JP4366069B2 - セラミックマトリックス複合材製の部品のためのモノリシックセラミック取付けブッシュ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミックマトリックス複合材製の部品一般に関し、より具体的には、低温金属製ガスタービン部品に取り付けるように設計された耐熱性セラミックマトリックス複合材製のブッシュに関する。
【０００２】
【従来の技術】
セラミックマトリックス複合材は、高い材料温度性能を示す。しかしながら、ガスタービン分野においては、それらの複合材は、低温金属製ガスタービン部品に取り付けられることがしばしば必要とされる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
公知の炭化ケイ素セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）を金属製部品に取り付けることに関連する問題には、磨耗、酸化（金属との間のイオン移動による）、応力集中（締付け荷重による）、厚いセクション構造への移行、及びＣＭＣ内に孔を形成するときの繊維損傷が含まれる。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の例示的な実施形態においては、モノリシックセラミックスの極めて高い強度の利点を活用して、ボルト及びピン式の取付け手段の締付け荷重を吸収する。従って、ブッシュは、炭化ケイ素又は窒化ケイ素モノリシックセラミックのいずれかで作られた内部コアを有し、該内部コアは、該内部コアの周りに成型されるＣＭＣ材料で作られた外側ハウジングの内部に埋め込まれる。内部コアに適した材料の選定は、特定の取付け要件に応じて行われ、またブッシュの内部コアの形状は、いかなる形状でも可能であることが分かるが、そのうちの２つを本明細書中に開示する。従って、内部コアがＣＭＣ部品の内部に良好に包み込まれ、また荷重がＣＭＣ構造中に最適に分散されるのを保証するように、内部コアの形状は、最適化されるのが好ましい。この例示的な実施形態において、ブッシュの内部コアの必要な孔の寸法は、ＣＭＣ部品内部にモノリシックセラミックの適当な表面積を維持するために、ブッシュの全体寸法を設定する要因となる。
【０００５】
従って、そのより広範囲な態様において、本発明は、ブッシュに関し、該ブッシュは、その中に所定の直径の貫通孔を形成したモノリシックセラミック材料からなる内部コアと、セラミック複合マトリックス材料を含み、内部コアを実質的に包み込む外側ハウジングとを含む。
【０００６】
別の態様において、本発明は、窒化ケイ素又は炭化ケイ素からなるブッシュに関し、該ブッシュは、第１の外側直径と、その中に形成された第２の直径を有する貫通孔とを有する内部コアを含み、第１の直径は第２の直径の２．５〜４倍であり、外側ハウジングが内部コアを実質的に包み込み、また外側ハウジングはセラミックマトリックス複合材料からなっている。
【０００７】
更に別の形態において、本発明は、ガスタービン構造内で用いられるブッシュを製作する方法に関し、該方法は、（ａ）窒化ケイ素又は炭化ケイ素により、所定の直径の貫通孔を有する内部コアを形成する段階と、（ｂ）内部コアのほぼ全体を覆うようにセラミックマトリックス複合材料を施す段階とを含む。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１及び図２を参照すると、ブッシュ１０は、窒化ケイ素又は炭化ケイ素で作られたモノリシックセラミックの内部コア１２を含む。これらの材料は、極めて硬質でかつ耐磨耗性の表面を形成しながら、周囲のセラミックマトリックスの複合マトリックス（ＣＭＣ）と良好に接合する。モノリシックセラミック材料はまた、特定の取付け要件に必要とされる精密公差を維持することができる。内部コア１２は、ボルトシャンク又はピンのような金属製ガスタービン部品を受ける寸法にされた貫通孔１４を含む。内部コア１２はまた、平坦で環状の部分即ち面１６、１８を含み、これら面１６、１８は外側ハウジング２４の周囲の一部をなす対向する側面２０、２２と同一平面になっている。
【０００９】
内部コア１２は、平坦な環状の面１６、１８から内部の最大直径の湾曲した端縁２６まで、ほぼ平坦な傾斜した表面２８、３０によって対称的な形で半径方向外向き方向に厚さが減少している。端縁２６は、ＣＭＣハウジング２４の側面２０、２２の間でほぼ中央に位置する。
【００１０】
図３においては対応する要素に同様な参照符号を用いて頭に「１」を付しているが、この図３に示す別の実施形態において、内部コア１１２は、平坦な環状の面１１６、１１８から内部の最大直径の凸状に湾曲した端縁１２６まで、凹状に湾曲した表面１２８、１３０によって半径方向外向き方向に厚さが減少している。
【００１１】
両方の場合に、ブッシュ１０の製作は同様である。従って、窒化ケイ素又は炭化ケイ素モノリシックの内部コア１２を製作した後に、ＣＭＣ材料が、内部コア１２全体を覆って成型される。これを行う方法は、部品をガラス繊維内に埋め込む方法と同様にすることができ、複合材ブッシュの外側寸法が得られるまで、ＣＭＣの積み重ね層がモノリシック内部コア上に部分として又は帯片として順次積み重ねられる。
【００１２】
上述の構成は、モノリシックセラミックスの極めて高い強度の利点を活用してボルト及びピン式の取付け具による締付け荷重を吸収することを意図するものである。内部コア１２は、取付け個所の周りの応力場が、ＣＭＣ外側ハウジング２４のより広い面積内における取り巻き繊維により構成されるより広い面積にわたって、拡散されることを可能にする。
【００１３】
材料の選定は、特定の用途に応じて行うことになり、またブッシュの内部コア１２の形状は、周囲のＣＭＣ外側ハウジング２４中に最適の荷重分布を生じるように変えることができる。その上、孔１４の直径が、ＣＭＣ外側ハウジング内においてモノリシック内部コアの隣接表面積を維持するために、ブッシュの寸法を一部決定する。モノリシック内部コアの全体直径のその孔の直径に対する比率は、正確な比率は特定の用途での要求により決定されるが、２．５〜４に維持されるのが望ましい。
【００１４】
本発明を、現在最も実用的で好ましい実施形態であると考えられるものに関して説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるべきではなく、また特許請求の範囲に記載された符号は理解の容易のためであって、権利範囲を狭めるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の例示的な実施形態による、セラミックマトリックス複合材料の内部に包み込まれたモノリシックセラミック製コアを有するブッシュの正面図。
【図２】 図１に示すブッシュの側面図。
【図３】 本発明の別の実施形態によるブッシュの側面図。
【符号の説明】
１０ ブッシュ
１２ 内部コア
１４ 貫通孔
１６、１８ 内部コアの環状の面
２０、２２ 外側ハウジングの対向する側面
２４ 外側ハウジング
２６ 内部コアの湾曲した半径方向外端縁
２８、３０ 内部コアの表面

Claims (9)

1. その中に所定の直径の貫通孔（１４）を形成したモノリシックセラミック材料からなる内部コア（１２）と、
   前記内部コアを実質的に包み込むセラミック複合マトリックス材料からなる外側ハウジング（２４）と、
   を含むブッシュ（１０）であって、前記内部コア（１２）が、前記貫通孔（１４）の周りに、前記外側ハウジングの対向する側面（２０、２２）と同一平面になっている正面（１６）及び裏面（１８）を有しており、かつ前記内部コア（１２）が、前記正面及び裏面部分から前記外側ハウジング（２４）の対向する側面（２０、２２）に対して中央に位置する湾曲した半径方向外端縁（２６）まで、内側方向に傾斜した表面（２８、３０）を更に含む、ブッシュ（１０）。
2. 前記モノリシックセラミック材料が窒化ケイ素からなる、請求項１に記載のブッシュ。
3. 前記モノリシックセラミック材料が炭化ケイ素からなる、請求項１に記載のブッシュ。
4. 前記表面（２８、３０）がほぼ平坦である、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のブッシュ。
5. 前記表面（１２８、１３０）が凹面形である、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のブッシュ。
6. 前記外側ハウジング（２４）が前記内部コア（１２）の周りに成型される、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のブッシュ。
7. 前記内部コア（１２）の貫通孔（１４）が、前記外側ハウジング（２４）の対向する側面に対して引っ込んでいる、請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載のブッシュ。
8. ガスタービン構造内で用いられるブッシュ（１０）の製作方法であって、当該方法が、
   （ａ）窒化ケイ素又は炭化ケイ素により、所定の直径の貫通孔（１４）を有する内部コア１２を形成する段階と、
   （ｂ）前記内部コアのほぼ全体を覆うようにセラミックマトリックス複合材料を施す段階と、
   を含んでおり、前記内部コア（１２）が、前記貫通孔（１４）の周りに、前記外側ハウジングの対向する側面（２０、２２）と同一平面になっている正面（１６）及び裏面（１８）を有しており、かつ前記内部コア（１２）が、前記正面及び裏面部分から前記外側ハウジング（２４）の対向する側面（２０、２２）に対して中央に位置する湾曲した半径方向外端縁（２６）まで、内側方向に傾斜した表面（２８、３０）を更に含む、方法。
9. 前記段階（ａ）において、前記内部コア１２が、前記孔の直径より２．５〜４倍大きい外径を有するように形成される、請求項８に記載の方法。

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