JP6717871B2

JP6717871B2 - タービン翼部材の製造方法

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Publication number: JP6717871B2
Application number: JP2018047002A
Authority: JP
Inventors: 水流　靖彦; 靖彦水流; 峰明松本; アミルサンガネサン; 栗村　隆之; 隆之栗村
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2018-03-14
Filing date: 2018-03-14
Publication date: 2020-07-08
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Description

本発明は、セラミック基複合材料からなるタービン翼部材を製造する方法に関する。

従来から、アルミナ繊維や炭化ケイ素繊維などのセラミック繊維からなる織物やフェルト等の繊維シートに、アルミナ粉末などのセラミックの粉末のスラリーを含浸させ、乾燥、硬化させたセラミック基複合材料が知られている。この種のセラミック基複合材料は、酸化物ＣＭＣとも称されており、耐熱性が高いとともに、熱伝導率が低く、しかも軽量でかつ耐酸化性、耐食性も優れているなど、優れた特性を有している。そこで最近では、産業用ガスタービンの静翼等のタービン翼部材にセラミック基複合材料を使用することが検討されている。

セラミック基複合材料からなる部材の製造方法としては、特許文献１に示す方法が知られている。すなわち、セラミック繊維の織布にセラミック粉末のスラリーを含浸させてプリプレグ材（スラリー含浸シート）とし、そのプリプレグ材を袋に入れてオートクレーブに挿入し、加熱しながら空気圧によって袋ごと加熱・加圧し、さらに乾燥、硬化させることが提案されている。

ところでタービンの静翼は、その内部に冷却用の中空部が形成されているのが通常である。このような中空部を有する部材を、セラミック基複合材料によって製造する方法として、特許文献２に示される方法が提案されている。特許文献２の方法は、セラミック繊維を円筒状に織り込むことにより、中空部を有するセラミック繊維円筒状織物を作成し、その円筒状織物を静翼部材の形状に成形してから、セラミックスラリーなどによりセラミックを含浸させ、セラミック基複合材料のマトリックスを形成することが示されている。

特開２００８−２４５８５号公報特許第５０９３１６５号公報

特許文献１に記載の方法では、高価で且つ大型のオートクレーブを必要とするため、設備コストが嵩む問題がある。また、セラミック粉末のスラリーを繊維に含浸させたスラリー含浸シート（プリプレグ材）を加圧した後の乾燥時には、シートが膨張して寸法や形状、特に厚みが大きくなり、製品の寸法精度、形状精度に大きな影響を及ぼすが、特許文献１の提案では、その点について十分な考慮が払われておらず、そのため製品の寸法精度、形状精度が低下することが懸念される。

特許文献２に記載の方法では、円筒状にセラミック繊維を織るため、その設備に高コストを要するとともに、生産性も低く、また高強度のセラミック繊維を円筒状に織ることが困難であることが多く、さらには、仮に円筒状に織り込めたとしても、寸法のわずかな誤差を修正することが困難であって、寸法精度、形状精度が高いガスタービン翼部材を製造し得ない懸念がある。

本発明は以上の事情を背景としてなされたもので、中空部を有するタービン翼部材を製造するにあたって、高価な設備を要さずに、簡単かつ安価に製造することが出来、しかも寸法精度、形状精度が優れたタービン翼部材を製造し得る方法を提供することを課題とする。

具体的には、本発明の基本的な態様のタービン翼部材の製造方法は、セラミック粉末を分散媒に分散させたスラリーを調製するスラリー調製工程と、前記スラリーを無機繊維からなるシートに含浸させて、スラリー含浸シートを形成する含浸工程と、前記スラリー含浸シートを、タービン翼部材の中空部の内面形状に対応する外面形状を有する中子の外周面に巻き付けて、シート巻き付け中子を形成するシート巻き付け工程と、シート巻き付け中子を、前記タービン翼部材の負圧面に対応する型面を有する第１金型と前記タービン翼部材の正圧面に対応する型面を有する第２金型の型面間に配置し、第１金型と第２金型との間における、前記スラリー含浸シートが位置しない箇所に所定の厚みを有する第１のスペーサを挟んだ状態で、第１の締結具によって第１金型と第２金型を、それらの対向方向に沿って近接するように締め付けて、前記スラリー含浸シートに圧力を加えるプレス工程と、前記プレス工程終了後、前記スラリー含浸シートを加熱して乾燥させる乾燥工程と、乾燥後のシートを焼成する焼成工程、とを有してなり、記中子が複数の中子分割体によって構成されており、前記シート巻き付け工程において、各中子分割体のそれぞれに前記スラリー含浸シートを巻きつけた後、前記複数の中子分割体を結合し、シート巻き付け中子を形成する。

また本発明の他の態様のタービン翼部材の製造方法は、前記シート巻き付け工程において、各中子分割体のそれぞれに前記スラリー含浸シートを巻きつけて、前記複数の中子分割体を結合した後、さらにその結合された中簿分割体の外面に改めて別のスラリー含浸シートを巻きつけ、シート巻き付け中子を形成することを特徴とする。

また本発明の他の態様のタービン翼部材の製造方法の製造方法は、態様のタービン翼部材の製造方法において、前記シート巻き付け工程において、前記複数の中子分割体を結合するにあたり、第２の締結具によって前記複数の中子分割体を結合することを特徴とすることを特徴とする。

また本発明の他の態様のタービン翼部材の製造方法は、セラミック粉末を分散媒に分散させたスラリーを調製するスラリー調製工程と、前記スラリー含浸シートを、タービン翼部材の中空部の内面形状に対応する外面形状を有する中子の外周面上に巻き付けて、シート巻き付け中子を形成するシート巻き付け工程と、シート巻き付け中子を、前記タービン翼部材の負圧面に対応する型面を有する第１金型と前記タービン翼部材の正圧面に対応する型面を有する第２金型の型面間に配置し、第１金型と第２金型との間における、前記スラリー含浸シートが位置しない箇所に所定の厚みを有する第１のスペーサを挟んだ状態で、第１の締結具によって第１金型と第２金型を、それらの対向方向に沿って近接するように締め付けて、前記スラリー含浸シートに圧力を加えるプレス工程と、前記プレス工程終了後、前記スラリー含浸シートを加熱して乾燥させる乾燥工程と、乾燥後のシートを焼成する焼成工程、とを有してなり、前記乾燥工程において、前記第１のスペーサに代えて、第１のスペーサと厚みが異なる第２のスペーサを前記第１金型と前記第２金型との間におけるスラリー含浸シートが位置しない箇所に挟んだ状態で、前記第１の締結具によって第１金型と第２金型をそれらの対向方向に沿って近接するように締め付け、その状態で前記スラリー含浸シートを加熱して乾燥させることを特徴とする。

また本発明の他の態様のタービン翼部材の製造方法は、前記乾燥工程において、前記第２のスペーサとしてその厚みが前記第１のスペーサの厚みより大きいものを用いることを特徴とする。

また本発明の他の態様のタービン翼部材の製造方法は、前記各締結具が、ボルトであることを特徴とする。

本発明によれば、簡単な設備構成によって低コストで簡便に、中空部を有するセラミック基複合材料からなるタービン翼部材を製造することが出来、しかも寸法精度、形状精度に優れたタービン翼部材を容易に得ることが出来る。

本発明の第１の実施形態の製造方法によって製造されるタービン翼部材の一例を示す斜視図である。本発明の第１の実施形態の製造方法における全体的なプロセスの一例を示す略解図である。第１の実施形態で使用される金型装置を分解して示す縦断正面図である。第１の実施形態におけるプレス工程での金型装置の状況を示す縦断正面図である。第１の実施形態における乾燥工程での金型装置の状況を示す縦断正面図である。本発明の第２の実施形態の製造方法によって製造されるタービン翼部材の一例を示す斜視図である。第２の実施形態の製造方法におけるにおける全体的なプロセスの一例を示す略解図である。第２の実施形態で使用される中子の正面図である。図８Ａに示される中子の平面図である。第２の実施形態において中子分割体のそれぞれにスラリー含浸シートを巻き付けた状態を示す正面図である。図９Ａに対する平面図である。第２の実施形態においてスラリー含浸シートを巻き付けた中子分割体を結合した状態を示す正面図である。図１０Ａに対する平面図である。第２の実施形態においてスラリー含浸シートを巻き付けて結合した中子分割体に、さらにスラリー含浸シートを巻き付けた状態を示す正面図である。図１１Ａに対する平面図である。第２の実施形態におけるプレス工程での金型装置の状況を示す縦断正面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１には、本発明の第１の実施形態によって製造されるタービン翼部材の一例を示す。
ここで、第１の実施形態におけるタービン翼部材としては、その一例として、ガスタービンにおける静翼の本体部材（翼部）を示しており、以下では、このタービン翼部材を単に静翼１と称することとする。

図１において、静翼１は、アルミナやムライトなどの酸化物系セラミックあるいは炭化ケイ素などの炭化物系セラミックなどの無機繊維を、アルミナやムライトなどのセラミックをマトリックスとして結合一体化したセラミック基複合材料(ＣＭＣ)からなるものである。図１において静翼１の形状は、従来の一般的な金属製静翼と同様に、凹湾曲面をなす正圧面１Ａ、及び凸湾曲面もしくは平坦面をなす負圧面１Ｂを有する外殻体２の内側に、中空部３を形成した中空筒状をなしており、外殻体２が前記のセラミック基複合材料によって作られる。

本発明の第１の実施形態のタービン翼部材の製造方法は、基本的には、図２に示しているＡ〜Ｆの工程を有している。

Ａ：セラミック粉末１２を分散媒に分散させたスラリー１４を調製するスラリー調整工程。このスラリー調整工程Ａには、公知の一般的な手法を適用することが出来る。

Ｂ：スラリー１４を無機繊維からなるシート１１に含浸させて、スラリー含浸シート１６を形成する含浸工程。この含浸工程Ｂには、公知の一般的な手法を適用することが出来る。

Ｃ：前記スラリー含浸シート１６を、タービン翼部材、例えば図１に示した前述の静翼１の中空部３の内面形状に対応する外面形状を有する中子１７の外周面に巻き付けて、シート巻き付け中子１８を形成するシート巻き付け工程。

Ｄ：シート巻き付け中子１８のスラリー含浸シート１６を金型装置２０によって加圧するプレス工程。すなわち、金型装置２０、例えば静翼１の負圧面１Ｂに対応する型面を有する第１金型２１と静翼１の正圧面１Ａに対応する型面を有する第２金型２２とを組み合わせた金型装置２０を用い、金型２１、２２の型面間にシート巻き付け中子１８を配置し、締結具によって金型装置を締め付けることによって、中子ごとスラリー含浸シートに圧力を加えるプレス工程である。このプレス工程では、第１金型２１と第２金型と２２の間における、スラリー含浸シート１６が位置しない箇所に、所定の厚みを有する第１のスペーサ２３Ａ、２３Ｂを挟んだ状態で、ボルトなどの第１の締結具２４Ａ、２４Ｂによって第１金型２１と第２金型２２を、それらの対向方向に沿って近接するように締め付けて、各金型２１、２２と中子１７との間においてスラリー含浸シートに圧力を加える。

Ｅ：プレス工程終了後、スラリー含浸シート１６を加熱して乾燥させる乾燥工程。この乾燥工程でも、スペーサを介挿した金型装置２０を用い、ボルトなどの締結具によって締め付けた状態で、図示しない加熱装置内において加熱して乾燥させ、乾燥シート１９とする。ここで、乾燥工程では、プレス工程で金型装置２０内でプレスしたままの状態(したがって乾燥工程で使用した第１のスペーサ２３Ａ、２３Ｂが挟まれたままの状態)で、図示しない乾燥装置内に金型装置２０ごと装入しても良いが、最終製品の空隙率を小さくするとともに、形状精度、寸法精度をより良好にするためには、乾燥工程でのスペーサ(第２のスペーサ)２３Ａ´、２３Ｂ´としては、プレス工程で使用したスペーサ２３Ａ、２３Ｂと厚みが異なるものとすることが好ましく、具体的には。乾燥工程ではスペーサ２３Ａ´、２３Ｂ´としてその厚みがプレス工程で使用したスペーサ２３Ａ、２３Ｂよりも大きいものを使用することが好ましい。

Ｆ：乾燥後のスラリー含浸シート（乾燥シート１９）を焼成して、セラミック基複合材料からなる静翼とする焼成工程。この焼成工程Ｆには、公知の一般的な手法を適用することが出来る。

上記のようなＡ〜Ｆの工程からなる第１の実施形態について、図２のほか、図３〜図５を参照して、より詳細に説明する。なお図３は、第１の実施形態で使用する金型装置を分解して示し、図４はプレス工程Ｃにおける金型装置の状況を模式的に示し、図５は乾燥工程Ｄにおける金型装置の状況を模式的に示している。

本実施形態の製造方法においては、図２に示しているように、予め、無機繊維からなるシート１１と、セラミック粉末１２とを準備しておく。無機繊維からなるシート１１としては、例えばアルミナ、あるいはムライト、炭化ケイ素などのセラミック繊維を織った織布（ファブリック）や、これらのセラミック繊維をランダムに絡みあわせた不織布（フェルト）などを使用することが出来る。セラミック粉末１２としては、例えばアルミナ粉末、あるいはムライト粉末などを使用することが出来る。セラミック粉末１２の粒径は特に限定しないが、通常は平均で０．１〜０．２μｍ程度の粒径のものが使用される。

セラミック粉末１２は、ボールミルなどの撹拌装置１３に投入して、分散媒としての水に懸濁させ、スラリー１４とする。これが前述のスラリー調整工程Ａに相当する。ここでスラリー化のための分散媒としては一般には水を使用すればよいが、場合によってはセラミック前駆体溶液、例えばアルミナ前駆体溶液などを用いてもよい。またスラリーの調製にあたっては、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）等のバインダや分散剤をスラリーに添加することが好ましい。

得られたスラリー１４を、例えば浸漬浴１５に注入し、前述の無機繊維からなるシート１１を浸漬浴１５中のスラリー１４に浸漬させ、シート１１の繊維間の空隙にスラリーを含浸させる。スラリー含浸後のシート(スラリー含浸シート)１６は、直ちに次の巻き付け工程Ｃに付しても良いが、この段階では、シート１の繊維間に未だスラリーが充分に浸透されていないことが多い。そこで、通常は、さらに次のようなステップを実施することが望ましい

例えば、図示しない転動ローラーを用いて、浸漬浴１５から取り出したシートの表面にローラー掛けを行った後、一旦乾燥させ。その後、前記と同様のスラリーが注入された浸漬浴のスラリー中にシートを浸漬させる。このような過程を繰り返せば、スラリーが均一かつ充分に含浸されたスラリー含浸シート１６が得られる。

上記のようにして得られたスラリー含浸シート１６を、中子１７の外周面に巻き付ける（シート巻き付け工程Ｃ）。中子１７としては、その外形が静翼１の中空部３の内面形状に対応し、かつ中空部３の内径寸法よりも小さい寸法とされ、後述する金型と同様に工具鋼などの硬質材料によって作られたものを用いる。スラリー含浸シート１６を巻き付ける巻回数（層数）は、シート単層の厚みや最終的に得るべき製品の厚み等に必要に応じて適宜決定すればよいが、通常は、２周以上巻き付ける。以下ではスラリー含浸シート１６を巻き付けた状態の中子１７を、シート巻き付け中子１８と称する。

シート巻き付け中子１８は、金型装置２０によるプレス工程Ｄ、さらに乾燥工程Ｅに付される。プレス工程Ｄおよび乾燥工程Ｅでは、後述するように、スペーサの厚みが異なる点以外は、同じ構成の金型装置２０を用いる。
第１の実施形態で使用される金型装置２０を、図３に分解して示す。また図４には、第１の実施形態におけるプレス工程Ｄでの金型装置２０の状況を示し、図５には、第１の実施形態における乾燥工程Ｄでの金型装置２０の状況を示している。

本実施形態における金型装置２０は、図３〜図５に示しているように、下型としての第１金型２１と、上型としての第２金型２２と、これらの間の２箇所に配設される第１のスペーサ２３Ａ、２３Ｂ(または第２のスペーサ２３Ａ´、２３Ｂ´)と、金型間を締め付けるための第１の締結具としての複数本（本実施形態では２本）のボルト２４Ａ、２４Ｂとによって構成されている。なお第１金型２１、第２金型２２、スペーサ２３Ａ、２３Ｂ(２３Ａ´、２３Ｂ´)は、例えば工具鋼等の硬質な鋼材によって作られるのが一般的であり、また適宜その表面にＣｒめっき等の硬質めっきが施されていてもよい。

第１金型２１は、水平な基盤部２１Ａの上面中央部に、製品の静翼の負圧面に対応する内面形状を有する成形用凹部２１Ｂが形成されている。第１金型２１の基盤部２１Ａにおける成形用凹部２１Ｂよりも外側に延出している部分(側壁部分)２１Ａa、２１Ａｂの上面（水平面）は、後述するように受圧面２１Ａｃ、２１Ａｄである。

第２金型２２は、水平な基盤部２２Ａの下面中央部に、製品の静翼の正圧面に対応する内面形状を有する成形用凹部２２Ｂが形成されている。第２金型２２の基盤部２２Ａにおける成形用凹部２２Ｂよりも外側に延出している部分(側壁部分)２２Ａa、２２Ａｂの下面（水平面）は、後述するように押圧面２２Ａｃ、２２Ａｄである。

なお本実施形態では、下型としての第１金型２１に静翼の負圧面に対応する内面形状を有する成形用凹部２１Ｂを形成し、上型としての第２金型２２に静翼の正圧面に対応する内面形状を有する成形用凹部２２Ｂを形成しているが、逆に下型としての第１金型２１に静翼の正圧面に対応する内面形状を有する成形用凹部を形成し、上型としての第２金型２２に静翼の負圧面に対応する内面形状を有する成形用凹部を形成してもよいことはもちろんである。この点は、後述する第２の実施形態でも同様である。

本実施形態において、第２金型２２における基盤部２２Ａの下面両側の押圧面２２Ａｃ、２２Ａｄは、それぞれ第１金型２１における基盤部２１Ａの上面両側の受圧面２１Ａｃ、２１Ａｄに対向する。そして第１金型２１の受圧面２１Ａｃ、２１Ａｄと第２金型２２の押圧面２２Ａｃ、２２Ａｄとの間に、それぞれ平板状の第１のスペーサ２３Ａ、２３Ｂ(もしくは第２のスペーサ２３Ａ´、２３Ｂ´)が介挿される。ここで、スペーサとしては、後に改めて説明するように、プレス工程Ｄと乾燥工程Ｅとでその厚みが異なるものを使用する。ここで本実施形態の場合は、スペーサの厚みをＴ１、Ｔ２(但しＴ１＜Ｔ２)とすれば、プレス工程Ｄでは小さい厚みＴ１の第１のスペーサ２３Ａ、２３Ｂを使用し、乾燥工程Ｅでは大きい厚みＴ２の第２のスペーサ２３Ａ´、２３Ｂ´を使用する。

さらに第２金型２２の両側の側壁部分２２Ａa、２２Ａｂには、垂直に貫通するボルト挿通孔２５Ａ、２５Ｂが形成され、また第１金型２１における両側の受圧面２１Ａｃ、２１Ａｄには、ボルト挿通孔２５Ａ、２５Ｂの下方延長位置に、垂直方向に沿って螺子孔２６Ａ、２６Ｂが形成されている。また各スペーサ２３Ａ、２３Ｂには、ボルト挿通孔２５Ａ、２５Ｂおよび螺子孔２６Ａ、２６Ｂに対応して、垂直方向に沿う貫通孔２７Ａ、２７Ｂが形成されている。

このような金型装置２０によってプレス工程Ｄを実施するにあたっては、前述のシート巻き付け中子１８を、第１金型２１における成形用凹部２２Ｂに配置し、第２金型２２を降下させてシート巻き付け中子１８を、第１金型２１の成型用凹部１Ｂと第２金型２２の成型用凹部２２Ｂとの間に挟み込む。なお第１金型２１と第２金型２２との間にシート巻き付け中子１８を挟み込むより以前の段階で、第１金型２１の受圧面２１Ａｃ、２１Ａｄの上にそれぞれ小さい厚みＴ１の第１のスペーサ２３Ａ、２３Ｂを配置しておく、したがって第１のスペーサ２３Ａ、２３Ｂは、第１金型２１の受圧面２１Ａｃ、２１Ａｄと第２金型２２の押圧面２２Ａｃ、２２Ａｄとの間に介挿されることになる。

この状態で、第１の締結具としてのボルト２４Ａ、２４Ｂを、第２金型２２の上方からのボルト挿通孔２５Ａ、２５Ｂに挿入し、第１のスペーサ２３Ａ、２３Ｂの貫通孔２７Ａ、２７Ｂを貫通させ、第１金型２１の螺子孔２６Ａ、２６Ｂに捻じ込んで締め込む。すなわち、シート巻き付け中子１８を間に挟んだ状態で、第２金型２２を第１金型２１に締め付ける。その段階での状況を図４に示している。

このように小さい厚みＴ１の第１のスペーサ２３Ａ、２３Ｂを介在させた状態でボルト２４Ａ、２４Ｂを締め付けることによって、シート巻き付け中子１８におけるスラリー含浸シート１６が中子１７と上下の金型２１Ａ，２１Ｂとの間で加圧されて圧縮され、これによりスラリー中のセラミック粉末がシートの繊維間に密に充填されるとともに、同時に余分なスラリーが排出される。
ここまでが前述のプレス工程Ｄである。

その後、ボルト２４Ａ、２４Ｂを緩めて一旦金型装置２０を分解して、第１のスペーサ２３Ａ、２３Ｂを大きい厚みＴ２の第２のスペーサ２３Ａ´、２３Ｂ´に交換する。そして前述のプレス工程Ｄと同様に、ボルト２４Ａ、２４Ｂを締め込んで、シート巻き付け中子１８を間に挟んだ状態で、再び第２金型２２を第１金型２１に締め付ける。その段階での状況を図５に示している。そしてその状態を保ったまま、シート乾燥のための加熱を行う。これが前述の乾燥工程Ｅである。

ここで、乾燥工程Ｅでの加熱手段は特に限定されないが、例えば金型装置２０の全体を、ヒータを備えた図示しない乾燥室に装入したり、あるいは第１金型２１と第２金型２２とのうち少なくとも一方にヒータを埋め込んでおいたりすればよい。加熱温度は通常は６０〜１５０℃程度とすればよく、また加熱時間は、例えば０．５〜１５時間程度とすればよい。

乾燥工程Ｅは、スラリー中の水を飛ばす(蒸発させる)ための工程であるが、同時に、最終製品の部材に近い形状、寸法に仕上げる工程でもある。この乾燥工程Ｅでは、スラリー含浸シート１６は加熱の開始に伴って内部のスラリー中の水分が蒸発を開始し、これに伴ってシートが膨張する。この際、第１金型２１と第２金型２２が、シートを挟んだ状態で締め付けられているため、シートはその膨張が制限され、その制限された寸法（厚み）、形状のまま、乾燥が進行する。したがって最終的に所定の形状、寸法を有する乾燥されたシート１９となる。なおスラリーにＰＶＡ等のバインダを添加している場合には、乾燥工程でバインダが硬化されることにより、成型された中空シートの形状保持性を良好にして、その後の工程でのハンドリング等を容易化することができる。

ここで、乾燥工程Ｅでも、プレス工程Ｄで用いた薄い厚みＴ１の第１のスペーサ２３Ａ、２３Ｂのままで加熱乾燥を行ってもよい。但し乾燥工程Ｅで、プレス工程Ｄで用いた薄い厚みＴ１の第１のスペーサ２３Ａ、２３Ｂのままで加熱乾燥を行えば、乾燥工程Ｅでもスラリーが押出されてしまい、それに伴ってセラミック粉末粒子もシートから流出して、乾燥後のシートの繊維間におけるセラミック粉末粒子が充填されていない部分の割合が大きくなってしまうこと、したがって乾燥後のシートの空隙率が大きくなってしまうことが懸念される。そこで、シートを所定の寸法、形状に仕上ると同時に、乾燥工程でのスラリーの流出を防止して、乾燥後のシートの空隙率を小さく抑えるためには、乾燥工程Ｅでは、前述のように、プレス工程Ｄで用いた薄い厚みＴ１の第１のスペーサ２３Ａ、２３Ｂに代えて、より厚い厚みＴ２の第２のスペーサ２３Ａ´、２３Ｂ´を使用することが望ましい。

図２に戻れば、乾燥工程Ｅによって乾燥されたシート（乾燥シート）１９は、その後、焼成工程Ｆに付される。すなわち、金型装置２０を分解して、乾燥シート１９を取り出し、その乾燥シート１９を図示しない電気炉等の焼成炉に装入し、高温に加熱して焼成する。焼成温度は、無機繊維およびセラミック粉末の種類によっても異なるが、一般には１１００〜１３００℃程度である。特に無機繊維としてアルミナ繊維を用い、セラミック粉末としてアルミナを用いている場合、１２００℃程度とすることが好ましい。

このようにして焼成すれば、セラミック粉末粒子同士が焼結結合されるとともに、セラミック繊維にセラミック粉末粒子が焼結結合され、図１に示したような静翼１の形状、寸法を有するセラミック基複合材料(ＣＭＣ)からなる部材が得られる。すなわち、セラミック粉末に由来するセラミックをマトリックスとし、無機繊維によって繊維強化された複合材料からなる静翼１が得られる。

以上のように、プレス工程Ｄで介挿させるスペーサの厚みと乾燥工程Ｅで介挿させるスペーサの厚みを、それぞれの工程に応じた適切な厚みに調整することによって、最終的に空隙率が小さくて高強度を有し、且つ形状精度、寸法精度に優れたセラミック基複合材料からなる、中空部を有する静翼(タービン翼部材)を得ることができる。

また本実施形態では、円筒状に繊維を織りこむ必要がなく、扁平に織った一般的な繊維シートを使用すればよいため、円筒状に織込む場合の問題、例えば高強度のセラミック繊維を円筒状に織り込むことが困難となる等の問題を招くことなく、高強度のセラミック繊維も使用可能であり、また円筒状に織り込むための設備や工程も不要となり、設備コストが低減されるとともに、生産性も向上する。

さらに、オートクレーブ等の大型かつ高価な設備も不要であるため、この点からもコスト低減を図ることができる。

図６には、本発明の第２の実施形態によって製造されるタービン翼部材の一例としての静翼１を示す。
第２の実施形態の静翼１は、中空部３が隔壁２Ａによって仕切られて、二つの分割中空部３Ａ、３Ｂを有する構成とされている。ここで、隔壁２Ａは、強度を持たせるためのリブの機能を有する。隔壁２Ａは、外殻体２と同じく、無機繊維を、セラミックをマトリックスとして結合一体化したセラミック基複合材料によって構成されている。なお本実施形態においては、静翼１の前縁１aと後縁１bとを結ぶ方向（前後方向）の中間において、前縁１aの側の分割中空部３Ａと後縁１bの側の分割中空部３Ｂとに隔壁２Ａによって仕切った構成としている。静翼１の外形形状としては、図１に示したものと同様に、凹湾曲面をなす正圧面１Ａ及び凸湾曲面もしくは平坦面をなす負圧面１Ｂを有する。

第２の実施形態の静翼を製造するための全体的なプロセス構成を図７に示す。第２の実施形態が第１の実施形態と異なる主な点は、中子１７として図８Ａ、図８Ｂに示すような二つの中子分割体１７Ａ、１７Ｂが用いられていることであり、またそれに伴って、スラリー含浸シートを中子に巻き付ける工程Ｃも、第１の実施形態とは異なる。

図７において、スラリー含浸シート１６、１６´を作製するまでのプロセスは、図２に示した第１の実施形態のプロセスと同様であれば良い。

一方中子１７としては、図８Ａ、図８Ｂに拡大して示しているように、二つの中子分割体１７Ａ、１７Ｂを用意しておく。一方の中子分割体１７Ａの外面形状は、製品の静翼１の前縁１aの側の分割中空部３Ａの内面形状に対応し、他方の中子分割体１７Ｂの外面形状は、後縁１ｂの側の分割中空部３aの内面形状に対応する。また中子分割体１７Ａ、１７Ｂにおける幅方向の両側には、互いに近い位置において外側に突出する連結用突片１７Ａa、１７Ａｂ；１７Ｂa、１７Ｂｂが形成されている。これらの連結用突片１７Ａa、１７Ａｂ；１７Ｂa、１７Ｂｂには、それぞれ前後方向に沿う貫通孔１７Ａｃ、１７Ａｄ；１７Ｂｃ、１７Ｂｄが形成されている。

このような中子分割体１７Ａ、１７Ｂを用いてのシート巻き付け工程Ｃは、第２の実施形態では、
Ｃ−１：各中子分割体１７Ａ、１７Ｂのそれぞれに、個別にスラリー含浸シート１６を巻きつけて。シート巻き付け中子分割体１８Ａ、１８Ｂを作成する段階（図９Ａ、図９Ｂ参照）、
Ｃ−２：スラリー含浸シート１６が巻き付けられた複数の中子分割体(シート巻き付け中子分割体)１８Ａ、１８Ｂを結合する段階（図１０Ａ、図１０Ｂ参照）、
Ｃ−３：結合後のシート巻き付け中子分割体１８Ａ、１８Ｂの全体の外周上に改めて別のスラリー含浸シート１６´を巻きつける段階（図１１Ａ、図１１Ｂ参照）、
以上のＣ−１〜Ｃ−３の３段階からなる。

すなわち、先ず段階Ｃ−１として、図９Ａ、図９Ｂに示しているように、中子分割体１７Ａ、１７Ｂのそれぞれの外周上にスラリー含浸シート１６を巻き付けて、シート巻き付け中子分割体１８Ａ、１８Ｂを作成する。

次いで、段階Ｃ−２として、図１０Ａ、図１０Ｂに示しているように、シート巻き付け中子分割体１８Ａ、１８Ｂを突合せ、一方の中子分割体１７Ａにおける連結用突片１７Ａa、１７Ａｂの貫通孔１７Ａｃ、１７Ａｄと、他方の中子分割体１７Ａにおける連結用突片１７Ｂa、１７Ｂｂの貫通孔１７Ｂｃ、１７Ｂｄに第２の締結具としてのボルト３１Ａ、３１Ｂを挿し込んで締め込み、シート巻き付け中子分割体１８Ａ、１８Ｂの突き合せ部位間においてスラリー含浸シート１６を加圧して、圧縮させる。この際、一方の中子分割体１７Ａの連結用突片１７Ａa、１７Ａｂと他方の連結用突片１７Ｂa、１７Ｂｂとの間の、ボルト３１Ａ、３１Ｂの邪魔にならない位置にスペーサ３２Ａ、３２Ｂを挟み込んでおく。このスペーサ３２Ａ、３２Ｂは、シート巻き付け中子分割体１８Ａ、１８Ｂの突き合せ部位間においてスラリー含浸シート１６が過度に圧縮されないようにするためのものである。
このようにしてボルト３１Ａ、３１Ｂの締め付けによって、シート巻き付け中子分割体１８Ａ、１８Ｂが連結一体化されるとともに、シート巻き付け中子分割体１８Ａ、１８Ｂの突き合せ部位間のスラリー含浸シート１６が圧縮される(プレスされる)。

さらに段階Ｃ−３として、図１１Ａ、図１１Ｂに示しているように、結合されたシート巻き付け中子分割体１８Ａ、１８Ｂの全体の外周上に改めてスラリー含浸シート１６´を巻き付ける。これによって、シート巻き付け中子分割体１８Ａ、１８Ｂの突き合せ部位にける段差や凹みを解消して、シート巻き付け中子分割体１８Ａ、１８Ｂの外周面を滑らかにすることができる。このようにして、二つの中子分割体１７Ａ、１７Ｂを内側に有するシート巻き付け中子１８が作成される。

このような段階Ｃ−１〜Ｃ−３からなるシート巻き付け工程Ｃによって作成されたシート巻き付け中子１８は、プレス工程Ｄに付す。プレス工程Ｄは、第１の実施形態におけるプレス工程Ｄと同様な金型装置２０を用いればよい。図１２には、第２の実施形態においてプレス工程Ｄでシート巻き付け中子１８をプレスしている状況を示す。

図１２に示すように、第１金型２１および第２金型２２からなる金型装置２０に装入して、スペーサ２３Ａ，２３Ｂを金型間に介在させた状態で、締結具(ボルト)２４Ａ，２４Ｂによって第１金型２１および第２金型２２間を締め付け、スラリー含浸シート（各中子分割体１７Ａ、１７Ｂの周囲に巻き付けたスラリー積層シート１６、および結合されたシート巻き付け中子分割体１８Ａ、１８Ｂの全体の周囲に巻き付けられたスラリー含浸シート１６´）に圧力を加える。

その後、乾燥工程Ｅに付すが、乾燥工程Ｅは、第１の実施形態の場合と同様であればよい。すなわち、プレス工程で金型装置２０内でプレスしたままの状態(したがって乾燥工程で使用した第１のスペーサ２３Ａ、２３Ｂが挟まれたままの状態)で、図示しない乾燥装置内に金型装置２０ごと装入して、加熱・乾燥させてもよいが、最終製品の形状精度、寸法精度を、より良好にするためには、第１の実施形態と同様に、乾燥工程Ｅでのスペーサとして、プレス工程Ｄで使用したスペーサと厚みが異なるもの、具体的には、プレス工程Ｄで使用したスペーサ２３Ａ、２３Ｂを、乾燥工程Ｅではより厚みが大きいスペーサ２３Ａ´、２３Ｂ´に変更することが好ましい。

乾燥後は、金型装置２０を分解して、乾燥されたシートを取り出し、焼成工程Ｆに付す。
このようにして、図６に示したような中空部３が隔壁(リブ)２Ａによって仕切られて、二つの分割中空部３Ａ、３Ｂを有する静翼１を、セラミック基複合材料によって作成することができる。

なお以上の第２の実施形態では、中空部３が１枚の隔壁(リブ)２Ａによって仕切られて、二つの分割中空部３Ａ、３Ｂを有する静翼１を製造することとし、中子１７として二つに分割された中子分割体１７Ａ、１７Ｂを使用するものとした。しかしながら中空部の分割数は３以上であってもよく、その場合、中子としても、３以上の中子分割体を用いればよい。

プレス工程と乾燥工程とで、第１金型と第２金型との間に介挿するスペーサの厚みを制御することによる効果を実証するため、次のような実験を行った。

＜実験例１、実験例２＞
無機繊維シートとして、アルミナ繊維を扁平状に織った平均厚さ０．５ｍｍの織物（ファブリック）シートを用意した。またセラミック粉末として平均粒径１μｍのアルミナ粉末を用い、分散媒としての水によってスラリー化した。なおスラリーにはバインダとしてＰＶＡを添加した。スラリーの濃度（スラリー全質量に対するアルミナ濃度は６５質量％、ＰＶＡ濃度は１．５質量％である。またシートの空隙率は、約７０％程度である。
前記シートにスラリーを含浸させた後、金型装置によってスラリー含浸シートをプレスした。但しこの際の金型装置としては、図２、図３に示すような静翼形状成形用のものではなく、単純な平坦な下金型（第１金型）および上金型（第２金型）を組み合わせたものを用いた。但し、第１のスペーサを介挿した点、およびボルトの締め込みによって加圧した点は、第１の実施形態と同様である。

表１中に示すように、実験例１では第１のスペーサの厚みを１．８ｍｍとし、実験例２では第１のスペーサの厚みを１．５ｍｍとして、各実験例１、２ともにボルトの締め込みによってプレスした後、そのままスペーサを変更せずに、１００℃に１２０分加熱してスラリー含浸シートを乾燥させた。その後、スラリー含浸シートを金型装置から取り外し、１２００℃で４時間加熱して焼成した。
焼成後のシートについて、厚さ(製品厚さ)および気孔率を調べたところ、表１に示す結果が得られた。

＜実験例３〜実験例８＞
シートにスラリーを含浸させるまでは実験例１、２と同様に実施し、スラリー含浸シートを得た。次いで、実験例１、２と同様な金型装置を用いてのボルト締め込みによるプレスを行った。但しプレス工程では、第１スペーサの厚みは、表２中に示しているように、０．４ｍｍから１．５ｍｍまでの５水準で実施した。
プレス工程終了後、第１のスペーサを、厚みの異なる第２のスペーサに換えて、乾燥工程を実施した。乾燥工程での第２スペーサの厚みは、表２中に示しているように、一律１．８ｍｍとした。乾燥条件は実験例１、２と同様である。さらに実験例１、２と同様にして焼成した。
焼成後のシートについて、厚さ(製品厚さ９および気孔率を調べたところ、表２に示す結果が得られた。

表１、表２に示す結果から、金型装置においてボルトで締め込んでスラリー含浸シートに圧力を加える際に、スペーサの厚みを制御することによって、製品のシート（セラミック基複合材料シート）の厚さおよび気孔率を制御し得ることが確認された。

また実験例１、実験例２に示したように、第１スペーサの厚さを１．８ｍｍもしくは１．５ｍｍとして締め込んでプレス工程を実施し、そのままスペーサ厚みを変更せずに乾燥させ、焼成した場合は、製品厚さが２ｍｍ以上と比較的厚くなり、気孔率が３０％以上と比較的高くなった。

これに対して、実験例３〜８で示したように、プレス工程では０．４〜１．５ｍｍの薄い第１スペーサを介挿して締め込んだ後に、より厚い１．８ｍｍの第２スペーサに変更して乾燥工程を実施した場合には、焼成後の製品厚さが１．８ｍｍ前後となり、気孔率が３０％以下と、気孔率が低減された。このように気孔率が低減されれば、強度特性なども向上すると考えられる。なおこの場合、プレス工程での第１スペーサの厚みを０．４〜０．８ｍｍとすることによって、気孔率は２７％以下となり、より気孔率が低減されて、強度特性等に好ましくなる。

なお本発明の製造方法によって得られるタービン翼部材は、例えば大型の産業用ガスタービンにおける静翼の翼本体部分(翼部)の製造に最適である。

以上、本発明の好ましい実施形態、実施例について説明したが、これらの実施形態、実施例は、あくまで本発明の要旨の範囲内の一つの例に過ぎず、本発明の要旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。すなわち本発明は、前述した説明によって限定されることはなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定され、その範囲内で適宜変更可能であることはもちろんである。

Ａスラリー調整工程
Ｂ含浸工程
Ｃシート巻き付け工程
Ｄプレス工程
Ｅ乾燥工程
Ｆ焼成工程
１静翼（タービン翼部材）
１Ａ中空部
１１無機繊維からなるシート
１２セラミック粉末
１６スラリー含浸シート
１７中子
１７Ａ、１７Ｂ中子分割体
２０金型装置
２１第１金型(下金型)
２２第２金型(上金型)
２３Ａ、２３Ｂ第１のスペーサ
２３Ａ´、２３Ｂ´ 第２のスペーサ
２４Ａ，２４Ｂボルト（第１の締結具）
３１Ａ、３１Ｂボルト（第２の締結具）

Claims

セラミック粉末を分散媒に分散させたスラリーを調製するスラリー調製工程と、
前記スラリーを無機繊維からなるシートに含浸させて、スラリー含浸シートを形成する含浸工程と、
前記スラリー含浸シートを、タービン翼部材の中空部の内面形状に対応する外面形状をを有する中子の外周面上に巻き付けて、シート巻き付け中子を形成するシート巻き付け工程と、
シート巻き付け中子を、前記タービン翼部材の負圧面に対応する型面を有する第１金型と前記タービン翼部材の正圧面に対応する型面を有する第２金型の型面間に配置し、第１金型と第２金型との間における、前記スラリー含浸シートが位置しない箇所に所定の厚みを有する第１のスペーサを挟んだ状態で、第１の締結具によって第１金型と第２金型を、それらの対向方向に沿って近接するように締め付けて、前記スラリー含浸シートに圧力を加えるプレス工程と、
前記プレス工程終了後、前記スラリー含浸シートを加熱して乾燥させる乾燥工程と、
乾燥後のシートを焼成する焼成工程、
とを有してなり、
前記中子が複数の中子分割体によって構成されており、前記シート巻き付け工程において、各中子分割体のそれぞれに前記スラリー含浸シートを巻きつけた後、前記複数の中子分割体を結合し、シート巻き付け中子を形成することを特徴とするタービン翼部材の製造方法。
セラミック粉末を分散媒に分散させたスラリーを調製するスラリー調製工程と、
前記スラリーを無機繊維からなるシートに含浸させて、スラリー含浸シートを形成する含浸工程と、
前記スラリー含浸シートを、タービン翼部材の中空部の内面形状に対応する外面形状を有する中子の外周面上に巻き付けて、シート巻き付け中子を形成するシート巻き付け工程と、
シート巻き付け中子を、前記タービン翼部材の負圧面に対応する型面を有する第１金型と前記タービン翼部材の正圧面に対応する型面を有する第２金型の型面間に配置し、第１金型と第２金型との間における、前記スラリー含浸シートが位置しない箇所に所定の厚みを有する第１のスペーサを挟んだ状態で、第１の締結具によって第１金型と第２金型を、それらの対向方向に沿って近接するように締め付けて、前記スラリー含浸シートに圧力を加えるプレス工程と、
前記プレス工程終了後、前記スラリー含浸シートを加熱して乾燥させる乾燥工程と、
乾燥後のシートを焼成する焼成工程、
とを有してなり、
前記乾燥工程において、前記第１のスペーサに代えて、第１のスペーサと厚みが異なる第２のスペーサを前記第１金型と前記第２金型との間におけるスラリー含浸シートが位置しない箇所に挟んだ状態で、前記第１の締結具によって第１金型と第２金型をそれらの対向方向に沿って近接するように締め付け、その状態で前記スラリー含浸シートを加熱して乾燥させることを特徴とするタービン翼部材の製造方法。
前記乾燥工程において、前記第２のスペーサとしてその厚みが前記第１のスペーサの厚みより大きいものを用いることを特徴とする請求項２に記載のタービン翼部材の製造方法。
前記中子が複数の中子分割体によって構成されており、前記シート巻き付け工程において、各中子分割体のそれぞれに前記スラリー含浸シートを巻きつけた後、前記複数の中子分割体を結合し、シート巻き付け中子を形成することを特徴とする請求項２又は３に記載のタービン翼部材の製造方法。
前記シート巻き付け工程において、各中子分割体のそれぞれに前記スラリー含浸シートを巻きつけて、前記複数の中子分割体を結合した後、さらにその結合された中簿分割体の外面に改めて別のスラリー含浸シートを巻きつけ、シート巻き付け中子を形成することを特徴とする請求項１又は４に記載のタービン翼部材の製造方法。
前記シート巻き付け工程において、前記複数の中子分割体を結合するにあたり、第２の締結具によって前記複数の中子分割体を結合することを特徴とする請求項１、請求項４、請求項５のいずれかの請求項に記載のタービン翼部材の製造方法。
前記各締結具が、ボルトであることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかの請求項に記載のタービン翼部材の製造方法。