(57)【要約】【課題】プリフォームセラミックマトリックス複合材モールドを形成する。【解決手段】セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）部品用のプリフォームセラミックマトリックス複合材モールドを形成する方法は、ＣＭＣ残部スクラップ材料の部片を提供することと、ＣＭＣ残部スクラップ材料の部片を互いに対して無作為に配置することと、を含む。方法は、ＣＭＣ残部スクラップ材料の部片を剛体化形状に減量することをさらに含み、剛体化形状は、ＣＭＣ残部スクラップ材料の隣接する部片間の約１０ミクロンから約１０ｍｍのギャップと、約５０ミクロンから約５０ｍｍの間のギャップ間隔と、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）部品（１０）用のプリフォームセラミックマトリックス複合材モールド（２０）を形成する方法であって、
ＣＭＣ残部スクラップ材料（３０）の部片を提供することと、
ＣＭＣ残部スクラップ材料（３０）の前記部片を互いに対して無作為に配置することと、
ＣＭＣ残部スクラップ材料（３０）の前記部片を剛体化形状に減量することであって、前記剛体化形状が、ＣＭＣ残部スクラップ材料（３０）の隣接する部片間の約１０ミクロンから約１０ｍｍのギャップ（１５２）と、約５０ミクロンから約５０ｍｍの間のギャップ間隔と、を有する、減量することと、
前記剛体化形状をモールド（２０）に形成することと、を含む方法。
【請求項２】
ＣＭＣ残部スクラップ材料（３０）の前記部片は、概ね正方形に形状付けされる、請求項１記載の方法。
【請求項３】
ＣＭＣ残部スクラップ材料（３０）の前記部片の側部は、長さが約２０ｍｍから約４９ｍｍである、請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記ＣＭＣ残部スクラップ材料（３０）は、概ね等数の異寸法部片で構成される、請求項３記載の方法。
【請求項５】
セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）部品（１０）を形成する方法であって、
プリフォームＣＭＣモールド（２０）を形成することは、
ＣＭＣ残部スクラップ材料（３０）の部片を提供することと、
ＣＭＣ残部スクラップ材料（３０）の前記部片を互いに対して無作為に配置することと、
ＣＭＣ残部スクラップ材料（３０）の前記部片を剛体化形状に減量することであって、前記剛体化形状が、ＣＭＣ残部スクラップ材料（３０）の隣接する部片間の約１０ミクロンから約１０ｍｍのギャップ（１５２）と、約５０ミクロンから約５０ｍｍの間のギャップ間隔と、を有する、減量することと、
前記剛体化形状を前記プリフォームＣＭＣモールド（２０）に形成することと、
第１の表面（６１）および第２の表面（６１）を有するレイアップツール（５０）を提供することと、
第１のベースプライ（５２）を前記レイアップツール（５０）の前記第１の表面（６１）に適用することと、
第１のセットのＣＭＣプライ（５４）を前記第１のベースプライ（５２）に隣接してレイアップすることと、
前記プリフォームＣＭＣモールド（２０）を前記レイアップツール（５０）の前記第１のセットのＣＭＣプライ（５４）に隣接して配置することと、
第２のセットのＣＭＣプライ（５４）を前記プリフォームＣＭＣモールド（２０）に隣接してレイアップすることと、
前記レイアップツール（５０）の前記第２の表面（６１）に隣接する第２のベースプライ（５４）を前記第２のセットのＣＭＣプライ（５４）に適用することと、
前記第２のベースプライ（５４）を適用するステップ後に、前記第１のベースプライ（５２）、前記第１のセットのＣＭＣプライ（５４）、前記プリフォームＣＭＣモールド（２０）、前記第２のセットのＣＭＣプライ（５４）、および前記第２のベースプライ（５４）をオートクレーブすることと、
前記第１のベースプライ（２２）、前記第１のセットのＣＭＣプライ（５４）、前記プリフォームＣＭＣモールド（２０）、前記第２のセットのＣＭＣプライ（５４）、および前記第２のベースプライ（５４）を緻密化することと、を含む、方法。
【請求項６】
第２のベースプライ（５４）を前記プリフォームＣＭＣモールド（２０）に適用することは、モールド表面（６１）と前記ベースプライ（５２）との間の継手面を増やすことを含む、請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記モールド表面（６１）と前記ベースプライ（５２）との間の継手面を増やすことは、スカーフ継手（６０）を形成することまたは鋸歯パターン（６２）を前記モールド（２０）表面に形成することを含む、請求項６記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に動力発生用のガスタービンに関し、より詳細には、ガスタービン用のセラミックマトリックス複合材部品を形成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
動力発生の増大、より低いエミッション、特定の燃料消費の改善を提供するようにガスタービンの効率および性能を増進させる目的で、タービンは、仕事が課せられて、より高い温度でより過酷な状況下で動作する。そういった状況は、ある種の材料の冷却に関して難問となっている。
【０００３】
動作温度が上昇したとき、合金を冷却する新たな方法が開発された。例えば、セラミック遮熱コーティング（ＴＢＣｓ）は、燃焼の高温流出ガスのストリーム中の部品の表面に適用されて、伝熱率を下げると共に、基礎を成す金属に熱的保護を提供して、部品がより高い温度に耐えるのを可能にする。また、冷却孔は、フィルムに冷却を提供するために使用されて、熱的な能力または保護を改善する。同時に、セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣｓ）は、幾つかの合金の代用品として開発されてきた。ＣＭＣｓは、幾つかの金属と比較して、より望ましい温度および密度の特性を提供するが、難問が別途もたらされる。
【０００４】
ＣＭＣｓを備えるなどのラミネート型複合材タービンエーロフォイルを処理することは、溶融浸透（ＭＩ）を用いて効果的に実行されると示されてきた。しかしながら、多くの場合、ラミネートが厚くなるおよび／または幾何的に複雑になるとき、処理の問題が起こる。ラミネートの内側領域の不完全な緻密化は、マトリックス形成型の溶浸材（通常シリコンまたはシリコン基合金）が溶融浸透中にプリフォーム全体を充填できないときに起こるであろう。形成される望ましくないミクロ構造は、広範な浸透不足、空隙率、および、ボイドによって特徴付けされる。典型的には、そういった欠陥構造は、層間の挙動を含む大部分の機械的性質、比例限界などのマトリックス主導型の性質、および、引張強度や延性などの繊維主導型の性質についての大きな劣化を招く。それらは、全てが望ましくない。
【０００５】
これらの緻密化の問題は、極めて高い繊維体積含有率、高度に不均一な繊維分布、および、密に固めたプリフォームマトリックスなどのある種のミクロ構造的な特色を有する厚いセクションを処理するとき、特に深刻である。事例によっては、これらのミクロ構造的な特徴は、処理中の浸透速度をさらに低くする傾向があり、緻密化の問題および上記に説明した付随の機械的性質の縮小を悪化させる。追加的に、厚いセクション部品の緻密化は、溶融浸透の温度でのより長い処理時間から恩恵を受けるかもしれない。しかしながら、そういった長い処理時間は、繊維マトリックスインターフェースを損傷させ、機械的性質の受け入れ難い劣化をもたらす場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１６／０２３０５６９号公報
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
当初権利請求した発明と範囲が釣り合っているある種の実施形態は、下に要約されている。これらの実施形態は、権利請求した本発明の範囲を限定することを意図しておらず、寧ろ、これらの実施形態は、本発明の可能な態様の簡潔な要点を提供することだけを意図している。実際、本発明は、下に記載する実施形態と類似または相違し得る様々な態様を網羅することができる。
【０００８】
本開示の例示的な実施形態に従い、セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）部品用のプリフォームセラミックマトリックス複合材モールドを形成する方法は、ＣＭＣ残部スクラップ材料の部片を提供することと、ＣＭＣ残部スクラップ材料の部片を互いに対して無作為に配置することと、を含む。方法は、ＣＭＣ残部スクラップ材料の部片を剛体化形状に減量することをさらに含み、剛体化形状は、ＣＭＣ残部スクラップ材料の隣接する部片間の約１０ミクロンから約１０ｍｍのギャップと、約５０ミクロンから約５０ｍｍの間のギャップ間隔と、を有する。方法は、剛体化形状をモールドに形成することをさらに含む。
【０００９】
本開示の別の例示的な実施形態に従い、セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）部品を形成することは、プリフォームＣＭＣモールドを形成することを含む。方法は、ＣＭＣ残部スクラップ材料の部片を提供することと、ＣＭＣ残部スクラップ材料の部片を互いに対して無作為に配置することと、を含むプリフォームＣＭＣモールドを形成することをさらに含む。方法は、ＣＭＣ残部スクラップ材料の部片を剛体化形状に減量することをさらに含み、剛体化形状は、ＣＭＣ残部スクラップ材料の隣接する部片間の約１０ミクロンから約１０ｍｍのギャップと、約５０ミクロンから約５０ｍｍの間のギャップ間隔と、を有する。方法は、剛体化形状をプリフォームＣＭＣモールドに形成することと、第１の表面および第２の表面を有するレイアップツールを提供することと、第１のベースプライをレイアップツールの第１の表面に適用することと、をさらに含む。方法は、第１のセットのＣＭＣプライを第１のベースプライに隣接してレイアップすることと、プリフォームＣＭＣモールドをレイアップツールの第１のセットのＣＭＣプライに隣接して配置することと、第２のセットのＣＭＣプライをプリフォームＣＭＣモールドに隣接してレイアップすることと、をさらに含む。方法は、レイアップツールの第２の表面に隣接する第２のベースプライを第２のセットのＣＭＣプライに適用することをさらに含む。方法は、第２のベースプライを適用するステップ後に、第１のベースプライ、第１のセットのＣＭＣプライ、プリフォームＣＭＣモールド、第２のセットのＣＭＣプライ、および第２のベースプライをオートクレーブすることをさらに含む。方法は、第１のベースプライ、第１のセットのＣＭＣプライ、プリフォームＣＭＣモールド、第２のセットのＣＭＣプライ、および第２のベースプライを緻密化することとさらに含む。
【００１０】
本発明の他の特徴および利点は、本発明の原理を一例として例証する添付図面と共に解釈される好適な実施形態の以下のより詳細な説明から明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本開示の例示的なセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）部品の立面図である。
【図２】本開示のＣＭＣ部品用の例示的なプリフォームＣＭＣモールドを作製する方法のフローチャート図である。
【図３】本開示の例示的なモールドを作製する方法のフローチャート図である。
【図４】本開示の例示的なパネルの平面図である。
【図５】本開示の図４のパネルの５−５線に沿って取った残部スクラップ材料の断面図である。
【図６】本開示のＣＭＣ部品の例示的なスカーフ継手の立面図である。
【図７】本開示のＣＭＣ部品の例示的な鋸歯継手の立面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
可能な限り、同じ参照番号は、図面全体に亘って使用されて同じ部品を指すことになろう。
【００１３】
提供されるのは、例示的なセラミックマトリックス複合材物品と、セラミックマトリックス複合材の製造プロセスである。本開示の実施形態は、例えば、本明細書で説明する１つまたは複数の特徴部なしの物品およびプロセスと比較して、製造中のマトリックス浸透を改善し、負荷担持能力の増大を含むタービンの効率および性能の増進を可能にし、セラミックマトリックス複合材材料がより高い温度で動作するのを可能にし、溶融浸透での使用のためのセラミックマトリックス複合材物品の厚いセクションにおける層間の可撓性を可能にし、時期尚早の層間の障害を軽減ないし除去し、あるいは、それらの組合せを可能にする。
【００１４】
動力を生成するために使用されるシステムは、それに限定されないが、ガスタービン、蒸気タービン、および、動力発生用に使用される地上基礎型の航空派生物などの他のタービン組立体を含む。ある種の用途では、動力発生システムは、その中のターボ機械（例えば、タービン、圧縮機、およびポンプ）および他の機械を含んでいるが、深刻な摩耗状況に晒される部品を含むことがある。例えば、ブレード、バケット、シュラウド、ノズル等々などのある種の動力発生システム部品２０（図１）は、高熱および高回転の環境で動作することがある。これらの部品は、セラミックマトリックス複合材を用いて製造され、また、これらの部品は、冷却通路を含むこともある。本開示は、冷却通路を含むセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）部品を形成するための方法を提供する。
【００１５】
本明細書中の目的のため、動力発生システム部品、セラミックマトリックス複合材部品、セラミックマトリックス部品およびそのようなものは、交換可能に使用される。
【００１６】
本明細書中の目的のため、残部スクラップ材料、スクラップ材料、残部、スクラップは、それらの用語の個々が省略形「ＣＭＣ」またはそのようなものと組み合わせて現出することがあるが、交換可能に使用されることがある。
【００１７】
プリフォームＣＭＣモールド２０（図１）を用いてＣＭＣ部品１０（図１）を形成する方法１００は、図２に示されている。方法１００は、ステップ１０１に示されているように、モールド２０を提供することを含む。方法１００は、ステップ１０２に示されているように、モールド２０（図１）をレイアップツール５０（図１）などのレイアップの中に挿入することを含む。方法１００は、ステップ１０４に示されているように、ベースプライ２２（図１）をモールド２０（図１）に適用すること、ならびに、ベースプライ５２をレイアップツール５０の各それぞれの表面６１に適用すること、を含む。方法１００は、ステップ１０６に示されているように、ＣＭＣプライ２４（図１）をベースプライ２２にレイアップすること、ならびに、ＣＭＣプライ５４を各それぞれのベースプライ５２にレイアップすること、を含む。方法１００は、ステップ１０８に示されているように、追加のＣＭＣプライ２４をレイアップすることを含む。いったん全てのＣＭＣプライ２４がレイアップされると、方法１００は、ベースプライ２２、５２およびＣＭＣプライ２４、５４を少なくとも部分的に剛体化することを含み、それによってプリフォームＣＭＣ部品１０が形成される。本明細書で利用するとき、部分的に剛体化されるとは、オートクレーブによるなどの硬化または剛体化プロセスを指し、そこでは有機体または他の揮発性物質がプライ２２、２４、５２、５４から取り除かれて、構造体が少なくとも部分的に剛体化する。剛体化は、さらなる処理のために構造体を剛体化するために十分な硬化を含む。部分的な剛体化のための温度および時間は、剛体化の所望のレベルと、プライ２２、２４、５２、５４に存在するマトリックスの量およびタイプと、に応じて変化する。
【００１８】
プリフォームＣＭＣキャビティを形成するときに使用するためのモールド２０（図１）を形成する方法２００は、図３に示されている。方法２００は、残部スクラップ材料（「残部」）を提供することを含む。即ち、残部は、ステップ２０２に示されているように、他のマトリックス複合材製造プロセスからの一方向性テープの余剰ないし残り物セグメントまたは部片である。任意の適切なテープは、ＣＭＣ部品の要件にもよるが、使用されることがある。１つの実施形態では、残部の幅は、それに限定されないが、約０．８インチ（３１ｍｍ）、約１インチ（３９ｍｍ）、および約１．２インチ（４７ｍｍ）などの任意の中間増分を含んで、約０．５インチから約１．２５インチ（約２０ｍｍ〜約４９ｍｍ）に変化する場合がある。しかしながら、本開示は、０．５インチ（２０ｍｍ）未満、１．２インチ（４７ｍｍ）より大きい残部の幅が使用され得るほどの限定はされない。方法２００は、ステップ２０４に示されているように、残部を、概ね正方形のセグメントまたは部片などの所定の寸法および／または形状にカットすることを任意選択で含む。１つの実施形態では、残部は、他の幾何形状を画定する場合がある。任意選択で、方法２００は、ステップ２０６に示されているように、概ね等数の異寸法セグメントまたは部片で構成される残部３０（図４）を無作為に配置することを含む。しかしながら、１つの実施形態では、互いに対する異寸法残部の数値分配は、無作為である場合がある。方法２００は、ステップ２１０に示されているように、減量すること、または、追加の残部３０を形成した結果のパネル１５０への真空圧および温度の組合せの適用を含む。方法２００は、ステップ２１２に示されているように、パネル１５０を追加で形成することを含む。いったんパネル１５０が形成されて減量（ステップ２０６および２１０を繰り返す）されると、パネル１５０（図５）は、剛体化形状に形成され、剛体化形状または剛体化パネル形状は、ステップ２１４に示されているように、モールド２０（図１）に形成される。モールドは、モールドの所望の形状および表面特徴部が達成されるまで、パネルの外側表面を機械加工することによって形成される（例えば、図１参照）。１つの実施形態では、表面特徴部は、モールド（短いまたは不連続の繊維層で構成される）とプライ２２、２４（連続の繊維層）との間の、特に、剛体化（ステップ１１０、図２）中に応力を経験する領域内の、表面積を増やすために、モールドに形成される。例えば、突出部５８（図６、７）をモールド２０の表面に形成することは、スカーフ継手６０（図６）の形成を可能にし、あるいは、鋸歯継手６２または他の適切な表面特徴部は、形成されることがあるが、その目的は、剛体化中のプライ２２、２４とモールドプライとの間の剪断力を助長するために継手面を増やすことである。
【００１９】
図５は、図４のパネル１５０の５−５線に沿って取った断面を示す。ギャップ１５２は、隣接する残部３０によって形成される。１つの実施形態では、ギャップ１５２は、寸法が約１０ミクロンから約１０ｍｍの間に分布する場合がある。他の実施形態では、ギャップは、約１００ミクロンから約５ｍｍの間、約５００ミクロンから約３ｍｍの間、約１０ｍｍから約２ｍｍの間、または、１０ミクロンから約１０ｍｍの間における任意の組合せに分布する場合がある。１つの実施形態では、隣接するギャップ１５２間の空隙率、間隔、密度、またはギャップ間隔１５４は、約５０ミクロンから約５０ｍｍに分布する場合がある。他の実施形態では、ギャップは、約１００ミクロンから約４０ｍｍの間、約５００ミクロンから約３０ｍｍの間、約１０ｍｍから約２０ｍｍの間、または、約５０ミクロンから約５０ｍｍの間における任意の組合せに分布する場合がある。隣接する残物を作り出す残物の無作為の配置によって生じる形態のおかげで、製造中の改善された浸透が達成される場合がある。即ち、ギャップ寸法範囲およびギャップ間隔は、改善されている浸透と部品応力レベルの間のバランスである。
【００２０】
本明細書中の目的のため、用語「ギャップ間隔」は、隣接するギャップ間のラミネート構造に垂直な距離を意味することを意図している。
【００２１】
本発明について好適な実施形態を参照して説明してきたが、当業者なら理解するであろうことは、本発明の範囲から逸脱することなく、様々の変更を行うことができ、等価なものでその要素を置き換えることができる、ということである。加えて、本発明の教示に対してその本質的な範囲から逸脱することなく特定の状況や材料を適合させるために多くの修正を行うことができる。それ故に、意図していることは、本発明が本発明を実施するために企図したベストモードとして開示した特定の実施形態に限定されないこと、しかし、本発明が添付した特許請求の範囲の範囲内に入る全ての実施形態を含むであろうことである。
【００２２】
最後に、代表的な実施態様を以下に示す。
［実施態様１］
セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）部品（１０）用のプリフォームセラミックマトリックス複合材モールド（２０）を形成する方法であって、
ＣＭＣ残部スクラップ材料（３０）の部片を提供することと、
ＣＭＣ残部スクラップ材料（３０）の前記部片を互いに対して無作為に配置することと、
ＣＭＣ残部スクラップ材料（３０）の前記部片を剛体化形状に減量することであって、前記剛体化形状が、ＣＭＣ残部スクラップ材料（３０）の隣接する部片間の約１０ミクロンから約１０ｍｍのギャップ（１５２）と、約５０ミクロンから約５０ｍｍの間のギャップ間隔と、を有する、減量することと、
前記剛体化形状をモールド（２０）に形成することと、を含む方法。
［実施態様２］
ＣＭＣ残部スクラップ材料（３０）の前記部片は、概ね正方形に形状付けされる、実施態様１に記載の方法。
［実施態様３］
ＣＭＣ残部スクラップ材料（３０）の前記部片の側部は、長さが約２０ｍｍから約４９ｍｍである、実施態様２に記載の方法。
［実施態様４］
前記ＣＭＣ残部スクラップ材料（３０）は、概ね等数の異寸法部片で構成される、実施態様３に記載の方法。
［実施態様５］
セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）部品（１０）を形成する方法であって、
ＣＭＣ残部スクラップ材料（３０）の部片を提供すること、ＣＭＣ残部スクラップ材料（３０）の前記部片を互いに対して無作為に配置すること、ＣＭＣ残部スクラップ材料（３０）の前記部片を剛体化形状に減量することであって、前記剛体化形状が、ＣＭＣ残部スクラップ材料（３０）の隣接する部片間の約１０ミクロンから約１０ｍｍのギャップ（１５２）と、約５０ミクロンから約５０ｍｍの間のギャップ間隔と、を有する、減量すること、および、前記剛体化形状をプリフォームＣＭＣモールド（２０）に形成すること、を含むプリフォームＣＭＣモールド（２０）を形成することと、
第１の表面（６１）および第２の表面（６１）を有するレイアップツール（５０）を提供することと、
第１のベースプライ（５２）を前記レイアップツール（５０）の前記第１の表面（６１）に適用することと、
第１のセットのＣＭＣプライ（５４）を前記第１のベースプライ（５２）に隣接してレイアップすることと、
前記プリフォームＣＭＣモールド（２０）を前記レイアップツール（５０）の前記第１のセットのＣＭＣプライ（５４）に隣接して配置することと、
第２のセットのＣＭＣプライ（５４）を前記プリフォームＣＭＣモールド（２０）に隣接してレイアップすることと、
前記レイアップツール（５０）の前記第２の表面（６１）に隣接する第２のベースプライ（５４）を前記第２のセットのＣＭＣプライ（５４）に適用することと、
前記第２のベースプライ（５４）を適用するステップ後に、前記第１のベースプライ（５２）、前記第１のセットのＣＭＣプライ（５４）、前記プリフォームＣＭＣモールド（２０）、前記第２のセットのＣＭＣプライ（５４）、および前記第２のベースプライ（５４）をオートクレーブすることと、
前記第１のベースプライ（２２）、前記第１のセットのＣＭＣプライ（５４）、前記プリフォームＣＭＣモールド（２０）、前記第２のセットのＣＭＣプライ（５４）、および前記第２のベースプライ（５４）を緻密化することと、
を含む、方法。
［実施態様６］
第２のベースプライ（５４）を前記プリフォームＣＭＣモールド（２０）に適用することは、モールド表面（６１）と前記ベースプライ（５２）との間の継手面を増やすことを含む、実施態様５に記載の方法。
［実施態様７］
前記モールド表面（６１）と前記ベースプライ（５２）との間の継手面を増やすことは、スカーフ継手（６０）を形成することまたは鋸歯パターン（６２）を前記モールド（２０）表面に形成することを含む、実施態様６に記載の方法。
【符号の説明】
【００２３】
１０  ＣＭＣ部品
２０  モールド
２２  ベースプライ
２４  ＣＭＣプライ
３０  残部
５０  レイアップツール
５２  ベースプライ
５４  ＣＭＣプライ
５８  突出部
６０  スカーフ継手
６１  表面
６２  鋸歯継手
１５０  パネル
１５２  ギャップ
１５４  ギャップ間隔
【図１】
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【図２】
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【図３】
2018150223.tif 000005
【図４】
2018150223.tif 000006
【図５】
2018150223.tif 000007
【図６】
2018150223.tif 000008
【図７】
2018150223.tif 000009
【外国語明細書】
2018150223000001.pdf