属で作られていた
が、近年、軽量化および耐熱性向上のため、セラミック
ス材料あるいはセラミックス複合材料で形成されるディ
スクの開発が進められている。セラミックス複合材料か
らなるディスクは、例えば、強化繊維の縦糸と横糸によ
って２次元織物を作り、この２次元織物を複数段に積層
したものに対し、気相含浸法（ＣＶＩ）またはポリマー
含浸焼成法によってマトリックス原料を含浸させてなる
複合材に機械加工を施すことで得られる。
【０００３】ところが、セラミックス複合材料からなる
ものは、内部に２次元面内方向に繊維強化されているた
め周方向の強度が低く、あまり高応力状態で使用するこ
とができないことに加えて、層間剪断強度が低いという
積層材特有の欠点を有するため、複雑な応力状態のディ
スクまたはブリスクには適していないという問題があっ
た。
ものは、内部に２次元面内方向に繊維強化されているた
め周方向の強度が低く、あまり高応力状態で使用するこ
とができないことに加えて、層間剪断強度が低いという
積層材特有の欠点を有するため、複雑な応力状態のディ
スクまたはブリスクには適していないという問題があっ
た。
【０００４】そこで、これらの問題を解決するセラミッ
クス複合材料からなるディスクまたはブリスクとして、
特開平９−１２５９０２号公報に掲載されているものが
提供されている。これは、上記強化繊維を、半径方向に
配向されるｒ糸、円周方向に配向されるθ糸、円筒軸方
向に配向されｒ糸およびθ糸を締め込むようにして編み
込むｚ糸からなる円筒座標系に従った３次元配向とし、
且つディスク中心からの距離に応じて強化繊維の配向比
率を異ならせたものである。
クス複合材料からなるディスクまたはブリスクとして、
特開平９−１２５９０２号公報に掲載されているものが
提供されている。これは、上記強化繊維を、半径方向に
配向されるｒ糸、円周方向に配向されるθ糸、円筒軸方
向に配向されｒ糸およびθ糸を締め込むようにして編み
込むｚ糸からなる円筒座標系に従った３次元配向とし、
且つディスク中心からの距離に応じて強化繊維の配向比
率を異ならせたものである。
【０００５】そして、この構成により、上記のセラミッ
クス複合材料からなるディスクまたはブリスクは、以下
の点において回転体に適している。 （１）面内の強化繊維が回転方向および半径方向に一致
して配置されているので、回転時に発生する応力をすべ
ての強化繊維が負担することができる。 （２）ディスクの寸法・形状に応じて回転方向および半
径方向の強化繊維の量（体積率）を部分的に適宜変える
ことにより、回転体内部に発生する応力を効率よく負担
することが可能となり、高強度を発現する。
クス複合材料からなるディスクまたはブリスクは、以下
の点において回転体に適している。 （１）面内の強化繊維が回転方向および半径方向に一致
して配置されているので、回転時に発生する応力をすべ
ての強化繊維が負担することができる。 （２）ディスクの寸法・形状に応じて回転方向および半
径方向の強化繊維の量（体積率）を部分的に適宜変える
ことにより、回転体内部に発生する応力を効率よく負担
することが可能となり、高強度を発現する。
【０００６】ところで、上記のような強化繊維の配向を
有するディスクまたはブリスクは、高温環境下で長時間
使用されることが多いため、翼やその周辺部分に優れた
高温クリープ強度が要求される。従来のセラミック繊維
は、非結晶性で伸びが大きいため、高強度を有するが高
温クリープ強度が不足していた。そこで、近年、高温下
において良好なクリープ特性を示す結晶性の高い繊維が
開発されて提供されるようになった。
有するディスクまたはブリスクは、高温環境下で長時間
使用されることが多いため、翼やその周辺部分に優れた
高温クリープ強度が要求される。従来のセラミック繊維
は、非結晶性で伸びが大きいため、高強度を有するが高
温クリープ強度が不足していた。そこで、近年、高温下
において良好なクリープ特性を示す結晶性の高い繊維が
開発されて提供されるようになった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たような従来のセラミックス複合材料からなるディスク
またはブリスクには、以下のような問題が存在する。上
記結晶性の高い繊維は、弾性率が高く伸びが小さく、引
張強度は非結晶性の繊維に及ばない。このため、最も高
強度を要する内周部分（ポア部）に関しては、強度向上
に限界があるという問題があった。
たような従来のセラミックス複合材料からなるディスク
またはブリスクには、以下のような問題が存在する。上
記結晶性の高い繊維は、弾性率が高く伸びが小さく、引
張強度は非結晶性の繊維に及ばない。このため、最も高
強度を要する内周部分（ポア部）に関しては、強度向上
に限界があるという問題があった。
【０００８】本発明は、以上のような点を考慮してなさ
れたもので、翼やその周辺部分では充分な高温クリープ
強度、内周部分では高い引張強度等、部位に応じて必要
な強度を有するセラミックス複合材料からなるディスク
またはブリスクを提供することを目的とする。
れたもので、翼やその周辺部分では充分な高温クリープ
強度、内周部分では高い引張強度等、部位に応じて必要
な強度を有するセラミックス複合材料からなるディスク
またはブリスクを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明は、以下の構成を採用している。請求項１記
載のセラミックス複合材料からなるディスクまたはブリ
スクは、円筒座標系の３次元に配向される強化用繊維を
有するセラミックス複合材料からなるディスクまたはブ
リスクであって、前記強化用繊維は、外周側に配置され
る第１繊維群と、内周側に配置される第２繊維群とを備
え、前記第１繊維群は、前記第２繊維群よりも大きな高
温クリープ強度を有し、前記第２繊維群は、前記第１繊
維群よりも大きな引張強度を有することを特徴とするも
のである。
めに本発明は、以下の構成を採用している。請求項１記
載のセラミックス複合材料からなるディスクまたはブリ
スクは、円筒座標系の３次元に配向される強化用繊維を
有するセラミックス複合材料からなるディスクまたはブ
リスクであって、前記強化用繊維は、外周側に配置され
る第１繊維群と、内周側に配置される第２繊維群とを備
え、前記第１繊維群は、前記第２繊維群よりも大きな高
温クリープ強度を有し、前記第２繊維群は、前記第１繊
維群よりも大きな引張強度を有することを特徴とするも
のである。
【００１０】従って、本発明のセラミックス複合材料か
らなるディスクまたはブリスクでは、翼やその周辺部分
の外周側が高温環境下に晒された場合でも高いクリープ
特性を示し、回転時にポア部等の内周側にフープ応力等
が作用した場合でも高い引張強度を示すことができる。
らなるディスクまたはブリスクでは、翼やその周辺部分
の外周側が高温環境下に晒された場合でも高いクリープ
特性を示し、回転時にポア部等の内周側にフープ応力等
が作用した場合でも高い引張強度を示すことができる。
【００１１】請求項２記載のセラミックス複合材料から
なるディスクまたはブリスクは、請求項１記載のセラミ
ックス複合材料からなるディスクまたはブリスクにおい
て、前記第１繊維群は結晶性繊維で構成され、前記第２
繊維群は非結晶性繊維で構成されることを特徴とするも
のである。
なるディスクまたはブリスクは、請求項１記載のセラミ
ックス複合材料からなるディスクまたはブリスクにおい
て、前記第１繊維群は結晶性繊維で構成され、前記第２
繊維群は非結晶性繊維で構成されることを特徴とするも
のである。
【００１２】従って、本発明のセラミックス複合材料か
らなるディスクまたはブリスクでは、結晶性繊維により
外周側が高い高温クリープ特性を示し、非結晶性繊維に
より内周側が高い伸びを有する優れた引張強度を示すこ
とができる。
らなるディスクまたはブリスクでは、結晶性繊維により
外周側が高い高温クリープ特性を示し、非結晶性繊維に
より内周側が高い伸びを有する優れた引張強度を示すこ
とができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、本発明のセラミックス複合
材料からなるディスクまたはブリスクの実施の形態を、
図１ないし図４を参照して説明する。図４は、本発明が
適用されたタービンブリスク１の一部の斜視断面図であ
る。図中符号１ａは、運転時において高速で回転するデ
ィスク、符号２はディスク１ａの外周に取り付けられる
動翼である。動翼２は、ディスク１ａの外周に形成され
た溝に嵌合されて取り付けられる後付けのものと、ディ
スク１ａと一体に形成され、後の機械加工で切削される
ディスクと一体構造のものとがあり、後者の動翼２とデ
ィスク１ａとが一体構造のものをブリスクと称する。
材料からなるディスクまたはブリスクの実施の形態を、
図１ないし図４を参照して説明する。図４は、本発明が
適用されたタービンブリスク１の一部の斜視断面図であ
る。図中符号１ａは、運転時において高速で回転するデ
ィスク、符号２はディスク１ａの外周に取り付けられる
動翼である。動翼２は、ディスク１ａの外周に形成され
た溝に嵌合されて取り付けられる後付けのものと、ディ
スク１ａと一体に形成され、後の機械加工で切削される
ディスクと一体構造のものとがあり、後者の動翼２とデ
ィスク１ａとが一体構造のものをブリスクと称する。
【００１４】ブリスク１は、セラミックス複合材料から
なるものであり、図２に示すように、内部に配される強
化用繊維３を、半径方向に沿って配置されたｒ糸３ａ
と、周方向に沿って配置されたθ糸３ｂと、円筒軸方向
に沿って配置されたｚ糸３ｃとからなる円筒座標系
（ｒ：半径方向、θ：周方向、ｚ：円筒軸線方向）に沿
う３次元配向とし、このように織り上げた強化用繊維３
に対しセラミックス材料からなるマトリックス４を含浸
させたものである。
なるものであり、図２に示すように、内部に配される強
化用繊維３を、半径方向に沿って配置されたｒ糸３ａ
と、周方向に沿って配置されたθ糸３ｂと、円筒軸方向
に沿って配置されたｚ糸３ｃとからなる円筒座標系
（ｒ：半径方向、θ：周方向、ｚ：円筒軸線方向）に沿
う３次元配向とし、このように織り上げた強化用繊維３
に対しセラミックス材料からなるマトリックス４を含浸
させたものである。
【００１５】図３に示すように、ｚ糸３ｃは、半径方向
に沿って間隔をあけて複数重に配置されたθ糸３ｂの間
に、半径方向に沿う直線上に並ぶように、且つ一定角度
毎に放射状に配置されている。ｒ糸３ａは、後述する外
周部５ａ、内周部５ｂでそれぞれ最も内側に位置するｚ
糸３ｃで折り返されたものが環状に配置されている。そ
して、このｚ糸３ｃは、周方向に隣接するｒ糸３ａを、
＋ｚ方向から、および−ｚ方向からと折り返しながら交
互に編み込むことで上記のように配置されたｒ糸３ａお
よびθ糸３ｂを緊締するようになっている。
に沿って間隔をあけて複数重に配置されたθ糸３ｂの間
に、半径方向に沿う直線上に並ぶように、且つ一定角度
毎に放射状に配置されている。ｒ糸３ａは、後述する外
周部５ａ、内周部５ｂでそれぞれ最も内側に位置するｚ
糸３ｃで折り返されたものが環状に配置されている。そ
して、このｚ糸３ｃは、周方向に隣接するｒ糸３ａを、
＋ｚ方向から、および−ｚ方向からと折り返しながら交
互に編み込むことで上記のように配置されたｒ糸３ａお
よびθ糸３ｂを緊締するようになっている。
【００１６】強化用繊維３の織り方としては、多重織
物、ｎ軸−３次元織物等が考えられる。また、強化繊維
３は、前記ディスク中心からの距離が増すにつれて周方
向（θ）の配向比率を減らしながら、半径方向（ｒ）の
配向比率が低下しないように補充されて織り上げられて
いる。
物、ｎ軸−３次元織物等が考えられる。また、強化繊維
３は、前記ディスク中心からの距離が増すにつれて周方
向（θ）の配向比率を減らしながら、半径方向（ｒ）の
配向比率が低下しないように補充されて織り上げられて
いる。
【００１７】そして、本実施の形態のブリスク１は、図
３に示すように、動翼２の高さＬ（図１参照）よりも大
きい幅Ｌ２の外周部（外周側）５ａと、外周部５ａの内
周側に位置する内周部（内周側）５ｂとで性質の異なる
強化用繊維３が配向されている。なお、外周部５ａの幅
Ｌ２は、動翼２の高さＬに対して翼根の長さを加えた程
度に設定される。詳細には、高温環境下で１２００℃以
上の温度に達すると予想される範囲を外周部５ａの幅と
して設定する。
３に示すように、動翼２の高さＬ（図１参照）よりも大
きい幅Ｌ２の外周部（外周側）５ａと、外周部５ａの内
周側に位置する内周部（内周側）５ｂとで性質の異なる
強化用繊維３が配向されている。なお、外周部５ａの幅
Ｌ２は、動翼２の高さＬに対して翼根の長さを加えた程
度に設定される。詳細には、高温環境下で１２００℃以
上の温度に達すると予想される範囲を外周部５ａの幅と
して設定する。
【００１８】強化用繊維３のうち、外周部５ａに配向さ
れた糸３ａ、３ｂ、３ｃからなる繊維群（第１繊維群）
６ａは結晶性繊維で構成され、内周部５ｂに配向された
糸３ａ、３ｂ、３ｃからなる繊維群（第２繊維群）６ｂ
は非結晶性繊維で構成されている。繊維群６ａは、例え
ばアモルファスＳｉ−Ａｌ−Ｃ−Ｏ繊維を１８００℃前
で焼結した結晶性繊維が用いられる。この結晶性繊維
は、ポリカルボシラン（polycarbosilane:（−ＳｉＨ
（ＣＨ3）−ＣＨ2−））とアルミニウム（III）アセチ
ルアセトン（aluminium（III）acetylacetonate）とを
反応させて得られたポリアルミノカルボシレート（poly
aluminocarbosilane）を合成したものである。ここで、
このＳｉ−Ａｌ−Ｃ−Ｏ繊維におけるＡｌの含有量は、
１ｗｔ％以下である。
れた糸３ａ、３ｂ、３ｃからなる繊維群（第１繊維群）
６ａは結晶性繊維で構成され、内周部５ｂに配向された
糸３ａ、３ｂ、３ｃからなる繊維群（第２繊維群）６ｂ
は非結晶性繊維で構成されている。繊維群６ａは、例え
ばアモルファスＳｉ−Ａｌ−Ｃ−Ｏ繊維を１８００℃前
で焼結した結晶性繊維が用いられる。この結晶性繊維
は、ポリカルボシラン（polycarbosilane:（−ＳｉＨ
（ＣＨ3）−ＣＨ2−））とアルミニウム（III）アセチ
ルアセトン（aluminium（III）acetylacetonate）とを
反応させて得られたポリアルミノカルボシレート（poly
aluminocarbosilane）を合成したものである。ここで、
このＳｉ−Ａｌ−Ｃ−Ｏ繊維におけるＡｌの含有量は、
１ｗｔ％以下である。
【００１９】この合成は、３００℃の窒素雰囲気下で、
アセチルアセトン（acetylacetone）の進化に伴うアル
ミニウム（III）アセチルアセトンの配位子とポリカル
ボシラン中でのＳｉ−Ｈ結合の縮合反応として進行する
ものである。このとき、Ｓｉ−Ａｌ−Ｓｉ結合の形態で
ある交叉結合反応により分子量が増加する。ポリアルミ
ノカルボシレートは、２２０℃で融解して紡がれた後、
１６０℃の空気中で硬化される。そして、硬化した繊維
は、アモルファスＳｉ−Ａｌ−Ｃ−Ｏ繊維にするため
に、１３００℃までの不活性ガス内で連続的に焼かれる
が、１２ｗｔ％以下の炭素および酸素が非化学量論的過
剰状態になる。そして、Ｓｉ−Ａｌ−Ｃ−Ｏ繊維は、１
５００から１７００℃においてＣＯガスの放出に伴う分
解と、１８００℃以上の焼結により、焼結したＳｉＣ繊
維に変質する。この焼結工程において上記Ａｌは１ｗｔ
％以下になるように制御される。
アセチルアセトン（acetylacetone）の進化に伴うアル
ミニウム（III）アセチルアセトンの配位子とポリカル
ボシラン中でのＳｉ−Ｈ結合の縮合反応として進行する
ものである。このとき、Ｓｉ−Ａｌ−Ｓｉ結合の形態で
ある交叉結合反応により分子量が増加する。ポリアルミ
ノカルボシレートは、２２０℃で融解して紡がれた後、
１６０℃の空気中で硬化される。そして、硬化した繊維
は、アモルファスＳｉ−Ａｌ−Ｃ−Ｏ繊維にするため
に、１３００℃までの不活性ガス内で連続的に焼かれる
が、１２ｗｔ％以下の炭素および酸素が非化学量論的過
剰状態になる。そして、Ｓｉ−Ａｌ−Ｃ−Ｏ繊維は、１
５００から１７００℃においてＣＯガスの放出に伴う分
解と、１８００℃以上の焼結により、焼結したＳｉＣ繊
維に変質する。この焼結工程において上記Ａｌは１ｗｔ
％以下になるように制御される。
【００２０】図４に曲げ応力緩和試験の結果を示す。こ
こで、縦軸のｍは、結晶性繊維を半径Ｒ０でグラファイ
ト軸に巻回した後、Ａｒ中で１時間の熱処理を施したと
きの緩和した半径Ｒにより次式で求められるものであ
る。 ｍ＝１−（Ｒ０／Ｒ） 上式によりｍの数値は、０と１の間であるが、ｍの数値
が１に近い程、良好な耐クリープ性を有することにな
る。この図から明らかなように、結晶性繊維からなる繊
維群６ａは、非結晶性繊維からなる繊維群６ｂに比較し
て高温においても良好な耐クリープ性を有している。ま
た、この結晶性繊維は、引張り強度が２．５ＧＰａ以
上、引張り応力が３００ＧＰａ以上を示す。これらの強
度は１９００℃まで維持され、２０００℃のＡｒ中で１
時間熱処理された後でも当初の８０％程度の強度を維持
している。
こで、縦軸のｍは、結晶性繊維を半径Ｒ０でグラファイ
ト軸に巻回した後、Ａｒ中で１時間の熱処理を施したと
きの緩和した半径Ｒにより次式で求められるものであ
る。 ｍ＝１−（Ｒ０／Ｒ） 上式によりｍの数値は、０と１の間であるが、ｍの数値
が１に近い程、良好な耐クリープ性を有することにな
る。この図から明らかなように、結晶性繊維からなる繊
維群６ａは、非結晶性繊維からなる繊維群６ｂに比較し
て高温においても良好な耐クリープ性を有している。ま
た、この結晶性繊維は、引張り強度が２．５ＧＰａ以
上、引張り応力が３００ＧＰａ以上を示す。これらの強
度は１９００℃まで維持され、２０００℃のＡｒ中で１
時間熱処理された後でも当初の８０％程度の強度を維持
している。
【００２１】一方、強化用繊維３のうち、繊維群６ｂ
は、無機長繊維あるいは炭素繊維等の非結晶性繊維が用
いられる。その中で、例えば、無機長繊維には次のもの
が挙げられる。 （１）元素組成がＳｉが４５〜６０ｗｔ％、Ｔｉおよび
／又はＺｒが０．２〜５ｗｔ％、Ｃが２０〜４５ｗｔ
％、Ｏが０．１〜２０．０ｗｔ％であり、かつ、 ａ）実質的にＳｉと、Ｔｉおよび／又はＺｒと、ＣとＯ
とからなる非晶質、 ｂ）上記非晶並びに５００Ａ以下のβーＳｉＣと、Ｔｉ
Ｃおよび／又はＺｒＣとの結晶質の集合体、もしくは ｃ）上記結晶質並びにその近傍に存在するＳｉＯｘと、
ＴｉＯｘおよび／又はＺｒＯｘ（０＜ｘ≦２）とからな
る非晶質の混合系である。 （２）元素組成がＳｉが３０〜８０ｗｔ％、Ｃが２０〜
７０ｗｔ％、Ｈが２．０ｗｔ％以下であり、かつ、Ｓ
ｉ、Ｃから実質的になる非晶質および／又は１０００Ａ
以下のβーＳｉＣの結晶質さらに場合によっては炭素の
凝集体からなるもの。 （３）元素組成がＳｉが３０〜８０ｗｔ％、Ｃが１０〜
６５ｗｔ％、Ｏが０．０５〜２５ｗｔ％、Ｈが２ｗｔ％
以下であり、かつ、Ｓｉ、ＣおよびＯから実質的になる
非晶質物質、又は１０００Ａ以下のβーＳｉＣの結晶質
の集合体と非晶質のＳｉＯ2からなる集合体。 （４）ＳｉとＮおよびＯ、Ｃ、Ｈ、金属類（元素周期律
表第II族〜VIII族の金属元素の群から選択される少なく
とも１種類であり、各元素の比率が原子比で表して、 Ｎ／Ｓｉ ０．３〜３ Ｏ／Ｓｉ １５以下 Ｃ／Ｓｉ ７以下 Ｈ／Ｓｉ １以下 Ｍ／Ｓｉ ５以下 （Ｍは元素周期律表第II族〜VIII族の金属元素の群から
選択される１種類または２種類以上）であり、かつ、Ｘ
線小角散乱強度比が１°および０．５°において各々１
倍〜２０倍であるもの。 （５）Ａｌ、Ｓｉ、ＢおよびＯから実質的になり、ムラ
イトおよび／又はγーおよびηーアルミナの微結晶と非
晶質のＳｉＯ2の集合体であるもの。そして、この非結
晶性繊維は、引張り強度が３．４ＧＰａ以上を示すもの
である。
は、無機長繊維あるいは炭素繊維等の非結晶性繊維が用
いられる。その中で、例えば、無機長繊維には次のもの
が挙げられる。 （１）元素組成がＳｉが４５〜６０ｗｔ％、Ｔｉおよび
／又はＺｒが０．２〜５ｗｔ％、Ｃが２０〜４５ｗｔ
％、Ｏが０．１〜２０．０ｗｔ％であり、かつ、 ａ）実質的にＳｉと、Ｔｉおよび／又はＺｒと、ＣとＯ
とからなる非晶質、 ｂ）上記非晶並びに５００Ａ以下のβーＳｉＣと、Ｔｉ
Ｃおよび／又はＺｒＣとの結晶質の集合体、もしくは ｃ）上記結晶質並びにその近傍に存在するＳｉＯｘと、
ＴｉＯｘおよび／又はＺｒＯｘ（０＜ｘ≦２）とからな
る非晶質の混合系である。 （２）元素組成がＳｉが３０〜８０ｗｔ％、Ｃが２０〜
７０ｗｔ％、Ｈが２．０ｗｔ％以下であり、かつ、Ｓ
ｉ、Ｃから実質的になる非晶質および／又は１０００Ａ
以下のβーＳｉＣの結晶質さらに場合によっては炭素の
凝集体からなるもの。 （３）元素組成がＳｉが３０〜８０ｗｔ％、Ｃが１０〜
６５ｗｔ％、Ｏが０．０５〜２５ｗｔ％、Ｈが２ｗｔ％
以下であり、かつ、Ｓｉ、ＣおよびＯから実質的になる
非晶質物質、又は１０００Ａ以下のβーＳｉＣの結晶質
の集合体と非晶質のＳｉＯ2からなる集合体。 （４）ＳｉとＮおよびＯ、Ｃ、Ｈ、金属類（元素周期律
表第II族〜VIII族の金属元素の群から選択される少なく
とも１種類であり、各元素の比率が原子比で表して、 Ｎ／Ｓｉ ０．３〜３ Ｏ／Ｓｉ １５以下 Ｃ／Ｓｉ ７以下 Ｈ／Ｓｉ １以下 Ｍ／Ｓｉ ５以下 （Ｍは元素周期律表第II族〜VIII族の金属元素の群から
選択される１種類または２種類以上）であり、かつ、Ｘ
線小角散乱強度比が１°および０．５°において各々１
倍〜２０倍であるもの。 （５）Ａｌ、Ｓｉ、ＢおよびＯから実質的になり、ムラ
イトおよび／又はγーおよびηーアルミナの微結晶と非
晶質のＳｉＯ2の集合体であるもの。そして、この非結
晶性繊維は、引張り強度が３．４ＧＰａ以上を示すもの
である。
【００２２】また、上記マトリックス４としては、例え
ばＳｉＣが用いられるが、使用環境等を考慮して他の様
々なセラミックスを用いてもよい。また、その成形法と
しては、ＣＶＩ（Chemical Vapor Infiltration）法と
ＰＩＰ（Polymer Impregnaionand Pyrolysis）法とを組
み合わせたものが用いられる。つまり、前記のように３
次元配向とした強化用繊維３に対して、１０００℃に熱
してガス化したＳｉＣを付着させ、その後、ポリマーを
含浸させて焼成する工程を複数回（６回前後）繰り返
し、これにより、セラミックス複合材料を得る方法が用
いられる。勿論、成形法はこれに限られることなく、ス
ラリー法、ゾルーゲル法等の他の方法を用いてもよく、
また、ＣＶＩ（Chemical Vapor Infiltration）法とＰ
ＩＰ（Polymer Impregnaion and Pyrolysis）法とのい
ずれか一方のみを用いたものでもよい。
ばＳｉＣが用いられるが、使用環境等を考慮して他の様
々なセラミックスを用いてもよい。また、その成形法と
しては、ＣＶＩ（Chemical Vapor Infiltration）法と
ＰＩＰ（Polymer Impregnaionand Pyrolysis）法とを組
み合わせたものが用いられる。つまり、前記のように３
次元配向とした強化用繊維３に対して、１０００℃に熱
してガス化したＳｉＣを付着させ、その後、ポリマーを
含浸させて焼成する工程を複数回（６回前後）繰り返
し、これにより、セラミックス複合材料を得る方法が用
いられる。勿論、成形法はこれに限られることなく、ス
ラリー法、ゾルーゲル法等の他の方法を用いてもよく、
また、ＣＶＩ（Chemical Vapor Infiltration）法とＰ
ＩＰ（Polymer Impregnaion and Pyrolysis）法とのい
ずれか一方のみを用いたものでもよい。
【００２３】上記の構成のブリスクでは、例えばｒ糸３
ａ、θ糸３ｂをｚ糸３ｃで編み込み、大きな張力で緊締
することにより、繊維間の隙間が小さく、十分な繊維体
積率およびマトリックス充填率を有する成形体を作るこ
とができる。この成形体から外周部５ａを切削して動翼
２が作られたブリスク１が使用に供されると、高温環境
下における高速回転に伴う遠心力による半径方向クリー
プ強度が特に外周部５ａで要求されるが、外周部５ａに
配向された繊維群６ａが結晶性繊維であるため、図４に
示したように高温下でも十分なクリープ強度を発現する
ことができる。
ａ、θ糸３ｂをｚ糸３ｃで編み込み、大きな張力で緊締
することにより、繊維間の隙間が小さく、十分な繊維体
積率およびマトリックス充填率を有する成形体を作るこ
とができる。この成形体から外周部５ａを切削して動翼
２が作られたブリスク１が使用に供されると、高温環境
下における高速回転に伴う遠心力による半径方向クリー
プ強度が特に外周部５ａで要求されるが、外周部５ａに
配向された繊維群６ａが結晶性繊維であるため、図４に
示したように高温下でも十分なクリープ強度を発現する
ことができる。
【００２４】一方、ブリスク１の回転により、内周部
（ポア部）５ｂでは高い円周方向の強度（フープ応力
等）が要求されるが、内周部５ｂに配向された繊維群６
ｂが非結晶性で伸びが大きいため、十分な引張強度を発
現する。従って、本実施の形態のブリスクでは、高温下
に曝される外周部５ａが大きな高温クリープ特性を有
し、高強度が必要な内周部５ｂが高い引張強度を有する
等、部位に応じて必要な強度を有することになる。
（ポア部）５ｂでは高い円周方向の強度（フープ応力
等）が要求されるが、内周部５ｂに配向された繊維群６
ｂが非結晶性で伸びが大きいため、十分な引張強度を発
現する。従って、本実施の形態のブリスクでは、高温下
に曝される外周部５ａが大きな高温クリープ特性を有
し、高強度が必要な内周部５ｂが高い引張強度を有する
等、部位に応じて必要な強度を有することになる。
【００２５】なお、上記実施の形態では、セラミックス
複合材料からなるブリスクを例示したが、ディスクにお
いても、動翼が嵌合する溝が形成される範囲（翼根部）
を大きな高温クリープ強度を有する繊維で構成し、その
内周側を大きな引張強度を有する繊維で構成すれば、上
記と同様の作用、効果を得ることができる。また、ｒ糸
３ａ、θ糸３ｂ、ｚ糸３ｃの配置は、必ずしも上記の構
成に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しな
い範囲であれば適宜変更可能である。
複合材料からなるブリスクを例示したが、ディスクにお
いても、動翼が嵌合する溝が形成される範囲（翼根部）
を大きな高温クリープ強度を有する繊維で構成し、その
内周側を大きな引張強度を有する繊維で構成すれば、上
記と同様の作用、効果を得ることができる。また、ｒ糸
３ａ、θ糸３ｂ、ｚ糸３ｃの配置は、必ずしも上記の構
成に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しな
い範囲であれば適宜変更可能である。
【００２６】さらに、上記実施の形態では、外周側５ａ
の繊維群６ａを結晶性繊維で構成し、内周側５ｂの繊維
群６ｂを非結晶性繊維で構成したが、外周側に配置され
た繊維群が内周側に配置された繊維群よりも大きな高温
クリープ強度を有し、内周側の繊維群が外周側の繊維群
よりも大きな引張強度を有するものであれば、これに限
定されるものではない。
の繊維群６ａを結晶性繊維で構成し、内周側５ｂの繊維
群６ｂを非結晶性繊維で構成したが、外周側に配置され
た繊維群が内周側に配置された繊維群よりも大きな高温
クリープ強度を有し、内周側の繊維群が外周側の繊維群
よりも大きな引張強度を有するものであれば、これに限
定されるものではない。
【００２７】また、上記実施の形態では、ブリスク１を
構成する強化用繊維３が外周部５ａに配向された繊維群
６ａと内周部５ｂに配向された繊維群６ｂとの２種類か
らなる構成としたが、これに限定されるものではなく、
外周部５ａと内周部５ｂとの間に中間の性質を有する繊
維で構成された中間部を設けてもよい。さらに、この中
間部は結晶性繊維と非結晶性繊維の配向密度が漸次変化
するようにしてもよい。すなわち、内周側から外周側へ
向かうに従って、漸次結晶性繊維の密度（比率）が増す
ように配向（傾斜配置）すればよい。また、外周部５ａ
と内周部５ｂとの間に特性が異なる複数の中間部を配置
する構成としてもよい。
構成する強化用繊維３が外周部５ａに配向された繊維群
６ａと内周部５ｂに配向された繊維群６ｂとの２種類か
らなる構成としたが、これに限定されるものではなく、
外周部５ａと内周部５ｂとの間に中間の性質を有する繊
維で構成された中間部を設けてもよい。さらに、この中
間部は結晶性繊維と非結晶性繊維の配向密度が漸次変化
するようにしてもよい。すなわち、内周側から外周側へ
向かうに従って、漸次結晶性繊維の密度（比率）が増す
ように配向（傾斜配置）すればよい。また、外周部５ａ
と内周部５ｂとの間に特性が異なる複数の中間部を配置
する構成としてもよい。
【００２８】
【発明の効果】以上説明したように、請求項１に係るセ
ラミックス複合材料からなるディスクまたはブリスク
は、外周側に配置された第１繊維群が内周側に配置され
た第２繊維群よりも大きな高温クリープ強度を有し、第
２繊維群が第１繊維群よりも大きな引張強度を有する構
成になっている。これにより、このセラミックス複合材
料からなるディスクまたはブリスクでは、材料特性が最
適化され、部位に応じて必要な強度を発現するという効
果が得られる。
ラミックス複合材料からなるディスクまたはブリスク
は、外周側に配置された第１繊維群が内周側に配置され
た第２繊維群よりも大きな高温クリープ強度を有し、第
２繊維群が第１繊維群よりも大きな引張強度を有する構
成になっている。これにより、このセラミックス複合材
料からなるディスクまたはブリスクでは、材料特性が最
適化され、部位に応じて必要な強度を発現するという効
果が得られる。
【００２９】請求項２に係るセラミックス複合材料から
なるディスクまたはブリスクは、第１繊維群が結晶性繊
維で構成され、第２繊維群が非結晶性繊維で構成されて
いる。これにより、このセラミックス複合材料からなる
ディスクまたはブリスクでは、結晶性繊維が大きな高温
クリープ特性を発現し、非結晶性繊維が高い引張強度を
発現することで、部位に応じた必要な強度が得られると
いう効果を奏する。
なるディスクまたはブリスクは、第１繊維群が結晶性繊
維で構成され、第２繊維群が非結晶性繊維で構成されて
いる。これにより、このセラミックス複合材料からなる
ディスクまたはブリスクでは、結晶性繊維が大きな高温
クリープ特性を発現し、非結晶性繊維が高い引張強度を
発現することで、部位に応じた必要な強度が得られると
いう効果を奏する。
【図１】 本発明の実施の形態を示す図であって、強
化用繊維を有するブリスクの斜視断面図である。
化用繊維を有するブリスクの斜視断面図である。
【図２】 強化用繊維が円筒座標系に沿う３次元に配
向された平面図である。
向された平面図である。
【図３】 外周部と内周部とが性質の異なる強化用繊
維で構成されたブリスクのモデル図である。
維で構成されたブリスクのモデル図である。
【図４】 同強化用繊維に対して曲げ応力緩和試験を
行った際の温度と耐クリープ性との関係図である。
行った際の温度と耐クリープ性との関係図である。
１ ブリスク １ａ ディスク ３ 強化用繊維 ３ａ ｒ糸 ３ｂ θ糸 ３ｃ ｚ糸 ５ａ 外周部（外周側） ５ｂ 内周部（内周側） ６ａ 繊維群（第１繊維群） ６ｂ 繊維群（第２繊維群）
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴村 宣行 東京都田無市向台町三丁目５番１号 石川 島播磨重工業株式会社田無工場内株式会社 先進材料利用ガスジェネレータ研究所田無 分室内 Ｆターム(参考） 3G002 AA02 AA12 AB09
Claims (2)
- 【請求項１】 円筒座標系の３次元に配向される強化
用繊維（３）を有するセラミックス複合材料からなるデ
ィスクまたはブリスクであって、 前記強化用繊維は、外周側（５ａ）に配置される第１繊
維群（６ａ）と、内周側（５ｂ）に配置される第２繊維
群（６ｂ）とを備え、 前記第１繊維群は、前記第２繊維群よりも大きな高温ク
リープ強度を有し、 前記第２繊維群は、前記第１繊維群よりも大きな引張強
度を有することを特徴とするセラミックス複合材料から
なるディスクまたはブリスク。 - 【請求項２】 請求項１記載のセラミックス複合材料
からなるディスクまたはブリスクにおいて、 前記第１繊維群は結晶性繊維で構成され、 前記第２繊維群は非結晶性繊維で構成されることを特徴
とするセラミックス複合材料からなるディスクまたはブ
リスク。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000247866A JP2002061502A (ja) | 2000-08-17 | 2000-08-17 | セラミックス複合材料からなるディスクまたはブリスク |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000247866A JP2002061502A (ja) | 2000-08-17 | 2000-08-17 | セラミックス複合材料からなるディスクまたはブリスク |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002061502A true JP2002061502A (ja) | 2002-02-28 |
Family
ID=18737870
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000247866A Pending JP2002061502A (ja) | 2000-08-17 | 2000-08-17 | セラミックス複合材料からなるディスクまたはブリスク |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002061502A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005240797A (ja) * | 2004-02-23 | 2005-09-08 | General Electric Co <Ge> | タービンエンジン部品用のＳｉＣ／ＳｉＣセラミック複合材の特性を改良するバイアス織物の使用 |
| JP2008121667A (ja) * | 2006-11-08 | 2008-05-29 | General Electric Co <Ge> | Ｍｍｃリングコンポーネントおよび単体エーロフォイルコンポーネントを有するローターの製造システム |
| JP2008121666A (ja) * | 2006-11-08 | 2008-05-29 | General Electric Co <Ge> | Ｍｍｃリング要素および一体翼形を有する翼形要素を有するロータを製造するためのシステム |
| JP2008138669A (ja) * | 2006-11-08 | 2008-06-19 | General Electric Co <Ge> | Ｍｍｃリング要素およびｍｍｃ翼形を有する翼形要素を有するロータを製造するためのシステム |
| JP2012246918A (ja) * | 2011-05-26 | 2012-12-13 | United Technologies Corp <Utc> | ガスタービンエンジンのロータモジュール及びタービンアッセンブリ並びにタービンアッセンブリ組み付け方法 |
| EP2570601A3 (en) * | 2011-05-26 | 2014-11-26 | United Technologies Corporation | Ceramic matrix composite rotor disk for a gas turbine engine and corresponding rotor module |
-
2000
- 2000-08-17 JP JP2000247866A patent/JP2002061502A/ja active Pending
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005240797A (ja) * | 2004-02-23 | 2005-09-08 | General Electric Co <Ge> | タービンエンジン部品用のＳｉＣ／ＳｉＣセラミック複合材の特性を改良するバイアス織物の使用 |
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| JP2008121666A (ja) * | 2006-11-08 | 2008-05-29 | General Electric Co <Ge> | Ｍｍｃリング要素および一体翼形を有する翼形要素を有するロータを製造するためのシステム |
| JP2008138669A (ja) * | 2006-11-08 | 2008-06-19 | General Electric Co <Ge> | Ｍｍｃリング要素およびｍｍｃ翼形を有する翼形要素を有するロータを製造するためのシステム |
| JP2013068223A (ja) * | 2006-11-08 | 2013-04-18 | General Electric Co <Ge> | 一体型ブレードローターを生産する方法 |
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