JP6691126B2 - 複合材料製耐火性部品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、特に酸化物／酸化物型又はセラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）型の、すなわち、耐火性材料の繊維製繊維強化材を含み、同様に耐火性材料製であるマトリックスで高密度化されている熱構造複合材料から部品を製造する方法に関する。

酸化物／酸化物複合材料部品は、一般的に、耐火性酸化物繊維から製造された複数の繊維プライ(層)を利用し、モールド内で立体裁断し、各層を耐火性酸化物粒子で満たしたスリップで予め含浸させることによって、製造される。次に、このように配置したプライのセットは、カウンターモールド又は真空シートを使用して成形され、オートクレーブを通過する。次に、このようにして得た充填されたプリフォームを焼結に付して、プリフォーム内に耐火性酸化物マトリックスを形成し、酸化物／酸化物複合材料からできている部品を得る。この技術は、セラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）から部品を製造するために使用することもできる。こうした状況では、繊維プライは、炭化珪素（ＳｉＣ）繊維又は炭素繊維からできており、繊維プライは、カーバイド（例えばＳｉＣ）、ホウ化物（例えばＴｉＢ₂）、又はニトリド（例えばＳｉ₃Ｎ₄）の粒子で満たされたスリップで含浸させられる。

このような次第ではあるが、この種類の製造方法は、厚さが小さく、２次元（２Ｄ）繊維強化材を有するＣＭＣ又は酸化物／酸化物複合材料部品を製造することだけに適している。これらの種類の複合材料の機械的特性は、特定の方向に限定されている。特に、これらの材料は、不良な剥離性を表し、せん断力に十分に耐えない。

連続経糸と連続緯糸との３次元織りによって得られる繊維織物は、材料の機械的強度を増加させることができ、特に、耐剥離能力を高めることができる。こうした状況では、また厚い２Ｄ繊維織物では、目的の用途に応じて、例えば注入型方法、樹脂トランスファー成形（ＲＴＭ）として知られる射出成形型方法、又はａｄｖａｎｃｅｄ ｐｏｗｄｅｒ ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ（ＡＰＳ）として知られるサブミクロン粉末の吸引を伴う方法などの圧力勾配を利用する方法を用いることによってのみ、充填された懸濁液を、厚さが数十ミリメートルに達し得る繊維織物に浸透させることが可能である。

このような次第ではあるが、ＣＭＣ又は酸化物／酸化物材料からの部品の製造において、これらの方法は、ある欠点を示す。

具体的には、複雑な形状で厚さが大きい繊維織物の含浸は、圧力勾配を、繊維全体のわたる良好な含浸を得るのに充分な圧力勾配に達しさせることができないので、注入型方法を用いて実施することができない。

ＡＰＳ型方法は、プリフォームに導入されるマトリックスの量に対する微調整を与えない。

ＲＴＭ法を、充填スリップで繊維織物を含浸するために使用することができるが、それでも、焼結の前にプリフォーム内に固体充填剤だけを残すために、（蒸発及び吐出によって）スリップの溶媒を除去するステップを実施する必要がある。溶媒を除去するこのステップは、ＲＴＭ法を実施するときに、通常行わない。この追加のステップにより、プリフォームを処理するのに非常に長い時間がかかるようになる。スリップ注入のオペレーションを繰り返す必要もあり得、その結果、溶媒を除去するオペレーションも繰り返す必要があり得る。

さらに、スリップにより堆積された固体粒子（耐火性酸化物、カーバイド、ホウ化物、ニトリドなど）の分布を乱すことなくプリフォームから溶媒を除去する必要があるので、溶媒を蒸発させることは難しい。具体的には、含浸させたプリフォームを乾燥する間、溶媒の蒸発及び吐出は、粒子が溶媒に同伴されることを引き起こし得、且つ／又は、プリフォーム内の粒子の分配を変化させ得、且つ、特定の場所でマトリックスがないことにより、最終材料に大きな孔が出現することを引き起こし得る。

本発明の目的は、上記の欠点を改善すること、並びに、厚く且つ／又は複雑な形状の繊維織物からの、特に酸化物／酸化物型又はＣＭＣ型の複合材料で部品を製造することを可能にする解決法を提案すること、並びに、繊維織物内の固体粒子の堆積及び分布の良好な制御を与えながら、速く信頼性の高い様式で行い、非常に少量のマクロ孔を有する材料を得ることである。

この目的を達成するために、本発明は、複合材料から部品を製造する方法であって、
・耐火性繊維から繊維織物を形成するステップと、
・前記繊維織物を、前記織物の第１面が載っている多孔性材料製部分を底部に含む含浸チャンバを有するモールドに置くステップであって、前記含浸チャンバが、前記繊維織物の第２面に面して配置されている変形可能で不浸透性のダイヤフラムによって上部で閉じられており、前記ダイヤフラムが、前記含浸チャンバを成形チャンバと隔てる、前記置くステップと、
・耐火性粒子の粉末を含むスリップを、前記繊維織物の前記第２面と前記ダイヤフラムとの間の前記含浸チャンバに注入するステップと、
・圧縮流体を前記成形チャンバに注入するステップであって、前記流体が、前記ダイヤフラムに圧力を加えて、前記スリップが前記繊維織物を通過するように強いる、前記注入するステップと、
・耐火性粒子で満たされた繊維プリフォームを得るように、前記多孔性材料部分により、前記織物内部に前記耐火性粒子の粉末を保持しながら、前記繊維織物を通過した前記スリップの液体を前記多孔性材料部分を介して排液するステップと、
・前記繊維プリフォームを乾燥するステップと、
・前記繊維プリフォームを離型するステップと、
・前記繊維プリフォームに耐火性マトリックスを形成するように、前記繊維プリフォームに存在する前記耐火性粒子を焼結するステップとを含む前記方法を提供する。

スリップの液体の排液に好適な多孔性材料製部分の使用により、本発明の方法は、織物中にも存在する耐火性固体粒子を除去することなく、繊維織物に導入されているスリップから液相を除去することを可能にする。排液によりスリップの固体相を除去することは、繊維織物内の耐火性粒子の分布を乱すことを回避し、それによりマトリックスの体積分率が高い複合材料部品を得ることも可能にする。結果として、熱構造複合材料製部品は、改良された機械的特性を示す。

本発明の方法の第１の特定の態様において、多孔性材料部分は、硬質であり、製造される複合材料部品の形状に合う形状を表す。

本発明の方法の第２の特定の態様において、多孔性材料部分は、変形可能であり、モールドの底部は、製造される複合材料部品の形状に対応する形状を表し、多孔性材料部分は、モールドの底部の形状を為している。

本発明の方法の第３の特定の態様において、繊維織物を形成するステップの間、糸を３次元織りで織る。

本発明の方法の第４の特定の態様において、繊維織物を、２次元織りを用いて織ったプライを積み重ねることにより製造し、前記織物は、０．５ミリメートル（ｍｍ）以上、好ましくは１ｍｍ以上の厚さを表す。

プリフォームの糸を、アルミナ、ムライト、シリカ、アルミノ珪酸塩、硼珪酸塩、炭化珪素、及び炭素の材料のうちの１種以上から成っている繊維により形成し得る。

耐火性粒子は、アルミナ、ムライト、シリカ、アルミノ珪酸塩、アルミノリン酸塩、ジルコニア、カーバイド、ホウ化物、及びニトリドから選択される材料製であり得る。

一実施形態において、得られる複合材料部品は、タービンエンジンブレードを構成する。

本発明の他の特徴及び利点は、非限定的な例として与えられる本発明の特定の実施形態の以下の説明から、及び添付の図面の参照により、明らかになる。

本発明の実施形態に係る工具の分解断面図である。 繊維織物が工具内の適所にある、閉じた場合の図１の工具を示す断面図である。 本発明の方法の実施形態に係る、図２の工具内で繊維織物を充填スリップで含浸するステップを示す断面図である。 本発明の方法の実施形態に係る、図２の工具内で繊維織物を充填スリップで含浸するステップを示す断面図である。

複合材料から、特に酸化物／酸化物型又はＣＭＣ型複製材料から部品を製造するための本発明の方法は、部品の強化材を形成するための繊維織物の製造によって開始する。

繊維構造は、公知の方法で、ジャカード型織機を使用して、経糸を緯糸により連結させる、又はその逆を行って、複数の層を占める経糸又はより糸の束を織ることによって、製造される。繊維織物は、２次元（２Ｄ）織りにより得られたプライを積み重ねることにより製造され得る。繊維織物は、３次元（３Ｄ）織りにより単一部品として直接製造もされ得る。用語「二次元織り」は、本明細書で、単一の経糸の層の糸の一方の側から他方の側に各緯糸が通る、又はその逆が行われる従来の織り方を意味するように使用される。本発明の方法は、２Ｄ繊維織物、２Ｄプライを積み重ねることにより得られた織物、非常に厚い織物、例えば０．５ｍｍ以上、好ましくは１ｍｍ以上の厚さの２Ｄ繊維構造に充填スリップを導入することを可能にするのに特に適している。

用語「３次元織り」若しくは「３Ｄ織り」、又は「多層織り」は、本明細書で、インターロック、マルチプレーン（multi-plain）、マルチサテン（multi-satin）、及びマルチツイル（multi-twill）の織り方の中から特に選択され得る織り方で織ることにより、複数の経糸の層の経糸を少なくとも一部の緯糸が連結する、又はその逆が行われる織り方を意味するように使用される。

用語「インターロック織り又は編み」、本明細書で、各層の経糸が複数の層の緯糸を連結し、同じ経列の全ての糸が、織り面で同一の動きを有する３Ｄ織りを意味するように使用される。

用語「マルチプレーン（multi-plain）織り又は編み」、本明細書で、各層の基本の織り方が、従来の平織り型と等しいが、特定の箇所で緯糸の層を共に連結する織り方をする、複数の層の緯糸を用いる３Ｄ織りを意味するように使用される。

用語「マルチサテン（multi-satin）織り又は編み」、本明細書で、各層の基本の織り方が、従来の繻子織り型と等しいが、特定の箇所で緯糸の層を共に連結する織り方をする、複数の層の緯糸を用いる３Ｄ織りを意味するように使用される。

用語「マルチツイル（multi-twill）織り又は編み」は、本明細書で、各層の基本の織り方が、従来の斜文織り型と等しいが、特定の箇所で緯糸の層を共に連結する織り方をする、複数の層の緯糸を用いる３Ｄ織りを意味するように使用される。

３Ｄ織物は、懸濁液中の固体粒子を導入すること、及び固体粒子を均一に拡散させることが難しい複雑な形状を表す。本発明の方法は、３Ｄ織り繊維織物に充填スリップを導入することにも非常によく適している。

複合材料部品の繊維強化材を形成するための繊維織物を織るために使用する糸は、特に、アルミナ、ムライト、シリカ、アルミノ珪酸塩、硼珪酸塩、炭化珪素、炭素、又はこれらの材料の２種以上の混合物のいずれかにより構成されている繊維製であり得る。

繊維織物を製造したら、繊維織物を、以下で説明するように、繊維織物内に耐火性粒子を配置することを可能にする本発明に係る工具に置く。このため、図１及び２に示されているように、繊維織物１０は、工具１００に置かれている。ここで説明している実施例において、繊維織物１０は、上記の技術（２Ｄプライの積み重ね又は３Ｄ織り）のうちの１つを用いて、Ｎｅｘｔｅｌ ６１０（商標）アルミナ糸を用いて製造される。本実施例における繊維織物１０は、酸化物／酸化物複合材料製のブレードの繊維強化材を形成するためのものである。

工具１００は、孔１１２を備える底部１１１を有するモールド１１０を備える。また、モールド１１０は、バルブ１１４０が取り付けらえた注入ポート１１４を有する側壁１１３も有する。多孔性材料製部分１２０は、底部１１１の内面１１１ａ上に配置されている。多孔性材料製部分１２０は、底部１１１の内面１１１ａと接触している底面１２０ｂ、及び繊維織物１０を受けるための上面１２０ａを有する。ここで説明している実施例において、部分１２０は、変形可能な材料でできており、一方、モールド１１０の底部１１１の内面１１１ａは、製造される最終部品、具体的には本実施例においては航空エンジンブレードの形状に対応する形状又は輪郭を表す。部分１２０は、変形可能であるので、底部１１１の内面１１１ａの輪郭に合い、その上面１２０ａで、表面１１１ａの形状と類似の形状を表す。例として、部分１２０は、微小孔性ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、例えば供給業者Ｐｏｒｅｘ（登録商標）により販売されている「微小孔性ＰＴＦＥ」製品から製造され得る。

別の実施形態において、多孔性材料部分は、硬質であり、製造される最終部品の形状に対応する形状の上面を表す。こうした状況では、多孔性材料部分は、特に熱成形により製造され得る。

例として、多孔性材料部分は、数ミリメートルの厚さ及び約３０％の平均孔率を表し得る。多孔性材料製部分の平均孔径（Ｄ５０）は、例えば１マイクロメートル（μｍ）〜２μｍの範囲にあり得る。

工具１００は、バルブ１３１０が取り付けられた注入ポート１３１を有する蓋１３０、及び変形可能なダイヤフラム１４０も備え、前記ダイヤフラムは、工具が閉じられると（図２）、繊維織物１０が存在する含浸チャンバ１１０を、ダイヤフラム１４０の上に位置する成形チャンバ１０２と隔てる。ダイヤフラム１４０は、例えばシリコーン製であり得る。

多孔性材料部分１２０ａの上面１２０ａ上に織物１０を置いた後、モールド１１０を蓋１３０で閉じる（図２）。次に、スリップ１５０を、バルブ１１４０を開放させている注入ポート１１４を介して、含浸チャンバ１０１に注入する（図３）。本実施例において、スリップ１５０は、織物中に耐火性酸化物マトリックス(matrix、母材、基板)を形成するためのものである。スリップ１５０は、耐火性酸化物粒子の粉末を含有する懸濁液に相当し、前記粒子は、０．１μｍ〜１０μｍの範囲にある平均粒径を表す。スリップの液相は、特に、水（酸性ｐＨ）、エタノール、又は所望の粉末を懸濁液にすることができる任意のその他の液体であり得る。有機結合剤も加え得る（例えば、水溶性であるポリビニルアルコール（ＰＶＡ））。結合剤は、乾燥後及び焼結前に未焼結プリフォームが確実に結合するのに役立つ。

例として、スリップ１５０は、０．１μｍ〜０．３μｍの範囲にある平均粒径（Ｄ５０）を有し、体積分率が２７％〜４２％の範囲にある、アルミナ粉末によって構成されている水性懸濁液に相当し得、前記懸濁液は、硝酸を使用して酸性（１．５〜４の範囲にあるｐＨ）にされている。アルミナに加えて、耐火性酸化物粒子は、ムライト、シリカ、アルミノ珪酸塩、及びアルミノリン酸塩、及びジルコニアから選択される材料であることが、同様に良好であり得る。耐火性酸化物粒子は、その塩基組成に応じて、アルミナ、ジルコニア、アルミノ珪酸塩、希土類酸化物、（例えば環境若しくは熱障壁に使用される）希土類二珪酸塩、又は最終材料に特定の機能を付与するのに適当な任意の他の充填材（カーボンブラック、グラファイト、炭化珪素など）の粒子とも混合され得る。

含浸チャンバ１０１に注入されるスリップ１５０の量は、含浸させられる繊維織物１０の体積に応じて決められる。最終的な沈降物の厚さを制御し、それにより繊維体積分率（Ｆｖｆ）及びマトリックス体積分率（Ｍｖｆ）を制御するのは、初期に導入される粉末の量である。

スリップを含浸チャンバ１０１に注入したら、注入ポート１１４のバルブ１１４０を閉じた後、圧縮流体１６０、例えば油を、バルブ１３１０を開放させている注入ポート１３１を介して、成形チャンバ１０２に注入することによって、成形オペレーションを実施する。圧縮流体１６０は、ダイヤフラム１４０を介してスリップ１５０に圧力をかけ、スリップ１５０が前記繊維織物１０に浸透するように強いる。流体１６０は、ダイヤフラム１６０全体に静水圧をかけ、結果として、織物１０の上に存在する全スリップに静水圧をかける。スリップを織物に浸透させ、得られるプリフォームの質を低下させることなく多孔性材料部分を介してスリップの液相が排液されることを可能にするのに充分な程度織物を圧縮するために、ダイヤフラム１４０によりスリップ及び繊維織物に加えられる圧力は、１．５ＭＰａ（１５バール）未満、例えば０．７ＭＰａ（７バール）であることが好ましい。

いくつかの機能が、織物に浸透するスリップが通る面１０ａとは反対の繊維織物の面１０ｂ側に位置する多孔性材料部分１２０により実施される。特に、部分１２０は、スリップの液体が、繊維織物から排液されるのを可能にし、このようにして排液された液体は、ベント１１２を介して本実施例において吐出される。排液を、成形オペレーションの間及び後の両方に実施する。もはや液体がベント１１２を通って流れ出なくなったときに、排液は終了する。圧縮流体により圧力をスリップに加えることと組み合わせて、ポンピングＰを、例えばプライマリー真空ポンプ（図１〜４に図示せず）により、ベント１１２を介して適用することが可能である。このようなポンピングは任意である。加熱が十分であり得る。このような次第ではあるが、これらの両方を組み合わせると、乾燥の速度を速めることができる。

また、工具は、成形チャンバ内部の温度を上げ、蒸発によるスリップからの液体の排出を促進するために、工具の壁に組み込まれた抵抗素子などの加熱手段を備え得る。成形チャンバ内の温度は、８０℃〜１０５℃の範囲にある温度に上昇され得る。

多孔性材料部分１２０は、スリップに存在する耐火性酸化物の固体粒子を保持することも可能にし、それにより、耐火性酸化物粒子が、繊維織物に定着することにより、ますます堆積するようになる。このことは、その後（すなわち、焼結後に）マトリックスを得ることを可能にする。

部分１２０の上面１２０ａは、製造される最終部品の形状に対応するモールド１１０の底部１１１の形状を再現するので、部分１２０は、成形オペレーションの間繊維織物の形状を維持させることも可能にする。

このようにして、耐火性酸化物粒子、具体的には上記の種類のアルミナ粒子で満たされた繊維プリフォーム２０が得られる。その後、プリフォームは、成形チャンバ１０２から圧縮流体を全部出すことにより離型され、プリフォームは、離型後、成形形状を維持する。

次に、プリフォームを工具から抜き出し、１０００℃〜１２００℃の範囲にある温度で空気中で焼結加熱処理に付して、耐火性酸化物粒子を共に焼結させ、それによって、プリフォーム内に耐火性酸化物マトリックスを形成する。このことは、繊維強化材全体にマトリックスが均一に分布した、高いマトリックス体積分率を示す、３Ｄ織りによって得られた繊維強化材を備えた酸化物／酸化物複合材料製部品を製造する。

ＣＭＣ複合材料部品を、炭化珪素繊維又は炭素繊維で繊維織物を製造し、カーバイド粒子（例えばＳｉＣ）、ホウ化物粒子（例えばＴｉＢ₂）、又はニトリド粒子（例えばＳｉ₃Ｎ₄）で満たされたスリップを使用することにより、同様の方法で得ることができる。

Claims (8)

1. 複合材料から部品を製造する方法において、
   耐火性繊維から繊維織物（１０）を形成するステップと、
   前記繊維織物（１０）を、前記繊維織物（１０）の第１面（１０ｂ）が載っている多孔性材料部分（１２０）を底部に含む含浸チャンバ（１０１）を有するモールド（１１０）に置くステップであって、前記含浸チャンバ（１０１）が、前記繊維織物（１０）の第２面（１０ａ）に面して配置されている変形可能で不浸透性のダイヤフラム（１４０）によって上部で閉じられており、前記ダイヤフラム（１４０）が、前記含浸チャンバ（１０１）を成形チャンバ（１０２）と隔てる、前記置くステップと、
   耐火性粒子の粉末を含むスリップ（１５０）を、前記繊維織物（１０）の前記第２面（１０ａ）と前記ダイヤフラム（１４０）との間の前記含浸チャンバに注入するステップと、
   圧縮流体（１６０）を前記成形チャンバ（１０２）に注入するステップであって、前記圧縮流体が、前記ダイヤフラム（１４０）に圧力を加えて、前記スリップ（１５０）が前記繊維織物（１０）を通過するように強いる、前記注入するステップと、
   耐火性粒子で満たされた繊維プリフォーム（２０）を得るように、前記多孔性材料部分（１２０）により前記繊維織物（１０）内部に前記耐火性粒子の粉末を保持しながら、前記繊維織物を通過した前記スリップの液体を、前記多孔性材料部分（１２０）を介して排液するステップと、
   前記繊維プリフォーム（２０）を乾燥するステップと、
   前記繊維プリフォーム（２０）を離型するステップと、
   前記繊維プリフォームに耐火性マトリックスを形成するように、前記繊維プリフォームに存在する耐火性粒子を焼結するステップとを含む、方法。
2. 前記多孔性材料部分が、硬質であり、製造される前記複合材料からなる部品の形状に合う形状を表すことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記多孔性材料部分（１２０）が変形可能であり、前記モールド（１１０）の底部（１１１）が、製造される前記複合材料からなる部品の形状に対応する形状を表し、前記多孔性材料部分（１２０）が、前記モールド（１１０）の前記底部（１１１）の形状を為していることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 前記繊維織物を形成する前記ステップの間、糸を３次元織りで織ることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記繊維織物を、２次元織りを用いて織ったプライを積み重ねることにより製造し、前記繊維織物が、０．５ｍｍ以上の厚さを表すことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記繊維プリフォームの糸を、アルミナ、ムライト、シリカ、アルミノ珪酸塩、硼珪酸塩、炭化珪素、及び炭素の材料の１種以上から成っている繊維により形成することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 耐火性粒子が、アルミナ、ムライト、シリカ、アルミノ珪酸塩、アルミノリン酸塩、ジルコニア、カーバイド、ホウ化物、及びニトリドから選択される材料から成っていることを特徴とする、請求項５又は６に記載の方法。
8. 得られる前記複合材料からなる部品が、タービンエンジンブレードを構成することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。

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