JP2010260780A - 連続繊維強化複合物品の屈曲部の層間剥離を抑制する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】マトリックス材料内に一方向性繊維要素列を含有する層を有する連続繊維強化複合材料で形成された部品の屈曲部における層間剥離を抑制する方法の提供。
【解決手段】部品の層に対応するプリプレグテープを積層することにより部品のプリフォーム３０を形成する。各々のテープは、マトリックス前駆体、結合材、及び繊維要素３２列を含有している。これらのテープを積み重ねて、少なくとも第１のテープの繊維要素３２が屈曲部３４を横切り、繊維要素３２が屈曲部３４の湾曲の軸３６に対して垂直ではない平面３８、４０内にあるようにする。次いで、プリフォーム３０を熱加工する。その間、繊維要素３２が屈曲部３４の湾曲の軸３６に対して垂直な平面内にないことの結果として、屈曲部３４内の層の層間剥離が抑制される。
【選択図】図５

Description

本発明は、一般に複合物品及びその製造方法に関する。具体的には、本発明は、連続繊維強化材の複数の層を含有する複合物品を製造する方法に関し、かかる物品ではその屈曲部内の前記複数の層の層間剥離が抑制される。

ガスタービンエンジンの効率を高めるために、より高い作動温度が絶えず求められている。鉄、ニッケル及びコバルト基超合金の開発を通して高温能力の飛躍的な進歩が達成されているが、代替材料が研究されて来ている。セラミック材料及びセラミックマトリックス複合（ＣＭＣ）材料は、その高温能力により冷却用空気に関する要件を大幅に軽減することができるので注目に値する例である。ＣＭＣ材料は一般に、セラミックマトリックス材料内に埋め込まれたセラミック繊維強化材を特徴とする。この強化材は、マトリックス材料内に分散した不連続の短繊維又はマトリックス材料内で配向された連続繊維若しくは繊維束であり得、ＣＭＣのマトリックスに亀裂が発生した際に負荷を担う構成成分として機能する。一方、セラミックマトリックスは強化材を保護し、その繊維の配向を維持し、強化材に対する負荷を消散する役目を果たす。

連続繊維強化セラミック複合材（ＣＦＣＣ）は、ガスタービンエンジンのシュラウド、燃焼器ライナー、ノズル、その他の高温部品を始めとする様々な高温耐力用途に対して軽量、高強度、及び高剛性をもたらすＣＭＣの１種である。ＣＦＣＣ材料の連続繊維（フィラメント）は、個々の繊維が略平行に並んだ一方向性の繊維列を形成するように配置することができる。また、繊維は、一方向性のトウ列を形成するように配置されるトウとして束ねてもよいし、或いは二次元の織物を形成するように織られるか若しくは三次元の織物を形成するように織ったり編んだりされるトウとして束ねてもよい。三次元の織物の場合、複数の組の一方向性のトウを、例えば互いに横断して織り合わせることができる。個々の繊維の一方向性の列を有するＣＦＣＣ材料において、繊維は通例、各々が一方向性の（平行な）繊維列を含有する複数の交互の層に配列され、ある所与の層内の繊維は各隣接する層の一方向性の繊維を横断している。

高温用途に関してとりわけ重要なものは、ケイ素系セラミック材料、特にマトリックス及び／又は強化材として炭化ケイ素（ＳｉＣ）を含有するＣＭＣである。ＣＦＣＣの注目に値する１つの例は、Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ＣｏｍｐａｎｙによりＨｉＰｅｒＣｏｍｐ（登録商標）という名称で開発されており、炭化ケイ素と元素状ケイ素のマトリックス中に連続炭化ケイ素繊維を含有している。注目に値する炭化ケイ素繊維材料としては、Ｎｉｐｐｏｎ Ｃａｒｂｏｎ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．から市販されているＮＩＣＡＬＯＮ（登録商標）、ＨＩ−ＮＩＣＡＬＯＮ（登録商標）、及びＨＩ−ＮＩＣＡＬＯＮ（登録商標）Ｔｙｐｅ Ｓ繊維がある。ＳｉＣ／Ｓｉ−ＳｉＣ（繊維／マトリックス）ＣＭＣ及び ＣＦＣＣ材料並びに方法の例は、本願出願人に譲渡された米国特許第５０１５５４０号、同第５３３０８５４号、同第５３３６３５０号、同第５６２８９３８号、同第６０２４８９８号、同第６２５８７３７号、同第６４０３１５８号、及び同第６５０３４４１号、並びに本願出願人に譲渡された米国特許出願公開第２００４／００６７３１６号に開示されている。１つのかかる方法は「プリプレグ」溶融−浸潤として知られており、一般にこの方法では、各々が所望の強化材、セラミックマトリックス材料の前駆体、及び１種以上の結合材からなるテープ様構造体の形態である複数のプリプレグ層を用いてＣＭＣを製造する。複数のプリプレグテープを積み重ねることにより積層体プリフォームを形成し、加工処理して（焼成を含む）結合材を燃焼させると共に前駆体を所望のセラミックマトリックス材料に変換する。得られるＣＭＣは、各々が個々のプリプレグテープに由来する複数の薄層を含有する。積層体プリフォームの硬化及び焼成の結果として、各薄層は焼成中前駆体の変換により形成されたセラミックマトリックスに包まれた強化材を含有し、複数の薄層はセラミックマトリックスにより互いに接合される。こうして得られたＣＭＣ物品を次に、溶融したケイ素又は他の適切な材料中に浸潤させて、燃焼中に結合材を除去した結果として形成された気孔を充填する。

層間剥離の欠陥はＣＭＣ構造体内の薄層の分離の結果として起こる。図１及び２はかかる欠陥を概略的に例証する。図１は、米国特許第７１１７９８３号に開示されているＣＭＣシュラウドの特徴である屈曲部を有する積層体プリフォーム１０を表している。図１はプリプレグ層１２の様子、及びそれらの層１２がプリフォーム１０を賦形するのに用いる工具１４に一致していることを示している。プリプレグ層１２は様々な構造を有し得るが、本発明にとって特に重要なものは、プリフォーム１０の焼成によりＣＦＣＣ材料となる一方向性の連続繊維列を有するプリプレグ層１２である。重大な難問は、屈曲部の辺りで良好な圧密化と最小の欠陥を得ることである。従来の慣行は、０−９０繊維構造を利用することにより複合材料の二軸性強化が得られるように連続繊維を配置することである。すなわち、交互の層１２が、直接屈曲部半径Ｒの周りに巻き付けられ、かつ屈曲部の曲率の軸１６に対して垂直な（ここではゼロ度方向）平面内にある繊維を含有し、一方その間の層は、屈曲部の曲率の軸１６に対して略平行な（ここでは９０度方向）平面内にある繊維を含有する。

積層及び圧密化が起こる間、例えば圧力下で積層体プリフォーム１０を加熱する間、例えばオートクレーブの間、圧密化中、そして屈曲部の幾何学的形状によって誘導される厚さ方向の歪みに応答して面内圧縮歪みが外側のプリプレグ層１２内に生成する。屈曲部半径Ｒの周りでまっすぐに配向され屈曲部の湾曲の軸１６に対して垂直な平面内にある連続繊維はその後その軸に沿って高い圧縮応力を受ける。この繊維内の圧縮応力が少なくとも次の２つの様式で複合材中に欠陥を引き起こすと思われる。まず第一に、繊維は圧縮応力の下で曲がる可能性があり、その結果複合層内に皺を形成する可能性がある。次に、以後の燃焼及び浸潤工程段階中、繊維内の歪みが弾性的に解放され、その結果、図２に示すように、得られるＣＦＣＣ物品２０内に薄層２２の層間剥離２４を引き起こし得る。これらの欠陥は、図３及び４に示すように、２つのＣＦＣＣシュラウドの２つの赤外線（ＩＲ）サーモグラフ画像において明るい領域として目に見える。

米国特許第７１１７９８３号明細書

実際には、一方向性の繊維構造体を含有するＣＭＣ物品について上記したような層間剥離２４は、より良好なドレープ性を有する傾向があり、従って屈曲部の付近で層間欠陥を形成する傾向がより低い布及び織った構造体のような織った繊維層を含有するＣＭＣ物品では観察されない。他方、層間剥離は一方向性の繊維構造体を有するＣＦＣＣ物品に関して認識されている問題であるので、米国特許第５３４８６０２号から明らかなように、その解決策が研究され提案されて来ている。しかし、特別な設備や段階を伴わない解決策が望ましいであろう。

本発明は、複合材料の熱加工中に層間剥離を起こし易い層（薄層）を含む連続繊維強化複合材料から形成された部品の屈曲部における層間剥離を抑制する方法を提供する。

本発明の第１の局面によると、複合材料の各層はマトリックス材料中に一方向性の繊維性要素列を含有し、屈曲部の少なくとも一部分が湾曲の軸により画成される。この方法では複数のプリプレグテープを形成するが、その各々がマトリックス前駆体、結合材、及び一方向性繊維性要素列を含有していて、その結果、各々のプリプレグテープが、十分に加熱されて結合材が燃焼しマトリックス前駆体が部品のマトリックス材料に変換されたときに複合材の層の１つを形成する。その後、プリプレグテープを積み重ねて部品のプリフォームを形成すると共にその屈曲部を画成し、そのため、少なくとも第１のテープの一方向性繊維性要素が屈曲部を横切り、全てのテープの一方向性繊維性要素が屈曲部の湾曲の軸に対して垂直でない平面内にあるようにする。次いで、プリフォームを外圧下で加熱してプリプレグテープを統合する。本発明の好ましい局面によると、一方向性繊維性要素がいずれも屈曲部の湾曲の軸に対して垂直な配向とは対照的にその軸に対して垂直な平面内にはない結果として、屈曲部内のプリプレグテープの層間剥離、従って得られる屈曲部内の複合材層の層間剥離が抑制される。

本発明の別の局面は上記の方法により製造される部品である。非限定例はガスタービンエンジンのタービンシュラウドである。

本発明の重大な利点は、連続繊維強化複合部品、特に複合材料の熱加工の間に層間剥離を起こし易い屈曲部がある形状を有する連続繊維強化セラミック複合材（ＣＦＣＣ）部品を製造することができることである。配向すべき一方向性の列内の個々の繊維を屈曲部の軸に対して垂直以外のある角度で配向させることによって、層間剥離により引き起こされる層間欠陥を大いに抑制することができる。±４５度の繊維構造が層間剥離を抑制するのに有効であることが示されているが、他の角度、特に湾曲の屈曲軸に対して垂直な平面から約１０〜９０度の範囲の角度も本発明の範囲内である。特定の非限定例としては、＋８０／−１０、＋７０／−２０、＋６０／−３０などのような二軸性の繊維構造、及び９０／＋３０／−３０、などのような多軸性の繊維構造がある。

本発明のその他の局面及び利点は、以下の詳細な説明からより良好に理解されるであろう。

図１は、当技術分野で公知のＣＦＣＣシュラウドの特徴である屈曲部を有する積層体プリフォームの部分断面図を概略的に示す。 図２は、図１の積層体プリフォームの熱加工により生成したＣＦＣＣ物品の部分断面図を概略的に示し、熱加工中にプリフォーム内の層間剥離によって生じた層間欠陥を示している。 図３は、図１と類似の繊維構造を有する２つのＣＦＣＣシュラウドの赤外線（ＩＲ）サーモグラフ画像であり、シュラウドの熱加工中に層間剥離により生じた層間欠陥の存在を立証している。 図４は、図１と類似の繊維構造を有する２つのＣＦＣＣシュラウドの赤外線（ＩＲ）サーモグラフ画像であり、シュラウドの熱加工中に層間剥離により生じた層間欠陥の存在を立証している。 図５は、当技術分野で公知のＣＦＣＣシュラウドの特徴である屈曲部を有する積層体プリフォームの部分透視図を概略的に示し、本発明の１つの実施形態によるプリフォームの外層内の個々の繊維の配向及びプリフォームの熱加工中に繊維がシフトする方向を示している。 図６は、図５と類似の繊維構造を有するＣＦＣＣシュラウドのＩＲサーモグラフ画像であり、シュラウドの熱加工後に層間欠陥が実質的にないことを立証している。

一方向性の繊維要素列を形成するように配置された連続繊維を含有する複合物品を製造する方法、特にＣＦＣＣ物品を製造する方法に関して本発明を説明する。様々な複合材料が本発明に包含され、好ましい非限定例は炭化ケイ素を含有するセラミックマトリックス中に炭化ケイ素強化用繊維を含有するＣＦＣＣ材料である。様々な応用が予測できるが、特定の用途としてはガスタービンエンジンの部品があり、その非限定例にはガスタービンエンジンの高温ガス通路内に使用されるタービンシュラウドがある。

図５に、米国特許第７１１７９８３号（ガスタービンシュラウドの組成、製造及び形状に関するその内容は援用により本明細書の一部をなす）に開示されているようなＣＦＣＣシュラウド用の積層体プリフォーム３０の一部分を概略的に示す。プリフォーム３０及びそれから形成されるシュラウドは、米国特許第５０１５５４０号、同第５３３０８５４号、同第５３３６３５０号、同第５６２８９３８号、同第６０２４８９８号、同第６２５８７３７号、同第６４０３１５８号、及び同第６５０３４４１号、並びに米国特許出願公開第２００４／００６７３１６号に開示されているいずれかの方法に従って製造するのが好ましい。好ましい方法は上記の溶融−浸潤法であり、この場合図５の積層体プリフォーム３０を形成するには、複数のプリプレグテープ（図には示してない）を積み重ね、オートクレーブ、オーブン、及び／又は他の適切な装置で熱加工して、テープを統合し、テープ内の結合材を燃焼させ、かつテープ内の前駆体をＣＦＣＣシュラウドに望ましいセラミックマトリックス材料、例えば炭化ケイ素に変換させる。得られるＣＦＣＣシュラウドは複数の薄層を含有しており、各々の薄層は個々のプリプレグテープから得られたものである。積層体プリフォーム３０の硬化及び焼成の結果、ＣＦＣＣシュラウドの各薄層は好ましくは薄層同士を互いに接合するセラミックマトリックス材料内に包まれた強化用繊維を含有する。最後に、好ましい方法は溶融浸潤段階を含み、この間シュラウドを溶融したケイ素又は別の適切な材料により浸潤して、結合材の燃焼中に生成した気孔を充填する。

本発明の本開示を分かり易くする目的で図５のプリフォーム３０は個々の繊維又は繊維トウのような連続繊維要素３２の一方向性の列が最も外側のテープの表面に露出されて示されているが、繊維要素３２はテープ前駆体及び結合材内に完全に包み込まれた結果として目に見えないことがあるものと了解されたい。ＣＦＣＣ部品（シュラウド）用のプリフォーム３０として、各々のプリプレグテープ内の繊維要素３２は一方向性の列として配置されており、すなわち、互いに対して略平行に並んで配向している。加えて、交互のテープ内の繊維要素３２は互いに平行であるが交互のテープ間のテープの繊維要素３２を横断するのが好ましい。さらに好ましくは、隣接の接触するテープの繊維要素３２は互いに対して垂直であってＣＦＣＣ複合材の二軸性強化を提供する。プリフォーム３０は任意の数のテープで構成することができ、その厚さは通例数ミリメートルまでの範囲である。適切な繊維直径及び中心間の繊維間隔は特定の用途、テープの厚さ、その他の要因に依存し、従って図５では一定の縮尺で表されていない。個々の繊維要素３２は公知の慣行に従って窒化ホウ素（ＢＮ）又は炭素のような剥離剤で被覆して剥離(de-bond)コーティングを形成することができる。このコーティングは部品の個々の繊維要素３２及びセラミックマトリックス間の滑りを制限・制御することができ、このことはＣＦＣＣ部品内における亀裂の伝播を止めるか、又は少なくとも抑制するという望ましい効果を有する。

図１〜４に示したような従来技術のプリフォームの熱加工中に起こる層間剥離欠陥を回避するか、又は少なくとも大幅に抑制するために、プリフォーム３０の各々の繊維要素３２はプリフォーム３０中の屈曲部３４の湾曲の軸３６に対して垂直ではない平面内にあるので、プリフォーム３０は本明細書でゼロ度の繊維配向と呼ぶものを有する要素３２を含有しない。図５に、繊維要素３２の１つに対する１つのかかる平面３８を示すが、図示した平面３８はプリフォーム屈曲部３４の湾曲の軸３６に対しておよそ４５度傾いており、従って軸３６に垂直な平面に対してもおよそ４５度傾いている。図５から明白なように、プリフォーム３０の最も外側のテープ内の繊維要素３２は全てが互いに略平行な平面内にあり、従って軸３６に垂直な平面に対しておよそ４５度傾いている。対照的に、最も外側のテープに接触してすぐ下にあるテープ内の繊維（図には示してない）は横断して、例えば繊維要素３２及び平面３８に対して垂直に配向していて、ＣＦＣＣ部品の二軸性強化を提供する。垂直に配向すると、次のテープの繊維は、プリフォーム屈曲部３４の湾曲の軸３６に垂直な平面に対しておよそ４５度傾いた平面内にあるが、図５に平面４０として示されているように平面３８の反対の方向にあり、±４５度の繊維構造といわれるものを生じる。プリフォーム３０の残りの部分は同様に構成されて、その結果１つおきのテープの繊維が平面３８に略平行で、間のテープは平面４０に略平行な繊維を含有することになる。

本発明に至る過程の研究において、±４５度の繊維構造は、上記のように、すなわち、テープの統合、結合材の燃焼、及び溶融浸潤を含む熱加工（この間に、図１と２に示したような従来技術のプリフォームでは層間剥離が起こると思われる）で製造されるＣＦＣＣ物品の層間剥離を抑制するのに特に有効であることが示された。しかし、適切な繊維構造は、全ての繊維が湾曲の屈曲軸３６に垂直な平面に対して約１０〜９０度（この具体的な例は＋８０／−１０、＋７０／−２０、＋６０／−３０、及び９０／＋３０／−３０度である）の角度で配向された二軸性及び多軸性の構造を包含するようにより広いと考えられる。

いかなる特定の理論にも拘束されることは望まないが、本発明の繊維構造がプリフォーム３０の熱加工中の層間剥離欠陥の生成を回避するか又は少なくとも大幅に抑制することができるという能力は、プリプレグテープの熱加工中、特に統合中に起こり得る繊維のシフトの発生に関係している可能性がある。かかるシフト現象は、図５において、各々の繊維要素３２の限られた一部分３２Ａ（点線で表すが、この部分全体が屈曲部３４内にある）で起こるものとして示されている。このシフトは、図５で、屈曲部３４の湾曲の軸３６に対して略平行で、図５に示されているように左方向に起こるものとして表されているが、いずれの方向でもシフトが起こり得ると予想される。シフトの量は非常に小さいと考えられ、従って測定するのは困難であり、また繊維要素３２及びセラミックマトリックスの材料、繊維要素３２の寸法、並びに熱加工条件に応じて変化すると考えられる。

本発明に従って製造された欠陥のないＣＦＣＣシュラウドとして、そのＩＲサーモグラフ画像を図６に示したシュラウドがある。特に、±４５度の繊維構造を有する以外は、このシュラウドは、図３と４のシュラウドを製造するのに用いたものと同じ原料から同様に加工処理したものであり、繊維構造が層間剥離欠陥を回避する上で奏する他に類のない効果を立証している。

特定の実施形態に関して本発明を説明して来たが、当業者は他の形態を採用することができることは明らかである。従って、本発明の範囲は特許請求の範囲によってのみ限定されるものである。

１０ プリフォーム
１２ 層
１４ 工具
１６ 軸
２０ 物品
２２ 薄層
２４ 層間剥離
３０ プリフォーム
３２ 要素
３２Ａ 一部分
３４ 屈曲部
３６ 軸
３８ 平面
４０ 平面

Claims (10)

1. 複数の層を含む連続繊維強化複合材料で形成された部品の屈曲部（３４）における層間剥離を抑制する方法であって、前記層の各々がマトリックス材料中に一列の一方向性繊維要素（３２）を含有し、前記屈曲部（３４）の少なくとも一部分が湾曲の軸（３６）を画成しており、
   複数のプリプレグテープを形成する段階であって、前記プリプレグテープの各々はマトリックス前駆体、結合材、及び前記列の一方向性繊維要素（３２）の１つを含有していて、十分に加熱されて前記結合材が燃焼し前記マトリックス前駆体が前記部品の前記マトリックス材料に変換されたときに複合材の前記層の１つを形成する、前記段階と、
   前記プリプレグテープを積み重ねて、前記部品のプリフォーム（３０）を形成すると共に前記屈曲部（３４）を画成することによって、少なくとも第１の前記プリプレグテープの前記一方向性繊維要素（３２）の各々が前記屈曲部（３４）を横切り、かつ全ての前記プリプレグテープの前記一方向性繊維要素（３２）が前記屈曲部（３４）の湾曲の前記軸（３６）に対して垂直ではない平面（３８、４０）内にあるようにする段階と、
   前記プリフォーム（３０）を外圧下で加熱して前記プリプレグテープを統合する段階とを含んでなり、
   前記一方向性繊維要素（３２）のいずれもが前記屈曲部（３４）の湾曲の前記軸（３６）に対して垂直な平面内にない結果として、前記屈曲部（３４）における前記プリプレグテープの層間剥離が抑制される、方法。
2. 加熱する段階がさらに、結合材を燃焼させ、マトリックス前駆体を部品のマトリックス材料に変換させ、プリプレグテープを複合材の層に変換させることを含んでおり、前記層が前記マトリックス材料により互いに対して接合されることを特徴とする、請求項１記載の方法。
3. さらに、加熱する段階の後にマトリックス材料を溶融浸潤させて、結合材の燃焼の結果生じた部品内の気孔を充填することを含んでいる、請求項２記載の方法。
4. 少なくとも第１のプリプレグテープの一方向性繊維要素（３２）の各々が、屈曲部（３４）の湾曲の軸（３６）に垂直な平面に対して約１０〜９０度の平面（３８）内にあることを特徴とする、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の方法。
5. 第２のプリプレグテープの一方向性繊維要素（３２）の各々が、第１のプリプレグテープの一方向性繊維要素（３２）の平面（３８）に対して垂直な平面（４０）内にあることを特徴とする、請求項４記載の方法。
6. 第１及び第２のプリプレグテープの一方向性繊維要素（３２）の各々が、屈曲部（３４）の湾曲の軸（３６）に垂直な平面に対して約４５度の平面（３８、４０）内にあることを特徴とする、請求項５記載の方法。
7. 連続繊維強化複合材料がセラミックマトリックス複合材料であることを特徴とする、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の方法。
8. 一方向性繊維要素（３２）が炭化ケイ素強化用繊維（３２）であり、マトリックス前駆体が炭化ケイ素前駆体であることを特徴とする、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載の方法。
9. さらに、加熱する段階の後にマトリックス材料を溶融浸潤して部品内の気孔を充填する段階を含む、請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載の方法。
10. 前記部品がガスタービンエンジンの部品であることを特徴とする、請求項１乃至請求項９のいずれか１項記載の方法。