JP6847490B2 - 成形された複合プライレイアップおよび複合プライレイアップを成形するための方法 - Google Patents

成形された複合プライレイアップおよび複合プライレイアップを成形するための方法 Download PDF

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Description

本主題は、一般に、複合部品に関する。より具体的には、本主題は、複合材料プライレイアップおよび複合材料プライレイアップを成形するための方法に関する。
より一般的には、セラミックマトリックス複合（ＣＭＣ）材料およびポリマーマトリックス複合（ＰＭＣ）材料などの非伝統的な高温複合材料が、ガスタービンエンジンなどの用途に使用されている。このような材料から製造された部品は、典型的な部品、例えば、金属部品と比較して、部品性能の向上および／または高いエンジン温度を可能にすることができる高い温度性能を有する。複合部品は、改善された強度対重量比のような他の利点も提供することができる。
多くの場合、複合部品は、複合材料の複数のプライから少なくとも部分的に形成される。複合プライは、複合マトリックスのテープまたはシートから切断することができ、複合マトリックスはまた、溶剤および結合剤のような他の成分を含んでもよく、次いで積層して複合プライレイアップを形成することができる。典型的には、プライのスタックは、不規則な仕上げエッジを有し、プライスタックが処理されて複合部品を形成するとき、プライは互いに対して移動することができる。不規則な仕上げエッジならびにプライ間の相対的な動きは、複合プライレイアップ、複合プライ、複合プライパックなどのアセンブリのような複合プライサブアセンブリのアセンブリに隙間を残すことがある。このような隙間は、隙間を低減または排除するために充填材料および／または追加の高密度化材料を必要とすることがあり、これは複合部品の製造の複雑さ、時間、および／またはコストを増加させることがある。さらに、このような隙間は、複合部品の完全性を低下させることがあり、これは部品収率を低下させ、部品スクラップ率を増加させ、かつ翼上時間を短縮させることになり、修理のための計画外のサービス要請が必要となる場合がある。
したがって、改善された複合部品および複合部品を形成するための方法が有用であろう。特に、複合プライおよび／または複合プライサブアセンブリの間の隙間が少ないかまたは全くない複合プライアセンブリを得る、複合部品を形成するための方法は有益であろう。一例として、隣接する複合プライサブアセンブリとの良好な適合のために、複合プライレイアップをグリーン加工してレイアップの１つまたは複数の表面またはエッジを成形する方法が有利であろう。
米国特許出願公開第２０１７／０１２２１１３号
本発明の態様および利点は、その一部を以下の説明に記載しており、あるいはその説明から明らかになり、あるいは本発明の実施により学ぶことができる。
本主題の１つの例示的な実施形態では、複合部品を形成するための方法が提供される。方法は、複数の複合プライを積層して複合プライレイアップを形成することと、複合プライレイアップを部分的に処理してグリーン状態のレイアップを形成することと、グリーン状態のレイアップを機械加工することと、グリーン状態のレイアップを１つまたは複数のサブアセンブリと組み立てることと、グリーン状態のレイアップおよび１つまたは複数のサブアセンブリを処理して複合部品を形成することとを含む。
本主題の別の例示的な実施形態では、複合部品を形成するための方法が提供される。方法は、複数の複合プライを積層してプライパックを形成することと、プライパックを部分的に処理してグリーン状態のプライパックを形成することと、グリーン状態のプライパックを機械加工してグリーン状態のプライパックに沿って機械加工された表面を画定することと、グリーン状態のプライパックをキャビティプリフォームと組み立てることと、グリーン状態のプライパックおよびキャビティプリフォームを処理して複合部品を形成することとを含む。この例示的な実施形態では、複合部品は、タービンノズル翼形部である。
本主題のさらなる例示的な実施形態では、複合部品を形成するための方法が提供される。方法は、複数の複合プライを積層して複合プライレイアップを形成することと、複合プライレイアップを圧縮してグリーン状態のレイアップを形成することと、グリーン状態のレイアップを機械加工することと、グリーン状態のレイアップを１つまたは複数のサブアセンブリと組み立てることと、グリーン状態のレイアップおよび１つまたは複数のサブアセンブリを処理して複合部品を形成することとを含む。
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。
その最良の態様を含み、当業者を対象とする、本発明の完全かつ実施可能な程度の開示が本明細書に記載され、以下の添付の図を参照する。
本主題の様々な実施形態による例示的なガスタービンエンジンの概略断面図である。 本主題の例示的な実施形態による複合プライレイアップの断面図である。 本主題の例示的な実施形態による、グリーン状態のレイアップを形成するように部分的に処理され、グリーン状態に機械加工された図２の複合プライレイアップの断面図である。 本主題の例示的な実施形態による別のサブアセンブリに対して位置決めされた、グリーン加工された複合プライサブアセンブリの一部の断面図である。 本主題の例示的な実施形態による複合タービンノズル翼形部を画定するように組み立てられた複数の複合サブアセンブリの断面図である。 本主題の例示的な実施形態による複合プライレイアップの断面図である。 図６Ａの複合プライレイアップをグリーン加工することによって画定されるプリフォームの輪郭を示す図である。 グリーン状態のレイアップを形成するように部分的に処理され、グリーン状態に機械加工されて図６Ｂに示す輪郭を画定する図６Ａの複合プライレイアップの断面図である。 本主題の例示的な実施形態による複合タービンノズル翼形部の後縁部分を画定するように組み立てられた複数の複合サブアセンブリの断面図である。
以下、本発明の本実施形態について詳しく説明するが、その１つまたは複数の例が、添付の図面に示されている。詳細な説明は、図面中の特徴を参照するために、数字および文字による符号を使用する。図面および説明の中で同じまたは類似の符号は、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、ある部品を別の部品から区別するために交換可能に使用することができ、個々の部品の位置または重要性を意味することは意図されていない。「上流」および「下流」という用語は、流体経路における流体の流れに対する相対的な方向を指す。例えば、「上流」は、流体が流れて来る方向を指し、「下流」は、流体が流れて行く方向を指す。
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。より具体的には、図１の実施形態では、ガスタービンエンジンは、高バイパスターボファンジェットエンジン１０であり、本明細書では「ターボファンエンジン１０」と呼ぶ。図１に示すように、ターボファンエンジン１０は、軸方向Ａ（基準となる長手方向中心線１２に平行に延びる）および半径方向Ｒを画定する。一般に、ターボファン１０は、ファンセクション１４と、ファンセクション１４の下流に配置されコアタービンエンジン１６とを含む。
図示の例示的なコアタービンエンジン１６は、一般に、環状入口２０を画定する実質的に管状の外側ケーシング１８を含む。外側ケーシング１８は、直列流れ関係で、ブースタもしくは低圧（ＬＰ）圧縮機２２および高圧（ＨＰ）圧縮機２４を含む圧縮機セクションと、燃焼セクション２６と、高圧（ＨＰ）タービン２８および低圧（ＬＰ）タービン３０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３２とを収容する。高圧（ＨＰ）シャフトまたはスプール３４は、ＨＰタービン２８をＨＰ圧縮機２４に駆動可能に接続する。低圧（ＬＰ）シャフトまたはスプール３６は、ＬＰタービン３０をＬＰ圧縮機２２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１４は、ディスク４２に間隔を空けて結合された複数のファンブレード４０を有するファン３８を含む。図示するように、ファンブレード４０は、ほぼ半径方向Ｒに沿ってディスク４２から外向きに延びる。ファンブレード４０およびディスク４２は、ＬＰシャフト３６によって長手方向軸１２の周りに共に回転可能である。いくつかの実施形態では、ＬＰシャフト３６の回転速度をより効率的な回転ファン速度へと下げるために、複数のギアを有する動力ギアボックスを含むことができる。
さらに図１の例示的な実施形態を参照すると、ディスク４２は、複数のファンブレード４０を通る空気流を促進するために空気力学的に輪郭づけされた回転可能なフロントナセル４８によって覆われている。さらに、例示的なファンセクション１４は、ファン３８および／またはコアタービンエンジン１６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５０を含む。ナセル５０は、複数の円周方向に離間して配置された出口ガイドベーン５２によって、コアタービンエンジン１６に対して支持されるように構成することができることを理解されたい。さらに、ナセル５０の下流セクション５４は、コアタービンエンジン１６の外側部分を覆うように延び、それらの間にバイパス空気流通路５６を画定することができる。
ターボファンエンジン１０の動作中、大量の空気５８が、ナセル５０および／またはファンセクション１４の関連する入口６０を通ってターボファン１０に入る。大量の空気５８がファンブレード４０を通過する際に、空気５８の第１の部分は、矢印６２で示すように、バイパス空気流通路５６に導かれるかまたは送られ、空気５８の第２の部分は、矢印６４で示すように、ＬＰ圧縮機２２に導かれるかまたは送られる。空気の第１の部分６２と空気の第２の部分６４との間の比は、バイパス比として一般に知られている。次いで、空気の第２の部分６４の圧力が、高圧（ＨＰ）圧縮機２４を通って燃焼セクション２６へと送られるにつれて高められ、燃焼セクション２６において燃料と混合されて燃焼され、燃焼ガス６６を供給する。
燃焼ガス６６は、ＨＰタービン２８を通って送られ、そこで燃焼ガス６６からの熱および／または運動エネルギーの一部は、外側ケーシング１８に結合されるＨＰタービンステータベーン６８およびＨＰシャフトまたはスプール３４に結合されるＨＰタービンロータブレード７０の連続段を介して抽出されてＨＰシャフトまたはスプール３４を回転させ、それによってＨＰ圧縮機２４の動作を支援する。その後、燃焼ガス６６は、ＬＰタービン３０を通って送られ、そこで熱および運動エネルギーの第２の部分は、外側ケーシング１８に結合されるＬＰタービンステータベーン７２およびＬＰシャフトまたはスプール３６に結合されるＬＰタービンロータブレード７４の連続段を介して燃焼ガス６６から抽出されてＬＰシャフトまたはスプール３６を回転させ、それによってＬＰ圧縮機２２の動作および／またはファン３８の回転を支援する。
燃焼ガス６６は、続いてコアタービンエンジン１６のジェット排気ノズルセクション３２を通って送られ、推進力を提供する。同時に、空気の第１の部分６２がターボファン１０のファンノズル排気セクション７６から排出される前にバイパス空気流通路５６を通って送られる際に、空気の第１の部分６２の圧力が実質的に増加し、また推進力を提供する。ＨＰタービン２８、ＬＰタービン３０、およびジェット排気ノズルセクション３２は、コアタービンエンジン１６を通って燃焼ガス６６を送るための高温ガス経路７８を少なくとも部分的に画定する。
いくつかの実施形態では、ターボファンエンジン１０の部品、特に高温ガス経路７８内の部品または高温ガス経路７８を画定する部品は、セラミックマトリックス複合（ＣＭＣ）材料、ポリマーマトリックス複合（ＰＭＣ）材料、または高温性能を有する他の適切な複合材料などの複合材料を含むことができる。複合材料は、一般に、ポリマーまたはセラミック材料などのマトリックス材料に埋め込まれた繊維強化材料を含む。強化材料は、複合材料の耐荷重構成要素として機能する一方で、複合材料のマトリックスは、繊維を互いに結合させる役割を果たし、外部から加えられる応力を繊維へと伝達および分配する媒体として働く。
例示的なＣＭＣ材料は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、ケイ素、シリカ、またはアルミナマトリックス材料およびそれらの組合せを含むことができる。セラミック繊維（サファイアおよび炭化ケイ素のようなモノフィラメントを含む酸化安定強化繊維（例えば、ＴｅｘｔｒｏｎのＳＣＳ−６）、ならびに炭化ケイ素を含むロービングおよびヤーン（例えば、日本カーボンのＮＩＣＡＬＯＮ（登録商標）、宇部興産のＴＹＲＡＮＮＯ（登録商標）、およびＤｏｗ ＣｏｒｎｉｎｇのＳＹＬＲＡＭＩＣ（登録商標））、ケイ酸アルミナ（例えば、Ｎｅｘｔｅｌの４４０および４８０）、および細断されたウィスカおよび繊維（例えば、Ｎｅｘｔｅｌの４４０およびＳＡＦＦＩＬ（登録商標））、および随意にセラミック粒子（例えば、Ｓｉ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｙ、およびそれらの組合せの酸化物）および無機充填材（例えば、パイロフィライト、ウォラストナイト、マイカ、タルク、カイヤナイト、およびモンモリロナイト）など）は、マトリックス内に埋め込まれてもよい。例えば、特定の実施形態では、セラミック耐火材料コーティングを含むことができる繊維の束が、一方向性強化テープなどの強化テープとして形成される。複数のテープを、（例えば、プライとして）共に積層してプリフォーム部品を形成することができる。繊維の束は、プリフォームを形成する前に、またはプリフォームの形成後にスラリー組成物を含浸させることができる。次いで、プリフォームに、硬化またはバーンアウトなどの熱処理を施してプリフォーム中に多くの炭化物を残し、その後のケイ素による溶融浸透などの化学処理により、所望の化学組成を有するＣＭＣ材料で形成された部品を得ることができる。他の実施形態では、ＣＭＣ材料は、例えば、テープではなく炭素繊維布として形成されてもよい。
同様に、ＰＭＣ材料は、典型的には、生地または一方向性テープに樹脂（プリプレグ）を含浸させ、次いで硬化させることによって製造される。含浸の前に、生地は、「乾燥」生地と呼ぶことができ、典型的には、２つ以上の繊維層（プライ）のスタックを含む。繊維層は、炭素（例えば、グラファイト）、ガラス（例えば、ガラス繊維）、ポリマー（例えば、ケブラー（登録商標））繊維、および金属繊維などの非限定的な例を含む様々な材料で形成することができる。繊維強化材料は、一般に、長さが２インチ未満であり、より好ましくは１インチ未満である比較的短い細断繊維、または長い連続的な繊維の形態で使用することができ、後者は、多くの場合、織布または一方向性テープを生成するために使用される。ＰＭＣ材料は、乾燥繊維を金型内に分散させ、次いでマトリックス材料を強化繊維の周囲に流すことによって、またはプリプレグを使用して製造することができる。例えば、プリプレグの複数の層を、部品の適切な厚さおよび配向に積み重ね、次いで樹脂を硬化および固化させ、繊維強化複合部品を得ることができる。ＰＭＣマトリックス材料用の樹脂は、一般に、熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂に分類することができる。熱可塑性樹脂は、一般に、化学的な変化よりもむしろ物理的な変化ゆえに、加熱されたときに軟化および流動化し、十分に冷えたときに硬化することが繰り返し可能であるポリマーとして分類される。注目すべき例示的な種類の熱可塑性樹脂は、ナイロン、熱可塑性ポリエステル、ポリアリールエーテルケトン、およびポリカーボネート樹脂を含む。航空宇宙用途での使用が意図されている高性能熱可塑性樹脂の具体例は、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、およびポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）を含む。対照的に、熱硬化性樹脂は、ひとたび硬い堅固な固体に完全に硬化すると、加熱されたときに顕著な軟化を被ることはなく、むしろ十分に加熱されると熱分解する。注目すべき熱硬化性樹脂の例は、エポキシ、ビスマレイミド（ＢＭＩ）、およびポリイミド樹脂を含む。
上述したように、高温ガス経路７８内の部品または高温ガス経路７８を画定する部品、例えば、ステータベーン６８、７２、タービンロータブレード７０、７４、および／または他の部品のようなエンジン１０の部品を、ＣＭＣまたはＰＭＣ材料などの複合材料から形成することが望ましい場合がある。部品は、プライパック、プリフォーム、および／または複合プライのスタックなどの他のサブアセンブリと積層されおよび／または組み立てられる複合材料の複数のプライから形成され、複合部品を画定することができる。しかし、複合プライのその後の処理の間、プライは、互いに対しておよび／または他のサブアセンブリに対して移動することがあり、隙間をアセンブリに残す可能性がある。巻かれた複合マトリックスのような充填材料が隙間に挿入されてもよいが、充填材料を使用せずにサブアセンブリ間に良好な最終アセンブリを適合させることが望ましい。サブアセンブリ間の良好な適合は、組み立ておよび処理の間にサブアセンブリ間の相対的な動きを低減することによって、ならびに１つまたは複数のサブアセンブリを成形して隣接するサブアセンブリとより正確に適合することによって達成され得る。サブアセンブリ間の改善された適合は、充填材料の必要性を実質的に排除し、複合部品の層間剥離の例を減少させることができる。このような複合部品はまた、亀裂発生のリスクが減少し、歩留まりを向上させ、スクラップ率が低下し、仕様外部品の数を減少させ、かつ負荷搬送能力を改善することで、部品寿命を改善することができる。さらに、このような複合部品は、翼上時間を改善し、計画外のサービス要請を低減することができる。
図２〜図５は、本主題の例示的な実施形態による複合部品を形成するための方法を示す。以下にさらに詳細に説明するように、例示的な方法は、レイアップがグリーン状態にある間に、複合プライのレイアップ、または複合プライパックを機械加工することを含み、レイアップのプライ間の相対的な移動ならびにレイアップとレイアップと組み立てることができる他のサブアセンブリとの間の相対的な移動を最小限に抑える。サブアセンブリは、他の複合プライ（湿潤または減量されてもよい）、複合プライパック、プリフォームなどを含むことができる。１つまたは複数のサブアセンブリはまた、複合プライレイアップとの組み立ての前にグリーン状態に機械加工されてもよく、サブアセンブリは、別のサブアセンブリの機械加工された表面に対して位置決めされた１つのサブアセンブリの機械加工された表面と組み立てることができる。
図２を参照すると、方法は、複数の複合プライ１００、すなわち、ＣＭＣまたはＰＭＣ材料のような複合材料の複数のプライを積層することを含む。プライ１００は、ツール、マンドレル、金型、または他の適切な支持デバイスもしくは表面に積層されてもよい。好ましくは、複数の複合プライ１００の各複合プライ１００は、各プライ１００がオーバーサイズされるように、例えば、前述のようにテープから切断される。すなわち、複数の複合プライ１００の各々は、本明細書でより詳細に説明するように、グリーン状態のプライパックを所定の寸法に機械加工するための機械ストックを提供するプライの最終長さより長い。複数の複合プライ１００は、複合プライレイアップ１０２を形成する。いくつかの実施形態では、複合プライレイアップ１０２は、一般に複合プライレイアップと呼ばれるプライパックレイアップ（複合プリフォームと呼ぶこともできる）などであってもよい。
図３を参照すると、複数の複合プライ１００が積層されて複合プライレイアップ１０２を形成した後、レイアップ１０２が部分的に処理されてグリーン状態のレイアップ１０４を形成する。例えば、レイアップ１０２を圧縮し、次いでオートクレーブで処理することができる。圧縮は、大気、すなわち、室温および室圧で行うことができる。オートクレーブ処理は、標準的なオートクレーブサイクルと比較して、低温、低圧、および／または短い時間で行うことができる。いくつかの実施形態では、レイアップ１０２を部分的に処理することは、圧縮のみを含むことができ、すなわち、レイアップ１０２は、減圧オートクレーブサイクルを受けることなく圧縮することができる。他の実施形態では、レイアップ１０２を部分的に処理するために、レイアップは、別個に圧縮されることなく減圧オートクレーブサイクルを受けることができる。
部分的な処理の後、レイアップ１０２を形成する複合プライ１００は、いくらかの可撓性および可鍛性を保持する。そのような可撓性および可鍛性は、レイアップ１０２の機械加工および／またはレイアップ１０２との１つまたは複数のサブアセンブリの組み立てに役立ち得る。すなわち、レイアップ１０２を部分的に処理することにより、グリーン状態のレイアップ１０４のさらなる取り扱いおよび操作に適した強度を得るのに十分なレベルの圧密化および硬化が達成される。対照的に、標準的なオートクレーブサイクルは、典型的には、最終部品寸法を得て、部品プリフォームを剛性化するために、最終プライおよび／またはレイアップアセンブリを処理する工程の一部として行われる。より具体的には、標準的なオートクレーブサイクルは、複合構成要素の完全な乾燥および／または硬化によって最終プライおよび／またはレイアップアセンブリに剛性を付与し、プライおよび／またはサブアセンブリの完全な圧密化によって最終寸法の複合部品を生成する。
さらに、レイアップ１０２がオートクレーブで処理される実施形態では、レイアップ１０２は、軟質および／または硬質工具を使用してオートクレーブ処理されてもよい。例えば、レイアップ１０２は、金属工具、すなわち、硬質工具を使用してオートクレーブ処理することができ、レイアップ１０２に所望の形状を付与するように成形される。別の例として、レイアップ１０２は、真空バッグなどの軟質工具を使用してオートクレーブ処理されてもよく、例えば、レイアップ１０２が金属ツールに支持され、次にレイアップ１０２およびツールをバッグに入れて空気をバッグから除去して、レイアップ１０２が前述のように減圧オートクレーブサイクルで処理される前に、レイアップ１０２を形成するプライ１００を加圧して圧縮することができる。
上述したように、複合プライレイアップ１０２が部分的に処理された後、レイアップ１０２はグリーン状態にあり、それによってグリーン状態のレイアップ１０４を形成し、複合部品を形成するために使用される１つのサブアセンブリとなり得る。図３および図４にさらに示すように、グリーン状態のレイアップ１０４は、レイアップ１０４内の少なくとも１つのプライ１００の一部を除去することによって、例えば、グリーン状態のレイアップ１０４の１つまたは複数のエッジまたは面を成形するように機械加工されてもよい。例えば、図２および図３を比較すると、オーバーサイズのプライ１００は、所定の寸法または特定の形状に機械加工され、グリーン状態のレイアップ１０４がプライ長さに不規則性のないエッジおよび／または表面を有する。すなわち、少なくとも１つのプライ１００の一部は、グリーン状態のレイアップ１０４のエッジに沿って、例えば、レイアップ１０４の２つの表面１０５の交差部に沿って除去されるか、または少なくとも１つのプライ１００の一部は、エッジからオフセットされるグリーン状態のレイアップ１０４の断面に沿って、例えば、レイアップ１０４の表面１０５に沿って除去される。グリーン状態のレイアップ１０４を機械加工することにより、レイアップ１０４に滑らかなエッジまたは表面が与えられるので、プライ１００は、それらが積層されたときに完全に整列される必要はなく、例えば、不完全に整列したプライ１００を実質的に均一な長さに機械加工することができる。さらに、複合プライ１００は、方法の一部の処理部分の間、特に圧縮中に互いに対して移動またはシフトすることができる。しかし、プライ１００を部分的に処理した後にレイアップ１０４を機械加工することによって、プライ位置の不規則性が除去され、プライ１００間の相対的な移動は最終部品形状に影響を及ぼさないか、または充填材料で充填しなければならない隙間を形成する。さらに、レイアップ１０４がグリーン状態に機械加工されるので、機械加工プロセスは、グリーン加工と呼ばれることがある。グリーン加工は、放電加工（ＥＤＭ）、すなわち、ＥＤＭ穿孔、レーザー加工、精密加工、または他の適切な機械加工技術もしくは切断技術またはプロセスの１つまたは複数を含むことができる。
グリーン状態のレイアップ１０４を機械加工することで、レイアップ１０４に沿って少なくとも１つの機械加工された表面１０６または機械加工されたエッジを画定する。図４に示すように、別のグリーン状態の複合レイアップ、複合プリフォーム、複数の湿潤複合プライ（例えば、非圧密または非圧縮複合材プライ）、および／または複数の減量または圧縮複合プライなどの別のサブアセンブリ１０８は、グリーン状態のレイアップ１０４と組み立てられ、特に、機械加工された表面１０６に対して位置決めされてもよい。より具体的には、機械加工後、グリーン状態のレイアップ１０４は、１つまたは複数のサブアセンブリ１０８と組み立てることができる。いくつかの実施形態では、サブアセンブリ１０８は、グリーン状態のレイアップ１０４の機械加工された表面１０６と同様の機械加工された表面１１０を含むことができ、例えば、サブアセンブリ１０８は、グリーン加工されて機械加工された表面１１０を画定する別のグリーン状態のレイアップであってもよい。グリーン状態のレイアップ１０４がサブアセンブリ１０８と組み立てられると、サブアセンブリ１０８の機械加工された表面１１０の少なくとも一部は、グリーン状態のレイアップ１０４の機械加工された表面１０６の少なくとも一部に対して位置決めされ得る。そのような実施形態では、機械加工された表面１０６は、機械加工された表面１１０と接触し、その結果、アセンブリは内部機械加工された界面を含む。他の実施形態では、サブアセンブリ１０８は、機械加工された表面１１０を有していなくてもよく、その結果、グリーン状態のレイアップ１０４の機械加工された表面１０６は、サブアセンブリ１０８と組み立てられたときに別の機械加工された表面に対して位置決めされないか、または単純に、グリーン状態のレイアップ１０４の機械加工された表面１０６は、サブアセンブリ１０８の機械加工されていない表面に対して位置決めされる。
図４に示すように、グリーン状態のレイアップ１０４の機械加工された表面１０６は、サブアセンブリ１０８と適合するように正確に画定される。すなわち、機械加工された表面１０６は、機械加工された表面１０６が位置決めされるサブアセンブリ１０８の輪郭に対応するか、または相補的である。したがって、レイアップ１０４のグリーン加工は、未加工のレイアップと比較して、他のサブアセンブリと良好に適合するのに役立ち得る。サブアセンブリ間のより正確な適合は、例えば、複合部品を形成するためのサブアセンブリのその後の処理の間に、サブアセンブリ間の滑りまたは相対的な移動を最小限に抑えるのに役立つ。さらに、１つまたは複数のグリーン状態のサブアセンブリを他のサブアセンブリと組み立てることは、処理中のサブアセンブリ間の相対的な移動を最小限に抑えるのに役立ち得る。
図５を参照すると、いくつかの実施形態では、グリーン状態のレイアップ１０４は、いくつかの他のサブアセンブリと組み立てられてタービンノズル翼形部１１２を画定するグリーン状態のプライパックサブアセンブリ１０４であってもよい。そのような実施形態では、他のサブアセンブリは、キャビティプリフォーム１１４と、グリーン状態のプライパック１０４およびキャビティプリフォーム１１４の周りに巻き付けられる複数の複合ラッププライ１１６とを含むことができる。すなわち、サブアセンブリを組み立てることは、グリーン状態のプライパック１０４をキャビティプリフォーム１１４に対して位置決めし、次に複数の複合ラッププライ１１６をグリーン状態のプライパック１０４およびキャビティプリフォーム１１４の周りに巻き付けることを含む。図３および図５に示すように、グリーン状態のプライパック１０４の機械加工された表面１０６は、キャビティプリフォーム１１４に対して位置決めされる。より具体的には、グリーン状態のプライパック１０４は、キャビティプリフォーム１１４の後方縁部１１４ａに沿って、キャビティプリフォーム１１４の全体的に湾曲した形状に適合するように機械加工される。前述したように、いくつかの実施形態では、キャビティプリフォーム１１４はまた、グリーン状態にあってもよく、グリーン状態のプライパック１０４の機械加工された表面１０６がキャビティプリフォーム１１４のグリーン加工された表面に対して位置決めされるように後方縁部１１４ａに沿ってグリーン加工されていてもよい。
図示の実施形態では、複合部品、例えば、タービンノズル翼形部１１２を一般的に画定するようにサブアセンブリを組み立てた後、サブアセンブリを処理して複合部品を形成する。例えば、処理は、前述の減圧オートクレーブサイクルではなく、標準的なオートクレーブサイクルを使用して組み立てられたサブアセンブリ１０４、１１４、１１６をオートクレーブ処理して、オートクレーブ処理された本体を形成することを含むことができる。複合材料がＣＭＣ材料である実施形態では、その後、オートクレーブ処理された本体は、焼成（またはバーンオフ）されて焼成体を形成し、次いで高密度化されて単一の部品である高密度化ＣＭＣ部品を製造することができ、すなわち、部品は、ＣＭＣ材料の連続片である。例えば、オートクレーブ処理の後、部品を炉内に入れ、ＣＭＣプライを形成するのに使用されるマンドレル形成材料および／または溶剤をバーンオフして溶媒中の結合剤を分解し、次いでケイ素を有する炉に入れて、プライのセラミックマトリックス前駆体をＣＭＣ部品のマトリックスのセラミック材料に変換する。ケイ素が溶融して、バーンオフ／焼成中の結合剤の分解の結果としてマトリックスに生じた気孔に浸入し、ケイ素によるＣＭＣ部品の溶融浸透がＣＭＣ部品を高密度化する。しかし、高密度化は、限定はしないが、Ｓｉｌｃｏｍｐ、溶融浸透（ＭＩ）、化学蒸気浸透（ＣＶＩ）、ポリマー浸透および熱分解（ＰＩＰ）、ならびに酸化物／酸化物処理を含む、任意の公知の高密度化技術を使用して行うことができる。一実施形態では、高密度化および焼成は、ケイ素または別の適切な１つまたは複数の材料の部品への溶融浸透を可能にするために、１２００°Ｃを上回る温度で確立された雰囲気を有する真空炉または不活性雰囲気において行うことができる。
図５の例示的な実施形態に示すように、タービンノズル翼形部１１２は、凸状の負圧側１２０に対向する凹状の正圧側１１８を含む。翼形部１１２の対向する正圧側および負圧側１１８、１２０は、翼形部翼幅（図示せず）に沿って内側端部と外側端部との間に半径方向に延びる。さらに、翼形部１１２の正圧側および負圧側１１８、１２０は、前縁１２２と反対側の後縁１２４との間に軸方向に延び、正圧側および負圧側１１８、１２０は、翼形部１１２の外側表面１２６を画定する。さらに、キャビティプリフォーム１１４は、翼形部１１２を冷却するために、冷却流体の流れ、例えば、ＨＰ圧縮機２４から迂回される加圧空気の流れを受け入れることができるキャビティ１２８を画定する。
任意選択的に、処理後、複合部品を必要に応じて仕上げ加工し、環境バリアコーティング（ＥＢＣ）などの１つまたは複数のコーティングでコーティングすることができる。例えば、図５に示すプライパックレイアップ１０４およびキャビティプリフォーム１１４の周りに巻き付けられる複合ラッププライ１１６は、プライ１１６の一部がタービンノズル翼形部１１２の所望の後縁１２４を越えて延びるようにオーバーサイズされてもよい。したがって、処理後、プライ１１６は、後縁１２４を画定するように機械加工することができる。他の実施形態では、サブアセンブリをオートクレーブ処理した後、かつサブアセンブリを焼成して高密度化する前に、プライ１１６を機械加工することができる。
もちろん、図２〜図５に関連して説明した方法は、例としてのみ提供される。一例として、複合プライを圧縮および／または硬化するための、ならびにＣＭＣ部品を高密度化するための他の公知の方法または技術を利用することができる。あるいは、これらのまたは他の公知のプロセスの任意の組合せを使用することができる。さらに、図５は、前述の方法を使用して形成された例示的な複合部品としてのタービンノズル翼形部１１２を示しているが、方法を使用して他の複合部品を形成することもできる。例えば、複合部品は、翼形部の後縁部分、タービンロータブレード翼形部、一体化されたタービンロータブレードとプラットフォーム、タービンノズルバンド、一体化された内側バンドと、翼形部と、外側バンドとを有するタービンノズル、燃焼器ライナ、燃焼器ドーム、シュラウドなどであってもよい。
一例として、図６Ａ〜図６Ｄは、本主題の別の例示的な実施形態を示す。図６Ａは、複合プライレイアップ１０２を形成するようにレイアップされた複数の複合プライ１００を示す。複合プライレイアップ１０２は、一般に、複合プライ１００のブロックまたは直方体形状のスタックを形成することが理解されよう。図６Ｂは、複合プライ１００をグリーン加工することによって画定されるプリフォーム１０４の輪郭を示す。したがって、図６Ａおよび図６Ｂに示す複合プライレイアップ１０２は、部分的に処理され、例えば、圧縮されおよび／またはオートクレーブ処理され、図３に関して上述したようにプライ１００を圧密化し、グリーン状態のレイアップ１０４を形成する。次に、図６Ｃに示すように、グリーン状態のレイアップ１０４を機械加工して、１つまたは複数の機械加工された表面１０６を画定する。例えば、一般にレイアップ１０２で説明したようなブロックまたは直方体形状であるグリーン状態のレイアップ１０４は、第１の表面１０５ａ、第２の表面１０５ｂ、および第３の表面１０５ｃに沿って機械加工され、図６Ｂに示すグリーン状態のレイアップ形状を画定することができる。すなわち、少なくとも１つのプライ１００の一部は、グリーン状態のレイアップ１０４のエッジに沿って、例えば、レイアップ１０４の２つの表面１０５の交差部に沿って除去されてもよく、または少なくとも１つのプライ１００の一部は、エッジからオフセットされるグリーン状態のレイアップ１０４の断面に沿って、例えば、レイアップ１０４の表面１０５に沿って除去されてもよい。図６Ｄを参照すると、次に、機械加工されたレイアップ１０４は、複合ラッププライ１１６などの他の複合プリフォームまたはプライと組み立てられてもよく、アセンブリは、図４および図５に関して説明したように、翼形部の後縁部分のような複合部品を形成するように処理されてもよい。
したがって、本明細書で説明するように、複合部品の形成中に複合サブアセンブリ間の相対的な動きを最小限に抑えるための方法が提供される。特に、本明細書に記載の方法は、グリーン加工されたサブアセンブリと隣接するサブアセンブリとの間に良好にまたはより正確に適合するために、レイアップ、プライパック、プリフォームまたはプライスタックのような少なくとも１つのグリーン加工されたサブアセンブリを利用し、これは、後続の処理中にサブアセンブリ間の相対的な動きを最小限に抑えることができる。さらに、隣接するサブアセンブリが位置決めされ得る機械加工された表面を提供するために、サブアセンブリの１つまたは複数をグリーン加工することは、機械加工された表面に沿ったサブアセンブリ間の相対的な動きを最小限に抑えるのに役立ち得る。サブアセンブリ間の相対的な動きを最小限に抑えるかまたは排除することによって、サブアセンブリ間の隙間を低減または排除することができる。このように、隙間を充填するための充填材料の必要性を低減または排除することができ、および／または高密度化材料（上記の例ではケイ素など）の体積を低減することができる。さらに、複合部品の層間剥離の例を減少させることができ、複合部品はまた、亀裂発生のリスクが減少し、歩留まりを向上させ、スクラップ率が低下し、仕様外部品の数を減少させ（例えば、本明細書に記載の方法は、寸法制御を改善し、それによって、寸法公差内にある複合部品の数を増加させる）、かつ負荷搬送能力を改善することで、部品寿命を改善することができる。さらに、このような複合部品は、翼上時間を改善し、計画外のサービス要請を低減することができる。本明細書に記載の主題の他の利点は、当業者によって実現されてもよい。
本明細書は、本発明を最良の態様を含めて開示すると共に、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。そのような他の実施例は、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、あるいは特許請求の範囲の文言との実質的な相違がない同等の構造要素を含む場合、特許請求の範囲内にあるものとする。
［実施態様１］
複合部品を形成するための方法であって、
複数の複合プライ（１００）を積層して複合プライレイアップ（１０２）を形成することと、
前記複合プライレイアップ（１０２）を部分的に処理してグリーン状態のレイアップ（１０４）を形成することと、
前記グリーン状態のレイアップ（１０４）を機械加工することと、
前記グリーン状態のレイアップ（１０４）を１つまたは複数のサブアセンブリ（１０８）と組み立てることと、
前記グリーン状態のレイアップ（１０４）および前記１つまたは複数のサブアセンブリ（１０８）を処理して前記複合部品を形成することと
を含む、方法。
［実施態様２］
前記複合プライレイアップ（１０２）を部分的に処理することが、前記複合プライレイアップ（１０２）を圧縮することを含む、実施態様１に記載の方法。
［実施態様３］
前記グリーン状態のレイアップ（１０４）および前記１つまたは複数のサブアセンブリ（１０８）を処理することが、
前記グリーン状態のレイアップ（１０４）および前記１つまたは複数のサブアセンブリ（１０８）をオートクレーブ処理してオートクレーブ処理された本体を形成することと、
前記オートクレーブ処理された本体を焼成して焼成体を形成することと、
前記焼成体を高密度化して前記複合部品を形成することと
を含む、実施態様１に記載の方法。
［実施態様４］
前記グリーン状態のレイアップ（１０４）を機械加工することが、前記グリーン状態のレイアップ（１０４）に沿って機械加工された表面（１０６）を画定する、実施態様１に記載の方法。
［実施態様５］
前記グリーン状態のレイアップ（１０４）を１つまたは複数のサブアセンブリ（１０８）と組み立てることが、前記グリーン状態のレイアップ（１０４）の前記機械加工された表面（１０６）の少なくとも一部をサブアセンブリ（１０８）の機械加工された表面（１１０）の少なくとも一部に対して位置決めることを含む、実施態様４に記載の方法。
［実施態様６］
前記グリーン状態のレイアップ（１０４）を１つまたは複数のサブアセンブリ（１０８）と組み立てることが、前記グリーン状態のレイアップ（１０４）の前記機械加工された表面（１０６）の少なくとも一部をサブアセンブリ（１０８）の機械加工されていない表面の少なくとも一部に対して位置決めることを含む、実施態様４に記載の方法。
［実施態様７］
前記サブアセンブリ（１０８）が、複数の湿潤複合プライを含む、実施態様１に記載の方法。
［実施態様８］
前記サブアセンブリ（１０８）が、機械加工された表面（１０６）を有するグリーン状態のレイアップ（１０４）を含む、実施態様１に記載の方法。
［実施態様９］
前記サブアセンブリ（１０８）が、複数の圧縮複合プライを含む、実施態様１に記載の方法。
［実施態様１０］
前記グリーン状態のレイアップ（１０４）が、前記レイアップ（１０４）内の少なくとも１つのプライ（１００）の一部を除去するように機械加工される、実施態様１に記載の方法。
［実施態様１１］
前記除去された部分が、前記グリーン状態のレイアップ（１０４）のエッジに沿っている、実施態様１０に記載の方法。
［実施態様１２］
前記除去された部分が、前記グリーン状態のレイアップ（１０４）のエッジからオフセットされる、実施態様１０に記載の方法。
［実施態様１３］
前記複合プライレイアップ（１０２）を形成する前記複数の複合プライ（１００）が、前記グリーン状態のレイアップ（１０４）を所定の寸法に機械加工するための機械ストックを提供するようにオーバーサイズされる、実施態様１に記載の方法。
［実施態様１４］
前記複合部品が、ガスタービンエンジン（１０）の部品である、実施態様１に記載の方法。
［実施態様１５］
前記複合プライ（１００）が、セラミックマトリックス複合材料から形成される、実施態様１に記載の方法。
［実施態様１６］
複合部品を形成するための方法であって、
複数の複合プライ（１００）を積層してプライパックを形成することと、
前記プライパックを部分的に処理してグリーン状態のプライパック（１０４）を形成することと、
前記グリーン状態のプライパック（１０４）を機械加工して前記グリーン状態のプライパック（１０４）に沿って機械加工された表面（１０６）を画定することと、
前記グリーン状態のプライパック（１０４）をキャビティプリフォーム（１１４）と組み立てることと、
前記グリーン状態のプライパック（１０４）およびキャビティプリフォーム（１１４）を処理して前記複合部品を形成することと
を含み、
前記複合部品は、タービンノズル翼形部（１１２）である、方法。
［実施態様１７］
前記機械加工された表面（１０６）が、前記キャビティプリフォーム（１１４）の後方縁部（１１４ａ）に対して位置決めされる、実施態様１６に記載の方法。
［実施態様１８］
複数の複合ラッププライ（１１６）を前記グリーン状態のプライパック（１０４）および前記キャビティプリフォーム（１１４）と組み立てることとをさらに含み、
前記複合ラッププライ（１１６）を組み立てることが、前記複数の複合ラッププライ（１１６）を前記グリーン状態のプライパック（１０４）および前記キャビティプリフォーム（１１４）の周りに巻き付けることを含む、実施態様１６に記載の方法。
［実施態様１９］
前記複合プライレイアップ（１０２）を部分的に処理することが、前記複合プライレイアップ（１０２）を圧縮することを含む、実施態様１６に記載の方法。
［実施態様２０］
複合部品を形成するための方法であって、
複数の複合プライ（１００）を積層して複合プライレイアップ（１０２）を形成することと、
前記複合プライレイアップ（１０２）を圧縮してグリーン状態のレイアップ（１０４）を形成することと、
前記グリーン状態のレイアップ（１０４）を機械加工することと、
前記グリーン状態のレイアップ（１０４）を１つまたは複数のサブアセンブリ（１０８）と組み立てることと、
前記グリーン状態のレイアップ（１０４）および前記１つまたは複数のサブアセンブリ（１０８）を処理して前記複合部品を形成することと
を含む、方法。
１０ ターボファンジェットエンジン／高バイパスターボファンジェットエンジン／ターボファンエンジン／ターボファン
１２ 長手方向または軸方向中心線／長手方向軸
１４ ファンセクション
１６ コアタービンエンジン
１８ 外側ケーシング
１９ ケーシングの内側表面
２０ 入口／環状入口
２２ 低圧圧縮機／ＬＰ圧縮機
２４ 高圧圧縮機／ＨＰ圧縮機
２６ 燃焼セクション
２８ 高圧タービン／ＨＰタービン
３０ 低圧タービン／ＬＰタービン
３２ ジェット排気セクション／ジェット排気ノズルセクション
３４ 高圧シャフト／スプール
３６ 低圧シャフト／スプール／ＬＰシャフト
３８ ファン
４０ ブレード／ファンブレード
４２ ディスク
４８ ナセル／フロントナセル
５０ ファンケーシングまたはナセル／外側ナセル
５２ 出口ガイドベーン
５４ 下流セクション
５６ バイパス空気流通路
５８ 空気
６０ 入口
６２ 空気の第１の部分／矢印
６４ 空気の第２の部分／矢印
６６ 燃焼ガス
６８ ステータベーン／ＨＰタービンステータベーン
７０ タービンロータブレード／ＨＰタービンロータブレード
７２ ステータベーン／ＬＰタービンステータベーン
７４ タービンロータブレード／ＬＰタービンロータブレード
７６ ファンノズル排気セクション
７８ 高温ガス経路
１００ 複合プライ
１０２ 複合プライレイアップ
１０４ グリーン状態のレイアップ／プライパックレイアップ／プライパックサブアセンブリ／サブアセンブリ／プライパック／プリフォーム
１０５ グリーン状態のレイアップの表面（未加工）
１０５ａ 第１の表面
１０５ｂ 第２の表面
１０５ｃ 第３の表面
１０６ （グリーン状態のレイアップの）機械加工された表面
１０８ サブアセンブリ
１１０ （サブアセンブリの）機械加工された表面
１１２ タービンノズル翼形部
１１４ キャビティプリフォーム／サブアセンブリ
１１４ａ キャビティプリフォームの後方縁部
１１６ 複合プライ／複合ラッププライ／サブアセンブリ
１１８ 正圧側
１２０ 負圧側
１２２ 前縁
１２４ 後縁
１２６ 外側表面
１２８ キャビティ
Ｒ 半径方向
Ａ 軸方向

Claims (11)

  1. 複合部品を形成するための方法であって、
    複数の複合プライ（１００）を積層して複合プライレイアップ（１０２）を形成することと、
    前記複合プライレイアップ（１０２）を部分的に処理してグリーン状態のレイアップ（１０４）を形成することと、
    前記グリーン状態のレイアップ（１０４）を機械加工することと、
    １つまたは複数のサブアセンブリ（１０８）の機械加工されたサブアセンブリを機械加工して、機械加工されたサブアセンブリの機械加工された表面（１１０）を形成することと、
    前記グリーン状態のレイアップ（１０４）を１つまたは複数のサブアセンブリ（１０８）と組み立てることと、
    前記グリーン状態のレイアップ（１０４）および前記１つまたは複数のサブアセンブリ（１０８）を処理して前記複合部品を形成することと、
    を含み、
    前記グリーン状態のレイアップ（１０４）を機械加工することは、前記グリーン状態のレイアップ（１０４）のプライの少なくとも一部を除去して、前記グリーン状態のレイアップ（１０４）が位置決めされる機械加工されたサブアセンブリの輪郭に補完的であるように前記グリーン状態のレイアップ（１０４）を形成することを含み、
    前記グリーン状態のレイアップ（１０４）を機械加工することが、前記グリーン状態のレイアップ（１０４）に沿って機械加工された表面（１０６）を画定し、
    前記機械加工されたサブアセンブリを機械加工することは、前記機械加工されたサブアセンブリの少なくとも一部を除去して、前記機械加工されたサブアセンブリの機械加工された表面（１１０）を形成することを含み、
    前記グリーン状態のレイアップ（１０４）を１つまたは複数のサブアセンブリ（１０８）と組み立てることが、前記グリーン状態のレイアップ（１０４）の前記機械加工された表面（１０６）の少なくとも一部をサブアセンブリ（１０８）の機械加工された表面（１１０）の少なくとも一部に対して位置決めして、前記グリーン状態のレイアップの機械加工された表面と前記機械加工されたサブアセンブリの機械加工された表面とを含む内部機械加工された界面を有するアセンブリを形成することを含む、方法。
  2. 前記複合プライレイアップ（１０２）を部分的に処理することが、前記複合プライレイアップ（１０２）を圧縮することを含む、請求項１に記載の方法。
  3. 前記グリーン状態のレイアップ（１０４）および前記１つまたは複数のサブアセンブリ（１０８）を処理することが、
    前記グリーン状態のレイアップ（１０４）および前記１つまたは複数のサブアセンブリ（１０８）をオートクレーブ処理してオートクレーブ処理された本体を形成することと、
    前記オートクレーブ処理された本体を焼成して焼成体を形成することと、
    前記焼成体を高密度化して前記複合部品を形成することと
    を含む、請求項１に記載の方法。
  4. 前記グリーン状態のレイアップ（１０４）を１つまたは複数のサブアセンブリ（１０８）と組み立てることが、前記グリーン状態のレイアップ（１０４）の前記機械加工された表面（１０６）の少なくとも一部をサブアセンブリ（１０８）の機械加工されていない表面の少なくとも一部に対して位置決めることを含む、請求項１に記載の方法。
  5. 前記サブアセンブリ（１０８）が、複数の湿潤複合プライを含む、請求項１に記載の方法。
  6. 前記サブアセンブリ（１０８）が、機械加工された表面（１０６）を有するグリーン状態のレイアップ（１０４）を含む、請求項１に記載の方法。
  7. 前記サブアセンブリ（１０８）が、複数の圧縮複合プライを含む、請求項１に記載の方法。
  8. 前記グリーン状態のレイアップ（１０４）が、前記レイアップ（１０４）内の少なくとも１つのプライ（１００）の一部を除去するように機械加工される、請求項１に記載の方法。
  9. 前記除去された部分が、前記グリーン状態のレイアップ（１０４）のエッジに沿っている、請求項８に記載の方法。
  10. 前記除去された部分が、前記グリーン状態のレイアップ（１０４）のエッジからオフセットされる、請求項８に記載の方法。
  11. 前記複合プライレイアップ（１０２）を形成する前記複数の複合プライ（１００）が、前記グリーン状態のレイアップ（１０４）を所定の寸法に機械加工するための機械ストックを提供するようにオーバーサイズされる、請求項１に記載の方法。
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