(57)【要約】      （修正有）【課題】いずれの層においても各成分を明確な配置とすることができる、改良されたＴＭＣワイヤー／繊維環アレイおよびこの製造方法を提供する。【解決手段】４箇所の時計周りの位置において、ワイヤー／繊維環は２つの層を有している。それぞれの層は、第１の直径を有する第１のストランド５６ａと、第１の直径と異なる第２直径を有する第２のストランド５２ｂとを含んでいる。第２のまたはそれ以降の層は、近接する層の間において、上記ストランドが所定の位置になるように配置されている。上記配列が形成された後、その後の圧密工程においてワイヤーが上記配列の周囲に被せられ、形成された配列は、真空状況下で密閉される。加熱および加圧後、ワイヤー／繊維の配列は空孔率が約１２％であり、繊維割合は０％以上７０％以下、好ましくは、３０％以上４５％以下の範囲となる。【選択図】図５
2011246868.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
巻き取り用の回転軸と、
上記巻き取り用の回転軸の周囲の所定位置にそれぞれ配置されている複数のガイドローラーと、
上記複数のガイドローラーの１つによって導かれる複数のテープとから成っており、
上記複数のテープはそれぞれ、複数のストランドから成っており、
上記巻き取り用の回転軸が回転している際に、巻き取り用の回転軸上において、上記テープのそれぞれは連続的に一方のテープが他方のテープ上に配置されることを特徴とするワイヤーの巻き取り装置。
【請求項２】
上記巻き取り用の回転軸には、巻き取りが行われる上記巻き取り用の回転軸の表面に複数の溝が備えられており、
上記巻き取り用の回転軸上で、第１の層におけるそれぞれのストランドは、明確な入れ子配置となっており、
上記それぞれのストランドは、他のストランドから所定の間隔に応じて配置されていることを特徴とする請求項１に記載のワイヤーの巻き取り装置。
【請求項３】
上記巻き取り用の回転軸が、上記巻き取り用の回転軸の巻き取り表面に直接隣接した間隔保持ワイヤーを備えており、
上記巻き取り用の回転軸に巻き取られた第１の層におけるそれぞれのストランドは、明確な配置を有しており、
上記それぞれのストランドは、他のストランドから所定の間隔に応じて配置されていることを特徴とする請求項１に記載のワイヤーの巻き取り装置。
【請求項４】
ワイヤー／繊維アレイを製造するための製造装置であって、
巻き取り表面を有する巻き取り用の回転軸と、
上記巻き取り表面から半径方向外側にある二組の側面環と、
上記巻き取り表面、上記側面環の内側表面および閉環の表面によって規定されるアセンブリが配置される場所を取り囲み、側面環の少なくとも一方に接触する閉環とを備えることを特徴とする製造装置。
【請求項５】
上記側面環の少なくとも一方に、レリーフカットを備えて成ることを特徴とする請求項４に記載の製造装置。
【請求項６】
上記巻き取り表面は、上記側面環の少なくとも一方に近接した段部を備えて成ることを特徴とする請求項４に記載の製造装置。
【請求項７】
上記側面環の少なくとも一方に溝が備えられて成ることを特徴とする請求項４に記載の製造装置。
【請求項８】
上記溝が、上包ワイヤーの端部の位置に調整されたものであることを特徴とする請求項７に記載の製造装置。
【請求項９】
上記閉環が、アセンブリが配置される場所に配置されたワイヤー／繊維アセンブリを囲む上包ワイヤーに接触するように配置されていることを特徴とする請求項４に記載の製造装置。
【請求項１０】
上記製造装置を気密状態にする密閉手段から成ることを特徴とする請求項４に記載の製造装置。
【請求項１１】
上記密閉手段が金属容器から成ることを特徴とする請求項１０に記載の製造装置。
【請求項１２】
上記金属がチタンから成ることを特徴とする請求項１１に記載の製造装置。
【請求項１３】
少なくとも１つの排出用チューブから成ることを特徴とする請求項１０に記載の製造装置。
【請求項１４】
ストランドは、側面環によって巻き取り用の回転軸に巻き付けられるものであり、上記巻き取り用の回転軸上に複数の上記ストランドを巻き付ける工程と、
複数の上記ストランドを上包ワイヤーによって覆う工程と、
上記巻き取り用の回転軸、上記側面環の内側表面および閉環の表面によって規定されるアセンブリが配置される場所において、上記ストランドおよび上記上包ワイヤーを上記閉環によって覆う工程とを備え、
上記巻き取り用の回転軸、側面環および閉環は、製造装置を構成するものであることを特徴とするグリーンワイヤー／繊維アレイの製造方法。
【請求項１５】
上記上包ワイヤーがチタンから成ることを特徴とする請求項１４に記載のグリーンワイヤー／繊維アレイの製造方法。
【請求項１６】
さらに、密閉容器に上記製造装置を密閉する工程とから成ることを特徴とする請求項１５に記載のグリーンワイヤー／繊維アレイの製造方法。
【請求項１７】
上記密閉容器がチタンから成ることを特徴とする請求項１６に記載のグリーンワイヤー／繊維アレイの製造方法。
【請求項１８】
さらに、上記密閉容器を脱気する工程とから成ることを特徴とする請求項１６に記載のグリーンワイヤー／繊維アレイの製造方法。
【請求項１９】
さらに、上記密閉容器へチューブを通し不活性ガスを流す工程とから成ることを特徴とする請求項１８に記載のグリーンワイヤー／繊維アレイの製造方法。
【請求項２０】
上記不活性ガスが、アルゴンから成ることを特徴とする請求項１９に記載のグリーンワイヤー／繊維アレイの製造方法。
【請求項２１】
さらに、上記脱気する工程の後に、上記密閉容器を密閉することによって、真空状態を維持する工程とから成ることを特徴とする請求項１８に記載のグリーンワイヤー／繊維アレイの製造方法。
【請求項２２】
さらに、上記ストランドを圧密する工程とから成ることを特徴とする請求項１４に記載のグリーンワイヤー／繊維アレイの製造方法。
【請求項２３】
さらに、上記圧密する工程はストランドを１６５０°Ｆで加熱する工程とから成ることを特徴とする請求項２２に記載のグリーンワイヤー／繊維アレイの製造方法。
【請求項２４】
さらに、上記圧密する工程はストランドを１５０００ｐｓｉに昇圧させる工程とから成ることを特徴とする請求項２２に記載のグリーンワイヤー／繊維アレイの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
〔技術分野〕
本発明はワイヤー／繊維の環に関し、詳細には、改良された空孔および繊維割合を有する改良されたマトリックス複合材料であるワイヤー／繊維の環および改良されたこの製造方法に関する。
【０００２】
〔背景技術〕
チタンマトリックス複合材料は（ＴＭＣ）環は、高温条件下にて用いられる回転部材の用途として非常に有用である。具体的には、剛性および強度が設計上、不可欠であるタービンエンジンが挙げられる。このような有用な用途があるにもかかわらず、ＴＭＣの製造過程において、一般的にある作用が悪影響を及ぼすことが知られている。なお、上記の有用な用途により、ＴＭＣの作製技術は将来的に有望である。チタンワイヤーと炭化ケイ素の繊維は、環状を補強する配列を形成するように結合する。ＴＭＣ環の二次加工方法については、Hanusiak らに付与された米国特許第5,763,079号の明細書等および Bachelet に付与された米国特許第5,460,774号の明細書等に開示されている。これら２つの特許は異なる方法であるものの、同じ結果となっている。しかしながら、設計が不可欠である方法において、両特許は共に可撓性を得る点で制限を受ける。
【０００３】
Hanusiak らによって開示された手法を図１Ａ〜図１Ｃに示す。この提案によれば、ワイヤー３および繊維４は、１対１の比率に限定される。しかし、ワイヤー３の直径は繊維４の直径よりも大きい限り、ワイヤーの直径は繊維の直径と異なり得る。ワイヤーの直径と繊維の直径の選択によって、結果物である複合材料において繊維割合が構成されることとなる。例えば、直径が０．００７インチのワイヤーと、直径が０．００５６インチの繊維とを用いた場合、繊維割合が３０％である複合材料が得られる。Hanusiak らの手法に従って得られたアセンブリは、全成分がワイヤーを含んでいるテープと、全成分が繊維を含んでいるもう一方のテープとから構成され、上記２つのテープは、アセンブリ一枚毎に２つの層を形成するように結合している。それぞれのテープは、同じ大きさに形成されている。しかし、一方のテープに含まれる成分の大きさは、他方のテープに含まれる成分の大きさと同じである必要はない。アセンブリは、近接した繊維４が互いに接触することなく、異なる種類のテープが交互に用いられることにより形成されている。Hanusiak らの手法よる上記構造の有利な点としては、繊維の直径に対するワイヤーの直径の比率を変化させることができるので、繊維割合が３５％から４５％までの範囲である複合材料を容易に作製することができる点である。上記の範囲であれば、効率的な環構造を得るのに望ましい。一方、Hanusiak らの手法よる上記構造の不利な点として、約２０％の空孔を含む配列には金属移動が生じる間に好ましくない咬頭形成が生じ、厚い部分が生じるというデメリットがある。さらに、hanusiak らの手法による構造では、圧密工程中にＴＭＣの空孔率が部分的に変化するという構造的な不安定性も存している。
【０００４】
図１Ａは、Hanusiak らの手法よる複合材料環１を示す断面図である。同図においては最大の繊維間隔が設けられている。つまり、高さ方向のみにおいて、ワイヤー３が繊維と接するよう位置している。図１Ｂは、Hanusiak らの手法による実施例を示している。同図において、中程度の繊維間隔が設けられており、つまり、高さ方向と幅方向に繊維同士は等しく間隔を設けられている。図１Ｃは、さらに、Hanusiak らの手法による構造の他の配置を示している。同図において、繊維間隔とワイヤー３とは側面または幅方向においてのみ互いに接している。
【０００５】
Bachelet による手法を図２Ａ〜図２Ｃに示す。Bachelet の手法によれば、ワイヤー／繊維の組み合わせは、２／１または３／１の比率に制限される。さらに、Bachelet によって開示された全ての例には、ワイヤーの直径が繊維の直径と同じであるという制限がある。全てのアセンブリは一枚毎に２つの層が形成されており、図２Ａ〜図２Ｃに示されるような３種類の層のようになる。
【０００６】
特に、図２Ａに示すように、各層は２箇所のワイヤー３によって分割された繊維４によって形成されている。そして、２番目以降の層において、２箇所のワイヤー３間において繊維４が入れ子構造となるよう、２番目の層は側面に沿って配置されている。
【０００７】
Bachelet による構造の他の形態として、図２Ｂおよび図２Ｃに示すように、１層は１箇所分の直径のワイヤー３によって、繊維４が隔てられている。２番目の層は、１番目の層における繊維４と同じ直径のワイヤー３で形成されている。Bachelet の提案の有利な点としては、空孔率が約１０％程度であることが挙げられる。そして、上記の構成は、一見以後の圧密工程において安定であると思われる。さらには、Bachelet の提案は、ＴＭＣの周囲に沿って咬頭形成され難いので、厚い部分が形成するために有利である。これは、結果物における繊維の割合が相対的に低いことによるものである。一方、Bachelet の提案の不利な点として、ワイヤーおよび繊維の直径が制限され、その限界は繊維の割合の上限が２５％または３３％となる点である。これら繊維の割合は、設計上の観点から、最も好ましい範囲内に属していない。すなわち、上記繊維の割合は４０％である場合、種々の設計上、有利な性能を高めることができるので望ましい。
【０００８】
さらに、Hanusiak らおよびBachelet の特許文献に開示された全ての例では、何れの単層における成分は同じ大きさに限定される。しかしながら、上記の特許文献では、１つの層における成分は異なる直径を有する場合について除外されておらず、上記特許文献における構造に付随する特筆すべき問題についても示されていない。なお、異なる大きさの成分が単層に供給され、同時に、層における全ての成分が、巻き取りの中心に作用すると、内在する不安定さが現れるか、もしくは構造的に不安定になる。
【０００９】
任意の単層における全ての成分を活用することは、Bachelet の手法のように特別な要求が生じることが留意されるべきである。Bachelet の文献には、螺旋状の回転軸上にある１番目の層における成分の空間的な制御方法について何ら開示されていないため、Bachelet はこの制限を１番目の層において成分の間隔を制御することに適用しているようである。このことは、最終的な配置が効果的になされるために、１番目の層における成分が移動されることを示唆している。２番目以降の層における成分の配置は、１番目の層における成分同士によって形成される間隔により規定されることとなる。ワイヤーおよび繊維の直径が異なる成分同士を有する１番目の層が供給されることによって、以降の層の成分は、入れ子構造を形成した部分が不明確となり、そのアセンブリは無秩序な状態になる。図３Ａ〜図３Ｃは、異なる大きさの成分を有する１番目の層に、異なる大きさの成分を有する２番目の層が配置された状態を示している。また、最終的に、複数の層が用いられた場合、実質的に全ての秩序は失われた状態を示している（図３Ｃ）。すなわち、２番目以降の層が実質的に同時に形成されたとしても、層において異なる大きさの成分が含まれると、正しく配列された箇所に競合作用が作用することを示している。
【００１０】
以上のことから、安定した配列で低い空孔率を達成するために、上記配列が可撓性を備える上で、繊維割合が０％以上７０％以下、好ましくは、３０％以上４５％以下である改良された手法が必要とされている。
【００１１】
〔発明の開示〕
以上のように、本発明の目的は、いずれの層においても各成分を明確な配置とすることができる、改良されたＴＭＣワイヤー／繊維環アレイおよびこの製造方法を提供することにある。
【００１２】
また、本発明のさらなる目的は、空孔が少なく、好ましい繊維割合であるＴＭＣワイヤー／繊維環アレイを提供することにある。
【００１３】
また、本発明のさらなる目的は、単層において異なる直径の成分を含むＴＭＣワイヤー／繊維環アレイを提供することにある。
【００１４】
また、本発明のさらなる目的は、ワイヤーおよび／または繊維の１番目の層に対する明確な配置を提供できる巻き取り用の回転軸を提供することにある。
【００１５】
また、本発明の他の目的は、安定的で効果的な圧密工法を達成するために製造装置を明確に規定し、実施することにある。
【００１６】
以上のように、本発明の目的および他の目的を達成するために、第１の層として、多用な第１のストランドまたは第１の直径および所定間隔を互いに有する成分を有する複合材料環を提供することにある。第２のストランドは、第１のストランドの直径と異なる第２の直径を有し、近接する第１のストランドの間に適合するように配置されている。その結果、第１の層が構成される。
【００１７】
第２の層として、複数の第３のストランドは、上記第１のストランドの直径と同じ直径を有しており、第３のストランドは、第１の層における第２のストランド間の範囲を覆うように、第１のストランドの逆側に配置されている。最終的に、複数の第４のストランドは、第２のストランドと同じ直径を有している。また、隣接する第４のストランド間の範囲が、第３のストランドの中心を覆うように配置されるよう、複数の第４のストランドは、第２のストランドの逆側に配置されている。最終的な全体の構成は、例えば、４組のまたは４束のストランドである、４つのテープによって得られる２層の構造である。
【００１８】
本発明の好ましい実施の形態では、第１のストランド、第２のストランド、第３のストランドおよび第４のストランドは、少なくとも繊維またはワイヤーの何れかであることが好ましい。ＴＭＣワイヤー／繊維環を得るために、上記繊維は炭化ケイ素から成っていることが好ましく、上記ワイヤーはチタンから成っていることが好ましい。
【００１９】
また、本発明において、上記繊維のストランドはワイヤーのストランドよりも大きな直径を有していることが好ましい。このような構成は、最終的に、繊維割合が３０％以上であることが好ましく、空孔率が約１２％以上であることが好ましい。
【００２０】
また、本発明の製造方法に係る好ましい実施の形態において、回転軸は、第１の層におけるそれぞれのストランドを所望の位置に一致させるための溝を備えており、上記回転軸は、ＴＭＣの一部を巻き付けるために備えられている。これによって、第１の層における入れ子構造は第２の層およびそれ以降の層に対し適切に配置される。あるいは、‘溝’は回転軸に備えられ、ワイヤーの層が選択された直径を有することによって、第１のストランド層に対し、望ましい間隔を構成する所定の入れ子構造が形成される。
【００２１】
本発明に係る製造方法によれば、テープは同時に巻き取られた複数のストランドから成っている。しかし、それぞれのテープは、異なる接線上または‘時計’位置で、上記回転軸に適用される。巻き取り工程は、所望の厚みとなるまで継続される。好ましい実施の形態において、複数のストランド同士は側面において互いに接触していても、接触していなくてもよい。
【００２２】
本発明に係る好ましい実施の形態によれば、巻き取り工程が完全に終了した後に、ストランドが露出された層は、配列パターンが保持されるため、上包ワイヤー（over-wrap wire）によって覆われていることが好ましい。
【００２３】
本発明に係るワイヤー／繊維アレイを製造する製造装置は、巻き取り用の回転軸と、上記巻き取り表面から半径方向外側にある二組の側面環と、側面環の少なくとも一方において接触し、上記巻き取り表面、上記側面環の内側表面および上記閉環の表面によって規定されるアセンブリが配置される場所を取り囲む閉環とを有していることが好ましい。
【００２４】
上記側面環は、圧密工程の間、構築を促すレリーフカットを含んでいることが好ましい。また、上記巻き取り表面は、上記側面環に近接した段部を備えて成ることが好ましい。
【００２５】
上包ワイヤーが端部の位置に調整されるため、上記側面環はその先端部の一部に溝を含んでいることが好ましい。構築が完全に終了した際に、アセンブリが配置される場所に配置されたワイヤー／繊維アセンブリを囲む上包ワイヤーに、上記閉環が接触するように配置されていることが好ましい。
【００２６】
本発明によれば、巻き取り用の回転軸と、上記ガイドローラーは回転軸の周囲の所定位置にそれぞれ配置されている、上記回転軸の周囲に複数のガイドローラーと、上記複数のガイドローラーの１つによって導かれる複数のテープとから成っており、上記複数のテープはそれぞれ、複数のストランドから成っている巻き取り装置を提供できる。上記巻き取り用の回転軸が回転している際に、巻き取り用の回転軸上において、上記テープのそれぞれは連続的に一方のテープが他方のテープ上に配置される。
【００２７】
本発明によれば、ストランドは、側面環によって巻き取り用の回転軸に巻き付けられる、上記巻き取り用の回転軸上に複数の上記ストランドを巻き付ける工程と、複数の上記ストランドを上包ワイヤーによって覆う工程と、上記巻き取り表面、上記側面環の内側表面および閉環の表面によって規定されるアセンブリが配置される場所において、上記ストランドおよび上記上包ワイヤーを上記閉環によって覆う工程とを備えるグリーンワイヤー／繊維アレイの製造方法を提供できる。また、上記巻き取り用の回転軸、側面環および閉環は、製造装置を構成するものである。
【００２８】
上記製造装置は、上記密閉容器へチューブを通し、アルゴンなどの不活性ガスを流すものであることが好ましく、強制的に不活性ガスを流すものであることが好ましい。
【００２９】
上記密閉容器が十分に脱気され、全混入物および不要なガスが排除された後に、上記密閉容器は密閉され、圧密工程は確実になされる。
【００３０】
上記圧密する工程は、約１５０００ｐｓｉの圧力下で、ストランドを約１６５０°Ｆで加熱する工程を含むことが好ましい。このような条件下であれば、タービンディスクのような一体となっている材料であっても、上記側面環が側面に移動し、ワイヤー／繊維アレイは機械加工可能な位置に向かって圧密されることができる。
【００３１】
〔発明を実施するための最良の形態〕
まず、図４Ａから図４Ｅまでおよび図５を用いて、本発明に係る実施の形態について説明する。本発明によれば、改良された手法によって、低い空孔率と共に繊維割合が０％以上７０％以下、好ましくは、３０％以上４５％以下の範囲である可撓性を備えるワイヤー／繊維環を得ることができる。
【００３２】
本発明によれば、図４Ａから図４Ｅまでおよび図５に示すように、４つの工程において４枚のテープによって２つの層が形成される積層工程は制御される。このように積層工程を制御することによって、従来技術において問題であった安定性の問題が克服される。図に示されるように、連続して時計位置５８ａ〜ｄにおいて、巻き取り芯または回転軸５０に４枚のテープ５６ａ〜ｄを用いて、異なる大きさの成分が正確に積み重ねられる。それぞれの時計位置において、巻き取り芯に作用させるテープは、全ワイヤー成分または全繊維成分のサイズが等しいものである。上記テープにおける成分の選択と、上記テープの一連の処理が行われることによって、望ましいアセンブリを設計することができる。本発明によれば、直径が異なったワイヤーおよび繊維が用いられたとしても、巻き取り芯に作用させた際に、それぞれの層においてそれぞれの成分を明確な位置とすることができる。
【００３３】
特に、図４Ａにおいて、複数の繊維４が最初に配置されている。図４Ｂにおいては、最初に配置された繊維４のように、同じ層に複数のワイヤー３が配置されている。好ましい形態において、２つの近接した繊維４の間に２つのワイヤー３が配置されるよう、最初の繊維間の距離が設定されている。図４Ｃに示すように、第３の時計位置において、第２の層は、繊維４によって上部が形成される。それぞれの繊維４はワイヤー同士の間に位置する接点５を覆うように配置されている。図４Ｄにおいて、複数のワイヤー３は、近接する繊維４の間の間隔を満たすよう配置され、第２の層を完全に満たしている。これらの工程は所望の厚さが得られるまで複数回繰り返される。図４Ｅは本発明に係る２・２層の構造を示している。
【００３４】
さらに好ましい形態において、得られた配列（図４Ｄ、図４Ｅ）は、空孔成分が比較的低く、約１２％であるのでより好ましい。一方、本発明によれば、所望の成分割合を提供する直径の関係を考慮して、ワイヤー／繊維を選択することによって、所望の範囲におけるどの値であっても、繊維成分を容易に制御することができる。
【００３５】
図５は、例えば、４枚のテープが用いられた２枚の層である一枚の合板を得るための装置を示している。複数の鎖を容易に形成できるよう、個々のテープ５６ａ〜ｄは、回転軸５０における所定の時計位置５８ａ〜ｄで合わせられる。図５に示す装置は、リードローラー５４と、複数のガイドローラー５２ａ〜ｄを含んでいる。この複数のガイドローラー５２ａ〜ｄは、回転軸５０の周囲にそれぞれ配置されており、個々のテープ５６ａ〜ｄを所望の時計位置において回転軸５０に作用させるものである。
【００３６】
ここで、重要な点として、繊維は好ましくはＳｉＣからなっており、ワイヤーは好ましくはチタンからなっている。しかし、例えば他の金属など他の適切な材料を用いてもよい。
【００３７】
複数のテープを回転軸５０に層とすることにより、異なる大きさの成分またはストランドを用い配列を組み立てるという課題を解決することができる。しかし、初期の巻き取り時に、成分の配置を制御するという課題は以前残る。Bachelet の手法において、全両成分は接触して存在している。そのため、それぞれの成分またはストランドの配置は、近接したストランドによって制限される。図４Ｂにおける第１の層は、２つのテープであるテープ５６ａおよびテープ５６ｂが合わせられたものである。図４Ａに明確に示されるように、第１のテープの各ストランドは互いに接しておらず、また、テープ１の各ストランドは、その位置を明確に定義されていない。本発明に係る手法によれば、図６に示すように、それぞれ、第１のストランドであるテープ５６ａおよび第２のストランドであるテープ５６ｂが所望のストランドの位置に合致するよう、回転軸５０の表面６０には溝６２が機械加工されている。溝６２によって、第１の層を完全に制御する点において、どのような手順およびストランドの位置であっても、第１のテープ５６ａの成分およびストランドを巻き取り用の回転軸５０に適合させることができる。さらに、ストランドは第２の層を構成する。特に、テープ５６ａおよびテープ５６ｂのストランドは、その後、第１の層のストランド同士間にある間隔の位置に応じて配置される。その後形成される層は、上記のように構成される。
【００３８】
回転軸５０の表面６０上にある複数の溝６２を用いることによって、ワイヤー-繊維の配置設計の制限を軽減できる。図４Ａから図４Ｅまでに示すように、回転軸５０に、配列された成分を適合する方法によって、異なる大きさのストランドからなる配列を確実に組み立てることができる。そして、図６に示すようにその間隔は制御される。これらの例は、ワイヤーが２に対して繊維が１であり、ワイヤー３は繊維４よりも小さな直径を有している。さらに、回転軸５０に適合された全ワイヤー／繊維ストランドは互いに接触している。本発明によれば、図３Ａから図３Ｃまでに示されるように、異なる直径の成分またはストランドにおいて従来技術に係る内在する不安定さを回避することができる。
【００３９】
図７Ａから図７Ｂまでは、図４に示すような接触した成分における積層過程および内在する不安定さを示している。図７Ａから図７Ｂまでにおいて、ワイヤー３は繊維４よりも大きな直径を有している。すなわち、その配置は１対２の成分割合である。上記割合が‘２’の成分は割合が‘１’の成分よりもその成分またはストランドの直径が大きいものである。特に、図７Ｄから図７Ｂまでは、数層だけが形成された後に、入れ子構造に競合作用によって配列に歪みが生じている状態を示している。実際には、このような配列の歪みを軽減させることができる時計位置の配列は存在しない。本発明によれば、成分の直径とは独立して、第１の層における成分の間隔を自由に配置させることができる。設計者は、‘２’の成分は‘１’の成分よりもその直径が小さくなければならないという制限を排除することによって、設計に適し、成分の配置の範囲を広くするために、その配列を幾何学的に制御することができる。
【００４０】
図８Ａから図８Ｅまでは、溝付きの回転軸５０により、第１の層における個々のストランドの間隔を制御することによって、ワイヤー３が繊維４よりも大きな直径を有する場合の確実な配列の構成方法を示している。特に、図８Ｂに示すように、第１の層におけるストランドの１つは、他のストランドと互いに接していない。これは、図６に示すような溝付きの回転軸５０を用いることによって可能となる。図８Ｃから図８Ｅまでに示すその結果生じた層は、第１の層が（図８Ｂ）適切な間隔を形成されているため、明確な入れ子構造を提供することができる。
【００４１】
回転軸５０の溝は、種々の実行可能な方法によって形成されるものであるが、非常に有効である。図６は、回転軸５０における機械加工された溝６２を示している。この手法は比較的低コストにて実施されることが可能である。回転軸上にワイヤーおよび繊維を所望の間隔で配置するための他の効果的な手法は、図９に示されている。この手法においては、間隔保持ワイヤー(spacing wire)１０は回転軸５０の周囲に第１の層を覆うように供給されている。この手法においては、ワイヤーの直径は所望の成分の配置によって、対応させればよい。また、これらのワイヤーを接触するように巻き付けることによって、機械加工を必ずしも使用することなく、好ましい溝を低コストで形成することができる。
【００４２】
これまでは、タービンエンジンの回転部材やシャフトに好ましく用いることができる螺旋形帯筋の多層材の環またはシャフトの製造において特に有用なワイヤー／繊維アセンブリのための直接的な手法および構造について説明してきた。しかしながら、この巻き付け工程によっては、‘グリーン’（ｇｒｅｅｎ）ワイヤー／繊維配置しか得ることができない。この配置は、有用な完成品の多層の環を製造することに用いられるものである。一般的に、以下に詳細に述べるように、一連の製造工程は、適切な製造装置にワイヤー／繊維アレイを封入する工程、得られたアセンブリからガスおよび汚染可能性がある混入物を除去する排出工程、内部の空孔空間において真空状態を保つためのアッセンブリを密閉する密閉工程、全ての空孔を除去する圧密工程（consolidating）および所望の最終的な寸法（dimensions）に機械加工する工程を含んでいる。
【００４３】
好ましい製造装置は、ワイヤー／繊維アレイのアッセンブリ用の回転軸５０、圧密工程の間、アセンブリの外部へ空孔を圧迫する圧盤および機械加工する工程の後に、完成した多層材を覆うための金属を備えている。図１０は、特に好ましく用いられる典型的な製造装置を示している。その用途としては、例えば、タービンエンジンの回転部材を挙げることができる。
【００４４】
図１０および図１１に示すように、巻き取りサブアレイには、側面環１００ａおよび側面環１００ｂを備える回転軸５０が連結されている。サブアレイには、巻線機が搭載され、ワイヤー／繊維アレイ１１０が図５に示す手法によって構成される。ワイヤー／繊維アレイ１１０は、その後アッセンブリにおける補助のために巻き上げの最初から最後まで接着性のある部材によって所定の位置に一時的に固定される。図１１に示すように、持続的な固定のためには、チタンワイヤー１１５の上包層（over-wrap layer）はサブアセンブリキャビティ１２０に巻き付けられ、その一方に固定されるよう、例えば、チタンワイヤー上包層１１５が溝１２５に備えられる構成とできる。チタンワイヤー上包層１１５は一方の側面環、例えば１００ａにある隙間に向かうように、張力がかかった状態で接触する層を形成するように巻き上げられ、機械的に装着されることができる。また、他方の側面環、例えば、１００ｂも同様である。このように張力によって固定された層は、上記工程中、所定位置においてワイヤーおよび繊維成分またはストランド３，４を固定している。これにより、ガスを排出する間、接着性アセンブリエイドを移動させることができるため望ましい。機械的な固定がなされない場合、ワイヤーおよび繊維のストランドは、自由に移動してしまい、その配列の形状を制御することができない。
【００４５】
製造装置は、巻き取りサブアセンブリを覆う閉環１３０をスライドさせることによって完成される。完成された製造装置は、好ましくは、チタン製の薄板格納部１４０により密閉される。ガス発生を防止し、圧密する操作のため、この薄板格納部１４０は、真空気密性を有する容器が構成される手段を提供する。図１２は、上述した気密性のある完成したアセンブリを示している。
【００４６】
図１２に示すアッセンブリについての様々な特徴は、特徴あるアッセンブリの作製過程に対し着目されるものである。例えば、多孔性のワイヤー／繊維配列１１０の圧密工程は、環の回転軸方向に対して並行な方向において行われることが好ましい。最も好ましくは、圧密工程の間、側面環１００ａおよび側面環１００ｂが互いの方向に対し自由に移動できる点である。上記圧密工程では、長さ方向の軸が短くなることによって、空孔率が変動する。一方、繊維およびワイヤーの配列は相対的に変化しない。
【００４７】
真空密閉された容器を形成するために、閉環１３０を直接、側面環１００ａおよび側面環１００ｂに結合させることができる。側面環１００ａおよび側面環１００ｂは、所望の方向において空孔率を所望の値に変化させるため、互いの方向に移動させることはできない。本発明によれば、巻き取り用の回転軸５０または閉環１３０の一方の側面環１００ａ、側面環１００ｂの持続的な固定が行われないことによって、側面環１００ａおよび側面環１００ｂの可動性は維持される。これは、閉環１３０の摺動契合部(slip fit) がサブアレイを覆い、さらに、チタン製の薄板格納部１４０の継ぎ目において、アセンブリを密閉することによってなされる。さらに、側面環１００ａ、側面環１００ｂ、回転軸５０は図１０および図１１における範囲Ａに示される特有の中間構造に備えられている。理想的には、範囲Ａとして特定される領域において、側面環１００ａ、側面環１００ｂおよび閉環１３０が形成する領域に類似した側面環１００ａ、側面環１００ｂおよび回転軸５０が形成する領域に類似した側面環１００ａ、側面環１００ｂおよび回転軸５０の間で上記摺動契合部は用いられる。しかしながら、摺動契合部は、この位置において適合されるものではない。なぜなら、側面環１００ａ、側面環１００ｂは、アレイ１１０に対し巻繊パターンを形成するからである。また、それに応じて、これらはより好ましい正確な位置に配置され、回転軸５０の所定の位置に保持される。最初から最後までのアレイ１１０の支柱（columns）を構成する段部１５０に対して位置する側面環１００ａおよび側面環１００ｂが備えられることによって、側面環の位置は正確なものとなる。さらに、側面環１００ａおよび側面環１００ｂは、実際に構成されるアレイが平坦性を保つように、十分な厚さを有していることが好ましい。しかしながら、生じる問題として、厚い側面板を用いた場合、側面板は圧密工程において容易に移動しないという問題が生じる。また、上記側面板が段部１５０に対向している場合は顕著に上記問題が生じる。
【００４８】
この問題を克服するために、例えば、図１０に示すように、正確な段部に側面環１００ａおよび側面環１００ｂを配置するために、レリーフカット１５５が側面環に備えられている。上記レリーフカット１５５は、回転軸５０の方向に備えられている。しかし、圧迫される側面環１００ａおよび側面環１００ｂの各部材の体積が最小化される圧密工程の間、側面環１００ａおよび側面環１００ｂは移動可能である。圧密工程の温度において、チタン製の格納部１４０は、有効な強度を失う。また、アレイ１１０を圧密するために必要な側面環の移動を適用させるレリーフカット１１５は、容易に崩壊する。
【００４９】
さらに、中間構造は、側面環１００ａ、側面環１００ｂおよび回転軸５０の間にある中間構造、側面板１００ａ、側面板１００ｂおよび閉環１３０は、互いに強固に結合されていない。むしろ、ワイヤー／繊維巻き取り工程より前段階にて、側面板１００ａおよび側面板１００ｂは、回転軸５０にのみ仮付け溶接されていることが好ましい。また、上記中間構造は真空包装に溶接されていないことが好ましい。代わりに、真空包装は、チタン製の薄板容器１４０中に製造装置を密閉することによって達成される。薄板容器１４０は、その継ぎ目において前もって溶接されている。それによって、側面板１００ａおよび側面板１００ｂはそれぞれ、摺動する際の抵抗値が低いものとなっている。製造装置が例えば、溶接し難く、高い性能を有するチタン合金などによって構成されている場合、真空容器が金属容器１４０のみに依存することは好ましい。
【００５０】
その上、本発明において図１２に示されるように、圧密工程において、スライドプレートの軸方向の摺動性を付与するために、側面板１００ａおよび側面板１００ｂの部分１３５は、圧密工程の間に回転軸５０および閉環１３０を越えて突き出している。圧密工程では、密閉容器１４０は、側面環１００ａおよび側面環１００ｂに面してまず圧力をかける。これにより、側面環１００ａおよび側面環１００ｂの好ましい軸方向に沿った移動が促進される。
【００５１】
図１２に示された図に係わらず、金属容器１４０が密封された後、アセンブリからガスが排出され、補強された空孔成分を形成するために圧密化される。この工程のために、特に、排出用チューブ２００が金属容器１４０に備えられていることが好ましい。また、全接着物および取り込まれた混入物が加熱されながら、排出される工程によってチューブ２００を通り排出される。好ましい形態において、真空状態とされるには１箇所に備えられたチューブ２００によってなされる。その間、他方のチューブからは相対的に低速の流量のアルゴンが注入される。所定の加熱ノズルによって、アセンブリは約８５０°Ｆの温度に加熱され、対象となる揮発物質が完全に除去されたとされるまで、上記温度が維持される。アセンブリはその後室温に戻され、排出用チューブは真空状態とされるためにアセンブリの内部に密閉されるよう折り目を付けられ、金属容器１４０から切り離される。
【００５２】
脱気されたアセンブリは、空孔（void）を除去するために、熱間等静圧圧縮成形（ＨＩＰ）操作において圧密されることが好ましい。アッセンブリは、約１６５０°Ｆで加熱され、１５０００ｐｓｉは全空孔を閉じるための力として適用される。完成品における補強ブランクである区分２１０は、図１３に示されている。
０５５  補強ブランクは、最終製品としても所望の構成、形状に、標準的な方法によって機械加工される。区分２１０が機械加工された、タービンエンジンの回転部材の理想的な区分は図１４に示される。
【００５３】
本発明は、本実施の形態を参照することによって、十分に理解されることであろう。また、本発明は、上述した発明の実施の形態に制限されるものではない。本発明の好ましい実施形態を例証として開示してきたが、当業者は、特許請求の範囲に開示したような発明の範囲および精神から離れずに、様々な変型、付加、および、置き換えが可能であることを理解するであろう。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１Ａ】ワイヤー／繊維の組み合わせを構成する従来の手法を示す図である。
【図１Ｂ】ワイヤー／繊維の組み合わせを構成する従来の手法を示す図である。
【図１Ｃ】ワイヤー／繊維の組み合わせを構成する従来の手法を示す図である。
【図２Ａ】ワイヤー／繊維の組み合わせを構成する従来の他の手法を示す図である。
【図２Ｂ】ワイヤー／繊維の組み合わせを構成する従来の他の手法を示す図である。
【図２Ｃ】ワイヤー／繊維の組み合わせを構成する従来の他の手法を示す図である。
【図３Ａ】ワイヤー／繊維環を構成する従来の手法において、内在する不安定さを示す図である。
【図３Ｂ】ワイヤー／繊維環を構成する従来の手法において、内在する不安定さを示す図である。
【図３Ｃ】ワイヤー／繊維環を構成する従来の手法において、内在する不安定さを示す図である。
【図４Ａ】本発明に係るＴＭＣワイヤー／繊維環を組み立てる好適な実施の形態を示す図である。
【図４Ｂ】本発明に係るＴＭＣワイヤー／繊維環を組み立てる好適な実施の形態を示す図である。
【図４Ｃ】本発明に係るＴＭＣワイヤー／繊維環を組み立てる好適な実施の形態を示す図である。
【図４Ｄ】本発明に係るＴＭＣワイヤー／繊維環を組み立てる好適な実施の形態を示す図である。
【図４Ｅ】本発明に係るＴＭＣワイヤー／繊維環を組み立てる好適な実施の形態を示す図である。
【図５】本発明に係る巻き取り装置を示している。
【図６】本発明に係る巻き取り用の回転軸を示す図である。
【図７Ａ】ワイヤーの直径が繊維の直径よりも大きい場合に、１つの繊維当たり２つのワイヤーによって構成された配列の不安定さを示している。
【図７Ｂ】ワイヤーの直径が繊維の直径よりも大きい場合に、１つの繊維当たり２つのワイヤーによって構成された配列の不安定さを示している。
【図７Ｃ】ワイヤーの直径が繊維の直径よりも大きい場合に、１つの繊維当たり２つのワイヤーによって構成された配列の不安定さを示している。
【図７Ｄ】ワイヤーの直径が繊維の直径よりも大きい場合に、１つの繊維当たり２つのワイヤーによって構成された配列の不安定さを示している。
【図７Ｅ】ワイヤーの直径が繊維の直径よりも大きい場合に、１つの繊維当たり２つのワイヤーによって構成された配列の不安定さを示している。
【図８Ａ】ワイヤーの直径が繊維の直径よりも長い場合の本発明に係る多用な種類の構成を示している。
【図８Ｂ】ワイヤーの直径が繊維の直径よりも長い場合の本発明に係る多用な種類の構成を示している。
【図８Ｃ】ワイヤーの直径が繊維の直径よりも長い場合の本発明に係る多用な種類の構成を示している。
【図８Ｄ】ワイヤーの直径が繊維の直径よりも長い場合の本発明に係る多用な種類の構成を示している。
【図８Ｅ】ワイヤーの直径が繊維の直径よりも長い場合の本発明に係る多用な種類の構成を示している。
【図９】本発明に係る第１の層に間隔保持用ワイヤーが用いられた回転軸を示している。
【図１０】本発明に係るグリーンワイヤー／繊維アセンブリの工程を用いる一連の装置を示している。
【図１１】本発明に係るワイヤー／繊維アセンブリおよび上包層を有する一連の装置を示している。
【図１２】本発明に係る、ワイヤー／繊維アセンブリ、上包層、閉環および密閉容器を備える一連の装置を示している。
【図１３】本発明に係る完全に圧密されたワイヤー／繊維環の断面を示している。
【図１４】本発明に係るワイヤー／繊維環から最終的に機械加工された部品を示している。
【図１Ａ】
2011246868.tif 000003
【図１Ｂ】
2011246868.tif 000004
【図１Ｃ】
2011246868.tif 000005
【図２Ａ】
2011246868.tif 000006
【図２Ｂ】
2011246868.tif 000007
【図２Ｃ】
2011246868.tif 000008
【図３Ａ】
2011246868.tif 000009
【図３Ｂ】
2011246868.tif 000010
【図３Ｃ】
2011246868.tif 000011
【図４Ａ】
2011246868.tif 000012
【図４Ｂ】
2011246868.tif 000013
【図４Ｃ】
2011246868.tif 000014
【図４Ｄ】
2011246868.tif 000015
【図４Ｅ】
2011246868.tif 000016
【図５】
2011246868.tif 000017
【図６】
2011246868.tif 000018
【図７Ａ】
2011246868.tif 000019
【図７Ｂ】
2011246868.tif 000020
【図７Ｃ】
2011246868.tif 000021
【図７Ｄ】
2011246868.tif 000022
【図７Ｅ】
2011246868.tif 000023
【図８Ａ】
2011246868.tif 000024
【図８Ｂ】
2011246868.tif 000025
【図８Ｃ】
2011246868.tif 000026
【図８Ｄ】
2011246868.tif 000027
【図８Ｅ】
2011246868.tif 000028
【図９】
2011246868.tif 000029
【図１０】
2011246868.tif 000030
【図１１】
2011246868.tif 000031
【図１２】
2011246868.tif 000032
【図１３】
2011246868.tif 000033
【図１４】
2011246868.tif 000034