JP5303141B2 - セラミックマトリックス複合材料製の構成部品にレーザ穿孔する方法、該方法によって得られた孔、該孔を含むセラミックマトリックス複合材料製の構成部品、ならびにこのような構成部品を備えるターボジェット - Google Patents

Description

本発明は、セラミックマトリックス複合材料製の構成部品に、レーザ穿孔方法によって孔を生成する技術分野に関する。本発明は、また本方法によって得られた孔に関し、また例えばタービンブレードまたは燃焼室壁などの、本方法によって得られた孔を有するセラミックマトリックス複合材料製の構成部品にも関する。最後に、本発明は、このような構成部品を備えるターボジェットに関する。

レーザ穿孔技術を使用して、構成部品に孔を生成すること、特にタービンブレードなどの、または燃焼室壁あるいは支持シェルなどの、ターボジェットの高温部品のための構成部品に冷却孔を穿孔することが知られている。

知られているように、レーザ穿孔技術は、２種類の動作、即ちパーカッションとトレパニングを使用する。

パーカッション動作は、固定されたレーザビームをパルスモードで使用して、材料の厚みを貫通することからなる。これによって、レーザビームの直径とレーザ源のパワーレベルとによって決定された直径の孔が得られる。

トレパニング動作は、円形経路にわたってレーザビームを動かすことによって、孔の輪郭を切断することからなる。これによって、レーザビームの直径よりも大きな直径の孔が得られる。

また、これら２種類の動作を組み合わせて、パーカッション動作で穿孔を開始して、使用したレーザビームの直径と略等しい直径の第１の孔を生成し、次いでこの第１の孔のまわりにトレパニング動作を実施し、穿孔した材料の断面積を拡大して、使用したレーザビームの直径よりも大きな直径の第２の孔を生成することも知られている。

当業者は、トレパニング動作を使用して孔を生成するとき、技術的問題に直面している。これは、得られた孔が、一般的に孔の壁および／または孔の出口にスラグを有することによる。このようなスラグの存在は、孔の幾何形状が保証されないという欠点を有する。言い換えれば、このトレパニング動作によって得られた孔の直径の繰り返し精度を確実に保証することは可能ではない。したがって、このように得られた孔を通過する空気流を確実に保証することができず、このことは、孔が、構成部品を冷却するための孔である場合、不利益となる。

米国特許第５８３７９６４号明細書は、パーカッション動作とトレパニング動作を実施する、超合金製の構成部品をレーザ穿孔する方法を記載する。トレパニング動作中に得られた孔にスラグが存在した場合、パーカッション動作、および次いで、所定の直径を有しかつ超合金の穿孔された厚みの中に均一に延びる孔が得られるまで充分な回数のトレパニング動作を繰り返すことが提案されている。

最近の傾向として、耐火性金属合金製よりもセラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）製の構成部品が製造されている。ＣＭＣは、金属材料よりも軽量であるという利点を有する。ＣＭＣは、熱構造性材料である。即ちこれらは、良好な機械特性と、これらの機械特性を高温度で維持する能力とを有する。これらの材料は、繊維強化材を含み、繊維強化材は、耐火性繊維（一般に炭素繊維またはセラミック繊維）から形成され、かつセラミックマトリックスによってまたは炭素／セラミックハイブリッドマトリックスによって高密度化される。

ＣＭＣを使用して、ターボジェットの高温部品のための構成部品を製造するとき、耐火性金属合金から製造される構成部品と同じように、冷却空気が通過する孔を製造する必要がある。

レーザ穿孔は、ＣＭＣに適用されると、これらの材料の内部構造をむき出しにするという欠点を有する。この場合、周囲の酸素がこの内部構造に到達し、ＣＭＣの表面を酸化するという危険が生じる。この欠点は、「自己回復作用」ＣＭＣと呼ばれるもの、即ち、材料の使用温度で、周囲の酸素を遮断するのに充分に流動性である粘性状態へと移行することが可能なＣＭＣを使用することによって克服されてきた。保護層、例えばＳｉＣ／Ｓｉ−Ｂ−Ｃ製などの保護層が製造されている。

米国特許第５８３７９６４号明細書で使用しているレーザ穿孔方法は、ＣＭＣを穿孔するのに使用することが、ＣＭＣが自己回復作用ＣＭＣであってもできない。これは、パーカッション動作とトレパニング動作を繰り返すと、ＣＭＣを実質的に加熱することになり、層剥離によってこれを劣化させることになるからである。

米国特許第６４４１３４１号明細書は、ＣＭＣ製の高温ターボジェットセクションのための構成部品に孔を穿孔する方法を開示し、ＣＭＣは、少なくとも１つの易酸化性の構成成分を有する。方法は、レーザ穿孔によってこれらの孔を生成すると同時に、マトリックスの構成材料を酸化してシリカを形成するように、マトリックスの構成材料を加熱することからなる。このシリカは、それを加熱して融解させる適切な温度に曝される。次いでシリカは、孔内に流入する前に急速に凝結される。この制御されたシリカの急速な凝結は、滑らかな、スラグの無い壁を備えた孔を得ること、またターボジェット動作中の将来の酸化を防止する酸化障壁を作り出すことを可能にする。このレーザ穿孔方法は、スラグを生じないという利点を有するが、少なくとも１つの易酸化性の構成成分を有するＣＭＣに限定されるという欠点を有する。

欧州特許第０８２６４５７号明細書は、超合金製の基体と、連結層と、セラミック被覆の形態の熱障壁とを有するタービンブレードに、レーザ穿孔する方法を開示している。第１の孔が、レーザビームを構成部品の表面上に集束させることによるパーカッションモードで穿孔される。次いでレーザビームが、第２の孔をパルス化されたパーカッションモードで穿孔するように、構成部品から離れて移動されることによって再度集束される。この第２の孔は、第１の孔と同軸であり、第１の孔よりも大きな直径を有し、より浅い深さしかない。より小さな直径の第１の孔が存在することによって、第２の孔が穿孔される間に、融解された材料が除去されることを可能にする。この文献に記述される方法は、全体がＣＭＣ製である構成部品を穿孔するのに適していない。
米国特許第５８３７９６４号明細書 米国特許第６４４１３４１号明細書 欧州特許第０８２６４５７号明細書

本発明の目的は、上述の欠点を解消することである。本発明は、特にターボジェトの高温部品のためのＣＭＣ（セラミックマトリックス複合材料）の構成部品にレーザ穿孔する方法であって、パーカッション動作と、トレパニング動作と、このトレパニング動作中に生じたスラグを除去する動作とを含む方法を提案する。

第１の態様によると、本発明は、セラミックマトリックス複合材料製の構成部品に、レーザビームによって孔を穿孔する方法に関し、方法は、
初期直径および孔軸を有する初期孔が、穿孔する構成部品の厚みにレーザビームを集束させることによって穿孔される、第１のパーカッション動作と、
初期孔と同軸でありかつ初期孔の直径よりも大きな直径を有する中間孔が、レーザビームをシフトし、次いでレーザビームを孔軸のまわりで回転させることによって穿孔される、第２のトレパニング動作と、
レーザビームの焦点が、孔軸に沿って移動され、次いで最終孔を得るようにパルスが起動される、第３の動作とを含む。

実施の一方法によると、レーザビームの焦点は、第１および第２の動作中にレーザビームの焦点が占める位置から、レーザビームの焦点を離して動かすことによって移動される。

実施の他の方法によると、レーザビームの焦点は、第１および第２の動作中にレーザビームの焦点が占める位置に、レーザビームの焦点をより近づけることによって移動される。

「焦点を外す」という用語は、レーザビームの焦点を孔の軸に沿って移動させる作用を指す。

これらのレーザパルスによって得られる技術的な効果は、トレパニング動作中に生成されることがあるスラグが、第３の動作中に、孔の軸に沿って焦点の外れたレーザビームから生じるこれらのパルスによって、取り除かれるということである。

第２の態様によると、本発明は、第１の態様による方法によって得られるＣＭＣ構成部品の孔に関する。実施の一方法では、孔は、前記構成部品の表面に対して垂直の軸に沿って向けられる。実施の他の方法では、孔は、前記構成部品の表面に対して傾斜した軸に沿って向けられる。

第３の態様によると、本発明は、第１の態様による方法によって得られた少なくとも１つの孔を含むＣＭＣ構成部品に関する。例示的な実施形態において、この構成部品は、燃焼室壁である。他の実施形態によれば、この構成部品は、タービンブレードである。

第４の態様によると、本発明は、第３の態様による少なくとも１つの構成部品を含むターボジェットに関する。

本発明による方法の１つの利点は、本方法が、易酸化性の構成部品を有さないＣＭＣに適用できるという事実にある。

本発明による方法の他の利点は、幾つかの焦点の外れたパルスが、層剥離によってＣＭＣを劣化させる作用、または熱による他の作用を有さないという事実にある。

指示するものとして与えられ、限定を意味しない、添付図面によって例証する特定の一実施形態についての以下の詳しい説明を読めば、本発明がより明確に理解されよう。

全ての図面は、ＣＭＣ構成部品の表面部分１０を、またこの部分１０の平面の２つの垂直軸１２、１４も示す。本発明による方法は、２つの軸１２と１４に対して垂直の軸１６に中心合わせされた最終孔を穿孔することである。部品１０、１２、１４、１６は、図１から図５に共通である。

本発明による方法は、レーザビームを放射するレーザ源が設けられた従来のレーザシステムを使用する。

最初に図１を参照すると、これは、レーザビームを使用して実施されたパーカッション動作によって得られた初期孔２０を示す。レーザビームは、この初期孔２０の直径が、レーザビームの直径と概ね等しくなるように、穿孔される構成部品の厚みに集束される。初期孔２０は、軸１６に中心合わせされる。

図２を参照すると、これは、レーザビームによって実施されたトレパニング動作の第１のステップの後に得られた第１の中間孔２２を示す。レーザビームは、孔の平面に対して概ね垂直な平面で、図２の矢印８０によって表す真っ直ぐな経路に沿って移動された。次いでレーザビームは、目印５０によって識別される位置に至る。第１の中間孔２２は、楕円形の孔であって、その長さは、レーザビームが移動した距離と概ね等しく、その幅は、レーザビームの直径と概ね等しい。

図３を参照すると、これは、レーザビームによって実施されたトレパニング動作の第２のステップ中に得られた第２の中間孔２４を示す。レーザビームは、既に述べたものと同じ平面で、図３の矢印８２によって表す円形経路に沿って移動された。このステップでは、移動した経路は、円の一部分に対応する。

図４を参照すると、これは、レーザビームによって実施されたトレパニング動作の後に得られた第３の中間孔２６を示す。レーザビームは、引き続き、図３の矢印８２によって表す円形経路に沿って、完全な円を移動されるまで移動された。次いでレーザビームは、目印５０によって識別される位置に戻る。第３の中間孔２６は、レーザビームが移動する円形経路の直径と概ね等しい直径を有する。実際には、図２に示される真っ直ぐな経路８０の長さは、所望の直径を有する第３の中間孔２６を得るように調整される。

しかし、このようにして得られた孔２６の壁および／または出口に付いたスラグ２８が、認められる。これは、トレパニング動作に固有のものである。スラグは、孔２６の直径の均一性を、この孔２６を通過する空気流を正確に知ることができなくなる点まで阻害する。ある種の利用分野では、孔を通過する空気流が正確に知られ、ある孔から他の孔へと再現可能であることが望ましい。この理由のために、直径が調節された最終孔を得るように、このスラグを無くすことが必要となる。これによって、１組の隣り合う孔の個々の実効断面が均一であり、全ての穿孔された孔が均一な通気性を有することが可能になる。

本発明による方法の第３の動作は、存在するスラグ２８を無くする作用を有する。これを図５に示す。

この第３の動作中、第１のステップが実施され、その間にレーザビームが、その初期位置、即ち図１で目印５０によって識別される位置に戻る。この位置は、軸１６に中心合わせされる。

第３の動作中、第２のステップが実施され、その間レーザビームの焦点が、孔の軸に沿って、即ち軸１６に沿って移動される。実施の好ましい方法では、焦点が、表面部分１０から僅かに離れてシフトされる。実施の他の方法によれば、焦点は、表面部分１０に僅かにより近づけられる。この焦点の動きは、表面部分１０でレーザビームの直径を僅かに修正する作用、より正確には直径を僅かに拡大する作用を有する。焦点が、軸１６に沿って移動された後は、レーザビームの位置は、図５の目印５０によって識別される。

第３の動作中、第３のステップが実施され、その間、幾つかのレーザパルス、好ましくは１つから５つのパルスが起動される。この第３のステップは、第３の中間孔２６の内部に存在するスラグ２８を破壊し、壁が清浄な最終孔３０を得る作用を有する。図５で分かるように、最終孔３０の直径は、均一であり、調整されている。また孔の直径は、穿孔された構成部品の厚みに沿って一定である。

本方法の第３の動作を実施するために、レーザビームのエネルギーは、先行する第１および第２の動作中に使用されたエネルギーよりも大きい必要はないが、これは、実際の穿孔が既に行われており、第３の中間孔２６からスラグ２８を除去することができるエネルギーを有するだけで充分であることによる。

孔３０が穿孔された構成部品の表面部分１０に対して垂直な孔軸１６を有する最終孔３０を作製する方法が、図１から図４を参照して以上に記載された。本方法は、表面部分１０に対して垂直ではなく、図６に示すようにこの表面部分１０に対して角度αに傾斜された孔軸１８を有する孔３０の作製にも適用可能である。本発明の方法を実施するために、レーザシステムは、レーザビームが、方向１６に沿って向けられるのではなく、表面部分１０に対して所望の傾斜を有する方向１８に沿って向けられるように設置される。所望の利用分野に応じて、角度αは、２０°から４０°の間であり、例えば３０°に概ね等しい。

図１から図６を参照して以上に記載された本方法は、利用可能なレーザビームの直径よりも大きな直径を有する孔を穿孔することが望まれるときに、得に有益である。例えば、本方法を実施することによって、０．７ｍｍの一次直径を有するレーザビームを使用して、０．８ｍｍまたは０．９ｍｍ、あるいは１．０ｍｍの直径を備えた最終孔を作製することが可能である。

Ｍｕｎｉｃｈ Ｌａｓｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ社によって販売される、ＭＬＳ Ｐ１０００ブランドのＬＡＳＥＲ ＳＬＡＢ ＹＡＧ １０６４ｎｍ型の機器を用いた実施の例のパラメータは、以下の通りである。
レーザビームの直径：０．５ｍｍ
第１の動作：パーカッション
パルス継続時間：２ｍｓ
パルス周波数：１２Ｈｚ
パルスパワー：１７Ｊ
パルス数：５
第２の動作：
直線的変位：０．８ｍｍ
パルス継続時間：１．５ｍｓ
パルス周波数：１４．８Ｈｚ
パルスパワー：１４Ｊ
切断速度：１５ｍｍ／分
第３の動作：
焦点シフト：３ｍｍ
パルス継続時間：２ｍｓ
パルス周波数：１２Ｈｚ
パルスパワー：１７Ｊ
パルス数：５

本方法の第１の動作と、そのようにして得られた初期孔との概略図である。 本方法の第２の動作の１つのステップと、第１の中間孔との概略図である。 本方法の第２の動作の他のステップと、第２の中間孔との概略図である。 本方法の第２の動作後に得られた、第３の中間孔の概略図である。 本方法の第３の動作後に得られた、最終孔の概略図である。 本方法によって得られた孔の可能な向きの概略斜視図である。

符号の説明

１０ ＣＭＣ構成部品の表面部分
１２、１４、１６、１８ 軸
２０ 初期孔
２２ 第１の中間孔
２４ 第２の中間孔
２６ 第３の中間孔
２８ スラグ
３０ 最終孔
８０ 真っ直ぐな経路

Claims (10)

1. セラミックマトリックス複合材料製の構成部品に、レーザビームによって孔を穿孔する方法であって、
   初期直径および孔軸を有する初期孔が、穿孔する構成部品の壁厚内にレーザビームを集束させることによって穿孔される、第１のパーカッション動作と、
   初期孔と同軸でありかつ初期孔の直径よりも大きな直径を有する中間孔が、レーザビームをシフトし、次いでレーザビームを孔軸のまわりで回転させることによって穿孔される、第２のトレパニング動作とを備えており、
   前記方法は、第２のトレパリング動作の後に、第３の動作を備えており、該第３の動作中、初期孔軸に中心合わせされたレーザビームの焦点が、前記中間孔よりも小さい直径から、第２のトレパリング動作の後に中間孔の内部に存在するスラグに達する直径まで、該中間孔内でレーザビームを拡大するように、孔軸に沿って移動され、次いで、パルスが、該パルスで前記スラグを破壊して最終孔を得るように、起動されることを特徴とする、前記方法。
2. パルスの数が、１つから５つの間である、請求項１に記載の方法。
3. レーザビームの焦点が、第１および第２の動作中にレーザビームの焦点が占める位置から、レーザビームの焦点を離して動かすことによって移動される、請求項１または２に記載の方法。
4. レーザビームの焦点が、第１および第２の動作中にレーザビームの焦点が占める位置に対して、レーザビームの焦点を表面部分により近づけることによって移動される、請求項１または２に記載の方法。
5. 孔が、前記構成部品の表面に対して垂直の軸に沿って向けられる、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 孔が、前記構成部品の表面に対して傾斜された軸に沿って向けられる、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
7. 孔が、前記構成部品の表面に対して２０°から４０°の間の角度（α）に傾斜される、請求項６に記載の方法。
8. 孔が、前記構成部品の表面に対して約３０°の角度（α）に傾斜される、請求項７に記載の方法。
9. ターボジェットのセラミックマトリックス複合材料製の構成部品に適用される、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
10. 構成部品が、燃焼室壁またはタービンブレードである、請求項９に記載の方法。

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