JP2008133183A - 小さくて複雑な特徴部を有するcmc物品の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 セラミックマトリックス複合材料(CMC)部品を形成する方法を提供する。
【解決手段】 本方法は複数のプライをインサート材料で置き換えることを意図する。インサート材料は部分硬化又は予め硬化させて複数の小さなプライの代わりに適用し、或いはペースト又はプライの形態で部品の空所に挿入し得る。インサート材料は等方性であり、マトリックス材料と、チョップド繊維、トウ、切断プライ又はそれらの組合せとから形成する。インサートは、薄い縁部(650)のような約0.030インチよりも小さい厚さを有する特徴部及びコーナー(680,710)におけるような小さい半径を有する特徴部に使用できる。本発明のCMC部品は、輪郭又は厚さの変化する領域に適合した寸法に切断された小さなプライインサートの代わりに配置され、また小さなプライインサートを製造された単一体の不連続強化複合材料インサートで置き換えることによって、皺のような欠陥を少なくし、寸法制御を改善する。
【選択図】図4

Description

本発明は広義にはセラミックマトリックスタービンエンジン部品の製造方法に関するものであり、具体的には、小さくて複雑な特徴部を有するセラミックマトリックス複合材料料ガスタービンエンジン部品に関する。
ガスタービンエンジンの効率及び性能を向上させて、推力/重量比の増大、排気ガス削減及び燃料消費率の向上を達成すべく、エンジンタービンの作動温度を高めることが課題とされている。高温化は、エンジンのホットセクションの部品を構成する材料の限界に達して、それを超える。既存の材料はこのような作動温度の高温化に耐えることができないので、ガスタービンエンジンのタービンセクションのような高温環境で用いるための新素材を開発することが必要とされている。
エンジン作動温度の上昇に伴って、燃焼器及びタービン翼形部を構成する耐熱合金の新たな冷却法が開発されている。例えば、高温燃焼ガスの流れる部品表面にセラミック遮熱コーティング(TBC)を塗工して、伝熱率を下げ、基材金属を熱から保護し、部品が高温に耐えられるようにする。こうした改良は、部品のピーク温度及び温度勾配を下げるのに役立つ。フィルム冷却によって耐熱性又は熱保護性を改良するため、冷却孔も導入されている。併せて、耐熱合金の代替材料としてセラミックマトリックス複合材料も開発されている。セラミックマトリックス複合材料(「CMC」)は金属よりも温度及び密度の点で優れていることが多いため、作動温度の高温化及び/又は軽量化が望まれる際に最適な材料となる。
従前、セラミックマトリックス複合材料を用いてタービン動翼のようなホットセクションのタービンエンジン部品を製造するため様々な技術が用いられてきた。本願出願人に譲渡された米国特許第5015540号、同第5330854号及び同第5336350号(これらの開示内容は援用によって本明細書の内容の一部をなす。)に記載されたCMC部品の製造方法は、繊維材料に溶融ケイ素を溶浸する炭化ケイ素マトリックス複合材料の製造法に関するもので、この方法を以下「Silcomp法」という。繊維は概して約140μm以上(0.0055インチ)の直径を有するので、小型ガスタービンエンジン用タービン動翼部品のように約0.030インチ程度の特徴部を有する複雑で入り組んだ形状はSilcomp法では製造できない。
その他プリプレグ溶融浸透法のような技術も用いられてきた。しかし、未硬化時の厚さが約0.009〜0.011インチの標準的プリプレグプライで製造されるため、かかる部品について十分な構造的健全性をもつ最小硬化厚は約0.030〜0.036インチであった。最終部品におけるマトリックス組成百分率が標準的なものでは、かかる未硬化厚のものを用いると最終硬化厚は約0.0030〜0.036インチとなり、細かい特徴部が必要とされる部品を有する小型タービンエンジンで使用するには厚すぎる。
タービンエンジン用の複雑なCMC部品は複数のプライをレイアップすることによって製造されてきた。部品の輪郭又は厚さが変化するような領域では、輪郭又は厚さの変化する領域に合わせて種々異なる小さな形状のプライがカットされる。これらの部品は、硬化部品を形成するための複雑で予め注意深く計画されたレイアップ計画に従ってレイアップされる。設計が複雑なだけでなく、レイアップ作業も時間がかかり複雑である。さらに、輪郭又は厚さの変化する領域は、そうした領域での機械的特性がモノリシックでないので、プライの配向と得られる特性に基づいて注意深く設計する必要がある。輪郭境界に沿ってのプライ間の移行が滑らかでないので、こうした輪郭は機械的特性が滑らかに移行しない領域であることがあり、部材の設計及びレイアップ作業のモデリングの際にこれらの事項も考慮に入れなければならない。
図1は、未被覆(非冷却)動翼10の例を示す。この図では、動翼10はセラミックマトリックス複合材料を含む。動翼10は翼形部12を有しており、これに向かってガス流が流れる。動翼10はダブテール14によってディスク(図示せず)に取り付けられ、ダブテール14は翼形部12から下方に延在していて、ディスクに設けられた相補的形状のスロットと係合する。図示した動翼10は一体プラットフォームを備えていない。周囲環境へのダブテール14の暴露を最小限にするため、所望に応じて別個にプラットフォームを設けてもよい。動翼は前縁部16と後縁部18を有する。かかる複合材料動翼は、複数のプライをレイアップすることによって製造される。
図2に、かかる複合材料動翼を従来技術においてどのようにレイアップしてきたかを例示する(斜視図)。図3は、複数のプリプレグプライのレイアップの正面図である。動翼10は中心面24を中心に複数のプリプレグプライ40を配置してなる。多数の根元部(プリプレグ)プライ41と、比較的大きい(プリプレグ)プライ40,44の間に配設された比較的小さい(プリプレグ)プライ42がある。比較的小さなプライ、特に根元部プライ41はダブテール形状を与えるために必要とされる。また、各々のプライ40は、所定の方向に配向したトウがマトリックス材料中に埋め込まれている。勿論、動翼のモデリングに際して、適切な場所に適切な寸法のプライを設けるだけでなく、各々のプライのトウ方向が適切に配向するように注意しなければならない。動翼の製造では、モデルに従ったサイズのプライを用意し、モデルに従って適切に集成する必要がある。
さらに別の技術では、繊維トウの厚さを小さくすることによって、多層プライの作製に用いられるプリプレグプライの厚さを減らす試みがなされている。理論的には、かかるプロセスでプライの厚さをうまく減らすことができるはずである。しかし、実際には、かかる薄いプライは、自動化装置によっても、加工処理時の取扱いが難しい。共通の問題として、薄いプライの皺、物品にボイドを生じかねない製造欠陥、物品の機械的特性の劣化、及びプライが分離するおそれが挙げられる。さらに、動翼製品に小さな半径及び比較的薄い縁部を形成しなければならないときに問題が生じる。プリプレグテープ又はプライ中の繊維(典型的には炭化ケイ素)は剛性が高いので、半径の小さい急な湾曲部又はコーナーに沿ってプライを形成しようとすると分離を生じかねない。そのため、こうした領域で物品の機械的特性が劣化し、耐久性が損なわれる。
米国特許第5015540号明細書 米国特許第5330854号明細書 米国特許第5336350号明細書 米国特許第5375978号明細書 米国特許第5279892号明細書 米国特許第5141400号明細書
特に縁部での厚さが約0.015〜0.021インチで、半径が約0.030インチ未満の小さな半径の特徴部を製造できるCMCタービンエンジン部品の製造法が必要とされている。さらに、厚さ約0.021インチ未満の特徴部を有するCMCタービンエンジン部品の製造法も必要とされている。
本発明では、不連続強化複合材料インサートをプリプレグ層と共に用いてタービン部品のモデリングを行う。部品はプリプレグプライ又はテープを用いてモデリングされる。ただし、複雑な特徴部が存在する領域では、不連続強化複合材料インサートが部品に組み込まれ、タービン部品はプリプレグ層と不連続強化複合材料インサートとの組合せとなる。プリプレグプライを比較的小さい寸法にカットして略全長のプリプレグ層及び不連続強化複合材料インサートと組み合わせてもよいが、不連続強化複合材料インサートは、従前厚さ変化部又は輪郭変化部を与える寸法とされていた相当な数の切断プリプレグプライに置き換わるように部品にモデリングされる。各々の不連続強化複合材料インサートは、複数の比較的小さい寸法のプリプレグプライを置き換えて、レイアップに潜在的に起因する問題を最小限に抑制する。不連続強化複合材料インサートは、レイアッププライのような方向性強度を有さないので、部品に悪影響を及ぼさずにプライをインサートで置き換えることができる領域を適切に確定するためにモデリングが必要とされる。
不連続強化複合材料インサート又は部片は、切断繊維プライの数が最小限となるように設計・製造されて、厚さ又は輪郭を変化させることができるように部品の一部に挿入され、もって部品レイアップ時に集成しなければならない繊維プライの数を減らす。不連続強化複合材料インサートは複数の構成を含んでいてもよい。不連続強化複合材料インサートは、プリプレグプライをカットして複数の小片とし、これらの小片をマトリックス材料のスラリーと混合してペースト又はパテを形成することによって製造することができる。様々な長さのカット繊維又はトウを切断プライの代わりに使用してもよいし、或いは切断プライと共に又は追加して使用してもよい。従前切断プライが利用されていた部品の領域のレイアップ時にペースト又はパテを用いて未硬化インサートを形成し、この未硬化インサートは乾燥時に硬化する。或いは、混合物をモールド成形して硬化させて硬化インサートを形成し、部品に組み込んでもよい。不連続強化複合材料から作られたインサートは完全に等方性とはいえないが、硬化CMCレイアップよりは方向性が少ない。かかる機械的特性は完全に等方性とはいえないものの、方向性でもないので、本願では「実質的に等方性」であるという。
部品を形成するため、複数のプリプレグ層を用意してレイアップする。不連続強化複合材料インサート材料がプリプレグ層に隣接して所定の位置に適用される。これらの位置は、従前小さな切断プライで占められていた位置であってもよい。プリプレグ層と不連続強化複合材料インサート材料との集合体が形成される。この集合体を次いで熱及び圧力の下で硬化して、セラミックマトリックス部品を形成する。
本発明の利点は、組み立てが簡単となるようにタービン部品をモデリングすることができ、また物理的特性の要件を満足しつつ製造時に生じる問題を低減できることである。
本発明のもう一つの利点は、複数の小さな切断布プライを単一の不連続強化複合材料インサートで置き換えることができることである。不連続強化複合材料インサートは、実質的に等方性を有する材料として与えることができる。
本発明の別の利点は、応力分析要件を満足する部品が得られるようにしながら、複雑で時間のかかるレイアップ計画をなくすことによって航空機エンジン部品の製造を簡単化できることである。
本発明のもう一つの利点は、本発明の方法では、欠陥部品を減らしながら生産速度を増大させることができることである。
本発明のさらに別の利点は、不連続強化複合材料インサートの使用によって薄肉部や小半径部のような細かな特徴部を含めることができ、一段と高い作動温度で機能及び性能を発揮できるようになることである。
本発明のその他の特徴及び利点は、本発明の原理を例示するための添付の図面と併せて好ましい実施の形態に関する以下の詳細な説明を参酌することによって明らかとなろう。
本発明は、CMC製航空機エンジン部品の製造方法に関する。部品は、実質的に部品の全長に延在する複数の実質的に連続したプリプレグプライを有する。1以上の不連続強化複合材料インサートが部品に組み込まれるが、不連続強化複合材料インサートは実質的に等方性を有する。不連続強化複合材料インサートは実質的に部品の全長に延在し得るが、輪郭部、コーナー部及び部品の厚さの変化する部分の複数のカットされた比較的小さいプリプレグプライに置き換わるようにモデリングされ、レイアップ時に取り扱わなければならないフライの数を最小限にする。
本願で用いる「繊維」とは、アスペクト比の高い、つまり長さに比べて直径が非常に小さい繊維材料の最小単位を意味する。繊維はフィラメントと互換的に用いられる。本願で用いる「トウ 」とは、連続フィラメントの束を意味する。本願で用いる「マトリックス」とは、本質的に均質な材料で、その内部に他の材料、特に繊維やトウが埋め込まれている。本願で用いる「プリプレグプライ」又は単に「プリプレグ」とは、一方向のトウ又は短い不連続繊維のシートをマトリックス材料で含浸したものを意味し、マトリックス材料は樹脂の形態であって、部分乾燥、完全に乾燥又は部分硬化される。本願で用いる「プリフォーム」とは、プリプレグプライの硬化前にプリプレグプライをレイアップして所定の形状としたものであり、追加のインサートを含んでいても含んでいなくてもよい。
図4は、本発明のインサート110を示す。図示したインサートは、好ましい実施形態では実質的に等方性を有する不連続強化複合材料である。実質的に等方性はあらゆる方向で全く同一ではなく僅かに異なっていてもよいが、異方性とは区別でき、明確に異なる。異方性は、本体の一点で方向性が明らかに異なる機械的特性を有する。換言すれば、異方性材料は異なる方向で特性が異なるが、等方性材料は任意の平面のいずれの方向でも実質的に同じ機械的特性を有する。不連続強化複合材料インサートをなす材料は所定の形状を有していてもよく、個別の材料片として取り扱うことができる。インサート110は完全に硬化しても部分硬化してもよく、次いで所定の形状に機械加工できる。不連続強化複合材料インサートは十分に緻密化されてものでも、部分的に緻密化したものでもよい。部分的に緻密化されたものの場合、自明であろうが、タービンエンジン部品の製造作業の一部としてインサートを完全に緻密化すればよい。不連続強化インサートは、レイアッププライからなるインサートとは区別でき、等方性材料の明確な平面を有する。
インサートは、チョップド繊維をマトリックス材料と混合することによって形成できる。別法では、チョップド繊維に代えて又は追加して、チョップドトウ、チョップドプリプレグプライ或いは硬化又は部分硬化したチョップドプライを利用する。典型的には、繊維には皮膜が設けられ、皮膜は、当技術分野で公知の通り、窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素及びそれらの組合せからなる群から選択される。この材料をマトリックス材料と充分に混合してスラリーを形成するが、混合時のスラリーの粘度は流体から粘稠ペーストまでの粘度でよい。混合後、材料は適当な成形法でモールド成形し、最終形状又は取扱いの容易な中間的形状にすればよい。材料に応じて、硬化させてもよい。硬化部材は、必要に応じて、所定の形状に最終的に機械加工すればよい。ペースト又はスラリーとして使用する場合、インサートを形成する材料を、材料の欠けたプリフォームの領域に適用してもよい。かかる状況では、プリフォームで未硬化ペースト又はスラリーを支持する必要があることもある。これが行えない場合、公知のように、サブミクロン粉末(好ましくは炭素粉末系のポリマー添加剤)によって組成を調節して、自己支持性であるチキソトロープ組成物を形成することもできる。
不連続強化複合材料材料は、タービンエンジン部品を形成するためのプライのレイアップと共に使用される。この材料はプライと共に集成され、部品を硬化するとプライと共に保持される。完全に一体化した結合が望まれる場合、様々な選択肢が利用できるが、選択肢は所望の結合を達成するための容易さに応じて選択される。例えば、材料をインサートの形状に賦形してもよいし、部品用のレイアップのプライと結合できる部分硬化成形品であってもよく、部分硬化プリフォームは部品の硬化時にプリプレグプライの樹脂マトリックスと結合する。インサートは、CMCマトリックス部と一体の拡散結合を容易にするために炭素に富むものであってもよく、一体結合は溶融ケイ素溶浸時にプリフォーム中の炭素と溶融ケイ素溶浸材との化学的反応によるその場での炭化ケイ素(SiC)の形成によって形成される。或いは、ペーストとして塗工する場合、材料は部品の硬化時にプリプレグプライの樹脂マトリックスと結合できる。
選択する方法とは無関係に、最終的に得られるものは、(1)複数の連続トウがマトリックス中で実質的に互いに平行に延在し、実質的に異方性をもつ硬化強化セラミックマトリックス複合材料部分と、(2)部品の輪郭変化及び厚さ変化領域に位置し、実質的に等方性をもつ不連続強化複合材料部分との2以上の異なる部分を有する完全に緻密なタービンエンジン部品である。不連続強化複合材料部分は、マトリックス材料中に不連続繊維を含む材料からなる。不連続強化複合材料部分は強化セラミックマトリックス複合材料部分に隣接する。しかし、インサートの使用によって、非常にきつい半径を形成することができ、従来技術の薄肉用プライのレイアップでは達成できなかった薄肉部を形成することができる。さらに、不連続強化複合材料インサートの形成又はペーストとしてのインサート材料の使用によって、多数の小さな薄プライを取り扱うことに起因する皺及び付随する欠陥のおそれがなくなる。本発明の不連続強化複合材料インサートを使用することによって製造欠陥がなくなることが実証された。
本発明を、図1の動翼を製造するための代替法として図5に例示する。一実施形態では、本発明は、根元部プライ41及び比較的小さなプライ42を不連続強化複合材料インサート110で置き換える。図4のインサート110は、好ましくは実質的に等方性を有する。図5の符号510,520,530,540,550,560及び570で示す図4のインサート110で、図3のB,C,D,E,F,G及びHに位置するプライを置き換える。プリフォームの残りのプライは硬化前に挿入される。プライは部品の全長又は略全長に延在し、各プライの配向は、部品(本例では動翼)で必要とされる機械的特性を与えるようにモデリングされる。例えば、0°配向は、繊維トウの列が部品の所定の平面(例えばタービン動翼の長手方向又は軸)と略平行となるようにレイアップしたプライを表す。90°配向は所定の平面に対して略90°に配向したプリプレグプライを表す。残りのプライは、部品の所定の平面に対して±45°のように他の形態でレイアップしてもよい。例えば、プライを0°、+45°、−45°、90°、−45°、+45°の順序でレイアップして、部品が軸方向以外の他の方向に引張り強さをもつようにしてもよい。このようにして、部品の強度を所望に応じて幾分方向性(異方性)又は幾分等方性となるように修正できる。図5に示す物品の場合、最終硬化部品は、各平面で所定の配向で延在するトウをプライとして集成したCMCである。各平面内のトウは、隣接平面内のトウに対して所定の角度で配向させればよい。部品のこの部分は実質的に異方性を示す。しかし、プライに隣接するインサートは実質的に等方性を有する。
本発明の別の実施形態では、既存のプライを用いて現在得ることのできるものよりも薄い断面を与えるためにインサートを用いる。図6は、タービン動翼610での本発明の2つの適用例を示しており、動翼は薄い後縁612の一部に実質的に等方性を有する不連続強化複合材料インサート650を含んでいる。動翼は、本発明の不連続強化複合材料からなる予備成形リブインサート680も含んでいる。
図6の狭翼弦タービン動翼は、動翼610内に形成された一対の空気通路614を示している。後縁インサート650及びリブインサート680は、本発明に係る不連続材料を用いて予め製造される。インサート650及びインサート680はいずれも、レイアップ作業時の取扱いが非常に難しい複数の小さなプライの代わりに用いられる。インサート650,680はニアネットシェイプにモールド成形され、圧縮・硬化して揮発分を除去した後で最終寸法に機械加工すればよい。インサートを最終寸法に精密モールド成形することもできるし、或いは部分的に緻密な構造として用意し、それを完全に緻密になるまで溶浸させることもできる。
図6に示すように、動翼の負圧面654の第1の端部652と正圧面658の第2の端部656とを有するプライ間の空隙を満たすために必要とされていた複数の小さなプライに代えて、インサート650が後縁内部に配置される。図6に示すように、インサート650は、負圧面654から正圧面658へと延在する複数のプライと境界を接している。本願で用いる「全長」とは、プライが動翼の上端から下端までの高さ全体に延在することを意味し、図6は、図6の平面に垂直に延びる高さを横切る横断面である。インサート650は、図6に示すものよりも若干大きく製造して、複数の全長プライの1枚の少なくとも一部を置き換えることができるようにしてもよい。第1の端部652と第2の端部656を有する1枚以上の全長プライが負圧面654及び正圧面658に必要とされる。各動翼の設計において最大応力の方向が知られており、1枚以上のプライ(典型的にはインサートの外側にある)は、その繊維の方向が最大応力の方向と平行となるように配向される。各プライは標準的な厚さが約10ミルのものであり、複数の単一方向トウを含む。ただし、最大応力の方向とは異なる方向にも追加の強度が必要とされる場合、インサートを用いると、追加のプライの置換が可能となる。好ましくは、これらのプライでは、プライ厚さが10ミル未満、概して5〜9ミルとできるように細い単一方向のトウが使用される。かかる薄いプライは取扱いが困難であるが、これらは全長インサートに対してレイアップされ、標準的な厚さの1又は2枚のプライの代わりに用いられる限られた数の全長のプライであるので、製造プロセスによって対処できる。勿論、この実施形態では、インサート650は、かかる薄いプライで標準厚さのプライを置き換える際に、プライ厚さの差を埋めるべく相対的に寸法を大きくする。
インサート680は、空気通路614間の厚さの変化する部分に用いられる複数の小さなプライを置き換えるために設けられる。明らかであろうが、この領域でのプライのレイアップには、幅の異なる多数の小さなプライが必要とされ、それらを精密に配置しなければならない。本発明の材料及び方法を用いたインサート680の製造並びにレイアップ時のインサートの配置は格段に容易であり、硬化動翼を廃棄しなければならない製造誤差を生じる可能性が低い。実際に、かかるインサートを使用することによって、従前は不可能であった複雑な空気通路構成の動翼の製造が可能となる。
図6に示す動翼のような動翼を製造するには、負圧面654に沿った複数の連続プライ652をレイアップツール上に積み重ねる。次いで、内側巻装プライ690を有するマンドレル(図示せず)を図6に示すように適所に配置する。次いで、予備成形インサート650,680をそれぞれの位置に配置する。或いは、パテ又はペーストの形態の材料をそれぞれの場所に塗工してもよく、固化又は硬化後に過剰な材料を除去すればよい。負圧面654の第1の端部652から正圧面658の第2の端部656まで延在する複数の外側プライを巻き付けて、レイアップシーケンスを完了する。外側マトリックスプライはインサート片650,680の外面上に配置され、インサート片と連続プライとの接着性を高める。レイアップ動翼を次いで揮発分が除去される温度で加圧下で硬化し、動翼を完全に固化させる。固化及び硬化後にマンドレルを取り外して空気通路614を形成するが、マンドレルは硬化時には空気通路の空間を占めている。用いる技術に応じて、上述の通り、動翼を溶浸法を用いて緻密化してもよい。
実施例1
SiC/SiC一方向性プリプレグテープを利用してスラリーを調製したが、テープは炭化ケイ素マトリックス中の被覆炭化ケイ素トウであった。トウを構成する繊維は典型的には窒化ホウ素のような剥離皮膜で被覆される。布を液体窒素に曝してプリプレグから裏当てを取り除いた。次いで、布を約1/4平方インチ以下の大きさの複数の片にカットした。Cotronics社(米国ニューヨーク州ブルックリン)から市販の高温セラミックグラファイト接着剤樹脂である「Cotronics Resbond 931」とアセトンとの溶液を等重量のアセトンと混合して調製した。約3gのチョップドプリプレグをプリプレグ/溶液重量比約3対1で溶液に添加して混合物を形成した。一様な粘稠性とするため混合物を適当な手段でブレンドした。これは振盪、撹拌、ボールミリングその他の混合技術で達成できる。所期の用途に合わせて必要であれば、追加量のアセトンを添加するか、或いは溶媒を蒸発させてパテ又はペースト状にすることによって、混合物の粘度を調節することができる。例えば、混合物は、大まかな形に注型成形してから最終的な形に機械加工してもよいし、或いは所定の最終的な形に注型成形して硬化してもよい。或いは、混合物に適当なサブミクロン粉末を添加した後、さらに混合してもよい。このペーストを次いで前述の通り塗工すればよい。
上述の材料はモールド成形によるインサートの形成に使用できるし、或いはペースト又はパテとして使用することもできる。追加のSi−C結合が必要とされる場合、材料をSiで溶浸してもよい。薄い移行部の製造を容易にするとともに、過酷な温度環境に耐えるため冷却が必要とされる複雑な動翼内部の空気通路のための、CMCタービン動翼の翼形部での用途について本発明を説明した。しかし、本発明は、ライナー、静翼、中心体などの他のホットセクション部品、並びにプラットフォーム及びダブテールのような動翼の他の部分で、特に短い距離の輪郭変化又は厚さ変化に適した寸法となるように小さな多数のプライがカットされていた部分にも用途があり、不連続強化セラミックインサートの実質的に等方性がそうした用途に適している。かかる用途の例を図7A〜図7Gに示す。2つの用途は外側コーナーである。図7Aは、動翼プラットフォーム隅肉に使用する場合の本発明の実質的に等方性のセラミックインサート710の使用例を示す。かかる用途では、コーナーを形成するプライはマンドレル上にレイアップされる。T形インサートがコーナーに適用されて、真空バッグで所定位置に保持される。加熱・加圧して部品を硬化させる。図7Bは、鋭い外側コーナーに沿った小さい多数のセラミックプライの代替物として実質的に等方性のセラミックインサート730を使用する同様な例を示す。図7Cは、補強材としての小さい多数のセラミックプライの代替物として本発明の実質的に等方性のセラミックインサート750を使用する例を示し、この場合、部品断面に沿って大きな輪郭変化がある。
図7D及び図7Eは、動翼の後縁における本発明の実質的に等方性のセラミックインサートの2つの使用例を示す。図7Dでは、実質的に等方性のセラミックインサート760は、後縁部の複数のプライをなくした後縁楔形部材であり、図には硬化後のマトリックス材料で取り囲まれたものとして示している。レイアップの際に、精密製造されたインサートをプライで取り囲み、硬化時にインサートと結合する。図7Eでは、実質的に等方性のセラミックインサート770が鋭い後縁インサートを形成する。インサート770は、強度を与えるために動翼のプライと結合するダブテール772を含む。この構成では、鋭い半径の縁部を有する非常に薄い後縁部とすることができる。
図7F及び図7Gは、複数の小さなプライを置き換えるためのインサートの使用例を示す。図7Fでは、実質的に等方性のセラミックインサート780がシュラウドレール構築部に用いられている。インサートは、コーナー782の複数のプライ並びに構築部の他の小さなプライを置き換えるために使用される。図7Gでは、実質的に等方性のセラミックインサート790は、動翼ダブテールで必要とされていた複数の小さなプライを置き換えるために使用される。
好ましい実施形態を参照して本発明を説明してきたが、本発明の技術的範囲内で様々な変更をなすことができ、構成要素を均等物で置換できることは当業者には明らかあろう。さらに、本発明の技術的範囲内で、特定の状況又は材料を本発明の教示内容に適合させるため多くの修正をなすことができる。したがって、本発明は、その最良の実施の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に属するあらゆる実施形態を包含する。
ガスタービンエンジン用のCMC動翼を示す斜視図である。 図1のCMC動翼をレイアップ形成するための従来の方法を示す斜視図である。 図2のレイアップの正面図である。 図3に示すプライに代えて本発明で使用するためのインサートを示す概略図である。 インサート及びプリプレグプライでレイアップ形成された本発明の動翼の正面図である。 内部通路を有する動翼のコーナーの一部分を形成するための本発明のインサートの使用例を示す断面図である。 小さな切断プライに代えて本発明のインサートの使用例を示す断面図である。 小さな切断プライに代えて本発明のインサートの使用例を示す断面図である。 小さな切断プライに代えて本発明のインサートの使用例を示す断面図である。 小さな切断プライに代えて本発明のインサートの使用例を示す断面図である。 小さな切断プライに代えて本発明のインサートの使用例を示す断面図である。 小さな切断プライに代えて本発明のインサートの使用例を示す断面図である。 小さな切断プライに代えて本発明のインサートの使用例を示す断面図である。
符号の説明
10 動翼
12 翼形部
14 ダブテール
16 前縁
18 後縁
24 中心面
40 プリプレグプライ
41 根元部プライ
42 比較的小さい(プリプレグ)プライ
44 比較的大きい(プリプレグ)プライ
110 (不連続強化)インサート
510 インサート
520 インサート
530 インサート
540 インサート
550 インサート
560 インサート
570 インサート
610 狭翼弦タービン動翼
612 後縁
614 空気通路
650 不連続強化複合材料後縁インサート
652 第1の端部
654 負圧面
656 第2の端部
658 正圧面
680 リブインサート
690 内側巻装プライ
710 セラミックインサート
730 セラミックインサート
750 セラミックインサート
760 セラミックインサート
770 セラミックインサート
772 ダブテール
780 セラミックインサート
782 コーナー
790 セラミックインサート

Claims (9)

  1. セラミックマトリックス複合材料部品(10)の製造方法であって、
    複数のプリプレグ層(40)と不連続強化複合材料インサート(650,680)との組合せを含むセラミックマトリックス部品(10)であって、複数の小さな切断プライを不連続強化複合材料インサートで置き換えたセラミックマトリックス部品(10)をモデリングする工程と、
    不連続強化複合材料インサート用の材料を混合する工程と、
    複数のプリプレグ層を用意する工程と、
    プリプレグ層をレイアップする工程と、
    従前小さな切断プライで占められていた位置でプリプレグ層に隣接して不連続強化複合材料インサート材料を配置する工程と、
    プリプレグ層と不連続強化複合材料インサート材料との集合体を形成する工程と、
    熱及び圧力の下で集合体を硬化させて、セラミックマトリックス部品を形成する工程と
    を含んでなる方法。
  2. 前記モデリング工程で、薄い縁部を形成するために複数の小さな切断プライを置き換える、請求項1記載の方法。
  3. 前記モデリング工程で、動翼(610)の後縁(612)を形成するために複数の小さな切断プライを置き換える、請求項2記載の方法。
  4. 前記モデリング工程で、動翼(610)の後縁(612)内の複数の小さなプライをインサート(650)で置き換える、請求項3記載の方法。
  5. 前記モデリング工程で、コーナー(710)の複数の小さな切断プライを置き換える、請求項1記載の方法。
  6. 前記コーナーがタービン動翼(610)の内部冷却通路(614)に沿って形成された内部コーナーである、請求項5記載の方法。
  7. 前記コーナーがタービン部品の外部コーナー(710)である、請求項5記載の方法。
  8. 前記モデリング工程で、動翼のダブテール部の複数の小さな切断プライを置き換える、請求項1記載の方法。
  9. 前記インサートでシュラウドレール構築部の複数の小さな切断プライを置き換える、請求項1記載の方法。
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