JP7053621B2 - ファイバプリフォームの、化学気相浸透法のためのシェーピングツールおよび設備 - Google Patents

ファイバプリフォームの、化学気相浸透法のためのシェーピングツールおよび設備 Download PDF

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Description

本発明は、複合材料で部品を形成することに関し、より詳細には、複合材料部品の補強を形成する、ファイバプリフォームの、化学気相浸透法による固化および/または高密度化の間に使用されるシェーピングツールに関する。
本発明の用途の分野は、熱的構造の複合材料で部品を形成する分野であり、すなわち、構造部品を構成するのに適切にする機械的特性と、やはり、高温までその特性を維持する能力との、両方を提供する複合材料で部品を形成する分野である。熱的構造の複合材料の一般的な例は、熱分解炭素のマトリクスによって高密度化されたカーボンファイバで形成された補強用織物を有するカーボン/カーボン(C/C)の複合材料、および、セラミックマトリクスによって高密度化された、耐熱製ファイバ(カーボンまたはセラミック)で形成された補強用織物を有するセラミックマトリクス複合材料(CMC)である。
C/CまたはCMCの複合材料部品を形成するために、ファイバプリフォームを固化または高密度化するための周知の方法が、化学気相浸透法(CVI)である。固化または高密度化するためのファイバプリフォームは、多数の穴が開けられたシェーピングツール内に置かれる。このシェーピングツール自体は、反応装置またはオーブン内に置かれ、そこでシェーピングツールが加熱される。マトリクスを構成する材料の1つまたは複数の気体の前駆体を含む反応物質ガスが、反応装置内に導入される。反応装置内の温度および圧力は、シェーパ内の穴を介して、プリフォームの小孔内に反応物質ガスが拡散することを可能にし、その内部で、反応物質ガスの1つまたは複数の構成要素の分解、または、複数の構成要素間での反応により、マトリクスを構成する材料の堆積を形成することを可能にするように調整される。これら構成要素は、マトリクスの前駆体を形成している。中間相の材料も、この方法により、マトリクスとともに堆積する場合がある。
いずれにしろ、その固化および/または高密度化の技術は、特定の状況下では、ファイバプリフォームの厚さ方向に現れる、マトリクスの堆積の勾配、および、プリフォームの表面に現れる局所的な余分な厚さ、または「ブリスタ」に繋がり得る。具体的には、プリフォームの表面とコアとの間で、堆積されたマトリクスの厚さまたは量が、5倍だけ変化する場合がある。これら欠点は、主として、ファイバプリフォームの特性(プリフォームの厚さ、ファイバの性質、編込みなど)と、シェーパの構造的特性(穴の数、穴のサイズおよび形状など)との間のミスマッチに起因する。
したがって、本発明の目的は、構造的特性を、固化および/または高密度化されるファイバプリフォームに応じて、規定することができる、シェーピングツールのための解決策を提供することである。
ファイバプリフォームの化学気相浸透法のためのシェーピングツールにして、
このツールは、
少なくとも、第1の接触面によって囲まれた第1の多数の穴が開けられたゾーンを有する第1のサポートと、
第2の接触面によって囲まれた第2の多数の穴が開けられたゾーンを有する第2のサポートと、によって形成される構造的エンクロージャを、備えており、
第1のサポートと第2のサポートとは、第1の接触ゾーンおよび第2の接触ゾーンを介して互いに対して保持されている、シェーピングツールであって、
このツールは、
第1のサポートがその内側面に、第1の多数の穴が開けられたゾーンを含む第1の覆われていないゾーンを含むことと、
第2のサポートがその内側面に、第2の多数の穴が開けられたゾーンを含む第2の覆われていないゾーンを含むことと、
シェーピングツールが、少なくとも、第1サポートの第1の覆われていないゾーンと、第2のサポートの第2の覆われていないゾーンとのそれぞれに存在する第1のシェーピングモールド機能要素と第2のシェーピングモールド機能要素とをさらに備え、各シェーピングモールド機能要素が、形成されることになる部品の形状に対応する、確定した形状の第1の面と、サポートの内側面に面して保持された第2の面とを有し、各シェーピングモールド機能要素が、複数の穴を有するとともに、面しているサポートに存在する穴の数、サイズ、または形状と異なる、穴の数、穴のサイズ、または穴の形状を少なくとも提供していることと、
を特徴とする、シェーピングツールによって、
この目的は達成される。
このため、本発明のシェーピングツールは、取外し可能なシェーピングモールド機能要素を有している。このシェーピングモールド機能要素では、穴のサイズ、数、および/または形状を、固化または高密度化されるファイバプリフォームの特性に応じて、規定することができ、それにより、マトリクスおよび/または中間相を、より一様な方式で、問題となっているプリフォーム内に堆積させるようになっている。このため、機械的特性が向上した複合材料部品を形成することが可能である。
本発明のシェーピングツールは、非常に柔軟に適用することができ、一方、そのような適用のコストを制限している。具体的には、シェーピングツールを特定のファイバプリフォームに適用する場合、変更する必要があるのは、シェーピングモールド機能要素のみであり、一方、ツールのメインの部分、すなわち、構造的エンクロージャを形成するサポートは維持している。
本発明のシェーピングツールの第1の特性によれば、多孔性の空乏層は、構造的エンクロージャの各サポートの内側面と、サポートの内側面に面して保持されたシェーピングモールド機能要素の第2の面との間に介在している。
気相がファイバプリフォームに達する前に、空乏層内の気相の前駆体ガスのほんの一部を消費することにより、ファイバプリフォームの表面に堆積されるマトリクスの量が減少し、それにより、プリフォームの表面の小孔がすぐに塞がれることを避け、小孔のアレイをより長い間保持する。このことは、気相がプリフォームのコアに流れ込むことを可能にしている。プリフォームの厚さにわたってより一様であり、プリフォーム内の堆積の勾配が制限されている、マトリクスの堆積が、こうして得られる。
多孔性の空乏層は、特に、カーボンマット、2次元のカーボンファブリック、カーボンフェルトの織物の1つから選択される場合がある。
本発明のシェーピングツールの第2の特性によれば、サポートと、シェーピングモールド要素とが、グラファイト、カーボン/カーボン(C/C)複合材料、およびセラミックマトリクス複合材料(CMC)の少なくとも1つから選択される材料で形成される。
本発明は、化学気相浸透法による高密度化のために、設備内に置くための充填物であって、前記充填物が、本発明のシェーピングツールに保持されたファイバプリフォームを備えている、充填物をも提供している。
上述のように、本発明のシェーピングツールで形成されたそのような充填物は、より一様なマトリクスまたは中間相の堆積物でプリフォームを固化または高密度化する役割を果たすのみならず、局所的な余分な厚さ、または「ブリスタ」がプリフォームの表面で形成されることを避ける役割も果たす。
本発明の充填物の特定の態様によれば、ファイバプリフォームは、航空機用エンジン部品のためのプリフォームである。
本発明は、化学気相浸透法によるファイバプリフォームの高密度化のための設備を第1に備えたアセンブリであって、この設備が、反応チャンバ、このチャンバの第1の端部に位置し、予熱ゾーン通じる反応物質ガス供給パイプ、および、第2の端部の近位に位置する排出パイプを備え、第2に、この設備のチャンバ内に位置する、本発明の、少なくとも1つの充填物を含んでいる、アセンブリをも提供する。
本発明は、
ファイバプリフォームを本発明のシェーピングツール内に配置することと、
化学気相浸透法により、ファイバプリフォームをマトリクスで固化することと、
固化されたプリフォームを高密度化することと、
を含む、複合材料部品を制作する方法をも提供する。
本発明の他の特徴および利点は、非限定的例として与えられ、添付図面を参照する、本発明の特定の実施形態の以下の説明から明らかになる。
本発明の実施形態における、シェーピングツールがどのように組み立てられ、ファイバプリフォームが充填されるかを示す、拡大分解図である。 組み立てられた後の、上から見た図1のツールの図である。 基準III上の断面での、図2のツールの図である。 基準IV上の断面での、図2のツールの図である。 シェーパモジュールの要素の変形実施形態を示す図である。 図1のツールおよびファイバプリフォームによって構成された充填物を含む、化学気相浸透法による高密度化のための設備の概略斜視図である。
本発明は、複合材料、特に、熱的構造の複合材料で部品を製造することに適用される。より具体的には、本発明は、化学気相浸透法により、ファイバプリフォームを固化および/または高密度化するステップの間に、有利な用途を見出している。
図1は、本発明の実施形態に係る、シェーピングツール100にファイバプリフォーム10を設置することを含む、充填物の準備を示している。準備がされると、充填物は、産業上の化学気相浸透法の設備の反応チャンバ内に挿入するためのものとなる。本明細書に記載の例では、ツール100は、プレートの形態のファイバプリフォームを収容するためのものであり、このプレートの形態のファイバプリフォームは、特に、複合材料を特徴付けることが意図されている。本発明のシェーピングツールは、たとえば、航空機用エンジンのためのブレードまたは可動ノズルフラップなど、様々な形状の部品を形成する目的のために、ファイバプリフォームを収容およびシェーピングするために使用される場合がある。
ファイバプリフォーム10は、「乾燥している(dry)」、すなわち、樹脂などが含浸していない、ファイバ織物に対応している。ファイバ織物は、様々な種類のファイバ、特に、セラミックファイバ(たとえば、炭化ケイ素ファイバ)またはカーボンファイバで形成される場合がある。使用されるファイバ織物は、特に、
2次元(2D)ファブリック、
特に、参照することにより、本明細書に組み込まれる、国際公開第2010/061140号パンフレットに特に記載されているような、3D織りまたは多層織りによって得られた3次元(3D)ファブリック、
組みひも、
ニット、
フェルト、
ヤーンもしくはトウの単方向性(UD)のシート、または、複数のUDシートを異なる方向で重ね、たとえば、縫込み、化学的接着剤、もしくはニードリングにより、UDシートを互いに接着することによって得られる、多方向性(nD)のシートなどの、様々な種類および形状である場合がある。
ファブリック、組みひも、ニット、フェルト、シート、トウなどの、複数の重ね合わせられた層で形成されたファイバ織物を使用することも可能である。これら層は、たとえば、縫込み、ヤーンもしくは剛性の要素のインプラント、またはニードリングにより、ともに接着される。
シェーピングツール100は、この例では、第1のサポート140および第2のサポート170によって形成された構造的エンクロージャを備えている。第1のサポート140は、第1のサポートの厚さを貫通する複数の穴1410を有する、第1の多数の穴が開けられたゾーン141を有している。多数の穴が開けられたゾーン141は、リム142によって囲まれている。
第2のサポート170は、第2のサポートの厚さを貫通する複数の穴1710を有する、第2の多数の穴が開けられたゾーン171を備えている。多数の穴が開けられたゾーン171は、リム172によって囲まれている。
本発明によれば、シェーピングツール100は、第1のシェーピングモールド機能要素120、および、第2のシェーピングモールド機能要素150をも有している。第1のシェーピングモールド機能要素120は、第1のサポート140の内側面140aに存在し、第1の多数の穴が開けられたゾーン141を含む、第1の覆われていないゾーン143に受け入れるためのものであり、この第1のシェーピングモールド機能要素120は、リム142上に置かれる。リム142は、この要素を、第1のサポート140の内側面140aから離して保持することを可能にする(図3および図4)。第2のシェーピングモールド機能要素150は、第2のサポート170の内側面170aに存在し、第2の多数の穴が開けられたゾーン171を含む、第2の覆われていないゾーン173に受け入れるためのものであり、この第2のシェーピングモールド機能要素150は、リム172上に置かれる。リム172は、この要素を、第2のサポート170の内側面170aから離して保持することを可能にする(図3および図4)。第1のシェーピングモールド機能要素120と第2のシェーピングモールド機能要素150とは、それぞれの第1の面120aと第1の面150aとを有し、形成されることになる部品、具体的にはプレートの形状に対応する確定した形状を有している。第1の覆われていないゾーン143内の、第1のサポート140の内側面140aに面して、リム142により保持される、第2の面120bを、第1のシェーピングモールド機能要素120は有している。一方、第2の覆われていないゾーン173内の、第2のサポート170の内側面170aに面して、リム172により保持される、第2の面150bを、第2のシェーピングモールド機能要素150は有している。第1のシェーピングモールド機能要素120と第2のシェーピングモールド機能要素150とは、それぞれの複数の穴121と複数の穴151とを含んでいる。
本発明によれば、第1のシェーピングモールド機能要素120と第2のシェーピングモールド機能要素150とにそれぞれ存在する穴121と穴151との数、サイズ、および/または形状は、面しているサポートに存在する穴の数、サイズ、および/または形状とは異なっている。本明細書に記載の例では、第1のシェーピングモールド機能要素120は、穴121の数が、第1のサポート140に存在する穴1410の数より大である。同様に、第2のシェーピングモールド機能要素150は、穴151の数が、第2のサポート170に存在する穴1710の数より大である。これにより、気相がファイバ織物内に入るポイントの数を増大させること、および、気相がファイバプリフォームに接触する前に、サポート140内の穴1410およびサポート170内の1710を介して入った気相を分割することが可能になる。このことは、局所的な余分な厚さを制限すること、および、固化のための部分の厚さにおける、堆積厚さの勾配を制限すること、または、ファイバプリフォーム内のブリスタの形成を制限する働きをする。
さらに、第1のシェーピングモールド機能要素120と第2のシェーピングモールド機能要素150とにおいては、それぞれの穴121と穴151とは、それぞれの、第1のサポート140に存在する穴1410と第2のサポート170に存在する穴1710とに対してオフセットする方式で、配置することが好ましい(図3および図4)。このことも、局所的な余分な厚さが発生することを制限すること、および、固化されることになる部分の厚さにおける、堆積厚さの勾配を制限すること、または、ファイバプリフォーム内のブリスタの形成を制限する働きをする。
図5は、細長い形状の複数の穴201を有する、シェーピングモールド機能要素200の変形実施形態を示している。他の穴の形状が、高密度化されることになるファイバプリフォームに関連付けられたパラメータの関数として、予見され得る。シェーピングモールド200では、穴の表面積の合計が増大している。この穴を通して、ファイバプリフォームが、構造的エンクロージャのサポートを介してツール内に入る前駆体ガスに対して曝される。そのような状況下では、このことはさらに、ファイバプリフォーム内の局所的な余分な厚さ、または、ブリスタの発生を制限する。
本発明の特定の態様では、多孔性の空乏層が、構造的エンクロージャのサポートと、シェーピングモールド機能要素との間に介在している場合がある。本明細書に記載の例では、第1の多孔性の空乏層130が、第1のサポート140の内側面140aと、リム142により、内側面140aから離間して保持されている、第1のシェーピングモールド機能要素120の第2の面140bとの間に介在している。一方、第2の空乏層160が、第2のサポート170の内側面170aと、リム172により、内側面170aから離間して保持されている、第2のシェーピングモールド機能要素150の第2の面150bとの間に介在している。多孔性の空乏層130および160は、サポート140の穴141、および、サポート170の穴171を介して入る気相の前駆体ガスの一部を「前もって消費する(pre-consume)」役割を果たす。このことは、ファイバプリフォーム内におけるマトリクスの堆積の勾配を制限する役割を果たす。具体的には、ファイバプリフォームに達する前に、気相内の前駆体ガスのほんの一部を消費することにより、ファイバプリフォームの表面に堆積されるマトリクスの量が減少し、それにより、プリフォームの表面の小孔がすぐに塞がれることを避け、こうして、小孔のアレイに、より長い間、気相をプリフォームのコア内に流すことを可能にしている。このことは、プリフォーム内の堆積の勾配を制限することにより、プリフォームの厚さの中で、より一様なマトリクスの堆積を得る働きをする。多孔性の空乏層は、特に、炭化ケイ素(SiC)ファイバで形成された2次元のファブリック、または、カーボンファイバのフェルトで形成される場合がある。
構造的エンクロージャおよびシェーピングモールド機能要素を形成するサポートは、特に、グラファイト、または、材料の固化または高密度化の、化学気相浸透法の動作の間に対する温度に耐えるのに適切である他の材料、たとえば、カーボン/カーボンの複合材料またはセラミックマトリクスの複合材料(CMC)など、たとえば、C/SiC材料(炭化ケイ素のマトリクスによって高密度化されたカーボンファイバの補強物)、または、SiC/SiC材料(補強物とマトリクスとの両方が炭化ケイ素で形成されている)などで形成される場合がある。
本明細書に記載される例では、ファイバプリフォーム10は、Hi-Nicalon(R)Type SのタイプのSiCファイバの3次元織りによって得られるプリフォームである。
ファイバプリフォーム10は、化学気相浸透法による固化のために、シェーピングツール100(図3および図4)内に置かれる。ツールは、この例ではネジ101とナット102とによって構成されたクランプ部材で閉じられており、スペーサ105が、2つのサポート140と170との間の空間を決定するために使用されている。ファイバプリフォーム10およびツール100は、図6に示すように、化学気相浸透オーブンまたは設備500内に置かれる充填物200を構成する。既知の方式で、化学気相浸透設備500は、反応チャンバ510を規定する円筒状のエンクロージャ501を備えている。このチャンバは、その頂部が、予熱ゾーン522に導入されるガス供給パイプ521を有する取外し可能なカバー520によって閉じられている。予熱ゾーン522は、高密度化のためのプリフォーム(複数の場合もある)を包含する反応チャンバ510内に拡散する前に、ガスを加熱する役割を果たす。残留ガスは、設備の底部530から、吸引手段(図示せず)に接続された排出パイプ531を介して抜き出される。底部530は、充填物200が置かれることになるサポート532を含んでいる。
予熱ゾーン内、および、やはり反応チャンバ510の内側における加熱は、誘導コイル(図示せず)に電磁的に結合されたグラファイトサセプタ511によって提供される。反応チャンバ510内の、予熱ゾーン522とサポート532との間に存在する空間は、含浸設備500の有用な充填量512、すなわち、高密度化されることになるファイバプリフォームの充填のために利用可能である容量に対応している。
プリフォーム10は、化学気相浸透法によって固化される。プリフォームを固化するために、堆積されることになるマトリクスの材料に関する、少なくとも1つまたは複数の前駆体を包含する反応物質ガスが、反応チャンバ510内に導入される。この例では炭化ケイ素(SiC)などの、セラミック材料に関し、周知の方式で、SiCのための前駆体として、メチルトリクロロシラン(MTS)を使用することが可能である。カーボンでは、たとえば、気体の炭化水素化合物、通常はプロパン、メタン、またはプロパンとメタンとの両方の混合物を使用することが可能である。周知の方式で、多孔性のプリフォームが、このプリフォーム内にマトリクス材料を堆積させることによって固化される。このマトリクス材料は、プリフォームの、アクセス可能な内部の小孔の小孔内に分散する反応物質ガス内に包含される前駆体(複数の場合もある)の分解によって生成される。化学気相浸透法による様々なマトリクスの堆積を得るために必要な圧力および温度の条件自体は、周知である。圧力勾配は、反応物質ガスがプリフォームを通って流れることを促進するために、供給パイプ521と排出パイプ531との間に確立される。
上述のツール100と同じタイプの、本発明のシェーピングツールを使用するファイバプリフォームの固化において、テストを実施した。より正確には、これらテストに関し、以下の要素を使用した。
- Hi-Nicalon(R)Type SのSiCファイバの3次元織りによって得られるプリフォームであって、このプリフォームが、プレートの形状で存在する、プリフォーム、
- 穴の直径が10ミリメートル(φ10mm)の直径を有する穴を呈する、その多数の穴が開けられたゾーン内に存在する、第1および第2のシェーピングツールのサポートであって、これら穴は、20mmの中心から中心までのピッチで互いから離間している、サポート、
- 直径が5mmの直径(φ5mm)の穴であって、8mmの中心から中心までのピッチで互いから離間している穴を有する第1および第2のシェーピングモールド機能要素、 - シェーピングツールの各サポートと、各シェーピングモールド要素との間に介在する多孔性の空乏層であって、各層が、RVG 2000の表記で、サプライヤCarbone Lorraineによって販売された、絡み合ったグラファイトファイバによって構成されたフェルトで形成されている、多孔性の空乏層。
プリフォームは、BNおよびSiCの相を使用して、化学気相浸透法によって固化した。
これらテストは、パーツの厚さにおける、堆積厚さの勾配が、従来技術のシェーピングツールに比べ、1/5に低減されたことを示した。さらに、ガスに直接曝されたゾーン(シェーピングモールド機能要素内の穴に面するプリフォームのゾーン)と、マスクされたゾーン(シェーピングモールド機能要素の2つの穴間に位置するプリフォームのゾーン)との間の、部品の表面における堆積厚さの勾配は、従来技術のシェーピングツールに比べ、1/5から1/8に低減された。

Claims (8)

  1. ファイバプリフォームの化学気相浸透法のためのシェーピングツール(100)にして、
    このツールは、
    構造的エンクロージャであって、
    少なくとも、第1の多数の穴が開けられたゾーン(141)を有する第1のサポート(140)と、
    第2の多数の穴が開けられたゾーン(171)を有する第2のサポート(170)と、
    によって形成される、構造的エンクロージャを備えており、
    第1のサポートと第2のサポートとは、互いに対して保持されている、シェーピングツール(100)であって、
    このツールは、
    第1のサポート(140)がその内側面(140a)に、第1の多数の穴が開けられたゾーン(141)を含む第1の覆われていないゾーン(143)を含むことと、
    第2のサポート(170)がその内側面(170a)に、第2の多数の穴が開けられたゾーン(172)を含む第2の覆われていないゾーン(173)を含むことと、
    シェーピングツール(100)が、少なくとも、第1サポート(140)の第1の覆われていないゾーン(143)と、第2のサポート(170)の第2の覆われていないゾーン(173)とのそれぞれに存在する第1のシェーピングモールド機能要素(120)と第2のシェーピングモールド機能要素(150)とをさらに備え、各シェーピングモールド機能要素が、形成されることになる部品の形状に対応する、確定した形状の第1の面(120a;150a)と、サポートの内側面に面して保持された第2の面(120b;150b)とを有し、各シェーピングモールド機能要素が、複数の穴(121;151)を有するとともに、面しているサポートに存在する穴の数、サイズ、または形状とは異なる、穴の数、穴のサイズ、または穴の形状を少なくとも提供していることと、
    を特徴とする、シェーピングツール(100)。
  2. 多孔性の空乏層(130;160)が、構造的エンクロージャの各サポート(140;170)の内側面と、サポートの内側面に面して保持されたシェーピングモールド機能要素(120;150)の第2の面との間に介在している、請求項1に記載のツール。
  3. 多孔性の空乏層が、カーボンマット、2次元のカーボンファブリック、カーボンフェルトの織物の1つから選択される、請求項2に記載のツール。
  4. サポート(140、170)と、シェーピングモールド機能要素(120、150)とが、グラファイト、カーボン/カーボン(C/C)複合材料、およびセラミックマトリクス複合(CMC)材料の少なくとも1つから選択される材料で形成される、請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のツール。
  5. 化学気相浸透法による高密度化のために、設備(500)内に置くための充填物(200)であって、前記充填物が、請求項1から請求項4のいずれか一項に記載のシェーピングツール(100)に保持されたファイバプリフォーム(10)を備えている、充填物(200)。
  6. ファイバプリフォームが、航空機用エンジン部品のためのプリフォームである、請求項5に記載の充填物。
  7. 化学気相浸透法によるファイバプリフォームの高密度化のための設備(500)を備えたアセンブリであって、
    このアセンブリが、
    反応チャンバ(510)と、
    このチャンバの第1の端部に位置し、予熱ゾーン(522)に導入される反応物質ガス供給パイプ(521)と、
    第2の端部の近位に位置する排出パイプ(531)と、
    を備え、
    アセンブリが、チャンバ内に位置する、請求項5または請求項6に記載の少なくとも1つの充填物(200)をも含んでいる、アセンブリ。
  8. 請求項1から請求項4のいずれか一項に記載のシェーピングツール(100)内に、ファイバプリフォーム(10)を配置することと、
    化学気相浸透法により、ファイバプリフォームをマトリクスで固化することと、
    固化されたプリフォームを高密度化することと、
    を含む、複合材料部品を製作する方法。
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