JP2006052135A - 水ベースのプリプレグスラリーを使用するｃｍｃの方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、セラミックマトリックス複合材構成部品、例えばタービン構成部品を形成する方法を提供する。
【解決手段】 本方法は、（ａ）化学気相堆積によって繊維トウ（１０）に繊維被覆を施す段階と、（ｂ）高温及び低温バインダ、炭化ケイ素粉末、カーボンブラック並びに水で構成された水性スラリーを通して繊維トウ（１０）を引張り、それによってプリプレグテープを形成する段階と、（ｃ）プリプレグテープをドラム（１８）上に巻取る段階とを含み、さらに（ｄ）プリプレグテープを切断し、積重ねかつ積層して複合材予備成形物（２０）を形成する段階と、（ｅ）予備成形物を溶融ケイ素で溶融浸潤する段階とを含んでもよい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、セラミックマトリックス構成部品の製造に関し、具体的には、微粒子状炭化ケイ素、カーボンブラック並びに高温及び低温バインダを含むプリプレグスラリーにおいて液体キャリヤとして水を使用する調合物に関する。

過去５０年における高温材料の発達は、特にガスタービンにおける苛酷な構造用途でのそれらの必要性によって先導されてきた。ガスタービンの高温セクションにおいて今日使用されている材料は、ニッケル及びコバルト基超合金である。多くの場合、それらは現在、〜１１００°Ｃの温度で使用されている。

セラミックスは、耐熱材料であり、１１００°Ｃよりもさらに高い温度で安定性を示し、従ってガスタービン用途にとって魅力的である。ＳｉＣ及びＳｉ_３Ｎ_４のようなモノリシック構造のセラミックスは、４０年以上の期間にわたって利用されてきているが、それらの損傷許容性の不足及び突発的破損形態のためにガスタービンでの用途を見出せなかった。しかしながら、セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）、特に連続繊維で強化したＣＭＣは、大きな損傷許容性及びより緩やかな破損形態を示す。溶融浸潤（ＭＩ）ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材は、それらが他のＣＭＣに比較して高い熱伝導率、優れた耐熱衝撃性、耐クリープ性及び耐酸化性を有するので、特にガスタービン用途にとって魅力的である。

ＭＩ−ＣＭＣの製造に対して、様々な処理方式が開発されてきた。一つの方法は、「プリプレグ法」として知られ、また他のものは「スラリーキャスト」法として知られている。本発明は、主としてプリプレグ法に関する。

一般的なプリプレグ法における第１の段階は、化学気相堆積（ＣＶＤ）による繊維被覆の施工である。ＣＭＣは一般的に、過去において、繊維被覆としてカーボンを使用してきたが、その後、耐酸化性を増大させるために窒化ホウ素又はケイ素含有窒化ホウ素を組合せてきた。

繊維被覆に続いて、繊維トウは、予備成形物マトリックス構成成分 （ＳｉＣ並びにカーボン微粒子、バインダ及び溶剤）を含むスラリーを通して引張られ、その後ドラム上に巻取られて、単向性の予備含浸したすなわち「プリプレグ」テープを形成する。次にテープは、乾燥され、ドラムから取外され、形状に切断され、所望の繊維構造になるように積重ねられ、かつ積層されてグリーン（生の）複合材予備成形物を形成する。

最終の高密度化（緻密化）段階は、ケイ素溶融浸潤段階である。被覆ＳｉＣ繊維、ＳｉＣ及び／又はカーボン微粒子並びに有機バインダを含む複合材予備成形物は、溶融ケイ素金属源に接触させながら約１４２０°Ｃ以上に加熱される。

ＳｉＣ予備成形物を予備含浸するための現在のスラリー調合物は、産業用途での害悪をもたらす非水性溶剤を使用する。非水性溶剤は一般的に、非水性溶剤には可溶性であるが水には可溶性でない高温及び低温バインダと混合される。
米国特許６，００１，４９４号公報

本発明は、プリプレグスラリーのための液体キャリヤとして水を使用する調合物に関する。例示的な実施形態では、スラリーは、水、微粒子状炭化ケイ素、カーボンブラック、高温バインダ及び低温バインダを含む。従って、本発明は、それでもなお実質的に同様に作用するより害悪が少ない水性系の恩典により、非水性系を排除する。

従って、１つの態様では、本発明は、セラミックマトリックス複合材構成部品を形成する方法に関し、本方法は、（ａ）化学気相堆積によって繊維トウに繊維被覆を施す段階と、（ｂ）高温及び低温バインダ、炭化ケイ素粉末、カーボンブラック並びに水で構成された水性スラリーを通して繊維トウを引張り、それによってプリプレグテープを形成する段階と、（ｃ）プリプレグテープをドラム上に巻取る段階とを含む。

別の態様では、本発明は、セラミックマトリックス複合材構成部品を形成する方法に関し、本方法は、（ａ）繊維トウに繊維被覆を施す段階と、（ｂ）高温及び低温バインダ、炭化ケイ素粉末、カーボンブラック並びに水で構成され、該低温バインダがアクリルエマルジョンを含みまた該高温バインダが一段フェノール樹脂を含む水性スラリーを通して、繊維トウを引張り、それによってプリプレグテープを形成する段階と、（ｃ）プリプレグテープをドラム上に巻取る段階と、（ｄ）プリプレグテープを切断し、積重ねかつ積層して複合材予備成形物を形成する段階と、（ｅ）予備成形物を溶融ケイ素で溶融浸潤する段階と、（ｆ）予備成形物を機械加工して、セラミックマトリックス複合材構成部品を形成する段階とを含む。

さらに別の態様では、本発明は、セラミックマトリックス複合材ガスタービン構成部品を形成する方法に関し、本方法は、（ａ）化学気相堆積によって繊維トウに繊維被覆を施す段階と、（ｂ）高温及び低温バインダ、炭化ケイ素粉末、カーボンブラック並びに水で構成された水性スラリーを通して繊維トウを引張り、それによってプリプレグテープを形成する段階と、（ｃ）プリプレグテープをドラム上に巻取る段階と、（ｄ）プリプレグテープを切断し、積重ねかつ積層して複合材予備成形物を形成する段階と、（ｅ）予備成形物を溶融ケイ素で溶融浸潤する段階と、（ｆ）予備成形物をガスタービン構成部品の形状に機械加工する段階とを含む。

次に、末尾に特定した図面の図に関連して、本発明を詳細に説明する。

図を参照すると、ＭＩ−ＣＭＣの製造に使用する従来型のプリプレグ法は、ＳｉＣ多フィラメント繊維トウ、典型的にはＨｉ−Ｎｉｃａｌｏｎ（商標）又はＳｙｌｒａｍｉｃ（商標）繊維で始まる。具体的には、繊維トウ１０は、ホイール又はドラム１２から巻戻され、そこで従来型の化学気相堆積（ＣＶＤ）法によって繊維が被覆されるハウジング又はチャンバ１４を通過する。一般的にはセラミック材料でのこの繊維の被覆は、複合材処理段階の間に繊維を保護する働きをし、また低い強度の繊維マトリックス接合面を形成し、それによって繊維マトリックスの剥離及び繊維引張り強靱化のメカニズムを可能にする。ＣＭＣは一般的に、繊維被覆としてカーボンを使用してきたが、現在では耐酸化性を増大させるために窒化ホウ素又はケイ素含有窒化ホウ素が組合される。

ＣＶＤによる被覆に続いて、繊維トウは、ＳｉＣ、カーボン微粒子、バインダ及び溶剤を含む非水性予備成形物マトリックススラリーを収容したマトリックススラリー槽１６を通して引張られる。その後トウは、ドラム１８上に巻取られて、単向性の予備含浸テープを形成する。テープは次に、乾燥され、ドラムから取外され、形状に切断され、所望の繊維構造になるように積重ねられ、かつ積層されてグリーン複合材予備成形物２０を形成する。必要に応じて、この段階で予備成形物の機械加工を行って、高密度化後の部品の最終機械加工量を減少させるのを助けることができる。

最終高密度化段階は、一般的にケイ素溶融浸潤と呼ばれる。被覆ＳｉＣ繊維、ＳｉＣ及び／又はカーボン微粒子を含む複合材予備成形物２０は、溶融ケイ素金属源に接触させながら約１４２０°Ｃ以上に加熱される。溶融ケイ素は、ＳｉＣ及び／又はカーボンを容易に濡らし、従って、毛細作用によって予備成形物の残余気孔内に容易に引き込まれる。浸潤のために外部推進力は全く必要でなく、また複合材予備成形物の寸法変化も全くない。

本発明の１つの例示的な実施形態では、槽１６内への導入のための水ベースのプリプレグマトリックススラリー調合物は、水に加えて、低温バインダとしてのＲｈｏｐｌｅｘ（登録商標）Ｂ−６０Ａ（アクリルエマルジョン）と高温バインダとしてのＲｕｔｇｅｒｓ Ｐｌｅｎｃｏ一段フェノール樹脂Ｎｏ．１２１１４とを含む。炭化ケイ素粉末（ＨＳＣ−０５９）は、カーボンブラックがそうであるように、現在非水性系で使用されているものと同じものである。水ベース系の性質のために、任意の適当なｐＨ制御成分と共に公知の分散剤を付加することができる。

上記のようなプリプレグスラリーの有効性を確認するために、以下の手順を行った。すなわち、１６４ｇの脱イオン水、３ｇのＴＥＧＯ Ｄｉｓｐｅｒｓ ７５０及び１４０ｇのＨＳＣ−０５９ＳｉＣを、アルミナミリングボールと共に１０００ｍｌジャー内に置いた。ジャーは、夜通し回転又は横揺れさせた。ほぼ１２時間後に、目に見えるＳｉＣの塊は全くなく、以下の、すなわち３ｇのＴＥＧＯ、６０ｇのカーボンブラック、２ｇの水酸化アンモニウム、６８．３ｇのＲｈｏｐｌｅｘ（登録商標）Ｂ−６０Ａエマルジョン及び５６ｇのフェノール樹脂を、各付加の間にジャーを振り動かしながら所定の順番でジャーに付加した。ジャー内で１時間にわたりこの調合物を横揺れさせた。その少量をビーカ内に置き、真空下で脱気した。合成樹脂シート上で成型（キャスティング）を行った。乾燥後に、この成型物を積層した。このスラリーは、従来型の非水性スラリーと全く同一の状態で予備成形されることが判った。実際の構成要素部品は、今では上記の方法により同様に製造されており、水ベースのプリプレグスラリーを使用する有効性がさらに確認された。

別の方法は、乾燥機を通して充填したトウ又はテープを移動せることによってトウ又はテープを乾燥させてアクリル樹脂バインダを完全に硬化させることである。その後、このトウ又はテープは、アセトン又はアルコールのような安全な溶剤を通過させ、テープ配列のような方法によって部品を製造するのに使用することができる。この方法は、有機複合材産業において広く使用されている。

本明細書に説明した方法は、耐熱性を必要とする燃焼器ライナ、シュラウド及び他の大型三次元部品を含む多くの異なるガスタービン構成部品を製造するのに使用することができる。

本発明を現在最も実用的でかつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して説明してきたが、本発明は開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に、特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に属する様々な変更及び均等な構成を保護することを意図するものであることを理解されたい。

ＭＩ−ＣＭＣの製造に使用する従来型のプリプレグ溶融浸潤法の概略図。

符号の説明

１０ 繊維トウ
１２ ホイール
１４ チャンバ
１６ 槽
１８ ドラム
２０ 複合材予備成形物

Claims (8)

1. セラミックマトリックス複合材構成部品を形成する方法であって、
   （ａ）化学気相堆積によって繊維トウ（１０）に繊維被覆を施す段階と、
   （ｂ）高温及び低温バインダ、炭化ケイ素粉末、カーボンブラック並びに水で構成された水性スラリーを通して前記繊維トウ（１０）を引張り、それによってプリプレグテープを形成する段階と、
   （ｃ）前記プリプレグテープをドラム（１８）上に巻取る段階と、
   を含む方法。
2. （ｄ）前記プリプレグテープを切断し、積重ねかつ積層して複合材予備成形物（２０）を形成する段階と、
   （ｅ）前記予備成形物を溶融ケイ素で溶融浸潤する段階と、
   をさらに含む、請求項１記載の方法。
3. 前記低温バインダがアクリルエマルジョンを含む、請求項１記載の方法。
4. 前記高温バインダが一段フェノール樹脂を含む、請求項１記載の方法。
5. セラミックマトリックス複合材構成部品を形成する方法であって、
   （ａ）繊維トウ（１０）に繊維被覆を施す段階と、
   （ｂ）高温及び低温バインダ、炭化ケイ素粉末、カーボンブラック並びに水で構成され、該低温バインダがアクリルエマルジョンを含みまた該高温バインダが一段フェノール樹脂を含む水性スラリーを通して、前記繊維トウ（１０）を引張り、それによってプリプレグテープを形成する段階と、
   （ｃ）前記プリプレグテープをドラム（１８）上に巻取る段階と、
   （ｄ）前記プリプレグテープを切断し、積重ねかつ積層して複合材予備成形物（２０）を形成する段階と、
   （ｅ）前記予備成形物を溶融ケイ素で溶融浸潤する段階と、
   （ｆ）前記予備成形物を機械加工して、セラミックマトリックス複合材構成部品を形成する段階と、
   を含む方法。
6. 前記複合材構成部品が、ガスタービンの燃焼器構成部品を含む、請求項５記載の方法。
7. セラミックマトリックス複合材ガスタービン構成部品を形成する方法であって、
   （ａ）化学気相堆積によって繊維トウ（１０）に繊維被覆を施す段階と、
   （ｂ）高温及び低温バインダ、炭化ケイ素粉末、カーボンブラック並びに水で構成された水性スラリーを通して前記繊維トウ（１０）を引張り、それによってプリプレグテープを形成する段階と、
   （ｃ）前記プリプレグテープをドラム（１８）上に巻取る段階と、
   （ｄ）前記プリプレグテープを切断し、積重ねかつ積層して複合材予備成形物（２０）を形成する段階と、
   （ｅ）前記予備成形物を溶融ケイ素で溶融浸潤する段階と、
   （ｆ）前記予備成形物をガスタービン構成部品の形状に機械加工する段階と、を含む方法。
8. 前記段階（ｃ）の後でかつ前記段階（ｄ）の前に、前記テープが乾燥され、かつ前記ドラム（１８）から取外される、請求項１、請求項４又は請求項７記載の方法。

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