JP6360162B2 - 冷却特徴要素を有するセラミックマトリックス複合材構成要素の形成方法 - Google Patents

Description

開示される実施形態は全体的に、ガスタービンエンジン用のセラミックマトリックス複合材構成要素に関する。より詳細には、本発明の実施形態は、セラミックマトリックス複合材構成要素においてインサイチュ・キャビティを形成するための方法及び材料に関する。

ガスタービンエンジンにおいて、空気は、圧縮機において加圧され、燃焼器において燃料と混合されて高温の燃焼ガスを発生し、該燃焼ガスがタービン段を通って下流側に流れる。典型的なガスタービンエンジンは、一般に、前方端部と後方端部とを有し、これらの間に複数のコア又は推進構成要素が軸方向に位置決めされる。空気入口又は吸気口は、エンジンの前方端部に位置する。吸気口の後に続いて後方端部に向かって、ファン、圧縮機、燃焼室、及びタービンがある。例えば、低圧及び高圧圧縮機、並びに低圧及び高圧タービンなどの追加の構成要素もまたエンジンに含めることができることは、当業者には容易に理解されるであろう。但し、これは網羅的に列挙したものではない。

圧縮機及びタービンは、一般に、軸方向に多段でスタックされた翼形部の列を含む。各段は、円周方向に離間したステータブレードの列と、タービンエンジンの中央シャフト又は軸の周りで回転するロータ組立体とを含む。多段低圧タービンが多段高圧タービンの後に続き、該低圧タービンは通常、飛行時に航空機に動力を供給する典型的なターボファン航空機エンジン構成において圧縮機から上流側に配置されたファンに第２のシャフトにより接合される。これらのタービン段は、燃焼ガスからエネルギーを抽出する。

ステータは、円周方向端部にて当接されてガスタービンエンジンの軸線の周りに完全なリングを形成する複数のノズルセグメントにより形成される。各ノズルセグメントは、内側バンドと外側バンドとの間に延びる１又はそれ以上のベーンを備えることができる。ステータノズルは、隣接する下流側タービンブレードでの抽出が最大になるように高温の燃焼ガスを配向する。

タービンロータ組立体は通常、円周方向に離間したロータブレードの少なくとも１つの列を含む。各ロータブレードは、前縁及び後縁にて共に連結される正圧側面及び負圧側面を有する翼形部を含む。各翼形部は、ロータブレードプラットフォームから半径方向外向きに延びる。各ロータブレードはまた、シャンクから半径方向内向きに延びるダブテールを含むことができ、該シャンクは、プラットフォームとダブテールとの間に延びる。ダブテールは、ロータ組立体内のロータブレードをロータディスク又はスプールに装着するのに使用される。既知のブレードは中空であり、翼形部、プラットフォーム、シャンク、及びダブテールによって少なくとも部分的に内部冷却キャビティが定められるようになっている。

ガスタービンエンジンにおいては、効率を向上させるためにより高い動作温度が求められているので、セラミックマトリックス複合材（「ＣＭＣ」）材料は、ガスタービンエンジン用として特に興味深いものである。ＣＭＣ材料は、例えば、タービンにおける翼形部、圧縮機、及びエンジンのファン領域など、様々な構成要素に使用することができる。ＣＭＣ材料は通常、セラミックマトリックス材料に埋め込まれたセラミック繊維強化材料を含む。強化材料は、ＣＭＣの耐荷重機能を提供する助けとなり、セラミックマトリックスは、強化材料を保護し、繊維配向を維持し、強化材料に荷重を放散させる。様々な方法が、米国特許出願シリアル番号第１３／７８０，５８４号及び第１３／７８０，３０６号において教示されており、これら両方は、引用により本明細書に組み込まれる。

現在利用されているセラミックマトリックス複合材構成要素に関しては、後続の機械加工によって成形された後、部品内に特徴要素が形成される。機械加工により材料が除去されて、所望の特徴要素（例えば、冷却アパーチャ）が形成されることになる。機械加工された特徴要素は、材料を除去する機械加工の製造プロセスに起因して、設計が制限される。例えば、孔加工プロセスにおいて、特徴要素は一般に、直線構成の特徴要素に限定される。

これら及び他の特徴に対処し、既知の機械加工技術を利用して現在のところ形成することができない改善された幾何学的特徴を有する成形構成要素を形成することが望ましいことになる。従来技術の成形技術において現在必要とされる材料除去又は取り除きステップを低減又は排除することが更に望ましい。

米国特許出願公開第２０１３０１７０９４号明細書

本発明の実施形態によれば、成形のセラミックマトリックス複合材構成要素を形成する方法が提供され、製造プロセス中に所望の形状のプリフォームレイアップ内にインサートが設けられる。インサートは、製造プロセスの熱分解及び溶融浸透ステップに伴う温度に耐えることができる材料から形成される。インサートは、現行では容易には形成可能ではない成形特徴要素を提供するために、既知の成形後プロセスによって利用可能なものよりも複雑な形状で形成することができる。

冷却特徴要素を有するセラミックマトリックス複合材構成要素を形成する方法は、プリフォームテープを形成するステップと、プリフォームテープを所望の形状にレイアップするステップと、所望の形状のプリフォームテープにおいて事前選択された幾何学的形状の高耐熱性消失性材料インサートを配置するステップと、所望の形状のプリフォームテープを圧密化するステップと、所望の形状のプリフォームテープをバーンアウトするステップと、所望の形状を溶融浸透するステップと、バーンアウトステップ又は溶融浸透ステップの間、又はバーンアウトステップ又は溶融浸透ステップの後に、高耐熱性インサートを除去して、冷却特徴要素を形成するステップと、を含む。本方法では、除去ステップは、機械的又は化学的除去のうちの一方である。本方法は更に、インサートによって形成された冷却特徴要素を機械的に取り除くステップを含む。本方法は更に、窒化ホウ素、シリカ、酸化ケイ素、窒化ホウ素が被覆されたＤＡＰポリマー、Ｙ２Ｓｉ２Ｏ７希土類酸化物、窒化ホウ素が被覆された酸化ケイ素、炭素が被覆された窒化ホウ素、モリブデンワイヤー、高耐火性物質、及びダイアモンド粉末のうちの１つからなる高耐熱性消失性材料インサートを形成するステップを更に含む。本方法では、配置ステップが、テープ成形配置、プリフォーム管配置、スプレー、スクリーンプリンティング、窒化ホウ素が被覆されたラピッドプロトタイピングポリマー配置、及び射出成形によって行われる。本方法では、除去ステップは化学的溶解による。本方法では、除去ステップは、インサートが酸化ケイ素から形成されている場合にバーンアウトステップ又は溶融浸透ステップの間に行われる。本方法では、溶融浸透ステップが、事前選択形状のバーンアウトプリフォームテープに少なくとも２６００度の溶融シリコンを挿入するステップを含む。本方法は更に、複雑な見通し外の冷却特徴要素を形成するステップを含む。

この発明の概要は、発明を実施するための形態において以下で更に説明される一連の概念を簡単な形態で紹介するために提供される。この要約は、請求項に記載された主題の重要な特徴又は本質的な特徴を特定すること、及び請求項に記載された主題の技術的範囲を限定することを意図するものではない。本発明の特徴、詳細事項、有用性、及び利点の更に広範囲の表現は、本発明の種々の実施形態に関する以下の明細書において提供され、添付図面において例示され、添付の特許請求の範囲において定義される。

これらの実施形態の上述した及び他の特徴及び利点、並びにこれらを実現する方法は、添付図面と共に実施形態に関する以下の説明を参照することによってより明らかになり、インサイチュ・キャビティを形成する方法及び材料がより良好に理解されるであろう。

例示的なガスタービンエンジンの側断面図。 インサイチュ・キャビティを形成する方法の概略図。 キャビティを形成するための複数のインサートを含む例示的なクーポンの上面図。 図３のクーポンによって形成されたキャビティを含むプリフォームレイアップの一部の側断面図。 成形特徴要素を有するプロセスによって形成されるＣＭＣ構成要素の部分断面図。

次に、その１つ又はそれ以上の実施例が図面に例示されている提示された実施形態について詳細に説明する。各実施例は、説明の目的で提供され、本開示の実施形態を限定するものではない。実際に、本開示の範囲又は技術的思想から逸脱することなく、種々の修正形態及び変形形態を本実施形態において実施できることは、当業者であれば理解されるであろう。例えば、１つの実施形態の一部として例示され又は説明される特徴は、別の実施形態と共に使用して更に別の実施形態を得ることができる。従って、本発明は、このような修正形態及び変形形態を添付の請求項及びその均等物の範囲内にあるものとして保護することが意図される。

図１〜５を参照すると、インサイチュ・キャビティを形成する方法及び材料の種々の実施形態が図示される。本方法及び材料は、例えば、冷却チャンネル、スロット、又は孔を作成するため、或いは、重量低減及び／又は他の目的もしくは機能を達成するため、セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）においてキャビティ特徴要素を製造するのに利用される。本方法は、プリフォーム内に挿入され、溶融浸透プロセスの間又はその後に除去される消失性材料を含む。本プロセスは、既知の成形後機械加工技法により形成可能でない構成要素に成形されるインサイチュ・キャビティのようなより複雑な特徴要素を有する複合材構成要素の生成を可能にする。例えば、特徴要素は、ＣＭＣ構成要素内に複雑で見通し外の冷却特徴要素を含むことができる。更に、特徴要素は、例えば、冷却を改善するために熱低減が望ましい表面付近により容易に配置することができる。しかしながら、これらの実施例は、限定ではなく、他の実施形態を利用することができる。

本明細書で使用される用語「軸方向」及び「軸方向に」とは、エンジンの長手方向軸線に沿った寸法を意味する。「軸方向」及び「軸方向に」と併せて使用される用語「前方」とは、エンジン入口に向かう方向に移動していること、又はある構成要素が別の構成要素と比較してエンジン入口により近接していることを意味する。「軸方向」又は「軸方向に」と併せて使用される用語「後方」とは、エンジンノズルに向かう方向に移動していること、又はある構成要素が別の構成要素と比較してエンジンノズルにより近接していることを意味する。

本明細書で使用される用語「半径方向」及び「半径方向に」とは、エンジンの長手方向軸線とエンジン外周との間に延びる寸法を意味する。単独で又は用語「半径方向」又は「半径方向に」と併せて使用される用語「近位方向」又は「近位方向に」とは、中心長手方向軸線に向かう方向に移動していること、又はある構成要素が別の構成要素と比較して中心長手方向軸線により近接していることを意味する。単独で又は用語「半径方向」又は「半径方向に」と併せて使用される用語「遠位方向」又は「遠位方向に」とは、エンジン外周に向かう方向に移動していること、又はある構成要素が別の構成要素と比較してエンジン外周により近接していることを意味する。

本明細書で使用される用語「横方向」又は「横方向に」とは、軸方向及び半径方向の両方に対して垂直な寸法を意味する。全ての方向性の言及（例えば、半径方向、軸方向、近位、遠位、上側、下側、上向き、下向き、左、右、横、前、後、上部、底部、上方、下方、垂直、水平、時計回り、反時計回り）は、読み手の本発明の理解を助けるために識別の目的で使用しているに過ぎず、特に位置、向き、又は本発明の用途に関して限定するものではない。接続に関する言及（例えば、取り付け、結合、接続、及び接合）は、広義に解釈すべきであり、別途指示されていない限り、一群の要素間の中間部材及び要素間の相対移動を含むことができる。従って、接続に関する言及は、必ずしも２つの要素が互いに固定関係で直接接続されることを示唆するものではない。例示的な図面は、単に例証の目的のものであり、本明細書に添付される図面中に示されている寸法、位置、順序及び相対サイズは変えることができる。

最初に図１を参照すると、エンジン入口端部１２を有するガスタービンエンジン１０の概略側断面図が示され、ここで空気はプロパルサー１３に流入し、該プロパルサー１３は、全体的に、例えば低圧圧縮機１５及び高圧圧縮機１４を含む多段圧縮機と、燃焼器１６と、例えば高圧タービン２０及び低圧タービン２１を含む多段タービンとによって定められる。全体として、プロパルサー１３は、作動中に動力を提供する。ガスタービン１０は、航空機、発電、産業、海洋サービス又は同様のものに使用することができる。ガスタービン１０は、様々なエンジン構成要素がその周りを回転するようにエンジン軸線２６の周りに軸対称である。作動時には、空気は、エンジン１０の空気入口端部１２を通って流入し、少なくとも１つの圧縮段を通って移動して、ここで空気の圧力が増大して燃焼器１６に配向される。圧縮空気は、燃料と混合されて燃焼して高温の燃焼ガスを提供し、該燃焼ガスは、高圧タービン２０に向けて燃焼器１６から流出する。高圧タービン２０において、高温の燃焼ガスからエネルギーが抽出されてタービンブレードの回転を引き起こし、その結果、シャフト２４の回転が生じる。シャフト２４は、エンジンの前面に向けて通過し、１又はそれ以上の高圧圧縮機段１４を連続的に回転させる。

エンジン１０は、２つのシャフト２４，２８を含む。軸対称シャフト２４は、前方端部から後方端部までタービンエンジン１０を通って延びる。シャフト２４は、軸受により長さに沿って支持される。シャフト２４は、第２のシャフト２８である低圧タービンシャフトの回転を可能にするよう中空とすることができる。シャフト２８は、低圧タービン２１と低圧圧縮機１５との間に延びる。両方のシャフト２４，２８は、エンジンの中心軸線２６の周りを回転することができる。作動中、シャフト２４，２８は、タービン２０，２１のロータ組立体、圧縮機１４，１５、及びファン１８など、シャフトに接続された他の構造体と共に回転し、例えば発電、産業又は航空機など使用領域に応じて出力又は推力を生成する。

図１を更に参照すると、入口１２は、根元から半径方向外向きに延びる例示的なブレード１９の円周方向アレイを有するターボファン１８を含む。ターボファン１８は、シャフト２８により低圧タービン２１に作動可能に接続され、タービンエンジン１０の推力を生成する。

タービン領域２０，２１内には、極めて高温の動作条件に曝される翼形部がある。ガスタービンエンジンのこれらの領域においては、温度の上昇は、より高い作動効率をもたらすと考えられるので望ましいことである。しかしながら、高温で作動させるこの要求は、エンジンのこの領域における材料限度により制限される。セラミックマトリックス複合材（「ＣＭＣ」）構成要素は、既知の金属合金よりも高い温度の動作条件に良好に耐える能力があることに起因して、使用するのに望ましい材料となっている。ここで図２を参照すると、ＣＭＣ構成要素２００（図４）における冷却特徴要素を形成する方法１００の概略フローチャートが示される。最初に、ステップ１１０において、繊維１１２は、化学蒸着（「ＣＶＤ」）繊維コーティングで被覆される。一部の実施形態によれば、繊維１１２は、炭化ケイ素から形成することができる。

次に、ステップ１１６において、被覆繊維１１２をプリプレグスラリー１１４に通して移動させる。プリプレグスラリー１１４は、繊維に追加の保護コーティングを提供する。このようなプリプレグ１１４は、繊維の結合並びに製造プロセス中の繊維の保護の点で望ましいものである。

プリプレグスラリーステップ１１６の後、ステップ１１８において、繊維１１２は、例えばドラム上に湿潤巻上げ（ウェットワインディング）される。ワインディングプロセスは、プリプレグテープ１２０（図４）の形成を可能にし、該プリプレグテープ１２０は、その後で所望の形状に切断され、ステップ１２２においてレイアップされる。ステップ１２２におけるレイアップ予備成形中、構成要素２００の所望の形状を形成することができる。例えば、図４に示すように、構成要素２００は、翼形部として図示されており、より具体的には、限定ではないが、タービンブレード、圧縮機ブレード、タービンベーン、圧縮機ベーン、ファンブレード、或いは、高温に露出され、限定ではないが冷却特徴要素を含む成形特徴要素の種々のタイプを必要とする様々な特徴要素の何れかを含むことができる。レイアップ予備成形ステップ１２２は、複数のプリプレグテープ構造体１２０を多層化し、所望の形状の構成要素２００を形成するステップを含む。層１２０（図４）がスタックされて、成形セラミック構成要素２００に対する前駆体である「レイアップ」を形成する。

加えて、このようなレイアッププリフォームステップ１２２の間、ステップ１２４において、消失性材料又はインサート３０及びクーポン３２（図３）がレイアップ２００（図４）内に位置付けられる。インサート３０は、所望の特徴要素（例えば、冷却孔）のみから形成することができ、或いは代替として、１又はそれ以上の消失性材料インサート３０が配置された図示のようなクーポン３２の形態であってもよい。クーポン３２及びインサート３０（図３）は、レイアップ２００（図４）のプリプレグ層１２０における層２３２として示されている。インサート２３０の１つの列が図４に示されているが、これは１つの断面の領域に過ぎず、追加のクーポン３２を利用することができる点を理解されたい。また、図３のインサート３０は、図４のキャビティ又は特徴要素２３０になる点を理解されたい。種々のＣＭＣ構成要素は、限定ではないが冷却スロット、孔又は重量軽減特徴要素を含む様々な機能のための内側キャビティ２３０（図４）を有する。一部の実施形態によれば、例えば、クーポン３２（図３）は、シリカ炭化物マトリックスにおいてＳｉＣ繊維から形成することができ、インサート又は消失性材料３０は、同じ材料又は異なる材料から形成することができる。インサート３０は、テープ成形、プリフォーム酸化ケイ素管体、スプレー、スクリーンプリンティング、窒化ホウ素によるラピッドプロトタイピングのポリマーコーティング、又は射出成形など、様々な方法で形成することができる。例えば、消失性材料インサート３０は、フレキシブルテープのポリマーにより巻かれた消失性材料粒子状物質のテープから形成することができる。粒子状物質は、フレキシブルテープを定めるポリマー結合剤により巻かれた耐火材料とすることができる。フレキシブルテープは、テープ成形プロセスによって形成することができ、ここでは当業者に周知の手順に従って、ドクターブレードによりセラミックスラリーが引かれる。セラミックスラリーは、消失性粒子状材料、ポリマー結合剤、溶媒、分散剤、可塑剤、及びテープ成形においてよく知られた他の何れかの加工助剤から形成される。消失性材料３０は、バーンアウト熱分解工程１３８（図２）又はＣＭＣレイアッププリフォーム２００の溶融浸透ステップ１４０中に溶融して、プリフォーム２００内に中空のキャビティ又は特徴要素２３０を残すことができる低融点金属又は合金であることが望ましいとすることができる。代替の実施形態によれば、消失性材料３０は、バーンアウト熱分解工程中に溶融することのない高温材料から形成することができる。例えば、このような消失性材料３０は、限定ではないが、窒化ホウ素（ＢＮ）、酸化ケイ素（結晶及び非結晶質形態；二酸化ケイ素及び一酸化ケイ素を含む）、窒化ホウ素で被覆した酸化ケイ素、希土類元素（ここで希土類は、スカンジウム、イットリウム、ランタン、セリウム、プラセオジミウム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、ユウロピウム、ガドリウム、テルビウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、及びルテチウムから選択される）、窒化ホウ素で被覆した希土類元素、希土類酸化物、窒化ホウ素で被覆した希土類酸化物、希土類ケイ酸塩（一ケイ酸塩及び二ケイ酸塩）、窒化ホウ素で被覆した希土類ケイ酸塩、モリブデン元素、窒化ホウ素で被覆したモリブデン、モリブデンケイ酸塩（ＭｏＳｉ２、Ｍｏ５Ｓｉ３、Ｍｏ３Ｓｉ、その他などの全ての形態）、窒化ホウ素で被覆したモリブデンケイ酸塩、酸化ガリウム、窒化ガリウム、酸化インジウム、窒化インジウム、酸化スズ、窒化スズ、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、アルカリ土類ケイ酸塩（ここでアルカリ土類は、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、及びこれらの組み合わせである）、アルカリ土類アルミン酸塩、ダイアモンド粉末、窒化ホウ素で被覆したダイアモンド粉末、又は炭素で被覆した窒化ホウ素、及びこれらの混合物及び組み合わせを含む。これら高温材料の全ては、高温材料の粉体を充填したフレキシブルテープとしてレイアップ中にＣＭＣに加えることができる。或いは、これら高温材料の全てはまた、高密度のフレキシブルワイヤー又はフレキシブルでないロッド又は管体としてレイアップ中にＣＭＣに加えることができる。このような高温材料は、ＣＭＣ構成要素が溶融浸透された後、溶融、溶解、昇華、蒸発、その他を生じる可能性がある消失性材料を除去するために、高温材料を酸化するその後の空気加熱処理、真空熱処理、不活性ガス熱処理、酸処理、塩基処理、これらの組み合わせ、又は交互併用を必要とする場合がある。

加えて、消失性材料３０の形状は変えることができる。本発明のプロセスの１つの利点は、成形プロセスにより図４に示すようなより複雑な形状２３０を可能にすることである。例えば、本質的に直線状であることが必要な冷却特徴要素のようなキャビティを孔加工するのではなく、インサート３０（図３）は、湾曲形状で様々な断面又は形状から形成することができる。加えて、又はこれと組み合わせて、様々な形状は、正圧側面２１２と負圧側面２１０（図５）との間に配置され且つ後縁２１４まで延びる冷却アパーチャ２３０で示されるように、方向を変えることができる。実施形態において、複雑な形状は、方向が変化し、図示の翼形部の正圧（凹面）側に近接して配置された冷却アパーチャ２３０を示している。加えて、他の幾何学的変形形態は、消失性材料インサート３０の形状又は寸法のうちの１又はそれ以上を変えることにより構成要素２００において形成することができる。加えて、消失性材料のインサート３０を加えることにより、インサート３０の正確な位置決めが可能となり、その結果、構成要素２００におけるキャビティ２３０（図５）の正確な位置決めが得られ、及び更にインサート３０を温度制御のための所望の表面に近接して又は離すことができる。

次に、再度図２を参照すると、ステップ１３４において、構成要素２００のレイアップ形態が、例えばオートクレーブ圧密プロセスのような圧密又はデバルクプロセスを受ける。圧密又はデバルクプロセス１３４において、硬化を開始する目的で、事前選択形状のプリフォームレイアップが高温高圧に暴露される。

溶融フィルタプロセスは、真空又は不活性雰囲気中で積層プリフォームを加熱し、結合剤を分解して多孔性プリフォームを生成し、次いで、溶融シリコンを構成要素に浸潤させることを含む。まず、構成要素２００は最初に、バーンアウトステップ１３８を受け、ここでレイアップ２００を炉内に載置し、マトリックスを炭素に変換する。このプロセスは、一般に熱分解と呼ばれ、また、高温高圧の両方で実施することができる。

ステップ１３８のこのバーンアウトに続いて、ステップ１４０において、炭素構成要素２００が溶融浸透を受ける。プリフォーム２００は、プリフォーム２００に供給される溶融シリコンが溶融浸透される。溶融浸透ステップ１４０において、溶融シリコンは、シリコン化合物（例えば、ＳｉＣ）から形成されるＣＭＣ物品の溶浸材として利用することができる。溶融シリコンは、例えば、多孔性バーンアウトプリフォーム２００（図４）に浸潤され、好ましくは、バーンアウトレイアップ構成要素２００のマトリックス内で構成物質と反応してシリコンベースのセラミック（例えば、炭化ケイ素）を形成し、これが気孔を充填して所望のＣＭＣ構成要素２００を生じる。

この場合も同様に、ＣＭＣ構成要素が溶融浸透された後、溶融、溶解、昇華、蒸発、その他を生じる可能性がある消失性材料を除去するために、高温材料を酸化するその後の空気加熱処理、真空熱処理、不活性ガス熱処理、酸処理、塩基処理、これらの組み合わせ、又は交互併用を必要とする場合がある。

このような場合、内部キャビティがＣＭＣプリフォーム２００内に形成することができ、消失性材料から形成された特定のインサート３０（図３）を用いることにより、溶融浸透中の内部キャビティ内への溶融シリコン溶浸材の侵入を阻止又は少なくとも抑制することができる。インサート３０は、例えば、消失性材料３０の幾つかから形成された所望の形状の冷却特徴要素を有する事前選択されたサイズのクーポン３２を含むことができる。上記で示されたように、消失性材料３０は、熱分解又は溶融浸透中に焼き尽くす、又は還元することができる。或いは、他の材料は、有利には、バーンアウト又は溶融浸透ステップ１３８，１４０の何れか又は両方の間に焼き尽くさなくてもよい。

インサート３０として使用するのに種々の材料が好適である。プリフォーム構成要素２００から取り除くことができる材料は、ＣＭＣプリフォームの湿潤性がない、ＣＭＣプリフォーム２００の構成物質との反応性が低い又は反応性がない、及び／又はＣＭＣプリフォームに実施される熱処理の温度にて完全に溶融可能及び流出可能であることが挙げられる。一部の実施形態において、消失性材料インサート３０は、限定ではないが、窒化ホウ素（ＢＮ）、酸化ケイ素、窒化ホウ素（ＢＮ）で被覆された酸化ケイ素、シリカテープ、ダイアモンド粉末、又は炭素で被覆された窒化ホウ素を含む。このような材料は、所望の形状の内部キャビティ２３０（図５）に成形されてＣＭＣプリフォームに組み込むことができる。一部の実施形態によれば、インサート３０は、溶融酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）から形成されていた。非限定的な実施例において、管体は、２０ミルの内径と、４０ミルの外径とを有する。溶融浸透プロセスに続いて、溶融酸化ケイ素がＳｉＯに還元される。インサート３０（図３）は、湿潤でなく、又はプリフォーム２００（図４）の構成物質と反応しない。加えて、インサート３０は、ステップ１３８にてバーンアウト中に溶融しプリフォーム２００から流出できるようになり、中空キャビティを有するＣＭＣプリフォームをもたらすことができる。

加えて、又は代替として、バーンアウト１３８及び溶融浸透プロセス１４０の後、プリフォーム２００は、ステップ１４２（図２）においてプリフォーム形状にインサートされる消失性材料３０を除去するよう機械的又は化学的に調節することができる。一部の例では、熱処理を用いて、インサート３０を酸化し、酸又は塩基中で溶融又は溶解することができる酸化物にすることができる。他の実施形態では、インサート３０は、酸又は塩基中で直接溶解することができる。別の実施形態において、インサート３０は、真空熱処理において昇華又は蒸発することができる。更に別の実施形態において、インサートは、酸化された後、真空熱処理において昇華又は蒸発することができる。機械的方法を用いて、インサートを機械的に除去することができ、また、上述の方法の何れかと共に使用される場合もあり、又は使用されない場合もある。消失性材料インサート３０の化学的溶解を含む種々の方法を利用することができる。加えて、酸化ケイ素のような特定の材料は除去を必要としない場合があり、このため、バーンアウトプロセス１３８又は溶融浸透プロセス１４０中に還元することができる点に留意されたい。ステップ１４２での消失性材料の機械的又は化学的除去の後、ステップ１４４において、事前選択形状のプリフォームを機械加工する。これは、例えば、スロットを通る適切な流れを確保するためにワイヤーを用いて成形特徴要素２３０（図５）を取り出すステップを含むことができる。その後、ステップ１４８において、非破壊試験によって部品の寸法が検査され、ステップ１５０において、更に環境コーティングを施すことができる。環境障壁コーティングが施工された後、ステップ１５２において、非破壊検査の別のステップを実施することができる。

ここで図５を参照すると、翼形部などのＣＭＣ構成要素２００の部分側断面図が示される。例示的な翼形部２００は、マトリックス及び強化材を含む複合材から形成される。ＣＭＣ構成要素２００は、正圧側面２１２及び負圧側面２１０を含む。これらの側面２１０，２１２は、前縁（図示せず）と後縁２１４との間の翼弦方向で、すなわち、前縁と後縁２１４との間で軸方向直線に沿って定められる方向に延びる。正圧側面２１２及び負圧側面２１０の曲率は、空気流のファン１８からの所望の転回に依存することができる。構成要素２００の負圧側面２１０は凸面状であり、正圧側面２１２は凹面状とすることができる。

モールド成形された例示的な特徴要素２３０は、様々な転回部を含む。このような見通し外の特徴要素は、孔加工の特徴要素が実施可能ではない。また、インサート３０の形状及び配置を制御することによって、後続のキャビティ２３０は、翼形部２００の表面により近接して又はより離れて配置することができる。このようなモールド成形特徴要素は、例えば、冷却の最適化を可能にする。この最適化により、消失性材料のインサート３０を用いることで、モールド成形特徴要素２３０の形状及び位置決めを達成することができる。

構造及び方法に関する上述の記載は、説明の目的で提示されている。この説明は、本発明を網羅すること、又は本発明を開示された厳密なステップ及び／又は形態に限定することを意図したものではなく、上述の教示に照らして多くの修正形態及び変形形態が実施可能であることは明らかである。本明細書で記載される特徴要素は、どのようにも組み合わせることができる。本明細書で記載される方法のステップは、物理的に実施可能なあらゆる順序で実施することができる。方法及び材料の特定の実施形態について例示し説明してきたが、これに限定されるものではなく、添付の請求項によってのみ限定されることになる点を理解されたい。

３０ 消失性材料又はインサート
３２ クーポン
１２０ プリプレグ層
２００ レイアップ
２３０ クーポン

Claims (9)

1. 冷却特徴要素を有するセラミックマトリックス複合材構成要素（２００）を形成する方法であって、
   プリフォームテープ（１２０）を形成するステップと、
   前記プリフォームテープを所望の形状にレイアップするステップ（１２２）と、
   事前選択された幾何学的形状のインサート（３０）の形態の前記プリフォームテープにおいて高耐熱性消失性材料を配置して、前記セラミックマトリックス複合材構成要素のレイアップを形成するステップと、
   前記レイアップを圧密化しプリフォームを形成するステップ（１３４）と、
   多孔性プリフォームを形成するため、前記プリフォームをバーンアウトすること（１３８）により熱分解するステップと、
   前記セラミックマトリックス複合材構成要素を形成するため、前記多孔性プリフォームを溶融シリコンで溶融浸透するステップ（１４０）と
   を含み、
   前記方法は、前記熱分解ステップ又は前記溶融浸透ステップの間又はその後に、前記高耐熱性消失性材料を減少させること及び前記インサートを除去することの一方又は両方により、前記冷却特徴要素を形成するステップを含む、方法。
2. 前記高耐熱性消失性材料は、窒化ホウ素、シリカ、酸化ケイ素、窒化ホウ素が被覆されたＤＡＰポリマー、希土類酸化物、窒化ホウ素が被覆された希土類酸化物、希土類ケイ酸塩、窒化ホウ素が被覆された希土類ケイ酸塩、窒化ホウ素が被覆された酸化ケイ素、炭素が被覆された窒化ホウ素、モリブデンワイヤー、高耐火性物質、ダイアモンド粉末、及び組み合わせを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記配置ステップが、テープ成形配置、プリフォーム管配置、スプレー、スクリーンプリンティング、窒化ホウ素が被覆されたラピッドプロトタイピングポリマー配置、及び射出成形によって行われる、請求項２に記載の方法。
4. 前記除去することが、機械的又は化学的除去のうちの一方である、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記除去することが、化学的溶解による、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記除去することは、前記インサートが酸化ケイ素から形成されている場合に前記バーンアウトする間又は前記溶融浸透ステップの間に行われる、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記インサートによって形成された前記冷却特徴要素を機械的に取り除くステップを更に含む、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記溶融浸透ステップが、前記多孔性プリフォームに少なくとも２６００度の溶融シリコンを挿入するステップを含む、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の方法。
9. 複雑な見通し外の冷却特徴要素を形成するステップを更に含む、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の方法。