JP6701289B2

JP6701289B2 - セラミックマトリックス複合材物品

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Publication number: JP6701289B2
Application number: JP2018167444A
Authority: JP
Inventors: スレシュ・スブラマニアン; マーク・ユージーン・ノエ; ジェームズ・デール・ステイベル; ジェイソン・デビッド・シャピロ; ブランドン・アランソン・レイノルズ; カーティス・シー・モンゴメリー; ジャレド・ホッグ・ウェーバー; ダニエル・ジーン・ダン
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Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2017-09-21
Filing date: 2018-09-07
Publication date: 2020-05-27
Anticipated expiration: 2038-09-07
Also published as: CA3016650A1; EP3459732A1; JP2019064901A; US20190084892A1; US10774008B2; CN109534835B; CN109534835A; CA3016650C

Description

本開示は、一般に、セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）に関し、より詳細には、セラミックマトリックス複合材物品を形成するための物品および方法に関する。

セラミックマトリックス複合材は、一般に、セラミックマトリックス材料に組み込まれたセラミック繊維強化材料を含む。強化材料は、マトリックス亀裂が発生した場合にＣＭＣの耐荷重成分として作用し、一方、セラミックマトリックスは強化材料を保護し、繊維の配向を維持し、強化材料に荷重を分散させる役割を担う。ガスタービンのような高温用途に特に関心が高いのは、マトリックスおよび／または強化材料として炭化ケイ素（ＳｉＣ）を含むケイ素系複合材である。

ＣＭＣの形成には、種々の処理方法が採用されている。例えば、１つの手法は溶解浸透（ＭＩ）を含み、これは、溶解ケイ素を用いて繊維含有加工品に浸透させる。プリプレグＭＩによって形成されたＣＭＣは、一般的に完全に緻密であり、例えば、一般に０体積％または３体積％未満の残留気孔率を有する。この非常に低い気孔率は、高い比例限界強度（proportional limit strength）および層間引張強度およびせん断強度、高い熱伝導率および良好な耐酸化性のような望ましい機械的特性を複合材に与える。しかしながら、ＭＩ複合材のマトリックスは、システムの使用温度をケイ素またはケイ素合金の融点の温度未満、または華氏約２５５０度から華氏２５７０℃に制限する遊離ケイ素相（すなわち、元素ケイ素またはケイ素合金）を含む。さらに、遊離ケイ素相は、ＭＩＳｉＣマトリックスの耐クリープ性を比較的低くする。

ＣＭＣを形成するための別のアプローチは、化学蒸気浸透（ＣＶＩ）である。ＣＶＩは、繊維強化複合材を形成するために高温の反応ガスを使用することによってマトリックス材料を繊維プリフォームに浸透させるプロセスである。一般に、反応物をプリフォーム中に拡散させることによって導入される制限、および、プリフォームから拡散する副産物ガスは、複合材中の約１０％〜約１５％の比較的高い残留気孔率をもたらす。特に、典型的には、ＣＶＩを用いてＣＭＣを形成する際に、ＣＶＩによって形成される複合材の内側部分は、典型的には、複合材の外側部分の気孔率よりも高い気孔率を有する。この気孔率の存在は、ＭＩＣＭＣと比較してＣＶＩＣＭＣの面内および厚み方向の機械的強度、熱伝導率および耐酸化性を低下させる。しかしながら、ＣＶＩ複合材マトリックスは典型的には遊離ケイ素相を有せず、したがってＭＩマトリックスより良好な耐クリープ性を有し、華氏２５７０度を超える温度で動作する可能性がある。

しかしながら、さらなるセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）、より詳細には、セラミックマトリックス複合材物品を形成するための物品および方法が必要とされている。

米国特許出願公開第２０１７／０１３６６９７号明細書

本発明の態様および利点は、部分的に以下の説明に記載されており、またはその説明から明らかになり、または本発明を実践することによって学習することができる。

本開示の１つの例示的な実施形態では、セラミックマトリックス複合材物品が提供される。セラミックマトリックス複合材物品は、０％〜５％の遊離ケイ素を有する、セラミックマトリックス材料中のセラミック繊維強化材料を含む化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分を含む。セラミックマトリックス複合材物品は、化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分よりも高い割合の遊離ケイ素を有する、セラミックマトリックス材料中のセラミック繊維強化材料を含む溶解浸透セラミックマトリックス複合材被覆部分をさらに含む。

特定の例示的な実施形態では、化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分は、実質的に０％の遊離ケイ素を有する。

特定の例示的な実施形態では、溶解浸透セラミックマトリックス複合材被覆部分は、化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分の少なくとも一部を実質的に完全に取り囲む。

特定の例示的な実施形態では、物品は、ガスタービンエンジンに使用するように構成されている。

例えば、特定の例示的な実施形態において、物品はノズルであり、溶解浸透セラミックマトリックス複合材被覆部分は、ノズルの半径方向内側バンドを形成する第１の溶解浸透セラミックマトリックス複合材被覆部分と、ノズルの半径方向外側バンドを形成する第２の溶解浸透セラミックマトリックス複合材被覆部分とを含み、化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分は、ノズルの翼形部セクションを形成する。

例えば、特定の例示的な実施形態では、物品はシュラウドであり、化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分は、ガスタービンエンジン内に設置されたときに、ガスタービンエンジンによって画定されるコア空気流路に暴露される。

例えば、特定の例示的な実施形態では、物品は、ライナであり、ライナは、ガスタービンエンジンに取り付けられたときにガスタービンエンジンによって画定されるコア空気流路に暴露される高温側と、反対の低温側とを含み、化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分は高温側を形成し、溶解浸透セラミックマトリックス複合材被覆部分は低温側を形成する。

例えば、特定の例示的な実施形態では、物品は翼形部であり、翼形部は第１のセクションと、別個に形成された第２のセクションとを含み、第１のセクションおよび第２のセクションの各々は、各々化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分および溶解浸透セラミックマトリックス複合材被覆部分を含み、第１のセクションおよび第２のセクションの溶解浸透セラミックマトリックス複合材被覆部分は、翼形部の第１のセクションと第２のセクションとが接合されるときに、化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分内に実質的に完全に封入される。

例えば、特定の例示的な実施形態では、化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分は、ガスタービンエンジン内に設置されたときに、ガスタービンエンジンによって画定されるコア空気流路に少なくとも部分的に暴露されるように構成される。

特定の例示的な実施形態では、化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分は、溶解浸透セラミックマトリックス複合材被覆部分とは別個に形成され、結果、化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分の表面の実質的にすべてが、形成中に１つまたは複数の反応ガスに暴露される。

例えば、特定の例示的な実施形態では、溶解浸透セラミックマトリックス複合材被覆部分は、化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分が形成された後に、化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分上に形成される。

特定の例示的な実施形態では、化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分は、約５％〜約３０％の気孔率を規定し、溶解浸透セラミックマトリックス複合材被覆部分は、化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分の気孔率よりも低い気孔率を規定する。

例えば、特定の例示的な実施形態では、溶解浸透セラミックマトリックス複合材被覆部分は、約３パーセント未満の気孔率を規定する。

本開示の例示的な態様では、セラミックマトリックス複合材物品を形成するための方法が提供される。この方法は、化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分を形成することであって、化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分を形成することは、化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分の表面の実質的にすべてを１つまたは複数の反応ガスに暴露することを含む、形成することと、化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分を形成した後に、化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分の外面の一部分上に溶解浸透セラミックマトリックス複合材部分を提供することとを含む。

特定の例示的な態様では、化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分の外面の一部分上に溶解浸透セラミックマトリックス複合材部分を提供することは、化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分の外面の上記部分上に溶解浸透セラミックマトリックス複合材部分を形成することを含む。

例えば、特定の例示的な態様では、化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分上に溶解浸透セラミックマトリックス複合材被覆部分を形成することは、化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分の外面の上記部分上にプリプレグの１つまたは複数の層をレイアップすることと、プリプレグの１つまたは複数の層の溶解浸透を実施することを含む。

特定の例示的な態様では、化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分の表面の実質的にすべてを１つまたは複数の反応ガスに暴露することは、０％〜５％の遊離ケイ素を有する、化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分のセラミックマトリックス材料中のセラミック繊維強化材料を形成することを含み、溶解浸透セラミックマトリックス複合材部分を提供することは、化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分よりも高い割合の遊離ケイ素を有する、セラミックマトリックス材料中のセラミック繊維強化材料を含むように、溶解浸透セラミックマトリックス複合材部分を形成することを含む。

特定の例示的な態様では、化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分は、実質的に０％の遊離ケイ素を有する。

特定の例示的な態様では、化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分は、ガスタービンエンジン内に設置されたときに、ガスタービンエンジンによって画定されるコア空気流路に少なくとも部分的に暴露されるように構成される。

特定の例示的な態様では、化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分の外面の一部分上に溶解浸透セラミックマトリックス複合材部分を提供することは、化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分の外面の上記部分に溶解浸透セラミックマトリックス複合材部分を固定することを含む。

本発明のこれらおよび他の特徴、態様および利点は、以下の説明および添付の特許請求の範囲を参照することによってよりよく理解されるであろう。添付の図面は、本明細書に組み込まれて、本明細書の一部を構成し、本発明の実施形態を例示し、説明と共に本発明の原理を説明するのに役立つ。

本発明の完全かつ可能な開示は、その最良の形態を含み、当業者に向けられて、本明細書に記載されており、それは以下の添付の図面を参照する。

セラミックマトリックス複合材基材とセラミックマトリックス複合材被覆部分とを有する、本開示の態様によるセラミックマトリックス複合材物品の断面図である。図１のセラミックマトリックス複合材物品のセラミックマトリックス複合材基材の断面図である。セラミックマトリックス複合材被覆部分を有する図２のセラミックマトリックス複合材基材の断面図である。セラミックマトリックス複合材基材とセラミックマトリックス複合材被覆部分とを有する、本開示の態様によるＣＭＣ物品の断面図である。本開示の例示的な実施形態によるガスタービンエンジンの概略断面図である。本開示の例示的な態様による図５のガスタービンエンジンに組み込むことができるものとしてのＣＭＣ物品の断面図である。本開示の別の例示的な態様による図５のガスタービンエンジンに組み込むことができるものとしてのＣＭＣ物品の断面図である。本開示のさらに別の例示的な態様による図５のガスタービンエンジンに組み込むことができるものとしてのＣＭＣ物品の断面図である。第１のセクションが第２のセクションから分離されている、本開示のまた別の例示的な態様による図５のガスタービンエンジンに組み込むことができるものとしてのＣＭＣ物品の断面図である。第１のセクションが第２のセクションに結合されている、図９の例示的なＣＭＣ物品の断面図である。本開示の例示的な態様によるＣＭＣ物品を形成するための方法の流れ図である。

本発明の実施形態を示すために、ここで詳細に参照を行うが、それの１つまたは複数の実施例を添付の図面に示す。詳細な説明は、図面中の特徴を参照するために、数字および文字の符号を使用する。図面および説明の中で同じまたは類似の記号は、本発明の同じまたは類似の部品を参照するために使用されている。

本明細書で使用する場合、「第１の」、「第２の」、および「第３の」という用語は、１つの構成要素と別の構成要素とを区別するために交換可能に使用することができ、個々の構成要素の位置または重要性を示すことを意図しない。

単数形「１つの（ａ、ａｎ）」、および「この（ｔｈｅ）」は、文脈が特に明確に指示しない限り、複数の言及を含む。

近似を表す文言は、本明細書および特許請求の範囲の全体にわたってここで用いられるように、それが関連する基本的機能の変更をもたらすことなく許容範囲で変化することができる定量的表現を修飾するために適用される。したがって、「およそ（ａｂｏｕｔ）」、「約（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」、および「実質的に（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ）」などの用語で修飾された値は、明記された厳密な値に限定されるものではない。少なくともいくつかの場合には、近似を表す文言は、値を測定するための機器の精度、あるいは、構成要素および／またはシステムを構築もしくは製造するための方法または機械の精度に対応することができる。例えば、近似を表す文言は、１０％のマージン内にあることを指すことができる。

ここで、ならびに明細書および特許請求の範囲の全体を通じて、範囲の限定は組み合わせられ、および置き換えられ、文脈および文言が特に指示しない限り、このような範囲は識別され、それに包含されるすべての部分範囲を含む。例えば、本明細書に開示するすべての範囲は端点を含み、端点は互いに独立して組み合わせ可能である。

一般に、本開示は、引張および圧縮強度などの一般的に良好な機械的特性および増加した温度性能を有するセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）物品に関する。例えば、ＣＭＣ物品は、ＣＭＣベース部分およびＣＭＣ被覆部分または層を含むことができる。ＣＭＣベース部分およびＣＭＣ被覆部分または層は、ＣＭＣ物品が、例えば、耐クリープ性（応力に起因する経時的な変形または形状の変化に対する抵抗性）の増大、および温度性能の増大を伴う一般的に良好な機械的特性を有するようにするために、ＣＭＣ物品の調整を可能にする種々の特性を有することができる。本開示の技法は、ＣＭＣベース部分とＣＭＣ被覆部の両方が強化材料を有するＣＭＣであるようにし、したがってＣＭＣベース部分とＣＭＣ被覆部分の両方が、引張および圧縮強度のような機械的特性を提供するようにする。加えて、ＣＭＣ被覆部分は、より良好な機械的性質ももたらすことができ、ＣＭＣベース部分は、ＣＭＣ物品に増大した温度性能の増大をもたらすことができる。本開示のこのような技法は、応力が高く、一般的にクリープが問題であり、または高温を受けるＣＭＣ構成要素において有利であり得る。ＣＭＣ物品は、ＣＭＣベース部分およびＣＭＣ表面部分がこれらの障害により効率的に対処するように構成することができる。例えば、溶解浸透を使用してＣＭＣ被覆部分を形成することにより、より完全に緻密なＣＭＣ被覆部分を得ることができ、これは、下にあるより気孔率の高いＣＭＣベース部分（化学蒸気浸透を用いて形成される）への酸素含有ガスの侵入を低減することにより、積層全体の耐酸化性を高めることができる。このようなＣＭＣ被覆部分はまた、より優れた層間強度（層間引張強度と層間せん断強度の両方）をももたらす。さらに、化学蒸気浸透を使用してＣＭＣベース部分を形成することにより、より優れた耐クリープ性およびより高い温度性能を有するベース部分が得られる。

図を通して同一の数字が同じ要素を示す図面をここで参照すると、図１は、本開示の態様による、ＣＭＣベース部分２０およびＣＭＣ被覆部分５０を有するＣＭＣ物品１０を提示する。以下により詳細に説明するように、ＣＭＣベース部分２０は、遊離ケイ素含有量または比を含まない、セラミックマトリックス材料中のセラミック繊維強化材料を含むことができる。

対照的に、ＣＭＣ被覆部分５０は、遊離ケイ素含有量または割合（例えば、ベース部分全体に対する元素ケイ素またはケイ素合金の量）を有する、セラミックマトリックス材料中のセラミック繊維強化材料を含むことができる。本明細書では、遊離ケイ素という用語は、ケイ素が合金の約３３原子パーセントを超える割合を構成する元素ケイ素またはケイ素合金の存在を指す。ＣＭＣ被覆部分５０は、例えば、遊離ケイ素（例えば、元素ケイ素またはケイ素合金相の体積の少なくとも約５パーセント、１０パーセント、１５パーセント、２０パーセント、３０パーセント、またはそれ以上の遊離ケイ素）を有するケイ素に富んだ炭化ケイ素部分であってもよい。ＣＭＣ被覆部分５０は、ＣＭＣベース部分２０の少なくとも一部分の表面上に配置されたセラミックマトリックス材料中のセラミック繊維強化材料を含むことができる。

ＣＭＣ被覆部分５０は、一般的に完全な密度を有することができ、すなわち気孔率がまったくまたはほとんどないものとすることができる（例えば、約０％、５％未満、約０〜５％未満）。対照的に、ＣＭＣベース部分２０は、一般的に遊離ケイ素含有量がまったくない、すなわち、ゼロの遊離ケイ素含有量を有する炭化ケイ素を含むか、またはわずかに炭素に富む炭化ケイ素を含み得る。ＣＭＣ被覆部分５０は、第１のプロセスによって形成することができ、ＣＭＣベース部分２０は、第１のプロセスとは異なる第２のプロセスによって形成することができる。例えば、ＣＭＣ被覆部分５０は溶解浸透プロセスを用いて形成されてもよく、ＣＭＣベース部分２０は化学蒸気浸透プロセスを用いることによって形成されてもよい。ＣＭＣ被覆部分５０は、ベース部分２０にまさる改善された機械的特性を有することができ、ＣＭＣ物品１０が、ＣＭＣ被覆部分５０を有しないＣＭＣ物品の全体的な機械的強度よりも大きい全体的な機械的強度を有するＣＭＣ物品１０をもたらすことができる。遊離元素ケイ素またはケイ素合金を有しないＣＭＣベース部分２０は、ＣＭＣ被覆部分５０（遊離ケイ素を含み得る）と比較してより高い温度（例えば、ケイ素の融点より高い）に耐えることができ、ＣＭＣベース部分２０を有しないものよりも高い温度に耐えることができるＣＭＣ物品１０をもたらすことができる。

図２を参照すると、ＣＭＣ物品１０（図１）は、最初にＣＭＣベース部分２０を形成することを含むことができる。ＣＭＣベース部分２０の表面領域は、セラミックマトリックス前駆体が含浸されている一方向に整列したトウ２４を含む個々のプリプレグから各々導出される、複数の薄層２２を含むことができる。結果として、各薄層２２は、焼成および化学蒸気浸透の間にセラミックマトリックス前駆体の転化によって形成されるセラミックマトリックス２６内に封止された一方向に整列した繊維２５を含む。

例えば、ＣＭＣベース部分２０は、ＣＭＣマトリックス材料の前駆体を含浸させた所望のＣＭＣの強化材料を含む、テープ状構造の形態であることが多い「プリプレグ」の複数の層から製造することができる。プリプレグは、前駆体を所望のセラミックに転化するための処理（焼成を含む）を受けることができる。プリプレグは、連続繊維強化セラミック複合材（ＣＦＣＣ）材料であってもよく、概して二次元の積層体を作成するために、マトリックス前駆体を含浸された単一層の一方向に整列したトウを含む二次元繊維アレイを含むことができる。得られたプリプレグの複数のプライを積層およびデバルクして、積層プリフォームを形成する。これは「レイアップ」と呼ばれるプロセスである。プリプレグは、典型的には、プリプレグ層のトウが横方向（例えば、垂直）または互いに一定の角度をなして配向されるように配置され、プリフォームの層面内でより大きい強度を提供する（最終的なＣＭＣ構成要素の主（耐荷重）方向に対応する）。

レイアップに続いて、積層プリフォームは、オートクレーブまたは局所的に圧力および熱を加えることのように、加圧および高温に露出されている間にデバルクおよび硬化を受けることができる。化学蒸気浸透（ＣＶＩ）の場合には、デバルクおよび硬化されたプリフォームは追加の処理を受ける。まず、有機バインダを分解するためにプリプレグ層／プリフォームを真空中または不活性雰囲気中で加熱することができ、有機バインダの少なくとも１つは、この熱処理の間にセラミックチャーを形成するために熱分解し、化学蒸気浸透のための多孔質層を生成する。バインダバーンアウト工程と同じ熱サイクルの一部として、または独立した後続の加熱工程のいずれかで、さらに加熱すると、外部から供給される炭化ケイ素の気体源などによって、層は化学蒸気浸透される。ＣＶＩプロセスの実行のための適切な反応ガスおよび処理条件は、当該技術分野において周知である。炭化ケイ素の気体源は、多孔質に含浸し、多孔質ベース部分の内面上で反応して、遊離Ｓｉ金属を含まないＳｉＣを堆積させる。

特に、少なくとも特定の例示的な実施形態では、ＣＭＣベース部分２０が最初に完全に形成される。より具体的には、少なくとも特定の例示的な実施形態では、ＣＭＣ被覆部分５０を追加する前に、ＣＭＣベース部分２０がレイアップされ、化学蒸気浸透プロセスを通して取り込まれる。このようなプロセスは、化学蒸気浸透プロセスの間、ベース部分２０の表面の実質的にすべてが反応ガスに暴露されることを可能にし、結果としてベース部分２０がより迅速かつ完全に形成される。

ここで図３を参照すると、ＣＭＣ物品１０の形成は、最初に形成されたＣＭＣベース部分２０上に被覆部分５０を形成することを含むことができる。例えば、セラミックマトリックス前駆体が含浸されている一方向に整列したトウ５４を含む個々のプリプレグから、薄層５２を導出することができる。薄層５２は、焼成および溶解浸透（ＭＩ）の間にセラミックマトリックス前駆体の転化によって形成されるセラミックマトリックス５６内に封止された一方向に整列した繊維５５を含む。

例えば、ＣＭＣ被覆部分５０は、ＣＭＣマトリックス材料の前駆体を含浸させた所望のＣＭＣの強化材料を含む、シート状構造の形態であることが多い「プリプレグ」の層から製造することができる。プリプレグは、前駆体を所望のセラミックに転化するための処理（焼成を含む）を受ける。プリプレグは、連続繊維強化セラミック複合材（ＣＦＣＣ）材料であってもよく、概して二次元の積層体を作成するために、マトリックス前駆体を含浸された単一層の一方向に整列したトウを含む二次元繊維アレイを含むことができる。代替的に、プリプレグは、織り繊維層を含んでいてもよい。プリプレグのプライは、ＣＭＣベース部分２０上に配置することができる。プリプレグは、プリプレグ層のトウがＣＭＣベース部分の最外層のトウに対して平行、横方向（例えば垂直）または一定の角度で配向するように配置することができる。

したがって、図示された例示的な実施形態では、被覆部分５０の第１の層は、ベース部分２０の表面に直接的に施与することができることが理解されよう。しかし、被覆部分５０は溶解浸透プロセスを用いて処理され得ることができるため、少なくとも特定の例示的な実施形態では、物品１０は、ベース部分２０と被覆部分５０の第１の層との間にバリア層をさらに含むことができる。

図３をさらに参照すると、プリプレグ層／プリフォームは、オートクレーブまたは局所的に圧力および熱を加えることのように、加圧および高温に露出されている間に硬化を受けることができる。溶解浸透（ＭＩ）の場合、硬化したプリフォームは追加の処理を受ける。まず、有機バインダを分解するためにプリフォームを真空中または不活性雰囲気中で加熱することができ、有機バインダの少なくとも１つは、この熱処理の間にカーボンチャーを形成するために熱分解し、溶解浸透のための多孔質プリフォームを生成する。バインダバーンアウト工程と同じ熱サイクルの一部として、または独立した後続の加熱工程のいずれかで、さらに加熱すると、外部から供給される溶融ケイ素などによって、プリフォームは溶解浸透される。溶融ケイ素は、多孔質に浸透し、マトリックスの炭素成分と反応して炭化ケイ素を形成し、多孔質を充填して所望のＣＭＣ被覆部分５０をもたらす。

特に、図３の実施形態では、溶解浸透を用いて処理／形成されたＣＭＣの単一の層を含む被覆部分５０が示されている。しかしながら、他の例示的な実施形態では、被覆部分５０は、所望の幾何形状を有するＣＭＣ物品１０をもたらすために溶解浸透を使用して処理／成形された任意の適切な数のＣＭＣ層を代わりに含むことができることを理解されたい。

例えば、図４は、本開示の別の態様によるＣＭＣベース部分１２０およびＣＭＣ被覆部分１５０を有するＣＭＣ物品１１０を示す。ＣＭＣベース部分１２０は、本質的に遊離ケイ素の割合または含有量を含まなくてもよく、ＣＭＣ被覆部分１５０は、遊離ケイ素の割合または含有量を含み、ＣＭＣベース部分１２０の少なくとも一部分の表面上に配置されている、セラミックマトリックス材料中のセラミック繊維強化材料を含み得る。

より具体的には、図示されている実施形態について、ＣＭＣ被覆部分１５０は、一般的に完全な密度を有することができ、すなわち気孔率がまったくまたはほとんどないものとすることができる（例えば、約０％、５％未満、または約０〜５％未満）。ＣＭＣ被覆部分１５０は、例えば、遊離ケイ素（例えば、元素ケイ素またはケイ素合金相の体積の少なくとも約５パーセント、１０パーセント、１５パーセント、２０パーセント、３０パーセント、またはそれ以上の遊離ケイ素）を有するケイ素に富んだ炭化ケイ素被覆部分であってもよい。対照的に、ＣＭＣベース部分１２０は、ほぼ純粋な炭化ケイ素、一般的に遊離ケイ素含有量がまったくない、すなわち、ゼロの遊離ケイ素含有量を有する炭化ケイ素、またはわずかに炭素に富む炭化ケイ素であってもよい。ＣＭＣ被覆部分１５０は、第１のプロセスによって形成することができ、ＣＭＣベース部分１２０は、第１のプロセスとは異なる第２のプロセスによって形成することができる。例えば、ＣＭＣ被覆部分１５０は溶解浸透プロセスを用いて形成されてもよく、ＣＭＣベース部分１２０は化学蒸気浸透プロセスを用いて形成されてもよい。それゆえ、ＣＭＣ被覆部分１５０は、ＣＭＣベース部分１２０と比較して改善された機械的強度を有することができ、この結果として、ＣＭＣ物品１１０が、ＣＭＣ被覆部分１５０を有しないＣＭＣ物品の全体的な機械的強度よりも大きい全体的な機械的強度を有することができる。遊離元素ケイ素またはケイ素合金を有し得るＣＭＣベース部分１２０は、ＣＭＣ被覆部分１５０（遊離ケイ素を含み得る）と比較してより高い温度（例えば、ケイ素の融点より高い）に耐えることができ、ＣＭＣベース部分１２０を有しないものよりも高い温度に耐えることができるＣＭＣ物品１１０をもたらすことができる。

ＣＭＣ物品１１０は、ベース部分２０（図２）の形成に関連して上述したのと同様の方法でＣＭＣベース部分１２０を最初に形成することを含むことができる。なお図４を参照すると、ＣＭＣ物品１１０は、最初に形成されたＣＭＣベース部分１２０上に被覆部分１５０を形成することを含むことができる。例えば、被覆部分１５０は、セラミックマトリックス前駆体が含浸されている一方向に整列したトウを含む個々のプリプレグから各々導出される、複数の薄層１５２を含むことができる。各薄層１５２は、焼成および溶解浸透（ＭＩ）の間にセラミックマトリックス前駆体の転化によって形成されるセラミックマトリックス内に封止された一方向に整列した繊維または織り繊維を含むことができる。

例えば、上述した実施形態と同様に、ＣＭＣ被覆部分１５０は、ＣＭＣマトリックス材料の前駆体を含浸させた所望のＣＭＣの強化材料を含む、テープ状構造の形態であることが多い「プリプレグ」の複数の層から製造することができる。プリプレグは、前駆体を所望のセラミックに転化するための処理（焼成を含む）を受ける。プリプレグは、連続繊維強化セラミック複合材（ＣＦＣＣ）材料であってもよく、概して二次元の積層体を作成するために、マトリックス前駆体を含浸された単一層の一方向に整列したトウを含む二次元繊維アレイを含むことができる。代替的に、プリプレグは、織り繊維層を含んでいてもよい。得られたプリプレグの複数のプライは積層され、デバルクされる。プリプレグは一般的に、プリプレグ層のトウがＣＭＣベース部分の最外層のトウに対して平行、横方向（例えば垂直）または一定の角度で配向するように配置することができる。

複数の層は一般的に、オートクレーブまたは局所的に圧力および熱を加えることのように、加圧および高温に露出されている間にデバルクおよび硬化を受けることができる。浸透（ＭＩ）の場合、硬化したプリフォームは追加の処理を受ける。まず、有機バインダを分解するために、ＣＭＣベース部分上に配置された複数の層を真空中または不活性雰囲気中で加熱することができ、有機バインダの少なくとも１つは、この熱処理の間にカーボンチャーを形成するために熱分解し、溶解浸透のための多孔質プリフォームを生成する。バインダバーンアウト工程と同じ熱サイクルの一部として、または独立した後続の加熱工程のいずれかで、さらに加熱すると、外部から供給される溶融ケイ素などによって、プリフォームは溶解浸透される。溶融ケイ素は、多孔質に浸透し、マトリックスの炭素成分と反応して炭化ケイ素を形成し、多孔質を充填して所望のＣＭＣ被覆部分１５０をもたらす。

代替の実施形態は、ＣＶＩ複合材ベース部分を、ＣＶＩ複合材ベース部分の外面と型の内面との間の空間を占める繊維プライの１つまたは複数の層を有する型に配置することであり、当該構造はＭＩを受ける。型材料は、ＭＩプロセスに適合する。

上記実施形態において、トウの材料はＳｉＣ繊維であってもよい。トウに適した材料の例は、日本カーボン株式会社製のハイニカロン（ＨＩ−ＮＩＣＡＬＯＮ）（登録商標）である。繊維の直径の適切な範囲は、約２〜約２０マイクロメートルであるが、より大きい直径およびより小さい直径を有する繊維も本開示の範囲内である。繊維は好ましくは、ＣＭＣベース部分および／またはＣＭＣ被覆部分に、カーボンまたは窒化ホウ素界面層（図示せず）のような特定の所望の特性を付与するための材料で被覆することができる。プリプレグテープに成形してＣＶＩＣＭＣベース部分に施与する前に、被覆部分内の繊維をコーティングしてもよく、または繊維コーティングをＭＩプロセスの初期部分中に施与してもよい。当業者であれば、本開示の教示が他のＣＭＣ材料の組み合わせにも適用可能であり、そのような組み合わせが本開示の範囲内にあることを理解するであろう。

上述したように、一般的に遊離ケイ素相を有しないＣＶＩプロセスによって形成されたＣＭＣベース部分は、ＭＩによって形成され、一般的に完全な密度を有するか、または、約０パーセント、５パーセント未満、または約０パーセント〜５パーセント未満など、気孔率をまったくもしくはほとんど有しないＣＭＣ被覆部分よりも大きい耐クリープ性および温度性能を有するＣＭＣベース部分をもたらすことができる。加えて、ケイ素溶解浸透によって形成されるものなどのＣＭＣ被覆部分は、例えば、元素ケイ素またはケイ素合金相の体積の少なくとも約５パーセント、１０パーセント、１５パーセント、２０パーセント、３０パーセント、またはそれ以上の遊離ケイ素を有するケイ素に富んだ炭化ケイ素被覆部分をもたらすことができる。ＣＭＣベース部分は、一般的に純粋な炭化ケイ素、例えばケイ素に対する炭素の約１対１の比、または０．９９５ケイ素対炭素１．００５の比などのわずかに炭素に富むものを含むことができる。ＣＭＣ物品を形成するためのプライまたは一方向テープの厚さは、約３ミル（０．００３インチ）〜約２０ミル（０．０２０インチ）であってもよい。ＣＭＣ物品は、強化繊維の単一のプライもしくは層、強化繊維の複数のプライもしくは層、またはＣＭＣ被覆部分を形成するための強化繊維の複数のプライまたは層を有するように形成されてもよい。例えば、本開示のＣＭＣ物品は、約８のプライまたは層の強化繊維およびＣＶＩのから形成されたＣＭＣベース部分と、強化繊維の１または２のプライまたは層および溶解浸透から形成された被覆部分とを含むことができ、結果、被覆部分は、ＣＭＣ物品の厚さの約１０％〜約２５％になり得る。セラミックマトリックス複合材物品の他の実施形態では、被覆部分は、セラミックマトリックス複合材物品の厚さの約５％〜約７０％であってもよい。他の実施形態では、ＣＭＣ物品は、約５０〜約１００のプライを有することができる。ＣＭＣ被覆部分に対するＣＭＣベース部分のプライの数および厚さの他の構成も可能であることは理解されよう。

ＣＭＣ物品は一方向性プリプレグテープから形成することができるが、ＣＭＣベース部分および／またはＣＭＣ被覆部分を形成するために織りプリプレグテープを使用することができることが理解されよう。一方向性プリプレグテープの整列した繊維は、プリプレグ織り繊維生地から得られるものよりも少ない細孔をもたらすことができる。さらに、ＣＭＣ物品のＣＭＣ被覆部分上に１つまたは複数の追加の層またはコーティングを形成することができる。例えば、いくつかの実施形態では、耐環境性コーティング（ＥＢＣ）が被覆部分上に形成されてもよい。

図１〜図４を参照して上述した１つまたは複数の例示的なＣＭＣ物品は、ガスタービンエンジンに使用するように構成することができることが理解されよう。例えば、本開示の特定の例示的な実施形態では、ＣＭＣ物品は、航空ガスタービンエンジン（ターボファンエンジン、ターボプロップエンジン、ターボシャフトエンジン、ターボジェットエンジンなど）、発電ガスタービンエンジン、または航空転用ガスタービンエンジン内で使用するために構成することができる。しかしながら、他の実施形態では、本開示のＣＭＣ物品は、任意の他の適切な機械と共に利用することができる。

例えば、図５を簡単に参照すると、本開示の１つまたは複数の例示的な態様に従って形成されたＣＭＣ物品を含むことができるガスタービンエンジン２００の簡略化された概略図が提示される。しかしながら、図５を参照して説明されるガスタービンエンジン２００は、単なる例として提供されており、他の例示的な実施形態では、ガスタービンエンジン１０は任意の適切な構成を有することができることが理解されよう。例示的なガスタービンエンジン２００は、軸方向Ａ（基準として与えられている長手方向中心線２０２に平行に延伸する）および半径方向Ｒを画定する。一般に、ガスタービンエンジン２００は、ファンセクション２０４と、ファンセクション２０４の下流に配置されているターボ機械２０６とを含む。図示する例示的なターボ機械２０６は、一般に、環状入口２１０を画定する実質的に管状の外側ケーシング２０８を含む。外側ケーシング２０８は、直列流れ関係で、ブースタもしくは低圧（ＬＰ）圧縮機２１２および高圧（ＨＰ）圧縮機２１４を含む圧縮機セクションと、燃焼セクション２１６と、高圧（ＨＰ）タービン２１８および低圧（ＬＰ）タービン２２０を含むタービンセクションと、ジェット排気ノズルセクション２２２とを収容する。圧縮機セクション、燃焼セクション２１６、およびタービンセクションは、共にコア空気流路２２４を画定する。第１の高圧（ＨＰ）シャフトまたはスプール２２６は、ＨＰタービン２１８をＨＰ圧縮機２１４に駆動可能に接続する。第２の低圧（ＬＰ）シャフトまたはスプール２２８は、ＬＰタービン２２０をＬＰ圧縮機２１２に駆動可能に接続する。

図示の実施形態では、ファンセクション２０４は、ディスク２３４に離間して結合された複数のファンブレード２３２を有するファン２３０を含む。ディスク２３４は、複数のファンブレード２３２を通る空気流を促進するように空気力学的に成形された回転可能な前部ハブ２３６によって被覆される。さらに、例示的なファンセクション２０４は、ファン２３０および／またはターボ機械２０６の少なくとも一部の周囲を囲む、環状のファンケーシングまたは外側ナセル２３８を含む。図示されているように、ファンブレード２３２、ディスク２３４、および前部ハブ２３６は、ＬＰスプール２２８によって直接的に、長手方向軸２０２の周りで共に回転可能である。

ガスタービンエンジン２００の動作中に、特定の構成要素が比較的高い温度に暴露されることがあり、したがって、１つまたは複数のこのような構成要素をＣＭＣ材料から形成することが有益であり得ることが理解されよう。例えば、燃焼セクション２１６内では、燃焼器ライナ２４０、より具体的には、外側燃焼器ライナ内の内側燃焼器ライナを有する燃焼器が提供される。さらに、ターボ機械２０６のタービンセクション内では、ターボ機械２０６は、それを通るコア空気流路２２４の一部分を画定する１つまたは複数のライナ２４２を含む。ＨＰタービン２１８とＬＰタービン２２０との間に描かれているが、他の実施形態では、ライナ（複数可）２４２は、コア空気流路２２４に沿った任意の他の適切な位置に配置されてもよい。また、ＨＰタービン２１８およびＬＰタービン２２０は各々、ＨＰスプール２２６またはＬＰスプール２２８に結合されたロータブレード２４４の一部として、またはケーシング２０８に結合された静翼２４６の一部として構成することができる複数のタービン翼形部を含む。さらに、ＨＰタービン２１８およびＬＰタービン２２０内で、ターボ機械２０６は、複数のロータブレード２４４の半径方向外端に配置されて、このようなロータブレード２４４とのシールを形成する１つまたは複数のシュラウド２４８をさらに含む。以下で論じるように、これらの構成要素の１つ以上、および１つまたは複数の他の構成要素は、図１〜図４を参照して上述したＣＭＣ物品と同様の方法で形成することができる。

より具体的には、例えば、ここで図６〜図１０を全体的に参照すると、例えば、図５の例示的なガスタービンエンジンに組み込むことができるような、本開示の特定の実施形態による様々なセラミックマトリックス複合材物品２５０が提供される。図６〜図１０に示すセラミックマトリックス複合材物品２５０の各々は、ＣＶＩセラミックマトリックス複合材ベース部分２５２と、ＭＩセラミックマトリックス複合材被覆部分２５４とを含む。それぞれのセラミックマトリックス複合材物品２５０の各々のＭＩセラミックマトリックス複合材被覆部分２５４は、ＣＶＩセラミックマトリックス複合材ベース部分２５２に取り付けられているか、またはその上に形成されている。

例えば、図６を特に参照すると、図５の例示的なガスタービンエンジン２００などのガスタービンエンジンに組み込むことができるものとしての、本開示の一実施形態によるＣＭＣ物品２５０の側断面図が提示される。より具体的には、図示の実施形態では、物品２５０は、概して、翼形部セクション２５６と、半径方向内側バンド２５８と、半径方向外側バンド２５９とを含むノズルとして構成される。図示の実施形態のＣＶＩベース部分２５２は、空気流セクション２５６を実質的に完全に形成する。さらに、ＣＭＣ物品２５０は、第１のＭＩ被覆部分２５４Ａおよび第２のＭＩ被覆部分２５４Ｂを含む。第１のＭＩ被覆部分２５４Ａは内側バンド２５８を形成し、第２のＭＩ被覆部分２５４Ｂは外側バンド２５９を形成する。したがって、ＣＶＩベース部分２５２を最初に形成することができ、先行して形成されたＣＶＩベース部分２５２の少なくとも一部分の周囲または上にＭＩ被覆部分２５４Ａ、２５４Ｂが続いて形成されてもよい。

特に、ノズルが組み込まれたガスタービンエンジンは、コア空気流路（例えば、圧縮機セクション、燃焼セクション、およびタービンセクションを通る流路）を画定することが理解されよう。このようなガスタービンエンジンに組み込まれると、ノズル２５０のＣＶＩベース部分２５２の少なくとも一部分がコア空気流路に暴露される。より詳細には、ノズルの翼形部セクション２５６の実質的にすべてがコア空気流路に暴露され、ＭＩ被覆部分２５４Ａ、２５４Ｂと比較したＣＶＩベース部分２５２のより大きい温度抵抗を所与として、結果もたらされるノズルは、ガスタービンエンジン内のより高い温度に耐えることが可能であり得る。対照的に、ＭＩ被覆部分２５４Ａ、２５４Ｂは、コア空気流路に暴露されず、ＣＶＩベース部分２５２を支持することを課され、ＣＶＩベース部分２５２と比較して改善された機械的特性を所与として、結果もたらされるノズルは、力により良好に対処することが可能であり得る。本明細書で使用される場合、「コア空気流路に暴露される」構成要素の一部分は、概してコア空気流路の環境に暴露される構成要素のこのような部分を指し、表面に施与されるボンドコート、耐環境性コーティングなどのうちの１つまたは複数を有する構成要素の少なくとも１つを含むように意図される。したがって、翼形部セクションがボンドコートおよび／または耐環境性コーティングを含む場合、それは依然として「コア空気流路に暴露される」。

ここで特に図７を参照すると、本開示の例示的な実施形態によるセラミックマトリックス複合材物品２５０の別の実施形態が提示される。より詳細には、図７は、図５の例示的なガスタービンエンジン２００のような、ガスタービンエンジンに組み込むことができるものとしてのシュラウドを示している。例えば、シュラウドは、ガスタービンエンジンのタービンセクション内に配置することができる。シュラウドは、一般に、ＣＶＩベース部分２５２およびＭＩ被覆部分２５４を含む。ＣＶＩベース部分２５２は、ガスタービンエンジンに設置されたとき、ガスタービンエンジンのコア空気流路に暴露され得る。したがって、ＣＶＩベース部分２５２はシュラウドの高温側を形成することができ、一方で、ＭＩ被覆部分２５４はシュラウドの反対の低温側を形成することができる。このような構成は、シュラウドがガスタービンエンジン内からより高い温度に耐えることを可能にすることができる。

同様に、ここで特に図８を参照すると、本開示の例示的な実施形態によるセラミックマトリックス複合材物品２５０のまた別の実施形態が提示される。具体的には、図８は、図５の例示的なガスタービンエンジン２００のような、ガスタービンエンジンに組み込むことができるものとしてのライナを示している。例えば、ライナは、ガスタービンエンジンのタービンセクション内のライナ、ガスタービンエンジンの燃焼セクション内の燃焼器のライナなどとして構成することができる。ライナは、一般に、ＣＶＩベース部分２５２およびＭＩ被覆部分２５４を含む。ＣＶＩベース部分２５２は、ガスタービンエンジンに設置されたとき、ガスタービンエンジン内のコア空気流路に暴露され得る。したがって、ＣＶＩベース部分２５２はライナの高温側を形成することができ、一方で、ＭＩ被覆部分２５４はライナの反対の低温側を形成することができる。このような構成は、ライナがガスタービンエンジン内からより高い温度に耐えることを可能にすることができる。

その上、ここで図９および図１０を参照すると、本開示の例示的な実施形態によるセラミックマトリックス複合材物品２５０のまた別の実施形態が提示される。特に、図９および図１０は、図５の例示的なガスタービンエンジン２００のような、ガスタービンエンジンに組み込むことができるものとしての翼形部を示している。図６を参照して上述したノズルの翼形部セクション２５６とは対照的に、図９および図１０の例示的な翼形部は、少なくとも２つの部品から形成される。より具体的には、図示された実施形態では、翼形部は、第１のセクション２６０と第２のセクション２６２とから形成され、第１のセクション２６０と第２のセクション２６２とは共に接合されて翼形部を形成する。図９は、第１のセクション２６０が第２のセクション２６２から分離されているところを示し（すなわち、第１のセクション２６０および第２のセクション２６２が形成された後であるが、第１のセクション２６０および第２のセクション２６２が共に接合される前）、図１０は、第１のセクション２６０および第２のセクション２６２が共に接合されて翼形部を形成しているところを示す。

第１のセクション２６０および第２のセクション２６２の各々は、ＣＶＩセラミックマトリックス複合材ベース部分２５２およびＭＩセラミックマトリックス複合材被覆部分２５４を含む。特に、第１のセクション２６０と第２のセクション２６２が共に接合されると、ＭＩセラミックマトリックス複合材被覆部分２５４は、ＣＶＩセラミックマトリックス複合材ベース部分２５２内に実質的に完全に包囲される。したがって、ガスタービンエンジン内に完全に組み立てられ、設置されると、ＭＩセラミックマトリックス複合材被覆部分２５４は、ガスタービンエンジンのコア空気流路に暴露されず、代わりに、第１のセクション２６０および第２のセクション２６２のＣＶＩセラミックマトリックス複合材ベース部分２５２のみが、ガスタービンエンジンのコア空気流路に暴露される。このような構成は、翼形部がガスタービンエンジン内からより高い温度に耐えることを可能にすることができる。図示の実施形態では、翼形部は第１のセクション２６０および第２のセクション２６２を含むが、他の例示的な実施形態では、翼形部は他の適切な数の別個のセクションから形成されてもよいことが理解される。さらに、翼形部の別個のセクションは、任意の適切な方法を用いて共に接合されてもよいことが理解されよう。

図６〜図１０を参照して上述したセラミックマトリックス複合材物品２５０の各実施形態によれば、ＣＶＩセラミックマトリックス複合材ベース部分２５２が最初に形成され得、その後、ＭＩセラミックマトリックス複合材被覆部分２５４が、ＣＶＩセラミックマトリックス複合材ベース部分２５２上に形成されることが理解されよう。これにより、ＣＶＩセラミックマトリックス複合材ベース部分２５２の表面の実質的にすべてが、ＣＶＩセラミックマトリックス複合材ベース部分２５２を形成するために使用される１つまたは複数の反応ガスに暴露され得るため、ＣＶＩセラミックマトリックス複合材ベース部分２５２がより完全にかつより低減した気孔率で形成され得る。このようにしてＣＶＩセラミックマトリックス複合材ベース部分２５２の気孔率を減少させることによって、ＣＶＩセラミックマトリックス複合材ベース部分２５２は改善された特性を示すことができる。

ここで図１１を参照すると、本開示の例示的な態様によるセラミックマトリックス複合材物品を形成するための方法３００が提示される。例示的な方法３００は、図１〜図１０を参照して上述した例示的なＣＭＣ物品のうちの１つまたは複数を形成するために利用することができる。

図示されるように、図１１の例示的な方法３００は、（３０２）において化学蒸気浸透（ＣＶＩ）セラミックマトリックス複合材ベース部分を形成することを含む。（３０２）におけるＣＶＩセラミックマトリックス複合材ベース部分の形成は、（３０４）において、ＣＶＩセラミックマトリックス複合材ベース部分の表面の実質的にすべてを１つまたは複数の反応ガスに暴露することを含む。ＣＶＩＣＭＣベース部分の表面は、ＣＶＩＣＭＣベース部分の表面の全体を指し得る。

さらに、図１１の例示的な方法３００は、（３０２）においてＣＶＩセラミックマトリックス複合材ベース部分を形成した後に、（３０６）において、ＣＶＩセラミックマトリックス複合材ベース部分の表面の一部分上に溶解浸透（ＭＩ）セラミックマトリックス複合材部分を提供することを含む。例えば、図示された方法３００の例示的な態様では、（３０６）においてＣＶＩセラミックマトリックス複合材ベース部分上にＭＩセラミックマトリックス複合材部分を提供することは、（３０７）において、ＣＶＩセラミックマトリックス複合材ベース部分上にＭＩセラミックマトリックス複合材部分を形成することを含む。さらに、（３０７）においてＣＶＩセラミックマトリックス複合材ベース部分上にＭＩセラミックマトリックス複合材部分を形成することは、（３０８）において、ＣＶＩセラミックマトリックス複合材ベース部分の表面の部分上にプリプレグの１つまたは複数の層をレイアップすることと、（３１０）において、プリプレグの１つまたは複数の層の溶解浸透を実施することとを含む。

特に、いくつかの例示的な態様では、（３０４）においてＣＶＩセラミックマトリックス複合材ベース部分の外面の実質的にすべてを１つまたは複数の反応ガスに暴露することは、（３１２）において、０％〜５％の遊離ケイ素を有するセラミック繊維強化材料を有するセラミックマトリックス材料を含むように、ＣＶＩセラミックマトリックス複合材ベース部分を形成することを含む。さらに、（３０７）においてＭＩセラミックマトリックス複合材部分を形成することは、（３１４）において、ＣＶＩストリングマトリックス複合材ベース部分よりも高い割合の遊離ケイ素を有する、セラミック繊維強化材料を有するセラミックマトリックス材料を含むように、ＭＩセラミックマトリックス複合材部分を形成することをさらに含む。

本明細書は、本発明を最良の態様を含めて開示するとともに、あらゆるデバイスまたはシステムの製作および使用ならびにあらゆる関連の方法の実行を含む本発明の実施を当業者にとって可能にするために、実施例を用いている。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到する他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言と異ならない構造要素を含む場合、または特許請求の範囲の文言と実質的な差異を有しない等価の構造要素を含む場合、特許請求の範囲内であることを意図している。
［実施態様１］
セラミックマトリックス複合材物品（１０、１１０、２５０）であって、
０％〜５％の遊離ケイ素を有する、セラミックマトリックス材料中のセラミック繊維強化材料を含む化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分（２０、１２０、２５２）と、
前記化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分（２０、１２０、２５２）よりも高い割合の遊離ケイ素を有する、セラミックマトリックス材料中のセラミック繊維強化材料を含む溶解浸透セラミックマトリックス複合材被覆部分（５０、１５０、２５４）と
を備える、セラミックマトリックス複合材物品（１０、１１０、２５０）。
［実施態様２］
前記化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分（２０、１２０、２５２）は、実質的に０％の遊離ケイ素を有する、実施態様１に記載のセラミックマトリックス複合材物品（１０、１１０、２５０）。
［実施態様３］
前記溶解浸透セラミックマトリックス複合材被覆部分（５０、１５０、２５４）は、前記化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分（２０、１２０、２５２）の少なくとも一部を実質的に完全に取り囲む、実施態様１に記載のセラミックマトリックス複合材物品（１０、１１０、２５０）。
［実施態様４］
前記物品（１０、１１０、２５０）がガスタービンエンジン（２００）に使用するように構成されている、実施態様１に記載のセラミックマトリックス複合材物品（１０、１１０、２５０）。
［実施態様５］
前記物品（１０、１１０、２５０）はノズル（２５０）であり、前記溶解浸透セラミックマトリックス複合材被覆部分（５０、１５０、２５４）は、前記ノズル（２５０）の半径方向内側バンド（２５８）を形成する第１の溶解浸透セラミックマトリックス複合材被覆部分と、前記ノズルの半径方向外側バンド（２５９）を形成する第２の溶解浸透セラミックマトリックス複合材被覆部分とを含み、前記化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分（２０、１２０、２５２）は、前記ノズル（２５０）の翼形部セクション（２５６）を形成する、実施態様４に記載のセラミックマトリックス複合材物品（１０、１１０、２５０）。
［実施態様６］
前記物品（１０、１１０、２５０）はシュラウド（２４８）であり、前記化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分（２０、１２０、２５２）は、前記ガスタービンエンジン（２００）内に設置されたときに、前記ガスタービンエンジン（２００）によって画定されるコア空気流路（２２４）に暴露される、実施態様４に記載のセラミックマトリックス複合材物品（１０、１１０、２５０）。
［実施態様７］
前記物品（１０、１１０、２５０）は、ライナ（２４２）であり、前記ライナ（２４２）は、前記ガスタービンエンジン（２００）に取り付けられたときに前記ガスタービンエンジン（２００）によって画定されるコア空気流路（２２４）に暴露される高温側と、反対の低温側とを含み、前記化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分（２０、１２０、２５２）は前記高温側を形成し、前記溶解浸透セラミックマトリックス複合材被覆部分（５０、１５０、２５４）は前記低温側を形成する、実施態様４に記載のセラミックマトリックス複合材物品（１０、１１０、２５０）。
［実施態様８］
前記物品（１０、１１０、２５０）は翼形部であり、前記翼形部は第１のセクション（２６０）と、別個に形成された第２のセクション（２６２）とを含み、前記第１のセクション（２６０）および前記第２のセクション（２６２）の各々は、各々化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分（２０、１２０、２５２）および溶解浸透セラミックマトリックス複合材被覆部分（５０、１５０、２５４）を含み、前記第１のセクション（２６０）および前記第２のセクション（２６２）の前記溶解浸透セラミックマトリックス複合材被覆部分（５０、１５０、２５４）は、前記翼形部の前記第１のセクション（２６０）と前記第２のセクション（２６２）とが接合されるときに、前記化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分（２０、１２０、２５２）内に実質的に完全に封入される、実施態様４に記載のセラミックマトリックス複合材物品（１０、１１０、２５０）。
［実施態様９］
前記化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分（２０、１２０、２５２）は、前記ガスタービンエンジン（２００）内に設置されたときに、前記ガスタービンエンジン（２００）によって画定されるコア空気流路（２２４）に少なくとも部分的に暴露されるように構成されている、実施態様４に記載のセラミックマトリックス複合材物品（１０、１１０、２５０）。
［実施態様１０］
前記化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分（２０、１２０、２５２）は、前記溶解浸透セラミックマトリックス複合材被覆部分（５０、１５０、２５４）とは別個に形成され、結果、前記化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分（２０、１２０、２５２）の表面の実質的にすべてが、形成中に１つまたは複数の反応ガスに暴露される、実施態様１に記載のセラミックマトリックス複合材物品（１０、１１０、２５０）。
［実施態様１１］
前記溶解浸透セラミックマトリックス複合材被覆部分（５０、１５０、２５４）は、前記化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分（２０、１２０、２５２）が形成された後に、前記化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分（２０、１２０、２５２）上に形成される、実施態様１０に記載のセラミックマトリックス複合材物品（１０、１１０、２５０）。
［実施態様１２］
前記化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分（２０、１２０、２５２）は、約５％〜約３０％の気孔率を規定し、前記溶解浸透セラミックマトリックス複合材被覆部分（５０、１５０、２５４）は、前記化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分（２０、１２０、２５２）の気孔率よりも低い気孔率を規定する、実施態様１に記載のセラミックマトリックス複合材物品（１０、１１０、２５０）。
［実施態様１３］
前記溶解浸透セラミックマトリックス複合材被覆部分（５０、１５０、２５４）は、約３パーセント未満の気孔率を規定する、実施態様１２に記載のセラミックマトリックス複合材物品（１０、１１０、２５０）。
［実施態様１４］
セラミックマトリックス複合材物品（１０、１１０、２５０）を形成する方法（３００）であって、
化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分（２０、１２０、２５２）を形成すること（３０２）であって、前記化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分（２０、１２０、２５２）を形成すること（３０２）は、前記化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分（２０、１２０、２５２）の表面の実質的にすべてを１つまたは複数の反応ガスに暴露すること（３０４）を含む、形成すること（３０２）と、
前記化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分（２０、１２０、２５２）を形成した後に、前記化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分（２０、１２０、２５２）の外面の一部分上に溶解浸透セラミックマトリックス複合材部分（５０、１５０、２５４）を提供すること（３０６）と
を含む、方法（３００）。
［実施態様１５］
前記化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分（２０、１２０、２５２）の前記外面の前記部分上に前記溶解浸透セラミックマトリックス複合材部分（５０、１５０、２５４）を提供すること（３０６）は、前記化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分（２０、１２０、２５２）の前記外面の前記部分上に前記溶解浸透セラミックマトリックス複合材部分（５０、１５０、２５４）を形成すること（３０７）を含む、実施態様１４に記載の方法（３００）。
［実施態様１６］
前記化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分（２０、１２０、２５２）上に前記溶解浸透セラミックマトリックス複合材被覆部分（５０、１５０、２５４）を形成することは、前記化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分（２０、１２０、２５２）の前記外面の前記部分上にプリプレグの１つまたは複数の層をレイアップすること（３０８）と、前記プリプレグの１つまたは複数の層の溶解浸透を実施すること（３１０）とを含む、実施態様１５に記載の方法（３００）。
［実施態様１７］
前記化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分（２０、１２０、２５２）の前記表面の実質的にすべてを１つまたは複数の反応ガスに暴露すること（３０４）は、０％〜５％の遊離ケイ素を有する、前記化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分（２０、１２０、２５２）のセラミックマトリックス材料中のセラミック繊維強化材料を形成すること（３１２）を含み、前記溶解浸透セラミックマトリックス複合材部分（５０、１５０、２５４）を提供すること（３０６）は、前記化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分（５０、１５０、２５４）よりも高い割合の遊離ケイ素を有する、セラミックマトリックス材料中のセラミック繊維強化材料を含むように、前記溶解浸透セラミックマトリックス複合材部分（５０、１５０、２５４）を形成すること（３１４）を含む、実施態様１４に記載の方法（３００）。
［実施態様１８］
前記化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分（２０、１２０、２５２）は、実質的に０％の遊離ケイ素を有する、実施態様１４に記載の方法（３００）。
［実施態様１９］
前記化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分（２０、１２０、２５２）は、前記ガスタービンエンジン（２００）内に設置されたときに、前記ガスタービンエンジン（２００）によって画定されるコア空気流路（２２４）に少なくとも部分的に暴露されるように構成される、実施態様１４に記載の方法（３００）。
［実施態様２０］
前記化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分（２０、１２０、２５２）の前記外面の前記部分上に前記溶解浸透セラミックマトリックス複合材部分（５０、１５０、２５４）を提供すること（３０６）は、前記化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分（２０、１２０、２５２）の前記外面の前記部分に前記溶解浸透セラミックマトリックス複合材部分（５０、１５０、２５４）を固定することを含む、実施態様１４に記載の方法（３００）。

１０セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）物品、ガスタービンエンジン
２０ＣＭＣベース部分
２２薄層
２４トウ
２５繊維
２６セラミックマトリックス
５０ＣＭＣ被覆部分
５２薄層
５４トウ
５５繊維
５６セラミックマトリックス
１１０ＣＭＣ物品
１２０ＣＭＣベース部分
１５０ＣＭＣ被覆部分
１５２薄層
２００ガスタービンエンジン
２０２長手方向軸、長手方向中心線
２０４ファンセクション
２０６ターボ機械
２０８外側ケーシング
２１０環状入口
２１２ＬＰ圧縮機
２１４ＨＰ圧縮機
２１６燃焼セクション
２１８ＨＰタービン
２２０ＬＰタービン
２２２ジェット排気ノズルセクション
２２４コア空気流路
２２６ＨＰスプール
２２８ＬＰスプール
２３０ファン
２３２ファンブレード
２３４ディスク
２３６前部ハブ
２３８外側ナセル
２４０燃焼器ライナ
２４２ライナ
２４４ロータブレード
２４６静翼
２４８シュラウド
２５０ノズル、ＣＭＣ物品
２５２ＣＶＩセラミックマトリックス複合材ベース部分
２５４ＭＩセラミックマトリックス複合材被覆部分
２５４ＡＭＩ被覆部分
２５４ＢＭＩ被覆部分
２５６翼形部セクション、空気流セクション
２５８半径方向内側バンド
２５９半径方向外側バンド
２６０第１のセクション
２６２第２のセクション
３００方法

Claims

セラミックマトリックス複合材物品（１０、１１０、２５０）であって、
０％〜５％の遊離ケイ素を有する、セラミックマトリックス材料中のセラミック繊維強化材料を含む化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分（２０、１２０、２５２）と、
前記化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分（２０、１２０、２５２）よりも高い割合の遊離ケイ素を有する、セラミックマトリックス材料中のセラミック繊維強化材料を含む溶解浸透セラミックマトリックス複合材被覆部分（５０、１５０、２５４）と
を備え、
前記溶解浸透セラミックマトリックス複合材被覆部分（５０、１５０、２５４）は、前記化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分（２０、１２０、２５２）の少なくとも一部を完全に取り囲む、セラミックマトリックス複合材物品（１０、１１０、２５０）。
前記化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分（２０、１２０、２５２）は、０％の遊離ケイ素を有する、請求項１に記載のセラミックマトリックス複合材物品（１０、１１０、２５０）。
前記物品（１０、１１０、２５０）がガスタービンエンジン（２００）に使用するように構成されている、請求項１に記載のセラミックマトリックス複合材物品（１０、１１０、２５０）。
前記物品（１０、１１０、２５０）はノズル（２５０）であり、前記溶解浸透セラミックマトリックス複合材被覆部分（５０、１５０、２５４）は、前記ノズル（２５０）の半径方向内側バンド（２５８）を形成する第１の溶解浸透セラミックマトリックス複合材被覆部分と、前記ノズルの半径方向外側バンド（２５９）を形成する第２の溶解浸透セラミックマトリックス複合材被覆部分とを含み、前記化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分（２０、１２０、２５２）は、前記ノズル（２５０）の翼形部セクション（２５６）を形成する、請求項３に記載のセラミックマトリックス複合材物品（１０、１１０、２５０）。
前記物品（１０、１１０、２５０）はシュラウド（２４８）であり、前記化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分（２０、１２０、２５２）は、前記ガスタービンエンジン（２００）内に設置されたときに、前記ガスタービンエンジン（２００）によって画定されるコア空気流路（２２４）に暴露される、請求項３に記載のセラミックマトリックス複合材物品（１０、１１０、２５０）。
前記物品（１０、１１０、２５０）は、ライナ（２４２）であり、前記ライナ（２４２）は、前記ガスタービンエンジン（２００）に取り付けられたときに前記ガスタービンエンジン（２００）によって画定されるコア空気流路（２２４）に暴露される高温側と、反対の低温側とを含み、前記化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分（２０、１２０、２５２）は前記高温側を形成し、前記溶解浸透セラミックマトリックス複合材被覆部分（５０、１５０、２５４）は前記低温側を形成する、請求項３に記載のセラミックマトリックス複合材物品（１０、１１０、２５０）。
前記物品（１０、１１０、２５０）は翼形部であり、前記翼形部は第１のセクション（２６０）と、別個に形成された第２のセクション（２６２）とを含み、前記第１のセクション（２６０）および前記第２のセクション（２６２）の各々は、各々化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分（２０、１２０、２５２）および溶解浸透セラミックマトリックス複合材被覆部分（５０、１５０、２５４）を含み、前記第１のセクション（２６０）および前記第２のセクション（２６２）の前記溶解浸透セラミックマトリックス複合材被覆部分（５０、１５０、２５４）は、前記翼形部の前記第１のセクション（２６０）と前記第２のセクション（２６２）とが接合されるときに、前記化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分（２０、１２０、２５２）内に完全に封入される、請求項３に記載のセラミックマトリックス複合材物品（１０、１１０、２５０）。
前記化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分（２０、１２０、２５２）は、前記ガスタービンエンジン（２００）内に設置されたときに、前記ガスタービンエンジン（２００）によって画定されるコア空気流路（２２４）に少なくとも部分的に暴露されるように構成されている、請求項３に記載のセラミックマトリックス複合材物品（１０、１１０、２５０）。
前記化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分（２０、１２０、２５２）は、５％〜３０％の気孔率を規定し、前記溶解浸透セラミックマトリックス複合材被覆部分（５０、１５０、２５４）は、前記化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分（２０、１２０、２５２）の気孔率よりも低い気孔率を規定する、請求項１に記載のセラミックマトリックス複合材物品（１０、１１０、２５０）。
前記溶解浸透セラミックマトリックス複合材被覆部分（５０、１５０、２５４）は、３パーセント未満の気孔率を規定する、請求項９に記載のセラミックマトリックス複合材物品（１０、１１０、２５０）。
セラミックマトリックス複合材物品（１０、１１０、２５０）を形成する方法（３００）であって、
化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分（２０、１２０、２５２）を形成すること（３０２）であって、前記化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分（２０、１２０、２５２）を形成すること（３０２）は、前記化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分（２０、１２０、２５２）の表面のすべてを１つまたは複数の反応ガスに暴露すること（３０４）を含む、形成すること（３０２）と、
前記化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分（２０、１２０、２５２）を形成した後に、前記化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分（２０、１２０、２５２）の外面の一部分上に溶解浸透セラミックマトリックス複合材被覆部分（５０、１５０、２５４）を提供すること（３０６）と
を含む、方法（３００）。
前記化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分（２０、１２０、２５２）の前記外面の前記部分上に前記溶解浸透セラミックマトリックス複合材被覆部分（５０、１５０、２５４）を提供すること（３０６）は、前記化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分（２０、１２０、２５２）の前記外面の前記部分上に前記溶解浸透セラミックマトリックス複合材被覆部分（５０、１５０、２５４）を形成すること（３０７）を含む、請求項１１に記載の方法（３００）。
前記化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分（２０、１２０、２５２）上に前記溶解浸透セラミックマトリックス複合材被覆部分（５０、１５０、２５４）を形成することは、前記化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分（２０、１２０、２５２）の前記外面の前記部分上にプリプレグの１つまたは複数の層をレイアップすること（３０８）と、前記プリプレグの１つまたは複数の層の溶解浸透を実施すること（３１０）とを含む、請求項１２に記載の方法（３００）。
前記化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分（２０、１２０、２５２）の前記表面のすべてを１つまたは複数の反応ガスに暴露すること（３０４）は、０％〜５％の遊離ケイ素を有する、前記化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分（２０、１２０、２５２）のセラミックマトリックス材料中のセラミック繊維強化材料を形成すること（３１２）を含み、前記溶解浸透セラミックマトリックス複合材被覆部分（５０、１５０、２５４）を提供すること（３０６）は、前記化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分（２０、１２０、２５２）よりも高い割合の遊離ケイ素を有する、セラミックマトリックス材料中のセラミック繊維強化材料を含むように、前記溶解浸透セラミックマトリックス複合材被覆部分（５０、１５０、２５４）を形成すること（３１４）を含む、請求項１１に記載の方法（３００）。
前記化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分（２０、１２０、２５２）は、０％の遊離ケイ素を有する、請求項１１に記載の方法（３００）。
前記化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分（２０、１２０、２５２）は、ガスタービンエンジン（２００）内に設置されたときに、前記ガスタービンエンジン（２００）によって画定されるコア空気流路（２２４）に少なくとも部分的に暴露されるように構成される、請求項１１に記載の方法（３００）。
前記化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分（２０、１２０、２５２）の前記外面の前記部分上に前記溶解浸透セラミックマトリックス複合材被覆部分（５０、１５０、２５４）を提供すること（３０６）は、前記化学蒸気浸透セラミックマトリックス複合材ベース部分（２０、１２０、２５２）の前記外面の前記部分に前記溶解浸透セラミックマトリックス複合材被覆部分（５０、１５０、２５４）を固定することを含む、請求項１１に記載の方法（３００）。