(57)【要約】複数のファイバー補強冷却通路（４２）が形成された多層セラミック母材複合構造（４０）。冷却通路は過渡的材料（２０）の除去により形成される。過渡的材料は、多層構造のレイアップに用いる補強セラミックファイバー層（２６）を含む過渡的材料包み込み構造（２８）の一部である。セラミック布地の中間層（５６）を過渡的材料包み込み構造の上と下とに交互に配置して、交番する上方冷却通路（５４）及び下方冷却通路（５２）を形成する。冷却通路を取り囲む横方向に配向されたファイバーは、従来設計と比較すると構造の層間強度を増加させるように作用する。かかる一体的な補強冷却通路（１２０）を組み込んだ翼形部材（１１２）が提供される。
2005503941.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多層セラミック母材複合構造であって、
セラミック母材複合材料の上部層と、
セラミック母材複合材料の下部層と、
上部層と下部層とを結合するセラミック母材複合材料の中間層とより成り、中間層はさらに中空の、隣接する複数のセラミック母材複合構造より成り、中空の各セラミック母材複合構造は上部層、下部層及びそれぞれ隣接する中空のセラミック母材複合構造と一体的接触関係にあり、中空のセラミック母材複合構造は多層セラミック母材複合構造を貫通する複数の冷却通路を画定する多層セラミック母材複合構造。
【請求項２】
中空のセラミック母材複合構造はさらに、中空の中央空間の縦軸のほぼ円周方向に位置するファイバーより成る請求項１の構造。
【請求項３】
中空のセラミック母材複合構造はさらに、中空の中央空間の縦軸にほぼ平行な方向に位置するファイバーより成る請求項１の構造。
【請求項４】
中空のセラミック母材複合構造はさらに、中空の中央空間の周りに螺旋状に位置する補強ファイバーより成る請求項１の方法。
【請求項５】
生のセラミック母材複合本体構造であって、
セラミック母材含浸セラミックファイバーの下部層と、
セラミック母材含浸セラミックファイバーの上部層と、
下部層と上部層との間に位置するセラミック母材含浸ファイバー包み込み過渡的材料とより成る生の本体。
【請求項６】
ファイバー包み込み過渡的材料はさらに、
過渡的材料のコアと、
コアの周りのセラミック母材含浸セラミックファイバー層とより成る請求項５の構造。
【請求項７】
セラミックファイバーはコアのほぼ円周方向に位置する請求項６の構造。
【請求項８】
セラミックファイバーはコアの縦軸のほぼ平行な方向に位置する請求項６の構造。
【請求項９】
多層セラミック構造の製造方法であって、
セラミックファイバー材料の下部層を用意し、
セラミックファイバー材料により過渡的材料を包み込んで複数のセラミックファイバー包み込み過渡的材料構造を形成し、
複数のセラミックファイバー包み込み過渡的材料構造を下部層の上に配置し、
複数のセラミックファイバー包み込み過渡的材料構造の上にセラミックファイバー材料の上部層を配置して積層構造を形成し、
積層構造にセラミック母材前駆物質を含浸させ、
含浸済み構造に圧縮力及び熱を加えて過渡的材料構造を変形することにより、含浸済み構造の空隙をなくし、母材前駆物質を乾燥硬化させて生の本体構造を形成するステップより成る多層セラミック構造の製造方法。
【請求項１０】
過渡的材料を除去して複数の冷却通路を形成するに十分高い温度に生の本体構造を加熱するステップをさらに含む請求項９の方法。
【請求項１１】
セラミックファイバーが過渡的材料の縦軸のほぼ円周方向に位置するようにセラミックファイバー材料により過渡的材料を包み込むステップを含む請求項９の方法。
【請求項１２】
セラミックファイバーが過渡的材料の縦軸にほぼ平行な方向に位置するようにセラミックファイバー材料により過渡的材料を包み込むステップを含む請求項９の方法
【請求項１３】
多層セラミック母材複合構造であって、
セラミック母材複合材料の上部層と、
セラミック母材複合材料の下部層と、
複数の中空のセラミック母材複合構造と、
上部層と下部層との間に位置するセラミック母材複合材料の中間層とより成り、中間層は複数の中空セラミック母材複合構造のうち隣接する複合構造の上と下とに交互に位置するほぼ蛇状の断面構造を有する多層セラミック母材複合構造。
【請求項１４】
生のセラミック母材複合本体構造であって、
セラミック母材含浸セラミックファイバーの上部層と、
セラミック母材含浸セラミックファイバーの下部層と、
複数のセラミック母材含浸ファイバー包み込み過渡的材料構造と、
上部層と下部層との間に位置するセラミック母材含浸セラミックファイバーの中間層とより成り、中間層は複数のセラミック母材含浸ファイバー包み込み過渡的材料構造のうち隣接する材料構造の上と下とに交互に位置するほぼ蛇状の断面構造を有する生のセラミック母材複合本体構造。
【請求項１５】
多層セラミック母材複合構造であって、
セラミック母材複合材料の上部層と、
セラミック母材複合材料の下部層と、
上部層と下部層との間に位置するセラミック母材複合材料の中間層とより成り、中間層は上部層との間に複数の上方空隙を、また下部層との間に複数の下方空隙を画定するほぼ蛇状の断面構造を有する多層セラミック母材複合構造。
【請求項１６】
生のセラミック母材複合本体構造であって、
セラミック母材含浸セラミックファイバーの上部層と、
セラミック母材含浸セラミックファイバーの下部層と、
複数の過渡的材料構造と、
上部層と下部層との間に位置するセラミック母材含浸セラミックファイバーの中間層とより成り、中間層は複数の過渡的材料構造のうち隣接する材料構造の上と下とに交互に位置するほぼ蛇状の断面構造を有する生のセラミック母材複合本体構造。
【請求項１７】
三次元セラミックファイバープリフォーム構造であって、
過渡的材料のコアより成る複数のピンと、
複数のピンの周りに織り込んだ複数のセラミックファイバーとより成るプリフォーム構造。
【請求項１８】
ピンはさらに過渡的材料のコアの周りに包み込んだセラミックファイバーより成る請求項１７の構造。
【請求項１９】
過渡的材料のコアの周りに包み込んだセラミックファイバーは、過渡的材料のコアのほぼ円周方向に位置する請求項１８の構造。
【請求項２０】
過渡的材料のコアの周りに包み込んだセラミックファイバーは、過渡的材料のコアの縦軸にほぼ沿う方向に位置する請求項１８の構造。
【請求項２１】
過渡的材料のコアの周りに包み込んだセラミックファイバーは、過渡的材料のコアの周りに螺旋状に位置する請求項１８の構造。
【請求項２２】
過渡的材料により形成された複数のピンを用意し、
複数の過渡的材料のピンの周りにセラミックファイバーのマットを織り込み、
マットに母材前駆物質を含浸させ、
母材前駆物質を乾燥硬化させ、
過渡的材料を除去してマットを貫通する複数の通路を形成する製造方法。
【請求項２３】
織り込みステップの前に複数のピンのそれぞれセラミックファイバーで包み込むステップをさらに含む請求項２２の方法。
【請求項２４】
ファイバーがピンの縦軸にほぼ平行な方向に位置するようにピンをセラミックファイバーで包み込むステップを含む請求項２３の方法。
【請求項２５】
ファイバーがピンの縦軸のほぼ円周方向に位置するようにピンをセラミックファイバーで包み込むステップを含む請求項２３の方法。
【請求項２６】
セラミック母材複合構造であって、
多層セラミック母材複合材料と、
多層セラミック母材複合材料の上に位置するセラミック断熱障壁被覆材料層と、
多層セラミック母材複合材料に形成した冷却通路とより成り、冷却通路は多層セラミック母材複合材料層の平面にほぼ平行な方向に延びる縦軸を有し、冷却通路の境界はファイバーが縦軸の周りに位置するセラミック母材複合材料層により画定されているセラミック母材複合構造。
【請求項２７】
冷却通路の境界は、ファイバーが縦軸にほぼ平行に向いたセラミック母材複合材料層により画定されている請求項２６のセラミック母材複合構造。
【請求項２８】
冷却通路の境界は、ファイバーが縦軸のほぼ円周方向に向いたセラミック母材複合材料層により画定されている請求項２６のセラミック母材複合構造。
【請求項２９】
冷却通路の境界は、ファイバーが縦軸の周りに螺旋状に向いたセラミック母材複合材料層により画定されている請求項２６のセラミック母材複合構造。
【請求項３０】
冷却通路の入口端部は、セラミック母材複合構造の被冷却側から冷却流体を受けるために多層セラミック母材複合材料の層を横切って延びる請求項２６の構造。
【請求項３１】
冷却通路の出口端部は、セラミック母材複合構造の高温側へ冷却流体を運ぶためにセラミック断熱障壁被覆材料の層を貫通する請求項２６の構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的にセラミック母材複合構造に関し、さらに詳細には、一体的な冷却通路を形成したセラミック母材複合構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃焼タービンは、加圧された燃焼用空気の流れを供給する圧縮機部分、加圧された燃焼用空気の中で燃料を燃焼させる燃焼器部分、及び燃焼ガスから熱エネルギーを抽出してシャフトを回転させる機械エネルギーに変換するタービン部分とを有するものとして当該技術分野でよく知られている。燃焼器部分及びタービン部分の多数の部品、例えば、燃焼器、燃焼器とタービン部分との間の移行ダクト及びタービンの静翼、回転翼及びその周りのリングセグメントは、高温の燃焼ガスに直接さらされる。
【０００３】
燃焼ガスの燃焼温度を増加させると燃焼タービンの出力及び効率を増加できることも知られている。現代の高効率燃焼タービンの燃焼温度は１６００℃以上になることがあるが、この温度は高温ガス流路を構成するコンポーネントの製造に用いる構造材料の安全な動作温度を優に超えるものである。従って、フィルム冷却、裏側冷却及び断熱を含むかかるコンポーネントの冷却方法が幾つか開発されている。
【０００４】
フィルム冷却は、圧縮機部分から抽出される加圧空気のような冷却流体のフィルムを構造用コンポーネントと高温燃焼ガス流との間に送り込むものである。冷却流体のフィルムは、圧縮機部分と流体連通関係にあるコンポーネントの表面に形成された孔部を通して供給される。フィルム冷却方式は一般的にコンポーネントの冷却に非常に有効であるが、機械の効率を有意に減少させる。冷却流体の圧縮にはエネルギーが必要であり、比較的低温の流体の添加により燃焼ガス温度が低下し、また、動翼または静翼のような翼形部上の空気のスムースな流れが乱れることがある。
【０００５】
裏側冷却は、一般的に、前側が高温燃焼ガスに露出するコンポーネントの裏側に冷却流体を通過させるものである。裏側冷却方式の冷却流体は、圧縮機から抽出される加圧空気、または燃焼タービン発電プラントの他の流体ループから得られる蒸気である。裏側冷却は排気ガスの組成または翼形部上の空気流に影響を与えることがなく、高温の燃焼用空気を低温の空気で希釈せず、また、一般的に冷却流体をフィルム冷却に必要なよりも低い圧力で供給することができる。しかしながら、裏側冷却は冷却される壁の厚さ方向に温度勾配を発生させるため、コンポーネントの厚さが増加すると、また材料の熱伝導率が減少すると、冷却効率が減少する。
【０００６】
最後に、セラミック断熱障壁被覆（ＴＢＣ）のような断熱材料は、温度が制限されるコンポーネントの保護用に開発されている。ＴＢＣは現世代の燃焼タービンの保護に一般的に有効であるが、次世代燃焼タービンに必要な燃焼温度のさらなる増加により下層の金属コンポーネントの保護能力には限界がある。
【０００７】
セラミック母材複合（ＣＭＣ）材料は、セラミック材料の固有の性質により金属合金材料と比べて高い温度での動作可能性を提供する。この能力により冷却条件が軽減されるが、その結果タービン出力及び効率が増加し、そして／またはタービンからの放出物が減少する。しかしながら、ＣＭＣ材料には一般的に金属のような強度がないため特定の用途に必要な断面が比較的厚いものとなる。ＣＭＣ材料は熱伝導率が小さいため、また多くの用途に必要な断面は比較的厚くなるため、閉ループ裏側冷却は燃焼タービンのこれらの材料を保護する冷却方式としては一般的に有効ではない。従って、２００１年３月６日付けで付与され、本発明と共に本願の出願人に譲渡された米国特許第６，１９７，４２４号にはセラミック母材複合材料の耐高温断熱材が記載されている。この特許は、約１６００℃の温度で寸法安定性及び化学的安定性を有するセラミック母材複合基材のための酸化物による断熱方式を記載している。しかしながら、先の世代の燃焼タービンでは動作温度のさらなる増加が予想される。従って、セラミック母材複合材料を冷却する改良型保護方法が必要とされる。さらに、１６００℃を超える温度で動作可能なセラミック母材複合材料が求められている。
【発明の概要】
【０００８】
本明細書には、多層セラミック母材複合構造であって、セラミック母材複合材料の上部層と、セラミック母材複合材料の下部層と、上部層と下部層とを結合するセラミック母材複合材料の中間層とより成り、中間層はさらに中空の、隣接する複数のセラミック母材複合構造より成り、中空の各セラミック母材複合構造は上部層、下部層及びそれぞれ隣接する中空のセラミック母材複合構造と一体的接触関係にあり、中空のセラミック母材複合構造は多層セラミック母材複合構造を貫通する複数の冷却通路を画定する多層セラミック母材複合構造が記載されている。中空セラミック母材複合構造中の補強ファイバーは、円周方向、縦方向または螺旋状に配向して、その構造の冷却通路の周りの領域の強度を増加することができる。
【０００９】
本明細書には、多層セラミック構造の製造方法であって、セラミックファイバー材料の下部層を用意し、セラミックファイバー材料により過渡的材料を包み込んで複数のセラミックファイバー包み込み過渡的材料構造を形成し、複数のセラミックファイバー包み込み過渡的材料構造を下部層の上に配置し、複数のセラミックファイバー包み込み過渡的材料構造の上にセラミックファイバー材料の上部層を配置して積層構造を形成し、積層構造にセラミック母材前駆物質を含浸させ、含浸済み構造に圧縮力及び熱を加えて過渡的材料構造を変形することにより、含浸済み構造の空隙をなくし、母材前駆物質を乾燥硬化させて生の本体構造を形成するステップより成る多層セラミック構造の製造方法が記載されている。さらなるステップとして、過渡的材料を除去して複数の冷却通路を形成するに十分高い温度に生の本体構造を加熱するステップがある。
【００１０】
さらに別の実施例として、セラミック母材複合材料の上部層と、セラミック母材複合材料の下部層と、複数の中空のセラミック母材複合構造と、上部層と下部層との間に位置するセラミック母材複合材料の中間層とより成り、中間層は複数の中空セラミック母材複合構造のうち隣接する複合構造の上と下とに交互に位置するほぼ蛇状の断面構造を有する多層セラミック母材複合構造が記載されている。
【００１１】
さらに別の実施例として、セラミック母材複合材料の上部層と、セラミック母材複合材料の下部層と、上部層と下部層との間に位置するセラミック母材複合材料の中間層とより成り、中間層は上部層との間に複数の上方空隙を、また下部層との間に複数の下方空隙を画定するほぼ蛇状の断面構造を有する多層セラミック母材複合構造が記載されている。
【００１２】
過渡的材料により形成された複数のピンを用意し、複数の過渡的材料のピンの周りにセラミックファイバーのマットを織り込み、マットに母材前駆物質を含浸させ、母材前駆物質を乾燥硬化させ、過渡的材料を除去してマットを貫通する複数の通路を形成するさらに別の製造方法が記載されている。
【００１３】
さらに別の実施例として、多層セラミック母材複合材料と、多層セラミック母材複合材料の上に位置するセラミック断熱障壁被覆材料層と、多層セラミック母材複合材料に形成した冷却通路とより成り、冷却通路は多層セラミック母材複合材料層の平面にほぼ平行な方向に延びる縦軸を有し、冷却通路の境界はファイバーが縦軸の周りに位置するセラミック母材複合材料層により画定されているセラミック母材複合構造が記載されている。
【実施例】
【００１４】
積層セラミック母材複合材料を含む種々の用途に空隙または通路を形成するために、過渡的な材料が使用されている。図１Ａ及び１Ｂはかかる例の１つを示すものであるが、乾燥した状態か母材の前駆物質を予め含浸させた複数の布地層１０が積み重ねられている。これらの層１２のうち２層を切断してチャンネル１４を形成し、過渡的材料１６を配置した後、切断しない布地の別層１０を積み重ねて所望の厚さの構造を得る。乾燥した布地層はその後、母材材料を含浸させ、得られた複合構造を、当該技術分野でよく知られたプロセスを用い、加圧するかまたは加圧せずに乾燥硬化させて生の本体構造１８を形成する。乾燥及び硬化ステップは、過渡的材料１６の安定点以下の温度で行う。その後、生の本体構造１８を、過渡的材料１６を除去するに十分高い温度に加熱して通路２０を形成し、さらに、ＣＭＣ構造２２を最終的な密度が得られるまで焼成する。このプロセスは、高さが布地層１０の厚さの倍数である通路の形成に限定される。さらに、かかる構造２２は、特に切断した層と切断していない層との間の接合表面に沿って通路２０が存在するため固有の強度不足が生じ、層間疲労を受けやすい。構造的な力と共に通路２０内の加圧冷却流体により生ずる圧力とにより材料に荷重がかかる。通路２０の任意のコーナーにより生じる応力集中が、布地１０の２層の界面に直接、ピーク応力を発生させる。この領域に形成される割れは層１０の間を進む傾向があり、その結果、構造２２に層間破壊が生じる。かかる層間割れの成長は、何れかの境界層にファイバーが存在してもそれにより妨げられることがない。
【００１５】
図２Ａ−２Ｂは、改良型セラミック複合構造とその製造方法を示す。図２Ａは、セラミックファイバー２６を巻き付けるか包み込んだほぼ円筒形の過渡的材料２４を示す断面図である。この過渡的材料の断面は図示のような円形または他の任意所望の形状でよく、中空または中実である。過渡的材料２４は、ポリエステル、またはＰＴＦＥ、もしくは周りの母材材料の乾燥／硬化に耐えるに十分高く、しかもその構造を最終密度にするために焼成するか乾燥／硬化温度よりも高い温度に他の方法で加熱すると過渡的材料がその構造から抜け出るよう十分低い安定温度を有する他の材料でよい。ファイバー２６は、Nextel 720（アルミノケイ酸塩）、Nextel 610（アルミナ）及びNextel 650（アルミナ及びジルコニア）を含むMinnesota Mining and Manufacturing Companyから商標Nextelで市販される材料のような酸化物セラミックでよい。あるいは、ファイバー２６は、Dow Corning Corporationから商標Sylramicで市販される、またはNippon Carbon Corporationから商標Nicalonで市販される炭化ケイ素のような非酸化物セラミックでよい。ファイバー２６はコア２４に巻き付けた布地またはフィラメントでよい。ファイバーは、コア２４の縦軸にほぼ平行な方向またはその縦軸の周りにほぼ沿う方向に配向される。ファイバー２６は、乾燥した状態か、あるいはアルミナ、ムライト、アルミノケイ酸塩、炭化ケイ素または窒化ケイ素のような母材前駆物質２７を予め含浸させて巻き付けたものでよい。ファイバーを巻き付けた最終的な過渡的材料の構造２８は、図２Ｂの断面図に示すように、積層構造３０の形成に使用する。ファイバーを巻き付けた１またはそれ以上の過渡的材料２８は、繊維状セラミック材料３２の１またはそれ以上の下部層の上に配置される。ここで再び、下部層３２を、乾燥状態で積み重ねるか、または母材前駆物質２７を予め含浸する。ファイバーの層３２と母材材料とはファイバーを巻き付けた過渡的材料構造２８に関連して上述した任意の材料でよい。その後、繊維状セラミック材料３４の１またはそれ以上の上部層をファイバーを巻き付けた過渡的材料構造２８の上に配置して積層構造３０を形成する。繊維状セラミック材料３４の上部層は、下部層３２に用いたものと同じタイプの材料に、母材前駆物質２７を予め含浸させたものか、または含浸させないものを選択するのが好ましい。この予め硬化させた状態で、この構造３０は、ファイバーを巻き付けた過渡的材料構造２８と繊維状セラミック材料の上部層３２及び下部層３４との間に複数の空隙３６を有する。
【００１６】
母材前駆物質材料２７は、母材前駆物質を予め含浸していないファイバーを用いる場合は、その構造に含浸させる。その後、図２Ｂの積層構造３０に圧力を加える硬化プロセスを施すことにより、母材材料２７を乾燥硬化させて、図２Ｃの断面図に示す硬化済みの生の本体構造３８を形成する。硬化プロセスは、オートクレーブ硬化プロセス及び／またはポリマー材料複合物に広く使用されるような減圧バッグプロセスでよい。硬化プロセス時に構造に圧縮力Ｆを加えるため、過渡的材料２４が空隙３６が硬化済み構造３８から消えるように変形することに注意されたい。圧力を加える硬化プロセスは当該技術分野で知られた任意のプロセスでよく、圧縮力Ｆは例えば、１平方インチ当たり約８０ポンドでよい。過渡的材料２４は、非圧縮性であるが弾性材料であるように選択されるため、その断面形状は圧縮力Ｆに応答して変化し、ファイバーを巻き付けた過渡的材料構造２８と繊維状セラミック材料の上部層３２及び下部層３４のそれぞれとの間に、それらの間に有意な空隙が残らない本質的に完全な接触が得られる。このステップに用いる温度は、過渡的材料２４の遷移温度より低いことに注意されたい。
【００１７】
その後、硬化済み構造３８を過渡的材料２４の遷移温度より高い高温にする。この高温は、別個のステップ時において、あるいは硬化済みの生の本体構造の最終的な焼成時に得ることができる。過渡的材料がなくなると、図２Ｄの断面図に示す多層セラミック構造４０が得られる。過渡的材料２４は、その構造４０から除去されるように十分高い温度で酸化または気化されているため、それに代わって空隙または冷却チャンネル４２が残る。図２Ａ−２Ｄに示す実施例では、冷却チャンネル４２はその構造４０の長さ方向にほぼ線形の形状で延びるが、当業者は他の形状を想到できるであろう。最初に過渡的材料２４に巻き付けられたファイバー２６は冷却チャンネル４２の縦軸の周りを横切る方向または縦軸に平行な方向であるため、この応力集中領域において構造が補強され、有利である。圧力をかける硬化プロセス時に過渡的材料２４の変形により生じる、隣接ファイバー層３２、２８、３４間の密接な接触により、多層構造４０は冷却チャンネル４０の存在にも拘らずこれらの層間に確実に完全接合される。冷却チャンネル４２の周りのファイバー２６は、冷却チャンネル４２内に存在する加圧された冷却流体により生じる力に抵抗するように配向させると有利である。さらに、厚さを貫通する方向に向いたファイバーの部分は、その構造の高温側から低温側への熱伝導率を増加させるため、任意所与の熱束に対する総合温度勾配が減少する。この効果により熱応力が減少し、冷却空気条件が緩和される。
【００１８】
図３は、本発明の別の実施例による多層セラミック構造を示す。多層セラミック構造４４は、セラミックファイバー母材複合材料４６の下部層、セラミックファイバー母材複合材料の上部層４８、複数の空隙または冷却チャンネル５２、５４を画定する複数の中空セラミックファイバー母材構造５０、及びセラミックファイバー母材複合材料の中間層５６より成る。セラミックファイバー母材複合構造の中間層５６は、図３に示すように上部層４８及び下部層４６の平面に沿って見るとほぼ蛇状断面形状を有する。この構造４４は、中空の複合構造５０の形成に用いるファイバーを巻き付けた過渡的材料構造２８を構造積み上げ時に中間層５６の上と下とに交互に配置する点を除き、図２Ａ−２Ｄに関連して説明したものと同じプロセスで形成する。このように、その構造４４がその最終的な焼成済み状態になると、複数の上方空隙５４は、複数の下方空隙５２の間に水平方向に差し込まれて、それらの下方空隙から垂直方向に変位した状態である。中間層５６とファイバーを巻き付けた母材複合構造５０の両方の内部に含まれるセラミックファイバーは、冷却チャンネル５２、５４の周りにおいてその構造を機械的に補強する作用がある。
【００１９】
図４Ａ−４Ｃは、ファイバーにより補強された上方冷却チャンネル６０及び下方冷却チャンネル６２が相互に差し込まれた多層セラミック母材複合構造５８の別の実施例の形成に用いるプロセスステップを説明するものである。ファイバー材料の少なくとも１つの下部層６４は、過渡的材料の複数の棒状体６８の上方及び下方に交互に織り込まれたファイバー材料の少なくとも１つの中間層６６と共に積層される。ファイバー材料の上部層７０は、中間層６６及び過渡的材料６８の上方に位置する。図２Ａ−２Ｄに関して上述したように、この積層構造７２に圧力を加える乾燥／硬化プロセスを施すが、このプロセスでは、圧縮力Ｆが過渡的材料６８を変形させて硬化済み構造７４内に空隙７６が実質的になくなるように働く。焼成済みの最終的な多層構造５８は、上述したように過渡的材料６８を熱により除去することにより形成される。その構造５８内の複数の上方冷却チャンネル６０及び下方冷却チャンネル６２は、層６４、７０の平面を横断する方向に整列する中間層６６内のファイバーにより補強される。図１Ｂの従来技術の構造２２では各通路２０が応力集中を発生させ、同じ接合ライン７８に沿う接合領域を減少させるが、図４Ｃの多層構造５８では、隣接する層６６、７０間の所与の接合ライン８０は上方冷却通路６０だけによる影響を受け、下方冷却通路６２の影響を受けない。従って、任意所与の数の冷却通路につき、他の変数を一定に保つと、多層構造５８を有する構造体の層間強度は多層構造２２を有する従来技術の構造体よりも大きい。
【００２０】
さらに、補強した冷却チャンネルを上述のプロセスを用いて三次元ファイバー織り込み構造内に形成することができる。図５Ａ及び５Ｂは、かかる織り込みファイバー構造の形成プロセスを示す。図５Ａは、ファイバー８０を過渡的材料のピンの周りに織成した織り込みパターンの詳細を示す三次元の織布の部分断面図である。従来技術の布地では、通常、金属製のピンの周りに巻き付けた後、ピンを充填材であるファイバーに置き換える。三次元ファイバー構造８１を織成するのファイバー８０は上述したセラミックファイバーのうち任意のものでよく、過渡的材料は上述した過渡的材料のうち任意のものでよい。本発明のピンは種々の構成のうち任意のものでよく、その４つを図５Ａ及び５Ｂに示す。第１の実施例は中実で、強化されない過渡的材料のピン８２を用いる。第２の実施例は中空で、強化されない過渡的材料のピン８４を用いる。第３の実施例は繊維状セラミック材料８８の層を巻き付けた過渡的材料の棒状体８６を使用するが、この繊維状セラミック材料８８は棒状体８６の縦軸の周りにほぼ円周方向に向いている。第４の実施例も強化済み過渡的材料の棒状体９６を使用するが、補強ファイバー９２は棒状体９０の縦軸にほぼ平行な方向に巻き付けられている。ファイバーを棒状体の周りに円周方向（０度）と縦方向（９０度）との間の例えば４５度のような任意の角度で巻き付けると、ほぼ螺旋状の構成が得られる。過渡的材料８０、８４、８６、９０は母材溶浸後、しかしながら最終的な焼成前の処理の中間的段階まで定位置に残留し、その後、最終的な焼成前に除去されて、図５Ｂに示すような一体的な冷却チャンネルを有する三次元ファイバー構造９４が得られる。
【００２１】
図６は、ガスタービン発電機のタービン部分に使用される翼形部材１００の断面図である。翼形部材１００は、上述した態様で複数の冷却チャンネル１０４が形成されたセラミック母材複合コア部材１０２を有する。図示のように、ＣＭＣコア部材１０２は、非常に高い温度での用途においてさらなる温度保護を与えるためにセラミック断熱障壁被覆材料層１０６が被覆されている。一部の用途ではＴＢＣ材料１０６は不要であり、事実、本発明はかかる断熱層を不要にする。かかる断熱障壁被覆材料層１０６及びそれをＣＭＣ基材１０２に適用する方法は、当該技術分野で知られている。この用途の断熱障壁被覆の非限定的な例として、プラズマ溶射されるＺｒＯ2、ムライト、Ａｌ2Ｏ3、ＹＳＺ、脆弱等級の断熱材料及び繊維状断熱材料が含まれる。冷却流体を冷却チャンネル１０４を通過させてその構造から熱を除去することにより、ＣＭＣ母材１０２の厚さ方向において裏側冷却のみの場合よりも大きな温度降下を得ることができる。あるいは少量の冷却空気により所望の温度降下を得ることができる。チャンネル１０４間の相互接続部１０８は、製造プロセス時に、冷却チャンネル１０４それ自体の形成に用いるのと同じ方法で過渡的材料を導入することにより形成することが可能である。相互接続部１０８により冷却流体の蛇状流路を形成して、冷却システムの効率をさらに改善することができる。それぞれの冷却チャンネル１０４からその構造１０４の外部または内部に開いた相互接続部１１０は、機械加工または他の公知の材料除去プロセスにより形成できる。
【００２２】
本発明により形成される一体的な冷却チャンネルは、図７及び８に示すように、翼形部材１１２の弦長方向に配向するとよい。図７は、ＣＭＣの内側コア部材１１４と外側のセラミック断熱障壁被覆層１１６とにより形成された翼形部材の斜視図である。冷却流体は、内側コア部材１１４の中空の中央空間１１８内に導入された後、図８に最もよく示されるように内側コアのセラミック母材複合材料部材１１４の一体的な部分として形成された複数の冷却チャンネル１２０内に送り込まれる。冷却通路１２０は、上述した実施例の任意のものに従ってファイバーにより補強することができる。補強ファイバーは、冷却チャンネル１２０の縦軸にほぼ平行な方向か、またはその縦軸の周りにほぼ沿う方向に配向される。各冷却チャンネル１２０の入口端部１２２は冷却流体を受ける中央空間１１８対して開いており、出口端部１２４は後端縁部１２６に沿ひ翼形部材１１２の外側に向かって開いていて翼形部材１１２の加熱側へ冷却流体を排出する。１つの実施例において、セラミック母材複合内側コア部材１１４の厚さＴCMCは約６ｍｍ、断熱障壁被覆層１１６の厚さＴTBCは約３ｍｍ、冷却チャンネル１２０の厚さ寸法ＴHは約１．５ｍｍであり、冷却チャンネル１２０の幅ＷHと、隣接する冷却通路１２０間の空間の幅ＷSは共に約３ｍｍでよい。冷却通路１２０は、ＣＭＣ内側コア部材１１４の厚さの範囲内において、翼形部材１１２の外側の高温側表面の近くに、例えばＣＭＣ内側コア部材１１４と断熱障壁被覆層１１６との界面からほんの約１ｍｍの所に形成される。従って、一体的なファイバー補強冷却チャンネル１２０を流れる冷却流体は、熱を除去し、ＣＭＣ内側コア部材１１４の厚さＴCMCの方向に、外部の動作温度が１６００℃を超えても構造内の全ての場所で安全な動作温度が維持されるような温度降下を発生させる。これは、上述した本発明の方法及び構造のうちの１つに従って冷却通路１２０をファイバーにより補強されるように形成すると層間強度の容認できない減少を伴うことなく達成することができる。
【００２３】
本発明の好ましい実施例を図示説明したが、かかる実施例は例示にすぎないことは自明である。本発明の範囲から逸脱することなく多数の変形例及び設計変更が当業者に想到されるであろう。従って、本発明は頭書の特許請求の範囲の思想及び範囲によってのみ限定されることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１Ａ】布地材料の２つの層に過渡的材料が挿入された従来技術の積層ＣＭＣ構造を示す部分断面図である。
【図１Ｂ】過渡的材料を除去して積層構造に冷却通路を形成した後の図１Ａの構造を示す。
【図２Ａ】セラミックファイバーを巻き付けた過渡的材料のほぼ円筒状部分を示す断面図である。
【図２Ｂ】積層構造のセラミック布地材料の２つの層の間に配置された図２Ａの巻き付け構造の断面図である。
【図２Ｃ】圧力を加えた硬化プロセスを施した後の図２Ａの構造を示す断面図である。
【図２Ｄ】高温焼成により過渡的材料が除去されて構造を貫通する冷却通路が形成された図２Ｃの構造を示す断面図である。
【図３】複数の補強された上方冷却チャンネルが複数の補強された下方冷却チャンネル間にあってそれらから垂直方向に変位している多層セラミック母材複合構造を示す断面図である。
【図４Ａ】繊維状セラミック材料の中間層が複数の過渡的材料の棒状体の上及び下に織り込まれた多層複合構造を示す部分断面図である。
【図４Ｂ】圧力を加えた乾燥／硬化プロセスを受けつつある図４Ａの構造を示す。
【図４Ｃ】過渡的材料が消尽により消滅して過渡的材料があった前の場所が構造を貫通する冷却チャンネルになっている図４Ｂの構造を示す。
【図５Ａ】繊維で補強した過渡的材料及び補強のない過渡的材料より成るピンの上に織り込んだ三次元ファイバー構造を示す。
【図５Ｂ】過渡的材料を除去されてファイバーに複数の冷却チャンネルが残った図５Ａの織り込みファイバー構造を示す。
【図６】一体的な冷却チャンネルが形成されセラミック断熱障壁被覆材料で覆われたＣＭＣ材料より成る翼形部材を示す断面図である。
【図７】ＣＭＣコア部材に翼形部材の弦長方向に向いた一体的な冷却孔部が形成された翼形部材を示す斜視図である。
【図８】図７の翼形部材の部分断面図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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