JP3978766B2

JP3978766B2 - バンド部付きセラミックス基複合部材とその製造方法

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Publication number: JP3978766B2
Application number: JP2001345712A
Authority: JP
Inventors: 武志中村; 隆人荒木
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2001-11-12
Filing date: 2001-11-12
Publication date: 2007-09-19
Anticipated expiration: 2021-11-12
Also published as: JP2003148105A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フランジ部を有するセラミックス基複合部材とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
セラミックスは耐熱性が高いが脆い欠点があるため、これをセラミックス繊維で強化したセラミックス基複合部材（ＣｅｒａｍｉｃＭａｔｒｉｘＣｏｍｐｏｓｉｔｅ：以下、ＣＭＣと略称する）が開発されている。すなわち、セラミックス基複合部材（ＣＭＣ）はセラミックス繊維とセラミックスマトリックスとからなる。なお、一般にＣＭＣはその素材により、セラミックス繊維／セラミックスマトリックス（例えば、両方がＳｉＣからなる場合、ＳｉＣ／ＳｉＣ）と表示される。なお、以下、セラミックス基複合部材（ＣＭＣ）について詳述するが、本発明は、これに限定されず、炭素系複合材（Ｃ／Ｃ）、Ｃ／ＳｉＣ、ＳｉＣ／Ｃ等にも同様に適用することができる。
【０００３】
ＣＭＣは、軽量で耐熱性に優れるため、ジェットエンジン部品（例えば、タービン翼、燃焼器、アフターバーナ部品等）へ適用することによりエンジンの重量削減および燃料消費率の低減が期待される有望な材料である。
【０００４】
しかし、従来のＣＭＣは、気密性を保持することができず、かつ耐熱衝撃性が低い問題点があった。すなわち、従来のＣＭＣは、所定の形状をセラミックス繊維で構成したのち、いわゆるＣＶＩ処理（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＩｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ：気相含浸法）で繊維の隙間にマトリックスを形成するが、このＣＶＩで繊維間の隙間を完全に埋めるには実用不可能な長期間（例えば１年以上）を要する問題点があった。また、このように形成した従来のＣＭＣを高温で試験等すると、激しい熱衝撃（例えば温度差が９００℃以上）が作用した場合に、強度低下が激しく、再使用がほとんどできない問題点があった。
そのため、従来のセラミックス基複合部材（ＣＭＣ）は、タービン翼、燃焼器のような気密性と耐熱衝撃性を要する部品には実質的に使用できなかった。
【０００５】
本発明の発明者等は、上述した問題点を解決するために、気密性と耐熱衝撃性を大幅に高めることができ、これによりスラストチャンバ等にも実用可能な「セラミックス基複合部材及びその製造方法」（特開２０００−２１９５７６号）を創案し出願した。この発明は、成形した繊維織物の表面にＳｉＣマトリックス層を形成するＣＶＩ処理を行った後に、そのマトリックス層の隙間に有機珪素ポリマーを基材として含浸し焼成するＰＩＰ処理を行うものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したＣＭＣは、軽量で耐熱性に優れるため、ジェットエンジンのガスタービン部品、例えば、タービン静翼や排気ディフューザベーン）へ適用することが検討されている。しかし、タービン静翼や排気ディフューザベーンは、図５に示すように、翼部１の両端にフランジ部２（バンド部と呼ぶ）を有する構造であり、このバンド部を有する翼形状をＣＭＣで一体成形することは、従来、困難であった。
【０００７】
すなわち、バンド部２は平板状又は円弧面であるのに対して、翼部１は翼形の中空筒形であるため、全体をＣＭＣの一体成形体とするには、平織りしたセラミックス繊維で翼部及びバンド部を成形し、これにマトリックスを含浸してセラミックス基複合部材（ＣＭＣ）を製造する必要があった。
この場合、全体の一体成形化はできるものの、翼部１に繊維の縫い目があり、翼部に作用するフープ応力に弱く、縫い目から亀裂が入りやすい問題点があった。また、平織りのセラミックス繊維で翼部を成形するのは、技術的に困難であり、コストがかかる問題点もあった。
【０００８】
そこで、翼部１のみをＣＭＣで製造し、バンド部は別部品で組み立てる分割式のＣＭＣ翼が、例えば、ＵＳ５０７４７４９（図６）、ＵＳ５６３０７００（図７）等に提案されている。
しかし、かかる分割式のＣＭＣ翼は、翼部１とバンド部２とのシール性が不十分であり、かつ両者を連結して一体化するために余分な部品（ボルト、フランジ等）を必要とし、ＣＭＣを用いた重量低減（軽量化）のメリットが失われてしまう問題点があった。
【０００９】
本発明は上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、バンド部と翼部を一体成形でき、かつ翼部がフープ応力に強く、翼部とバンド部とのシール性を高めることができるバンド部付きセラミックス基複合部材とその製造方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、翼形筒状の翼部と、該翼部の端部に連続して形成された平板状又は円弧状のバンド部とからなり、前記翼部は、セラミックス繊維のブレード織りで成形され、かつ翼部端の張出部が折曲げられて、バンド部内に挟持されており、前記バンド部は、セラミックス繊維の複数の平織り板が積層した積層体であり、該複数の平織り板の間に前記張出部が挟持されており、前記翼部は、前記複数の平織り板のうち翼部両端のバンド部間の空間側を構成する平織り板を貫通しており、更に、前記翼部の折曲げられた張出部と平織り板は、バンド部を貫通するセラミックス繊維で一体に縫い合わされている、ことを特徴とするバンド部付きセラミックス基複合部材が提供される。
【００１１】
また、本発明によれば、翼形筒状の翼部を翼部端の張出部と共にブレード織りで成形する翼部成形ステップと、平板状又は円弧状のバンド部を構成する複数の平織り板を成形するバンド部成形ステップと、前記平織り板に前記翼部の両端を貫通させ、翼部端の張出部を折曲げ、前記翼部が貫通した平織り板と別の平織り板との間に前記張出部を挟持し、バンド部を貫通するセラミックス繊維で張出部と平織り板を一体に縫い合わす一体化ステップとを備える、ことを特徴とするバンド部付きセラミックス基複合部材の製造方法が提供される。
【００１２】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記翼部成形ステップにおいて、治具の表面にセラミックス繊維をブレード織りし、次いでその表面にマトリックスを含浸させて翼部を成形する。
【００１３】
上記本発明の構造及び方法によれば、翼形筒状の翼部の翼部端の張出部を折曲げて、バンド部を構成する複数の平織り板の間に挟持し、かつ翼部の折曲げた張出部と平織り板が、バンド部を貫通するセラミックス繊維で一体に縫い合わされるので、翼部とバンド部との境目には、折曲げられバンド部内に挟持された翼部の張出部が翼部と連続して存在する。従って、翼部とバンド部は、ブレード織りの織物と平織り板とが実質的に一体化され、かつ境目に隙間が全くできないので高いシール性を得ることができる。
【００１４】
また、翼部は、セラミックス繊維のブレード織りで成形されるので、フープ応力に対し強い強度を得ることができる。更に、一体で作られた静翼のため、従来の分割式のＣＭＣや一体式のＣＭＣに比較して構造がシンプルであり、大幅なコストダウンが可能である。更にまた、ブレード織りと平織りをそれぞれ独立に最適化することにより、繊維の体積割合の高い高強度織物構造とすることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００１６】
図１は、本発明のバンド部付きセラミックス基複合部材の分解斜視図であり、図２は、その完成後の全体斜視図である。
図１及び図２に示すように、本発明のバンド部付きセラミックス基複合部材１０は、翼形筒状の翼部１と、翼部１の端部に連続して形成された平板状又は円弧状のバンド部２とからなる。
【００１７】
翼部１は、フープ応力に対し強いセラミックス繊維のブレード織りで成形されている。「ブレード織り」とは、図３に模式的に示すように、中央糸に組み糸を交互に斜めに織り込む織物であり、治具の表面に効率的に織物を成形できると共に、フープ応力に対し強い特徴を有する。
また、翼部端の張出部１ａは、翼部１と共にブレード織りで成形された後、一部に切り込みを入れて水平に折曲げられ、バンド部内に挟持されている。
【００１８】
バンド部２は、セラミックス繊維により２次元又は３次元に織られた平織り板２ａからなる複数の積層体である。この平織り板２ａは、縦糸と横糸からなる通常の平織りの他、ロービングを一方向に並列したプリプレグシート、或いは３軸織物でも良い。また、この平織り板２ａには、翼部１の翼形に対応した開口２ｂが設けられている。なお、この開口２ｂは、バンド部２の外面に使用する平織り板２ａの場合には省略することもできる。
【００１９】
更に、翼部の折曲げられた張出部１ａと平織り板２ａは、バンド部２を厚さ方向に貫通するセラミックス繊維３で一体に縫い合わされている。この縫い合わせは、図２に示すように、縦方向と横方向に複数行い、繊維密度を十分に高めるのがよい。
【００２０】
本発明のバンド部付きセラミックス基複合部材１０は、上述のように成形した繊維織物の表面にＳｉＣマトリックス層を形成するＣＶＩ処理を行った後に、そのマトリックス層の隙間に有機珪素ポリマーを基材として含浸し焼成するＰＩＰ処理を行ったものである。
【００２１】
図４は、本発明によるバンド部付きセラミックス基複合部材の製造方法の模式図である。この図に示すように、本発明の製造方法は、翼部成形ステップ（Ａ）、バンド部成形ステップ（Ｂ）及び一体化ステップ（Ｃ）を有する。
【００２２】
翼部成形ステップ（Ａ）は、治具の表面にセラミックス繊維をブレード織りする翼部ブレード織り工程Ｓ１１と、ブレード織りした織物の表面にＣＶＩで０．１〜０．２μｍ程度のカーボンをコーティングするＣ−ＣＶＤ工程Ｓ１２と、更にその繊維表面にＣＶＩによりＳｉＣのマトリックスを含浸させるＳｉＣ−ＣＶＩ工程Ｓ１３とからなる。セラミックス繊維には、例えば宇部興産株式会社製のチラノＺＭＩ繊維を用いる。
この翼部成形ステップ（Ａ）では、翼形筒状の翼部１を翼部端の張出部１ａと共にブレード織りで成形する。また、ＳｉＣ−ＣＶＩ工程Ｓ１３におけるマトリックスの含浸量は、一体化ステップ（Ｃ）における翼部１の加工が容易にできる程度に抑える。
【００２３】
バンド部成形ステップ（Ｂ）は、平板状又は円弧状の平織り板２ａを平織りするバンド部平織り工程Ｓ２１と、平織りした織物の表面にＣＶＩで０．１〜０．２μｍ程度のカーボンをコーティングするＣ−ＣＶＤ工程Ｓ２２と、更にその繊維表面にＣＶＩによりＳｉＣのマトリックスを含浸させるＳｉＣ−ＣＶＩ工程Ｓ２３とからなる。
Ｃ−ＣＶＤ工程Ｓ２２とＳｉＣ−ＣＶＩ工程２３は、Ｃ−ＣＶＤ工程Ｓ１２とＳｉＣ−ＣＶＩ工程Ｓ１３と実質的に同一である。
平織り板２ａの翼部１の翼形に対応した開口２ｂは、工程Ｓ２１で加工してもよく、或いは、ＳｉＣ−ＣＶＩ工程Ｓ１３の後で加工してもよい。また、通常の平織りの代わりに、ロービングを一方向に並列したプリプレグシート、或いは３軸織物を用いてもよい。
【００２４】
一体化ステップ（Ｃ）は、翼部１と共にブレード織りで成形された翼部端の張出部１ａの一部にカッター等で切り込みを入れ、次いで張出部１ａを図１で水平に折曲げる翼部の端部加工工程Ｓ３１と、折曲げた翼部端の張出部１ａを複数の平織り板２ａの間に挟持し、バンド部を貫通するセラミックス繊維３で張出部１ａと平織り板２ａを一体に縫い合わせる縫合わせ工程Ｓ３２とからなる。
【００２５】
縫合わせ工程Ｓ３２が完了すると、図２に示すようなバンド部付きセラミックス基複合部材の織物が完成する。次いで、織物の繊維表面にＣＶＩによりＳｉＣのマトリックスを再度含浸させるＳｉＣ−ＣＶＩ工程Ｓ４１、マトリックス層の隙間に有機珪素ポリマーを基材として含浸し焼成するＰＩＰ工程Ｓ４２を行った後、機械加工（Ｓ４３）し、最後に再度ＳｉＣ−ＣＶＩ工程Ｓ４４を行って目的とするバンド部付きセラミックス基複合部材１０が完成する。
【００２６】
翼部成形ステップ（Ａ）において使用した治具（例えばカーボン製）は、最終形状を保持できる限りで、どの工程において外してもよいが、ＳｉＣ−ＣＶＩ工程１３の後、或いはＳｉＣ−ＣＶＩ工程Ｓ４１の後で外すのが好ましい。
【００２７】
上述した本発明の構造及び方法によれば、翼形筒状の翼部１の翼部端の張出部１ａを折曲げて、バンド部を構成する複数の平織り板２ａの間に挟持し、かつ翼部の折曲げた張出部１ａと平織り板２ａが、バンド部を貫通するセラミックス繊維３で一体に縫い合わされるので、翼部とバンド部との境目には、折曲げられバンド部内に挟持された翼部１の張出部１ａが翼部と連続して存在する。従って、翼部とバンド部は、ブレード織りの織物と平織り板とが実質的に一体化され、かつ境目に隙間が全くできないので高いシール性を得ることができる。
【００２８】
また、翼部１は、セラミックス繊維のブレード織りで成形されるので、フープ応力に対し強い強度を得ることができる。更に、一体で作られた静翼のため、従来の分割式のＣＭＣや一体式のＣＭＣに比較して構造がシンプルであり、大幅なコストダウンが可能である。
更にまた、ブレード織りと平織りをそれぞれ独立に最適化することにより、繊維の体積割合の高い高強度織物構造とすることができる。
【００２９】
なお、本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【００３０】
【発明の効果】
上述したように本発明のバンド部付きセラミックス基複合部材とその製造方法は、一体で作られた静翼のため、複雑な構造を必要としない、シール性に優れる、コストメリットがある、織り構造を組み合わせて最適化することで、繊維体積割合の高い高強度織物構造とできる、等の特徴を有する。
【００３１】
従って、本発明のバンド部付きセラミックス基複合部材とその製造方法は、バンド部と翼部を一体成形でき、かつ翼部がフープ応力に強く、翼部とバンド部とのシール性を高めることができる等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のバンド部付きセラミックス基複合部材の分解斜視図である。
【図２】本発明のバンド部付きセラミックス基複合部材の全体斜視図である。
【図３】ブレード織りの模式図である。
【図４】本発明によるバンド部付きセラミックス基複合部材の製造方法の模式図である。
【図５】バンド部付きセラミックス基複合部材の模式図である。
【図６】従来の分割式ＣＭＣ翼の模式図である。
【図７】従来の分割式ＣＭＣ翼の別の模式図である。
【符号の説明】
１翼部、１ａ翼部端の張出部、
２バンド部、２ａ平織り板、
３セラミックス繊維、
１０バンド部付きセラミックス基複合部材

Claims

翼形筒状の翼部と、該翼部の端部に連続して形成された平板状又は円弧状のバンド部とからなり、
前記翼部は、セラミックス繊維のブレード織りで成形され、かつ翼部端の張出部が折曲げられて、バンド部内に挟持されており、
前記バンド部は、セラミックス繊維の複数の平織り板が積層した積層体であり、該複数の平織り板の間に前記張出部が挟持されており、
前記翼部は、前記複数の平織り板のうち翼部両端のバンド部間の空間側を構成する平織り板を貫通しており、
更に、前記翼部の折曲げられた張出部と平織り板は、バンド部を貫通するセラミックス繊維で一体に縫い合わされている、ことを特徴とするバンド部付きセラミックス基複合部材。
翼形筒状の翼部を翼部端の張出部と共にブレード織りで成形する翼部成形ステップと、
平板状又は円弧状のバンド部を構成する複数の平織り板を成形するバンド部成形ステップと、
前記平織り板に前記翼部の両端を貫通させ、翼部端の張出部を折曲げ、前記翼部が貫通した平織り板と別の平織り板との間に前記張出部を挟持し、バンド部を貫通するセラミックス繊維で張出部と平織り板を一体に縫い合わす一体化ステップとを備える、ことを特徴とするバンド部付きセラミックス基複合部材の製造方法。
前記翼部成形ステップにおいて、治具の表面にセラミックス繊維をブレード織りし、次いでその表面にマトリックスを含浸させて翼部を成形する、ことを特徴とする請求項２に記載の製造方法。