JP6291513B2

JP6291513B2 - 化学気相含浸法（ｃｖｉ）を用いて製作した積層構造

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Inventors: ジャレッド・ホグ・ウィーバー; バドリ・ナラヤン・ラマムルティ
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Description

本開示は、一般の積層構造、特に化学気相含浸法を用いて製作した積層構造に関する。

化学気相含浸法（ＣＶＩ）を用いるセラミック基複合材料（ＣＭＣ）構造の製作のために、プリフォームが提供され得る。プリフォームには繊維が含まれ得、それは例えば、一方向プライ又は織物の形態であり得る。一形態では、繊維はセラミックに基づくものであり得、ＳｉＣから形成され得る。プリフォームは、ＣＶＩ反応チャンバの中に入れられ得る。高温の反応チャンバの内部で、プリフォームは、特定のガスに曝され得る。高温で特定のガスに曝されると、反応が起こり得、マトリックスと呼ばれる固体材料をプリフォームの繊維の上に析出させることができる。

化学気相含浸法（ＣＶＩ）を用いて作成されたセラミック基複合材料（ＣＭＣ）は、潜在的に２７００°Ｆまで及びそれ以上の温度で使用することができる。ＣＶＩＣＭＣ構造の重要な制限の一つは、その構造がかなりの多孔度（例えば、１５％以上）を含有し得ることである。多孔度は、厚さとともに増加し得、面内及び層間の両方の特性及び複合材料の全体的な酸化耐性に著しい影響を与え得る。

米国特許第８５２９９９５号明細書

本明細書に記載される方法によれば、プリフォームは化学気相含浸法（ＣＶＩ）を受けてセラミック基複合材料（ＣＭＣ）構造を画成し、追加のプリフォームをＣＭＣ構造に付加して拡張構造を画成し、拡張構造を用いてＣＶＩを実施することができる。追加のプリフォームの付加及び拡張構造を用いるＣＶＩの実施は、０回以上繰り返すことができる。

得られる積層構造は、単一のＣＶＩ段階を有するプロセスに従って製作した単層構造と比較して、その厚さ全体にわたる平均密度の増加及びその厚さ全体にわたるより均一な密度を特徴とすることができる。

積層構造の製作を説明する流れ図を示す図である。プリフォーム（プリフォーム構造）の斜視図を示す図である。図２の線Ａ−Ａに沿った横断面図と、その断面図の密度プロファイルを示す図である。図２の構造がＣＶＩを受けて、加工された構造を画成した後の、図２の線Ａ−Ａに沿った横断面図と、その加工された構造の密度プロファイルを示す図である。一実施形態における積層構造を例示する斜視組立図を示す図である。図５の積層構造がＣＶＩを受けて、加工された積層構造を画成した後の、図５の線Ｂ−Ｂに沿った横断面図と、その積層構造の密度プロファイルを示す図である。一実施形態における積層構造を例示する斜視組立図を示す図である。図７の積層構造がＣＶＩを受けて、加工された積層構造を画成した後の、図７の線Ｃ−Ｃに沿った横断面図と、その積層構造の密度プロファイルを示す図である。図７〜８に関して記載される方法を用い、代替プロセス制御を用いて製作した構造を示す図である。図７〜８に関して記載される方法を用い、代替プロセス制御を用いて製作した構造を示す図である。特定の形状を用いる構造を製作する方法を例示する図である。所定形状を有する構造を製作する方法を例示する図である。

図１を参照すると、複数の層構造を含む積層構造を製作する方法が示される。ブロック１０で、プリフォームは化学気相含浸法（ＣＶＩ）を受けてセラミック基複合材料構造を画成することができる。ブロック２０で、追加のプリフォームをＣＭＣ構造に付加して拡張構造を画成することができる。ブロック４０で、拡張構造を用いてＣＶＩを実施することができる。ブロック２０及び４０は０回以上繰り返すことができる（ブロック３０）。図１の方法の利点は、本明細書に示される様々な実例となる例を参照して記述される。

複数のプリフォームが反復段階でＣＶＩ加工を受ける、図１の反復方法を用いて製作した、得られる特定の厚さＭをもつ構造は、約Ｍの厚さを有する単一のプリフォームがＣＶＩを受けて約Ｍの特定の厚さを有する加工された構造を画成する代替方法と比較して、増加した平均密度及びより均一な密度を有することができる。

様々な特徴及び態様が、ＣＶＩを用いて約Ｍの厚さを有するＣＭＣ構造を製作するための先行技術の製作方法を示す図２〜４に関して本明細書に示される。図２〜４に関して示される製作方法では、厚さ約Ｍのプリフォーム１０２（図２）は一回ＣＶＩ加工段階でＣＶＩを受けて、約Ｍの厚さのＣＭＣ構造１０３（図４）を画成することができる。ＣＭＣ構造１０３（図４）は、プリフォーム１０２（図２）と比較して密度は高くなるが、密度均一性は低下する。

図２は、プリフォーム１０２の斜視図を示す。図２に示されるプリフォーム１０２は、図示される座標軸で表されるように、Ｘ、Ｙ及びＺ（厚さ寸法）を有し得る。図２で表される実施形態では、プリフォーム１０２は、図示されるＺ軸と平行な方向に約Ｍの厚さを有し得る。図３は、加工前の段階のプリフォーム１０２及び加工前の段階のプリフォーム１０２の関連する密度プロファイルを示す。図３の上部には、Ｚ軸（厚さ寸法）に平行な方向の図２の線Ａ−Ａに沿った、構造１０２の横断面図が示される。図３の下部には、加工前の段階のプリフォーム１０２の材料の密度の密度プロットが、プリフォーム１０２の厚さ全体にわたって示される。加工前の段階（図３）では、構造１０２は実質的に均一な密度Ｄ₀を有することが分かる。

図４は、ＣＶＩを受けた後の図２及び３の構造１０２を図示する。ＣＶＩを受けることで、図２及び３の構造１０２は、図４に表される緻密化セラミック基複合材料（ＣＭＣ）構造１０３を画成する。図４では、加工された段階の緻密化ＣＭＣ構造１０３の関連する密度プロファイルが、構造１０３の厚さ全体にわたって（図示されるＺ軸に平行な方向に）示される。図４を参照すると、緻密化ＣＭＣ構造１０３（ＣＶＩ後の構造）の最小密度は、Ｄ₁であり、一方、図３に例示される構造１０２（ＣＶＩの実施の前の構造１０２）の最小密度は、実質的に均一な密度Ｄ₀である。さらに図４を参照すると、緻密化ＣＭＣ構造１０３（ＣＶＩの実施後）の密度は、緻密化ＣＭＣ構造１０３の厚さ全体にわたって不均一であり得る。緻密化ＣＭＣ構造１０３の中央厚さでは、構造１０３は、Ｄ₁（Ｄ₁＞Ｄ₀）の密度を有し得、一方、緻密化構造１０３の表面１０４及び表面１０５に向かって、構造１０３は、密度Ｄ_E（Ｄ_E＞Ｄ₁）を有し得る。ＣＶＩが開始されると、表面１０４及び表面１０５に最も近い細孔は閉じる傾向があり、従って緻密化ＣＭＣ構造１０３の中央厚さに向かって実施され得る緻密化の範囲を制限する。

ＣＶＩを用いて製作した、製作されたＣＭＣ構造の密度の大きな低下は不利であり得ることが認められた。また、その厚さ全体にわたって実質的に均一な密度をもつＣＭＣ構造を提供することが有利であり得ることも認められた。図１に関して述べられる方法は、様々な利点を提供することができる。例えば、図１に示される方法を用いて、厚さＭを有するＣＭＣ構造を製作することができ、それは図２〜４に示される方法を用いて製作した緻密化ＣＭＣ構造１０３と比較して、増加した密度及び密度均一性を含むことができる。

ブロック１０及び図５の斜視図を参照すると、厚さＮ₁を有する構造２０２は、ＣＶＩを受けて緻密化ＣＭＣ構造２０３を画成することができる。ブロック２０及び図５を参照すると、厚さＮ₂（Ｎ₂＜Ｍ）を有する追加のプリフォーム３０２を緻密化ＣＭＣ構造２０３に付加して、約Ｍの厚さを有する拡張構造４０２を画成することができる。プリフォーム３０２の結合材料は、プリフォーム３０２をＣＭＣ構造２０３に付加する場合に、プリフォーム３０２をＣＭＣ構造２０３に対して所定の位置に保持するのに役立ち得る。ブロック４０及び図５を参照すると、拡張構造４０２は、ＣＶＩを受けて緻密化ＣＭＣ構造４０３を画成することができる（図６）。緻密化ＣＭＣ構造４０３には、プリフォーム２０２をＣＶＩに供することによって画成された緻密化ＣＭＣ構造２０３及びプリフォーム３０２をＣＶＩに供することによって画成された緻密化ＣＭＣ構造３０３が含まれ得る。緻密化ＣＭＣ構造４０３は、約Ｍの全厚を有し得る。

図６を参照すると、図６の上部は、ＣＶＩを受けてＣＭＣ構造４０３を画成した後の構造４０２の図５の線Ｂ−Ｂ（Ｚ軸に平行な方向の厚さ寸法）に沿った横断面図を図示する。図６の下部を参照すると、図６の下部は、ＣＭＣ構造４０３の厚さ全体に（Ｚ軸に平行な方向に）わたる図６の構造の密度プロファイルを図示する。

図６を参照すると、緻密化ＣＭＣ構造２０３の密度プロファイルは、通常、加工された段階の緻密化ＣＭＣ構造１０３に従ってＵ字状であり、緻密化ＣＭＣ構造２０３の中央厚さで最小密度であり、表面２０４及び２０５に向かって密度が増加する。図６の密度プロファイルと図４の密度プロファイルを比較すると、緻密化ＣＭＣ構造２０３の最小密度は、Ｄ₃であり得、ここでＤ₃＞Ｄ₁である。緻密化ＣＭＣ構造２０３の最小の中央厚さ密度は、構造２０３の厚さＮ₁が構造１０３の厚さＭよりも小さい結果として、緻密化ＣＭＣ構造１０３の最小の中央厚さ密度よりも大きいことがあり得る。ＣＶＩを受けるプリフォームの厚さが縮小されれば、ＣＶＩの緻密化は、ＣＶＩを受ける構造の厚さ全体にわたって一層顕著になり得る。

さらに図６を参照すると、緻密化ＣＭＣ構造３０３の密度プロファイルは、通常ランプ状であり得、通常、第１の表面３０４から第２の表面３０５まで構造３０３の厚さを通して増加する密度を特徴とし得る。図６の実施形態では、第１の表面３０４は、緻密化ＣＭＣ構造２０３に接し得、第２の表面３０５は、拡張構造４０２（図５）がＣＶＩ加工を受けた場合にガスに曝され得る。ＣＶＩ加工が始まると、表面３０５（ＣＭＣ構造４０３の端面を画成する）に最も近い細孔は、表面３０５から次第に離れた距離で閉じてＣＶＩ緻密化を制限する。図６の実施形態では、ＣＭＣ構造２０３及びＣＭＣ構造３０３は、ほぼ等しい厚さを有することができ、ＣＭＣ構造３０３は、Ｄ₂がＤ₁とほぼ等しい（図４）、Ｄ₂の最小密度を有し得る。Ｎ₂がＮ₁よりも大きい場合、Ｄ₂はＤ₁よりも小さい。Ｎ₂がＮ₁よりも小さい場合、Ｄ₂はＤ₁よりも大きくなり得る。

図１の反復プロセスによって製作した図６に例示される構造４０３（約Ｍの厚さ）の密度プロファイルと、図４に示される加工された段階の構造１０３（約Ｍの厚さ）の密度プロファイルを比較すると、１又はそれ以上のＣＶＩ加工及び構造付加段階を反復的に実施することのできる、本明細書に示される反復製作プロセスは、製作した構造の密度均一性を増加させるだけでなく、構造の平均密度も増加させることができることが分かる。図６に示されるＣＭＣ構造４０３の平均密度、Ｄ_A6は、図４を参照して記載されるＣＭＣ構造１０３の平均密度であるＤ_A4よりも大きくなり得る。別の態様では、図１に示される反復製作方法を用いて製作した図６に示されるＣＭＣ構造４０３は、図４に示されるＣＭＣ構造１０３よりも均一な密度を有することができる。

一実施形態では、より均一な密度を有するＣＭＣ構造は、あまり均一でない密度を有するＣＭＣ構造よりも、ＣＭＣ構造の厚さを通して最大密度と最小密度の差が小さいことを特徴とすることができる。一実施形態では、より均一な密度を有するＣＭＣ構造は、あまり均一でない密度を有するＣＭＣ構造よりも、ＣＭＣ構造の厚さを通して密度の標準偏差が小さいことを特徴とすることができる。

一実施形態では、ＣＭＣ構造の平均密度の増加及びＣＭＣ構造の密度均一性の増加は、図１に関して示される反復製作方法でさらなるプリフォームの使用を組み込むことによって実現することができる。図５〜６に関して、合わせた厚さＭを有する第１及び第２のプリフォームを、反復ＣＶＩ製作方法で使用する方法が記載される。図７及び８の反復ＣＶＩ製作方法では、一体とした厚さＭを有する第１、第２及び第３のプリフォームが、ＣＭＣ構造の製作に使用される。

ブロック１０及び図７の斜視図を参照すると、厚さＪ₁を有するプリフォーム５０２（図７の左側）はＣＶＩを受けて、厚さＪ₁を有する緻密化ＣＭＣ構造５０３（図７の右側）を画成することができる。ブロック２０及び図７（右側）を参照すると、それぞれ厚さＪ₂（Ｊ₂＜Ｍ）及びＪ₃（Ｊ₃＜Ｍ）を有する追加のプリフォーム６０２及び７０２を緻密化ＣＭＣ構造５０３に付加して、約Ｍの厚さを有する拡張構造８０２を画成することができる。ブロック４０及び図７を参照すると、拡張構造８０２はＣＶＩを受けて緻密化ＣＭＣ構造８０３（図８）を画成することができる。図７〜８の具体例では、プリフォーム構造５０２、６０２、７０２の厚さは、ほぼ等しいことがあり得る。厚さＪ₁、Ｊ₂及びＪ₃の各々は、一例では約Ｍ／３であり得る。別の例では、厚さＪ₁、Ｊ₂及びＪ₃は一様でないことがあり得る。

図８に示される緻密化ＣＭＣ構造８０３には、緻密化ＣＭＣ構造５０３だけでなく、プリフォーム６０２をＣＶＩに供することによって画成された緻密化ＣＭＣ構造６０３及びプリフォーム７０２をＣＶＩに供することによって画成された緻密化ＣＭＣ構造７０３が含まれ得る。緻密化ＣＭＣ構造８０３の全厚は、約Ｍであり得る。

さらに図８を参照すると、図８の上部は、構造８０２をＣＶＩに付してＣＭＣ構造８０３を画成した後の、構造８０２の図７の線Ｃ−Ｃ（図示されるＺ軸に平行な方向の厚さ寸法）に沿った横断面図を示す。図８の下部を参照すると、図８の下部は、ＣＭＣ構造８０３の厚さ全体にわたる図８の構造の密度プロファイルを例示する。

図８を参照すると、緻密化ＣＭＣ構造５０３の密度プロファイルは、通常、加工された段階の緻密化ＣＭＣ構造１０３に従ってＵ字状であり、緻密化ＣＭＣ構造５０３の中央厚さで最小密度であり、表面５０４及び５０５に向かって密度が増加する。図８の密度プロファイルと図６の密度プロファイルを比較すると、緻密化ＣＭＣ構造５０３の最小密度は、Ｄ₄であり得、ここでＤ₄＞Ｄ₃である。緻密化ＣＭＣ構造５０３の最小の中央厚さ密度は、構造５０３の厚さＪ₁が構造２０３の厚さＮ₁（図６）よりも小さい結果として、緻密化ＣＭＣ構造２０３（図６）の最小の中央厚さ密度よりも大きくなり得る。ＣＶＩを受けるプリフォームの厚さが縮小されれば、ＣＶＩの緻密化は、ＣＶＩを受ける構造の厚さ全体にわたって一層顕著になり得る。

さらに図８を参照すると、緻密化ＣＭＣ構造６０３及び緻密化ＣＭＣ構造７０３の密度プロファイルは、通常ランプ状となり得、通常、表面６０５から表面６０４まで及び表面７０４から表面７０５まで増加する密度を特徴とし得る。図７の実施形態では、表面６０５及び表面７０４は、緻密化ＣＭＣ構造５０３に接し得、一方、表面６０４及び表面７０５は、拡張構造８０２（図７）がＣＶＩ加工を受ける場合にガスに曝され得る。ＣＶＩ加工が始まると、表面６０５及び７０５（ＣＭＣ構造８０３の端面を画成する）に最も近い細孔は、表面６０４及び表面７０５から次第に離れた距離で閉じてＣＶＩ緻密化を制限する。

図８の密度プロファイルと図６の密度プロファイルを比較すると、２つのＣＶＩ段階を用いて製作した図８に示されるＣＭＣ構造８０３は、２つのＣＶＩ段階を用いて製作した図６に示されるＣＭＣ構造４０３の平均密度Ｄ_A6よりも高い平均密度Ｄ_A8を有し得る。その上、ＣＭＣ構造８０３（図６）は、ＣＭＣ構造４０３（図６）と比較して改良された密度均一性を有し得る。

図８及び６の密度プロファイルと図４の密度プロファイルを比較すると、積層ＣＭＣ構造、例えば、本明細書に示される反復方法に従って製作した構造４０３及び構造８０３は、構造、例えば、単一ＣＶＩ段階を用いて製作した構造１０３とそれを区別することのできるある特定の特徴を有し得ることが分かる。

図４の密度プロファイルを参照すると、単一ＣＶＩ段階を用いて製作した構造は、連続的な密度プロファイルを有し得る。単一ＣＶＩ段階で製作した構造の密度は、その厚さを通して密度の段階的な不連続がなくなり得る。しかし、積層構造、例えば、図１に示される方法に従って製作した構造４０３又は構造８０３は、不連続な密度プロファイルを有し得る。図１に示される方法に従って製作した積層構造の密度プロファイルは、製作した構造の密度が、不連続に段階的に大きい又は小さい密度値に変化する移行を特徴とし得る。

図６に関して例示される特定の実施形態では、構造２０３の厚さにわたる密度の組は、Ｕ字状の輪郭を示し、構造３０３の厚さにわたる密度の組は、ランプ形状を画成し得る。表面２０５と表面３０４の界面では、構造４０３の密度は不連続であり得、より小さい値へと段階的に変化し得る。

図８に関して例示される特定の実施形態では、構造５０３の厚さにわたる密度の組は、Ｕ字状の輪郭を示し、構造６０３の厚さにわたる密度と構造７０３の厚さにわたる密度の組は、ランプ形状を画成し得る。表面６０５と表面５０４の界面では、構造８０３の密度は不連続であり得、より大きい値へと段階的に変化し得る。表面５０５と表面７０４の界面では、構造８０３の密度は不連続であり得、より小さい値へと段階的に変化し得る。

例えば図８に関して、第１のＣＭＣ構造５０３がＵ字状の密度プロファイルを有する第１の厚さを有し、第２のＣＭＣ構造６０３が非Ｕ字状の密度プロファイルを有する第２の厚さを有する積層構造８０３が示される。

例えば図８に関して、積層構造が中央厚さ部分、第１の端部厚さ部分及び第２の端部厚さ部分を含み、中央厚さ部分がＵ字状の密度プロファイルを有し、第１の端部厚さ部分及び第２の端部厚さ部分が傾斜密度プロファイルを有する、積層構造８０３が示される。

図１の方法で用いるプリフォーム２０２、３０２、５０２、６０２、７０２に関して、プリフォーム２０２、３０２、５０２、６０２、７０２には、一実施形態では、一方向繊維（トウ）が含まれ得る。プリフォーム２０２、３０２、５０２、６０２、７０２に関して、プリフォーム、２０２、３０２、５０２、６０２、７０２には、一実施形態では、織布が含まれ得る。繊維は、セラミック繊維によって提供され得る。プリフォーム２０２、３０２、５０２、６０２、７０２のセラミック繊維は、一実施形態では、多結晶構造を有し得る。一実施形態では、プリフォーム２０２、３０２、５０２、６０２、７０２のセラミック繊維には、非化学量論的化学組成が含まれ得る。一実施形態では、プリフォーム２０２、３０２、５０２、６０２、７０２のセラミック繊維には、化学量論的化学組成が含まれ得る。一実施形態では、プリフォーム２０２、３０２、５０２、６０２、７０２のセラミック繊維は、単結晶繊維によって提供され得る。一実施形態では、プリフォーム２０２、３０２、５０２、６０２、７０２のセラミック繊維は、アモルファス繊維によって提供され得る。一実施形態では、プリフォーム２０２、３０２、５０２、６０２、７０２のセラミック繊維には、不均質な化学組成が含まれ得る。一実施形態では、プリフォーム２０２、３０２、５０２、６０２、７０２のセラミック繊維は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）繊維によって提供され得る。一実施形態では、プリフォーム２０２、３０２、５０２、６０２、７０２のセラミック繊維は、多結晶ＳｉＣ繊維によって提供され得る。プリフォーム２０２、３０２、５０２、６０２、７０２は、ＣＶＩを受ける前にプリフォームを望ましい形状に賦形することを可能にする結合材料を含むことができる。

一実施形態では、プリフォーム２０２、３０２、５０２、６０２、７０２のセラミック繊維は、１０００℃よりも高い温度で安定であるように提供され得る。一実施形態では、プリフォーム２０２、３０２、５０２、６０２、７０２のセラミック繊維には、繊維皮膜が存在しないことがあり得る。一実施形態では、プリフォーム２０２、３０２、５０２、６０２、７０２のセラミック繊維には、繊維皮膜が含まれ得る。そのような繊維皮膜は、繊維に本来備わっているものであってもよいし、予め析出させた、例えば、ＣＶＩによるか又は別のプロセスによって析出させたものであってもよい。さらに本明細書に示されるプリフォームに関して、本明細書に示されるプリフォーム、例えば、プリフォーム２０２、３０２、５０２、６０２、７０２は、１以上のプライを含むことができる。

本明細書において未加工段階のプリフォーム２０２、３０２、５０２、６０２、７０２の多孔度は、変動することがある。一実施形態では、プリフォーム２０２、３０２、５０２、６０２、７０２は、各々、ＣＶＩを受ける前の未加工段階で約２０％〜約９０％の実質的に均一な多孔度（例えば、１／Ｄ₀）、従って約８０％〜約１０％の密度を有する。より特定の実施形態では、プリフォーム２０２、３０２、５０２、６０２、７０２は、約４０％〜約７５％の間の多孔度と、従って約６０％〜約２５％の間の密度を有し得る。プリフォーム２０２、３０２、５０２、６０２、７０２は、本明細書において、一般的な繊維材料の特徴及び多孔性の特徴をはじめとする一般的な材料及び構造上の特徴を含めるために提供され得る。

図５〜８の実施形態では、ＣＶＩ加工は、ＣＶＩを受ける各々のプリフォーム２０２、３０２、５０２、６０２、７０２が、ＣＶＩを受けた場合に、最大の緻密化、Ｄ_Eの状態に変換され得るように実施され得る。最大の緻密化の状態は、プリフォームの露出面に近づく細孔が、本質的に閉じて、露出面から離れて間隔の置かれた部分での緻密化を本質的に防ぐ場合に達成され得る。図５〜８の実施形態では、説明のために、図１の方法の簡略化された例が示される。各々の新しい拡張構造の緻密化を操作すること（ブロック２０）によって、より複雑な構造を提供することができることは当然理解される。そのような方法では、得られるＣＭＣ構造全体にわたる多孔度を等級分けして、加工時間と、得られるＣＭＣ構造の性質との間のバランスを最適化することができる。

もう一つの実施形態では、本明細書に示されるＣＶＩプロセスは、最大緻密化よりも小さい構造の緻密化Ｄ＜Ｄ_Eが提供され得るように制御することができる。図９の例では、図９は、プリフォーム５０２がＣＶＩを受けた場合に制御が異なることを除いて、図７及び８に関して示される方法によって製作した方法を図示する。

図９に関して、画成されたＣＭＣ構造５０３の最大緻密化Ｄ_Eをもたらす含浸レベルの不足したプリフォーム５０２のＣＶＩ加工は停止することができる。図９を参照すると、プリフォーム５０２のＣＶＩは、画成されたＣＭＣ構造５０３がＤ_Eよりも小さい最大密度を有するように提供され得る。図９を参照すると、そのような実施形態では、ＣＭＣ構造５０３の厚さにわたる緻密化は、Ｕ字状であるように提供され得るが、図８の例で提供されるよりも緻密化のレベルは低い。図９の破線で示される８００１は、図８に関して記載されるＣＭＣ構造５０３の密度プロファイルを図示する。図９によって開始される加工は、例えば、構造８０２の表面の界面間の緻密化において「急な移行」の規模を小さくすることが望まれる場合、或いは最大密度が熱又は機械的性質に必要でない場合に、有利であり得る。

図１０に関して、画成されたＣＭＣ構造６０３及び画成されたＣＭＣ構造７０３の最大緻密化、Ｄ_Eをもたらす、含浸レベルの不足したプリフォーム６０２及びプリフォーム７０２のＣＶＩ加工は停止することができる。図９を参照すると、そのような実施形態では、ＣＭＣ構造６０３及び構造７０３の厚さにわたる緻密化は、ランプ状であるように提供され得るが、図８の例で提供されるよりも緻密化のレベルは低い。図１０の破線で示される８００２は、図８に関して記載されるＣＭＣ構造６０３及び７０３の密度プロファイルを図示する。図１０に関して示される加工は、例えば、構造８０３の端面６０４及び７０５を画成する構造８０３の端部厚さ部分よりも、構造８０３の中央厚さ部分で（例えば、構造５０３の厚さ全体にわたって）より高い緻密化を有する構造８０３を提供することが望まれる場合に、有利であり得る。

例えば図１０に関して積層構造８０３が示されている。ここで、積層構造は、ＣＭＣ構造、例えば積層構造８０３の端面６０４を画成する構造６０３を含み、端面６０４を画成するＣＭＣ構造６０３は、ＣＭＣ構造、例えば積層構造の端面を画成しない積層構造の構造５０３よりも小さい最大密度を有する。図１０に関して、積層構造８０３の端部厚さ部分は、積層構造８０３の中央厚さ部分よりも小さい最大密度を有し得る。

本明細書に記載されるように、積層構造を製作する方法には、所定形状を含むように積層構造を製作することが含まれ得る。所定形状を含めるための積層構造を得るために、所定形状の１以上の表面を含む型を準備することができる。一例では、ブロック１０でプリフォームを、所定形状に従う１以上の表面を有する型（図示せず）の中に入れ、その後にブロック１０でＣＶＩを実施することができる。ブロック１０の実施から得られる加工されたＣＭＣ構造は、所定形状を（部分的に又は完全に）画成する、堅くなった形態を有するＣＭＣ構造を画成することができる。ブロック２０（１以上の追加のプリフォームを付加）に関して、一実施形態では、ブロック４０でのＣＶＩ加工から得られる硬質なＣＭＣ構造が所定形状の１以上の表面を画成するように、ブロック２０は、ブロック１０の実施から得られる加工されたＣＭＣ構造に１以上の追加のプリフォームを付加することによって実施され得る。ブロック２０の実施に関して、ブロック１０の実施から得られる加工されたＣＭＣ構造は、型の中に残っていてもよいし、型から外されてもよい。

所定形状を含めるための積層構造を得るために、一実施形態では、図１に示される流れ図に従う方法を、型を使用せずに実施することができる。一例では、ブロック１０で、型を使用せずに望ましい所定形状にプリフォームを賦形し、その後、ブロック１０でＣＶＩを実施することができる。プリフォームの結合材は、プリフォームの賦形を助けることができる。ブロック１０の実施から得られる加工されたＣＭＣ構造は、所定形状を（部分的に又は完全に）画成する、堅くなった形態を有するＣＭＣ構造を画成することができる。ブロック２０（１以上の追加のプリフォームを付加）に関して、一実施形態では、ブロック４０でのＣＶＩ加工から得られる硬質なＣＭＣ構造が所定形状の１以上の表面を画成するように、ブロック２０は、ブロック１０の実施から得られる加工されたＣＭＣ構造に１以上の追加のプリフォームを付加することによって実施され得る。

特定の実施形態では、製作されたＣＭＣ構造が製作される所定形状は、熱ガス経路で用いるタービン部品の形状である。より特定の実施形態では、タービン部品には、例えば、燃焼ライナ、ベーン、ブレード、ノズル、バケット、トランジションピース、タービンセンターフレーム、又はシュラウドが含まれ得る。本明細書において部品は、部品全体によって、又は部品の部分によって提供され得る。

所定形状を有する構造の製作に使用される図１の方法の一例が、表される位置が相対位置である図１１に関して記載される。図１１を参照すると、図１の方法は、形状１１００を有する構造の製作に使用され得る。形状１１００を有する構造の製作に関して、ブロック１０で緻密化を受ける初期プリフォームは、位置１１０１に提供されるように賦形されることができ、その位置では、ＣＶＩを用いて緻密化されているプリフォームの表面が形状１１００の表面を画成する。プリフォームは、型を用いて又は用いずに、位置１１０１に提供されるよう賦形され得る。位置１１０１のプリフォームは、緻密化（ブロック１０）を受けて、位置１１０１で硬質なＣＭＣ構造を画成する。追加のプリフォーム（ブロック２０）を位置１１０１の構造に付加して、位置１１０１及び１１０２のセットの形態をとる拡張構造を画成することができる。次に、拡張構造は、ブロック４０でＣＶＩを受けて、位置１１０１及び１１０２のセットの形態をとる硬質なＣＭＣ構造を画成することができる。位置１１０３の追加のプリフォームを位置１１０１及び１１０２のセットの構造に付加して、位置１１０１及び１１０２及び１１０３のセットの形態をとる拡張構造を画成することができる。次に、位置１１０１、１１０２及び１１０３のセットの形態をとる拡張構造は、ブロック４０でＣＶＩを受けて、位置１１０１、１１０２及び１１０３のセットの形態をとる硬質なＣＭＣ構造を画成することができる。

次に、位置１１０４の追加のプリフォームを位置１１０１、１１０２及び１１０３のセットの構造に付加して、位置１１０１及び１１０２、１１０３及び１１０４のセットの形態をとる拡張構造を画成することができる。次に、位置１１０１、１１０２、１１０３及び１１０４のセットの形態をとる拡張構造は、ブロック４０でＣＶＩを受けて、位置１１０１、１１０２、１１０３及び１１０４のセットの形態をとる硬質なＣＭＣ構造を画成することができる。次に、形状１１００の境界の外側の余分な材料は、機械加工プロセスを用いて除去することができる。

所定形状を有する構造の製作に使用される図１の方法の別の例が、表される位置が相対位置である図１２に関して記載される。図１２を参照すると、図１の方法が、形状１１００を有する構造の製作に使用され得る。形状１１００を有する構造の製作に関して、ブロック１０で緻密化を受ける初期プリフォームは、位置１２０１に提供されるように賦形されることができ、その位置では、ＣＶＩを用いて緻密化されているプリフォームは、形状１１００の表面を直接画成しない。プリフォームは、型を用いて又は用いずに賦形されて位置１２０１に提供され得る。位置１２０１のプリフォームは、緻密化を受けて、位置１２０１で硬質なＣＭＣ構造を画成する。

追加のプリフォームが位置１２０２及び１２０３（ブロック２０）で構造に付加されて、位置１２０１、１２０２及び１２０３のセットの形態をとる拡張構造を画成することができる。次に、拡張構造は、ブロック４０でＣＶＩを受けて、位置１２０１、１２０２及び１２０３のセットの形態をとる硬質なＣＭＣ構造を画成することができる。位置１２０４の追加のプリフォームを位置１２０１、１２０２、１２０３のセットの構造に付加して、位置１２０１、１２０２、１２０３及び１２０４のセットの形態をとる拡張構造を画成することができる。次に、位置１２０１、１２０２及び１２０３及び１２０４のセットの形態をとる拡張構造は、ブロック４０でＣＶＩを受けて、位置１２０１、１２０２及び１２０３及び１２０４のセットの形態をとる硬質なＣＭＣ構造を画成することができる。次に、位置１２０５の追加のプリフォームを位置１２０１、１２０２、１２０３及び１２０４のセットの構造に付加して、位置１２０１、１２０２、１２０３、１２０４及び１２０５のセットの形態をとる拡張構造を画成することができる。次に、位置１２０１、１２０２、１２０３、１２０４及び１２０５のセットの形態をとる拡張構造は、ブロック４０でＣＶＩを受けて、位置１２０１１２０２、１２０３、１２０４及び１２０５のセットの形態をとる硬質なＣＭＣ構造を画成することができる。次に、形状１１００の境界の外側の余分な材料は、機械加工プロセスを用いて除去することができる。

図１１及び図１２の例の各々では、ブロック１０でＣＶＩを受ける初期構造は、プリフォームの形状が、製作した構造の形状１１００を画成するように賦形され得る。一実施形態では、本明細書においてさらに示すプリフォーム、例えば、プリフォーム２０２、３０２、５０２、６０２、７０７は、プリフォームを望ましい形状に賦形することを許容する結合材料を含むことができる。図１１の例では、位置１１０１のプリフォームの形状は、ＣＶＩによる緻密化を受けた場合に位置１１０１の形態をとる緻密化構造の表面が形状１１００を有する構造の表面を直接に画成するような位置に配置されることによって、形状１１００の表面の形状を画成することができる。図１２の例のような別の例では、位置１２０１の初期プリフォームの形状は、位置１２０１のＣＭＣ構造によって支持される１以上の（例えば、位置１２０２の）プリフォームが、ＣＶＩによる緻密化を受けた場合に、形状１１００の表面を直接に画成するような位置に配置されることによって形状１１００の表面の形状を画成することができる。図１１の例では、ブロック１０での緻密化を受ける初期プリフォームの形状が、所定形状１１００を有する製作部品の形状を直接に画成する。図１１の例では、ブロック１０での緻密化を受ける初期プリフォームの形状が、所定形状１１００を有する製作部品の表面の形状を間接的に画成する。図１１及び図１２の例の各々において、（図１１の例では位置１１０１の、図１２の例では位置１２０１の）初期プリフォームの緻密化によって画成される硬質なＣＭＣ構造は、１又はそれ以上のさらなるプリフォームを賦形する際に用いる型として機能し得る。

図１１及び１２において言及される形状１１００は、タービン部品、例えば、燃焼ライナ、ベーン、ブレード、ノズル、バケット、トランジションピース、タービンセンターフレーム、又はシュラウドを画成する形状であり得る。図１１及び１２の実施形態の形状１１００は、中実形状である、言い換えれば中空部分を有さない。もう一つの実施形態では、形状１１００には中空部分が含まれ得る。

追加のプリフォームがブロック２０で付加される場合、追加のプリフォームは、例えば、追加のプリフォームの結合材によってもたらされる力によって既存の構造に接着され得る。接着力はブロック４０でのＣＶＩ加工の実施で増加させることができる。

ブロック１０及び４０でのＣＶＩ加工の実施のためには、プリフォーム、例えば、プリフォーム２０２、３０２、５０２、６０２、７０２をＣＶＩ処理チャンバ反応器の中に導入することができ、適当なガスをプリフォーム、例えば、プリフォーム２０２、３０２、５０２、６０２、７０２の全体にわたって浸透させることができる。プリフォーム２０２、３０２、５０２、６０２、７０２は、プリフォームをＣＶＩに供することにより形成されたセラミック基複合材料（ＣＭＣ）に強化をもたらすことができる。適切なガスとしては、例えば、水素、メチル−トリクロロシラン、三塩化ホウ素、アンモニア、トリクロロシラン、塩化モリブデン及び炭化水素ガスのいずれか、又はその２以上の混合物を挙げることができる。適切なガスには、いずれのシラン含有ガス、並びにいずれのシロキサン、シラザン又はその他のシリコン含有ガス並びに適切な有機金属ガスが含まれ得る。様々な析出化学のためのガス前駆体組成物は当技術分野で周知である。ＣＶＩ処理チャンバ反応器内のガスは、主な流れ方向がないことがあり得る。主な流れ方向がないようにチャンバ反応器内にガスを提供することにより、加工コストを削減することができる。チャンバ内の温度は上昇させることができ、反応ガスは高温で化学反応を受けることができる。反応の間、マトリックス皮膜をプリフォーム、例えば、プリフォーム２０２、３０２、５０２、６０２、７０２の繊維の表面に形成して、緻密化ＣＭＣ構造、例えば、緻密化ＣＭＣ構造２０３、３０３、４０３、５０３、６０３、７０３、８０３を画成することができる。プリフォーム２０２、３０２、５０２、６０２、７０２の繊維がＳｉＣ繊維によって提供される場合、例えば、ＳｉＣ、ＢＮ、Ｂ₄Ｃ、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＭｏＳｉ₂、ＳｉＯ₂、ＳｉＯＣ、ＳｉＮＣ及び／又はＳｉＯＮＣからなるマトリックスをプリフォームの繊維の上に形成して、緻密化ＣＭＣ構造、例えば、本明細書においてさらに示されるような構造２０３、３０３、４０３、５０３、６０３、７０３、８０３を画成することができる。ＣＶＩ加工の実施の間、一実施形態では、マトリックスの形成の前に、プリフォーム２０２、３０２、５０２、６０２、７０２の繊維の上に皮膜を形成することができる。

本明細書中で明細書及び特許請求の範囲の全体を通して使用される近似を表す語は、その関連する基本機能を変えることなく許容範囲内で変化し得る任意の量的表現を修飾するために適用され得る。従って、「約」などの１以上の用語によって修飾された値は、特定される正確な値に限定されない。本明細書において示される用語「画成する」は、要素が完全に画成されている関係だけでなく、要素が部分的に画成されている関係を包含する。一部の例では、近似を表す語は、値を測定するための計測器の正確さに相当し得る。ここで、そして明細書及び特許請求の範囲の全体を通して、範囲の限界は、組合せる、かつ／又は交換することができる、文脈又は語が別に指定する場合を除いて、そのような範囲は特定され、その中に含まれるすべての下位範囲を含む。本開示は、いくつかの具体的な実施形態を参照して記載されているが、本開示の真の精神及び範囲は、本明細書によって支持され得る特許請求の範囲に関してのみ決定されるべきであることが理解されるであろう。さらに、システム及び装置及び方法が特定の数の要素を有すると記載される本明細書中の多数の例において、そのようなシステム、装置及び方法は、言及された特定の数の要素よりも少ないか又は多い要素で実行することができることが理解されるであろう。また、いくつかの特定の実施形態が記載されたが、各々の特定の実施形態に関して記載された特徴及び態様は、各々が特に記載される実施形態のままで使用することができることが理解されるであろう。

本開示の特定の特徴だけが本明細書に例示され、記載されたが、多くの修正及び変更が当業者に思い浮かぶであろう。そのため、添付される特許請求の範囲は、本開示の真の精神の範囲内にあるすべてのそのような修正及び変更に及ぶことが意図されることは理解される。

１０ブロック
２０ブロック
３０ブロック
４０ブロック
１０２プリフォーム、構造
１０３ＣＭＣ構造
１０４表面
１０５表面
２０２プリフォーム、構造
２０３ＣＭＣ構造
２０４表面
２０５表面
３０２追加のプリフォーム
３０３ＣＭＣ構造
３０４第１の表面
３０５第２の表面
４０２拡張構造
４０３ＣＭＣ構造
５０２プリフォーム、プリフォーム構造
５０３ＣＭＣ構造、第１のＣＭＣ構造
５０４表面
５０５表面
６０２追加のプリフォーム、プリフォーム構造
６０３ＣＭＣ構造、第２のＣＭＣ構造
６０４端面、表面
６０５表面
７０２追加のプリフォーム、プリフォーム構造
７０３ＣＭＣ構造
７０４表面
７０５表面
７０７プリフォーム
８０２拡張構造
８０３ＣＭＣ構造、積層構造
１１００形状
Ｄ０密度
ＤＡ６平均密度
ＤＡ８平均密度
ＤＥ最大緻密化
ＤＥ密度
Ｊ１厚さ
Ｊ２厚さ
Ｍ厚さ
Ｎ１厚さ
Ｎ２厚さ

Claims

第１のＣＭＣ構造（５０３）と第１のＣＭＣ構造（５０３）に隣接して接着した１以上の第２のＣＭＣ構造（６０３）と
を含む積層構造であって、第１のＣＭＣ構造（５０３）の密度プロファイルが第２のＣＭＣ構造（６０３）の密度プロファイルと非連続的であり、第１のＣＭＣ構造（５０３）が、Ｕ字状の密度プロファイルを有する第１の厚さを有し、第２のＣＭＣ構造（６０３）が、非Ｕ字状の密度プロファイルを有する第２の厚さを有する、積層構造。
積層構造が、中央厚さ部分、第１の端部厚さ部分及び第２の端部厚さ部分を含み、中央厚さ部分がＵ字状の密度プロファイルを有し、第１の端部厚さ部分及び第２の端部厚さ部分が傾斜密度プロファイルを有する、請求項１に記載の積層構造。
第１のＣＭＣ構造（５０３）と第２のＣＭＣ構造（６０３）との間の界面の密度が段階的に不連続である、請求項１に記載の積層構造。
タービン部品の形状に賦形された、請求項１に記載の積層構造。
積層構造が、積層構造の端面を画成するＣＭＣ構造を含み、端面を画成するＣＭＣ構造が、積層構造の端面を画成しない積層構造のＣＭＣ構造よりも小さい最大密度を有する、請求項１に記載の積層構造。
積層構造の端部厚さ部分が、積層構造の中央厚さ部分よりも小さい最大密度を有する、請求項１に記載の積層構造。
請求項１に記載の積層構造の製造方法であって、当該方法が、
２０％〜９０％の多孔度を有するプリフォームを化学気相含浸法（ＣＶＩ）に付して、緻密化セラミック基複合材料（ＣＭＣ）構造を画成する工程と、
２０％〜９０％の多孔度を有する１以上の追加のプリフォームをＣＭＣ構造に付加して、拡張構造を画成する工程と、
拡張構造を用いてＣＶＩを実施する工程と
を含む、方法。
当該方法が、付加工程と実施工程とを繰り返すことを含む、請求項７に記載の方法。
当該方法が、得られる構造が所定形状に賦形されるように方法を実施することを含む、請求項７に記載の方法。
所定形状がタービン部品の形状である、請求項９に記載の方法。
タービン部品が、燃焼ライナ、ベーン、ブレード、ノズル、バケット、トランジションピース、タービンセンターフレーム及びシュラウドからなる群から選択される、請求項１０に記載の方法。
得られる構造がタービン部品の所定形状であるように方法を実施することが、型を使用することを含む、請求項１０に記載の方法。
１以上のプリフォーム又は追加のプリフォームが、一方向繊維を含む、請求項７に記載の方法。
一方向繊維が繊維皮膜を含む、請求項１３に記載の方法。
一方向繊維がＳｉＣを含む、請求項１３に記載の方法。
ＣＶＩが、ＳｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＢＮ、Ｂ₄Ｃ、ＭｏＳｉ₂、ＳｉＯ₂、ＳｉＯＣ、ＳｉＮＣ及びＳｉＯＮＣからなる群から選択される材料を析出させることを含む、請求項７に記載の方法。
当該方法が、プリフォームを賦形して、タービン部品の表面の形状を画成することを含む、請求項７に記載の方法。
当該方法が、緻密化ＣＭＣ構造を、追加のプリフォームを賦形するための型として使用することを含む、請求項７に記載の方法。
１以上の含浸工程及び実施工程が、最大の緻密化を生じる量に達する前に含浸を停止させることを含む、請求項７に記載の方法。