JP2013525240A - セラミック複合材部品及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

セラミック複合材部品の製造方法は、第１のセラミック複合材層（ＣＣＬ）を形成するステップと、第１のＣＣＬに対して型を配置するステップと、第２のＣＣＬを型に対して配置するステップであって、型が第１のＣＣＬ及び第２のＣＣＬで少なくとも部分的に囲まれるようにするステップとを含む。本方法は、第１のＣＣＬを第２のＣＣＬに結合するステップであって、セラミック複合材部品の少なくとも一部を横切る第１の方向に延在する少なくとも１つの第１の通路が、第１のＣＣＬ及び第２のＣＣＬによって、第１の型の空いた位置に少なくとも部分的に画成されるようにするステップも含む。
【選択図】図２

Description

本発明の技術分野は、広義には複合材部品の製造に関し、具体的には、セラミック複合材部品及びその製造方法に関する。

セラミック材料の耐熱性・耐温度性の点で、セラミック材料で作られた部品が金属部品のような他の材料で作られた部品の代わりに使用されることが多々ある。セラミック部品は、冷却又はそのセラミック部品及び／又はその下流の部品へのエネルギー移動を促進するため冷却流体を部品を通して流すことのできる中空キャビティ又は流路が内部に画成されるように製造されることが多い。例えば、少なくとも幾つかの公知のガスタービンエンジンは、複合材料から少なくとも部分的に製造される部品を含んでいる。かかるタービン部品は、部品に画成されたキャビティから吐出される冷却空気のフィルムによって少なくとも部分的に冷却される。

セラミック部品の少なくとも１つの公知の製造方法は、鋳造プロセスを含んでおり、複数の冷却スロットが部品内に実質的に平行な列として形成される。例えば、公知の部品では、部品内で形作られるスロットの各々は、ロストワックス又はインベストメント鋳造プロセスを用いて部品を製造するときに１以上の長さで形成される。かかる鋳造プロセスでは、部品の形成にインサートが用いられる。このようなプロセスは非セラミック部品で常用されているが、こうした鋳造プロセスでセラミック部品を製造するのは困難で、時間とコストがかかることがある。

もう一つの公知の複合材部品の製造方法は、積層製造方法である。かかる方法では、幾つかの層のセラミック材料を互いに結合させればよく、通路は後でドリル又は既存の材料を体系的に除去するための他の形態のエネルギーを用いて形成できる。しかし、かかる部品の製造に使用される材料の強度のため、ドリルビットその他の形態のエネルギー移動デバイス及びシステムが早期に摩損して、製造コストが増すおそれがある。さらに、かかる製造プロセスでは、公知のドリルビットその他の形態のエネルギー移動デバイス及びシステムの固有の制約のため、各通路の向きが制限される。

米国特許第６０２４８９８号

１つの態様では、セラミック複合材部品の製造方法を提供する。本方法は、第１のセラミック複合材層（ＣＣＬ）を形成するステップと、第１のＣＣＬに対して型を配置するステップと、第２のＣＣＬを型に対して配置するステップであって、型が第１のＣＣＬ及び第２のＣＣＬで少なくとも部分的に囲まれるようにするステップとを含む。本方法は、第１のＣＣＬを第２のＣＣＬに結合するステップであって、セラミック複合材部品の少なくとも一部を横切る第１の方向に延在する少なくとも１つの第１の通路が、第１のＣＣＬ及び第２のＣＣＬによって、第１の型の空いた位置に少なくとも部分的に画成されるようにするステップも含む。

別の態様では、セラミック複合材部品の製造方法を提供する。本方法は、第１のセラミック複合材層（ＣＣＬ）を形成するステップと、第１の第１のＣＣＬに対して型を配置するステップと、少なくとも１つの第２のＣＣＬを第１の型の第１の側面に対して配置するステップであって、第１の型が第１のＣＣＬ及び少なくとも１つの第２のＣＣＬで少なくとも部分的に囲まれるようにするステップとを含む。本方法は、第１及び第２のＣＣＬを互いに結合するステップであって、セラミック複合材部品の少なくとも一部を横切る第１の方向に延在する少なくとも１つの第１の通路が、第１の型の空いた位置に少なくとも部分的に画成されるようにするステップも含む。

さらに別の態様では、セラミック複合材部品を提供する。セラミック複合材部品は、上面から下面に延在する本体であって、２以上つのセラミック複合材層（ＣＣＬ）を含む本体を含む。本部品は、第１のＣＣＬと、第１のＣＣＬと接合した第２のＣＣＬと、セラミック複合材部品の少なくとも一部を横切る第１の方向に延在する第１の通路と、第１の通路から垂直方向に延在するが、本体の縁までは延在しない第２の通路とを含む。

２層だけで製造される例示的なセラミック複合材部品の製造初期段階を示す斜視図である。 ３層以上で製造される別の実施形態のセラミック複合材部品の製造初期段階を示す斜視図である。 ３層以上で製造されるさらに別の実施形態のセラミック複合材部品の製造初期段階を示す斜視図である。 図１〜図３に示す部品のような複合材部品の製造に使用し得る例示的な中空型の斜視図である。 互いに結合して流体連通する複数の内部通路を含む例示的なセラミック複合材部品の断面図である。 複数の異なる配向に延在する複数の内部通路を含む別のセラミック複合材部品の断面図である。

図１は、例示的なセラミック複合材部品１００の斜視図であり、その製造初期段階を示す。例示的な実施形態では、部品１００は、例えば、米国特許第６０２４８９８号に記載された加工技術によって形成される。具体的には、例示的な実施形態では、セラミック部品１００は、型システム１３０を用いて、第１のセラミック複合材層（ＣＣＬ）１１０及び第２のＣＣＬ１２０で形成される。例示的な実施形態では、型システム１３０は、中空であって、通路セグメント１５０及び１６０を含む。或いは、型システム１３０の全体又は少なくとも一部が中実であってもよい。

具体的には、例示的な実施形態では、各セグメント１５０及び１６０はそれぞれ実質的に円形の断面形状及び実質的に楕円形の断面形状を有する。或いは、各セグメント１５０及び／又は１６０は、部品１００が本明細書に記載の通り機能できるようにする任意の断面形状を有していてもよい。さらに、例示的な実施形態では、各通路セグメント１５０及び１６０は、ＣＣＬ１１０及び１２０の１以上の外縁１１４から内側に延在している。或いは、通路セグメント１５０及び／又は１６０の少なくとも１つの端部は、層１１０及び１２０の外縁１１４から内側に所定距離で終端しており、層１１０及び１２０によって実質的に封止されている。

例示的な実施形態では、最初に、第１のＣＣＬ１１０を実質的に平坦な表面の上に配置し、型システム１３０を第１のＣＣＬ１１０の上面１１２に対して配置する。具体的には、部品１００内の所望の位置に通路（図１には図示せず）を形成することのできる位置に型システム１３０をＣＣＬ１１０に対して配置する。型システム１３０を所望の配向に整合させた後、第２のＣＣＬ１２０を、第１のＣＣＬ１１０及び型システム１３０に延在せしめ、型システム１３０を層１１０と層１２０の間に実質的に入れて、層１１０及び１２０で囲む。次いで、層１１０と層１２０を確実に接合するため部品１００を熱処理する。例示的な実施形態では、層１１０及び１２０は各々層１１０と層１２０との接着力を高めるバインダーを含む。例えば、バインダーは、特に限定されないが、フェノール樹脂又は酢酸アミル化合物であってもよい。さらに、例示的な実施形態では、型システム１３０は、特に限定されないが、木材、プラスチック、又はセラミック材料と非セラミック材料とのコンパウンドのような非セラミック材料から製造される。一実施形態では、通路に沿っての又は表面壁を通してのエネルギー移動を促進するため、特に限定されないが、フィン及びスワーラを始めとする表面特徴を通路に加えるためにセラミック材料と非セラミック材料とのコンパウンドを用いてもよい。或いは、型システム１３０は、システム１３０が本明細書に記載の通り機能できるようにする任意の材料から製造できる。熱処理プロセスの際に、バインダー及び型システム１３０は、各々、部品１００から融解及び溶解し、通路セグメント１５０及び１６０の空いた位置に、複数の通路（図１には図示せず）が画成される。

図２は、例示的なセラミック複合材部品２００の斜視図であり、その製造初期段階を示す。例示的な実施形態では、部品２００は、第１のセラミック複合材層（ＣＣＬ）２０２、第２のＣＣＬ２０４、第３のＣＣＬ２０６及び上部ＣＣＬ２０８で形成され、製造プロセスに際しては型システム２２０を使用する。具体的には、実施形態の例では、型システム２２０は、２つの中空の通路セグメント２２２及び２２４を含む。或いは、セグメント２２２及び／又はセグメント２２４を含む型システム２２０の少なくとも一部は中実であってもよい。例示的な実施形態では、最初に、第１のＣＣＬ２０２を実質的に平坦な表面の上に配置し、中空の型システム２２０を、第１のＣＣＬ２０２の上面２１０に対して、部品２００内の所望の位置に通路（図２には図示せず）を形成することのできる位置に配置する。第２のＣＣＬ２０４を、第１のＣＣＬ２０２に延在せしめ、中空の型システム２２０を、第１のＣＣＬ２０２と第２のＣＣＬ２０４との間に少なくとも部分的に封入する。次いで、第３のＣＣＬ２０６を第２のＣＣＬ２０４に延在せしめ、型システム２２０をＣＣＬ２０２、ＣＣＬ２０４及びＣＣＬ２０６で実質的に封入する。次いで、上部ＣＣＬ２０８を第３のＣＣＬ２０６に延在せしめる。

ＣＣＬ２０２、２０４、２０６及び２０８を各々それらの所望の配向に配置及び整合させ、層２０２、２０４、２０６及び２０８の間の接着力を高めるバインダーを用いて層２０２、２０４、２０６及び２０８を確実に接合するためにセラミック部品２００を熱処理する。さらに、熱処理時に、バインダー及び型システム２２０は各々融解して、それまで通路セグメント２２２及び２２４で占有されていた位置に複数の通路が画成される。例示的な実施形態では、セグメント２２２及び／又は２２４はそれぞれ実質的に円形の断面形状及び実質的に楕円形の断面形状を有する。或いは、各セグメント２２２及び／又は２２４は、部品２００が本明細書に記載の通り機能できるようにする任意の断面形状を有していてもよい。

図３は、例示的なセラミック複合材部品３００の斜視図であり、その製造初期段階を示す。例示的な実施形態では、部品３００は、複数の層３０２、３０４及び３０６から形成されており、製造プロセスに際しては型システム３２０を使用する。例示的な実施形態では、型システム３２０は中空である。或いは、型システム３２０の任意の部分又は全体が中実であってもよい。さらに、例示的な実施形態では、最初に、第１のセラミック複合材層（ＣＣＬ）３０２を実質的に平坦な表面の上に配置し、型システム３２０を第１のＣＣＬ３０２の上面３１０に対して配置する。さらに、例示的な実施形態では、型システム３２０は、少なくとも第１の通路セグメント３３０及び第２の通路セグメント３３２を含む。第２のＣＣＬ３０４を、セグメント３３０とセグメント３３２との間に延在するように配置して、通路セグメント３３０及び３３２をＣＣＬ３０４で部分的に囲む。次いで、上層３０６を、第１のＣＣＬ３０２及び第２のＣＣＬ３０４に配置し、例示的な実施形態では、上層３０６は、部品３００の全幅Ｗに延在する。層３０２、３０４及び３０６を各々それらの所望の配向に配置及び整合させ、層３０２、３０４及び３０６を確実に接合するためにセラミック部品３００を熱処理して、型システム３２０を融解し、部品３００内の型システム３２０の空いた位置に複数の通路（図３には図示せず）を形成する。別の実施形態では、セラミック複合材料の複数の層をセグメント３３０と３３２との間に配置してもよい。

部品１００、２００及び／又は３００のようなセラミック部品は、セラミック複合材料の任意の数の層及び／又は得られるセラミック部品が本明細書に記載の通り機能できるようにする任意の向きに配向したセラミック複合材料の層を用いて製造できる。さらに、部品１００、２００及び／又は３００のようなセラミック部品で製造できる通路の数は、得られるセラミック部品が本明細書に記載の通り機能できる１以上の任意の方向に配向した任意の数とすることができる。製造プロセスに際して１以上の特定の領域に層３０４のような複数の層を追加することの利点は、特定の領域に追加の重量又は強度をもつセラミック部品を得ることができることである。

図４は、部品１００、２００及び／又は３００（図１、図２、及び図３に示す）のようなセラミック部品の製造に使用し得る例示的な型システム４００の斜視図である。例示的な実施形態では、型システム４００は、複数の中空通路セグメント４０２を含んでおり、中空セグメント４０２は互いに略平行に配向しており、複数の中空の接続セグメント４０４で接続され流体連通する。具体的には、例示的な実施形態では、セグメント４０２で形成される通路が流体連通して互いに接続できるように、セグメント４０４が、隣り合った通路セグメント４０２間に略垂直方向に延在する。

図５は、本明細書に記載の製造方法を用いて形成できる例示的なセラミック複合材部品５００の断面図である。例示的な実施形態では、部品５００は、第１の開口５０２、第２の開口５０４、第１の方向に配向した複数の通路５１０、及び通路５１０に実質的に垂直な第２の方向に配向した複数の通路５１２を含む。

図６は、本明細書に記載の製造方法を用いて形成できる別のセラミック複合材部品６００の断面図である。同様に、セラミック部品６００は、第１の通路６１０、第２の通路６２０、並びに通路６１０及び６２０に対して斜め方向に配向した通路６３０及び６４０を含む。例示的な実施形態では、通路６１０は縁６１６まで延在していて、開口６１２を含んでいる。通路６２０は通路６１０と流体連通していて、通路６１０に対して実質的に垂直である。さらに、通路６２０は、部品６００の外縁６１８までは延在していない。斜め方向に配向した通路６３０は、通路６３０を通して流体連通させることのできる開口６３２及び６３４を含んでいる。また、通路６３０は、通路６３０間に延在して、開口６３２と開口６３４とを流体連通させることのできる通路６３６も含んでいる。通路６４０は、部品６００内に封止されるように形成されている。

型システム４００を用いて、部品６００（図６に示す）のようなセラミック部品を製造することの利点は、６１０及び６２０のような通路を、開口６１２のように１つの開口しか有していなくても、セラミック部品全体で双方向流体連通させることができるように形成できることである。対照的に、積層方法のような公知のセラミック複合材部品の製造システムでは、ドリルを用いて通路を形成することに特有の製造制限があるので、各通路に開口を設けずに双方向流体連通させることのできる通路は製造できない。具体的には、ドリル又は既存の材料を体系的に除去するための他の形態のエネルギーを用いて流路を形成する場合、接続通路は各々部品の縁から通路へと延在していなければならない。したがって、型システム４００を使用する別の利点は、ドリルその他の形態のエネルギーを用いて複合材部品内部に通路を形成する必要がないことである。

セラミック部品の製造に際して型システム４００を使用する別の利点は、型システム４００によって、（図５及び図６に示すように）第１の開口を通して空気、流体又はガスを流入・流出させ、部品の加熱又は冷却のため部品全体に流し続け、第２の開口から出すことができることである。セラミック部品の製造に際して型システム４００を使用する別の利点は、型システム４００では、流路内に中実材料又は発泡材料を挿入できることである。さらに、セラミック部品の製造に際して型システム４００を使用する別の利点は、型システム４００が、セラミック部品内に湾曲した流路（図示せず）を生じさせるための湾曲セグメントを含むことができることである。

さらに、型システム４００を用いてセラミック部品を製造する別の利点は、通路６４０（図６に示す）など、部品内部に封止される流路を生じさせることができることである。封止通路を使用する利点は、部品の通路にリブを挿入することができるので、構造支持を部品に容易に追加できることである。さらに、封止流路は、部品内部に封止されているので、ヒートパイプその他のエネルギー移動手段として使用できることは当業者には自明であろう。

上述の方法及び装置は、内部通路を備えたセラミック複合材部品を製造するための経済的で信頼性の高い方法を提供する。本明細書に記載の製造プロセスは、経済的なセラミック複合材部品の製造方法であって、部品の構造的健全性を犠牲にせずに、内部冷却通路を形成することのできる方法を提供する。さらに、一実施形態では、内部通路は、部品の軽量化を促進し、振動低減を促進し、また部品の構造強度を高めるためのリブを挿入できる領域を与える。本製造は、その構造に起因する熱成長の利点を提供する。

以上、セラミック複合材部品を製造するための装置及び方法の例示的な実施形態について説明してきた。装置及び製造方法は、本明細書に記載した具体的な実施形態に限定されない。例えば、製造方法は、セラミック複合材部品での実施のみに限定されるものではない。本発明は、その他の多くの高温部品用途で実施及び利用し得る。

本発明を様々な特的の実施形態に関して説明してきたが、特許請求の範囲に記載された技術的思想及び技術的範囲内で変更を加えて本発明を実施することができることは当業者には明らかであろう。

Claims (19)

1. セラミック複合材部品の製造方法であって、
   第１のセラミック複合材層（ＣＣＬ）を形成するステップと、
   少なくとも１つの第１の型を第１のＣＣＬに対して配置するステップと、
   第２のＣＣＬを第１の型に対して配置するステップであって、第１の型が第１及び第２のＣＣＬで少なくとも部分的に囲まれるようにするステップと、
   第１のＣＣＬを第２のＣＣＬに結合するステップであって、前記セラミック複合材部品の少なくとも一部を横切る第１の方向に延在する少なくとも１つの第１の通路が、第１のＣＣＬ及び第２のＣＣＬによって、第１の型の空いた位置に少なくとも部分的に画成されるようにするステップと
   を含む方法。
2. 少なくとも１つの第２の型を第１の型及び第１のＣＣＬに対して配置するステップと、
   第１のＣＣＬを第２のＣＣＬに結合するステップであって、第２の方向に延在し、第１の通路と流体連通して結合する第２の通路が、第１のＣＣＬ及び第２のＣＣＬによって第２の型の空いた位置に少なくとも部分的に画成されるようにするステップと
   をさらに含む、請求項１記載の方法。
3. 第１のＣＣＬを形成するステップが、バインダーを含む第１のＣＣＬを形成するステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
4. 少なくとも１つの第１の型を配置するステップが、非セラミック系の複合材料又は部分的に非セラミック系の複合材料から製造された型を第１のＣＣＬに対して配置するステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
5. 第１のＣＣＬを第２のＣＣＬに結合するステップが、第１の通路が第２の通路から斜め方向に延在するように、第１のＣＣＬを第２のＣＣＬに結合するステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
6. 少なくとも第１のＣＣＬを少なくとも第２のＣＣＬに接合させるために、製造中の部品を熱硬化させるステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
7. 第１のＣＣＬを第２のＣＣＬに結合するステップが、第２の通路が、エネルギー移動を促進するフィン及びスワーラのうちの少なくとも１つを含む表面特徴を備えて形成されるように、第１のＣＣＬを第２のＣＣＬに結合するステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
8. セラミック複合材部品の製造方法であって、
   第１のセラミック複合材層（ＣＣＬ）を形成するステップと、
   少なくとも１つの第１の型を第１のＣＣＬに対して配置するステップと、
   少なくとも１つの第２のＣＣＬを、第１の型の第１の側面に対して、及び前記部品の一部分だけに配置するステップであって、第１の型が第１のＣＣＬ及び前記少なくとも１つの第２のＣＣＬで少なくとも部分的に囲まれるようにするステップと、
   第１及び第２のＣＣＬを互いに結合するステップであって、前記セラミック複合材部品の少なくとも一部を横切る第１の方向に延在する少なくとも１つの第１の通路が、第１の型の空いた位置に少なくとも部分的に画成されるようにするステップと
   を含む方法。
9. 少なくとも１つの第２の型を少なくとも第１の型及び第１のＣＣＬに対して配置するステップであって、少なくとも第２の型が、少なくとも第１の型に実質的に垂直方向に配向するステップをさらに含む、請求項８記載の方法。
10. 第１及び第２のＣＣＬを互いに結合するステップが、前記セラミック複合材部品の少なくとも一部を横切る第２の方向に延在する第２の通路が、第１及び第２のＣＣＬによって第２の型の空いた位置に少なくとも部分的に画成されるとともに、第１及び第２の通路が前記部品内部で流体連通して互いに接続されるように、前記ＣＣＬ層を互いに結合するステップをさらに含む、請求項９記載の方法。
11. 少なくとも１つの第１の型を第１のＣＣＬに対して配置するステップが、第１の型が、前記部品の１以上の外縁から前記部品の内部へ延在するように、少なくとも第１の型を第１のＣＣＬに対して配置するステップをさらに含む、請求項８記載の方法。
12. 少なくとも１つの第１の型を第１のＣＣＬに対して配置するステップが、非セラミック系の複合材料から製造された少なくとも１つの型を第１のＣＣＬに対して配置するステップをさらに含む、請求項８記載の方法。
13. 第１及び第２のＣＣＬを互いに結合するステップが、少なくとも第１の通路が少なくとも第２の通路から斜め方向に延在するように、第１及び第２のＣＣＬを互いに結合するステップをさらに含む、請求項１０記載の方法。
14. 前記ＣＣＬの層を互いに接合させるために、製造中の部品を熱硬化させるステップをさらに含む、請求項８記載の方法。
15. 少なくとも１つの第３のＣＣＬを第１の型に対して配置するステップであって、第３のＣＣＬが、前記部品で第１の型の第１の側面から第１の型の反対側面へ延在するステップをさらに含む、請求項８記載の方法。
16. セラミック複合材部品であって、
    上面から下面に延在する本体であって、２以上つのセラミック複合材層（ＣＣＬ）を含む本体と、
    第１のＣＣＬと、
    第１のＣＣＬと接合した第２のＣＣＬと、
    前記セラミック複合材部品の少なくとも一部を横切る第１の方向に延在する第１の通路と、
    第１の通路から垂直方向に延在するが、前記本体の外縁まで延在しない第２の通路と
    を含む部品。
17. 第１及び第２の通路が、第１及び第２のＣＣＬによって第１及び第２の型の空いた位置に少なくとも部分的に画成される、請求項１６記載の部品。
18. 第１の通路が、第２の通路から斜め方向又は直交方向のうちの少なくとも１つの方向に延在する、請求項１６記載の部品。
19. 前記層が熱硬化プロセスによって互いに接合されている、請求項１６記載の部品。