KR101310658B1 - 와이어/섬유 고리 및 그것의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

4 개의 시계 위치들에 적용된 2 개의 층들을 가진 와이어/섬유 고리가 개시된다. 각각의 층들은 제 1 직경을 가진 제 1 재료의 가닥과, 제 1 직경과 상이한 제 2 직경을 가진 제 2 재료의 가닥들을 구비한다. 근접한 층들에 있는 가닥들 사이에서 명확한 안주 작용(nesting)이 있도록 제 2 또는 그 어떤 차후의 층이 배치된다. 어레이가 구성된 이후에, 차후의 굳히는 단계 동안 어레이를 정위치에 유지하도록 어레이 둘레에서 와이어가 오버랩되는데, 이것은 구성된 어레이가 공기 밀폐 콘테이너 안에서 시일되어 배출된 이후에 발생된다. 가열과 압력의 적용 이후에, 약 12 % 의 결핍 함량, 약 0 % 내지 70 % 사이의 섬유 함량 및 바람직스럽게는 약 30% 내지 45% 사이의 섬유 함량을 가진 와이어/섬유 어레이가 달성될 수 있다.

Description

와이어/섬유 고리 및 그것의 제조 방법{Wire/fiber ring and method for manufacturing the same}

본 발명은 와이어/섬유 고리에 관한 것이며, 보다 상세하게는 향상된 결핍 및 섬유 부분 비율(void and fiber fraction)을 가지는 향상된 매트릭스 복합 와이어/섬유 고리에 관한 것이고, 향상된 매트릭스 복합 와이어/섬유 고리를 제조하는 방법에 관한 것이다.

티타늄 매트릭스 복합(titanium matrix composite; TMC) 고리들은 특정한 경직성 및 강성이 설계에 중요한, 터빈 엔진들과 같은 고온의 회전 부분들에서 유용하다. 일반적으로 입수 가능성의 문제가 이들 재료의 생산에서 용도를 제한하지만, 하나의 TMC 제조 방법은 희망적인 것으로 나타났다. 이러한 방법에 따르면 티타늄 와이어와 실리콘 카바이드(SiC) 섬유는 테두리 강화 어레이(array)를 형성하도록 조합된다. 이러한 방식으로 TMC 고리를 제조하는 방법은 미국 특허 제 5,763,079 호 (Hanusiak 외) 및, 미국 특허 제 5,460,774 호 (Bachelet)에 설명되어 있다. 이들 2 개의 특허들은 같은 목적을 달성하기 위해서 상이한 접근 방식을 서술한다. 그러나, 이들 양쪽들은 또한 설계에 관한 중요한 방법에서 제조의 유연성을 제한한다.

상기 Hanusiak 에 의한 방법은 도 1a 내지 도 1c 에 도시되어 있다. 이러한 접근 방식에서, 와이어(3)와 섬유(4)의 조합은 1 : 1 의 비율로 제한되지만, 와이어(3)의 직경이 섬유(4)의 직경보다 크다면 와이어 직경과 섬유 직경은 상이할 수 있다. 와이어 및 섬유의 직경을 선택하는 것은 결과적인 복합체에서 섬유의 부분 비율을 설정한다. 예를 들면, 0.007 인치 직경의 와이어와 0.056 인치 직경의 섬유를 이용하는 것은 30 % 의 섬유 부분 비율을 가진 복합체를 초래한다. Hanusiak 등에 따르면, 조립체는 모든 와이어 요소들을 포함하는 하나의 테이프와, 겹(ply) 마다 2 개의 층을 형성하도록 조합된 모든 섬유 요소들을 포함하는 하나의 테이프로 이루어진다. 각각의 테이프는 같은 크기의 요소들로 이루어지지만, 제 1 테이프의 요소들은 제 2 테이프의 요소들과 같은 크기일 필요는 없다. 근접한 섬유(4)들이 서로 접촉하지 않는 방식으로 권취용 코어에 적용된 각각의 유형의 교번하는 테이프들을 이용하여 조립체가 구성된다. Hanusiak 에 따른 구조의 장점은 와이어 대 섬유의 비율이 변화될 수 있어서, 35 % 내지 45 % 사이의 섬유 부분 비율을 가진 복합체가 용이하게 제조될 수 있다는 점이다. 그러한 범위의 섬유 부분 비율은 유효한 고리 구조를 위해서 특히 소망스러운 것이다. 그러나, Hanusiak 에 따른 구조의 단점은 조립된 어레이가 약 20 % 의 결핍을 포함하여, 이것이 특히 두꺼운 부분에 해롭다는 것인데, 이는 금속의 운동중에 소망스럽지 않은 첨단(cusp)의 형성을 허용하기 때문이다. 더욱이, Hanusiak 등에 따른 구조는 TMC 부분의 결핍 부분을 제거하는 굳힘(consolidation)의 주기 동안에 조직이 불안정한 것으로 나타났다.

도 1a 는 Hanusiak 등에 따른 복합체 고리 구조(1)의 단면을 도시하는데, 여기에는 와이어(3)가 높이 방향에서만 접촉하도록 최대의 섬유 간격이 있다. 도 1b 는 Hanusiak 등에 따른 구현예를 도시하는데, 여기에는 섬유들이 폭과 높이에서 등간격으로 이격되도록 중간의 섬유 간격이 존재한다. 도 1c 는 Hanusiak 등에 따른 구조의 다른 형상을 도시하는데, 여기에는 최소의 섬유 간격이 있고 와이어(3)들이 측방향 또는 폭방향에서만 서로 접촉한다.

Bachelet 에 의해 설명된 방법은 도 2a 내지 도 2c 에 도시되어 있다. Bachelet 에 따르면, 와이어/섬유의 조합은 2 대 1 또는 3 대 1 비율로 제한된다. 또한, Bachelet 에 의해 개시된 모든 예들에서, 와이어 직경들은 섬유 직경과 같은 치수로 제한된다. 모든 조립체들은 겹당 2 개의 층들을 이용하며 도 2a 내지 도 2c 에 도시된 바와 같은 2 가지 유형들에 속한다.

상세하게는, 도 2a 에 도시된 바와 같이, 각각의 층은 2 개의 균등 직경 와이어(3)에 의해 분리된 섬유(4)들로 이루어지며, 제 2 층은 섬유(4)들이 아래에 있는 층에서 2 개의 와이어(3)들 사이에 안주(nesting)되도록 측방향으로 인덱싱(indexing)된다.

Bachelet 구조의 다른 변형예에 있어서, 도 2b 및 도 2c 에 도시된 바와 같이, 하나의 등가 직경 와이어(3)에 의해서 분리된 섬유(4)들로 하나의 층이 이루어진다. 제 2 층은 제 1 층에서 섬유(4)들과 같은 직경의 모든 와이어(3)로 이루어진다. Bachelet 의 접근 방식의 장점은 결핍의 함량이 약 10% 뿐이며, 차후의 굳히는 단계 동안에 어레이가 명백히 조직적으로 안정된다는 점이다. 더욱이, Bachelet 의 접근 방식은, 상대적으로 낮은 결핍의 부분 비율이 초래되기 때문에, 두꺼운 부품들에 대하여 소망스러울 수 있으며, 이는 TMC 주위를 따라서 첨단이 형성되는 경향이 낮기 때문이다. 그러나, Bachelet 의 접근 방식의 단점은 와이어와 섬유들의 직경을 동등하게 하는 예들에서의 제한으로서, 이것은 섬유의 부분 비율을 25 % 또는 33 % 로 제한시킨다. 이러한 섬유 부분 비율들은 설계의 관점에서 가장 소망스러운 범위에 있는 것은 아니다. 즉, 많은 설계에 있어서, 40 % 의 섬유 부분 비율이 유용한 성능의 향상을 달성하는데 소망스럽다.

또한, Hanusiak 등과 Bachelet 특허에 개시된 모든 예들은 그 어떤 단일 층에서도 같은 크기의 요소들에 제한된다. 비록 이러한 참조 문헌들에서 하나의 층에 있는 요소들이 상이한 직경을 가지는 경우를 특정적으로 배제시키고 있지는 않지만, 그 어떤 문헌들에서도 그러한 구조와 관련된 특별한 문제점들을 해결하고 있지 않다. 즉, 상이한 크기의 요소들이 단일의 층에 제공되고, 하나의 층에 있는 모든 요소들이 동시에 권취용 코어에 적용되었을 때, 고유한 적층이나 또는 조직의 불안정이 발생된다.

그 어떤 단일 층에서도 모든 요소들의 동시적인 적용은 Bachelet이 개시하는 특정의 요건이라는 점이 주목되어야 한다. Bachelet 은 명백하게 제 1 의 층에서 요소의 간격을 조절하도록 이러한 제한을 적용하는데, 이는 권취용 맨드렐상에 있는 제 1 의 층에서 요소들을 공간적으로 조절하는 그 어떤 다른 방법도 문헌에 개시되어 있지 않기 때문이다. 이것은 또한 제 1 층에 있는 요소들이 위치 선정 목표를 효과적으로 수행하기 위하여 접촉되고 있다는 점을 의미한다. 차후 층의 요소 위치들은 따라서 제 1 층에 있는 요소들 사이에서 발생된 간극들에 의해 형성된다. 제 1 층에 접촉 요소 및, 상이한 와이어와 섬유 직경들이 주어지면, 차후 층의 요소들은 통상적으로 안주 장소(nesting site)의 모호성에 기인하여 자취를 잃어버리게 되며 조립체는 혼란해지게 될 것이다. 도 3a 내지 도 3c 는 상이한 크기의 요소들의 제 2 층이 상이한 크기의 요소들의 제 1 층 위에 어떻게 배치될 수 있는지와, 긍극적으로, 몇 개의 층들이 적용된 이후에, 실질적으로 모든 질서가 어떻게 상실되는지를(도 3c) 도시한다. 즉, 차후 층의 요소들이 같은 시간에 도달했다면 주어진 층에 있는 상이한 요소의 크기는 안주 장소들에 대하여 경합을 벌이게 된다.

따라서, 약 0 % 내지 약 70 % 사이, 그리고 바람직스럽게는 약 30 % 내지 45 % 사이의 섬유 부분 비율에서의 융통성과 함께, 안정된 어레이로 낮은 결핍 함량을 달성하는 향상된 방법에 대한 필요성이 존재한다.

따라서, 본 발명의 목적은 향상된 TMC 와이어/섬유 고리 구조체 및 그것을 제조하는 방법을 제공하는 것으로서, 여기에서는 각각의 층에 있는 각각의 요소에 대한 명확한 위치 선택이 존재한다.

본 발명의 다른 목적은 결핍이 적고 소망되는 범위로써 섬유의 부분 비율이 존재하는 TMC 와이어/섬유 고리를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 단일의 층에 상이한 직경들의 요소를 포함하는 TMC 와이어/섬유 고리를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 와이어 및/또는 섬유의 제 1 층에 대한 명확한 위치를 제공하는 권취용 맨드렐을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 안정되고 효과적인 굳힘 과정을 달성하도록 하드웨어 세트와 관련 요소들을 형성하고 이행하는 것이다.

상기의 목적들 및 다른 목적들을 달성하도록, 본 발명은 복수개의 제 1 가닥들 또는 요소들을 제 1 층으로서 가지는 복합체 고리를 제공하는데, 상기 제 1 가닥 또는 요소들은 각각 제 1 직경을 가지고 소정의 거리로 서로로부터 이격된다. 제 1 직경과 상이한 제 2 직경을 각각 가지는 복수개의 제 2 가닥들은 적어도 2 개의 제 2 가닥들이 근접한 제 1 가닥들 사이에 개재되도록 배치됨으로써, 제 1 층을 완성한다.

제 2 층으로서, 제 1 가닥들과 같은 직경을 가지는 복수개의 제 3 가닥들이 제 1 가닥들로부터 오프셋되게 배치됨으로써 제 3 가닥들은 제 1 층에서 제 2 가닥들 사이의 영역에 걸쳐있게 된다. 마지막으로, 제 2 가닥들과 같은 직경을 가진 복수개의 제 4 가닥들은 제 2 가닥들로부터 오프셋되게 배치됨으로써, 근접한 제 4 가닥들 사이의 영역은 제 3 가닥들의 중앙 위에 배치된다. 결과적인 전체 구성은 4 개 테이프들로 얻어진 2 개 층의 구조이며, 즉, 가닥들의 4 개 세트들이거나 다발이다.

본 발명의 바람직한 구현예에 있어서, 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 가닥들은 적어도 하나의 섬유 및 와이어를 포함한다. 섬유가 바람직스럽게는 실리콘 카바이드를 포함하고, 와이어가 바람직스럽게는 티타늄을 포함함으로써, TMC 와이어/섬유 고리가 얻어진다.

또한 본 발명에 따라서, 섬유 가닥들이 바람직스럽게는 와이어 가닥들보다 큰 직경을 가진다. 그러한 구조는 대략 30 % 내지 45 % 사이의 섬유 부분 비율과 약 12 % 의 결핍 부분 비율을 초래한다.

본 발명에 따른 방법의 바람직한 구현예에서, 제 1 층의 각각의 가닥에 대한 소망의 위치에 각각 대응하는 홈들을 가진 맨드렐이 TMC 부분을 감기 위하여 제공된다. 따라서, 제 1 층에서 안주되는(nested) 장소들은 제 2 의 층 및 그 어떤 차후의 층들에 대해서 적절하게 배치된다. 이와는 달리, "선택된 직경"을 가지는 와이어의 층을 맨드렐상에 제공함으로써 "홈"들이 달성될 수 있어서, 제 1 가닥의 층들에 대한 소망의 간격과 일치하는, 소정의 안주 장소를 초래한다.

본 발명의 방법에 따르면, 복수개의 가닥들을 포함하는 테이프들이 동시에 감기지만, 각각의 테이프는 상이한 접선상의, 또는 "시계의(clock)" 위치들에서 맨드렐에 적용된다. 소망의 두께가 달성될 때까지 권취가 계속된다. 바람직한 구현예들에 따라서, 가닥들은 측방향으로 서로 접촉할 수 있거나 또는 접촉하지 않을 수 있다.

또한 본 발명의 바람직한 구현예에 따라서, 권취가 완료된 이후에, 가닥들의 노출된 층이 바람직스럽게는 어레이 패턴을 보존하도록 오버랩 와이어(over-wrap)와이어로 오버랩된다.

본 발명의 와이어/섬유 어레이를 제조하는 하드웨어 세트가 바람직스럽게는 맨드렐, 맨드렐의 권취 표면으로부터 반경 방향 외측으로 연장되는 한쌍의 측부 고리 및, 측부 고리들의 적어도 일부와 접촉하고 권취 표면, 측부 고리의 내측 표면들 및 폐쇄 고리의 내측 표면에 의해 형성된 조립체 공간을 감싸는 폐쇄 고리를 구비한다.

측부 고리들이 바람직스럽게는 굳힘의 동안에 수축이 용이하게 일어나도록 양각 절단부(relief cut)를 구비하며, 권취 표면이 바람직스럽게는 측부 고리가 맞닿게 되는 어깨부를 구비한다.

측부 고리들이 바람직스럽게는 그것의 상부 부분에 홈을 구비하여 오버랩 와이어의 단부 부분을 수용한다. 완전히 조립되었을 때, 폐쇄 고리가 바람직스럽게는 조립체 공간내에 배치된 구성 와이어/섬유 조립체를 둘러싸는 오버랩 와이어와 접촉한다.

본 발명에 따르면, 권취용 맨드렐, 권취용 맨드렐의 둘레에 원주상으로 소정 위치에 각각 배치된 복수개의 안내 롤러들 및 복수개의 테이프를 구비하는 권취 장치가 제공되며, 각각의 테이프는 복수개의 안내 롤러들중 하나에 의해서 안내될 수 있고, 각각의 테이프들은 복수개의 가닥들을 구비한다. 권취용 맨드렐이 회전될 때, 각각의 테이프들은 권취용 맨드렐상에서 연속적으로 하나가 다른 것의 상부에 배치된다.

또한 본 발명에 따르면, "그린"(green) 와이어/섬유 어레이를 처리하는 방법에 제공되는데, 이것은 권취용 맨드렐상에서 복수개의 가닥들을 권취하는 단계로서 가닥들이 그 위에서 맨드렐과 관련된 측부 고리에 의해서 제한되는 단계; 복수개의 가닥들을 오버랩 와이어로 오버랩시키는 단계 및, 이후에 권취용 맨드렐, 측부 고리의 내측 표면들 및 폐쇄 고리의 내측 표면에 의해 형성된 조립체 부위 공간 내에 있는 폐쇄 고리로 오버랩 와이어와 가닥들을 감싸는 단계를 구비한다.

하드웨어 세트가 바람직스럽게는 공기 밀폐 콘테이너 안에 엔캡슐레이션되는데, 공기 밀폐 콘테이너는 차후에 튜브를 통해서 배출되고, 튜브를 통하여 아르곤과 같은 불활성 개스가 강제되는 것이 바람직스럽다.

시일된 콘테이너가 완전히 배출되고 모든 오염물 및 바람직스럽지 않은 개스들이 제거된 이후에, 콘테이너가 시일되고 굳히는 단계가 뒤를 잇게 되는 것이 바람직스럽다.

이러한 굳힘 단계가 바람직스럽게는 최대 15,000 psi 까지의 압력하에 약 1650°F 로 가닥들을 가열하는 단계를 포함한다. 그러한 조건들 하에서, 측부 고리들은 측방향으로 움직이고 와이어/섬유 어레이는 마치 단일체의 재료처럼, 예를 들면 이후에 터빈 디스크로 기계 가공될 수 있는 지점까지 굳히게 된다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 다음의 상세한 설명을 읽음으로써 보다 완전하게 이해될 것이며, 도면에서 참조 번호들은 동일한 요소들에 대해서 일관성 있게 사용되었다.
도 1a 내지 도 1c 는 종래 기술의 와이어/섬유 조합체를 조립하는 방법을 도시한다.
도 2a 내지 도 2c 는 종래 기술의 와이어/섬유 조합체를 조립하는 방법을 도시한다.
도 3a 내지 도 3c 는 종래 기술의 와이어/섬유 조합체를 조립하는 방법에 고유한 불안정(instability)을 도시한다.
도 4a 내지 도 4e 는 본 발명에 따른 TMC 와이어/섬유 고리를 조립하는 바람직한 구현예를 도시한다.
도 5 는 본 발명에 따른 권취 장치(winding apparatus)를 도시한다.
도 6 은 본 발명에 따른 맨드렐을 도시한다.
도 7a 내지 도 7e 는 와이어들이 섬유들보다 큰 직경을 가지고 있을 때 섬유 마다 2 개의 와이어들로 구성되었을 경우의 불안정을 도시한다.
도 8a 내지 도 8e 는 본 발명에 따라서, 와이어들이 섬유들보다 큰 직경을 가질 경우에 다수의 테이프들이 구성되는 것을 도시한다.
도 9 는 본 발명에 따른 가닥(strand)들의 제 1 층을 이격시키기 위한 와이어를 이용하는 맨드렐을 도시한다.
도 10 은 본 발명에 따른 그린 와이어/섬유 조립체(green wire/fiber assembly)를 처리하도록 이용된 하드웨어 세트를 도시한다.
도 11 은 본 발명에 따른 와이어/섬유 조립체와 오버-랩 층(over-wrap layer)을 가진 하드웨어 세트를 도시한다.
도 12 는 본 발명에 따른 와이어/섬유 조립체, 오버-랩 층, 폐쇄 고리 및, 엔캡슐레이션(encapsulation)을 가진 하드웨어 세트를 도시한다.
도 13 은 본 발명에 따른, 완전히 굳어진 와이어/섬유 조립체 고리의 단면도를 도시한다.
도 14 는 본 발명에 따른 와이어/섬유 고리로부터 유도된 최종의 기계적 부품을 도시한다.

본 발명의 바람직한 구현예들은 이제 도 4a 내지 도 4e 및 도 5를 참조하여 설명될 것이다. 본 발명에 따라서, 적은 무효의 용량 및, 약 0 % 내지 70 % 사이, 그리고 바람직스럽게는 약 30 % 내지 45 % 사이의 부분 비율(fraction)을 수반하는 안정된 어레이(array)를 가진 와이어/섬유 고리를 달성하는 향상된 방법이 확인되었다.

본 발명에 따라서, 도 4a 내지 도 4e 및 도 5에 도시된 바와 같은 4 개의 작용에서 4 개의 테이프를 이용하여 2 개의 층들이 구성되도록 적층이 조절된다. 이러한 방식으로 적층을 조절함으로써 종래 기술에 만연되었던 불안정 문제가 극복된다. 도시된 바와 같이, 4 개의 순차적인 시계 위치들(58a-58d)에 적용된 4 개의 테이프(56a-56d)를 이용하여, 요소들을 권취용 코어에 적용함으로써 상이한 크기의 요소들이 신뢰성 있게 적층될 수 있다. 각각의 시계 위치에서 모든 동일한 크기의 와이어 또는 모든 동일한 크기의 섬유들의 테이프가 권취용 코어에 적용된다. 주어진 테이프에서 요소들의 선택과 테이프들의 적용 순서는 소망되는 조립체를 달성하도록 설계된다. 본 발명에 따라서, 상이한 직경을 가지는 와이어와 섬유들이 이용될지라도, 권취용 코어에 적용할 때 각각의 층에서 각각의 요소에 대하여 명백한 위치 선택이 항상 존재한다.

상세하게는, 도 4a에서 복수개의 섬유(4)들이 처음에 배치된다. 도 4b에서 복수개의 와이어(3)들이 제 1 섬유(4)들과 같은 층에 배치된다. 바람직한 구현예에 있어서, 제 1 섬유들 사이의 거리는 2 개의 와이어(3)가 2 개의 근접한 섬유(4)들 사이에 끼워지도록 설정된다. 도 4c 에 도시된 제 3 의 시계 위치에서, 제 2 의 층이 처음에 섬유(4)들로써 형성된다. 이러한 섬유(4)들은 그 각각이 와이어들 사이의 접합부(5) 위에 놓이도록 배치된다. 다음에, 도 4d 에 도시된 바와 같이, 복수개의 와이어(3)들이 근접한 섬유(4)들 사이의 간극을 채우도록 배치되며 그에 의해서 제 2 의 층을 완성시킨다. 소망의 두께를 달성하도록 상기의 과정이 필요한 수만큼 반복된다. 도 4e 는 4 개 층의 구조를 도시하며, 즉, 본 발명에 따른 2 개의 2 층 구조를 도시한다.

바람직한 구현예에 따라서, 결과적인 어레이(도 4d, 도 4e)는 약 12 % 의 결핍 부분 비율을 가지며, 이것은 상대적으로 낮은 것이어서, 소망스러운 것이다. 다른 한편으로, 본 발명에 따르면, 섬유 부분 비율은 소망되는 부분 비율을 제공하는 상대적인 직경을 가진 와이어/섬유들을 선택함으로써 이해의 범위에 있는 그 어떤 값으로도 용이하게 조절될 수 있다.

도 5 는 하나의 겹(ply)을 적용하는 장치를 도시하며, 즉, 4 개의 테이프를 이용하는 2 개의 층을 적용하는 장치를 도시한다. 도시된 바와 같이, 복수개의 가닥을 안주시키는(nesting) 것을 용이하게 조절하도록 개별의 테이프(56a-56d)들이 4 개의 소정 시계 위치(clock position, 58a-58d)에서 맨드렐(50)에 도달한다. 도 5 에 도시된 장치는, 개별의 테이프(56a-56d)들이 소망되는 시계 위치에서 맨드렐(50)에 적용되도록, 맨드렐(50)의 둘레에 각각 배치되는 리이드 롤러(lead roller,54) 및 복수개의 안내 롤러(52a-52d)를 구비한다.

위의 발명의 상세한 설명에 언급된 바와 같이, 섬유들이 바람직스럽게는 SiC를 포함하고 와이어가 바람직스럽게는 티타늄을 포함한다. 그러나, 다른 금속들, 필라멘트들, 유리 또는 그와 유사한 것과 같은 그 어떤 다른 적절한 물질들이 본 발명에서 가닥(strand)으로서 이용될 수 있다.

다수의 테이프로 맨드렐(50)에 층을 적용하는 것은 상이한 크기의 요소들 또는 가닥들을 이용하여 어레이를 조립하는 문제점을 해결하지만, 권취가 시작될 때 요소 위치 조절의 문제점은 그럼에도 불구하고 존재할 수 있다. Bachelet 에서는, 모든 요소들을 접촉시키면서 동시에 적용함으로써 위치 조절이 정해지며, 따라서, 각각의 요소 또는 가닥의 위치는 근접한 가닥에 의해 경계가 정해진다. 그러나, 도 4b 에 도시된 제 1 층에는 2 개의 테이프, 즉, 테이프(56a,56b)들이 적용된다. 도 4a 에서 명확하게 도시된 바와 같이, 제 1 테이프의 개별적인 가닥들은 서로 접촉하지 않으며 따라서 테이프(1)의 각각의 가닥들에 대한 가닥의 위치를 한정하지 않는다. 본 발명에 따른 하나의 해법은 도 6 에 도시되어 있는데, 여기에서 맨드렐(50)의 표면(60)은 테이프(56a,56b)들의 제 1 및 제 2 가닥들을 위한 소망의 가닥 간격에 각각 따라서 이격된 홈(62)으로써 기계 가공된다. 홈(62)으로써, 제 1 테이프(56a)의 요소들이나 가닥들은 그 어떤 시퀀스로도 권취용 맨드렐(50)에 적용될 수 있으며, 제 1 층에 있는 가닥의 간격은 전체적으로 조절될 수 있다. 제 2 층을 포함하는 가닥들, 즉, 테이프(56c,56d)들의 가닥들은 차후에 제 1 층의 가닥들 사이에서 간극의 위치에 따라 배치된다. 이후에, 모든 뒤따르는 층들은 설정된 패턴을 따르게 된다.

맨드렐(50)의 표면(60)에서 복수개의 홈(62)을 이용하는 접근 방식은 와이어-섬유 어레이 설계의 제한을 감소시킨다. 도 4a 내지 도 4e 에 도시된 바와 같이, 맨드렐(50)에 대한 순차적인 요소의 적용을 이용함으로써, 그리고 도 6 에 도시된 바와 같이 조절되는 간격을 이용함으로써 어레이는 상이한 크기의 가닥들로부터 신뢰성있게 구성될 수 있다. 이러한 예들은 하나의 섬유에 대하여 2 개의 와이어들이 있는 어레이를 나타내는데, 여기에서 와이어(3)는 섬유(4)보다 작은 직경을 가지고, 와이어/섬유들이 동시에 맨드렐에 적용되었다할지라도 모든 와이어/섬유들은 서로 접촉한다. 본 발명의 순차적인 적용 계획은 도 3a 내지 도 3c 에 도시된 바와 같이, 상이한 직경의 요소들이나 또는 가닥들의 동시 적용에 고유한 종래 기술의 적층 불안정을 회피한다.

도 7a 내지 도 7e 는 와이어(3)가 섬유(4)의 직경보다 큰 직경을 가질 때, 즉, 2 대 1 의 요소 비율을 가지며 여기에서 "2"는 "1"의 직경보다 큰 직경을 가지고 있는 어레이에서, 도 4 에 도시된 것들과 같은 접촉 요소들에 고유한 불안정과 적층을 도시한다. 특히 도 7d 및 도 7e 에 도시된 바와 같이, 단지 몇 개의 층들 이후에 안주 장소(nesting sites)들에 대한 경합에 기인하여 질서가 상실된다. 참으로, 이러한 유형의 혼란을 경감시킬 수 있는 정확한 시퀀스가 존재하지 않는다. 본 발명에 따라서, 요소 직경에 대하여 독립적으로 제 1 층의 요소 간격을 자유롭게 설정하면서, 설계자는 "2"가 "1" 보다 작아야만 한다는 제한을 제거함으로써 요소의 장소 범위를 확대시키고 설계에 맞는 어레이 기하 형상을 조절할 수 있다.

도 8a 내지 도 8e 는, 홈이 형성된 맨드렐(50)을 통하여 제 1 층에서 개별적인 가닥들의 간격을 조절함으로써 섬유(3)들이 섬유(4)들의 직경들보다 큰 직경을 가지는 경우에 대하여 구성된 신뢰성 있는 어레이를 도시한다. 상세하게는, 도 8b 에 도시된 바와 같이, 제 1 층에 있는 가닥들중 하나가 서로 접촉한다. 이것은 도 6 에 도시된 바와 같은 홈이 형성된 맨드렐(50)을 이용함으로써 가능하다. 도 8c 내지 도 8e 에 도시된 바와 같은 차후의 층들에 대하여, 제 1 층(도 8b)이 적절하게 이격되어 있기 때문에 명확한 안주 위치들이 제공된다.

맨드렐(50)의 홈들은 여러가지 수용 가능한 방법으로 제공될 수 있으며 여전히 유효하다. 도 6 은 맨드렐(50)에 있는 기계 가공된 홈(62)들을 도시한다. 이러한 접근 방식은 상대적으로 비용이 저렴할 수 있다. 맨드렐에 와이어들과 섬유들을 위한 소망의 간격을 설정하기 위한 다른 유효한 방법은 도 9 에 도시되어 있다. 이러한 접근 방식에 있어서, 간격 와이어(10)는 맨드렐(50) 주위를 둘러싸는 제 1 층으로서 제공된다. 이러한 접근 방식에서 와이어의 직경은 소망되는 요소의 간격에 등가인 것으로 선택되고, 이러한 와이어들을 접촉 방식으로 감는 것에 의해, 기계 가공의 공정을 수행하지 않아도 상대적으로 저렴한 비용으로 소망의 홈 패턴이 달성될 수 있다.

지금까지의 설명은, 터빈 엔진의 회전자 및 샤프트와 같은 제품에서 소망스러운, 테두리가 강화된 복합적인 고리 또는 샤프트의 제조에서 특히 유용한 와이어/섬유 어레이의 조립을 위한 구조 및 방법에 관한 것이었다. 그러나, 권취 작용은 단지 "그린(green)" 와이어/섬유 어레이만을 초래하게 되는데, 이것은 마무리된 고리 구성부로서 유용하게 되도록 통상적으로 더욱 가공을 거쳐야만 하는 것이다. 일반적으로, 이후에 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 차후의 처리 단계들은 적절한 하드웨어 조립체에서 와이어/섬유 어레이를 엔캡슐레이션(encapsulation)하고, 개스 및 잠재적인 오염물을 제거하도록 결과적인 조립체를 배출시키고, 내부의 빈 공간에서 진공의 유지를 보장하도록 조립체를 시일링하고, 모든 빈 공간을 제거하도록 굳히고, 그리고 소망의 최종 치수들로 기계 가공하는 것을 포함한다.

바람직스러운 하드웨어 조립체는 와이어/섬유 어레이의 조립을 위한 맨드렐(50), 굳히는 동안 결핍을 조립체에서 없애도록 가압하는 압반 및, 기계 가공 이후의 최종의 구성부를 위한 금속 클래딩(metal cladding)을 포함한다. 도 10 은 예를 들면 터빈 엔진 회전자의 경우를 위하여 특히 유용한, 전형적인 하드웨어 세트를 도시한다.

도 10 및 도 11 에 도시된 바와 같이, 권취 서브 조립체는 처음에 맨드렐(50)을 측부 고리(100a,100b)와 조합시킴으로써 만들어진다. 그러한 서브 조립체는 다음에 권취용 기계에 적재되며 와이어/섬유 어레이(110)는 도 5 에 도시된 방식으로 구성된다. 와이어/섬유 어레이(110)는 이후에 조립을 보조하는 말아올림(roll-up)의 시작과 끝에 있는 접착제의 부착에 의해 정위치에 일시적으로 유지된다. 도 11 에 도시된 바와 같이, 영구적인 고정을 위해서, 티타늄 와이어(115)의 오버랩(over-wrap)이 서브 조립체 공동(120)의 안으로 감기며, 예를 들면 그 안에 제공된 홈(125)을 통해서 각각의 측부 고리에 부착된다. 티타늄 오버랩 와이어(115)가 바람직스럽게는, 접촉하는 층을 형성하도록 말아올림(roll-up)을 가로질러 장력하에 감겨진, 예를 들면 100a 와 같은 일 측부 고리에 있는 슬롯을 바라보는 것과 같은 기계적인 부착에 의해서, 또는 같은 방식으로 예를 들면 100b 와 같은 다른 측부 고리에 대한 기계적인 부착에 의해서 적용된다. 이러한 방식으로, 와이어와 섬유들의 요소 또는 가닥(3,4)을 공정 전체를 통해서 정위치에 유지하는 장력이 가해진 클램핑 층이 제공된다. 이것은 접착제로 조립을 보조하는 것이 차후의 개스 배출 작용 동안에 제거될 것이기 때문에 소망스러운 것이다. 기계적인 고정이 제공되지 않는다면, 와이어와 섬유 가닥들은 자유롭게 움직일 것이며 어레이의 기하 형상의 조절이 상실될 수 있다.

하드웨어 조립체는 폐쇄 고리(130)를 겹쳐진 권취 서브 조립체 위로 활강하게 함으로써 완성된다. 완성된 하드웨어 조립체가 바람직스럽게는 티타늄 시이트 금속 함유부(140)내에 엔캡슐레이션 된다. 함유부(140)는 차후의 개스 배출 및 굳힘 작용을 위한 진공 밀폐 콘테이너를 설정하기 위한 수단을 제공한다. 도 12 는 상기에 설명된 바와 같이 엔캡슐레이션된 완성 조립체이다.

도 12 에 도시된 조립체에 대한 몇가지 특징들은 조립체의 성공적인 처리를 위해서 기록되어야 한다. 예를 들면, 다공성 와이어/섬유 어레이(110)의 굳힘은 고리의 회전축에 대하여 평행한 방향으로 발생한다. 이것은 측부 고리(100a,100b)들이 서로를 향하여 자유롭게 움직인다면 최상으로 달성되며, 그에 의해서 결핍의 용적이 축방향의 길이 단축에 의해 제거되고, 이에 반해 섬유와 와이어의 반경 방향 위치들은 상대적으로 변화되지 않고 유지된다.

진공 시일된 함유부를 형성하도록 측부 고리(100a,100b)에 직접적으로 폐쇄 고리(130)를 직접적으로 용접하는 것이 가능한 반면에, 측부 고리(100a,100b)들은 소망의 방향에서 소망의 비어있는 용적의 제거를 달성하도록 서로를 향하여 움직일 수 없다. 본 발명에 따라서, 측부 고리(100a,100b)들의 가동성은 측부 고리(100a,100b)들을 권취 맨드렐(50)이나 또는 폐쇄 고리(130)에 영구 부착시키는 것을 회피함으로써 유지된다. 이것은 폐쇄 고리(130)를 겹쳐진 서브 조립체 위로 활강시켜서 맞게 하고 이후에 솔기(seams)에서 용접된 티타늄 시이트 금속(140) 안에 조립체를 엔캡슐레이션시킴으로써 달성된다. 또한, 측부 고리(100a,100b)와 맨드렐(50)에는 도 10 및 도 11 의 부위(A)에 도시된 특정의 인터페이스 구조가 제공된다. 이상적으로는, 부위(A)로 식별된 영역에서, 폐쇄 고리(130)와 측부 고리(100a,100b) 사이에서 이용된 것과 유사한 맨드렐(50)과 측부 고리(100a,100b)들 사이에서 이용된 것과 유사한 맨드렐(50)과 측부 고리(100a,100b) 사이에서 활강 끼움이 이용된다. 그러나, 측부 고리(100a,100b)들은 어레이(110)에 대한 권취 패턴의 가장자리를 설정하기 때문에 활강 끼움(slip fit)이 이러한 위치에서는 허용되지 않으며, 따라서 바람직스럽게는 맨드렐(50)상의 정위치에 정확하게 위치되고 유지된다. 어레이(110)의 시작과 끝의 칼럼(column)들을 설정하도록 측부 고리(100a,100b)들을 어깨부(150)에 대하여 위치시킴으로써 정확한 위치 선정이 달성된다. 또한, 측부 고리(100a,100b)들이 바람직스럽게는 어레이가 구성될 때 어레이의 평탄도를 유지하도록 충분히 두껍다. 그러나, 두꺼운 측부 플레이트를 이용하는 것으로서 문제에 부딪히게 되는데, 이는 그러한 측부 플레이트가 굳혀지는 동안에, 특히 어깨부(150)와 직면할 때 용이하게 움직일 수 없기 때문이다.

이러한 문제점을 극복하도록, 예를 들면 도 10 에 도시된 바와 같이, 양각 절단부(relief cut,155)가 측부 고리에 제공되어 맨드렐(50)에 대한 측부 고리(100a,100b)의 정확한 걸림(shouldering)을 허용하지만, 압축되어야 하는 측부 고리(100a 또는 100b) 재료의 양을 최소화시킴으로써 굳히는 동안 측부 고리(100a,100b)의 운동을 허용한다. 굳힘 온도에서, 티타늄 금속 함유부(140)는 현저한 양의 강도를 상실하며 양각 절단부(155)는 어레이(110)의 굳힘을 위해서 필요한 측부 고리 운동을 수용하도록 용이하게 파쇄된다.

또한, 측부 플레이트(100a,100b)와 맨드렐(50) 사이, 그리고 측부 플레이트(100a,100b)와 폐쇄 고리(130) 사이의 계면들은 서로 단단하게 용접되지 않는다는 점이 주목되어야 한다. 오히려, 와이어/섬유 권취가 진행되기 이전에 측부 플레이트(100a,100b)들이 맨드렐(50)에만 압정으로 고정되는 것이 바람직스럽다. 또한, 이들 계면들이 바람직스럽게는 진공 시일을 형성하도록 용접되지 않는다. 대신에, 이전에 주목된 바와 같이, 솔기부에서 결합되는 티타늄 시이트 금속 백(140) 안에 하드웨어 조립체를 엔캡슐레이션(encapsulation)시킴으로써 진공 시일이 달성되는 것이 바람직스럽다. 따라서, 측부 플레이트(100a,100b)들이 활강에 대하여 상대적으로 낮은 저항을 가진다. 하드웨어 세트가 예를 들면 용접이 어려운 고성능 티타늄 합금으로 이루어졌을 때 진공 시일을 위해서 금속 백(140)에만 의존하는 것도 유용하다.

더욱이, 도 12 에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따라서, 굳히는 동안 측부 플레이트의 축방향 활강을 향상시키도록, 측부 플레이트(100a,100b)의 일부(135)가 맨드렐(50)과 폐쇄 고리(130)를 지나서 돌출함으로써 굳히는 동안에 엔캡슐레이션 백(140)이 처음에 측부 고리(100a,100b)상에 밀리는 것을 알 수 있다. 따라서, 소망의 축을 따라서 측부 고리(100a,100b)의 운동이 향상된다.

도 12를 계속 참조하면, 금속 백(140)이 시일된 이후에, 조립체는 개스를 배출시키고 강화된 구성부 블랭크(component blank)를 형성하도록 굳히게 된다. 상세하게는, 배출 튜브(200)가 이러한 과정을 위해서 금속 백(140)에 부착되는 것이 바람직스러우며, 모든 접착제 및 흡수된 오염물들이 베이킹 배출(bake-out) 과정에 의해 튜브(200)를 통해 제거된다. 바람직한 구현예에 있어서, 진공은 하나의 부착된 튜브(200)에 적용되는 반면에, 상대적으로 낮은 유동의 아르곤 정화(argon purge)가 다른 튜브에 적용된다. 조립체는 약 850°F 의 온도로 소정 가열 방식에 따라 가열되며 소망되는 휘발이 완료되었다고 간주될 때까지 그 온도에 유지된다. 이후에 조립체는 실온으로 복귀되고, 진공 튜브들은 조립체의 내부를 진공으로 시일하도록 크림핑(crimping) 된다. 튜브(200)들이 바람직스럽게는 크림핑되어 금속 백(140)으로부터 절단된다.

개스 배출된 조립체가 바람직스럽게는 빈 공간을 제거하도록 고온 등균형 가압(hot isostatic pressing) 작용으로 굳혀진다. 조립체는 약 1,650°F 로 가열되고 약 15,000 psi 의 압력이 적용되어 모든 구멍의 폐쇄부에 힘을 가한다. 완성된 강화 블랭크(blank)의 부분(210)이 도 13 에 도시되어 있다.

강화된 블랭크는 표준의 기계 가공 기술을 이용하여 최종의 소망되는 구성부 형상으로 기계 가공된다. 부분(210)으로부터 기계 가공될 수 있는 터빈 엔진 회전자(220)의 이상적인 부분은 도 14 에 도시되어 있다.

본 발명은 본 발명이 이해될 수 있도록 현재의 바람직한 구현예들과 관련하여 설명되었다. 따라서 본 발명은 여기에 설명된 특정의 구현예들에 제한되는 것으로 생각되어서는 아니된다. 오히려, 첨부된 청구항의 범위들에 있는 모든 수정예, 변형예 또는 등가예들이 본 발명의 범위에 있는 것으로 간주되어야 한다.

본 발명에 따라서 제작된 티타늄 매트릭스 복합(titanium matrix composite; TMC) 고리들은 특정한 경직성 및 강성이 설계에 중요한, 터빈 엔진들과 같은 고온의 회전 부분들에서 이용될 수 있으며, 기타 관련 분야에서 폭넓게 이용될 수 있을 것이다.

4. 섬유 3. 와이어
5. 접합부 50. 맨드렐

Claims (25)

1. 삭제
2. 삭제
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4. 삭제
5. 권취 표면을 가지는 권취용 맨드렐;
   상기 권취용 표면으로부터 반경상 외측으로 연장된 한쌍의 측부 고리들; 및,
   상기 측부 고리들의 적어도 일부와 접촉하고, 상기 권취 표면, 상기 측부 고리들의 내측 표면 및 폐쇄 고리의 내측 표면에 의해 형성된 조립 공간을 감싸는 폐쇄 고리;를 구비하는 와이어/섬유 어레이의 제조를 위한 하드웨어 세트.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 측부 고리들중 적어도 하나는 양각 절단부를 포함하는, 와이어/섬유 어레이의 제조를 위한 하드웨어 세트.
7. 제 5 항에 있어서,
   상기 권취용 표면은 상기 측부 고리들중 적어도 하나가 맞닿는 어깨부를 구비하는, 와이어/섬유 어레이의 제조를 위한 하드웨어 세트.
8. 제 5 항에 있어서,
   상기 측부 고리들중 적어도 하나는 홈을 포함하는, 와이어/섬유 어레이의 제조를 위한 하드웨어 세트.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 홈은 오버랩 와이어의 단부 부분을 수용하는, 와이어/섬유 어레이의 제조를 위한 하드웨어 세트.
10. 제 5 항에 있어서,
    상기 폐쇄 고리는 상기 조립 공간내에 배치된 와이어/섬유 어레이를 둘러싸는 오버랩 와이어와 접촉되는, 와이어/섬유 어레이의 제조를 위한 하드웨어 세트.
11. 제 5 항에 있어서,
    상기 하드웨어 세트를 공기 밀폐 방식으로 시일하는 엔캡슐레이션 수단을 더 구비하는, 와이어/섬유 어레이의 제조를 위한 하드웨어 세트.
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 엔캡슐레이션 수단은 금속 백을 구비하는, 와이어/섬유 어레이의 제조를 위한 하드웨어 세트.
13. 제 12 항에 있어서,
    금속은 티타늄을 포함하는, 와이어/섬유 어레이의 제조를 위한 하드웨어 세트.
14. 제 12 항에 있어서,
    상기 금속 백에 부착된 적어도 하나의 배출 튜브를 더 구비하는, 와이어/섬유 어레이의 제조를 위한 하드웨어 세트.
15. 복수개의 가닥들을 권취용 맨드렐상에 감는 단계로서, 상기 가닥들은 상기 권취용 맨드렐상에서 상기 권취용 맨드렐과 연관된 측부 고리들에 의해서 제한되는, 복수개의 가닥들을 감는 단계;
    상기 복수개의 가닥들을 오버랩 와이어(over-wrap wire)로 오버랩시키는 단계; 및
    상기 가닥들 및 상기 오버랩 와이어를, 상기 권취용 맨드렐, 상기 측부 고리들의 내측 표면들 및 상기 측부 고리들의 개별적인 일측에 배치된 폐쇄 고리의 내측 표면에 의해 형성된 조립 부위 공간에서, 상기 폐쇄 고리로 감싸는 단계;를 구비하고,
    상기 권취용 맨드렐, 측부 고리 및 폐쇄 고리는 하드웨어 세트를 형성하는, 그린 와이어/섬유 어레이(green wire/fiber array)의 처리 방법.
16. 제 15 항에 있어서,
    상기 오버랩 와이어는 티타늄을 포함하는, 그린 와이어/섬유 어레이의 처리 방법.
17. 제 16 항에 있어서,
    상기 하드웨어 세트를 둘러싸서 공기 밀폐 방식으로 시일(seal)하는 공기 밀폐 콘테이너 안에 상기 하드웨어 세트를 엔캡슐레이션(encapsulation)시키는 단계를 더 포함하는, 그린 와이어/섬유 어레이의 처리 방법.
18. 제 17 항에 있어서,
    상기 공기 밀폐 콘테이너는 티타늄 백(titanium bag)을 포함하는, 그린 와이어/섬유 어레이의 처리 방법.
19. 제 17 항에 있어서,
    상기 공기 밀폐 콘테이너를 배출시키는 배출 단계를 더 포함하는, 그린 와이어/섬유 어레이의 처리 방법.
20. 제 19 항에 있어서,
    불활성 개스를 상기 공기 밀폐 콘테이너 안으로 튜브를 통하여 유동시키는 단계를 더 포함하는, 그린 와이어/섬유 어레이의 처리 방법.
21. 제 20 항에 있어서,
    상기 불활성 개스는 아르곤을 포함하는, 그린 와이어/섬유 어레이의 처리 방법.
22. 제 19 항에 있어서,
    상기 배출 단계 이후에 상기 공기 밀폐 콘테이너를 시일함으로써 상기 공기 밀폐 콘테이너 안에 진공을 유지하는 단계를 더 포함하는, 그린 와이어/섬유 어레이의 처리 방법.
23. 제 15 항에 있어서,
    상기 가닥들을 굳히는 단계를 더 포함하는, 그린 와이어/섬유 어레이의 처리 방법.
24. 제 23 항에 있어서,
    상기 굳히는 단계는 상기 가닥들을 1650°F 로 가열하는 것을 포함하는, 그린 와이어/섬유 어레이의 처리 방법.
25. 제 23 항에 있어서,
    상기 굳히는 단계는 압력을 최대 15,000 psi 로 적용하는 것을 포함하는, 그린 와이어/섬유 어레이의 처리 방법.

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