JP2016148325A - 複合材部品を形成するための複合材工具及びその方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複合材部品を形成するための複合材工具及びその方法を提供する。
【解決手段】複合材工具１００は、ガスタービン部品の１以上の表面に対応する幾何学的外形を有する３次元造形ポリマー本体１０３と、本体１０３の上に設けられた皮膜であって、未被覆の３次元造形ポリマー本体１０３よりも優れた熱暴露耐性を３次元造形ポリマー本体１０３に与える皮膜とを含む。複合材部品を形成する方法は、複合材工具１００を用意するステップと、複合材工具１００の表面上に複数の複合材プライをレイアップするステップと、複合材プライを緻密化して複合材部品を形成するステップと、複合材部品から複合材工具１００を取り除くステップとを含む。複合材部品は、複合材工具１００の少なくとも一部に対応する幾何学的外形を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、全体的に、発電用のガスタービンに関し、より具体的には、ガスタービンの複合材部品を形成するための方法に関する。

セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）材料は、タービンブレード、ベーン、ノズル、及びバケットなどのガスタービンエンジンの特定の部品のための材料として提案されてきた。Ｓｉｌｉｃｏｍｐ、溶融浸透（ＭＩ）、化学蒸気浸透、ポリマー膨張熱分解（ＰＩＰ）、及び酸化物／酸化物プロセスを含む、ＣＭＣ部品を製作するための様々な方法が知られている。これらの製作法は、互いに極めて異なるが、各々は、ハンドレイアップ及び治工具又はダイを用いて、様々な処理段階での加熱を含むプロセスを通じてニアネットシェイプ部品を生成製作することを含む。

ＣＭＣ部品の形成は、マンドレル又は鋳型のようなプリフォームを用いることを含む、幾つかのステップを含む。最初に、複数のＣＭＣ繊維を鋼鉄又はアルミニウムのマンドレル上にレイアップする。繊維は、予め定められたパターンでレイアップされ、部品の所望の最終形状又はニアネットシェイプ及び所望の機械的特性を与える。繊維をレイアップした後、マンドレルが部品に支持及び強度を与えるバーンアウトサイクルにより繊維からバインダーが除去される。

ＣＭＣ繊維がレイアップされるマンドレルの形状は、ＣＭＣ部品の形状を与える。しかしながら、マンドレルの形状は、従来の機械加工することが可能な形状に限定されている。従って、ＣＭＣ部品の形状は、更なる加工なしに従来の機械加工することが可能な形状に限定される。加えて、鋼鉄又はアルミニウムのマンドレルを形成する機械加工プロセスに起因して、マンドレルの製造は、完成するまでに数週間から数ヶ月を必要とする可能性がある。

従来技術と比べて１以上の改善点を示す部品及び方法が、当技術分野で望まれている。

米国特許第８，６６３，５５３号明細書

一実施形態において、複合材工具は、ガスタービン部品の１以上の表面に対応する幾何学的外形を有する３次元造形ポリマー本体と、本体の上に設けられた皮膜であって、未被覆の３次元造形ポリマー本体よりも優れた熱暴露耐性を３次元造形ポリマー本体に与える皮膜とを含む。

別の実施形態において、複合材工具を形成する方法は、ガスタービン部品の１以上の表面に対応する幾何学的外形を有する３次元ポリマー本体をプリントするステップと、ポリマー本体に皮膜を施工して、未被覆の３次元造形ポリマー本体よりも優れた熱暴露耐性を３次元造形ポリマー本体に与えるステップとを含む。

別の実施形態において、複合材部品（２００）を形成する方法は、３次元造形ポリマー本体と、本体の上に設けられた皮膜であって、未被覆の３次元造形ポリマー本体よりも優れた熱暴露耐性を３次元造形ポリマー本体に与える皮膜とを備える複合材工具を用意するステップと、複合材工具の表面上に複数の複合材プライをレイアップするステップと、複合材プライを緻密化して複合材部品を形成するステップと、複合材部品から複合材工具を取り除くステップとを含み、複合材部品が、複合材工具の少なくとも一部に対応する表面の幾何学的外形を含む。

本発明の他の特徴及び利点は、例証として本発明の原理を示す添付図面を参照しながら、以下のより詳細な説明から明らかになるであろう。

本開示の一実施形態による複合材工具の斜視図。 図１の複合材工具を覆って形成される複合材部品の斜視図。 本開示の一実施形態による複合材工具の斜視図。 図３の複合材工具を覆って形成される複合材部品の斜視図。 本開示の一実施形態による、被覆複合材工具の断面図。 本開示の一実施形態による、複合材工具の分解図。 本開示の一実施形態による、複合材部品を形成する方法の工程図。 本開示の一実施形態による、複合材工具が取り外された複合材部品の断面図。 本開示の一実施形態による、複合材工具の一部が取り外された複合材部品の断面図。 本開示の一実施形態による、複合材工具を含む複合材部品の断面図。

可能な限り、図面全体を通じて同じ要素を示すために同じ参照符号が使用される。

複合材工具及び複合材工具を形成するための方法が提供される。本開示の実施形態は、例えば、本明細書で開示される特徴要素の１以上を含まない概念と比べて、製造コストの低減、製造時間の短縮、効率向上、マンドレル重量の低減、マンドレル可動性の増大、マンドレル形状の融通性の向上、追加の複合材工具形状の形成可能、複雑な幾何学的外形を有する複合材工具の形成可能、ポリマーのガラス転移温度を上回る温度でのポリマーマンドレルの使用可能、ポリマーのガラス転移温度を上回る温度でのポリマーの変型低減、レイアップ治工具の反復使用の増大、部品気孔率の低減、部品破損の低減、又はこれらの組合せを与える。

本発明の種々の実施形態の要素を導入する際に、冠詞「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」、及び「ｓａｉｄ」は、要素の１つ以上が存在することを意味するものとする。用語「備える」、「含む」、及び「有する」は、包括的なものであり、記載した要素以外の付加的な要素が存在し得ることを意味する。

出力を発生するのに使用されるシステムには、限定ではないが、ガスタービン、蒸気タービン、並びに発電用に使用される陸上ベースの航空機転用エンジンのようなタービン組立体が挙げられる。特定の用途において、ターボ機械（例えば、タービン、圧縮機及びポンプ）及び他の機械を含む発電システムは、厳しい摩耗条件に晒される部品を含むことができる。例えば、ブレード、バケット、ケーシング、ロータホイール、シャフト、シュラウド、ノズル、その他などの特定の発電システムの部品は、高い熱環境及び高回転環境で作動することができる。これらの部品は、複合材料及び複合材工具を用いて製造される。本開示は、複合材工具及び複合部品を形成する方法を提供する。

図１〜４を参照すると、複合材工具１００（図１及び３）は、複合材部品２００（図２及び４）を形成するための何らかの工具を含む。一実施形態において、複合材工具１００は、鋳型１０１、又は複合材部品２００を形成するよう構成された何らかの他の物品を含む。別の実施形態において、複合材工具１００は、本体１０３を含む。別の実施形態において、本体１０３は、３次元プリント本体を含む。３次元プリントは、限定ではないが、直接金属レーザ溶融（ＤＭＬＭ）、直接金属レーザ焼結（ＤＭＬＳ）、レーザ技術によるネットシェイプ（ＬＥＮＳ）、選択的加熱焼結（ＳＨＳ）、選択的レーザ焼結（ＳＬＳ）、選択的レーザ溶融（ＳＬＭ）、電子ビーム溶融（ＥＢＭ）、熱溶解積層造形（ＦＤＭ）、又はこれらの組合せのような当業者には公知のプロセスを含む。

３次元プリント本体は、何らかの好適な幾何学的外形を含み、機械加工と比べて追加の形状及び設計の形成を可能にする。加えて、本体１０３の３次元プリントは、複合材工具１００のリードタイム及び／又は機械加工を低減又は排除する。好適な幾何学的外形は、限定ではないが、複合材部品２００の１以上の表面に対応する幾何学的外形、複合材部品２００内の特徴要素に対応する幾何学的外形、又はこれらの組合せを含む。図３〜図４を参照すると、別の実施形態において、本体１０３は、タービンバケット４０１（図４）に対応する幾何学的外形で３次元プリントされる。

３次元プリント本体は、３次元プリントが可能な材料から形成される。好適な材料は、限定ではないが、ポリマー、水溶性材料、金属、又はこれらの組合せを含む。例えば、一実施形態において、ポリマーは、プラスチック、高温プラスチック、熱可塑性プラスチック、熱硬化性樹脂、エラストマー、又はこれらの組合せを含む。別の実施形態において、ポリマー及び／又は高温プラスチックは、ＳＨＳ、ＳＬＳ、ＦＤＭ、又はこれらの組合せを用いて３次元プリントされる。別の実施形態において、プラスチックは、Ｕｌｔｅｍ（登録商標）９０８５などのポリエーテルイミド（ＰＥＩ）及び／又はポリフェニルスルホン（ＰＰＳＦ又はＰＰＳＵ）（これら両方は、ミネソタ州エデン・プレイリー所在のＳｔｒａｔａｓｙｓ，Ｌｔｄ．から商業的に入手可能）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、又はこれらの組合せを含む。

代替の実施形態において、本体１０３は、鋼鉄又はアルミニウムなどの３次元プリント金属から形成することができる。本明細書で使用される用語「使用温度」は、材料の実質的な変型及び／又は材料の幾何学的外形及び／又は材料特性の劣化なしで用いることができる温度を指す。加えて、ポリマー及び／又はプラスチックは、金属と比べてより複雑な幾何学的外形又は形状の形成を可能にする溶解可能支持体で３次元プリントすることができる。例えば、タービンバケットなどの高度に湾曲した部品は、溶解又は剥離によりプリント後に容易に除去される支持体を有するプラスチックでプリントすることができる。更に、プラスチックは、金属と比べて速い速度で３次元プリントすることができる。

一実施形態において、３次元プリント本体は、２以上の別個の材料を含む。別の実施形態において、第２の材料は第１の材料の上に位置付けられ、第２の材料は、より高い又はより優れた熱暴露耐性を有する外面を形成する。別の実施形態において、第１の材料は、水溶性材料であり、第２の材料は、非水溶性材料である。第１の材料及び第２の材料は、共にプリントすることができ、水溶性の第１の材料を浸出することができる。

図５を参照すると、一実施形態において、複合材工具１００は、本体１０３を覆う皮膜５０３を含む。皮膜５０３は、本体１０３を固着及び／又は囲み、本体１０３を形成するのに使用されるポリマーの使用温度よりも高い使用温度を有する皮膜材料を含む。例えば、一実施形態において、皮膜材料は、Ｕｌｔｅｍ（登録商標）のガラス転移温度よりも高い使用温度を有する。好適な皮膜材料には、限定ではないが、ニッケル、銅、アルミニウム、白金、又はこれらの組合せが挙げられる。

本体１０３に施工されると、皮膜５０３は、未被覆の３次元プリント材料と比べて、より高い又はより優れた熱暴露耐性、強度、耐屈曲性、又はこれらの組合せを提供する。熱暴露耐性の向上により、複合材工具１００が３次元プリントポリマー本体の使用温度及び／又はガラス転移温度よりも高い温度に晒されたときに耐え抜くことが可能となる。例えば、一実施形態において、皮膜５０３は、本体１０３の材料の使用温度及び／又はガラス転移温度を上回る温度での本体１０３の幾何学的外形、形状及び／又は立体構造の変化を低減又は排除する。別の実施形態において、皮膜５０３は、複合材工具１００に対して剛性を向上させる。剛性の向上により、限定ではないが、オートクレーブバーンアウトサイクルの間など、本体１０３の使用温度及び／又はガラス転移温度を上回る温度で複合材工具１００の寸法が維持又は実質的に維持される。加えて、本体１０３及び／又は複合材工具１００の幾何学的外形、形状及び／又は立体構造の変化を低減又は排除することにより、皮膜５０３は、複合材工具１００及び／又は複合材部品２００の硬化サイクル温度を下回る使用温度及び／又はガラス転移温度を有する材料の使用を可能にする。複合材工具１００及び／又は複合材部品２００の硬化サイクル温度を下回る使用温度及び／又はガラス転移温度を有する材料の使用は、製造コストを低減し、及び／又はプロトタイプの作製を迅速化する。

図６に例示するように、複合材工具１００は、１以上のセグメント６１１を含むことができる。セグメント６１１の各々は、本体１０３の少なくとも一部を形成する。１以上のセグメント６１１は互いに取付可能であり、セグメント６１１が取り付けられると、複合材部品２００の１以上の面に対応する幾何学的外形が形成される。例えば、本体１０３は、複数のセグメント６１１から形成することができ、これらのセグメント６１１が共に連結されて皮膜５０３でコートし、ガスタービン部品に対応する幾何学的外形を有する複合材工具１００を形成する。別の実施形態において、セグメント６１１は、ピン６０７、ソケット６０９、及び／又は他の取付特徴要素を用いて取り付けることができる。或いは、セグメント６１１は、セグメント６１１の互いの取付を容易にする相互連結特徴要素でプリントされる。

複合材部品２００は、複合材工具１００を覆って形成され、限定ではないが、発電システムの部品、ターボ機械部品、ガスタービン部品、又はこれらの組合せなど、複合材料から形成される部品を含む。例えば、好適なガスタービン部品は、限定ではないが、シュラウド２０１（図２）、タービンバケット４０１（図４）、圧縮機ブレード、ノズル、高温ガス経路部品、又はこれらの組合せを含む。複合材料は、限定ではないが、炭素複合材、エポキシ複合材、ポリマーマトリックス複合材（ＰＭＣ）、セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）、又はこれらの組合せを含む。例えば、ＣＭＣは、限定ではないが、アルミナ、ムライト、窒化ホウ素、炭化ホウ素、サイアロン（ケイ素、アルミニウム、酸素、及び窒素）、金属間化合物、及びこれらの組合せなどの材料を含む、酸化物ベースのＣＭＣとすることができる。

図７を参照すると、一実施形態において、複合材部品２００を形成する方法は、複合材工具１００を用意するステップと、複合材工具１００の表面上に複数の複合材プライ７０１をレイアップするステップと、複合材プライ７０１を緻密化するステップとを含む。別の実施形態において、複数の複合材プライ７０１をレイアップするステップは、複数の複合材プライ７０１を複合材工具１００上に所望の幾何学的外形又は形状で位置付けるステップを含む。別の特定の実施形態において、複合材プライ７０１は、限定ではないが、種々のバインダーを用いてＳｉＣ及び炭素マトリックスを含浸させたＳｉＣ繊維を含む。図３に例示されるように、複合材工具１００を用意するステップは、複合材工具１００を形成するステップを含むことができ、該形成ステップは、本体１０３を３次元プリントし、次いで、本体１０３に皮膜５０３を施工するステップを含む。皮膜５０３の施工は、限定ではないが、溶射、塗装、電気めっき、浸漬、他の堆積法、又はこれらの組合せなど、好適な施工法を含む。

複合材プライ７０１の緻密化は、限定ではないが、溶融浸透、化学蒸着、又は他の好適な緻密化法を含む。例えば、一実施形態において、複合材プライ７０１の緻密化は、複合材プライ７０１を３次元造形本体のガラス転移温度以上の温度まで加熱するステップを含む。別の実施形態において、３次元造形ポリマー本体のガラス転移温度は、例えば、約２７５°Ｆ以上〜約４５０°Ｆ以上の間、約３４０°Ｆ以上〜約４００°Ｆ以上の間、２７５°Ｆ以上、３４０°Ｆ以上、３５０°Ｆ以上、３６０°Ｆ以上、３６７°Ｆ以上、３７０°Ｆ以上、又はその組合せ、部分的組合せ、範囲、もしくはその部分的範囲の温度を含む。別の実施形態において、複合材プライ７０１の緻密化は、複合材工具１００を覆って複合材部品２００を形成し、該複合材部品２００は、複合材工具１００の少なくとも一部に対応する表面の幾何学的外形を含む。本明細書で開示される方法による複合材部品２００の形成は、複合材部品２００の気孔率を低減し、及び／又は複合材部品２００の繊維強度を増大させる。

複合材部品２００を形成した後、本方法は、複合材部品２００から複合材工具１００を取り除くステップを含むことができる。例えば、一実施形態において、図８に例示されるように、複合材工具１００の本体１０３及び皮膜５０３は、複合材部品２００から取り除かれる。別の実施形態において、図９に例示されるように、本体１０３は複合材部品２００から取り除かれるが、皮膜５０３は残されたままである。本体１０３を取り除くステップは、限定ではないが、溶融、溶出、化学的除去、又はこれらの組合せを含む。本体材料は、複合材部品２００を形成するステップの前又は後の何れかで取り除くことができる。複合材部品２００を形成するステップの前に本体材料が取り除かれるときには、皮膜５０３は、少なくとも０．０１インチ、少なくとも０．０１５インチ、少なくとも０．０２インチ、約０．０１〜約０．０６インチの間、約０．０１〜約０．０３インチの間、又はその組合せ、部分的組合せ、範囲、もしくはその部分的範囲の厚さを含む。或いは、図１０に例示するように、本体１０３及び皮膜５０３の両方は、複合材部品２００内に残される。

加えて、複合材工具１００は、圧壊特徴要素、充填物、断面特徴要素、又はこれらの組合せを含むことができる。圧壊特徴要素、充填物、及び／又は断面特徴要素は、何らかの好適な形成法により本体１０３の３次元プリントの前、その間、及び／又はその後に形成することができる。加えて、圧壊特徴要素、充填物、及び／又は断面特徴要素は、本体１０３と同じか又は異なる材料を含むことができる。例えば、圧壊特徴要素、充填物、及び／又は断面特徴要素は、本体１０３と共に３次元プリントすることができ、或いは、圧壊特徴要素、充填物、及び／又は断面特徴要素の周りに３次元プリントすることができる。一実施形態において、充填物は、補強部材及び／又はリブを含む。別の実施形態において、断面特徴要素は、例えば、本体１０３が皮膜５０３内から取り除かれる際など、複合材工具１００に対する支持を与える。

１以上の実施形態を参照しながら本発明を説明してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく種々の変更を行うことができ、本発明の要素を均等物で置き換えることができる点は、当業者であれば理解されるであろう。加えて、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況又は物的事項を本発明の教示に適合するように多くの修正を行うことができる。従って、本発明は、本発明を実施するために企図される最良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、また本発明は、提出した請求項の技術的範囲内に属する全ての実施形態を包含する。加えて、詳細な説明において認められる数値全ては、正確な値と概略値の両方が明示されているかのように解釈すべきである。

１００ 複合材工具
１０１ マンドレル
１０３ 本体
２００ 複合材部品
５０３ 皮膜

Claims (15)

1. 複合材工具（１００）であって、
   ガスタービン部品の１以上の表面に対応する幾何学的外形を有する３次元造形ポリマー本体（１０３）と、
   本体（１０３）の上に設けられた皮膜であって、未被覆の３次元造形ポリマー本体（１０３）よりも優れた熱暴露耐性を３次元造形ポリマー本体（１０３）に与える皮膜（５０３）と、
   を備える複合材工具（１００）。
2. より優れた熱暴露耐性が、３次元造形ポリマー本体（１０３）のガラス転移温度よりも高い温度への暴露の耐性を含む、請求項１に記載の複合材工具（１００）。
3. 複合材工具（１００）がマンドレル（１０１）である、請求項１に記載の複合材工具（１００）。
4. ３次元造形本体（１０３）が、互いに取り付けられて、ガスタービン部品の１以上の表面に対応する幾何学的外形を形成する複数のセグメント（６１１）を含む、請求項１に記載の複合材工具（１００）。
5. 皮膜（５０３）が、銅、ニッケル及びこれらの組合せから選択される材料を含む、請求項１に記載の複合材工具（１００）。
6. ガスタービン部品が、タービンブレード又はシュラウドのうちの一方である、請求項１に記載の複合材工具（１００）。
7. 複合材工具（１００）を形成する方法であって、
   ガスタービン部品の１以上の表面に対応する幾何学的外形を有する３次元ポリマー本体（１０３）をプリントするステップと、
   ポリマー本体（１０３）に皮膜（５０３）を施工して、未被覆の３次元造形ポリマー本体（１０３）よりも優れた熱暴露耐性を３次元造形ポリマー本体（１０３）に与えるステップと、
   を含む、方法。
8. より優れた熱暴露耐性が、３次元造形ポリマー本体（１０３）のガラス転移温度よりも高い温度への暴露の耐性を含む、請求項７に記載の方法。
9. ３次元造形ポリマー本体（１０３）が、互いに取り付けられて、ガスタービン部品の１以上の表面に対応する幾何学的外形を形成する複数のセグメント（６１１）を含む、請求項７に記載の方法。
10. 皮膜（５０３）が、銅、ニッケル及びこれらの組合せから選択される材料を含む、請求項７に記載の方法。
11. 複合材工具（１００）がマンドレル（１０１）である、請求項７に記載の方法。
12. 複合材部品（２００）を形成する方法であって、
    ３次元造形ポリマー本体（１０３）と、本体（１０３）の上に設けられた皮膜であって、未被覆の３次元造形ポリマー本体（１０３）よりも優れた熱暴露耐性を３次元造形ポリマー本体（１０３）に与える皮膜（５０３）とを備える複合材工具（１００）を用意するステップと、
    複合材工具（１００）の表面上に複数の複合材プライ（７０１）をレイアップするステップと、
    複合材プライ（７０１）を緻密化して複合材部品（２００）を形成するステップと、
    複合材部品（２００）から複合材工具（１００）を取り除くステップと、
    を含み、複合材部品（２００）が、複合材工具（１００）の少なくとも一部に対応する表面の幾何学的外形を含む、方法。
13. 緻密化ステップが、３次元造形ポリマー本体（１０３）のガラス転移温度以上の温度まで加熱するステップを含む、請求項１２に記載の方法。
14. 緻密化ステップが、３５０°Ｆ以上の温度まで加熱するステップを含む、請求項１２に記載の方法。
15. 皮膜（５０３）が、銅、ニッケル及びこれらの組合せから選択される材料を含む、請求項１２に記載の方法。