KR20110034003A - 복합소재로 노즐 혹은 노즐 발산부를 만드는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 섬유 예비성형품(50)이 만들어질 노즐 혹은 노즐 발산부의 표면에 바람직한 형상을 재현하는 표면을 갖춘 형성자(40) 위에 섬유 직물의 패널을 일치화하고, 상호 접촉되는 가장자리를 통해 패널을 결합하여 획득되고, 응고된 강화섬유는 수지로 이루어진 응고 혼합물에 함침된 섬유 예비성형품을 성형되되, 성형은 함침된 섬유 예비성형품에 대해서 도포된 재킷(52,54)과 형성자(40) 사이에서 실행되어 적어도 35%의 섬유 용적률과 축 크기의 과반수에 걸쳐 5mm의 두께를 가진 응고된 강화섬유를 획득한다. 강화섬유의 치밀화는 수지를 열분해한 후에 화학증기침착으로 이어져, 일단 치밀화된 부품은 만들어질 노즐 혹은 노즐 발산부의 실질적인 벽 두께와 형상을 갖게 한다.

Description

복합소재로 노즐 혹은 노즐 발산부를 만드는 방법 {Method of producing a nozzle or a divergent nozzle element made of a composite}

본 발명은 매트릭스(matrix)로 치밀화된 강화섬유로 이루어진 복합소재로 단일 부품형태로 된 노즐 혹은 노즐 발산부를 만드는 것이다.

본 발명의 적용 분야는 특히 로켓엔진 또는 항공엔진용 노즐에 적용된다.

우주 혹은 항공분야에 사용되는 부품들은 이미 널리 알려진 열구조 복합소재, 다시 말하자면 구조부재를 구성하고 또한 고온에서도 기능을 유지할 수 있는 기계적 특성을 갖춘 복합소재를 사용한다. 이러한 열구조 소재는 특히 탄소/탄소(C/C) 복합소재(탄소 강화섬유와 탄소 매트릭스);와 세라믹 매트릭스 복합소재(CMC), 예컨대 탄소/탄화규소(탄소 강화섬유와 실리콘 카바이드 매트릭스), 탄소/탄소-탄화규소(탄소 강화섬유, 및 탄소 혼합된 실리콘 카바이드 매트릭스), 또는 실제로 탄화규소/탄화규소로 되어 있다.

열구조 복합소재용 강화섬유는 제작하려는 부품의 형상에 근접한 형상을 가진 섬유 예비성형품을 획득하기 위해 필라멘트를 권취하거나 형성자(former) 위에 섬유층을 겹쳐서 획득할 수 있다. 섬유층은 서로 결합될 수 있으며, 특히 섬유층을 가로질러 이동하는 미늘바늘(barded needle)을 사용하여 봉합할 수 있어, 박리에 대한 저항, 즉 층들이 서로 분리되는 것에 대한 저항을 향상시키기 위해 층들 사이에 결합력을 제공한다.

탄소 혹은 세라믹 매트릭스에 의한 강화섬유의 치밀화는 액상기법 또는 화학증기침착(CVI)을 사용하여 실행될 수 있다. 액상기법을 사용하는 치밀화는 이미 널리 알려진 방식으로 탄소- 혹은 세라믹-전구체 수지를 함유한 액상 복합물로 강화섬유를 함침하는 단계를 포함하고, 그런 다음에 탄소 혹은 세라믹 잔류를 획득하기 위해 중합 및 열분해하는 단계를 포함하여, 함침, 중합 및 열분해의 여러 연속 사이클을 수행할 수 있다. 화학증기침착 치밀화는 이미 널리 알려진 방식으로 엔클로저(enclosure)에 강화섬유를 안착하는 단계와, 압력과 온도를 결정한 상황하에서 엔클로저에 반응가스를 주입하는 단계로 수행되는데, 특히 가스는 강화섬유에 확산되고 하나 이상의 구성성분의 분해를 수단으로 하거나 하나 이상의 구성성분의 반응을 수단으로 하여 매트릭스 소재의 침착을 돕는다. 특정 형상, 특히 복잡한 형상의 부품을 위해서, 액상기법을 사용하는 응고의 제1단계는 바람직한 형상으로 강화섬유를 동결할 수 있게 적당한 공구로 수행될 수 있으며, 치밀화는 공구를 사용하지 않고 예컨대 CVI로 연속처리된다. 액상기법을 사용한 응고와 CVI에 의한 치밀화의 병합은 제EP-A-0 633 233호에 기재된다.

이 제안에서 이미 열구조 복합소재로 노즐 발산부를 만들고 있다.

따라서, 제US-A-6 817 184호는 강화섬유의 연속성을 갖춘 일체형 플랜지부를 획득할 수 있도록 탄소 섬유실(fiber yarn)의 필라멘트를 권취하고 형상화하여 얇은 벽면의 탄소/탄화규소 재료의 발산부를 제작하는 방법에 대해 기재하고 있다. 탄소 섬유 인서트(insert)는 두께를 국부적으로 증가시키기 위해 삽입될 수 있다. 이 공보에서, 종래기법이 언급되는바, 형상자 위에 겹쳐져 있는 섬유층을 안착하는 단계와, 탄소 전구체 수지를 갖춘 섬유층을 함침하는 단계, 및 수지를 열분해한 후에 탄소/탄화규소 복합소재를 획득하기 위해 용융된 규소로 침윤을 실행하는 단계로 구성된다.

출원인에 의해 사용되는 다른 공지된 공정에서는 형성자 위에 섬유층을 적재하고 꿰매어 강화섬유를 형성하는 단계와 CVI로 획득된 매트릭스로 강화섬유를 치밀화하는 단계를 포함한다. 앞서 전술되었듯이, 서로 결합되어 있지 않은 겹쳐진 층으로 만들어진 강화섬유와 비교하면, 봉합은 박리에 대한 저항을 제공하고, 이로써 더욱 훌륭한 기계적 세기를 제공한다. 실질적으로 균일한 특성을 가진 봉합된 강화재를 획득하기 위해, 비교적 두꺼운 봉합된 전구체를 제작할 필요가 없으며, 이의 중심부만이 유용하게 사용된다. 예컨대, 유용한 강화재의 3mm 두께를 달성하기 위해서, 총 20mm의 두께를 가진 봉합된 섬유 전구체를 만들어야 할 필요가 있다. 따라서, 강화섬유의 제작은 다양한 취급을 필요로 하기 때문에 대단히 길고 비용이 많이 들고, 소재의 상당한 손실을 초래한다. 덧붙여서, 봉합된 강화섬유에 섬유 용적비율이 비교적 낮아, 최종 노즐 혹은 노즐 발산부의 기계적 특성을 제한하게 된다.

본 발명은 전술된 단점들을 극복하고, 얇은 벽의 노즐 혹은 노즐 발산부를 훌륭한 기계적 강성을 가진 복합소재로 만드는 방법을 제안하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명은,

·3차원 위빙으로 얻어질 섬유 직물의 패널을 획득하는 단계와;

·만들어진 노즐 발산부 혹은 노즐의 내부 표면 혹은 외부 표면에 바람직한 형상을 재현하는 표면을 갖춘 형성자 위에 패널을 일치시키고, 상호 접촉하는 가장자리를 매개로 하여 패널을 함께 연결하여 섬유 예비성형품을 형성하는 단계;

·수지로 이루어진 응고 혼합물로 함침된 섬유 예비성형품을 성형하여 응고된 강화섬유를 형성하고, 적어도 35%의 섬유 용적률을 가진 응고된 섬유 예비성형품을 획득하기 위해 함침된 섬유 예비성형품에 대해서 도포된 재킷과 형상자 사이에서 실행되게 형성하며, 축 크기의 적어도 과반수에 걸쳐 섬유 직물 패널의 단일 층으로 형성된 5mm의 두께를 갖는 단계; 및

·치밀화 후에, 부품이 만들어진 노즐 발산부 혹은 노즐의 실질적인 형상과 벽 두께를 갖도록 수지를 열분해한 후에 화학증기침착으로 응고된 강화섬유의 치밀화를 연속적으로 수행하는 단계;를 포함한 방법으로 달성된다.

본 발명의 방법은,

·경량이고, 통상적으로 축 크기의 과반수 이상에 걸쳐 약 5mm의 두께를, 바람직하기로는 3mm, 혹은 2mm 이하, 예컨대 2mm~1mm의 범위, 혹은 그 이하의 두께를 가지는 동시에 2,000mm를 초과하는 축 크기에 비해서 상대적으로 큰 크기를 가지고 3,000mm를 초과하는 내부 크기를 가진 얇은 벽의 노즐 혹은 노즐 발산부를 직접 획득하는 단계와;

·예컨대, 내부 또는 외부 주표면을 갖추고 최종 완벽한 형상에 근접한 형상을 갖추고, 바람직하기로 마감처리 단계 혹은 강화섬유 단계에서 기계가공될 표면을 필요로 하지 않은 바람직한 형상을 나타내는 다른 주표면의 상당한 비율을 가지며; 따라서 바람직한 공기역학적 프로파일을 달성할 수 있고, 길이방향 단부에 임의의 최종 기계가공을 제한할 수 있으며, 특히 접촉면과 연결부를 제공하는 기능성 기계가공을 제한하여, "근접한 순 형상"의 노즐 혹은 노즐 발산부를 직접 획득하는 단계; 및

·3차원 위빙으로 획득된 섬유 직물로 만들어진 패널을 사용하고, 예컨대 위빙으로 함께 결합된 다수의 층을 갖춰서, 2차원 섬유 혹은 시트의 형태를 겹쳐서 2차원적 층과 비교하여 얇은 층으로 갈라지는 위험성이 줄어들고, 비교적 높은 섬유 함유율을 가진 매우 훌륭한 기계적 특성을 갖춘 노즐 혹은 노즐 발산부를 획득하는 단계;를 포함하여 이루어진다.

덧붙여서, 치밀화는 응고된 강화섬유에서 실행되어, 부분적으로 치밀화되고, 만들어질 노즐 혹은 노즐 발산부의 벽 두께에 대응되게 제한된 벽 두께를 가지게 된다. 그런 다음에, 얇은 강화섬유와 같은 치밀화는 작거나 매우 작은 두께를 가로지르는 치밀화 구배로 달성될 수 있다.

바람직하기로, 섬유 예비성형품은 이의 축방향 단부와 일체로 된 보강재 부분을 가진 강화섬유를 얻을 수 있도록 성형된다. 보강재 부분은 적어도 강화섬유를 치밀화 할 때까지 매우 얇은 벽 두께에도 불구하고 바람직한 형상에 상응되게 보증한다.

하나 이상의 보강재 부분은 각도를 형성한 프로파일을 형성하거나 강화섬유의 축 단부에 강화섬유의 벽 두께를 국부적으로 증가시킬 수 있다.

패널은 인접한 가장자리를 겹쳐서 형성자 상에 일치화할 수 있다.

섬유 예비성형품은 예비성형품의 축 둘레를 따라 원주방향으로 뻗은 하나 이상의 연장 두께를 갖추도록 형성될 수 있으며, 연장 두께는 예컨대 섬유 직물 패널의 인접한 가장자리의 상호 겹쳐짐으로 달성된다.

패널은 서로 결합되어 꿰맴으로 섬유 예비성형품을 형성할 수 있다.

바람직하기로, 강화섬유를 형성하기 위해 성형하는 동안에, 함침된 섬유 예비성형품은 높은 섬유 용적비율을 갖도록 압축된다. 함침된 섬유 예비성형품을 압축하는 동안에, 격막은 예비 성형품에 바람직하게 적용되되, 예컨대 엘라스토머로 만들어진 격막은 주름을 형성하지 않고 탄성적으로 변형가능하다. 이는 형상자에 도포된 표면에서 떨어진 표면에 결점을 가지지 않은 강화섬유를 획득할 수 있다.

응고 혼합물의 함침은 형성자 상에 섬유 직물 패널을 일치화시키기 전에 섬유 직물 상에서 실행될 수 있다.

바람직하기로 강화섬유를 형성하기 위해 섬유 예비성형품을 성형하기 전에, 응고 혼합물의 수지가 전경화(pre-cure)된다. 섬유 직물의 강성은 후속의 초과 압력을 배제하기 위해 증가될 수 있다. 수지의 전경화는 함침된 섬유 직물 패널을 일치화하기 전에 적어도 부분적으로 실행될 수 있다.

본 발명은 또한 복합소재로 만들어진 얇은 벽과 경량의 노즐 혹은 노즐 발산부를 제공하는데, 특히 노즐 혹은 노즐 발산부는 축 크기의 과반수 이상에 걸쳐 3mm의 두께를 가지거나, 1~2mm의 범위에 놓이는 동시에, 적어도 800mm의 축 크기와 하부 단부에서 적어도 1,000mm의 내부 직경을 가진다.

이상 본 발명의 설명에 의하면, 본 발명은 얇은 벽을 가지고 경량의 노즐 혹은 노즐 발산부를 제조할 수 있다.

본 발명의 실시예는 첨부도면을 참조로 하며 이에 국한되지는 않는다.
도 1은 본 발명에 따른 방법으로 만들 수 있는 노즐의 발산부를 축방향으로 절취한 일례의 절반만을 도시하고 있다.
도 2는 본 발명에 따른 실행 방법의 단계를 도시한다.
도 3은 섬유층의 3차원 위빙(weaving)을 위한 인터락 위빙(interlock weave)의 실례를 도시한다.
도 4 내지 도 8은 본 발명의 실행으로 도 1의 노즐 발산부를 제작하는 섬유 예비성형품을 만드는 연속 단계를 도시하고 있으며, 도 5는 도 4의 Ⅴ-Ⅴ선으로 절취한 단면도이다.
도 9는 다양한 두께를 가진 섬유 예비성형품의 일부를 만들기 위해 형성자 위에 섬유 직물패널의 일치성을 보이기 위해 축방향으로 절취한 일례의 절반만을 도시한 확대도이다.
도 10은 형성자와 자켓 사이에 끼워 넣어진 엘라스토머 격막을 갖춘 섬유 예비성형품을 압축하여 획득된 노즐 발산부용 강화섬유를 축방향으로 절취하여 절반만을 도시하고 있다.
도 11은 최종 기계가공 전에, 본 발명에 따른 방법으로 획득되는 노즐 발산부의 사진이다.
도 12는 본 발명의 방법으로 만들어질 수 있는 노즐의 사시도이다.

도 1은 본 발명의 방법으로 만들 수 있는 로켓엔진 노즐의 발산부(10)를 축방향으로 절취한 일례의 절반만을 도시하고 있다.

노즐 발산부(10)는 탄소로 만들어진 매트릭스에 의해 치밀화된 탄소섬유로 만들어진 강화섬유로 이루어진 탄소/탄소(C/C) 복합소재로 제작될 수 있다. 노즐 발산부는 혼합된 탄소와 세라믹 매트릭스로 치밀화된 탄소섬유로 만들어진 강화섬유로 이루어진 탄소/탄소-세라믹 복합소재로 만들어질 수도 있는데, 세라믹은 매트릭스의 외부상(outer phase)으로 구성되고 산화를 방지하는 보호부를 구비한다. 매트릭스의 세라믹상은 탄화규소로 만들어질 수 있거나 예컨대 규소-붕소-탄소 3성분계로 형성될 수 있다. 노즐 발산부는 세라믹으로 만들어진 매트릭스 혹은 본질적으로 세라믹에 의해 치밀화된 탄소섬유로 만들어진 강화섬유로 이루어진 탄소/세라믹 복합소재로도 만들어질 수 있다.

이 실례에서, 노즐 발산부(10)는 발산부 부분(14)으로 하류로 뻗어 있은 패스너 플랜지를 형성하는 상류부(12)를 갖추고 축방향으로 대칭되어 있는데, "상류"와 "하류"라는 용어는 발산부를 관통하는 가스의 유동방향을 기준으로 하여 사용된다. 플랜지(12)는 발산부(10)를 연소실에서 배출구에 로켓엔진 몸체와 체결할 수 있다. 이 플랜지 형성부(12)에서, 상류 단부에서 멀어질수록, 발산부(10)의 벽 두께는 점진적으로 감소하게 되고, 연속되게 부분(14)에는 일정한 최소 두께를 갖는다. 덧붙여서, 플랜지 형성부(12)에서 그리고 상류 단부에서 멀어질수록, 직경이 감소하고, 그런 다음에 연속되게 부분(14)에서 증가하게 되는데, 발산부(10)의 직경은 부분(12,14) 사이를 연결하는 부위에서 최소로 된다.

방법(도 2)의 제1단계(20)는 복합소재의 강화섬유를 위한 베이스 직물을 형성하는 섬유 직물을 만드는 단계이다. 직물은 바람직하기로 탄소섬유의 3차원적 위빙으로 달성된다. 이는 인터락 위빙을 통해 다층 위빙을 실행할 수 있는데, 이의 평면은 도 3에 도시된다. 각각의 날실 층은 위빙의 평면에 동일한 방식으로 이동하는 주어진 날실 컬럼의 모든 실과 함께 다수의 씨실 층(단면으로 도시됨)에 연결된다. 그럼에도 불구하고, 다층 위빙의 다른 유형, 특히 다중-평직(multi-plain) 혹은 다중-새틴(multi-satin)이 사용될 수 있다. 다양한 다층 유형의 3차원 위빙기법은 제WO-A-2006/136755호에 기재되어 있다.

섬유 직물은 1,400~2,200℃ 범위의 온도에서 그리고 진공상태 혹은 불활성 가스, 예컨대 질소 혹은 아르곤 하에서 열처리(단계(21))에 영향을 받는다. 이 열처리는 특히 정제효과(섬유에 함유된 질소, 산소, 나트륨, 칼슘 성분을 제거)를 달성하도록 돕고, 복합소재에 열적 기계적 성질을 향상시킬 수 있다.

섬유 직물은 응고 합성물에 함침된다(단계(22)). 함침은 용매에 수지 액을 담가서 실행될 수 있다. 건조와 중합 후에, 수지는 아래에 기술된 바와 같이 수지의 열분해와 CVI로 최종 치밀화하기 전에 강화섬유를 응고할 수 있는 고체 잔사를 제거하는 데에 사용된다. 이러한 실례에 의해서, 탄소 전구체 수지는 페놀 수지 혹은 에폭시 수지에서 선택된다. 함침은 예비성형품 성형을 위한 압축, 수지의 경화 그리고 경화된 수지의 열분해의 연속 단계 후에 정량의 수지를 제공하는 방식으로 바람직하게 실행되되, 최종적으로 응고된 강화섬유에서 수지의 열분해 후에 잔여 용적비율은 5~15%(즉, 수지의 열분해 잔사로 충전될 강화섬유의 겉보기 부피의 비율) 범위에 놓인다.

함침된 섬유 직물은 수지 용매를 제거하고 가능하다면 수지를 전경화(pre-cure)하도록 스토브(stove) 위에 안착시켜 습기를 배출시킨다(단계(23)). 전경화는 섬유 직물의 강성을 증가시키도록 하지만, 연속적인 일치성을 위해 충분한 유연성을 남겨두기에는 국한적이다.

그런 다음에, 패널은 함침된 섬유 직물에서 절단되어(단계(24)) 패널의 일치와 조립으로 섬유 예비성형품을 형성한다.

함침은 패널이 절단된 후에 실행될 수 있는데, 이 경우에 전술된 열처리가 패널을 절단하기 전 혹은 그 후에 그리고 함침 전에 실행될 수 있다.

함침된 섬유 직물 패널은 외부면의 숫 형성자(40; 도 5 내지 도 8) 위에서 일치되어, 만들어질 노즐 발산부의 내부면을 위한 바람직한 프로파일을 재생산하여, 섬유 예비성형품을 생산하게 된다(단계(25)).

일련의 제1패널(41)은 축(A) 둘레로 형성자(40) 위에 위치된다. 각각의 패널(41)은 2개의 방사형 평면(P₀,P₂) 사이와 2개의 자오선 평면 사이로 연장된다. 평면(P₀)은 만들어진 섬유 예비성형품과 노즐 발산부의 상류 단부를 수용할 수 있는 평면과 일치한다. 평면(P₂)은 만들어진 섬유 예비성형품의 중간부위에 놓여 진다. 패널(41)은 도 5에 도시된 바와 같이 연장 두께(41a)를 형성하도록 인접해 있는 가장자리와 겹쳐져 나란히 놓여 진다. 도시된 실례에서는 4개의 패널(41)로 되어 있다.

일련의 제2패널(42)은 축(A) 둘레로 맨드릴(40) 위에 위치된다. 각각의 패널(42)은 2개의 방사형 평면(P₃,P₁) 사이와 2개의 자오선 평면 사이로 연장되는데, 평면(P₁)은 만들어진 예비성형품과 노즐 발산부의 하류 단부를 수용하는 평면과 일치하고, 평면(P₃)은 평면(P₂) 보다 약간 상류에 위치된다. 패널(42)은 패널(41)과 동일한 방식으로 연장 두께(42a)를 형성하도록 인접해 있는 가장자리와 겹쳐져 나란히 놓여 진다. 덧붙여서, 패널(41,42)은 평면(P₂,P₃) 사이에 연장 두께(42b)를 형성하도록 인접해 있는 가장자리와 겹쳐져 나란하게 놓여 지는데, 패널(42)의 가장자리가 패널(41)의 가장자리에 겹쳐진다. 도시된 실례에서, 패널(42)은 4개로 이루어져 있지만, 패널(42)이 패널(41)에 대해서 기울어지게 오프셋(offset)되어 패널(41)의 인접한 가장자리 사이의 중첩 영역이 패널(42)의 인접한 가장자리 사이의 중첩 영역으로 연장되지 않게 한다.

만들어진 예비성형품과 노즐 발산부의 하류 단부와 일치하는 단부에서, 형성자(40)는 림(40a;rim)을 형성하는 큰 직경부를 가진다. 패널(42)의 이 높이에 위치된 단부는 형성자(40)의 부분(40a)을 가압하여 외부를 향해 만곡되어져, 고리형상 림 혹은 플랜지(42c)를 형성한다.

3차원 위빙 섬유 직물의 두께는, 섬유 예비성형품이 압축된 후에 최소 두께를 갖는 노즐 발산부의 일부가 강화섬유의 단일층을 사용하여 만들어지도록 선택된다. 노즐 발산부의 최소 두께부는 축 크기의 과반수 이상으로 연장된다.

만들어진 노즐 발산부의 가장 두꺼운 두께부에 대응하는 상류부에서, 섬유 직물의 다수 층이 겹쳐진다.

따라서, 도 7 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 일련의 패널(43)은 패널(42)의 상류부 위에 배치되며, 만들어진 노즐 발산부의 두께가 증가하는 위치와 대응하는 방사형 평면(P₄)과 평면(P₀) 사이로 뻗은 패널(43)이 상류로 이동하기 시작한다. 패널은 4개로 이루어지고, 각각의 패널은 2개의 연장 두께(42a) 사이에 약간의 거리를 차지한다.

추가 일련의 4개 패널(44;도 9)은 패널(43) 위에 배치되며, 패널(44)은 평면(P₄)으로부터 상류에 위치된 방사형 평면(P₅)과 평면(P₀) 사이로 뻗는다. 패널(44)은 연장 두께(42a)에 대해서 경사지게 오프셋된 자오선 평면을 따라 가장자리들을 나란하게 놓이게 하여 연결된다.

다른 추가 일련의 4개 패널(45;도 9)은 패널(44) 위에 배치되며, 패널(45)은 평면(P₄,P₅) 사이에 위치된 방사형 평면(P₆)과 평면(P₀) 사이로 뻗는다. 패널(45)은 패널(44) 사이의 연결부의 자오선 평면에 대해서 경사지게 오프셋된 자오선 평면을 따라 가장자리들을 나란하게 놓이게 하여 결합된다.

마지막으로, 추가 일련의 4개 패널(46;도 8 및 도 9)은 평면(P₄,P₆) 사이에 위치된 중간 평면(P₇)과 평면(P₀) 사이로 뻗은 패널(46)과 함께 패널(43,44,45) 위에 배치되는데, 패널(46)은 패널(44,45)의 하류 가장자리를 덮어씌운다. 패널(46)은 패널(43,44,45)의 자오선 평면 연결부에 대해서 경사지게 오프셋된 자오선 평면을 따라 가장자리들을 나란하게 놓여 진다.

본질적으로, 섬유 예비성형품의 상류 부분에 일련의 추가 패널의 갯수와 배열은 만들어진 두께 증가의 프로파일의 함수로 선택될 필요가 있다.

점착성 섬유 예비성형품을 형성하기 위해서, 섬유 직물 패널은 탄소 실을 끼워 넣거나, 바람직하기로는 탄소 실로 꿰매어 함께 연결된다(단계(26)). 패널(41)은, 패널(42)과 마찬가지로, 상호 겹쳐진 가장자리들을 따라서 함께 꿰매진다. 패널(41,42)은 연장 두께(42b)를 형성하는 상호 겹쳐진 가장자리들을 따라서 함께 꿰매진다. 패널(43,44,45,46)은 꿰맴으로 밑에 놓여진 패널과 조립된다.

각 일련의 패널에서, 패널의 갯수는 본질적으로 4개 이상일 수 있고, 중요한 표면 불규칙성을 형성하지 않은 형상자의 형상과 근접하게 끼워지도록 패널의 수용량에 종속되어, 서로 다르게 될 수 있다. 유사하게, 섬유 예비성형품의 최소 두께를 한정하는 일련의 패널의 갯수는 1개 혹은 2개 이상일 수 있다. 최소 두께는 강화섬유를 형성하고 치밀화 후에 확실하게 선택되되, 바람직한 벽 두께는 5mm, 바람직하기로 3mm, 혹은 2mm 이하, 예컨대 2mm~1mm의 범위, 혹은 그 이하로 성취된다.

본질적으로, 섬유 직물 패널의 다른 배열 방식이 채택될 수 있는데, 바람직하기로 패널은 이들의 표면을 실질적으로 변형하지 않게 일치되게 할 수 있는 가장 큰 크기를 갖출 수 있게 선택된다.

덧붙여서, 조립된 후에, 섬유 예비성형품 상에 응고 혼합물을 도포하여 섬유 직물을 함침할 수 있다.

일단 섬유 예비성형품이 조립된 후에, 응고 혼합물의 수지는 전경화될 수 있거나 이의 전경화는 섬유 예비성형품의 강성을 증가시키기 위해 연속 처리될 수 있으며(단계(27)), 동시에 연속 압축가능하게 충분한 유연성을 남겨둔다. 그러므로, 후속 압축 도중에 섬유 예비성형품의 편평화를 제한할 수 있다. 수지의 임의의 전경화는 2 단계로 실행될 수 있는데, 일 단계는 형성자(40)와 일치되기 전에 함침된 섬유 직물 패널로 실행되고 나머지 단계는 섬유 예비성형품이 조립된 후에 실행되거나, 이들 2 단계 중 한 단계만 실행될 수도 있다.

섬유 예비성형품은 바람직한 섬유 용적률, 즉 적어도 35%, 더욱 바람직하기로 35~50%의 범위를 가진 강화섬유를 달성하기 위해 압축된다(단계(28)). 이로 인하여, 형성자(40)와 섬유 예비성형품(50)은 유연한 재킷(52) 내부에 배치되고(도 9), 재킷의 내부는 섬유 예비성형품을 압축하기 위해 흡입장치에 연결된다. 주름을 형성하지 않고 변형가능한 엘라스토머 소재의 격막(54)은 강화섬유의 외부면에 재킷(52)의 주름을 방지하기 위해 재킷(52)과 예비성형품(50) 사이에 끼워 넣어질 수 있다. 재킷 내부에 흡입 수준이 조절될 수 있는 한, 섬유 예비성형품의 압축을 제한할 목적으로 수지를 전경화시킬 필요가 없을 수 있다.

압축 후에, 수지를 경화하는 단계(29)가 실행되어 섬유 예비성형품이 응고되게, 다시 말하자면 형상을 유지하는 동안에 조절할 수 있도록 달성된다.

응고된 강화섬유는 일치화와 응고에 사용될 공구에서 추출되며, 형성자(40)는 다수의 부분으로 이루어져 분리될 수 있다.

하류 단부에서, 응고된 강화섬유는 림(42c)에 대응하는 고리형 림을 갖춰, 이 지점에서 응고된 강화섬유를 굳어지게 하고 노즐 발산부를 제작하는 마지막 공정까지 바람직한 형상으로 적어도 적당하게 유지할 수 있게 한다. 상류 단부에서, 응고된 강화섬유는 우선적으로 연장 두께를 나타내고 다음으로 만들어진 발산부의 부분(14)과 플랜지(12) 사이에 연결각도와 대응되는 각도를 형성하는 프로파일을 갖추고 있는바, 이들은 상류 단부의 형상을 강성을 갖고 유지할 수 있게 한다. 두께 증가는 또한 외부 플랜지를 추가로 형성하거나 이를 교체할 수 있는 강성 기능을 제공하기 위해서 하류 단부에 구비될 수 있다.

경화된 수지를 열분해하는 단계(30)가 예컨대 700~1,200℃의 온도에서 실행되고, 그런 다음에 강화섬유는 오븐에서 CVI로 치밀화된다(단계(31)). 수지는 치밀화를 실행하기 전에 CVI 오븐 내에서 즉각 온도를 올리는 동안에 열분해될 수 있다.

CVI 치밀화는 탄소 매트릭스, 혼합된 탄소 및 세라믹 매트릭스, 예컨대 탄소와 탄화규소(SiC) 매트릭스, 혹은 탄소와 규소-탄소 3성분계(Si-B-C) 매트릭스, 세라믹 매트릭스, 예컨대 탄화규소(SiC) 혹은 규소-붕소-탄소 매트릭스를 얻기 위해 실행된다.

열분해 탄소(PyC) 매트릭스와 강화섬유를 치밀화하는 CVI 공정은 이미 널리 알려져 있다. 강화섬유는 오븐에 안착된다. PyC를 위한 전구체인 반응가스가 오븐에 주입되는데, 통상적으로 가스는 하나 이상의 탄화수소 화합물을 함유한다. 특정하게 압력과 온도의 미리 결정된 상황 하에서, 반응가스는 가스분해의 하나 이상의 구성성분으로 PyC를 퇴적되도록 강화섬유의 내부 공극 내로 확산된다.

탄화규소 매트릭스 혹은 매트릭스 상을 형성하는 CVI 공정은 이미 널리 알려져 있는데, 통상적으로 반응가스는 메틸트리클로로실란(MTS)의 혼합물과 수소 가스로 이루어진다. 규소-붕소-탄소 3성분계로 구성된 매트릭스 상을 형성하기 위해서, MTS의 혼합물과 삼염화붕소(BCl₃) 및 수소 가스를 함유한 반응가스를 사용할 수 있다.

강화섬유의 두께가 한정적이기 때문에, 강화섬유의 코어와 이의 표면부 사이에 임의의 중요한 치밀화 구배의 위험성이 배제된다.

그러므로, 적어도 내부면에 관련해서 바람직하기로는 이의 외부면에 관련하여 노즐 발산부를 위한 바람직한 형상을 갖춘 강성 부품이 직접적으로 획득되는바, 임의의 마감 기계가공이 단부 부위, 특히 인접한 부위에 제한적으로 가능하다. 응고된 강화섬유의 하류 단부에 외부 림을 형성하는 더욱 견고한 부분은 만약 발산부에서 필요로 하지 않는다면 치밀화 후에 제거될 수 있다.

덧붙여서, 연장 두께(42b)의 존재는 보강재로 구성될 수 있는 강화된 부분 혹은 발산부의 중심에 보강재용 지지부를 야기할 수 있다.

도 11은, 도 2 내지 도 10을 참조로 하여 기술된 바와 같이 유사한 방법으로 획득되는데, 치밀화 후에 그리고 최종 기계가공 전에 노즐 발산부를 보여주는 사진으로, 기저부 섬유 직물은 1.5mm 두께로 된 인터락 위빙을 갖는 3차원 섬유를 사용한다. 발산부 부분은 플랜지와의 연결지점에서 약 400mm의 내부 직경을 갖고 하류 단부에서 약 1,020mm의 내부 직경을 갖는다. 발산부의 전체 길이는 850mm의 발산부 부분(플랜지 불포함)을 포함하여 약 970mm 이다. 치밀화 후에, 발산부는 약 42%의 높은 섬유 함유량과 저중량, 예컨대 약 6.48kg으로 되어 있는데, 최종 치밀화 전에 그리고 경화 후에 응고된 강화섬유의 무게는 약 5.52kg 이다. 발산부를 형성하는 부분에서, 벽 두께는 섬유 직물 패널 사이의 중첩 부분에 대응되게 약 1.5mm 외부 영역을 가진다.

본 발명은 로켓엔진 노즐의 발산부를 만드는 것에만 국한되지 않는다. 항공기 혹은 헬리콥터용 항공엔진을 위한 노즐을 만드는 데에도 적용될 수 있다. 도 12는 가스터빈 항공기 엔진용 노즐을 도시하고 있다. 축 단부에서, 노즐은 각도를 형성하는 프로파일 부분을 갖는데, 강화섬유에 부분은 보강재 부분으로 구성된다.

본 발명은 특히 얇은 벽을 가진 경량의 노즐 혹은 비교적 큰 크기를 가질 수 있는 노즐 발산부, 특히 적어도 800mm의 축 크기와 1,000mm의 하류 단부에 내부 직경을 가질 수 있는 현저한 것이다.

항공엔진 노즐용으로, 복합소재는 세라믹 섬유, 예컨대 탄화규소로 만들어진 강화섬유와 함께 세라믹 매트릭스 복합소재(CMC)와, 세라믹, 예컨대 탄화규소로 만들어진 매트릭스일 수 있으며, 그런 다음에 응고 수지는 세라믹 전구체 수지가 바람직하다.

어떤 적용에서는, 특히 항공엔진 노즐용으로, 섬유 예비성형품의 형상과 강화섬유의 일치성은 노즐의 외부 표면용으로 바람직한 형상을 재현하는 내부 표면을 갖는 암 형성자 위에서 실행될 수 있다.

본 발명은 노즐 혹은 노즐 발산부를 만드는 데에 적용할 수 있으며, 도 12에 도시된 노즐과 같이 축방향으로 완전히 대칭될 필요는 없다.

Claims (15)

1. ·3차원 위빙으로 얻어질 섬유 직물의 패널을 획득하는 단계와;
   ·만들어진 노즐 발산부 혹은 노즐의 내부 표면 혹은 외부 표면에 바람직한 형상을 재현하는 표면을 갖춘 형성자 위에 패널을 일치시키고, 상호 접촉하는 가장자리를 매개로 하여 패널을 함께 연결하여 섬유 예비성형품을 형성하는 단계;
   ·수지로 이루어진 응고 혼합물로 함침된 섬유 예비성형품을 성형하여 응고된 강화섬유를 형성하고, 적어도 35%의 섬유 용적률을 가진 응고된 섬유 예비성형품을 획득하기 위해 함침된 섬유 예비성형품에 대해서 도포된 재킷과 형상자 사이에서 실행되게 형성하며, 축 크기의 적어도 과반수에 걸쳐 섬유 직물 패널의 단일 층으로 형성된 5mm의 두께를 갖는 단계; 및
   ·치밀화 후에, 부품이 만들어진 노즐 발산부 혹은 노즐의 실질적인 형상과 벽 두께를 갖도록 수지를 열분해한 후에 화학증기침착으로 응고된 강화섬유의 치밀화를 연속적으로 수행하는 단계;를 포함하여,
   매트릭스로 치밀화된 강화섬유로 이루어진 복합소재로 얇은 벽을 가진 노즐 혹은 노즐 발산부를 만드는 방법.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 섬유 예비성형품은 축 단부 부분에서 일체로 되어 있는 보강재를 갖춘 강화섬유를 획득하기 위해 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
   
3. 제2항에 있어서, 하나 이상의 보강재 부분은 응고된 강화재의 축 단부 부분에 각도를 형성한 프로파일로 획득되는 것을 특징으로 하는 방법.
   
4. 제2항에 있어서, 하나 이상의 보강재 부분은 응고된 강화재의 벽 두께를 국부적으로 증가시켜 획득되는 것을 특징으로 하는 방법.
   
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 패널은 인접한 가장자리들과 겹쳐져 형성자 위에서 일치되는 것을 특징으로 하는 방법.
   
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 섬유 예비성형품은 예비성형품의 축 둘레에서 원주방향으로 뻗은 하나 이상의 연장 두께를 형성하며, 이 연장 두께는 섬유 직물 패널의 인접해 있는 가장자리들의 상호 중첩으로 획득되는 것을 특징으로 하는 방법.
   
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 패널은 꿰맴으로 함께 결합되는 것을 특징으로 하는 방법.
   
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 강화섬유를 형성하기 위해 성형하는 동안에, 상기 함침된 섬유 예비성형품이 압축되는 것을 특징으로 하는 방법.
   
9. 제8항에 있어서, 상기 함침된 섬유 예비성형품을 압축하는 동안에, 주름을 형성하지 않고 탄성적으로 변형할 수 있는 격막이 상기 섬유 예비성형품 상에 도포되는 것을 특징으로 하는 방법.
   
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 응고 혼합물에 의한 함침은 상기 형성자 상에 섬유 직물 패널을 일치화시키기 전에 섬유 직물 상에서 실행되는 것을 특징으로 하는 방법.
    
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 강화섬유를 형성하기 위해 섬유 예비성형품을 일치화하기 전에, 응고 혼합물의 수지가 전경화(pre-cure)되는 것을 특징으로 하는 방법.
    
12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 전경화는 상기 형성자 상에 상기 함침된 섬유 직물 패널을 일치화하기 전에 적어도 부분적으로 실행되는 것을 특징으로 하는 방법.
    
13. 축 크기의 과반수 이상에 걸쳐 3mm의 두께를 가지고, 청구범위 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 획득되는 복합소재로 만들어진 얇은 벽을 가진 노즐 혹은 노즐 발산부.
    
14. 제13항에 있어서, 상기 두께는 1~2mm의 범위에 놓이는 것을 특징으로 하는 노즐 혹은 노즐 발산부.
    
15. 제13항 또는 제14항에 있어서, 적어도 800mm의 축 크기와 하부 단부에서 적어도 1,000mm의 내부 직경을 가진 것을 특징으로 하는 노즐 혹은 노즐 발산부.
    

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