JP6976044B2 - プライ、プライの製造方法及びプライを用いた物品の製造方法 - Google Patents

プライ、プライの製造方法及びプライを用いた物品の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、プライ、プライの製造方法並びにプライから物品を製造する方法に関する。より詳細には、本発明は、プライ、プライの製造方法、並びにニアネットシェイプを有しかつセラミックマトリックス複合材不織材料を含むプライから物品を製造する方法に関する。
ガスタービンは、効率及び性能を向上させるため絶えず改良されている。これらの改良には、より高い温度で及びさらに過酷な条件下で作動できる能力が含まれるが、それには、このような温度及び条件から部品を保護するために材料の改良及び／又はコーティングが必要とされることが多い。取り込まれる改良点が多いほど、追加の課題が明らかになる。
性能及び効率を向上させる１つの改良は、限定されるものではないが、シュラウド、タービンストラット、ノズル／ベーン、燃焼ライナ、バケット／ブレード、シュラウドリング、排気ダクト、オーグメンタライナ及びジェット排気ノズルなどのガスタービン部品をセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）から形成することである。ＣＭＣガスタービン部品は、ＣＭＣ材料のプライから形成することができる。しかし、ＣＭＣ材料は高価であり、ＣＭＣ材料のシートをプライの所要の形状にペアリングする際に、かなりの量のＣＭＣスクラップが生じてしまう。さらに、ペアリング処理は、プライに欠陥を生じるおそれがあり、十分に精密な形状構造を達成するには複数回のペアリングステップが必要とされることがある。
ある例示的な実施形態では、プライの製造方法は、プライをプリンティングするステップを含み、プライは、ニアネットシェイプを有しかつセラミックマトリックス複合材不織材料を含む。
別の例示的な実施形態では、物品の製造方法は、第１のプライ及び第２のプライをプリンティングするステップを含む。第１のプライは、第１のニアネットシェイプを有しかつ第１のセラミックマトリックス複合材不織材料を含み、第２のプライは、第２のニアネットシェイプを有しかつ第２のセラミックマトリックス複合材不織材料を含む。本方法はさらに、第１のプライに第２のプライを取り付けて、第１のプライと第２のプライを合体固化させるステップを含む。
別の例示的な実施形態では、プライは、ニアネットシェイプを有しかつセラミックマトリックス複合材不織材料を含み、ニアネットシェイプは、物品の所定の層である。
本発明の他の特徴及び利点は、例証として本発明の原理を示す添付図面と併せて以下の詳細な説明を参照することによって明らかになるであろう。
本開示の一実施形態に係るプライの斜視図。 本開示の一実施形態に係る第１のプライ及び第２のプライの斜視図。 本開示の一実施形態によって、第１のプライ上で第２のプライを直接形成している途中の第１のプライ及び第２のプライの斜視図。 本開示の一実施形態によって、タービンノズルを形成するために取り付けられるプライの斜視図。 本開示の一実施形態によって、タービンノズルを形成するために取り付けられるプライの斜視図。
図面全体を通して同じ部材にはできるだけ同じ参照符号を用いる。本願では、例示的なプライ、プライの製造方法及びプライから物品を製造する方法が提供される。本開示の実施形態は、本明細書で開示される１以上の技術的特徴を利用しない方法及び製品と比較して、コスト効率及び時間効率に優れるプライの製造方法並びにプライからの物品の製造方法を提供し、プライ内の何れかの箇所で所定の繊維配置経路を追跡する配向性管理能力を不織繊維にもたらす。
図１を参照すると、プライ１００は、ニアネットシェイプ１０２を有しかつセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）不織材料１０４を含む。ニアネットシェイプ１０２は、物品の所定の層１０８である。所定の層１０８は、限定されるものではないが、物品の断面層、物品の湾曲層、物品の角度付き層又はこれらの組合せを始めとする、任意の好適なトポロジー構造とすることができ、所定の層１０８は、さらに大きな物品の一部を構成するのに適合している。
セラミックマトリックス複合材不織材料１０４は、限定されるものではないが、一方向性テープ１０６、ランダム配列の繊維を含むテープ、不連続繊維を含むテープ、円形繊維を含むテープ又はこれらの組合せを始めとする、任意の好適な材料とすることができる。一実施形態では、不連続繊維は、限定されるものではないが、約０．１５インチ未満、又は約０．１インチ未満、又は約０．０５インチ未満、又は約０．０１インチ〜約０．１５インチ、又は約０．０２インチ〜約０．１２インチ、又は約０．０５インチ〜約０．１インチの繊維長を始めとする、任意の好適な繊維長を含む。別の実施形態では、一方向性テープ１０６における繊維同士の互いの配向は変えることができる。別の実施形態では、一方向性テープ１０６における繊維同士の互いの配向は約９０度変化する。ＣＭＣの具体例としては、限定されるものではないが、ＳｉＣ、ＳｉＮ、アルミナ、酸化物系複合セラミックス及びこれらの組合せが挙げられる。
プライ１００の製造方法は、プライ１００をプリンティングするステップを含む。一実施形態では、プライ１００は、プリンティングされたままでそれ以上の変更を加えていない状態で、ニアネットシェイプ１０２を有する。プライ１００をプリンティングするステップは、被覆予備含浸トウ３００（図３に示す）を連続フィラメント製造プロセスによって押出すことを含むことができる。別の実施形態では、連続繊維は、約０．０５インチ以上、又は約０．１インチ以上、又は約０．１５インチ以上、又は約０．０５インチ〜約０．５インチ、又は約０．１インチ〜約０．３インチ、又は約０．１５インチ〜約０．２５インチの繊維長を始めとする、任意の好適な繊維長を含む。
プライ１００をプリンティングするステップはさらに、被覆予備含浸トウ３００を連続フィラメント製造プロセスによって押出すために、３次元連続繊維配置プリンタ３０２（図３に示す）を使用することを含んでいてもよい。一実施形態では、予備含浸トウ３００は、プライ１００を押出す際に、加熱され、プライ１００を部分的に硬化させる。さらなる実施形態では、押出機或いはプリンタ３０２のプリントベッドに加熱素子が内蔵される。
一実施形態では、被覆予備含浸トウ３００は、被覆ＣＭＣ繊維、ＣＭＣ粒子及び炭素微粒子を含む。被覆予備含浸トウ３００はさらに、溶剤、樹脂、アルコール又はこれらの混合物を含むことができる。ＣＭＣ粒子は、サブミクロンサイズの粒子とすることができる。別の実施形態では、ＣＭＣ粒子は、約１ミクロン以下、又は約１０ミクロン以下、又は約２０ミクロン以下の最大寸法を含む。炭素微粒子は、限定されるものではないが、元素状炭素、炭化水素、炭素含有有機材料又はこれらの組合せを含むことができる。元素状炭素は、１以上の形態で存在し得る。
図２を参照すると、一実施形態では、物品の製造方法は、第１のプライ２００及び第２のプライ２０６をプリンティングするステップを含む。第１のプライ２００は、第１のニアネットシェイプ２０２を有しかつ第１のＣＭＣ不織材料２０４を含む。第１のプライ２００は、被覆予備含浸トウ３００を基材上に直接押出すことにより、或いは基材なしでプライをプリンティングすることにより、プリントすることができる。第１のプライ２００は、さらに処理するため基材上に機械的に又は手動で移送することができる。基材は、限定されるものではないが、物品表面、中間表面、工具表面、タービン部品表面又はこれらの組合せを始めとする、任意の好適な物体とすることができる。第２のプライ２０６は、第２のニアネットシェイプ２０８を有しかつ第２のＣＭＣ不織材料２１０を含み、第１のニアネットシェイプ２０２を有しかつ第２のニアネットシェイプ２０８は、物品の隣接した所定の層１０８である。本方法はさらに、第２のプライ２０６を第１のプライ２００に取り付けて、第１のプライ２００と第２のプライ２０６を合体固化させるステップを含む。この方法によって、任意の数のプライ１００を取り付けることができる。第１のプライ２００と第２のプライ２０６（並びに追加のプライ１００）を合体固化させるステップは、限定されるものではないが、オートクレーブ処理、焼成、局所的熱処理、誘導加熱又はこれらの組合せを始めとする、任意の好適な技術を含むことができる。
一実施形態では、本製造方法は、第１のプライ２００及び第２のプライ２０６を緻密化するステップも含む。緻密化は、限定されるものではないが、溶融含浸又は気相堆積を始めとする、任意の好適な技術を含むことができる。気相堆積は、純ケイ素、限定されるものではないが酸化ケイ素を始めとする任意の好適な酸化物又はこれらの組合せの堆積を含むことができる。溶融含浸は、限定されるものではないが、第１のプライ２００及び第２のプライ２０６中にケイ素を溶融させ、ケイ素を炭素微粒子と反応させて炭化ケイ素を形成せしめ、第１のプライ２００と第２のプライ２０６を合体固化させることを含むことができる。
第２のプライ２０６は、被覆予備含浸トウ３００を基材上に直接押出すか、或いは基材なしでプライをプリンティングすることによって、プリンティングすることができる。一実施形態では、第２のプライ２０６は、さらに処理するために基材に手動で又は機械的に移送される。別の実施形態では、第２のプライ２０６は、さらに処理するために基材上に配置された第１のプライ２００に手動で又は機械的に移送される。
図３を参照すると、別の実施形態では、第１のプライ２００のプリンティングと、第２のプライ２０６を第１のプライ２００に取り付けることは、被覆予備含浸トウ３００を第１のプライ２００に直接押出すことにより同時に起こる。別の実施形態では、被覆予備含浸トウ３００を第１のプライ２００上に直接押出すことは、３次元連続繊維配置プリンタ３０２の使用を含む。
図４及び図５を参照すると、ニアネットシェイプ１０２は、タービン部品４００の所定の層である。タービン部品は、限定されるものではないが、シュラウド、タービンストラット、翼形部４０２、ノズル４０４（ベーン）、燃焼ライナ、バケット（ブレード）、シュラウドリング、排気ダクト、オーグメンタライナ、ジェット排気ノズル又はこれらの組合せを始めとする、任意の好適な部品とすることができる。一実施形態（図４）では、プライ１００は、断面トポロジーを有する所定の層１０８であり、別の実施形態（図５）では、プライ１００は、湾曲トポロジーを有する所定の層１０８である。
好ましい実施形態を参照して本発明を説明してきたが、本発明の技術的範囲から逸脱せずに様々な変更を行うことができ、本発明の構成要素を均等物で置き換えることは当業者には明らかであろう。さらに、本発明の本質的な技術的範囲から逸脱することなく、特定の状況又は材料を本発明の教示に適合させるために数多くの修正を加えることができる。従って、本発明は、本発明を実施するための最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の技術的範囲内に属するあらゆる実施形態を包含する。
１００ プライ
１０２ ニアネットシェイプ
１０４ セラミックマトリックス複合材不織材料
３００ 被覆予備含浸トウ

Claims (10)

  1. プライ（１００）の製造方法であって、当該方法が、
    ニアネットシェイプ（１０２）を有しかつセラミックマトリックス複合材不織材料（１０４）を含むプライ（１００）をプリンティングするステップ
    を含んでおり、前記プライ（１００）をプリンティングするステップが、
    被覆予備含浸トウ（３００）を連続フィラメント製造プロセスによってプリンタのプリントベッド上に押出すステップであって、被覆予備含浸トウ（３００）が、
    被覆セラミックマトリックス複合材繊維、セラミックマトリックス複合材粒子及び炭素微粒子と、
    溶剤、樹脂、アルコール又はこれらの混合物と
    を含む、ステップと、
    被覆予備含浸トウ（３００）を連続フィラメント製造プロセスによってプリントベッド上に押出しながら、プリントベッドを加熱することによって、被覆予備含浸トウ（３００）を加熱し、被覆予備含浸トウ（３００）の加熱によって被覆予備含浸トウ（３００）が部分的に硬化される、ステップと
    を含む、方法。
  2. 前記ニアネットシェイプ（１０２）が、タービン部品（４００）の所定の層（１０８）の形状である、請求項１に記載の方法。
  3. 前記タービン部品（４００）が翼形部（４０２）である、請求項２に記載の方法。
  4. 前記タービン部品（４００）がノズル（４０４）である、請求項２に記載の方法。
  5. 物品の製造方法であって、当該方法が、
    第１のニアネットシェイプ（２０２）を有しかつ第１のセラミックマトリックス複合材不織材料（２０４）を含む第１のプライ（２００）をプリンティングするステップと、
    第２のニアネットシェイプ（２０８）を有しかつ第２のセラミックマトリックス複合材不織材料（２１０）を含む第２のプライ（２０６）をプリンティングするステップと、
    第２のプライ（２０６）を第１のプライ（２００）に取り付けるステップと、
    第１のプライ（２００）と第２のプライ（２０６）を合体固化させるステップと
    を含んでおり、
    第１のプライ（２００）をプリンティングするステップ及び第２のプライ（２０６）をプリンティングするステップが、
    被覆予備含浸トウ（３００）を連続フィラメント製造プロセスによってプリンタのプリントベッド上に押出すステップであって、被覆予備含浸トウ（３００）が、
    被覆セラミックマトリックス複合材繊維、セラミックマトリックス複合材粒子及び炭素微粒子と、
    溶剤、樹脂、アルコール又はこれらの混合物と
    を含む、ステップと、
    被覆予備含浸トウ（３００）を連続フィラメント製造プロセスによってプリントベッド上に押出しながら、プリントベッドを加熱することによって、被覆予備含浸トウ（３００）を加熱し、被覆予備含浸トウ（３００）の加熱によって被覆予備含浸トウ（３００）が部分的に硬化される、ステップと
    を含む、方法。
  6. 第１のニアネットシェイプ（２０２）及び第２のニアネットシェイプ（２０８）が、物品の隣接する所定の層（１０８）の形状である、請求項５に記載の方法。
  7. 前記物品がタービン部品（４００）である、請求項５又は請求項６に記載の方法。
  8. 前記タービン部品（４００）が翼形部（４０２）である、請求項７に記載の方法。
  9. 前記タービン部品（４００）がノズル（４０４）である、請求項７に記載の方法。
  10. 第１のプライ（２００）と第２のプライ（２０６）を合体固化させるステップが、オートクレーブ処理、焼成、局所的熱処理、誘導加熱又はこれらの組合せからなる群から選択された技術を含む、請求項５乃至請求項９のいずれか１項に記載の方法。
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