JP2021098650A - 複数のプライに冷却チャネルを含むセラミックマトリックス複合材構成要素および製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】極端な熱勾配および高温などの極端な条件を受けるときに、ＣＭＣガスタービン構成要素に改善された冷却を提供する、セラミックマトリックス複合材構成要素およびセラミックマトリックス複合材構成要素を製造する方法を提供すること。【解決手段】ＣＭＣセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）構成要素の複数の繊維プライに形成された１つまたは複数の細長い機能特徴部を含むＣＭＣ構成要素および製作方法。ＣＭＣ構成要素は、積み重ねられた構成の複数の長手方向に延在するセラミックマトリックス複合材プライを含む。１つまたは複数の細長い機能特徴部のそれぞれは、流体源から流体の流れをセラミックマトリックス複合材構成要素の外部に供給するように、入口および出口を含む。１つまたは複数の細長い機能特徴部は、セラミックマトリックス複合材構成要素の複数のプライ内に複数の冷却チャネルを形成するように、複数の長手方向に延在するセラミックマトリックス複合材プライの複数のプライに構成される。【選択図】図１

Description

本発明は一般に、発電用ガスタービンに関し、より詳細には、ガスタービンの高温ガス通路タービン構成要素用のセラミックマトリックス複合材構成要素を形成する方法に関する。

炭化ケイ素（ＳｉＣ）系セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ：ｃｅｒａｍｉｃ ｍａｔｒｉｘ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）材料は、タービンブレード、ベーン、ノズル、シュラウド、およびバケットなど、ガスタービンエンジンの特定の構成要素向けの材料として提案されてきた。Ｓｉｌｉｃｏｍｐ、溶融含浸（ＭＩ：ｍｅｌｔ ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ）、化学気相含浸（ＣＶＩ：ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ）、ポリマー含浸焼成（ＰＩＰ：ｐｏｌｙｍａｅｒ ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ ｐｙｒｏｌｙｓｉｓ）、および酸化物／酸化物法を含む、ＳｉＣ系構成要素を製作するための様々な方法が知られている。これらの製作技法は互いに大きく異なるが、それぞれ、様々な方法の段階において加熱を含む方法を通じてニアネットシェイプ部品を生成するために、ハンドレイアップおよび治工具またはダイの使用を含む。

より一般的な超合金材料から形成されるタービンブレードおよびベーンと同様に、ＣＭＣブレード、ベーン、およびシュラウドは、主として、構成要素の軽量化、遠心荷重の低減、および動作温度の低下のためにキャビティおよび冷却空所を備えている。これらの特徴部は、典型的には、取り外し可能工具と使い捨て工具の組み合わせ、または穿孔などを用いてＣＭＣ構成要素に形成される。内部冷却チャネルは、冷却流要件および熱勾配／応力を低減するので、金属およびＣＭＣ高温ガス通路ハードウェアの両方を冷却するためには有利である。

多くの例では、ＣＭＣガスタービン構成要素は、極端な熱勾配および高温の形態の極端な条件を受ける。前述のようにＣＭＣ構成要素にキャビティや冷却空所があったとしても、この極端な条件は、ＣＭＣ構成要素に亀裂の生成、コーティングの破砕、および減肉を起こさせることがある。これらの問題から運用寿命が短縮され、それによってＣＭＣ構成要素はその潜在能力を最大限発揮することができない。

したがって、極端な熱勾配および高温などの極端な条件を受けるときに、ＣＭＣガスタービン構成要素に改善された冷却を提供する、セラミックマトリックス複合材構成要素およびセラミックマトリックス複合材構成要素を製造する方法に対する必要性がある。

米国特許第１０，３８４，９８１号

本開示の態様および利点は、以下の説明に一部が記載されるか、またはその説明から明らかにすることができ、あるいは本開示の実施を通じて学ぶことができる。

セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）構成要素が、この構成要素を形成する方法とともに全体的に提供される。一実施形態では、セラミックマトリックス複合材構成要素は、緻密体を形成する、積み重ねられた構成の複数の長手方向に延在するセラミックマトリックス複合材プライと、緻密体内に形成された１つまたは複数の細長い機能特徴部とを含む。１つまたは複数の細長い機能特徴部のそれぞれは、入口および出口を含む。１つまたは複数の細長い機能特徴部は、流体源から流体の流れをセラミックマトリックス複合材構成要素の外部に供給するように構成される。１つまたは複数の細長い機能特徴部のそれぞれは、セラミックマトリックス複合材構成要素の複数のプライ内に複数の冷却チャネルを形成するように、複数の長手方向に延在するセラミックマトリックス複合材プライの複数のプライに構成される。

代替の実施形態では、セラミックマトリックス複合材構成要素は、緻密体を形成する、積み重ねられた構成の複数の長手方向に延在するセラミックマトリックス複合材プライと、複数の長手方向に延在するセラミックマトリックス複合材プライの複数のプライに形成された１つまたは複数の細長い機能特徴部とを含む。１つまたは複数の細長い機能特徴部のそれぞれは、１つまたは複数の流体接続部を経て複数の長手方向に延在するセラミックマトリックス複合材プライの別のプライの１つまたは複数の細長い機能特徴部と流体連通している。１つまたは複数の細長い機能特徴部のそれぞれは、入口および出口を含む。１つまたは複数の細長い機能特徴部は、流体源から流体の流れをセラミックマトリックス複合材構成要素の外部に運ぶように、セラミックマトリックス複合材構成要素の複数のプライ内に複数の冷却チャネルを画定する。

さらに別の実施形態では、セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）製品を形成する方法は、マトリックス前駆体、複数の強化繊維、および複数の犠牲繊維を含むＣＭＣプリフォームを形成するステップと、１つまたは複数の細長い機能特徴部が、ＣＭＣプリフォームの複数の繊維プライ内に形成されるように、複数の犠牲繊維を除去するステップ、またはＣＭＣプリフォームに流体含浸剤を塗布するステップであって、それによってＣＭＣプリフォームを緻密化する、ステップのうちの一方を実行するステップと、１つまたは複数の細長い機能特徴部が、ＣＭＣプリフォームの複数の繊維プライ内に形成されるように、複数の犠牲繊維を除去するステップ、またはＣＭＣプリフォームに流体含浸剤を塗布するステップであって、それによってＣＭＣプリフォームを緻密化する、ステップのうちの他方を実行するステップと、セラミックマトリックス複合材構成要素の複数のプライ内に複数の冷却チャネルを形成するために、ＣＭＣプリフォームの複数の繊維プライの１つまたは複数の機能特徴部を流体連通状態に結合するステップとを含む。

本開示のこれらのおよび他の特徴、態様、および利点は、以下の説明および添付の特許請求の範囲を参照すれば、よりよく理解されるであろう。添付の図面は、この明細書に組み込まれ、その一部を構成するものであり、本開示の実施形態を例示して、本説明と併せて本開示の原理を説明する働きをしている。

当業者を対象として、最良の態様を含む完全かつ有効な開示を、添付の図面を参照して本明細書に記載する。

本明細書に開示される１つまたは複数の実施形態による、セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）構成要素、より詳細には、ＣＭＣシュラウドの一部分の斜視図である。 本明細書に開示される１つまたは複数の実施形態による、図１の２−２の方向に見た図１のセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）構成要素の一部分の断面図であり、単一のＣＭＣプライを示す。 本明細書に開示される１つまたは複数の実施形態による、図２のセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）構成要素の部分の等角図である。 本明細書に開示される１つまたは複数の実施形態による、図１の４−４の方向に見た図１のセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）構成要素の一部分の断面図であり、単一のＣＭＣプライを示す。 本明細書に開示される１つまたは複数の実施形態による、図４のセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）構成要素の部分の等角図である。 本明細書に開示される１つまたは複数の実施形態による、積み重ねられた構成の図４および図５のＣＭＣプライの等角図である。 本明細書に開示される１つまたは複数の実施形態による、図６の線７−７を通して見た簡略化された断面図である。 本明細書に開示される１つまたは複数の実施形態による、単一のＣＭＣプライを示す別のセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）構成要素の一部分の断面図である。 本明細書に開示される１つまたは複数の実施形態による、図８のセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）構成要素の部分の等角図である。 本明細書に開示される１つまたは複数の実施形態による、単一のＣＭＣプライを示す別のセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）構成要素の一部分の断面図である。 本明細書に開示される１つまたは複数の実施形態による、図１０のセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）構成要素の部分の等角図である。 本明細書に開示される１つまたは複数の実施形態による、積み重ねられた構成の図８および図１０のＣＭＣプライの等角図である。 本明細書に開示される１つまたは複数の実施形態による、図１２の線１３−１３を通して見た簡略化された断面図である。 本明細書に開示される１つまたは複数の実施形態による、複数のＣＭＣプライを示す別のセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）構成要素の一部分の平面図である。 本明細書に開示される１つまたは複数の実施形態による、積み重ねられた構成の図１４のＣＭＣプライの平面図である。 本明細書に開示される１つまたは複数の実施形態による、図１５の線１６−１６を通して見た簡略化された断面図である。 本明細書に開示される１つまたは複数の実施形態による、複数のＣＭＣプライを示す別のセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）構成要素の一部分の平面図である。 本明細書に開示される１つまたは複数の実施形態による、積み重ねられた構成の図１７のＣＭＣプライの平面図である。 本明細書に開示される１つまたは複数の実施形態による、図１８の線１９−１９を通して見た簡略化された断面図である。 本明細書に開示される１つまたは複数の実施形態による、複数のＣＭＣプライを示す別のセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）構成要素の一部分の平面図である。 本明細書に開示される１つまたは複数の実施形態による、積み重ねられた構成の図２０のＣＭＣプライの平面図である。 本明細書に開示される１つまたは複数の実施形態による、図２１の線２２−２２を通して見た簡略化された断面図である。 本明細書に開示される１つまたは複数の実施形態による、ＣＭＣ構成要素を形成するための方法の概略図である。

可能である限り、図面全体を通して、同じ部品を表すために同じ参照符号を使用する。

本開示の実施形態は、例えば、本書に開示される特徴の１つまたは複数を含まない概念と比べると、ＣＭＣ構成要素の複数の繊維面または複合材プライに複数の冷却チャネルの形成を可能にし、好ましい実施形態では、これらのチャネルはそれぞれのＣＭＣプライと向きを合わせて構成される。冷却チャネルがＣＭＣ構成要素の複数の繊維プライの中に含まれることによって、任意の所与のプライに対する強度の低下を抑え、一方ではまた、複数の繊維を横断することなくチャネルの向きを変えることができる。この冷却チャネルの設計によって、減肉に対してより頑強になり、構成要素の構造的一体性が維持され、チャネルをＣＭＣ空間を通して広げることにより熱応力を低減する。本開示による方法は、低コストで複雑性を軽減し、部品の冷却要求量および冷却流量を低減することができるより効率的な冷却を有する。

本発明の様々な実施形態の要素を導入するときに、冠詞「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、「その（ｔｈｅ）」、および「前記（ｓａｉｄ）」は、それらの要素の１つまたは複数があることを意味することを意図する。用語「備える、含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、および「有する（ｈａｖｉｎｇ）」は、列挙した要素以外に追加の要素があり得ることを含み、また意味することを意図する。次に、１つまたは複数の例が図面に示されている本開示の実施形態を詳細に参照する。それぞれの例は本開示を説明するために提示されており、本開示を限定するためではない。実際、本開示の範囲または趣旨から逸脱せずに、本開示において様々な修正および変更を施すことができることは、当業者には明らかであろう。例えば、１つの実施形態の一部分として図示または記述された特徴は、別の実施形態とともに使用してさらなる実施形態をもたらすことができる。したがって、本開示がこのような修正および変更を添付の特許請求の範囲およびその等価物の範囲内にあるものとして包含することが意図されている。

本開示では、ある層またはプライが、別の層または基材の「上に（ｏｎ）」または「上方に（ｏｖｅｒ）」あるとして説明されている場合、そうではないと明示的に述べられていない限り、それら層が互いに直接接触することが可能であるか、または層間に別の層または特徴部を有することができることは理解されよう。したがって、これら用語は、互いに対する層の相対位置を説明しているに過ぎず、上方または下方という相対位置は、見る人に対するデバイスの向きに依存するため、こうした用語は、「〜の上部に（ｏｎ ｔｏｐ ｏｆ）」あること必ずしも意味しない。

さらに、本開示では、１つの層またはプライが説明されるとき、複数の層またはプライを、類似の態様で、および類似の形状を有して形成し、互いに積み重ねて、一般にプライパック（ｐｌｙ ｐａｃｋ）と称されるものを形成することができることは理解される。

化学元素は、本開示では、元素の周期律表に通常見出されるものなど、それらの通常の化学略語を使用して論じられる。例えば、水素は、その通常の化学略語Ｈにより表され、ヘリウムは、その通常の化学略語Ｈｅにより表される、などである。

本書では、「平均粒子直径」または「平均繊維直径」は、粒子または繊維の約５０％がその直径より大きい直径を有し、粒子または繊維の約５０％がその直径より小さい直径を有するような、粒子または繊維の直径を指す。

本書では、「実質的に（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ）」とは、記載された群の少なくとも約９０％またはそれより多くを指す。例えば、本書では、「実質的にすべて」は、それぞれの群の少なくとも約９０％またはそれより多くが当てはまる特性を有することを示し、「実質的にない」または「実質的に存在しない」は、それぞれの群の少なくとも約９０％またはそれより多くが当てはまる特性を有していないことを示す。本書では、「大部分」は、記載された群の少なくとも約５０％またはそれより多くを指す。例えば、本書では、「の大部分」は、それぞれの群の少なくとも約５０％またはそれより多くが当てはまる特性を有することを示す。

セラミックマトリックス複合材製品（「ＣＭＣ製品」）、特に溶融含浸から形成されたセラミックマトリックス複合材製品が、このような製品を形成する方法とともに本書において全体的に提供される。本ＣＭＣ製品は、ＣＭＣプリフォーム内に複数の冷却チャネルまたは冷却回路を形成することなどによって、ＣＭＣの機能を強化するために構成された１つまたは複数の細長い機能特徴部を含む複数のプライまたは繊維面から形成される。

発電用に使用されるシステムとしては、限定するものではないが、ガスタービン、蒸気タービン、および発電および航空エンジン用に使用される他のタービン組立体、例えば地上用航転タービンなどが挙げられる。特定の用途では、内部にターボ機械（例えば、タービン、圧縮機、およびポンプ）および他の機械を含む発電システムは、過酷な摩耗条件に曝される構成要素を含む場合がある。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、および燃焼器ライナなどの特定の発電システム構成要素は、高熱および／または高回転の環境において動作する場合がある。これらの構成要素は、セラミックマトリックス複合材を用いて製造され、これらの構成要素はまた冷却通路を含むことがある。本開示は、複数のＣＭＣプライまたは複数の繊維面のＣＭＣ構成要素全体にわたって複数の冷却通路またはチャネルを含むＣＭＣ構成要素、およびセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）構成要素を形成する方法を提供する。本開示の例示的な実施形態は、タービンシュラウドの一部分として図１〜図２２に示されているが、本開示は、図示の構造体に限定されるものではない。

図１は、限定するものではないが、タービンシュラウドのセグメントなどの構成要素１０の斜視図である。図１は、タービンシュラウドセグメント１２を示しているが、本開示による他の好適な構成要素としては、限定するものではないが、燃焼器ライナ、ブレード、ノズル、ノズル端壁、シュラウド、ブレードプラットフォーム、または他の高温ガス通路構成要素が挙げられる。構成要素１０は、セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）材料から形成されることが好ましい。本書では、セラミックマトリックス複合材または「ＣＭＣ」は、セラミック繊維によって強化されたセラミックマトリックスを含む複合材を指す。本書において使用許容可能なＣＭＣのいくつか例としては、限定されるものではないが、マトリックスと、酸化物、炭化物、窒化物、オキシカーバイド、酸窒化物、およびそれらの混合物を含む強化繊維とを有する材料を挙げることができる。非酸化物材料の例としては、限定されるものではないが、炭化ケイ素マトリックスと炭化ケイ素繊維とを有するＣＭＣ（ケイ素溶融含浸によって作られるとき、このマトリックスは残留遊離ケイ素を含む）、炭化ケイ素／ケイ素マトリックス混合物と炭化ケイ素繊維とを有するＣＭＣ、窒化ケイ素マトリックスと炭化ケイ素繊維とを有するＣＭＣ、ならびに炭化ケイ素／窒化ケイ素マトリックス混合物と炭化ケイ素繊維とを有するＣＭＣが挙げられる。さらに、ＣＭＣは、マトリックスと、酸化セラミックからなる強化繊維とを有することができる。特に、酸化物−酸化物のＣＭＣは、マトリックスと、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、アルミノケイ酸塩、およびそれらの混合物などの酸化物系材料を含む強化繊維とから構成されてもよい。したがって、本書では、「セラミックマトリックス複合材」という用語は、限定されるものではないが、炭素繊維強化炭素（Ｃ／Ｃ：ｃａｒｂｏｎ−ｆｉｂｅｒ−ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｃａｒｂｏｎ）、炭素繊維強化炭化ケイ素（Ｃ／Ｓｉ Ｃ：ｃａｒｂｏｎ−ｆｉｂｅｒ−ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｓｉｌｉｃｏｎ ｃａｒｂｉｄｅ）、および炭化ケイ素繊維強化炭化ケイ素（ＳｉＣ／ＳｉＣ：ｓｉｌｉｃｏｎ−ｃａｒｂｉｄｅ−ｆｉｂｅｒ−ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｓｉｌｉｃｏｎ ｃａｒｂｉｄｅ）を含む。一実施形態では、セラミックマトリックス複合材料は、（強化されていない）モノリシックセラミック構造体と比較して、伸び、破壊靱性、熱衝撃、および異方特性が改善されている。

ＳｉＣ−ＳｉＣのＣＭＣを製作するために使用することができる方法はいくつかある。１つの手法では、マトリックスは、ＣＭＣプリフォームに、合金を含む溶融ケイ素またはケイ素を溶融含浸（ＭＩ）させて部分的に形成または緻密化される。別の手法では、マトリックスは、ＣＭＣプリフォームに、炭化ケイ素を化学気相含浸（ＣＶＩ）させて少なくとも部分的に形成される。第３の手法では、マトリックスは、炭化ケイ素になるプレセラミックポリマーを熱分解させることで少なくとも部分的に形成される。この方法は、ポリマー含浸焼成（ＰＩＰ）としばしば称される。上記３つの技術を組み合わせて使用することもできる。

ＭＩ ＣＭＣプロセスの一例では、窒化ホウ素系コーティングシステムがＳｉＣ繊維に堆積される。次いで、コーティングされた繊維は、プリプレグテープを形成するために、マトリックス前駆体物質を含浸させる。テープを製作する１つの方法はフィラメントワインディングである。繊維は、マトリックス前駆体スラリの浴槽を通して引き出され、含浸させた繊維はドラムに巻かれる。マトリックス前駆体は、炭化ケイ素およびまたは炭素微粒子、ならびに有機材料を含むことができる。次いで、含浸させた繊維は、ドラムの軸に沿って切断され、繊維が通常は同じ方向に延びている平坦なプリプレグテープを生み出すためにドラムから取り外される。その結果生じる材料は一方向プリプレグテープである。プリプレグテープはまた、連続プリプレグ化機械を使用して、または、他の手段によって作ることができる。次いで、テープは、プリフォームを生産するために、所定の形状に切断され、レイアップされ、積層される。プリフォームは、マトリックス前駆体からのすべての有機物質を炭化させるために、および多孔性にするために、熱分解または燃焼される。次いで、溶融ケイ素を多孔性プリフォームに含浸させ、ここで、これは、炭素と反応して炭化ケイ素を形成することができる。理想的には、過剰な遊離ケイ素が、残っているすべての小孔を満たし、高密度の複合材料が得られる。このようにして生産されたマトリックスは、典型的には残留遊離ケイ素を含む。

プリプレグＭＩプロセスは、複数の一次元のプリプレグプライを互いに積み重ねることで、繊維の向きがプライ間で変わる、二次元の繊維構造を有する材料を生成する。プライは、連続した繊維の向きに基づいてしばしば特定される。ゼロ度の向きを確立し、他のプライを、ゼロ度の方向に対するそれらの繊維の角度に基づいて設計する。繊維がゼロ度の方向に対して垂直に延びるプライは、９０度プライ、公差プライ、または横断プライとして知られている。

ＭＩの手法はまた、二次元または三次元の織り構造で使用することができる。この手法の例は、スラリーキャストプロセスであり、この場合、繊維はまず三次元のプリフォームまたは二次元の布に織られる。布の場合、布の層は、プリフォームを生成するために、所定の形に切断されて積み重ねられる。化学気相含浸（ＣＶＩ）技術は、界面コーティング材（典型的には、窒化ホウ素系または炭素系）を繊維に堆積させるために使用される。ＣＶＩはまた、炭化ケイ素マトリックスの層を堆積させるために使用することができる。マトリックスの残りの部分は、マトリックス前駆体スラリをプリフォームに鋳込み成形し、次いで、溶融ケイ素を含浸させることで形成される。

ＭＩ手法の代替策は、炭化ケイ素マトリックスを一次元、二次元、または三次元の構造に緻密化するためにＣＶＩ技術を使用することである。同様に、複合材のマトリックスを緻密化するためにＰＩＰを使用することができる。ＣＶＩおよびＰＩＰで生成されるマトリックスは、過剰な遊離ケイ素なしで生産することができる。また、ＭＩ、ＣＶＩ、およびＰＩＰを組み合わせて使用して、マトリックスを緻密化することができる。

複数のシュラウドセグメント１２（そのうちの単一のシュラウドセグメントのみが図示されている）はシュラウド構成体を画定し、タービンブレードが取り付けられるロータの周囲にロータと同心で配置される。一般に、シュラウドはリング状に生成され、セグメント化され、次いで、一組として最終用途に提供される。前述したように、本開示は、図示の特定のシュラウドセグメントに限定することを意図したものではない。

各シュラウドセグメント１２は一般に、複数のＣＭＣプライ（まもなく説明する）から作られ、軸方向の構成要素を有する弧状のシュラウド基部１４を含む。一対の直立したリブ１８および２０が、弧状のシュラウド基部１４に対して実質的に垂直に形成される。リブ１８、２０は、弧状のシュラウド基部１４を支える働きをし、これらが組み合わさって、シュラウド基部１４内の冷却通路（まもなく説明する）、およびチャンバ、例えばチャンバ２２を画定する。リブ１８、２０、および含まれる任意選択のいかなるフランジ（図示せず）も、シュラウドセグメント１２をエンジンケーシングおよび取付け構造体内に取り付けるのに役立つ。さらなる冷却通路（図示せず）がリブ１８、２０に配置されることがある。発電システムの動作中、冷却空気の流れ（図示せず）は、シュラウドセグメント１２の温度を下げるために、シュラウド基部１４の冷却通路を通るように向けられる。

典型的には、ガスタービンエンジンでは、シュラウドセグメント１２と概ね類似の複数の静止シュラウドセグメントが、軸流エンジンの軸線周りに周方向に、および回転翼部材、例えばタービンブレード周りに半径方向外側に組み付けられて、ブレードの半径方向外側の流路境界の一部分を画定する。さらに、シュラウドセグメントの組立体は、ノズルおよび／またはエンジンフレームのような軸方向に隣接するエンジン部材間に軸方向にエンジンに組み付けられる。静止シュラウドは、燃焼ガスを最大効率で利用してガスタービンを回すように、燃焼ガスをガス流路に閉じ込める。この流路の動作温度は５００℃より高くなり得る。内径を画定する表面２８を含むシュラウドセグメント１２は、図面を通して、矢印２６によって示されるように、全体を符号１１で示すシュラウドセグメントの前方から、全体を符号１３で示すシュラウドセグメントの後方に流れる高温ガス流路に曝される。

次に、図２〜図７を参照すると、図１の構成要素１０の一部分の部分断面図および等角図が示されている。図２〜図５は、スタック３５（図６および図７）の交互になっているセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）プライ３４を示しており、プライ３４は、内部に形成された１つまたは複数の細長い機能特徴部３０を含む。より詳細には、複数の繊維（図示せず）よりなる第１の繊維プライ３６が図２および図３に示されており、繊維プライ３６は、１つまたは複数の細長い機能特徴部３０、より具体的には複数の冷却チャネル３２（図６および図７）を含む。複数の繊維（図示せず）よりなる第２の繊維プライ３８が図４および図５に示されており、繊維プライ３８は、１つまたは複数の細長い機能特徴部３０、より具体的には複数の冷却チャネル３２（図６および図７）を含む。図６および図７に示すようにスタックの形態に構成されるとき、第１および第２の繊維プライ３６、３８の１つまたは複数の細長い機能特徴部３０は、構成要素１０の中を通る複数の冷却チャネル３２、および冷却回路を画定する。

１つまたは複数の細長い機能特徴部３０は、複数の犠牲繊維を使用して、複数の繊維プライ３６、３８のそれぞれの中に画定される。犠牲繊維を使用した細長い機能特徴部の製作は、本願と譲渡人が同じであり、全体が本書に援用される、「Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｆｏｒｍｉｎｇ Ｃｅｒａｍｉｃ Ｍａｔｒｉｘ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ Ｕｓｉｎｇ Ｓａｃｒｉｆｉｃｉａｌ Ｆｉｂｅｒｓ ａｎｄ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ」という名称のＤ． Ｈａｌｌらによる米国特許第１０，３８４，９８１号、および、Ｄ． Ｄｕｎｎらによって本書と同時に出願され、全体が本書に援用される、「Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｆｏｒｍｉｎｇ Ｃｅｒａｍｉｃ Ｍａｔｒｉｘ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ Ｕｓｉｎｇ Ｓａｃｒｉｆｉｃｉａｌ Ｆｉｂｅｒｓ ａｎｄ Ｎｏｎ−Ｗｅｔｔｉｎｇ Ｃｏａｔｉｎｇ」という名称および弁理士側処理番号第３２８２５１−１号の米国特許出願に記載されている。

図７に示すように、構成要素１０は、分かりやすくするために繊維プライ３６および３８のみが示された複数のセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）プライのスタック３５から構成されている。繊維プライ３６、３８のそれぞれは、分かりやすくするために数本だけ示された複数の繊維４０から構成される。この特定の実施形態では、繊維プライ３６および３８は、各プライ３６、３８の繊維４０の配列に関して、互いに対して９０°の向きに配向されている。図２〜図７の１つまたは複数の細長い機能特徴部３０は、複数の入口（まもなく説明する）を経てプレナム（図示せず）と、および、複数の出口（まもなく説明する）を経て構成要素１０の外部と流体連通している。代替の実施形態では、１つまたは複数の細長い機能特徴部３０の少なくとも１つは、冷却流体の代替源（図示せず）と流体連通していてもよい。

より詳細に図６を参照すると、１つまたは複数の細長い機能特徴部３０が示されている。１つまたは複数の機能特徴部３０は、プライ間流体通路または冷却チャネル３２の複雑な回路網を形成する。複数の冷却チャネル３２のそれぞれは、入口４２および出口４４を含む。各入口４２は、プレナム（図示せず）または代替源などの冷却流体源と流体連通している。各出口４４は、構成要素１０の外部と流体連通している。

各冷却チャネル３２内を冷却流体４６が流れる。図示のように、複数の冷却チャネル３２が複数面または複数プライ構成に構成されて、ＣＭＣプライ３６、３８のそれぞれに冷却流体流を供給する。好ましい実施形態では、冷却チャネル３２は、構成要素１０の構造的一体性を保つように、それぞれのＣＭＣプライ３６、３８の繊維４０と向きを合わせて構成される。冷却チャネル３２がＣＭＣ構成要素１０の複数の繊維プライの中に含まれることによって、任意の所与のプライに対する強度の低下を抑え、一方ではまた、繊維４０を横断することなくチャネルの向きを変えることができる。前述のように、この冷却チャネル３２の設計によって、減肉に対してより頑強になり、構成要素の構造的一体性が維持され、冷却チャネルをＣＭＣ空間を通して広げることにより熱応力を低減する。

図１〜図７に示された実施形態では、セラミックマトリックス複合材プライ３４および冷却チャネル３２の配置は概略的なものであり、例示する目的で拡大されている。ＣＭＣプライ３４、および冷却チャネル３２などの空所の大きさおよび形状は、図１〜図７に示されているものに限定されない。

次に、図８〜図１３を参照すると、図１の構成要素１０と概ね類似の構成要素５０の代替の実施形態の部分断面図および等角図が示されている。図８〜図１１は、スタック３５（図１２および図１３）の交互になっているセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）プライ３４を示しており、プライ３４は、内部に形成された１つまたは複数の細長い機能特徴部３０を含む。より詳細には、複数の繊維（図示せず）よりなる第１の繊維プライ５２が図８および図９に示されており、繊維プライ５２は、１つまたは複数の細長い機能特徴部３０、より具体的には複数の冷却チャネル３２（図１２および図１３）を含む。複数の繊維（図示せず）よりなる第２の繊維プライ５４が図１０および図１１に示されており、繊維プライ５４は、１つまたは複数の細長い機能特徴部３０、より具体的には複数の冷却チャネル３２（図１２および図１３）を含む。図１２および図１３に示すようにスタックの形態に構成されるとき、第１および第２の繊維プライ５２、５４の１つまたは複数の細長い機能特徴部は、複数の冷却チャネル３２を画定する。

１つまたは複数の細長い機能特徴部３０は、前述のように、複数の犠牲繊維を使用して、複数の繊維プライ５２、５４のそれぞれの中に画定される。

図１２および図１３に示すように、構成要素５０は、分かりやすくするために繊維プライ５２および５４のみが示された複数のセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）プライのスタック３５から構成される。繊維プライ５２、５４のそれぞれは、分かりやすくするために数本だけ示された複数の繊維４０から構成される。この特定の実施形態では、繊維プライ５２の１つまたは複数の機能特徴部３０のそれぞれは、セラミックマトリックス複合材料にレーザ穿孔、放電加工、切削、または機械加工のうちの１つまたは複数を行うことによって形成された流体接続部３３を経て繊維プライ５４の機能特徴部３０の１つまたは複数と流体連通している。図８〜図１３の１つまたは複数の細長い機能特徴部３０は、複数の入口（まもなく説明する）を経てプレナム（図示せず）と、および、複数の出口（まもなく説明する）を経て構成要素５０の外部と流体連通している。代替の実施形態では、１つまたは複数の細長い機能特徴部３０の少なくとも１つは、冷却流体の代替源（図示せず）と流体連通していてもよい。

より詳細に図１２を参照すると、１つまたは複数の細長い機能特徴部３０が示されている。１つまたは複数の機能特徴部３０は、プライ間流体通路または冷却チャネル３２の複雑な回路網を形成する。複数の冷却チャネル３２のそれぞれは、入口４２および出口４４を含む。各入口４２は、プレナム（図示せず）または代替源などの冷却流体源と流体連通している。各出口４４は、構成要素５０の外部と流体連通している。

各冷却チャネル３２内を冷却流体４６が流れる。図示のように、複数の冷却チャネル３２が複数面構成に構成されて、ＣＭＣプライ５２、５４のそれぞれに冷却流体流を供給する。冷却チャネル３２は、構成要素５０の構造的一体性を保つように、それぞれのＣＭＣプライ５２、５４の繊維４０と向きを合わせて構成される。前に開示した実施形態と同様に、冷却チャネル３２がＣＭＣ構成要素５０の複数の繊維プライの中に含まれることによって、任意の所与のプライに対する強度の低下を抑え、一方ではまた、繊維４０を横断することなくチャネルの向きを変えることができる。前述のように、この冷却チャネル３２の設計によって、減肉に対してより頑強になり、構成要素の構造的一体性が維持され、チャネルをＣＭＣ空間を通して広げることにより熱応力を低減する。

図８〜図１３に示された実施形態では、セラミックマトリックス複合材プライ３４および冷却チャネル３２の配置は概略的なものであり、例示する目的で拡大されている。ＣＭＣプライ３４、および冷却チャネル３２などの空所の大きさ、数、および形状は、図８〜図１３に示されているものに限定されない。

次に、図１４〜図１６を参照すると、図１の構成要素１０と概ね類似の構成要素６０の一部分の別の実施形態の概略図が示されている。より詳細には、図１４は、図１〜図７のプライ３４と概ね類似し、個別にプライ６２〜プライ７４として示されている、複数のプライ３４の上面図を含む。図１５は、冷却回路構成を形成する１つまたは複数の機能特徴部３０を示す構成要素６０の概略上面図である。図１６は、図１５の１６−１６の方向に見た構成要素６０の断面図である。他に特記なければ、構成要素６０は、図１〜図７の構成要素１０の説明中に特定された構成要素と同じ構成要素を含む。構成要素６０は、前述のように、図８〜図１３の実施形態と類似の冷却回路構成を形成する複数の冷却チャネル３２を含む。構成要素１０と同様に、構成要素６０は、複数のセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）プライ３４、より詳細には、それぞれが、分かりやすくするために数本だけ示された複数のＣＭＣ繊維４０から構成された個別のプライ６２〜７４から構成される。この特定の実施形態では、図１４に最もよく示されているように、機能特徴部を含まないさらなるＣＭＣプライが開示される。より詳細には、図１４は、６２〜７４で示した７つの個別のプライを示し、これらのプライのうち、プライ６４、６６、７０、および７２は、内部に形成された１つまたは複数の細長い機能特徴部３０を含む。プライ６２〜７４は、１つまたは複数の細長い機能特徴部３０を流体的に結合して、構成要素６０内に複数面冷却チャネル３２を画定するように、図１５および図１６に示されているように、スタック３５に構成される。複数の冷却チャネル３２のそれぞれは、入口４２および出口４４を含む。この特定の実施形態では、繊維プライ６４の１つまたは複数の機能特徴部３０のそれぞれは、レイアップ中に直接形成された、または、セラミックマトリックス複合材料にレーザ穿孔、放電加工、切削、または機械加工のうちの１つまたは複数を行うことによって形成された流体接続部３３を経て繊維プライ６６の機能特徴部３０の１つまたは複数と流体連通している。さらに、繊維プライ７０の１つまたは複数の機能特徴部３０のそれぞれは、レイアップ中に直接形成された、または、セラミックマトリックス複合材料にレーザ穿孔、放電加工、切削、または機械加工のうちの１つまたは複数を行うことによって形成された流体接続部３３を経て繊維プライ７２の機能特徴部３０の１つまたは複数と流体連通している。各入口４２は、プレナム（図示せず）または代替源などの冷却流体源と流体連通している。各出口４４は、構成要素６０の外部と流体連通している。各冷却チャネル３２内を冷却流体４６が流れる。図示のように、複数の冷却チャネル３２が、ＣＭＣプリフォームまたは構成要素６０の複数の繊維プライまたは面に構成される。

図１４〜図１６に示された実施形態では、セラミックマトリックス複合材プライ６２〜７４および冷却チャネル３２の配置は概略的なものであり、例示する目的で拡大されている。ＣＭＣプライ６２〜７４、および冷却チャネル３２などの空所の大きさ、数、および形状は、図１４〜図１６に示されているものに限定されない。

次に、図１７〜図１９を参照すると、図１の構成要素１０と概ね類似の構成要素８０の一部分の別の実施形態の概略図が示されている。より詳細には、図１７は、図１〜図７のプライ３４と概ね類似し、個別にプライ８２〜プライ９４として示されている、複数のプライ３４の上面図を含む。図１８は、冷却回路構成を形成する１つまたは複数の機能特徴部３０を示す構成要素８０の概略上面図である。図１９は、図１８の１９−１９の方向に見た構成要素８０の断面図である。他に特記なければ、構成要素８０は、図１〜図７の構成要素１０の説明中に特定された構成要素と同じ構成要素を含む。構成要素８０は、前述のように、図８〜図１３の実施形態と類似の冷却回路構成を形成する複数の冷却チャネル３２を含む。構成要素１０と同様に、構成要素８０は、複数のセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）プライ３４、より詳細には、それぞれが、分かりやすくするために数本だけ示された複数のＣＭＣ繊維４０から構成された個別のプライ８２〜９４から構成される。この特定の実施形態では、図１７に最もよく示されているように、機能特徴部を含まないさらなるＣＭＣプライが開示される。より詳細には、図１７は、８２〜９４で示した７つの個別のプライを示し、これらのプライのうち、交互になっているプライ８４、８８、および９２は、内部に形成された１つまたは複数の細長い機能特徴部３０を含む。プライ８２〜９４は、１つまたは複数の細長い機能特徴部３０を流体的に結合して、構成要素８０内に複数面冷却チャネル３２を画定するように、図１８および図１９に示されているように、スタック３５に構成される。複数の冷却チャネル３２のそれぞれは、入口４２および出口４４を含む。この特定の実施形態では、繊維プライ８４の１つまたは複数の機能特徴部３０のそれぞれは、セラミックマトリックス複合材料にレーザ穿孔、放電加工、切削、または機械加工のうちの１つまたは複数を行うことによって形成された流体接続部３３を経て繊維プライ９２の機能特徴部３０の１つまたは複数と流体連通している。さらに、繊維プライ８８の１つまたは複数の機能特徴部３０のそれぞれは、セラミックマトリックス複合材料にレーザ穿孔、放電加工、切削、または機械加工のうちの１つまたは複数を行うことによって形成された流体接続部３３を経て繊維プライ９２の機能特徴部３０の１つまたは複数と流体連通している。各入口４２は、プレナム（図示せず）または代替源などの冷却流体源と流体連通している。各出口４４は、構成要素８０の外部と流体連通している。各冷却チャネル３２内を冷却流体４６が流れる。図示のように、複数の冷却チャネル３２が、ＣＭＣプリフォームまたは構成要素８０の複数の繊維プライまたは面に構成される。

図１７〜図１９に示された実施形態では、セラミックマトリックス複合材プライ８２〜９４および冷却チャネル３２の配置は概略的なものであり、例示する目的で拡大されている。ＣＭＣプライ８２〜９４、および冷却チャネル３２などの空所の大きさ、数、および形状は、図１７〜図１９に示されているものに限定されない。

次に、図２０〜図２２を参照すると、図１の構成要素１０と概ね類似の構成要素１００の一部分の別の実施形態の概略図が示されている。より詳細には、図２０は、図１〜図７のプライ３４と概ね類似し、個別にプライ１０２〜１１２として示されている、複数のプライ３４の上面図を含む。図２１は、冷却回路構成を形成する１つまたは複数の機能特徴部３０を示す構成要素１００の概略上面図である。図２２は、図２１の２２−２２の方向に見た構成要素１００の断面図である。他に特記なければ、構成要素１００は、図１〜図７の構成要素１０の説明中に特定された構成要素と同じ構成要素を含む。構成要素１００は、ｚ形の冷却回路構成体を形成する複数の冷却チャネル３２を含む。構成要素１０と同様に、構成要素１００は、複数のセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）プライ３４、より詳細には、それぞれが、分かりやすくするために数本だけ示された複数のＣＭＣ繊維４０から構成された個別のプライ１０２〜１１２から構成される。この特定の実施形態では、図２０に最もよく示されているように、機能特徴部を含まないさらなるＣＭＣプライが開示される。より詳細には、図２０は、１０２〜１１２で示した６つの個別のプライを示し、これらのプライのうち、プライ１０４〜１１０だけが、内部に形成された１つまたは複数の細長い機能特徴部３０を含む。プライ１０２〜１１２は、１つまたは複数の細長い機能特徴部３０を流体的に結合して、構成要素１００内に複数面冷却チャネル３２を画定するように、図２１および図２２に示されているように、スタック３５に構成される。より詳細には、この特定の実施形態では、繊維プライ１０４の１つまたは複数の機能特徴部３０のそれぞれは、レイアップ中に直接形成された、または、セラミックマトリックス複合材料にレーザ穿孔、放電加工、切削、または機械加工のうちの１つまたは複数を行うことによって形成された流体接続部３３を経て繊維プライ１０６の機能特徴部３０の１つまたは複数と流体連通している。さらに、レイアップ中に直接形成された、または、セラミックマトリックス複合材料にレーザ穿孔、放電加工、切削、または機械加工のうちの１つまたは複数を行うことによって形成された流体接続部３３を経て、繊維プライ１０６の１つまたは複数の機能特徴部３０のそれぞれは、繊維プライ１０８の機能特徴部３０の１つまたは複数と流体連通し、繊維プライ１０８の１つまたは複数の機能特徴部３０のそれぞれは、繊維プライ１１０の機能特徴部３０の１つまたは複数と流体連通している。複数の冷却チャネル３２のそれぞれは、入口４２および出口４４を含む。各入口４２は、プレナム（図示せず）または代替源などの冷却流体源と流体連通している。各出口４４は、構成要素１００の外部と流体連通している。各冷却チャネル３２内を冷却流体４６が流れる。図示のように、複数の冷却チャネル３２が、ＣＭＣプリフォームまたは構成要素１００の複数の繊維プライまたは面に構成される。

図２０〜図２２に示された実施形態では、セラミックマトリックス複合材プライ３４および冷却チャネル３２の配置は概略的なものであり、例示する目的で拡大されている。ＣＭＣプライ３４、および冷却チャネル３２などの空所の大きさ、数、および形状は、図２０〜図２２に示されているものに限定されない。

図２３は、複数の繊維プライまたは面内に画定された１つまたは複数の細長い機能特徴部３０、より具体的には、ＣＭＣ構成要素の複数のプライの中を通るように形成された複数の冷却チャネル３２を有する、本開示によるＣＭＣ構成要素１０、５０、６０、８０、１００を形成する方法２００を概略的に示す。構成要素１０、５０、６０、８０、１００は、レイアップ技法を使用して形成される。方法２００は、まず、ステップ２０２において、マトリックス前駆体、複数のセラミック強化繊維、および複数の犠牲繊維を含むＣＭＣプリフォームを形成するステップを含む。ＣＭＣプリフォームを形成するステップは、まず、積層スタックに形成される一連のプライ３４などの複数のセラミックマトリックス複合材プライ３４を用意することを含む。プライ３４用の材料の例としては、限定するものではないが、前述のように、例えば、炭素繊維織物、結合剤材料、およびコーティングされたＳｉＣ繊維を含むプリプレグ複合材プライが挙げられる。

前述のように、本方法、より具体的には、ＣＭＣプリフォームを形成するステップ２０２は、複数の犠牲繊維を使用するなどして、プライ３４内に１つまたは複数の細長い機能特徴部を画定するための手段を含む。犠牲繊維によって、ＣＭＣプリフォーム内の複数の冷却チャネル３２など、ＣＭＣの機能を強化するための１つまたは複数の細長い機能特徴部３０の形成が可能になる。犠牲繊維を使用した細長い機能特徴部の製作は、上で参照された、本願と譲渡人が同じであり、米国特許第１０，３８４，９８１号および弁理士側処理番号第３２８２５１−１号の米国特許出願で論じられている。ＣＭＣプリフォーム内に画定される１つまたは複数の細長い機能特徴部３０の形状は、丸みを帯びた、湾曲した、楕円形の、直線の、または他の適切な形状を含む任意の適切な形状を含む。

さらなるプライ３４が、犠牲繊維を取り囲むように配置される。プリフォーム構成要素はオートクレーブに入れられ、マトリックス前駆体、複数のセラミック強化繊維、および複数の犠牲繊維を含むＣＭＣプリフォームを形成するためにオートクレーブサイクルを完了させる。プリフォーム構成要素は、当業界でセラミック複合材料に使用される典型的なオートクレーブ圧力および温度サイクルを受ける。オートクレーブ処理は、プライに残っているいかなる揮発性物質も引き出し、オートクレーブ条件は、プライ材料に応じて変えることができる。オートクレーブ処理の後、プリフォーム構成要素内のいかなる残存材料、またはさらなる結合剤を除去するためにバーンアウト法が実施される。バーンアウト法は一般に、約４２６〜６４８℃（約８００〜１２００°Ｆ）の温度において実施される。

バーンアウト後、ステップ２０４において、プリフォーム構成要素は、緻密化するために真空炉に入れられる。緻密化は、限定するものではないが、Ｓｉｌｉｃｏｍｐ、溶融含浸（ＭＩ）、化学気相含浸（ＣＶＩ）、ポリマー含浸焼成（ＰＩＰ）、酸化物／酸化物法を含む任意の知られている緻密化技法を使用して実施される。緻密化は、ケイ素または他の含浸材料がプリフォーム構成要素内に溶融含浸することができるように、１２００℃を越える温度の確立された雰囲気の真空炉内で行うことができる。１つの好適な緻密化の方法は溶融含浸であり、その場合、溶融マトリックス材料はプライ３４内に引き込まれて固化することができる。緻密化後、緻密化されたプリフォーム構成要素または緻密体は、ステップ２０４に示されるように、内部に配置された複数の犠牲繊維を含み、構成要素１０、５０、６０、８０、１００の少なくとも一部分を形成する。

緻密化に続いて、１つまたは複数の細長い機能特徴部３０は、ステップ２０６において、複数の細長いチャネルを後に残すように犠牲繊維を除去して冷却チャネル３２を画定することによってさらに形成される。犠牲繊維を除去して細長いチャネルを形成することは、上で参照された、本願と譲渡人が同じであり、米国特許第１０，３８４，９８１号および弁理士側処理番号第３２８２５１−１号の米国特許出願で論じられている。

代替の実施形態では、１つまたは複数の細長い機能特徴部３０は、ステップ２０４において説明されたような緻密化の前に、複数のチャネル３２を後に残すように複数の犠牲繊維を除去することによってさらに形成される。

一実施形態では、１つまたは複数の細長い機能特徴部３０のそれぞれの内部中空部分は、冷却剤または他の流体を、構成要素１０、５０、６０、８０、１００内を通すように誘導して構成要素１０、５０、６０、８０、１００を冷却することができるように、構成要素１０、５０、６０、８０、１００内で十分大きく、開いている。しかしながら、セラミックマトリックス複合材プライ３４において形成された緻密化されたマトリックス材料は、冷却剤または他の流体の流れを実質的に妨げる封鎖部を形成することがあり、より詳細には、構成要素１０、５０、６０、８０、１００の内部にある閉じた構造体として１つまたは複数の細長い機能特徴部３０を形成する。一実施形態では、構成要素１０、５０、６０、８０、１００に開口が機械加工されまたは他の方法で開口が形成されて、１つまたは複数の細長い機能特徴部３０内を流れることができるように、１つまたは複数の細長い機能特徴部３０のそれぞれに対して入口４２および／または出口４４を提供する。

したがって、１つまたは複数の機能特徴部が複数の繊維プライまたは面内に形成されたＣＭＣプリフォームから構成されるＣＭＣ構成要素が開示される。１つまたは複数の繊維プライまたは面、あるいはＣＭＣプライに１つまたは複数の機能特徴部を形成することによって、冷却チャネルの回路網または冷却回路が、複数の繊維プライまたは面に形成される一方、任意の所与のプライの強度の低下を抑え、ＣＭＣ繊維を切削することなく冷却チャネルの向きを変えることができる。前述のように、この冷却回路の設計によって、減肉に対してより頑強になり、冷却チャネルをＣＭＣプリフォーム内で広げることによりを低減する。熱的な不利益は、ＣＭＣ材料の比較的高い伝導率により最小限となる。

１つまたは複数の機能特徴部は、レイアップ中にＣＭＣ構成要素に形成されて、それぞれのプライのＣＭＣ繊維と向きが合わされる。最も単純な実施形態では、１つまたは複数の機能特徴部は、交互に配向されたプライに配置された、複数のプライのそれぞれのプライの繊維と向きが合わされる。より複雑な構成では、１つまたは複数の機能特徴部は、複雑なプライ間流体通路の回路網を形成してもよい。これらのプライ間流体通路は、レイアップ中に直接接続してもよいし、しなくてもよく、また、レーザ穿孔または他の方法で接続されてもよい。

１つまたは複数の実施形態を参照して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様々な変更を行うことができ、また本発明の要素に対して等価物を置き換えることができることは当業者には理解されるであろう。さらに、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況または材料を本発明の教示に適合させるように多くの修正を行うことができる。したがって、本発明は、本発明を実施するために考えられる最良の態様として開示された特定の実施形態に限定されるのではなく、本発明は、添付の特許請求の範囲内に当てはまるすべての実施形態を含むことが意図されている。

本発明のさらなる態様は以下の項の主題によって提示される。

［項１］
セラミックマトリックス複合材構成要素であって、
緻密体を形成する、積み重ねられた構成の複数の長手方向に延在するセラミックマトリックス複合材プライと、
緻密体内に形成された１つまたは複数の細長い機能特徴部と
を備え、
１つまたは複数の細長い機能特徴部のそれぞれが、入口および出口を含み、１つまたは複数の細長い機能特徴部が、流体源から流体の流れをセラミックマトリックス複合材構成要素の外部に供給するように構成され、
１つまたは複数の細長い機能特徴部が、セラミックマトリックス複合材構成要素の複数のプライ内に複数の冷却チャネルを形成するように、複数の長手方向に延在するセラミックマトリックス複合材プライの複数のプライに構成される
セラミックマトリックス複合材構成要素。

［項２］
１つまたは複数の細長い機能特徴部が、緻密体内に取り囲まれている、先行するいずれかの項に記載のセラミックマトリックス複合材構成要素。

［項３］
複数の冷却チャネルが、ｚ形の冷却回路構成体を画定する、先行するいずれかの項に記載のセラミックマトリックス複合材構成要素。

［項４］
複数の長手方向に延在するセラミックマトリックス複合材プライのそれぞれの１つまたは複数の細長い機能特徴部のそれぞれが、１つまたは複数の流体接続部を経て複数の長手方向に延在するセラミックマトリックス複合材プライの別のプライの１つまたは複数の細長い機能特徴部と流体連通している、先行するいずれかの項に記載のセラミックマトリックス複合材構成要素。

［項５］
１つまたは複数の流体接続部が、セラミックマトリックス複合材料にレーザ穿孔、放電加工、切削、または機械加工のうちの１つまたは複数を行うことによって形成される、先行するいずれかの項に記載のセラミックマトリックス複合材構成要素。

［項６］
１つまたは複数の流体接続部が、１つまたは複数のレーザ穿孔された流体接続部を含む、先行するいずれかの項に記載のセラミックマトリックス複合材構成要素。

［項７］
１つまたは複数の流体接続部が、複数の長手方向に延在するセラミックマトリックス複合材プライのレイアップ中に形成される、先行するいずれかの項に記載のセラミックマトリックス複合材構成要素。

［項８］
複数の長手方向に延在するセラミックマトリックス複合材プライが、予め含浸させたセラミックマトリックス複合材プライである、先行するいずれかの項に記載のセラミックマトリックス複合材構成要素。

［項９］
高温ガス通路タービン構成要素である、先行するいずれかの項に記載のセラミックマトリックス複合材構成要素。

［項１０］
高温ガス通路タービン構成要素が、燃焼器ライナ、ブレード、シュラウド、ノズル、ノズル端壁、およびブレードプラットフォームからなる群から選択される、先行するいずれかの項に記載のセラミックマトリックス複合材構成要素。

［項１１］
セラミックマトリックス複合材構成要素であって、
緻密体を形成する、積み重ねられた構成の複数の長手方向に延在するセラミックマトリックス複合材プライと、
複数の長手方向に延在するセラミックマトリックス複合材プライの複数のプライに形成された１つまたは複数の細長い機能特徴部であって、それぞれが、１つまたは複数の流体接続部を経て複数の長手方向に延在するセラミックマトリックス複合材プライの別のプライの１つまたは複数の細長い機能特徴部と流体連通している、１つまたは複数の細長い機能特徴部と
を備え、
１つまたは複数の細長い機能特徴部のそれぞれが、入口および出口を含み、１つまたは複数の細長い機能特徴部が、流体源から流体の流れをセラミックマトリックス複合材構成要素の外部に運ぶように、セラミックマトリックス複合材構成要素の複数のプライ内に複数の冷却チャネルを画定する
セラミックマトリックス複合材構成要素。

［項１２］
１つまたは複数の流体接続部が、セラミックマトリックス複合材料にレーザ穿孔、放電加工、切削、または機械加工のうちの１つまたは複数を行うことによって形成される、先行するいずれかの項に記載のセラミックマトリックス複合材構成要素。

［項１３］
１つまたは複数の流体接続部が、複数の長手方向に延在するセラミックマトリックス複合材プライのレイアップ中に形成される、先行するいずれかの項に記載のセラミックマトリックス複合材構成要素。

［項１４］
高温ガス通路タービン構成要素である、先行するいずれかの項に記載のセラミックマトリックス複合材構成要素。

［項１５］
高温ガス通路タービン構成要素が、燃焼器ライナ、ブレード、シュラウド、ノズル、ノズル端壁、およびブレードプラットフォームからなる群から選択される、先行するいずれかの項に記載のセラミックマトリックス複合材構成要素。

［項１６］
セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）製品を形成する方法であって、
マトリックス前駆体、複数の強化繊維、および複数の犠牲繊維を含むＣＭＣプリフォームを形成するステップと、
１つまたは複数の細長い機能特徴部が、ＣＭＣプリフォームの複数の繊維プライ内に形成されるように、複数の犠牲繊維を除去するステップ、または
ＣＭＣプリフォームに流体含浸剤を塗布するステップであって、それによってＣＭＣプリフォームを緻密化する、ステップ
のうちの一方を実行するステップと、
１つまたは複数の細長い機能特徴部が、ＣＭＣプリフォームの複数の繊維プライ内に形成されるように、複数の犠牲繊維を除去するステップ、または
ＣＭＣプリフォームに流体含浸剤を塗布するステップであって、それによってＣＭＣプリフォームを緻密化する、ステップ
のうちの他方を実行するステップと、
セラミックマトリックス複合材構成要素の複数のプライ内に冷却チャネルを形成するために、ＣＭＣプリフォームの複数の繊維プライの１つまたは複数の機能特徴部を流体連通状態に結合するステップと
を含む方法。

［項１７］
複数の繊維プライの１つまたは複数の機能特徴部を結合するステップが、レーザ穿孔、放電加工、切削、および機械加工からなる群から選択された方法によるものである、先行するいずれかの項に記載の方法。

［項１８］
流体含浸剤がケイ素またはケイ素合金である、先行するいずれかの項に記載の方法。

［項１９］
セラミックマトリックス複合材構成要素が高温ガス通路タービン構成要素である、先行するいずれかの項に記載の方法。

［項２０］
高温ガス通路タービン構成要素が、燃焼器ライナ、ブレード、シュラウド、ノズル、ノズル端壁、およびブレードプラットフォームからなる群から選択される、先行するいずれかの項に記載の方法。

１０ 構成要素
１１ シュラウドセグメントの前方
１２ タービンシュラウドセグメント
１３ シュラウドセグメントの後方
１４ シュラウド基部
１８ リブ
２０ リブ
２２ チャンバ
２６ 高温ガス流路
２８ 表面
３０ 機能特徴部
３２ 冷却チャネル
３３ 流体接続部
３４ セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）プライ
３５ スタック
３６ 繊維プライ、ＣＭＣプライ
３８ 繊維プライ、ＣＭＣプライ
４０ 繊維
４２ 入口
４４ 出口
４６ 冷却流体
５０ 構成要素
５２ 繊維プライ、ＣＭＣプライ
５４ 繊維プライ、ＣＭＣプライ
６０ 構成要素
６２ プライ、ラミックマトリックス複合材プライ、ＣＭＣプライ
６４ プライ、ラミックマトリックス複合材プライ、ＣＭＣプライ
６６ プライ、ラミックマトリックス複合材プライ、ＣＭＣプライ
６８ プライ、ラミックマトリックス複合材プライ、ＣＭＣプライ
７０ プライ、ラミックマトリックス複合材プライ、ＣＭＣプライ
７２ プライ、ラミックマトリックス複合材プライ、ＣＭＣプライ
７４ プライ、ラミックマトリックス複合材プライ、ＣＭＣプライ
８０ 構成要素
８２ プライ、ラミックマトリックス複合材プライ、ＣＭＣプライ
８４ プライ、ラミックマトリックス複合材プライ、ＣＭＣプライ
８６ プライ、ラミックマトリックス複合材プライ、ＣＭＣプライ
８８ プライ、ラミックマトリックス複合材プライ、ＣＭＣプライ
９０ プライ、ラミックマトリックス複合材プライ、ＣＭＣプライ
９２ プライ、ラミックマトリックス複合材プライ、ＣＭＣプライ
９４ プライ、ラミックマトリックス複合材プライ、ＣＭＣプライ
１００ 構成要素
１０２ プライ
１０４ プライ、繊維プライ
１０６ プライ、繊維プライ
１０８ プライ、繊維プライ
１１０ プライ、繊維プライ
１１２ プライ
２００ 方法

Claims (10)

1. セラミックマトリックス複合材構成要素（１０、５０、６０、８０、１００）であって、
   緻密体を形成する、積み重ねられた構成の複数の長手方向に延在するセラミックマトリックス複合材プライ（３４）と、
   前記緻密体内に形成された１つまたは複数の細長い機能特徴部（３０）と
   を備え、
   前記１つまたは複数の細長い機能特徴部（３０）のそれぞれが、入口（４２）および出口（４４）を含み、前記１つまたは複数の細長い機能特徴部（３０）が、流体源から流体（４６）の流れを前記セラミックマトリックス複合材構成要素（１０、５０、６０、８０、１００）の外部に供給するように構成され、
   前記１つまたは複数の細長い機能特徴部（３０）が、前記セラミックマトリックス複合材構成要素（１０、５０、６０、８０、１００）の複数のプライ（３４）内に複数の冷却チャネル（３２）を形成するように、前記複数の長手方向に延在するセラミックマトリックス複合材プライ（３４）の複数のプライ（３４）に構成される
   セラミックマトリックス複合材構成要素（１０、５０、６０、８０、１００）。
2. 前記１つまたは複数の細長い機能特徴部（３０）が、前記緻密体内に取り囲まれている、請求項１に記載のセラミックマトリックス複合材構成要素（１０、５０、６０、８０、１００）。
3. 複数の冷却チャネル（３２）が、ｚ形の冷却回路構成体を画定する、請求項１に記載のセラミックマトリックス複合材構成要素（１０、５０、６０、８０、１００）。
4. 前記複数の長手方向に延在するセラミックマトリックス複合材プライ（３４）のそれぞれの前記１つまたは複数の細長い機能特徴部（３０）のそれぞれが、１つまたは複数の流体接続部（３３）を経て前記複数の長手方向に延在するセラミックマトリックス複合材プライ（３４）の別のプライの１つまたは複数の細長い機能特徴部（３０）と流体連通している、請求項１に記載のセラミックマトリックス複合材構成要素（１０、５０、６０、８０、１００）。
5. 前記１つまたは複数の流体接続部（３３）が、前記セラミックマトリックス複合材料にレーザ穿孔、放電加工、切削、または機械加工のうちの１つまたは複数を行うことによって形成される、請求項４に記載のセラミックマトリックス複合材構成要素（１０、５０、６０、８０、１００）。
6. 前記１つまたは複数の流体接続部（３３）が、１つまたは複数のレーザ穿孔された流体接続部を含む、請求項４に記載のセラミックマトリックス複合材構成要素（１０、５０、６０、８０、１００）。
7. 前記１つまたは複数の流体接続部（３３）が、前記複数の長手方向に延在するセラミックマトリックス複合材プライ（３４）のレイアップ中に形成される、請求項４に記載のセラミックマトリックス複合材構成要素（１０、５０、６０、８０、１００）。
8. 高温ガス通路タービン構成要素である、請求項１に記載のセラミックマトリックス複合材構成要素（１０、５０、６０、８０、１００）。
9. セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）製品を形成する方法（２００）であって、
   マトリックス前駆体、複数の強化繊維、および複数の犠牲繊維を含むＣＭＣプリフォームを形成するステップ（２０２）と、
   １つまたは複数の細長い機能特徴部（３０）が、前記ＣＭＣプリフォームの複数の繊維プライ（３４）内に形成されるように、前記複数の犠牲繊維を除去するステップ（２０６）、または
   前記ＣＭＣプリフォームに流体含浸剤を塗布するステップ（２０４）であって、それによって前記ＣＭＣプリフォームを緻密化する、ステップ（２０４）
   のうちの一方を実行するステップと、
   １つまたは複数の細長い機能特徴部（３０）が、前記ＣＭＣプリフォームの複数の繊維プライ（３４）内に形成されるように、前記複数の犠牲繊維を除去するステップ（２０６）、または
   前記ＣＭＣプリフォームに流体含浸剤を塗布するステップ（２０４）であって、それによって前記ＣＭＣプリフォームを緻密化する、ステップ（２０４）
   のうちの他方を実行するステップと、
   前記セラミックマトリックス複合材構成要素（１０、５０、６０、８０、１００）の複数のプライ（３４）内に複数の冷却チャネル（３２）を形成するために、前記ＣＭＣプリフォームの前記複数の繊維プライ（３４）の前記１つまたは複数の機能特徴部（３０）を流体連通状態に結合するステップと
   を含む方法（２００）。
10. 前記セラミックマトリックス複合材構成要素（１０、５０、６０、８０、１００）が高温ガス通路タービン構成要素である、請求項９に記載の方法（２００）。

Images