JP2023016748A - セラミックファイバをコーティングするためのシステムおよび方法 - Google Patents

セラミックファイバをコーティングするためのシステムおよび方法 Download PDF

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Abstract

【課題】ＣＭＣを作り出すために、（プリプレグを形成するように）セラミックファイバをコーティングおよび／または処理するための新規な改良したシステムおよび方法を提供すること。【解決手段】セラミックファイバ１０８をコーティングするためのシステム１００は、空所１０６をその間に作り出すように配置された複数のフレーム部材１０４を有するフレーム１０２を含む。複数のフレーム部材の少なくとも1つは、中空体、および中空体の中に画定された少なくとも1つの穿孔１１４を含む。したがって、セラミックファイバは、フレームのそれぞれの端部に固定可能であり、空所にわたって延びている。コーティング材は、セラミックファイバの１つの一部分がコーティング材で均一にコーティングされるように、その一部分をフレームから分離させるように構成されている。【選択図】図４

Description

本開示は概して、セラミックファイバを処理するためのシステムおよび方法に関し、より詳細には、セラミックマトリックス複合材(CMC)物品を製造する際に使用するためのセラミックファイバをコーティングおよび/または処理するためのシステムおよび方法に関する。
セラミックマトリックス複合材(CMC)は一般的に、セラミックマトリックス材内に埋め込まれたセラミックファイバ補強材を含む。補強材は、マトリックス材内でランダムに分散される非連続の短いファイバ、もしくは連続ファイバ、またはマトリックス材内で配向されたファイバ束であってもよい。補強材は、マトリックスクラックの場合にはCMCの耐負荷構成物質として働く。その後、セラミックマトリックスは補強材を保護し、そのファイバの配向を維持し、補強材への負荷をなくすように働く。マトリックスおよび/または補強材としての炭化ケイ素(SiC)などのケイ素系CMCは、その高温性能に起因して、航空機ガスタービンエンジンおよび地上ガスタービンエンジンを含む、ガスタービンの構成部品での使用のためなど、高温応用例において特に興味深いものになった。SiCファイバはまた、TiC、Si3N4、およびAl2O3を含む様々な他のセラミックマトリックス材用の補強材としても使用されてきた。
連続ファイバ強化セラミック複合材(CFCC)は、シュラウド、燃焼器ライナ、ベーン(ノズル)、ブレード(バケット)、およびガスタービンの他の高温構成部品内などで、様々な高温耐負荷応用例に対して軽量、高強度、および高剛性を提供する特定のタイプのCMCである。HiPerComp(登録商標)の名称でGeneral Electric Companyによって開発されたCFCC材の顕著な例として、SiCおよび元素ケイ素またはケイ素合金のマトリックス内の連続SiCファイバが挙げられる。
化学蒸気浸透(CVI)、湿式ドラム巻き、レイアップ、積層、熱分解、および溶解浸透(MI)を含む、様々な技術をCMCの製造に利用することできる。これらの製造技術は、様々な処理段階での熱および化学プロセスの応用例を含むプロセスを通してほぼ網形状の物品を作り出すために、工具または金型と組み合わせて使用されてきた。特に、SiC/Si-SiC(ファイバ/マトリックス)CFCC材のためのこのようなプロセスの例が、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５、特許文献６、特許文献７、特許文献８、および特許文献９に開示されている。
CMCを製造する1つのプロセスは、典型的には、マトリックス材の前駆体および1つまたは複数の有機バインダを含むスラリを含侵させた補強ファイバを含むシート状構造であるCMCプリプレグの使用を伴う。プリプレグは、前駆体を所望のセラミックマトリックス材に変換するために処理(例えば、焼成)を行わなければならない。CFCC材のプリプレグはしばしば、ほぼ2次元薄板を作り出すために、マトリックス前駆体を含侵させた配列されたトウの単一の層(個別のフィラメントの束)を含む2次元ファイバアレイを含む。得られたプリプレグの多数の積み重ねはその後、積層プレフォームを形成するために重ね合わせられ、デバルキングされる、「レイアップ」と呼ばれるプロセスである。プリプレグは必ずしもではないが、典型的には、隣接するプリプレグのトウが互いに逆(例えば、垂直)に配向されて、(最終CMC物品の主な(耐負荷)方向に対応する）プレフォームの積層平面においてより大きな強度を提供するように配置されている。例として、図1は、それぞれ個別のプリプレグのテープまたはシートの結果である、多数の薄板12を含むCMC物品10の表面領域を示す。また図1に示すように、各薄板12は、(例えば、焼成後に)セラミックマトリックス前駆体の変換によって形成されるセラミックマトリックス14内に包まれた一定方向に整列したファイバ17で作られたセラミック補強を含む。
図2に示すように、プリプレグCMCプレフォームを作る際に利用されるプロセスは、複合材プレフォームのレイアップのためにその後使用される、一定方向のプリプレグテープ内にファイバ20(個別のフィラメントまたはトウ)を形成するための巻取技術を含む。図2に示すように、いくつかの巻取技術はファイバ20をコーティングする必要がある。ファイバ20は、複合材処理中に保護するためなどのいくつかの目的でコーティングされて、ファイバマトリックスインターフェース強度を変更し、ファイバおよびマトリックスの機械的および/または化学的結合を促進または防止する。スラリ浸漬、ゾルゲル、スパッタリングおよび化学蒸着(CVD)などの多数の異なる技術が、セラミックファイバにコーティングを塗布するために開発された。これらの技術のうち、CVDは、均一の厚さおよび制御された組成物の不浸透性コーティングを生成する際に最も成功すると考えることができる。典型的なCVDプロセスでは、ファイバおよび反応物質は、コーティング前駆体が分解し、コーティングとして堆積する高温に加熱される。
連続ファイバコーティングプロセスは、巻取技術によって処理される複合材に好ましい。連続コーティングプロセスでは、図2に示すように、ファイバ20は、コーティングされたファイバ26を形成するために、コーティング前駆体24を含むCVDリアクタ22を通して連続して通過される。また、図2に示すように、連続ファイバコーティングプロセスは、一時に、CVDリアクタ22を通して単一のファイバトウまたはフィラメントを走らせる必要があることがある。コーティングは低温で行うことができ、ファイバ20は低速でリアクタ22を通して輸送して、コーティングされたファイバ26上の均一なコーティングを保証することができる。このようなCVDコーティングプロセスは、かなりの数の破断ファイバ、およびファイバトウがコーティングされた場合に「緩い」ファイバ(すなわち、「けば立ち」)の影響を受け、プロセスのスループットおよび歩留まりを低下させる。このようなファイバコーティングプロセスは効果的にコーティングされたファイバ26を提供することができるが、より高い生産性を有するCVDコーティングされたファイバへのさらなる改良の必要が残る。
図2に示すように、巻取技術はまた、マトリックス前駆体にコーティングされたファイバ26を含侵させることによって、一定方向のプリプレグテープ内にコーティングされたファイバ26(フィラメントまたはトウ)を形成することができる。例えば、コーティングされたセラミックファイバ26を含侵するための湿式ドラム巻きプロセスは、図2に示すように、適切なマトリックス前駆体材、有機バインダ、および溶剤を含むマトリックス前駆体スラリ混合物のスラリ27を通してセラミックファイバ26を引くことを伴うことができる。得られる前駆体含侵ファイバ28はその後、ドラム29周りに巻かれて、平面一定方向プリプレグテープを形成する。ドラム29に接触する前に、前駆体含侵ファイバ28は典型的には、取り出されたスラリの量を制御するようにオリフィスを通して引かれる。ドラム29(および/またはスラリ27およびオリフィス)をインデクシングすることによって、前駆体含侵ファイバ28は、一定のピッチで置かれて、連続した平面一定方向プリプレグテープを生み出す。前駆体含侵ファイバ28で巻かれる前に、ドラム29は、得られるプリプレグテープをドラム29からより容易に取り除くことができるように、剥離シートで包むことができる。ドラム29上で、プリプレグテープは、溶剤が気化することを可能にすることによって、空気乾燥が可能である。別の方法では、テープは、ドラム29から切断され、平らに置かれ、空気乾燥が可能となることができる。
このような湿式ドラム巻きプロセスによって作り出されたプリプレグテープは、ドラム29上のファイバ28のピッチに対応する、表面粗さまたは波形を有することができる。また、ピッチにより、テープにわたってファイバおよびマトリックスの分配の変動性があってもよい。さらに、ファイバは巻きプロセス中に張力を受けるので、含侵ファイバ28は、ドラム表面上で引き下げられる傾向があり、ドラム29に接触するテープの表面で比例してより多くのファイバ、およびドラム29から離れて面するテープの表面で比例してより多くのマトリックス前駆体を有するプリプレグテープを作り出す。
このような湿式ドラム巻きプロセスはまた、オリフィスを裂く、または破断を生じさせる可能性がある、かなりの数の破断ファイバ、およびトウが利用される場合に緩く接着したファイバ20(すなわち、「けば立ち」)の問題がある可能性がある。したがって、ドラム巻き動作は、このような破断を生じたときに取り除くことができるように、一定のオペレータ監視を必要とすることがある。
ドラム巻きプロセスの別の複雑性は、ファイバ16がスラリ27中に浸水された十分な時間を費やすことを必要とする、巻きプロセス中にスラリ27にファイバ20を完全に含侵させる(すなわち、湿潤させる)必要性を中心に展開する可能性がある。特定のプロセスに対して約5秒である可能性があるこのような浸水時間は、ファイバ16をスラリ27槽を通して引くことができる速度に制限を加えることができる。したがって、100メートルのファイバ20トウをドラム巻きするのに必要な時間は比較的長い可能性がある。
したがって、ファイバコーティングプロセスへの改良は、2017年10月5日出願の「セラミックファイバを処理するための装置および方法」という名称の、General Electric Companyに譲渡された特許文献１０に記載されている。特に、特許文献１０は、図3に示す装置32などのセラミックファイバ処理装置を記載している。さらに、図示するように、装置32は、第2の部分44まで延びる第1の部分42を有するフレーム40を含む。さらに、図示するように、フレーム40は、空所50を画定するように、第1および第2の部分42、44の間に延びる第1の間隙部材46および/または第2の間隙部材48を含む。したがって、図示するように、一定方向のセラミックファイバ30は、平面アレイ34を形成するように、フレーム40によって画定された空所50にわたって延びている。例えば、一定方向のセラミックファイバ30は実質的に、空所50にわたって平面に沿って配置または位置決めすることができる。セラミックファイバ40の少なくとも1つは、トウなどの、複数の個別のセラミックフィラメントを含むことができる。フレーム40はまた、上側フレーム部分52および下側フレーム部分54を含むことができる。したがって、少なくとも1つのコーティングは、化学蒸着(CVD)プロセスを介してフレーム40内に固定されたセラミックファイバ30上に堆積させることができる。例えば、フレーム40の1つまたは複数は、CVDリアクタ内に位置決めし、その中で処理して、セラミックファイバ30上にコーティングを堆積することができる。
米国特許第5,015,540号 米国特許第5,330,854号 米国特許第5,336,350号 米国特許第5,628,938号 米国特許第6,024,898号 米国特許第6,258,737号 米国特許第6,403,158号 米国特許第6,503,441号 米国特許出願公開第2004/0067316号 米国特許第10,370,292号
したがって、当業界は、CMCを作り出すために、(プリプレグを形成するように)セラミックファイバをコーティングおよび/または処理するための新規な改良したシステムおよび方法を求め続けている。
本開示の態様および利点が以下の説明に部分的に記載されている、または説明から自明である、または本開示の実施を通して習得することができる。
一態様では、本開示は、セラミックマトリックス複合材(CMC)物品を製造する際に使用するためのセラミックファイバをコーティングするためのシステムを対象としている。システムは、空所をその間に作り出すように配置された複数のフレーム部材を有するフレームを含む。複数のフレーム部材の少なくとも1つは、中空体、および中空体の中に画定された少なくとも1つの穿孔を含む。セラミックファイバは、フレームのそれぞれの端部に固定可能であり、空所にわたって延びている。システムはまた、コーティング材が中空体内におよびこれを通って流れ、セラミックファイバの1つの少なくとも一部分の位置で穿孔から流れ出ることを可能にするように、穿孔と流体連通する入口を含んでいる。このように、コーティング材は、セラミックファイバの1つの一部分がコーティング材で均一にコーティングされるように、その部分をフレームから分離させるように構成されている。
別の態様では、本開示は、セラミックマトリックス複合材(CMC)物品を製造する際に使用するためのセラミックファイバをコーティングするための方法を対象としている。方法は、空所をその間に作り出すように配置された複数のフレーム部材を有するフレームを提供するステップを含む。さらに、複数のフレーム部材の少なくとも1つは、中空体、および中空体の中に画定された少なくとも1つの穿孔を含む。方法はさらに、セラミックファイバが空所にわたって延びるように、フレームのそれぞれの端部にセラミックファイバを固定するステップを含む。方法はまた、中空体の中に画定された穿孔と流体連通する入口を提供するステップを含む。さらに、方法は、コーティング材が中空体を通って流れ、セラミックファイバの1つの少なくとも一部分の位置で穿孔から流れ出るように、入口内におよびこれを通してコーティング材を注入するステップを含む。コーティング材は、セラミックファイバの1つの一部分がコーティング材で均一にコーティングされるように、その部分をフレームから分離させる。
本開示のこれらおよび他の特性、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してより良く理解される。本明細書に組み込まれ、その一部を構成する添付の図面は、開示の実施形態を図示し、説明と共に、本開示の原理を説明するように働く。
当業者を対象としたその最良の形態を含む本開示の完全および可能な開示は、添付の図面を参照する明細書に記載されている。
セラミックマトリックス複合材(CMC)物品の一部分の断面図である。 従来の構成によるセラミックファイバコーティングおよびセラミックファイバ含侵プロセスを示す図である。 従来の構成によるセラミックファイバをコーティングするためのシステムの斜視図である。 本開示によるセラミックファイバをコーティングするためのシステムの一実施形態の斜視図である。 図4のシステムの上面図である。 本開示によるセラミックファイバをコーティングするためのシステムの別の実施形態の斜視図である。 特に、コーティングプロセス前のそのフレームに固定されたセラミックファイバを示す、本開示によるシステムの一実施形態の略図である。 特に、コーティングプロセスの後にそのフレームに固定されたセラミックファイバを示す、本開示によるシステムの一実施形態の略図である。 特に、コーティングプロセス前のセラミックファイバを示す、本開示によるシステムの一実施形態の略図である。 特に、コーティングプロセス中のセラミックファイバを示す、図8のシステムの略図である。 特に、コーティングプロセス後のセラミックファイバを示す、図8のシステムの略図である。 本開示による、CMC物品を製造するためのセラミックファイバをコーティングするための方法を示す、一実施形態の流れ図である。
次に、その1つまたは複数の例が図面に示されている、本開示の実施形態に詳細に言及する。各例は、本開示の説明として挙げられたものであり、本開示を限定するものではない。実際、本開示の範囲から逸脱することなく様々な変更および修正を本開示に行うことができることは、当業者には明らかだろう。例えば、一実施形態の一部として図示または記載した機構は、さらに別の実施形態を作り出すために別の実施形態と合わせて使用することができる。したがって、本開示は添付の特許請求の範囲およびその均等物の範囲内にあるようなこのような変更および修正を含むことを意図している。
本開示の様々な実施形態の要素を導入する場合、冠詞「a」、「an」、「the」および「said(前記)」は、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している。用語「comprising(備える)」、「including(含む)」および「having(有する)」は包括的であり、挙げた要素以外の追加の要素がある可能性があることを意味することを意図している。パラメータのあらゆる例は、開示した実施形態の他のパラメータを除外するものではない。あらゆる特定の実施形態に関して本明細書に記載、図示、あるいはさもなければ開示した構成部品、態様、機構、構成、配置、使用などは同様に、本明細書で開示したあらゆる他の実施形態に適用することができる。
一般的に、本開示は、静的支持フレームの上に保持されたセラミックファイバトウ上の界面コーティングの均一な化学蒸着を可能にするためのシステムおよび方法を対象としている。さらに、一実施形態では、フレームは、使用点で直接、ファイバトウに化学試薬を移動させるために中に形成された穿孔を有する様々なフレーム部材を含むことができる。このように、ファイバトウは、高温応用例に適切なセラミックマトリックス複合材を製造する際に、特にガスタービンエンジン内で使用することができる。
したがって、本開示は、従来技術で存在しない多くの利点を含む。例えば、特定の例では、ファイバトウの表面接触点は、内部フィラメントに到達するように、前駆体ガスの均一なガス流を抑制することができる。より詳細には、フレームの近傍での、最も詳細には、フレームおよび内部ファイバフィラメントと直接接触するファイバ上の堆積量は、接触点からより離れた残りのファイバと比べて、はるかに低いまたは存在しない。したがって、本開示に記載された孔は、全てのファイバトウへ均一なコーティングを提供するためにこの問題に対処する。さらに、ファイバフィラメントはコーティング内に入れられるリスクがより少なくなるので、支持フレームへの外側ファイバフィラメントの接着のリスクが減少する。このように、ファイバフィラメントがフレームから取り除かれると、少ないコーティングが失われ、それによりCMCの所望の機械的性質を維持する。
したがって、本開示は、ファイバトウ内に直接案内されるコーティング材の前駆体輸送を行い、それにより均一なコーティング厚さおよび分配を保証する。さらに、中空フレームおよびその中の孔を通して気体コーティング材を流すことによって、フレームはファイバトウ用の流動化床に変換され、中ではフレームへの接触がない。このように、本開示は、ファイバトウのコーティングされていない接触領域をなくし、それにより材の機械的性状を改善する。
次に図面を参照して、図4～図10は、本開示による、例示的セラミックファイバ処理システム100の多数の実施形態の様々な図を示している。本明細書に記載するように、システム100は、セラミックマトリックス複合材(CMC)物品を製造する際に使用するためのセラミックファイバの処理を容易にする、またはこれを提供することができる。例えば、一実施形態では、システム100は、バッチプロセスを介したセラミックファイバのコーティング、および/またはバッチプロセスを介したコーティングされたセラミックファイバからのプリプレグテープの形成(例えば、浸透)を容易にすることができる。別の方法では、複数のシステム100は互いに結合することができる、または各システム100は、連続プロセスを介したセラミックファイバのコーティング、および/または連続プロセスを介したコーティングされたセラミックファイバを含むプリプレグテープの形成を容易にする、より大きな構造の一部分またはセグメントを形成することができる。
加えて、図示するように、システム100は、空所106をその間に作り出すように配置された複数のフレーム部材104を有するフレーム102を含む。例えば、一実施形態では、図4～6に示すように、複数のフレーム部材104は、フレーム102の第1の端部に第1のフレーム部材105と、フレーム102の対向する第2の端部に第2のフレーム部材107とを含む。さらに、別の実施形態では、特に図6に示すように、フレーム102は、第1および第2のフレーム部材105、107の間に延びる1つまたは複数の追加のフレーム部材109を含むことができる。図示した実施形態では、例えば、フレーム102は、第1および第2のフレーム部材105、107の間に延びる複数の追加のフレーム部材109を含む。したがって、図4～図6に示すように、システム100はまた、空所106にわたって延びることができ、(全体的にまたは部分的に)空所106内に位置決めすることができる、または空所106に隣接することができる複数のセラミックファイバ108を含む。このように、空所106は、セラミックファイバ108を露出させる可能性がある。
特定の実施形態では、セラミックファイバ108は、個別のセラミックフィラメントもしくはストランド、セラミックファイバトウ、または個別のフィラメントおよびトウの組合せであってもよい。本明細書で使用されるように、「セラミックファイバトウ」または単なる「トウ」は一般的に、複数の個別のセラミックフィラメントまたは緩いストランドの束のことを言う。さらに、特定の実施形態では、トウのフィラメントは、ランダムに混ぜるまたはパターンで配置することができる、および/または連続または非連続であってもよい。例えば、トウは破断したフィラメントまたはフィラメントセグメントを含むことができる。別の例として、トウのフィラメントは、実質的に平行である、ねじれている、あるいはさもなければ配置することができる。さらに、一実施形態では、トウは単一または個別のフィラメントと同じ方法で実質的に動作することができる。また、本明細書で使用されるように、「個別のセラミックフィラメント」または単に「個別のフィラメント」は、単数または束ねられていない細長いセラミック部材のことを言うことを理解されたい。
特に図4～図6を参照して、セラミックファイバ108は、フレーム102のそれぞれの端部に固定することができ、(例えば、当業界で知られるように、一定方向のCMCプリプレグおよび/または一定方向のCMC物品の形成のために)一定方向に空所106にわたって延びることができる。さらに、図示するように、セラミックファイバ108は、処理を容易にするために、あらゆる適切な方法でフレーム102に固定することができる。例えば、一実施形態では、セラミックファイバ108は、フレーム102のそれぞれの端部で包まれる、巻かれる、結ばれる、または締められる可能性がある。
さらに、一実施形態では、セラミックファイバ108は、空所106にわたって延びるときに、比較的小さい方向変更を含むことができるが、セラミックファイバ108は、第1の方向に実質的に延び、互いに越えないように一定方向であってもよい。同様に、セラミックファイバ108は、小さな方向変化を含むことができるが、セラミックファイバ108は全体として、実質的に第1の方向に沿って、および/または互いに実質的に平行に延びるように、一定方向であってもよい。例示的実施形態では、セラミックファイバ108は、セラミックファイバトウまたは束ねられていないセラミックファイバフィラメントであってもよい。セラミックファイバ108が少なくとも1つのトウを含む場合、少なくとも1つのトウは全体として、一定方向であってもよく(第1の方向に沿って延びてもよく)、および/またはトウを作るセラミックフィラメントは一定方向であってもよい。いくつかの他の実施形態では、セラミックファイバ108のトウのセラミックフィラメントは、第1の方向とは異なる方向に延びることができる(すなわち、ねじれたまたは織られたフィラメントなどの非一定方向である)が、トウは全体として、空所106にわたるセラミックファイバ108が一定方向であるように、第1の方向に実質的に延びることができる。
さらに、一実施形態では、フレーム102は、空間または空所106を形成し、空所106にわたって一定方向のセラミックファイバ108の平面アレイ110を支持するあらゆる設計、構成または機構であってもよい。さらに、一実施形態では、空所106は、あらゆる対応するサイズまたは形状の平面アレイ110に対してあらゆるサイズまたは形状であってもよい。加えて、一実施形態では、空所106は、平面アレイ110が設けられた遮られていない領域であってもよい。いくつかの実施形態では、フレーム102は、空所106周りの(それにより、また、中に位置決めされた一定方向のセラミックファイバ108の平面アレイ110周りの)領域が開口しているまたは遮られていないように構成することができる。例えば、フレーム102は、一定方向のセラミックファイバ108の平面アレイ110の上および/または下の領域がセラミックファイバ108の妨げられていないコーティングを可能にするように遮られていないように構成することができる。
特に図6を参照すると、複数のフレーム部材104の少なくとも1つは、中空体112、および中空体112の中に画定された少なくとも1つの穿孔114を含む。別の例示的実施形態では、フレーム102のフレーム部材104はそれぞれ、中空体112を有してもよい。さらに、別の実施形態では、中空体112の1つまたは複数は、複数の穿孔114を含むことができる。このような実施形態では、図4～図6に全体的に示すように、穿孔114は中空体112の1つの平面側部に配置することができる。代替実施形態では、穿孔114は、中空体112周りにパターンの変形で配置することができる。例えば、穿孔114は、フレーム部材104の周面周りに延びるように配置することができる、またはフレーム部材104上で行または列で配置することができる。さらに、一実施形態では、穿孔114は、セラミックファイバ108の処理を可能にするように、あらゆる適切なパターンで配置することができる。
特に図4～図6を参照すると、システム100はまた、コーティング材118(図7A～図7B)が中空体112内におよびこれを通って流れ、セラミックファイバ108の1つの少なくとも一部分の位置で穿孔114から流れ出ることを可能にするように、フレーム部材104の少なくとも1つに位置決めされ穿孔114と流体連通する入口116を含むことができる。例示的実施形態では、図4～図6に示すように、複数のフレーム部材104およびセラミックファイバ108は、少なくともセラミックファイバ108、入口116、およびフレーム部材104を含むコーティングチャンバ120内でコーティングすることができる。特定の図では、コーティングチャンバ120は、単純化のため、およびシステム100の内部構成部品をさらに図示するために省略される可能性がある。別の実施形態では、複数の気体入口116は、フレーム部材104の中空体112内での複数の穿孔114との流体連通を容易にするために、複数のフレーム部材104上に位置決めすることができる。
特定の実施形態では、コーティング材118は、気体担体および化学試薬を含むことができる。したがって、このような実施形態では、気体担体は、セラミックファイバ108の部分(または全体)がコーティング材118で均一にコーティングされるように、セラミックファイバ108の1つの少なくとも一部分または全体をフレーム102から分離させて、図7Bおよび9に示すように空間122を作り出すように構成されている。より詳細には、図7A～図9に示すように、コーティングプロセス前(図7および図8)およびコーティングプロセス中(図7および図9)にその上に静止するセラミックファイバ108を備えるシステム100のフレーム部材104の1つの一実施形態の断面図が示されている。例えば、図7および図9に示すように、中に形成された複数の穿孔114を有するフレーム部材104の1つが、そこを通して浮遊するコーティング材118(矢印によって示される)を備えて示される。さらに、図7～図9に示すように、セラミックファイバ108の1つの一部分は、上により平らなコーティングを提供するように、(例えば、気体担体によって加えられる力により)コーティング材118の流れを介してフレーム部材104から分離される。さらに、図10に示すように、コーティングプロセスが完了した後、セラミックファイバ108はフレーム部材104に対して静止位置に戻る。
CMCプリプレグおよび/または物品を製造する際に使用されるセラミックファイバを処理するのに適切なあらゆるコーティング材118は、セラミックファイバ108をコーティングするために使用することができることを理解されたい。例えば、コーティング材118は、セラミックファイバ108から作られた得られたCMC物品のファイバマトリックスインターフェースに影響を与えるセラミックファイバ108への表面修正であってもよい。これは、セラミックファイバ108がCMC物品のマトリックスと反応または結合するのを抑制する適切なセラミック材のコーティング材118によって達成することができる。セラミックコーティング材118は、セラミックファイバ108がマトリックスから引き抜くおよび/またはマトリックスに沿って摺動することを可能にし、したがって、得られたCMC物品の破壊靭性が増加する。しかし、追加のおよび/もしくは異なる機能ならびに/または他のコーティングタイプ(例えば、非セラミック)を提供するコーティング材118を利用することができる。特定の実施形態では、例えば、コーティング材118は、窒化ホウ素、炭素、炭化ケイ素、窒化ケイ素またはその組合せの少なくとも1つであってもよい。別の例示的実施形態では、窒化ホウ素はケイ素ドープされてもよい。さらに、特定の実施形態では、セラミックファイバ108はSiCファイバまたはCファイバであってもよい。
次に図11を参照して、セラミックマトリックス複合材(CMC)物品を製造する際に使用するためのセラミックファイバをコーティングするための方法200の一実施形態の流れ図が、本開示の態様により示されている。特定の実施形態では、例えば、方法200は、本明細書に記載されるセラミックファイバをコーティングするために使用することができる。方法200は、本明細書では、例えば、図4～図10に示したシステム100を使用して実施されるように本明細書に記載される。しかし、開示した方法200は、当業界で現在知られているまたは後に開発されるあらゆる他の適切なシステムを使用して実施することができることを理解されたい。加えて、図11は図示および議論の目的で特定の順序で行われるステップを示しているが、本明細書に記載される方法は、あらゆる順序または配置に限定されない。当業者は、本明細書で提供された開示を使用して、方法の様々なステップを様々な方法で省略、再配置、組合せ、および/または適用することができることが分かるだろう。
ステップ202で示すように、方法200は、空所をその間に作り出すように配置された複数のフレーム部材を有するフレームを提供するステップを含む。さらに、記載されているように、複数のフレーム部材の少なくとも1つは、中空体、および中空体の中に画定された少なくとも1つの穿孔を有する。ステップ204で示すように、方法200は、セラミックファイバが空所にわたって延びるように、フレームのそれぞれの端部にセラミックファイバを固定するステップを含む。ステップ206で示すように、方法200は、中空体の中に画定された穿孔と流体連通する入口を提供するステップを含む。ステップ208で示すように、方法200は、コーティング材が中空体を通って流れ、セラミックファイバの1つの少なくとも一部分の位置で穿孔から流れ出るように、入口内におよびこれを通してコーティング材を注入するステップを含む。このように、方法200は、コーティングチャンバ内にシステム100を置き、複数のフレーム部材104の中空体112を通してコーティング材118を解放し、それにより、フレーム部材104からのセラミックファイバ108の分離を容易にし、セラミックファイバ108上のコーティング材118のさらなる分配を可能にするステップを含むことができる。
例示的実施形態では、方法200は、セラミックファイバ108上に2つ以上のコーティング材を堆積するステップを含むことができる。例えば、2つ以上のタイプのコーティング材をセラミックファイバ108に塗布して、得られたCMC物品内に特定および独特な特徴を提供することができる。
本開示の様々な態様および実施形態は、以下の番号付けされた項によって定義される。
項1.セラミックマトリック複合材(CMC)物品を製造する際に使用するためのセラミックファイバをコーティングするためのシステムであって、空所をその間に作り出すように配置された複数のフレーム部材を備えるフレームであって、複数のフレーム部材の少なくとも1つは、中空体、および中空体の中に画定された少なくとも1つの穿孔を備え、セラミックファイバが、空所にわたって延びるようにフレームのそれぞれの端部に固定可能である、フレームと、コーティング材が中空体内におよびこれを通って流れ、セラミックファイバの1つの少なくとも一部分の位置で少なくとも1つの穿孔から流れ出ることを可能にするように、少なくとも1つの穿孔と流体連通する入口とを備え、コーティング材は、セラミックファイバの1つの一部分がコーティング材で均一にコーティングされるように、その一部分をフレームから分離させるように構成されている、システム。
項2.セラミックファイバは、セラミックファイバトウまたは束ねられていないセラミックファイバフィラメントの少なくとも一方を含んでいる、任意の前項に記載のシステム。
項3.複数のフレーム部材はそれぞれ、中空体を備える、任意の前項に記載のシステム。
項4.中空体はそれぞれ、複数の穿孔を備える、任意の前項に記載のシステム。
項5.複数のフレーム部材の少なくとも1つの複数の穿孔は、フレーム部材の周囲周りに延びるか、またはフレーム部材上で行または列で配置される、任意の前項に記載のシステム。
項6.複数のフレーム部材はさらに、少なくとも、第1のフレーム部材、第2のフレーム部材、および第1および第2のフレーム部材の間で空所にわたって延びる少なくとも1つの追加のフレーム部材を備える、任意の前項に記載のシステム。
項7.コーティング材は、気体担体および化学試薬を含む、任意の前項に記載のシステム。
項8.コーティング材は、窒化ホウ素、炭素、炭化ケイ素、窒化ケイ素またはその組合せの少なくとも1つを含む、任意の前項に記載のシステム。
項9.窒化ホウ素はケイ素ドープされている、任意の前項に記載のシステム。
項10.複数のフレーム部材およびセラミックファイバは、コーティングチャンバ内でコーティングされている、任意の前項に記載のシステム。
項11.セラミックマトリック複合材(CMC)物品を製造する際に使用するためのセラミックファイバをコーティングするための方法であって、空所をその間に作り出すように配置された複数のフレーム部材を有するフレームを提供するステップであって、複数のフレーム部材の少なくとも1つは、中空体、および中空体の中に画定された少なくとも1つの穿孔を有する、ステップと、セラミックファイバが空所にわたって延びるように、フレームのそれぞれの端部にセラミックファイバを固定するステップと、中空体の中に画定された少なくとも1つの穿孔と流体連通する入口をフレーム内に提供するステップと、コーティング材が中空体を通って流れ、セラミックファイバの1つの少なくとも一部分の位置で少なくとも1つの穿孔から流れ出るように、入口内におよびこれを通してコーティング材を注入するステップであって、コーティング材は、セラミックファイバの1つの一部分がコーティング材で均一にコーティングされるように、その一部分をフレームから分離させる、ステップとを含む、方法。
項12.セラミックファイバは、セラミックファイバトウまたは束ねられていないセラミックファイバフィラメントの少なくとも一方を含んでいる、任意の前項に記載の方法。
項13.複数のフレーム部材はそれぞれ、中空体を備える、任意の前項に記載の方法。
項14.中空体はそれぞれ、複数の穿孔を備える、任意の前項に記載の方法。
項15.複数のフレーム部材の少なくとも1つの複数の穿孔は、フレーム部材の周囲周りに延びるか、またはフレーム部材上で行または列で配置される、任意の前項に記載の方法。
項16.複数のフレーム部材はさらに、少なくとも、第1のフレーム部材、第2のフレーム部材、および第1および第2のフレーム部材の間で空所にわたって延びる少なくとも1つの追加のフレーム部材を備える、任意の前項に記載の方法。
項17.コーティング材は、気体担体および化学試薬を含む、任意の前項に記載の方法。
項18.コーティング材は、窒化ホウ素、炭素、炭化ケイ素、窒化ケイ素またはその組合せの少なくとも1つを含む、任意の前項に記載の方法。
項19.窒化ホウ素はケイ素ドープされている、任意の前項に記載の方法。
項20.複数のフレーム部材およびセラミックファイバは、コーティングチャンバ内でコーティングされている、任意の前項に記載の方法。
最良の形態を含む本開示を開示するために、また任意のデバイスまたはシステムを作製し使用すること、および含まれる任意の方法を行うことを含む、本開示を当業者が実施することが可能なように、本明細書は例を使用している。本開示の特許付与可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到する他の例を含むことができる。このような他の例は、特許請求の範囲の文言と異ならない構造的要素を含む場合、または特許請求の範囲の文言とごく僅かな差異がある均等な構造的要素を含む場合に、特許請求の範囲に含まれる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供される。
項1.セラミックマトリックス複合材(CMC)物品を製造する際に使用するためのセラミックファイバをコーティングするためのシステムであって、
空所をその間に作り出すように配置された複数のフレーム部材を備えるフレームであって、複数のフレーム部材の少なくとも1つは、中空体、および中空体の中に画定された少なくとも1つの穿孔を備え、セラミックファイバが、空所にわたって延びるようにフレームのそれぞれの端部に固定可能である、フレームと、
コーティング材と、
コーティング材が中空体内におよびこれを通って流れ、セラミックファイバの1つの少なくとも一部分の位置で少なくとも1つの穿孔から流れ出ることを可能にするように、少なくとも1つの穿孔と流体連通する入口と
を備え、
少なくとも1つの穿孔は、セラミックファイバの1つの一部分がコーティング材で均一にコーティングされるように、その一部分をフレームから分離させるように構成されている、システム。
項2.複数のフレーム部材はそれぞれ、中空体を備える、任意の前項に記載のシステム。
項3.中空体はそれぞれ、複数の穿孔を備える、任意の前項に記載のシステム。
項4.複数のフレーム部材の少なくとも1つの複数の穿孔は、フレーム部材の周囲周りに延びるか、またはフレーム部材上で行または列で配置される、任意の前項に記載のシステム。
項5.複数のフレーム部材はさらに、少なくとも、第1のフレーム部材、第2のフレーム部材、および第1および第2のフレーム部材の間で空所にわたって延びる少なくとも1つの追加のフレーム部材を備える、任意の前項に記載のシステム。
項6.コーティング材は、気体担体および化学試薬を含む、任意の前項に記載のシステム。
項7.コーティング材は、窒化ホウ素、炭素、炭化ケイ素、窒化ケイ素またはその組合せの少なくとも1つを含む、任意の前項に記載のシステム。
項8.窒化ホウ素はケイ素ドープされている、任意の前項に記載のシステム。
項9.複数のフレーム部材およびセラミックファイバは、コーティングチャンバ内でコーティングされている、任意の前項に記載のシステム。
項10.セラミックマトリック複合材(CMC)物品を製造する際に使用するためのセラミックファイバをコーティングするための方法であって、
セラミックファイバが、フレームの複数のフレーム部材によって画定された空所にわたって延びるように、フレームにセラミックファイバを固定するステップであって、複数のフレーム部材の少なくとも1つは、空所と流体連通した少なくとも1つの穿孔が中に画定された中空体を有する、ステップと、
コーティング材が中空体を通って流れ、セラミックファイバの1つの少なくとも一部分の位置で少なくとも1つの穿孔から流れ出て空所に入るように、少なくとも1つの穿孔と流体連通しているフレーム内で入口内におよびこれを通してコーティング材を注入するステップと
を含み、
コーティング材の流れは、セラミックファイバの1つの一部分がコーティング材で均一にコーティングされるように、その一部分をフレームから分離させる、方法。
項11.セラミックファイバは、セラミックファイバトウまたは束ねられていないセラミックファイバフィラメントの少なくとも一方を含んでいる、任意の前項に記載の方法。
項12.複数のフレーム部材はそれぞれ、少なくとも1つの穿孔が中に画定された中空体を備える、任意の前項に記載の方法。
項13.複数のフレーム部材はそれぞれ、複数の穿孔を備える、任意の前項に記載の方法。
項14.複数のフレーム部材の少なくとも1つの複数の穿孔は、フレーム部材の周囲周りに延びるか、またはフレーム部材上で行または列で配置される、任意の前項に記載の方法。
項15.複数のフレーム部材はさらに、少なくとも、第1のフレーム部材、第2のフレーム部材、および第1および第2のフレーム部材の間で空所にわたって延びる少なくとも1つの追加のフレーム部材を備える、任意の前項に記載の方法。
項16.コーティング材は、気体担体および化学試薬を含む、任意の前項に記載の方法。
項17.コーティング材は、窒化ホウ素、炭素、炭化ケイ素、窒化ケイ素またはその組合せの少なくとも1つを含む、任意の前項に記載の方法。
項18.窒化ホウ素はケイ素ドープされている、任意の前項に記載の方法。
項19.複数のフレーム部材およびセラミックファイバは、コーティングチャンバ内でコーティングされている、任意の前項に記載の方法。
10 CMC物品
12 薄板
14 セラミックマトリックス
16 ファイバ
17 ファイバ
20 ファイバ
22 CVDリアクタ
24 コーティング前駆体
26 ファイバ
27 スラリ
28 前駆体含侵ファイバ
29 ドラム
30 セラミックファイバ
32 装置
34 平面アレイ
40 フレーム
42 第1の部分
44 第2の部分
46 第1の間隙部材
48 第2の間隙部材
50 空所
52 上側フレーム部分
54 下側フレーム部分
100 システム
102 フレーム
104 フレーム部材
105 第1のフレーム部材
106 空所
107 第2のフレーム部材
108 セラミックファイバ
109 追加のフレーム部材
110 平面アレイ
112 中空体
114 穿孔
116 入口
118 コーティング材
120 コーティングチャンバ
122 空間
200 方法

Claims (15)

  1. セラミックマトリックス複合材(CMC)物品を製造する際に使用するためのセラミックファイバ(108)をコーティングするためのシステム(100)であって、前記システム(100)は、
    空所(106)をその間に作り出すように配置された複数のフレーム部材(104)を備えるフレーム(102)であって、前記複数のフレーム部材(104)のうちの少なくとも1つは、中空体(112)、および前記中空体(112)の中に画定された少なくとも1つの穿孔(114)を備え、前記セラミックファイバ(108)が、前記空所(106)にわたって延びるように前記フレーム(102)のそれぞれの端部に固定可能である、フレーム(102)と、
    コーティング材(118)と、
    コーティング材(118)が前記中空体(112)内におよび前記中空体(112)を通って流れ、前記セラミックファイバ(108)のうちの1つの少なくとも一部分の位置で前記少なくとも1つの穿孔(114)から流れ出ることを可能にするように、前記少なくとも1つの穿孔(114)と流体連通する入口と、
    を備え、
    前記少なくとも1つの穿孔(114)は、前記セラミックファイバ(108)のうちの1つの一部分が前記コーティング材(118)で均一にコーティングされるように、前記一部分を前記フレーム(102)から分離させるように構成されている、システム(100)。
  2. 前記複数のフレーム部材(104)のそれぞれは、中空体(112)を備える、請求項1に記載のシステム(100)。
  3. 前記中空体(112)のそれぞれは、複数の穿孔(114)を備える、請求項2に記載のシステム(100)。
  4. 前記複数のフレーム部材(104)のうちの少なくとも1つの前記複数の穿孔(114)は、前記フレーム(102)部材の周囲周りに延びるか、または前記フレーム(102)部材上に行または列で配置される、請求項3に記載のシステム(100)。
  5. 前記複数のフレーム部材(104)は、少なくとも、第1のフレーム(102)部材、第2のフレーム(102)部材、ならびに第1のフレーム部材および第2のフレーム部材(104)の間で前記空所(106)にわたって延びる少なくとも1つの追加のフレーム(102)部材をさらに備える、請求項3または4に記載のシステム(100)。
  6. 前記コーティング材(118)は、気体担体および化学試薬を含む、請求項1から5のいずれか一項に記載のシステム(100)。
  7. 前記コーティング材(118)は、窒化ホウ素、炭素、炭化ケイ素、窒化ケイ素、またはそれらの組合せのうちの少なくとも1つを含む、請求項6に記載のシステム(100)。
  8. 前記窒化ホウ素は、ケイ素ドープされている、請求項7に記載のシステム(100)。
  9. 前記複数のフレーム部材(104)および前記セラミックファイバ(108)は、コーティングチャンバ内でコーティングされている、請求項7または8に記載のシステム(100)。
  10. セラミックマトリック複合材(CMC)物品を製造する際に使用するためのセラミックファイバ(108)をコーティングするための方法であって、
    セラミックファイバ(108)がフレーム(102)の複数のフレーム部材(104)によって画定された空所(106)にわたって延びるように、前記フレーム(102)に前記セラミックファイバ(108)を固定するステップであって、前記複数のフレーム部材(104)のうちの少なくとも1つは、前記空所(106)と流体連通した少なくとも1つの穿孔(114)が中に画定された中空体(112)を有する、ステップと、
    コーティング材(118)が前記中空体(112)を通って流れ、前記セラミックファイバ(108)のうちの1つの少なくとも一部分の位置で前記少なくとも1つの穿孔(114)から流れ出て前記空所(106)に入るように、前記少なくとも1つの穿孔(114)と流体連通している前記フレーム(102)内で入口内におよび前記入口を通して前記コーティング材(118)を注入するステップと、
    を含み、
    前記コーティング材(118)の前記流れは、前記セラミックファイバ(108)のうちの1つの一部分が前記コーティング材(118)で均一にコーティングされるように、前記一部分を前記フレーム(102)から分離させる、方法。
  11. 前記セラミックファイバ(108)は、セラミックファイバトウまたは束ねられていないセラミックファイバフィラメントの少なくとも一方を含んでいる、請求項10に記載の方法。
  12. 前記複数のフレーム部材(104)のそれぞれは、少なくとも1つの穿孔(114)が中に画定された中空体(112)を備える、請求項10または11に記載の方法。
  13. 前記中空体(112)のそれぞれは、複数の穿孔(114)を備える、請求項12に記載の方法。
  14. 前記複数のフレーム部材(104)のうちの少なくとも1つの前記複数の穿孔(114)は、前記フレーム(102)部材の周囲周りに延びるか、または前記フレーム(102)部材上に行または列で配置される、請求項13に記載の方法。
  15. 前記複数のフレーム部材(104)は、少なくとも、第1のフレーム(102)部材、第2のフレーム(102)部材、ならびに第1のフレーム部材および第2のフレーム部材(104)の間で前記空所(106)にわたって延びる少なくとも1つの追加のフレーム(102)部材をさらに備える、請求項10から14のいずれか一項に記載の方法。
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