JP4974100B2 - 複雑な形状のプリフォームのための直交織り - Google Patents

Description

本発明は、総括的には複合材プリフォーム及び複合材プリフォームを製作する方法に関する。

ガスタービンエンジンでは、空気が圧縮機内で加圧され、燃焼器内で燃料と混合されかつ点火されて高温燃焼ガスを発生し、この高温燃焼ガスが幾つかのタービン段を通って下流方向に流れる。タービン段は、内側及び外側鋳造品間で半径方向に延びる固定タービンベーンを含む。ベーンは、鋳物内の開口と一致する開口を備えた状態の中空である。ベーンは、該ベーンの下流側に配置された対応するタービンロータブレード間に燃焼ガスを案内するための翼形部構成を有する。ブレードは、作動中に回転するロータディスクの円周部に取付けられて、作動中に圧縮機又はファンを回転させるための動力を供給するようになっている。タービンベーンは作動中にその上を流れる高温燃焼ガスによって加熱されるので、圧縮機から抽気した冷却空気をベーンの内部に流して、ベーンを冷却するようにする。

推力対重量比を増大させ、エミッションを低下させかつ燃料消費率を向上させるようにガスタービンエンジンの効率及び性能を高めるために、エンジンタービンはより高温で作動するようにされる。より高温が達成され、エンジンの高温セクション、特にエンジンのタービンセクションにおける部品を含む材料の限界を超えるにつれて、新規な材料が開発されなければならなくなる。

エンジンの作動温度が高くなるにつれて、燃焼室及びタービンブレードを含む耐熱合金を冷却する新規な方法が開発されてきた。例えば、高温燃焼流出ガスのストリーム内の部品の表面に対してセラミック断熱皮膜（ＴＢＣ）を施工して、熱伝達率を低下させ、下にある金属に対して熱保護を与え、また部品がより高温に耐えるのを可能にするようになってきた。これらの改良は、最高温度及び熱勾配を低下させるのに役立った。同時に、耐熱合金に代わるものとして、セラミックマトリックス複合材が開発されてきた。多くの場合、セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）は、金属に優る向上した温度及び密度の利点を備え、より高い作動温度が望ましいときに、これらが材料として選択されてきた。

多くの方法が、タービンエンジン部品を製造するために使用されてきた。そのような方法の一つは、ＣＭＣからタービンブレードを製造することを含む。ＣＭＣ部品を製造する一つの方法は、その全体が参考文献として本明細書に組み入れられた特許文献１、特許文献２及び特許文献３に記載されており、溶融シリコンで浸透処理した繊維状材料を含有した炭化ケイ素マトリックス複合材の製造に関するもので、この方法は本明細書ではＳｉｌｃｏｍｐ法と呼ぶ。この繊維は一般的に、約１４０マイクロメートル又はそれより大きい直径を有し、このことにより、タービンブレード部品のような入り組んだ複雑な形状をＳｉｌｃｏｍｐ法によって製造することが妨げられる。

ＣＭＣタービンブレードを製造する別の方法は、スラリー鋳造溶浸（MＩ）法として知られている方法である。スラリー鋳造MＩ法のような方法の説明は、参考文献として本明細書に組み入れられた特許文献４に詳細に記載されている。スラリー鋳造MＩ法を用いる１つの製造方法では、ＣＭＣは、炭化ケイ素（ＳｉＣ）含有繊維を含み、ほぼ同数の繊維が両織り方向に延びている状態の互いにほぼ９０°の角度をなす２つの織り方向を有する平衡二次元（２Ｄ）ウーブン・クロスのプライを初期に形成することによって製造される。二次元プライの使用は、タービンブレードのような入り組んだ複雑な形状を製造するのを妨げる。

ＣＭＣプリフォームを製造する現在の方法の一つの欠点は、複合材に有利な構造的特性を与える繊維が、最適な繊維構造を形成するように配置されかつ組み合わされ又は織り合わされていないことである。三次元複合材を予成形する従来の方法は一般的に、所望の複雑なプリフォーム形状が得られないウーブン又はブレーデッド形状を製作することを含む。必要なものは、「ニアネットシェイプ」に組み立てることができる調整した繊維構造が得られる三次元複合材プリフォームを織る方法である。
米国特許第５０１５５４０号 米国特許第５３３０８５４号 米国特許第５３３６３５０号 米国特許第６２８０５５０号

製造法及び材料の改良が、多くの物品における性能の向上及びコストの低減の鍵である。実例として、プロセス及び材料の継続的かつしばしば相互に関連した改良により、本発明の改良のような航空機ガスタービンエンジンの性能における大きな向上が得られてきた。本発明は、ニアネットシェイプに組み立てることができる調整した繊維構造が得られる三次元複合材プリフォームを織ることによって、セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）で作られたタービンエンジン部品を製造する新規な方法である。ニアネットシェイプというのは、織った後に、複合材を最終製作する前に殆ど又は全くトリミングを必要としない複合材プリフォームの形状である。本発明は、織り内部に微細な単位格子サイズがある利点を有する、入り組んだ複雑な形状に調整した部品を製造し、得られた複合材は非常に優れた機械特性と耐食性とを有する。

本発明の方法は、特にガスタービンエンジン用のタービン翼形部部品の製作に適している。具体的には、本発明の方法は、ガスタービンエンジンにおいて使用する固定タービンベーンの製作に適している。本発明の方法は、本方法が複合材に最終製作する前にトリミング（すなわち、ニアネットシェイプ）を必要としない複雑なかつ／又は入り組んだ形状のプリフォームの製作を可能にするので、固定タービンベーンのような複雑なかつ／又は入り組んだ形状を有する複合材に特に適している。

本発明は、プリフォームを織る方法を提供し、本方法は、基盤上に予め定めた数のワープ・ピンを位置決めする段階を含む。基盤上のワープ・ピンは、実質的に所望のプリフォーム形状の輪郭を形成する経路を形成するように位置決めされる。予め定めた数のダミー・ピンが、ワープ・ピンによって形成された経路の輪郭になるように、基盤上に位置決めされる。ダミー・ピンの助けにより、ワープ・ピンによって形成された経路に沿ってトウに対する支持を行うことによってウェフト・トウ及びステッチャ・トウの配置が容易になる。本方法はさらに、所望のプリフォーム形状の全体輪郭を形成するようにワープ・ピンに隣接させて第１の予め定めた数のウェフト・トウを配置する段階を含む。予め定めた数のステッチャ・トウが、ワープ及びダミー・ピンに隣接して配置される。予め定めた数のステッチャ・トウは、第１の予め定めた数のウェフト・トウに隣接しかつ該第１の予め定めた数のウェフト・トウに対してほぼ垂直に配置される。基盤を貫通してワープ・ピン及びダミー・ピンを前進させて、ウェフト及びステッチャ・トウを配置するのに十分なピンの長さを維持する。第２の予め定めた数のウェフト・トウが、第１の予め定めた数のウェフト・トウの方向と反対の方向に、ワープ・ピンによって形成された経路内にワープ・ピンに隣接して配置される。この第２の予め定めた数のウェフト・トウは、前に配置したウェフト・トウ及びステッチャ・トウ上に重ねて置かれる。第２の予め定めた数のステッチャ・トウが、第２の予め定めた数のウェフト・トウに隣接してかつ該第２の予め定めた数のウェフト・トウに対してほぼ垂直に配置される。本方法は、ウェフト・トウ及びステッチャ・トウの厚さを構築するために反復される。ワープ・ピン及びダミー・ピンに隣接して配置された複数のウェフト・トウ及びステッチャ・トウは、該ウェフト・トウ及びステッチャ・トウに対して垂直方向の構築寸法を有する所望のプリフォーム形状の全体輪郭を形成する。予め定めた構築寸法の厚さが達成されると、ワープ及びダミー・ピンは取り除かれ、ワープ・ピンは、ワープ・トウによって置き換えられる。得られたプリフォームは、組み合わされかつ織り合わされた繊維構造を有するニアネットシェイプである。

本発明の他の特徴及び利点は、実施例として本発明の原理を説明する添付の図面に関連してなされた以下の好ましい実施形態のより詳細な説明から明らかとなるであろう。

図１は、ベーン２０の断面図を示す。ベーン２０は、構造補強材４０と冷却空気チャネル４２とを含む比較的複雑な三次元形状である。エンジン作動中に、低温加圧空気が、ガスタービンエンジン（図示せず）の圧縮機セクションから抽気され、チャネル４２を通して導かれてベーン２０を冷却する。

図２は、好ましい構造で配置された複数のトウ５０を示す、本発明のステッチ織り（縫い合わせ織り）体４８の斜視図である。理解されるように、図２は、本発明によって形成されたパターンを示す。繊維トウ５０は、１つ又は複数の長くかつ比較的細いより小径の繊維で構成される。図２に示すように、繊維トウ５０は、ウェフト・トウ（横糸トウ）５４、ステッチャ・トウ（縫い合わせトウ）５６及びワープ・トウ（縦糸トウ）５８を含む３つのタイプを含む。繊維トウ５０を構成するより細い繊維は、セラミックマトリックス複合材のプリフォームの製作に適した任意の繊維とすることができる。繊維は、それに限定されないが、炭化ケイ素（ＳｉＣ）を含むことができる。ウェフト・トウ５４及びワープ・トウ５８及びステッチャ・トウ５６は、三次元直交ジオメトリの形態である。本発明の１つの実施形態では、ウェフト・トウ５４、ワープ・トウ５８及びステッチャ・トウ５６は、互いに９０°の角度で配向される。ウェフト・トウ５４及びワープ・トウ５８の長さは、それぞれ第１及び第２の直交方向を定める。ステッチ織り体４８は、第３の直交方向に沿って測定した通し厚さ６０によって定まる。

図３は、用意周到な方法の段階を説明した、本発明による好ましい方法を示す。段階１００において、ワープ・ピン（縦糸方向ピン）７２及びダミー・ピン７４が、所望のプリフォーム形状を形成するように基盤に沿って配置される。図４〜図９は、図３の段階１１０及び段階１２０として説明するような、ウェフト・トウ５４及びステッチャ・トウ５６を配置する段階を示す。段階１１０において、ウェフト・トウ５４は、ワープ・ピン７２に隣接する経路内に配置され又は重ねて置かれ、それによって所望の形状の輪郭を形成する（図４参照）。段階１２０において、ステッチャ・トウ５６は、配置したウェフト・トウ５４に対してほぼ垂直な角度で、ワープ・ピン７２及びダミー・ピン７４に隣接して配置され又は重ねて置かれる（図５参照）。段階１３０において、ウェフト・トウ及びステッチャ・トウ５６の両方に対して垂直な軸線に沿って測定した所望の構築高さが達成されたかどうかの判定がなされる。段階１３０での構築高さの判定が否定的な場合には、プロセスは段階１１０に戻り、ウェフト・トウ５４を配置すること及びステッチャ・トウ５６を重ねて置くことの段階が反復される。段階１３０での構築高さの判定が肯定的な場合には、プロセスは段階１４０に進む。段階１４０において、ワープ・ピン７２及びダミー・ピン７４が取り除かれ、ワープ・ピン７２はワープ・トウ５８で置き換えられ、それによってステッチ織り体４８の製作が完了する。

図４〜図７は、構築高さを形成する時にウェフト・トウ５４及びステッチャ・トウ５６を配置する段階を示す。図８及び図９は、ピンの配置とウェフト・トウ５４及びステッチャ・トウ５６の配置のための別の実施形態を示す。図４〜図９に示すピンは、ワープ・ピン７２及びダミー・ピン７４を含む。ワープ・ピン７２は、予め定めた構築高さが達成されるとウェフト・トウ５８で置き換えられる。ダミー・ピン７４は、ウェフト・トウ５４及びステッチャ・トウ５６の配置を容易にし、ワープ・トウ５８で置き換えられることはない。

図４は、図３の「所望の経路内にウェフト・トウを配置する」段階１１０を示しており、ここでは、ワープ・ピン７２及びダミー・ピン７４が位置決めされ、ウェフト・トウ５４は所望の経路内にワープ・ピン７２及びダミー・ピン７４に隣接して配置され又は重ねて置かれる。

図５は、図３の「所望の経路内に個々のステッチャ・トウを重ねて置く」段階１２０を示しており、ここでは、ステッチャ・トウ５６は、ウェフト・トウ５４及びワープ・ピン７２及びダミー・ピン７４に対して垂直な角度で配置され又は重ねて置かれる。

図６は、段階１３０の直ぐ後における段階１１０の続きの部分を示しており、ここでは、所望の経路内にワープ・ピン７２に隣接して付加的なウェフト・トウ５４が配置され又は重ねて置かれる。ウェフト・トウ５４及びステッチャ・トウ５６は、互いの上に構築され、ウェフト・トウ５４及びステッチャ・トウ５６の両方に対して垂直な第３の次元での構築高さを形成する。

図７は、前回の段階１２０の実行後における段階１２０の続きの部分を示しており、ここでは、ステッチャ・トウ５６は、前回の段階１２０から約１８０度の配向（すなわち、反対方向）でワープ・ピン７２及びダミー・ピン７４に隣接して配置され又は重ねて置かれる。反復段階１２０における配向は、図３に示した方法の各反復では１８０度ほど回転する。このようにして、図７に示すような得られたステッチ織り体４８は、ウェフト・トウ５４及びステッチャ・トウ５６に対して垂直な方向に構築され、三次元形状として製作される。本発明のステッチ織りプロセスを完了するために、予め定めた構築高さが達成されると、ダミー・ピン７４及びワープ・ピン７２が取り除かれ、ワープ・ピン７２はワープ・トウ５８で置き換えられる。ワープ・ピン７２のワープ・トウ５８での置き換えにより、ウェフト・トウ５４及びステッチャ・トウ５６の両方に対して垂直な方向においてステッチ織り体４８が補強される。

図８は、図４〜図７のステッチ織り体４８の変形形態を示しており、ここでは、ダミー・ピン７４及びワープ・ピン７２は別の形状で位置決めされる。具体的には、複数のピン７０がプリフォーム形状の一部分内に互いに隣接して位置決めされる。図８に示すステッチ織り体４８は、図３に説明したのと同様な方法で実行されてステッチ織り体４８が製作される。このようにして、ステッチ織り体４８は、より多くのワープ・トウ５８を有し、それによって得られた複合材の強度がワープ・トウ５８の軸線に沿って増大することになる。複合材プリフォームの強度は、ワープ・トウ５８のステッチャ・トウ５６に対する比率及び他の所望のトウ比率によって調整される。

図９は、図４の方法によって接合部が形成されているステッチ織り体４８を示す。本明細書で説明するように、ピン７０に隣接して、ウェフト・トウ５４が重ねて置かれ、ステッチャ・トウ５６が重ねて置かれ、付加的なウェフト・トウ５４が重ねて置かれ、次に同じステッチャ・トウ５６が重ねて置かれ、それによってステッチャ・トウ５６が、得られたプリフォームを一体に縫い合わせて所望の形状を形成することが可能になる。

図１０は、図３の方法により、図２のベーンのプリフォーム構造を製作するのを示す。図１０では、分かり易くするためにダミー・ピン７４を省略しており、ワープ・ピン７２がワープ・トウ５８で置き換えられている。理解されるように、本発明の教示によって、多くの異なった複雑な形状を製作することができる。ウェフト・トウ５４を配置する段階は、一つの段階でステッチ織り体４８内の異なる位置に多数のウェフト・トウ５４を配置することを含むことができることに注目されたい。このようにして、ベーン２０は、セラミックマトリックス複合材で製作することができ、この場合、プリフォームは、所望の特性をもたらすように調整することができる最適な構造に初期に縫い合わせかつ織ることができる。

本発明の別の実施形態では、ステッチャ・トウ５６を配置する段階は、所望のプリフォーム形状に沿った位置において、配置したウェフト・トウ５４に対してほぼ垂直な角度でワープ・ピン７２及びダミー・ピン７４に隣接させて、ステッチャ・トウ５６を配置し又は重ねて置いて、付加的な横方向繊維強化した完成セラミックマトリックス複合材を得るようにする段階を含む。

本発明の別の実施形態では、ニアネットシェイプのプリフォームが織られた後に、プリフォームは、ウーブン・セラミック・クロスを含むセラミック・クロスの場合に知られている任意の公知のセラミックマトリックス複合材処理方法によって処理することができる。最終セラミックマトリックス複合材を形成する好適なプロセスの実施例には、それに限定されないが、ウーブン・セラミック・プリフォームであるプリフォームを化学蒸気反応装置内に置き、プリフォームを加熱し、ウーブン・セラミック・プリフォーム上に、好ましくはウーブン・セラミック・プリフォーム内部に蒸気の形態で分子又は原子を堆積させる化学蒸気浸透法、セラミックプリフォームを液体金属浴中に浸漬し、その金属を酸化によってセラミック材料に転化するＬａｎｘｉｄｅ法、ウーブン・プリフォームを炭素含有スラリーで浸透処理し、炭素含有スラリーを溶融シリコンで浸透処理することによってセラミックに転化する溶浸法、及びポリマーの高温での熱分解によってセラミックに転化するマトリックス（基質）のポリマー前駆体でプリフォームを含浸処理するポリマー含浸・熱分解法が含まれる。これらの処理方法の各々は一般的に、マトリックス処理に先立って、薄いセラミック界面層（ＢＮ，ＢＮ／Ｓｉ_３Ｎ_４）でプリフォームを被覆する段階を含む。本発明をＣMＣ処理に関して説明してきたが、本発明の製織方法はまた、それに限定されないが、炭素−エポキシ複合材及び炭素−炭素複合材を含む任意の複合材の調製にも使用できる。

本発明の好ましい実施形態では、ニアネットシェイプのプリフォームが織られた後に、プリフォームはスラリー鋳造溶浸法によって処理してＣMＣにすることができる。スラリー鋳造溶浸法は、ＳｉCのような基質を多孔性プリフォーム内にスラリー鋳造することを含む。スラリー鋳造プリフォームは、次にシリコンのような好適な浸透剤で溶浸処理することによって高密度化される。

本発明においてトウとして有用な繊維には、それに限定されないが、ＳｉCが含まれる。別の好適な繊維には、炭素繊維、アルミナ（すなわち、□−Ａｌ_２Ｏ_３）及びアルミナ−シリカ繊維のような酸化物繊維、窒化ホウ素及び炭素被覆繊維のような被覆繊維、並びにそれらの組合せが含まれる。

処理したニアネットシェイプＣＭＣのプリフォームに好適な基質には、それに限定されないが、炭化ケイ素が含まれる。別の基質には、アルミナ、シリカ、アルミナ・シリケート、ガラス、ムライト、炭素、並びにＡｌ、Ｓｉ、Ｈｆ、Ｙ及びＺｒのような元素の酸化物、並びにその混合物及びその組合せが含まれる。

本発明を好ましい実施形態に関して説明してきたが、本発明の技術的範囲から逸脱することなく、本発明の要素に様々な変更を加えることができ、また本発明の要素を均等物で置き換えることができることは、当業者には明らかであろう。さらに、本発明の本質的な技術的範囲から逸脱することなく、特定の状況又は物的要素を本発明の教示に適合させるように、多くの改良を加えることができる。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

エンジンの半径方向軸線に沿ったベーンの形状を示す、ガスタービンエンジンベーン用の中空タービンの断面図。 本発明の直交ステッチ織りパターンの斜視図。 本発明による例示的な方法を示すフローチャート。 図２のステッチ織り体を形成する初期の段階を示す断面図。 図２のステッチ織り体を形成する更に進んだ段階にある、図４の構成を示す断面図。 図２のステッチ織り体を形成する更に進んだ段階にある、図５の構成を示す断面図。 図２のステッチ織り体を形成する更に進んだ段階にある、図６の構成を示す断面図。 図４〜図７に示すステッチ織り方法の変形形態を示す図。 本発明による、複雑な形状での接合部を形成するのに使用する例示的なパターンを示す、図８に示すステッチ織り体の変形形態を示す図。 本発明による、図２のステッチ織りパターンを示す、図１の中空ベーンの断面図。

符号の説明

２０ ベーン
４０ 構造補強材
４２ 冷却空気チャネル
４８ ステッチ織り体
５０ トウ
５４ ウェフト・トウ
５６ ステッチャ・トウ
５８ ワープ・トウ
６０ 通し厚さ
７０ ピン
７２ ワープ・ピン
７４ ダミー・ピン

Claims (10)

1. 完成セラミックマトリックス複合材を形成するためのプリフォームを織る方法であって、
   基盤の表面から垂直に延びまた該基盤の横方向にわたって配置されて所望のプリフォーム形状の全体輪郭を形成するように予め定めた数のピン（７０）を該基盤内に位置決めする段階と、
   前記所望のプリフォーム形状の全体輪郭を形成する第１の経路内に、前記ピン（７０）に隣接させて第１の予め定めた数のウェフト・トウ（５４）を配置する段階と、
   前記第１の予め定めた数のウェフト・トウ（５４）に隣接してかつ前記所望のプリフォーム形状の全体輪郭を形成する経路に対して垂直に、前記ピン（７０）に隣接させて予め定めた数のステッチャ・トウ（５６）を配置する段階と、
   前記基盤を貫通して垂直方向に前記ピンを前進させて、付加的なウェフト・トウ（５４）及びステッチャ・トウ（５６）を配置するのを可能にするのに十分なピン長さを形成する段階と、を含み、
   前記ウェフト・トウ（５４）及びステッチャ・トウ（５６）が予め定めた厚さを形成するまで、前記ウェフト・トウ（５４）を配置する段階、ステッチャ・トウ（５６）を配置する段階及びピン（７０）を前進させる段階を反復し、
   前記予め定めた厚さが達成されると、前記ピン（７０）を取り除きかつワープ・トウ（５８）で置き換えて前記所望のプリフォーム形状を形成する、
   方法。
2. 前記所望のプリフォーム形状が、前記完成セラミックマトリックス複合材に最終製作する前に実質的にトリミングを必要としない形状である、請求項１記載の方法。
3. 前記完成セラミックマトリックス複合材の強度を制御するために、予め定めたステッチャ・トウ対ワープ・トウ（５８）の比率を決定する段階をさらに含む、請求項１記載の方法。
4. 前記予め定めた比率が、前記ステッチャ・トウ（５６）よりも多い数のワープ・トウ（５８）を含み、前記ワープ・トウ（５８）に対して平行な方向に前記セラミックマトリックス複合材の強度を増大させる、請求項３記載の方法。
5. 予め定めた数のステッチャ・トウ（５６）を配置する前記段階が、横方向繊維強化した前記完成セラミックマトリックス複合材を得るために、前記所望のプリフォーム形状に沿った位置に前記ステッチャ・トウ（５６）を配置する段階を含む、請求項１記載の方法。
6. 前記ウェフト・トウ（５４）、ステッチャ・トウ（５６）及びワープ・トウ（５８）が、複数の個々の繊維を含む、請求項１記載の方法。
7. 前記繊維が炭化ケイ素である、請求項１記載の方法。
8. 前記所望のプリフォーム形状を浸透処理して、セラミックマトリックス複合材を形成する段階をさらに含む、請求項１記載の方法。
9. 浸透処理する前記段階が、前記プリフォームをスラリーマトリックスで鋳造してスラリー鋳造プリフォームを形成する段階と、その後前記スラリー鋳造プリフォームに溶浸処理を行って前記完成セラミックマトリックス複合材を形成する段階とを含む、請求項８記載の方法。
10. 前記セラミックマトリックス複合材が、ガスタービンエンジン用の翼形部部品（２０）である、請求項８記載の方法。