JP2013543072A

JP2013543072A - セラミックマトリクス複合材構造体、それを用いて形成される構成要素、および製造方法

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Publication number: JP2013543072A
Application number: JP2013511259A
Authority: JP
Inventors: ミラード，マイケル・リー; メイバース，グレゴリー・ジョセフ; ホール，キャスリーン・ラフタリー; レンググリ，バーナード・ジェームズ; ミラー，ジェフリー・フランクリン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2010-05-17
Filing date: 2011-05-16
Publication date: 2013-11-28
Also published as: EP2571686A1; WO2012118516A8; CA2799049A1; WO2012118516A1

Abstract

セラミックマトリクス複合材サンドイッチ構造体、そのようなサンドイッチ構造体を含むガスタービンエンジン構成要素、およびそのようなサンドイッチ構造体を製造する方法。セラミックマトリクス複合材サンドイッチ構造体は、対向して配設されている第１の表面および第２の表面を有するコアと、第１の表面に結合されている第１の面シートと、コアが第１の面シートとの間にあるように第２の表面に結合されている部材とを含む。第１の面シートは第１のセラミックマトリクス複合材料を含みかつコアは第２のセラミックマトリクス複合材料を含み、コアの第２のセラミックマトリクス複合材料は、フェルトまたは粗い布目の織物の形のセラミック強化材料を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、全般的に、セラミックマトリクス複合材（ＣＭＣ）材料に関する。さらに詳細には、本発明は、セラミックマトリクス複合材サンドイッチ構造体、そのような構造体を含むガスタービンエンジン構成要素、およびそのような構造体を作製する方法に関する。

高温金属合金に使用される新種の原料の益々増大するコストおよびその不足と相まって、新しい航空機エンジンのサイズの増大により、中間の温度環境から高い温度環境での使用に適した構成要素を作製するための新しい材料の利用が推進されている。そのような環境のためのエンジン構成要素を作製するための金属合金の１つの代替物が、セラミックマトリクス複合材（ＣＭＣ）である。

一般に、ＣＭＣは、セラミックマトリクス内に埋め込まれている第２のセラミック相を含む材料である。第２のセラミック相は、セラミックマトリクスに、様々な熱特性、弾性特性、および構造特性を与え、それにより、結果として得られるＣＭＣをより頑丈にしており、換言すれば、ＣＭＣは、セラミックマトリクス単独よりは表面およびバルクの傷に対して影響を受けにくい。この第２のセラミック相は、微粒子、ウィスカ、短繊維、繊維トウ、繊維布、およびそれらの任意の組合せを含む様々な形態を含み得る。ＣＭＣはまた、それらの積層が少なくとも１つのセラミック層を含む限り、異なる材料の積層を含んでいてもよい。利用可能な種々のＣＭＣがあるが、航空業界は、通常、テープ形態または布形態のどちらかの連続繊維トウを含むＣＭＣに頼っており、それは、これらの形態の強化材料がセラミックマトリクスに与えることができる破断点歪み（ｓｔｒａｉｎｔｓ−ｔｏ−ｆａｉｌｕｒｅ）がより高いことによるものである。

航空業界により利用される高度の連続セラミック繊維は高価である可能性がある。したがって、大量のこれら材料を使用することは費用効果的でない。さらに、背面冷却が必要または望ましいことが多く、その場合、ＣＭＣは、それらの比較的低い熱伝導率により、熱応力に見舞われる可能性がある。ＣＭＣ全体に何千という小孔がドリルで開けられるか、またはＣＭＣ内に一時的な線条（ｆｕｇｉｔｉｖｅｔｈｒｅａｄ）が組み込まれて、完成した構成要素に対する必要な冷却を実現することが多い。このことは、材料のコストをさらに増大させる可能性がある。

代替の材料に目を向けた場合の別の考慮すべき事柄が、エンジンノイズである。より静かなエンジンを作り出す能力は、次世代航空機のためのタービンエンジンを選択する場合に、機体メーカ（ａｉｒｆｒａｍｅｒ）にとっての差別化要因になりつつある。タービンエンジンからのノイズは、ファン、タービン、燃焼器、後部タービンエンジン構成要素の振動、および高速排ガスを含む多数の源に起因する可能性がある。そのようなノイズ問題に対処するために種々の代替案が検討されてきたが、これらの代替案は、重量の追加をもたらしかつ／または冷却空気を必要とすることが多く、そのどちらもが、エンジンの効率性を低下させる可能性がある。

米国特許第４３４１８２６号

したがって、必要なセラミック強化材の量および厚さ方向熱応力の影響の両方を低減させると同時に、連続繊維強化ＣＭＣに匹敵する破断点歪みをもたらす可能性がある中間の温度から高い温度のタービンエンジン用途での使用に適した材料系の必要性が残っている。さらに、そのような材料系はまた、ノイズ減衰の利益をもたらすことができることが望ましいことになる。

本発明は、セラミックマトリクス複合材サンドイッチ構造体、そのようなサンドイッチ構造体を含むガスタービンエンジン構成要素、およびそのようなサンドイッチ構造体を製造する方法を提供する。

本発明の第１の態様によれば、ガスタービンエンジン構成要素が、対向して配設されている第１の表面および第２の表面を有するコアと、第１の表面に結合されている第１の面シートと、コアが第１の面シートとの間にあるように第２の表面に結合されている部材とを含むセラミックマトリクス複合材サンドイッチ構造体を含む。第１の面シートは第１のセラミックマトリクス複合材料を含みかつコアは第２のセラミックマトリクス複合材料を含み、コアの第２のセラミックマトリクス複合材料は、セラミックマトリクス材料中にセラミック強化材料を含む。

本発明の第２の態様によれば、セラミックマトリクス複合材サンドイッチ構造体が、対向して配設されている第１の表面および第２の表面を有するコアと、第１の表面に結合されている第１の面シートと、コアが第１の面シートとの間にあるように第２の表面に結合されている部材とを含む。第１の面シートは第１のセラミックマトリクス複合材料を含みかつコアは第２のセラミックマトリクス複合材料を含み、コアの第２のセラミックマトリクス複合材料は、フェルトまたは粗い布目の織物の形のセラミック強化材料を有する。

本発明の他の態様が、前述したそれらの各要素を含む構成要素およびセラミックマトリクス複合材サンドイッチ構造体を製造する方法を含む。

本発明の技術的効果は、ガスタービンエンジンに存在するような中間の温度から高い温度で望ましい特性を示すセラミックマトリクス複合材サンドイッチ構造体の能力である。セラミックマトリクス複合材サンドイッチ構造体は、部分的に、そのコア内のセラミック強化材料によりそのような特性を達成する。セラミック強化材料の好適な構成は、サンドイッチ構造体が所望の特性、例えば７０ＧＰａより大きい弾性係数および少なくとも４２５℃の温度における約０．２％より大きい破断点歪みを示すことを可能にすると同時に、コアにより必要とされる強化材料量を最小化する働きをする。サンドイッチ構造体の他の可能性のある利益には、厚さ方向熱応力の低下およびノイズ減衰効果が含まれる。

本発明の他の態様および利点が、以下の詳細な説明からより良く理解されるであろう。

高バイパスターボファンエンジンの概略的な横断面である。本発明の実施形態によるＣＭＣサンドイッチ構造体の概略的な横断面である。図２に示されているサンドイッチ構造体の面シートでの使用に適したセラミック繊維を示すスキャン画像である。図２に示されているサンドイッチ構造体の面シートでの使用に適したセラミック繊維を示すスキャン画像である。図２に示されているサンドイッチ構造体の面シートでの使用に適したセラミック繊維を示すスキャン画像である。本発明の別の実施形態によるＣＭＣサンドイッチ構造体の概略的な横断面である。

本明細書に記載されている実施形態が、全般的に、セラミックマトリクス複合材サンドイッチ構造体と、それらを含むガスタービンエンジン構成要素と、それらを作製する方法とに関する。そのような構造体は、中間の運転使用温度（ｓｅｒｖｉｃｅｏｐｅｒａｔｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）から高い運転使用温度での使用に適しており、従来の連続繊維強化ＣＭＣに匹敵する破断点歪み特性を示すことができると同時に、また、必要なセラミック強化材量および／または厚さ方向熱応力の悪影響を低減する可能性を有する。さらに、本明細書に記載されているサンドイッチ構造体は、望ましい音響減衰特性を示すことができる。様々な用途が予測できかつ可能であるが、特に対象の用途には、高温用途、例えば地上のガスタービンエンジンおよび航空機ガスタービンエンジンを含むガスタービンの構成要素が含まれる。ガスタービンエンジンのタービン部分の内部で使用するためのある構成要素を特定的に参照するが、当業者には、本発明の教示は、種々の構成要素に適用可能であることが理解されよう。

例示目的として、図１は、当該技術分野で既知のタイプの高バイパスターボファンエンジン１０を概略的に示す。エンジン１０は、ファン組立体１２とコアエンジン１４とを含むように概略的に示されている。ファン組立体１２は、複合ファンケーシング１６と、配列状のファン羽根１８から前方に突出しているスピナー鼻部２０とを含むように示されている。スピナー鼻部２０およびファン羽根１８はどちらも、ファンディスク（図示せず）により支持されている。コアエンジン１４は、高圧圧縮機２２と、燃焼器２４と、高圧タービン２６と、低圧タービン２８とを含むように示されている。ファン組立体１２に進入する空気の大部分が、エンジン１０の後部に迂回させられて、付加的なエンジン推力を生成する。迂回させられた空気は、環型バイパス導管３０を通過し、ファンノズル３２を通って導管を出る。ファン羽根１８は、エンジン１０への入口導管３４およびファンノズル３２を画定しているファンカウリングまたはファンナセルにより取り囲まれている。排気ノズル３６および中心本体３８が、コアエンジン１４から後部方向に延在している。中心本体３８は、コアエンジン１４の中心線に沿って、排気ノズル３６と同軸に合わせされている。排気ノズル３６の内面がエンジン排気流路の外側境界を画定し、中心本体３８の外面が排気流路の内側境界を画定するように、中心本体３８は、ノズル３６を通る中細経路（途中で細くなった後に太くなる経路）を画定している。

前述されている通り、本明細書に記載されている実施形態は、全般的に、図１のエンジン１０のタービン部分を含む中間温度エンジン環境および高温エンジン環境で動作することができる構成要素を製造する際の使用に適したＣＭＣサンドイッチ構造体に関する。本明細書に用いられている「中間温度」は、約８００°Ｆ（約４２５℃）から約１５００°Ｆ（約８１５℃）までの温度を指し、一方、「高温」は、約１５００°Ｆ（８１５℃）より高い温度を指す。本発明のＣＭＣサンドイッチ構造体は、全般的に、２つの面シートの間に「挟まれた」コアを含む。図２を参照すると、サンドイッチ構造体４０が、コア４６により分離されておりかつコア４６の第１の表面４８および第２の表面５０それぞれに取り付けられている第１の面シート４２および第２の面シート４４を全体的に含む多層構造体として示されている。面シート４２および４４、ならびにコア４６は、以下で説明される通り、ＣＭＣ材料の異なる組合せを含んでいてもよい。機械的に、そのようなサンドイッチ構造体４０は、構造体４０の曲げ剛性が各面シート４２および４４の係数ならびに平衡状態のＩ型鋼系におけるコア４６の中心からの面シート４２および４４の距離に大きく依存しているＩ型鋼に類似している。

各面シート４２および４４は、好ましくは１つまたは複数のセラミック織物（図示せず）の形のセラミック強化材料を含有するＣＭＣ組成物を含む。該織物は、ＣＭＣ構造体に使用されている種々の既知の織物材料で形成されていてもよい。例えば、一実施形態では、各面シート４２および４４は、酸化物−酸化物ＣＭＣ組成物を有していてもよく、その場合、各面シート４２および４４は、酸化物系材料で形成されておりかつ酸化物系材料で形成されたマトリクスの内部に含まれている強化用織物、布、または紙を有する。酸化物系材料は、例えば、アルミニウムオキサイド（Ａｌ₂Ｏ₃）、シリコンダイオキサイド（ＳｉＯ₂）、アルミノシリケート、およびそれらの混合物であってもよい。アルミノシリケートの限定されない例には、ムライト（３Ａｌ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂）などの結晶物質およびガラス状アルミノシリケートが含まれる。面シート４２および４４に適切なセラミック材料の他の限定されない例には、酸化物系材料、例えばＳｉＣ酸化物ＣＭＣ組成物に含有されているシリコンカーバイドの強化用織物、布、または紙が含まれる。

面シート４２および４４での使用に適したセラミック織物には、詰まった布目または粗い布目を有する織物が含まれる。本明細書に用いられている「詰まった布目」は、図３に示されている通り、最終的なＣＭＣサンドイッチ構造体において隣接するトウ間に接触がある織物を指すのに対して、用語「粗い布目」は、図４および図５に示されている通り、最終的なＣＭＣサンドイッチ構造体においてトウ間に目に見える空間を有する織物を指す。面シート４２および４４での使用に適した詰まった布目の織物の限定されない例には、（３ＭＣｏｍｐａｎｙから市販されている）ＡＦ−１０、ＢＦ−２０、ＸＮ−５１３およびＤＦ−１１などの酸化物繊維布、ならびに（ＵＢＥＡｍｅｒｉｃａ，Ｉｎｃ．から市販されている）ＰＮ−Ｓ１５Ｈ１６ＰＸおよびＴＭ−５１７Ｅ０８ＰＸなどのＳｉＣ繊維布が含まれる。面シート４２および４４での使用に適した粗い布目のセラミック織物の限定されない例には、（３ＭＣｏｍｐａｎｙから市販されている）ＡＦ−８、および０．５回／インチ（約０．２回／ｃｍ）で個々により合わせられている８００フィラメントＮｅｘｔｅｌ（商標）７２０トウを使用する１４ｘ１４平織、１．５回／インチ（約０．６回／ｃｍ）でより合わせられている２つの８００Ｎｅｘｔｅｌ（商標）７２０フィラメントトウを使用する１０ｘ１０平織、１．５回／インチ（約０．６回／ｃｍ）でより合わせられている４つの７５０Ｎｅｘｔｅｌ（商標）４４０フィラメントトウを使用する８ｘ８平織などの特殊織布が含まれる。面シート４２および４４は、同一のセラミック材料を含んでいてもよく、または面シート４２および４４は、異なるセラミック材料で形成されていてもよい。さらに、いくつかの例には、以下に検討される通り、例えばサンドイッチ構造体４０の音響減衰特性を調整するために、面シート４２または４４の一方が詰まった布目の織物を含み、他方が粗い布目の織物を含んでいることが望ましい場合がある。セラミック強化材料は、通常、強化のタイプに応じて、各面シート４２および４４の約５から約４５までの体積百分率を占める。詰まった布目の強化材料は、面シート４２または４４の約３５から約４５までの体積百分率を占めることが好ましく、一方、粗い布および紙の強化材料は、面シート４２または４４の約５から約２０までの体積百分率を占めることが好ましい。

面シート４２および４４のセラミックマトリクスは、セラミックスラリから形成することが可能であり、その場合、面シート４２および４４は、最初はプリプレグの形である。本明細書に用いられている「セラミックスラリ」は、溶媒中で混合されて、面シート４２および４４のセラミック織物の周囲に分散され得る実質的に一様な混合物を形成し、次に、熱の利用によりセラミック材料に変換される、１つまたは複数種のポリマー材料と１つまたは複数種のセラミック粒子との混合物を含有する任意の液体物質を指す。例として、ポリマー材料は、コア４６との組立ての前に面シート４２および４４上で実施される焼結作業工程中に、または高温用途のために面シート４２および４４をコア４６に結合することができる、サンドイッチ構造体４０上で実施される焼結作業工程中に、セラミック材料を形成するように変換することができる。米国特許第５，６０１，６７４号は、本発明で使用することができる種類のセラミックスラリに関する限定されない記載を提供している。

セラミックスラリ中で使用するための適切なポリマーの限定されない例には、硬化しシリカに変換するポリマー、より好ましくは少なくとも３０重量パーセントのシリカへの変換効率を有するポリマーが含まれる。適切なポリマーの限定されない例には、シリコーン樹脂、例えばＧｅｎｅｒａｌＥｌｅｃｔｒｉｃＳｉｌｉｃｏｎｅＰｒｏｄｕｃｔｓＤｉｖ．などの供給源から市販されているポリシロキサン族のメチルセスキシロキサン混合物（例えば、ＳＲ３５０およびＳＲ３５５）ならびにＤｏｗＣｏｒｎｉｎｇ（登録商標）（例えば、２４９シリコーン樹脂）が含まれる。セラミックスラリ中での使用に適したセラミック粒子成分の限定されない例には、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、Ｂ₂Ｏ₃および３Ａｌ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂などの市販の材料を含む、Ａｌ、Ｓｉ、Ｂおよびそれらの組合せのような元素の酸化物が含まれる。通常、好適なセラミック粒径が、１マイクロメートル未満の直径を有すると考えられているが、より大きな粒子の使用もまた予測できる。セラミックスラリ中での使用に適切な溶媒の限定されない例には、ポリマー（単数または複数）を溶解し、面シート４２および４４のセラミック織物の周囲にセラミック粒子および溶解されたポリマー（単数または複数）を均一に分配することができる液体が含まれる。適切な溶媒の限定されない例には、エチルアルコール、イソプロピルアルコールおよびアセトンなどの有機溶媒が含まれる。

ポリマー（単数または複数）、セラミック粒子、および溶媒の相対量は、ポリマーの溶解度および飽和限界、ならびにスラリの所望粘度に応じて変化する可能性があり、セラミックスラリの適切な組成の例には、約３０重量％から約６０重量％までのセラミック粒子、約１０重量％から約６０重量％までのポリマー、および約２５重量％から約５０重量％までの溶媒が含まれる。セラミックスラリの構成のより好適な範囲が、約３５重量％から約４０重量％までのセラミック粒子、約１５重量％から約２０重量％までのポリマー、および約３０重量％から約４５重量％までの溶媒であると考えられる。

図２に示されているサンドイッチ構造体４０のコア４６は、好ましくはセラミックフェルト材料の形のセラミック強化材料を含むＣＭＣ組成物である。図６を参照して以下で検討される通り、別のタイプのサンドイッチ構造体１４０が、セラミック強化材料が織物の形の様々な種類のＣＭＣ組成物を有するコア１４６を含む。どちらの場合も、セラミック強化材料は特定の用途によって決まるが、好ましくはコア４６／１４６の２０を超える体積百分率を占めない。さらに詳細には、セラミック強化材料は、コア４６／１４６の少なくとも５から約２０の体積百分率を占めることが好ましく、約７から約１５の体積百分率を占めることがより好ましい。コア４６および１４６の適切な厚さは、特定の用途に応じて変化するが、約３ｍｍから約３７ｍｍまでの、より好ましくは約１２ｍｍから約２５ｍｍまでの範囲内のコアの厚さが、ガスタービン用途での使用に特に良く適していると考えられる。

コア４６のセラミック強化材料がフェルト材料である図２の実施形態では、コア４６は、最初にセラミック繊維、適宜のガラス繊維、および１つまたは複数の一時的膨化材（ｆｕｇｉｔｉｖｅｂｕｌｋｉｎｇｍａｔｅｒｉａｌ）を石けん水溶液中に懸濁し混合してコア懸濁液を作製することにより、作製することができる。コア懸濁液は、材料の様々な組合せを含んでいてもよく、その限定されない例が、約５０重量％から約８３重量％のセラミック繊維、約０重量％から約３０重量％のガラス繊維、および約１０重量％から約３５重量％の一時的材料（単数または複数）である。

図２のフェルトコア４６に好適なセラミック繊維が、コア４６の歪み特性を推進することができる。注目に値する例には、シリコンカーバイド、シリコンニトライド、シリコンオキシカーバイド、シリコンオキシニトライド、およびそれらの混合物などのシリコン含有ＣＭＣ繊維が含まれる。他の注目すべき例には、面シート４２および４４での使用に適しているとして上記されている酸化物材料が含まれる。フェルトコア４６のセラミック繊維は、通常約４ｍｍ（約８分の１インチ）から約３８ｍｍ（約１．５インチ）に及ぶ様々な長さ、例えば約２０ｍｍ（約０．７５インチ）を有し得る。

フェルトコア４６の内部でセラミック繊維を結合する能力を有するために、コア４６内にはガラス短繊維が望ましい。ガラス繊維は、例えば、図２に示されているサンドイッチ構造体４０を生み出すために実施される前述の焼結作業工程中に加熱された場合、軟化させるが完全に融解させないことによりそのように結合する。構成要素使用温度は、特定の用途での使用に適した特定のガラス短繊維の決定を助けることができるが、ガラス短繊維は、一般に、限定されないがＥガラス、Ｍガラス、Ｓガラス、およびＰｉｎｋ（登録商標）絶縁体（Ｏｗｅｎｓ−Ｃｏｒｎｉｎｇ（登録商標））を含む、種々の市販のガラス繊維材料から選択することができる。ガラス短繊維に適した長さは、通常、約４ｍｍ（約８分の１インチ）から約２５ｍｍ（約１インチ）に及び、例えば約２０ｍｍ（約０．７５インチ）になる。特定の例では、ガラス繊維絶縁体は、そのガラス繊維がセラミック繊維および一時的材料との混合中に分散されるように、約１ｘ１インチ（約２５ｍｍｘ２５ｍｍ）の小片に切断することができる。

１つまたは複数の一時的材料が、フェルトコア４６に膨化効果をもたらすことおよび後にコア４６の焼結中に多孔性を生み出すことに基づいて選択されることが好ましい。様々な異なる種類の一時的材料を使用することができるが、好適な一時的材料は、例えばサンドイッチ構造体４０において実施される上記の焼結作業工程中に、加熱されると分解する。例として、以下に記載される通り、セルロース充填材を一時的材料として使用して、フェルトコア４６のプリプレグまたは浸潤中のセラミックスラリの移動を推進することができる。あるいはまたはさらに、コア４６の最終密度を最小化するという利益を伴って、短レーヨン繊維またはバルクアラミドを一時的材料として使用することができる。さらに他の注目すべき一時的材料には、例えば約４ｍｍ（８分の１インチ）の粒径を有するアラミド粒子が含まれる。

セラミック繊維、ガラス繊維、および一時的材料の混合物を含むコア懸濁液を、従来のフェルト作製機械に流し込んで繊維を強固にし、任意の過剰な水溶液を抽出することができる。次に、結果として得られる湿ったフェルトコアをフェルトドライヤ内に配置して任意の残留水を除去し、乾燥したフェルトコアを生み出すことができる。次に、既定のセラミックスラリが乾燥したフェルトコアに塗布されて、プリプレグ工程または真空を補助に使った浸潤を用いてスラリ含浸コアの形の予備コアを生み出してもよい。本発明での使用に適切なプリプレグ工程および浸潤工程は当該技術分野で既知であり、したがって、本明細書では詳細に検討されない。セラミックスラリは、面シート４２および４４における使用に関して記載されているものと同一の組成物を有していてもよく、またはセラミックスラリは、面シート４２および４４に使用されたものとは異なる組合せのポリマーおよびセラミック粒子を含んでいてもよい。

概して、サンドイッチ構造体４０のレイアップが、面シート４２および４４をスラリ含浸予備コアの表面に個々に貼付することを必要とする可能性があり、それを焼結すると、図２に示されている構造体４０が生み出される。上記の通り、面シート４２および４４は、予備コアに貼付する前に焼結することができるか、または面シート４２および４４と予備コアとは、依然としてプリプレグの形にある間に面シート４２および４４を予備コアに貼付することにより、一緒に焼結することができる。別の代替案が、加熱してポリマーをセラミックに変換することなくそれらの各セラミックスラリのポリマーを硬化した後に、面シート４２および４４を予備コアに貼付することである。面シート４２および４４がプリプレグの形で予備コアに貼付された場合、面シート４２および４４のセラミックスラリとスラリ含浸予備コアとが、面シート４２および４４をコア４６に結合するように、結果として得られる構造体の焼結を実施することができる。適宜、面シート４２および４４のプリプレグが、適切な接着剤を用いて予備コアに結合されてもよい。他方で、面シート４２および４４が硬化状態または予備焼結状態で予備コアに貼付された場合、接着剤の使用は面シート４２および４４をコア４６に結合させるために必要であり、その場合、必要に応じて、さらに硬化するステップおよび／または焼結するステップが実施されてもよい。

面シート４２および４４をコア４６に結合させるために使用されている接着剤が、溶媒を用いて処理されたポリマーとセラミック粒子との混合物を含んでおり、いかなる開放気孔性のスラリ含浸予備コアまたはコア４６にも容易に浸潤しない実質的に一様な混合物を形成することができる。詳細には、適切なポリマーには、面シート４２および４４ならびにコア４６のセラミック材料に適合性のあるセラミック材料に変換することができるものが含まれる。適切なポリマーの限定されない例には、ＧｅｎｅｒａｌＥｌｅｃｔｒｉｃＳｉｌｉｃｏｎｅＰｒｏｄｕｃｔｓＤｉｖ．から市販されているＳＲ３５０およびＳＲ３５シリコーン樹脂およびＤｏｗＣｏｒｎｉｎｇ（登録商標）から市販されている２４９シリコーン樹脂を含む、面コート４２および４４のセラミックスラリ中で使用するための前述されているものが含まれ、その場合、ポリマーは、少なくとも３０重量％のシリカへの変換効率を有する。詳細には、接着剤の溶媒およびセラミック粒子の適切な組成物には、面コート４２および４４のセラミックスラリ中で使用するための前述のものが含まれる。セラミック粒子の適切な粒度が、約３２５メッシュ未満（４４マイクロメートル未満）である。接着剤中の適切な溶媒量が、一般に、およそ約８から約２０重量％である。さらに、最大約１０重量％まで、オキシカーバイドセラミック短繊維またはシリコンカーバイドセラミック短繊維を接着剤に追加して、サンドイッチ構造体４０が約８１５℃（１５００°Ｆ）より高い温度に暴露された場合に、接着剤により形成されているセラミックの内部で発生することがあり得る収縮ひび割れの発生を低減することができる。

接着剤中のポリマーに対するセラミック粒子の比率は、ポリマーのセラミック（例えば、シリカ）収率に左右される可能性がある。例えば、ＳＲ３５０シリコーン樹脂は、約８３重量％ＳｉＯ₂の変換率を有し、一方、ＳＲ３５５および２４９シリコーン樹脂は、約６０重量％ＳｉＯ₂の変換率を有する。しかし、ポリマーからのシリカ収率の１重量部毎に約３から４重量部のセラミック粒子を含む接着剤を用いて、適切な結果が達成されると考えられる。

面コート４２および４４のプリプレグがコア４６のプリプレグに貼付される実施形態では、該プリプレグを鋳型内に配置し、一緒に硬化し焼結して、図２の構造体４０を生み出すことができる。この手法は、コア４６の機械加工を排除するかまたは最小限にすることができるという点で、大きく複雑なセラミックサンドイッチ構造体を製造するのに有利である可能性がある。一実施形態では、（接着剤を用いるか否かに関わらず）プリプレグの積重ねは、真空下でバッグに収められ、オーブン内に配置され、おおよそ２時間、約２５０°Ｆ（約１２０℃）の温度で加熱されて、プリプレグのポリマーおよびもし存在した場合は接着剤を硬化する。硬化された構造体は、次いで、それを少なくとも約７４℃の温度まで、最高約６００℃と１０００℃の間の温度まで、約２時間加熱することにより焼結し、面シート４２および４４ならびにコア４６のマトリクス材料をそれらの各セラミック材料に変換し、図２に示されている最終的なサンドイッチ構造体４０を製造することができる。焼結中に使用されている温度は、構造体４０が中間温度エンジン環境または高温エンジン環境での使用に適切かどうかを部分的に決定することになる。

織物コア材料を利用する図６の実施形態では、サンドイッチ構造体１４０が、織物コア１４６に結合されている前述の面シート４２および４４を含み得るように形成されている。本実施形態では、（面シート４２および４４に関連して前述されている）粗い布目の織物の層を、図２のフェルトコア４６を形成するために使用されるフェルトコア材料のプリプレグおよび浸潤に関して前述した種類のセラミックスラリでプリプレグすることができる。粗い布目の織物の連続トウは、コア１４６およびサンドイッチ構造体４０に強度を与え、一方、布目のトウ間の開いた隙間は、空気移動および空気冷却を可能にする。プリプレグされた粗い布目の織物の層は、その用途の特定の要求に応じて、所望の厚さまでレイアップされて、予備コアを生み出すことができる。最終的な織物コア１４６は、同一の粗い布目の織物の複数の層、または異なる粗い布目の織物の複数の層を含み得る。（例えば、前述の通り）セラミックスラリでプリプレグされている詰まった布目の織物または粗い布目の織物を用いて製造されてもよい面シート４２および４４は、次いで、予備コアに貼付すること、好ましくは（例えば、前述の通り）接着剤を使用して結合することができ、その後、プリプレグの積重ねを前述の通り硬化し焼結して、サンドイッチ構造体１４０を生み出すことができる。

前述のタイプのサンドイッチ構造体４０および１４０を使用して全体的なエンジン構成要素を製造することができ、またはその製造中に構成要素の内部にもしくはその上に選択的に配置して、調整された密度特性、冷却特性、および／または音響特性をもたらすことができる個別ストリップとして製造することができる。さらに、前述のタイプのサンドイッチ構造体４０および１４０は、構成要素が構造体４０および１４０の２つの面シート４２または４４のうちの１つとしての機能を果たすことができるように、直接、金属構成要素またはセラミック構成要素上に製造することができる。この手法は、複雑な形状を有する構成要素に関しても費用のかかる機械設備の使用を低減することができ、構成要素にぴったり合うサンドイッチ構造体４０または１４０を生み出すことができ、それにより接着剤の厚さの変化を低減することができ、構成要素とサンドイッチ構造体４０または１４０との間の取付けを改善することができる。構造体４０または１４０は、セラミックスラリのポリマー（または複数のセラミックスラリの複数のポリマー）を硬化させる温度まで加熱することにより、金属構成要素またはセラミック構成要素に接着剤で結合するかまたは機械的に取り付けることができ、その後、構造体４０または１４０を焼結して、ポリマーをセラミック材料に変換することができる。

本明細書に記載されているＣＭＣサンドイッチ構造体技術を使用して製造することができる構成要素の限定されない例には、図１のコアエンジン排気ノズル３６と排気中心本体３８とが含まれる。例えば、図２および図６のサンドイッチ構造体４０および１４０を使用して、ノズル３６の内被および／または中心本体３８の外被を形成して、これらの構成要素に望ましい特性、例えば排ガス流路の高温においてノズル３６および／または中心本体３８に所望される構造体特性、熱特性、および音響特性をもたらすことができる。サンドイッチ構造体４０または１４０はどちらも、ツール上にレイアップして、ノズル３６および／または中心本体３８用の所望の形状を得ることができる。交互に、サンドイッチ構造体４０および１４０は、直接、ノズル３６または中心本体３８上にレイアップすることができ、次にそれらに接着することができる。音響減衰は、ノズル３６および中心本体３８を用いて実現することができるが、サンドイッチ構造体１４０の使用には、前述の通り、粗い布目の織物が含まれる。

対応する金属構成要素と比較してより低い密度を有するように、前述のタイプのサンドイッチ構造体を構成することができる。例えば、約２分の１インチ（約１３ｍｍ）の厚さを有しかつ前述の通り製造されているサンドイッチ構造体は、約０．３ｇ／ｃｃ（約１９ポンド／ｆｔ³）以下の密度を有し得る。さらに、前述のタイプのサンドイッチ構造体は、中間温度または高温において、約１０Ｍｓｉ（約７０ＧＰａ）以上の弾性係数および約０．２％以上の破断点歪みの能力を有し得る。高い破断点歪み特性は、例えば、中間温度エンジン運転環境および高温エンジン運転環境における面シート４２および４４とコア４６および１４６との間の結合を維持することができる、前述の種類の適切な接着剤の使用により、部分的に達成される。さらに、図６を参照して記載されている種類の織物コア１４６の使用は、Ｐ／Ｐ_A比１．２で１平方インチ当たり約７ｘ１０^-4ポンド／秒（１平方センチメートル当たり約５ｘ１０^-5ｋｇ／秒）の気流能力を示すサンドイッチ構造体１４０を生み出すことができ、ここで、Ｐは付与された冷却圧力であり、Ｐ_Aは大気圧である。このことにより、そのようなサンドイッチ構造体から作製されている構成要素が、現在実施されているようにドリルでの穿孔または一時的な繊条の使用を必要とせずに、熱応力を許容可能なレベルまで低下させるのに必要な、所望の内部冷却を達成することを可能にできる。当業者には、トウ数およびＰ／Ｐ_A比のような要因は、空気が内部セラミック構造体とどのくらいの時間相互作用するかということに、したがって内部冷却の程度にも影響を及ぼす可能性があるので、冷却の効率性は該要因の両方に関連する可能性があることが理解されよう。

また、図６を参照して記載されている種類の織物コア１４６の使用により、音響的利益をもたらすサンドイッチ構造体１４０を生み出すことが可能になる。さらに詳細には、織物コア１４６の低密度および低係数は、エンジンノイズを減衰するのに利用することができる。例えば、織物コア１４６は、複数の粗い布目の織物を含むように製造することができ、各織物層の厚さは他の織物層と異なり、コア１４６の密度および係数を修正し、それにより、コア１４６および構造体１４０全体としての音響特性を修正する。

また、図２を参照して記載されている種類のフェルトコア４６の使用により、音響的利益をもたらすことが可能になる。例えば、コア４６内部の繊維の配向を修正し、コア４６のインピーダンスを特定の方向に変更して、音響設計ニーズに適合させることができる。詳細には、垂直方向の繊維間のいくらかの連動で、フェルトの各層をドローダウン厚さ（ｄｒａｗ−ｄｏｗｎｔｈｉｃｋｎｅｓｓ）において平面にすることができる。フェルトは所望の寸法に切断することができ、所望の特性をもたらすために、フェルトの層を積み重ねて平面を再配向することができる。さらに、面シート４２および４４の一方または両方のトウ数を減少させることにより、そのインピーダンスを変更することができる。

本発明を特定の実施形態の観点から記載してきたが、当業者により他の形態が採用される可能性があるであろうことは明らかである。例えば、図２および図３に概略的に示されているサンドイッチ構造体４０および１４０の物理的形態は、図示されているものとは異なる可能性があるであろうし、言及されているもの以外の材料および方法が使用されることが可能であろう。したがって、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によってのみ限定されるものである。

１０高バイパスターボファンエンジン
１２ファン組立体
１４コアエンジン
１６複合ファンケーシング
１８ファン羽根
２０スピナー鼻部
２２高圧圧縮機
２４燃焼器
２６高圧タービン
２８低圧タービン
３０環型バイパス導管
３２ファンノズル
３４入口導管
３６排気ノズル
３８排気中心本体
４０、１４０サンドイッチ構造体
４２第１の面シート／面コート
４４第２の面シート／面コート
４６コア／フェルトコア
４８（コア４６の）第１の表面
５０（コア４６の）第２の表面
１４６コア／織物コア

Claims

ガスタービンエンジン構成要素であって、
対向して配設されている第１の表面および第２の表面を有するコアと、前記第１の表面に結合されている第１の面シートと、前記コアが前記第１の面シートとの間にあるように前記第２の表面に結合されている部材とを有し、前記第１の面シートは第１のセラミックマトリクス複合材料を含みかつ前記コアは第２のセラミックマトリクス複合材料を含み、前記第２のセラミックマトリクス複合材料はセラミックマトリクス材料中にセラミック強化材料を含む、セラミックマトリクス複合材サンドイッチ構造体
を含む、ガスタービンエンジン構成要素。
前記セラミック強化材料は、セラミック繊維を含むフェルトである、請求項１記載のガスタービンエンジン構成要素。
前記セラミック繊維はガラス繊維と互いに結合されている、請求項２記載のガスタービンエンジン構成要素。
前記セラミック強化材料は、織られた連続セラミック繊維を含む粗い布目の織物である、請求項１記載のガスタービンエンジン構成要素。
前記セラミック強化材料および前記セラミックマトリクス材料は、酸化物およびシリコンカーバイドからなる群から選択される少なくとも１つの材料を含む、請求項１記載のガスタービンエンジン構成要素。
前記第１の面シートの前記第１のセラミックマトリクス複合材料は、セラミックマトリクス材料中にセラミック強化材料を含む、請求項１記載のガスタービンエンジン構成要素。
前記第１の面シートの前記第１のセラミックマトリクス複合材料は、酸化物−酸化物セラミックマトリクス複合材料およびＳｉＣ−ＳｉＣセラミックマトリクス複合材料からなる群から選択される、請求項６記載のガスタービンエンジン構成要素。
前記セラミック強化材料は、詰まった布目の織物または粗い布目の織物である、請求項６記載のガスタービンエンジン構成要素。
前記コアの前記第２の面シートに結合されている前記部材は、第３のセラミックマトリクス複合材料を含む第２の面シートであり、前記第３のセラミックマトリクス複合材料は、セラミックマトリクス材料中にセラミック強化材料を含む、請求項１記載のガスタービンエンジン構成要素。
前記第２の面シートの前記第３のセラミックマトリクス複合材料は、前記第１の面シートの前記第１のセラミックマトリクス複合材料とは異なる、請求項９記載のガスタービンエンジン構成要素。
前記サンドイッチ構造体は、７０ＧＰａより大きい弾性係数および少なくとも４２５℃の温度で０．２％より大きい破断点歪みを有する、請求項１記載のガスタービンエンジン構成要素。
前記サンドイッチ構造体は、７０ＧＰａより大きい弾性係数および少なくとも８１５℃の温度で０．２％より大きい破断点歪みを有する、請求項１記載のガスタービンエンジン構成要素。
前記構成要素は、排気ノズルおよび排気中心本体からなる群から選択される、請求項１記載のガスタービンエンジン構成要素。
前記セラミックマトリクス複合材サンドイッチ構造体は、ガスタービンエンジンの排ガス流路の境界を画定している前記構成要素の表面を画定している、請求項１３記載のガスタービンエンジン構成要素。
前記セラミックマトリクス複合材サンドイッチ構造体は、前記構成要素の表面に個別ストリップを画定している、請求項１記載のガスタービンエンジン構成要素。
対向して配設されている第１の表面および第２の表面を有するコアと、前記第１の表面に結合されている第１の面シートと、前記コアが前記第１の面シートとの間にあるように前記第２の表面に結合されている部材とを有し、前記第１の面シートは第１のセラミックマトリクス複合材料を含みかつ前記コアは第２のセラミックマトリクス複合材料を含み、前記コアの前記第２のセラミックマトリクス複合材料は、フェルトおよび粗い布目の織物からなる群から選択されるセラミック強化材料を含む、セラミックマトリクス複合材サンドイッチ構造体。
前記コアの前記セラミック強化材料は、セラミック繊維を含むフェルトである、請求項１６記載のセラミックマトリクス複合材サンドイッチ構造体。
前記コアの前記セラミック繊維は、ガラス繊維と互いに結合されている、請求項１６記載のセラミックマトリクス複合材サンドイッチ構造体。
前記セラミック強化材料は、織られた連続セラミック繊維を含む粗い布目の織物である、請求項１６記載のセラミックマトリクス複合材サンドイッチ構造体。
第１の表面を有するコアと、前記第１の表面に結合されている第１の面シートとを含み、前記第１の面シートは第１のセラミックマトリクス複合材料を含み、前記コアは第２のセラミックマトリクス複合材料を含むセラミックマトリクス複合材サンドイッチ構造体を作製する方法であって、
前記第１の面シートの少なくとも１つのプリプレグを準備するステップと、
第１の表面および対向して配設されている第２の表面を有する予備コアを製造するステップと、
前記プリプレグを前記予備コアの前記第１の表面に結合させるステップと、
前記プリプレグを前記予備コアに焼結させて、前記セラミックマトリクス複合材サンドイッチ構造体を生み出すステップと
を含む、方法。