JP4200554B2 - セラミックス複合材料からなるディスクまたはブリスク - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、航空、宇宙、船舶、発電等の分野において、例えば圧縮機やタービン等の構成部品として用いられる高速で回転するセラミックス複合材料のディスクまたはブリスク（ディスクと翼とが一体に形成されたもの）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、航空機の圧縮機やタービンでは、動翼を支持するためにディスクが用いられている。従来、このディスクは、ほとんどが金属で作られていたが、近年、軽量化および耐熱性向上のため、セラミックス材料あるいはセラミックス複合材料で形成されるディスクの開発が進められている。セラミックス複合材料からなるディスクは、例えば、強化繊維の縦糸と横糸によって２次元織物を作り、この２次元織物を複数段に積層したものに対し、気相含浸法（ＣＶＩ）またはポリマー含浸焼成法によってマトリックス原料を含浸させてなる複合材に機械加工を施すことで得られる。
【０００３】
ところが、セラミックス複合材料からなるものは、内部に２次元面内方向に繊維強化されているため周方向の強度が低く、あまり高応力状態で使用することができないことに加えて、層間剪断強度が低いという積層材特有の欠点を有するため、複雑な応力状態のディスクまたはブリスクには適していないという問題があった。
【０００４】
そこで、これらの問題を解決するセラミックス複合材料からなるディスクまたはブリスクとして、特開平９−１２５９０２号公報に掲載されているものが提供されている。
これは、上記強化繊維を円筒座標系に従った３次元配向とし、且つディスク中心からの距離に応じて強化繊維の配向比率を異ならせたものである。
【０００５】
そして、この構成により、上記のセラミックス複合材料からなるディスクまたはブリスクは、以下の点において回転体に適している。
（１）面内の強化繊維が回転方向および半径方向に一致して配置されているので、回転時に発生する応力をすべての強化繊維が負担することができる。
（２）ディスクの寸法・形状に応じて回転方向および半径方向の強化繊維の量（体積率）を部分的に適宜変えることにより、回転体内部に発生する応力を効率よく負担することが可能となり、高強度を発現する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したような従来のセラミックス複合材料からなるディスクまたはブリスクには、以下のような問題が存在する。
内外径比の大きな円盤形状複合材料を円筒座標系３次元織物から製作する場合、半径方向の強化繊維が中心から放射状に広がるため、外径側では半径方向の繊維体積率が減少してしまう。
【０００７】
そこで、繊維体積率を適正に保つために、半径方向途中の位置において半径方向繊維を継ぎ足す必要があり、通常は一定の位置のみで継ぎ足していた。ところが、この場合、積層方向で継ぎ目が直線状に並ぶため、強化用繊維にマトリックス原料を含浸させた際に継ぎ目部分で生じるボイド（空隙）がつながってしまいディスクの強度が低下するという問題があった。
【０００８】
本発明は、以上のような点を考慮してなされたもので、適正な繊維体積率を有し、且つ高強度を保持するセラミックス複合材料からなるディスクまたはブリスクを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために本発明は、以下の構成を採用している。
請求項１記載のセラミックス複合材料からなるディスクまたはブリスクは、円筒軸線方向に配向された縦糸が該円筒軸線周りに環状に、且つ該円筒軸線からの距離が異なるように複数重配置され、前記縦糸から外周へ向けて継ぎ足されて配向された横糸が前記円筒軸線周りに所定ピッチで複数環状に、且つ前記円筒軸線に沿って複数段積層される強化用繊維を備えたセラミックス複合材料からなるディスクまたはブリスクであって、前記横糸は、前記縦糸の各重で前記円筒軸線方向に隣接する継ぎ目が前記円筒軸線周りにずれて配置されていることを特徴とするものである。
【００１０】
従って、本発明のセラミックス複合材料からなるディスクまたはブリスクでは、縦糸の各重で円筒軸線方向で隣接する横糸との継ぎ目が円筒軸線周りでずれているので、マトリックス原料を含浸させた際に生じるボイドが直線状に並んでつながってしまうことを防止できる。
【００１１】
請求項２記載のセラミックス複合材料からなるディスクまたはブリスクは、請求項１記載のセラミックス複合材料からなるディスクまたはブリスクにおいて、前記円筒軸線方向で隣接する層の横糸は、前記円筒軸線からの距離が異なる縦糸に継ぎ足されることを特徴とするものである。
【００１２】
従って、本発明のセラミックス複合材料からなるディスクまたはブリスクでは、隣接する層の横糸間で、継ぎ目の円筒軸線からの距離が異なるので、隣接する継ぎ目の位置が半径方向でもずれる。そのため、円筒軸線方向に隣接する継ぎ目部分に発生するボイドを、円筒軸線周りに、且つ半径方向に分散させることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のセラミックス複合材料からなるディスクまたはブリスクの実施の形態を、図１ないし図３を参照して説明する。
図２は、本発明が適用されたタービンブリスクの一部の斜視断面図である。図中符号１は、運転時において高速で回転するディスク、符号２はディスク１の外周に取り付けられる動翼である。
【００１４】
動翼２は、ディスク１の外周に形成された溝に嵌合されて取り付けられる後付けのものと、ディスク１と一体に形成され、後の機械加工で切削されるディスクと一体構造のものがある。なお、後者の動翼２とディスク１とが一体構造のものをブリスクと称する。
【００１５】
ディスク１は、セラミックス複合材料からなるものであり、図１に示すように、内部に配される強化用繊維３を円筒座標系（ｒ：半径方向、θ：周方向、ｚ：円筒軸線方向）に沿う３次元配向とし、このように編み込んだ強化用繊維３に対しセラミックス材料からなるマトリックス４を含浸させたものである。
【００１６】
この強化用繊維３は、θ方向に配向された横糸θ１〜θ４と、半径方向に配向された横糸ｒ１〜ｒ３と、ｚ方向に配向された縦糸ｚ１〜ｚ６とから構成されている。
各縦糸ｚ１〜ｚ６は、円筒軸線周りに一定のピッチで環状に、且つ縦糸ｚ１から縦糸ｚ６まで円筒軸線からの距離、すなわち半径が順次大きくなるように複数重（図では六重）に所定間隔で配置されている。
【００１７】
横糸θ１〜θ４は、縦糸ｚ１〜ｚ４と同様に円筒軸線を中心とする半径が順次大きくなるように略同一平面内に配置されている。また、これら横糸θ１〜θ４は、ｚ方向に沿って複数段積層されている。
【００１８】
横糸ｒ１は、縦糸ｚ１で折り返すことで形成される継ぎ目から外周方向へ向けて継ぎ足された略Ｖ字形状のものが、略同一平面内で円筒軸線周りに一定のピッチで複数環状に配置されている。横糸ｒ２は、縦糸ｚ３で折り返すことで形成される継ぎ目から外周方向へ継ぎ足された略Ｖ字形状のものが、横糸ｒ１とｚ方向に隣接する層に円筒軸線周りに一定のピッチで、且つ横糸ｒ１の配置と半ピッチずれるように複数環状に配置されている。同様に、横糸ｒ３は、縦糸ｚ５で折り返した継ぎ目から外周方向へ継ぎ足された略Ｖ字形状のものが、横糸ｒ２とｚ方向に隣接する層に円筒軸線周りに一定のピッチで、且つ横糸ｒ２の配置と半ピッチずれるように複数環状に配置されている。
【００１９】
横糸ｒ３の次層には、縦糸ｚ１から円筒軸線周りに一定のピッチで配置された横糸ｒ１’が、縦糸ｚ１との継ぎ目を横糸ｒ１の継ぎ目と円筒軸線周りにずらすように継ぎ足される。同様に、横糸ｒ１’の次層に配置される横糸ｒ２’は、縦糸ｚ３から円筒軸線周りに一定のピッチで、且つ縦糸ｚ３との継ぎ目を横糸ｒ２の継ぎ目と円筒軸線周りにずらすように継ぎ足される。そして、次層以降は、上記パターンが繰り返される。
【００２０】
すなわち、横糸ｒ１、ｒ２、ｒ３、ｒ１’、…の継ぎ目は、円筒軸線からの半径が隣接する層で異なるように、且つ縦糸ｚ１、ｚ３、ｚ５の各重においてｚ方向に隣接する継ぎ目が円筒軸線周りにずれるように配置される。
【００２１】
なお、強化用繊維３の編み方としては、ｎ軸−３次元織物等が考えられる。また、強化繊維３の元素組成、マトリックス４の種類および成形方法については、特開平９−１２５９０２号に開示されているものと同等であるので、ここでの詳述は省略する。
【００２２】
上記の構成のディスクでは、横糸ｒ１、ｒ２、ｒ３、…が半径方向途中の位置において縦糸ｚ１、ｚ３、ｚ５でそれぞれ折り返して継ぎ足されているので、図３に示すように、外径側でも繊維体積率を低下させることなく適正に維持できることに加えて、縦糸ｚ１、ｚ３、ｚ５の各重でｚ方向に隣接する横糸の継ぎ目が円筒軸線まわりにずれて配置されているので、継ぎ目で発生するボイドが積層方向で直線状に並びつながってしまうことがない。
【００２３】
また、上記の構成のディスクでは、ｚ方向で隣接する段の横糸が円筒軸線からの距離が異なる縦糸に継ぎ足されているので、隣接する継ぎ目の位置が半径方向でもずれることになり、継ぎ目の位置を一層分散させることができ、ディスク全体として継ぎ目を一様に配置することができる。そのため、上記のディスクでは、ボイド連通に起因する強度低下を防ぐことができ、適正な繊維体積率を維持しつつ高い強度を保持することができる。
【００２４】
さらに、強化用繊維３が三次元配向とされているので、ｚ方向にマトリックス原料ガスおよびポリマーが浸透しやすい通路を確保することができ、マトリックス原料を内部まで充分にしみ込ませることが可能になる。そのため、マトリックス充填率を向上させることもできる。
【００２５】
なお、上記実施の形態では、セラミックス複合材料からなるディスクを例示したが、ブリスクにおいても同様の作用、効果を得ることができる。
また、縦糸ｚ１〜ｚ６、横糸ｒ１、ｒ２、ｒ３…の配置は、必ずしも上記の構成に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲であれば適宜変更可能であり、例えば、縦糸を半径方向に密に配置し、この縦糸から横糸を継ぎ足せば、横糸間の隙間の間隔が小さくなることで、図３に示した繊維体積率の変動幅も小さくなり、マトリックス充填率を一層向上させることも容易である。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係るセラミックス複合材料からなるディスクまたはブリスクは、縦糸の各重において円筒軸線方向で隣接する横糸の継ぎ目が円筒軸線周りにずれて配置される構成となっている。
これにより、このセラミックス複合材料からなるディスクまたはブリスクでは、継ぎ目で発生するボイドが縦糸に沿った積層方向で直線状に並びつながってしまうことがないので、ディスク全体の繊維体積率が局所的に減少してしまうことを防止しつつ、マトリックス充填率を向上させ、充分に高強度を発現させることができるという優れた効果が得られる。
【００２７】
請求項２に係るセラミックス複合材料からなるディスクまたはブリスクは、円筒軸線方向で隣接する層の横糸が円筒軸線からの距離が異なる縦糸に継ぎ足される構成となっている。
これにより、このセラミックス複合材料からなるディスクまたはブリスクでは、隣接する継ぎ目の位置が半径方向でもずれることになり、継ぎ目に発生するボイドの位置を一層分散させることができる。したがって、このセラミックス複合材料からなるディスクまたはブリスクでは、ディスクまたはブリスク全体として継ぎ目を一様に配置することができ、一層高強度を発現できるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態を示す図であって、縦糸の各重で隣接する横糸の継ぎ目が円筒軸線周りにずれて配置された強化用繊維の平面図である。
【図２】 同強化用繊維を有するディスクの斜視断面図である。
【図３】 円筒軸線からの距離と繊維体積率との関係を示す関係図である。
【符号の説明】
１ ディスク
３ 強化用繊維
ｚ１〜ｚ６ 縦糸
ｒ１、ｒ２、ｒ３、… 横糸

Claims (2)

1. 円筒軸線方向に配向された縦糸（ｚ１〜ｚ６）が該円筒軸線周りに環状に、且つ該円筒軸線からの距離が異なるように複数重配置され、前記縦糸から外周へ向けて継ぎ足されて配向された横糸（ｒ１、ｒ２、ｒ３、…）が前記円筒軸線周りに所定ピッチで複数環状に、且つ前記円筒軸線に沿って複数段積層される強化用繊維（３）を備えたセラミックス複合材料からなるディスクまたはブリスクであって、
   前記横糸は、前記縦糸の各重で前記円筒軸線方向に隣接する継ぎ目が前記円筒軸線周りにずれて配置されていることを特徴とするセラミックス複合材料からなるディスクまたはブリスク。
2. 請求項１記載のセラミックス複合材料からなるディスクまたはブリスクにおいて、
   前記円筒軸線方向で隣接する層の横糸は、前記円筒軸線からの距離が異なる縦糸に継ぎ足されることを特徴とするセラミックス複合材料からなるディスクまたはブリスク。

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