JP5394472B2 - 耐浸食性を改善した構成部品を製造する方法 - Google Patents

Description

本明細書に記載した実施形態は一般的に、耐浸食性を改善した構成部品を製造する方法に関する。より詳細には、本明細書の実施形態は一般的に、基礎をなす構成部品に対して、耐浸食システムの１層あたり耐浸食性の増加率約５０％から増加率約４００％を有する構成部品を製造する方法を記述する。

航空機エンジンなどガスタービンエンジンにおいて、空気はエンジンの前部に引き込まれ、軸に取り付けられた圧縮機により圧縮され、燃焼器で燃料と混合される。次に、混合物は燃焼し、高温の燃焼排ガスは、同じ軸に取り付けられたタービンを通過する。燃焼ガスの流れはタービンを通過しながら膨張し、タービンは軸を回転させ、圧縮機に力を提供する。高温の燃焼排ガスはさらに、エンジンの後部でノズルを通過しながら膨張し、強力な推進力を生成し、その推進力が航空機を前方に推進する。

近年、さまざまな航空宇宙の用途で使用するために、複合材料がその耐久性と比較的軽量であることによりますます普及している。エンジンはさまざまな状況で作動するので、エンジン構成部品はしばしば、雹、氷、砂および泥などの異物と接触する。時間とともに、当該の異物との接触は、複合材エンジン構成部品の表面を損傷し、浸食することがある。

複合材構成部品をそのような過酷な環境にさらされることから防護する助けになるように、構成部品の表面はしばしば、外側の、二次的に付着される材料で被覆される。「二次的に付着される」は、被覆が付着される前に複合材構成部品が硬化していることを意味する。これらの二次的に付着される材料には、噴霧される、塗装される、または別な方法で複合材構成部品に接着されるポリマー被覆が含まれてもよい。その他の二次的に付着される材料には、事前に形成され、複合材構成部品に接着される金属箔または薄板が含まれてもよい。一般的に、この手法は準備および処理に多大な労力および経費を必要とする場合があり、典型的には被覆を付着する前に、硬化した複合材構成部品の研磨および／または下塗を必要とする。

さらに、完成した構成部品が寸法制約を満たすことを保証するために、各構成部品は保護被覆を付着した後に検査しなければならない。たとえば、三次元座標測定機、ハンドゲージ、または超音波深傷検査などの、非破壊評価技術が、欠陥が存在するかどうかを判定するために使用される場合がある。頻繁にあることだが、顕著な被覆厚さの偏差があると判定されれば、被覆は剥がして再度付着しなければならない。たとえ寸法が正確であると判明しても、所望の接着の完全性および表面仕上げが達成されていることを保証するために、追加労力がしばしば必要とされる。

被覆した表面を修理しなければならないと分かった場合、損耗の程度を決定するために、浸食された部分の深さが測定され得る。浸食の深さが浅ければ、表面は部分的に研磨し、下準備し、浸食された表面に新しい被覆を噴霧するか塗装して再被覆してよい。浸食の深さが深ければ、複合材構成部品の全体部分が除去され、エポキシまたは他の適したマトリクス材を使用して添着された継ぎ当て材料と交換してよい。

DATABASE WPI Week 200470 Thomson Scientific, London, GB; AN 2004-711763

したがって、より少ない労力を使用して生産でき、浸食保護を改善でき、性能寿命を延長でき、検査の容易さを改善できる、過酷な環境にさらされる構成部品のための耐浸食システムを製造する方法が依然として必要である。

本明細書の実施形態は一般的に、表面を有する構成部品を提供すること、耐浸食システムの各層が支持部および支持部に付着された強化樹脂を含む、少なくとも１層の耐浸食システムを構成部品の表面の少なくとも一部に付着すること、および耐浸食システムの１層あたり耐浸食性の増加率約５０％から増加率約４００％を含む被覆した構成部品を生産するために、付着した耐浸食システムを有する構成部品を共成形することを含む、耐浸食性を改善した構成部品を製造する方法に関する。

本明細書の実施形態はまた一般的に、少なくとも１層の材料を含む複合材を含む構成部品を提供すること、耐浸食システムが支持部および支持部に付着した強化樹脂を含む、少なくとも１層の耐浸食システムを構成部品の材料の少なくとも一部に付着すること、および耐浸食システムの１層あたり耐浸食性の増加率約５０％から増加率約４００％を含む被覆した構成部品を生産するために、付着した耐浸食システムを有する構成部品を共成形することを含む、耐浸食性を改善した構成部品を製造する方法に関する。

本明細書の実施形態はまた一般的に、金属と、金属の少なくとも一部の周りに付着された少なくとも１層の材料を含む複合材とを含む構成部品を提供すること、耐浸食システムの各層が支持部および支持部に付着した強化樹脂を含む、耐浸食システムの複数の層を構成部品の少なくとも一部に付着すること、および被覆した構成部品を生産するために付着した耐浸食システムを有する構成部品を共成形することであって、耐浸食システムの各層が異なる色で着色された支持部を有する、共成形することを含む、耐浸食性を改善した構成部品を製造する方法に関する。

これら、ならびにその他の特徴、態様、および利点は、以下の開示から当業者には明白になるであろう。

本明細書は、特に本発明を指摘し、明確に特許請求する特許請求の範囲で締めくくられるが、本明細書で説明される実施形態は、図中では同様の参照番号は同様の要素を識別する添付図面と関連してなされる以下の記述からより良く理解されると考えられる。

本明細書の記述による構成部品の一実施形態の概略斜視図である。 本明細書の記述による図１の構成部品の線分Ａ−Ａでの概略断面図である。 本明細書の記述による支持部および強化樹脂を示す耐浸食システムの一実施形態の一部の概略図である。 本明細書の記述による構成部品に付着した耐浸食システムの複数の層を有する図１の構成部品の概略断面図である。 本明細書の記述による被覆した構成部品の一実施形態の概略断面図である。

本明細書に記述の実施形態は一般的に、耐浸食性を改善した構成部品を製造する方法に関する。耐浸食システムと、耐浸食システムを含む構成部品と、本明細書に記述の耐浸食システムを製造する方法とは一般的に、構成部品、および少なくとも１層の浸食被覆システムを含んでよい。また、浸食被覆システムを含む品目の改善された検査の方法も記述される。

図１を参照すると、本明細書では、「構成部品」１０を使用して任意の好適な部品を指すことがあり、これは、一実施形態では、本明細書に記述のように被覆することができる少なくとも１つの表面１２を有するタービンエンジン部品であってよい。構成部品１０は一般的に、複合材、または複合材と、チタンもしくはチタン合金のような金属との組合せを含んでよい。本明細書の実施形態はそれに限定されるべきではないが、説明のために、構成部品１０は、金属および複合材の両方を含むガイドベーンとして示し、論じる。

たとえば、一実施形態では、構成部品１０は、有機または非有機繊維と、樹脂基体とを含む材料で製造された複合材を含んでよい。より詳細には、本明細書では、「材料」は、複合材を生産するために樹脂を用いた処理および硬化が可能な任意の織り、編組み、またはノンクリンプの布地もしくは繊維を指すことができる。一実施形態では、材料は炭素繊維、グラファイト繊維、ガラス繊維、セラミック繊維、アラミドポリマー繊維（たとえばケブラー（登録商標））、およびそれらの組合せを含んでよい。図２に示すように、および当業者には明らかなように、構成部品１０は、材料１４の複数の層を含んでよく、当該の層の各々は同様の、もしくは異なった、織り、編組み、および／または繊維組成を含んでよい。構成部品１０が複合材および金属を含む場合には、材料１４は、完成した被覆構成部品の一部になる金属スパー１５の周りに材料１４の複数の層を巻きつけるなど、所望の形状を獲得するために従来の製作技術を使用して積層することができる。樹脂注入は、以下本明細書に記述のような工程で後の時点で実行され得る。

構成部品１０は、その意図した目的を実行するのに望ましい任意の形状を取ることができる。一例として、本明細書での使用に適した一部の許容されるタービンエンジンの構成部品には、限定されるべきではないが、ベーン、ブレード、支柱、ダクト、スペーサなどが含まれてよい。本明細書で提供された例はタービンエンジンに関するが、「構成部品」は前の記述に合致する任意の部品を指すために使用してよいことは、当業者には理解されるであろう。

図３に示すように、次に耐浸食システム１６は、構成部品に後ほど付着するために準備してよい。本明細書では、「耐浸食システム」は、以下本明細書で定義するように、支持部２０に付着される強化樹脂１８を含む層状になった被覆を指す。

耐浸食システム１６は、複合材マトリクスとしての役目をするために樹脂２２を利用することができる。樹脂２２は、限定されないが、エポキシ樹脂、ビスマレイミド樹脂、またはポリイミド樹脂などの、当業者に知られている任意の従来の液体樹脂を含むことができる。次に、強化物質２４は、硬化し次第、耐浸食性を提供することができる強化樹脂１８を生産するために、樹脂２２に加えることができる。強化物質２４の一部の例には、限定されるべきではないが、繊維、ナノ繊維、ナノ微粒子、およびそれらの組合せが含まれ得る。可能な繊維の一部の例には、炭素繊維、グラファイト繊維、ガラス繊維、セラミック繊維、アラミドポリマー繊維、およびそれらの組合せが含まれ得る。樹脂２２に加えられる強化物質２４の量は、硬化後の所望の最終硬度に依存して変化できるが、一般的に、強化樹脂１８は、重量で、強化物質２４の約０．１％から約２５％を構成することができる。

図３に示すように、強化樹脂１８は支持部２０に付着されてよい。本明細書では、「支持部」は、任意のメッシュ、ネット、ウェブ、または強化樹脂１８が付着され得るその他の適する構造を指す。支持部２０は、限定されるべきではないが、炭素繊維、グラファイト繊維、ガラス繊維、セラミック繊維、アラミドポリマー繊維、およびそれらの組合せを含むことができる。支持部２０の寸法は変わる可能性があるが、支持部の繊維は付着された強化樹脂１８を保持できなければならない。次に、耐浸食システム１６は、たとえば図４に示すように、巻きつけることで構成部品１０の表面１２の少なくとも一部に付着できる。耐浸食システムに存在する強化樹脂の粘着性は、さらなる工程の代わりに、耐浸食システム１６を保護する助けになり得る。

転写および取り扱いを容易にするために、一実施形態では、耐浸食システム１６は、図４に示すように、構成部品の反対側の裏打ち２６の助けで付着することができる。耐浸食システム１６の層が付着された後で、裏打ち２６は剥がすことができる。この工程は、所望すれば、耐浸食システム１６の追加の層を付着するために繰り返すことができる。

さらに、耐浸食システム１６の複数の層を所望するなら、一実施形態では、各層は強化樹脂と支持部の同じ組合せを含んでよい。別の実施形態では、交互に、各層が異なった色を有する支持部を含むことができる。着色された層は、浸食が起こるにつれて、貫通の異なった深さを明らかにするように、積み重ねることができる。たとえば、耐浸食システムが、第１層２８、第２層３０、および第３層３２の３層を有するなら、第１層２８は青色の支持部２０を含むことができ、第２層３０は黄色の支持部２０を含むことができ、第３層３２は緑色の支持部２０を含むことができる。これらの色は、構成部品に存在する浸食の程度の指標としての役目を果たすことができる。支持部の色は、限定されるものではないが、異なった色の繊維で支持部を構築することを含む、さまざまな方法により獲得できる。

耐浸食システム１６の所望の層が付着された後で、耐浸食システム１６を含む構成部品１０は、たとえば、圧縮成形、樹脂トランスファー成形、真空補助型樹脂トランスファー成形、またはオートクレーブなどの、当業者に知られている従来の技術を使用して共成形することができる。本明細書では、「共成形」は、構成部品と耐浸食システムの層の両方に同時に樹脂を注入することを指す。耐浸食システム１６を含む構成部品１０は、当業者に知られている標準硬化状態を使用して同時に硬化できる。結果は被覆した構成部品３４であり、そこでは全体的に図５に示すように、耐浸食システム１６が最外層の複合材フィルムとして残り、それにより被覆した構成部品３４に要素からの保護を提供する。構成部品が金属、または複合材と金属の組合せを含むのであれば、耐浸食システムを付着する前述の方法が、同様に付着可能であることは、当業者には理解されよう。

前述の被覆システムは、優れた浸食保護、保守のために被覆した構成部品を目視で識別すること、および共成形することができることを含めて、現在の被覆を超えるいくつかの利点を提供する。

本明細書に記述の耐浸食システムは、従来の浸食保護メカニズムと比較したとき、基礎をなす構成部品に対して、使用した耐浸食システムの１層あたり耐浸食性の増加率約５０％から増加率約４００％をもたらすことができる。耐浸食性のこの増加は、砂などの研削材の所与の流束に対応して、被覆の質量損失として測定することができる。硬化した後で、前述の強化物質を液体樹脂に混和させることは、耐浸食システムに外部要素と被覆した構成部品との間の不可欠な障壁としての役目を果たさせることができる。理論によって制限されることを意図せずに、樹脂に繊維を加えて、強化樹脂を硬化後に複合材フィルムにする。この複合材フィルムは、風雨にさらされることに起因する浸食に、より優れて耐えることができる。

さらに、各々が異なる色で着色された支持部を有する、耐浸食システムの複数の層を含むと、浸食の視覚標識を提供できる。耐浸食システムが風雨にさらされることによって浸食されるにつれ、支持部の異なった色彩の層が現れる。露出したメッシュの色を視覚的に検査することで、浸食が耐浸食システム内にどれだけ深く入り込んだかを判定できる。この視覚的な検査は、従来の技術と比較して、保守または修理のために耐浸食システムの完全性を評価する効率を増加させることができる。

さらに、現在の実施形態を共成形する能力は、より大きな寸法の整合性および被覆した構成部品間のより小さな変化を表示する網型の被覆した構成部品を提供できる。このように、従来の製造で一般的に必要とされた研磨、下塗、および塗装のステップは、実質的に削除できる。共成形はまた、当該の被覆された構成部品を製造するのに関わる経費と時間を減少する助けになることができる。さらに、さまざまな耐浸食性の改善が、異なった数量の材料の層を構成部品に付着することによって、構成部品の周りに材料の配置を選択的に位置することによって、またはそれらの組合せによって、単一の構成部品で達成できる。さらに、構成部品の特定の部分の浸食を選択的に改善する能力は、構成部品全体を被覆する必要性を削除することにより、さらに経費を節約する助けとなり得る。

この書面による記述は例を使用して、最良の態様を含んで、本発明を開示し、また当業者に本発明を製造および使用させることもできる。本発明の特許性のある範囲は、特許請求の範囲により定義され、当業者に思い浮かぶ他の例を含む場合もある。当該のその他の例は、特許請求の範囲の字義的言葉遣いと相違しない構造的要素を有する場合、または特許請求の範囲の字義的言葉遣いとごくわずかな相違を伴った同等の構造的要素を含む場合には、特許請求の範囲内にあると意図する。

１０ 構成部品
１２ 表面
１４ 材料
１５ 金属スパー
１６ 耐浸食システム
１８ 強化樹脂
２０ 支持部
２２ 樹脂
２４ 強化物質
２６ 裏打ち
２８ 第１層
３０ 第２層
３２ 第３層
３４ 被覆した構成部品

Claims (12)

1. 改善された耐浸食性を有する構成部品を製造する方法であって、
   表面を有し、金属または複合材及び金属の組合せを含む構成部品を提供するステップと、
   耐浸食システムの各層が
   支持部および
   前記支持部に付着された強化樹脂を含む、少なくとも１層の耐浸食システムを前記構成部品の前記表面の少なくとも一部に付着するステップと、
   前記耐浸食システムの１層あたり耐浸食性の増加率５０％から増加率４００％を含む被覆した構成部品を生産するために、前記付着された耐浸食システムを有する前記構成部品を共成形するステップと
   を含み、
   前記金属が、チタン、チタン合金、またはそれらの組合せを含む
   ことを特徴とする、方法。
2. 前記複合材が、炭素繊維、グラファイト繊維、ガラス繊維、セラミック繊維、アラミドポリマー繊維、およびそれらの組合せからなる群から選択される材料を含む、請求項１記載の方法。
3. 前記支持部が、メッシュ、ネット、ウェブ、およびそれらの組合せからなる群から選択される構造を含む、請求項１記載の方法。
4. 前記支持部が、炭素繊維、グラファイト繊維、ガラス繊維、セラミック繊維、アラミドポリマー繊維、およびそれらの組合せからなる群から選択される繊維を含む、請求項３記載の方法。
5. 前記強化樹脂が強化物質を含む樹脂を含む、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記樹脂が、エポキシ樹脂、ビスマレイミド樹脂、およびポリイミド樹脂からなる群から選択され、ならびに前記強化物質が、繊維、ナノ繊維、ナノ微粒子、およびそれらの組合せからなる群から選択される、請求項５記載の方法。
7. 前記強化樹脂が、重量で、前記強化物質の０．１％から２５％を構成する、請求項６記載の方法。
8. 前記構成部品が、ベーン、ブレード、支柱、ダクト、およびスペーサからなる群から選択されるタービンエンジン構成部品を含む、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の方法。
9. 耐浸食性を改善した構成部品を製造する方法であって、
   金属と、
   前記金属の少なくとも一部の周りに付着された少なくとも１層の材料を含む複合材とを含む構成部品を提供するステップと、
   耐浸食システムの各層が
   支持部および
   前記支持部に付着された強化樹脂を含む、耐浸食システムの複数の層を前記構成部品の少なくとも一部に付着するステップと、
   被覆した構成部品を生産するために、前記付着された耐浸食システムを有する前記構成部品を共成形するステップであって、前記耐浸食システムの各層が異なる色で着色された支持部を有する、ステップと
   を含み、
   前記金属が、チタン、チタン合金、またはそれらの組合せを含む
   ことを特徴とする、方法。
10. 前記構成部品が、ベーン、ブレード、支柱、ダクト、およびスペーサからなる群から選択されるタービンエンジン構成部品を含む、請求項９記載の方法。
11. 前記被覆された構成部品が、前記耐浸食システムの１層あたり耐浸食性の増加率５０％から増加率４００％を含む、請求項９又は１０記載の方法。
12. 前記支持部が、メッシュ、ネット、ウェブ、およびそれらの組合せからなる群から選択される構造を含む、請求項９乃至１１のいずれか１項に記載の方法。
    

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