(57)【要約】      （修正有）【課題】複合材物品（例えば、セラミック複合材物品）、特に中空の特徴を含む複合材物品の製造を簡単にするように適合された、システム、方法、およびデバイスを提供する。【解決手段】一実施形態では、システムは、複合材前駆物質の内側部分内に配設されるように形成された消費コア１３０であって、製造プロセス中に溶浸材へと変化し、複合材前駆物質に浸透するように適合された消費コアを含む。別の実施形態では、消費コアおよび供給材ブロック１１０は実質的に同じ材料を含んでもよい。供給材ブロックは、純シリコン、ホウ素、シリコンに合金材料を加えたもの、または現在既知のもしくは今後開発される他の任意の材料を含んでもよい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複合材前駆物質の内側部分内に配設されるように形成された消費コアであって、製造プロセス中に溶浸材へと変化し、前記複合材前駆物質に浸透するように適合された消費コアを備える、システム。
【請求項２】
溶浸材料のフローを前記複合材前駆物質に供給するため、芯を介して前記消費コアに接続された外部供給材をさらに備える、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記消費コアが、前記製造プロセス中に前記複合材前駆物質の前記内側部分を実質的に空にするように適合される、請求項２記載のシステム。
【請求項４】
前記消費コアが鋳造材料を含む、請求項１記載のシステム。
【請求項５】
前記消費コアがシリコンまたはホウ素のうち少なくとも１つを含む、請求項１記載のシステム。
【請求項６】
前記消費コアが前記複合材前駆物質によって実質的に封入される、請求項１記載のシステム。
【請求項７】
溶浸材料を前記複合材前駆物質に供給するため、前記複合材前駆物質に近接して配設される外部ブロックをさらに備える、請求項１記載のシステム。
【請求項８】
複合材前駆物質と、
前記複合材前駆物質の内側部分内に配設される消費コアであって、製造プロセス中に溶浸材へと変化し、前記複合材前駆物質に浸透するように適合された消費コアと、
芯を介して前記消費コアに接続される外部供給材であって、溶浸材料のフローを前記複合材前駆物質に供給するように適合された外部供給材とを備える、システム。
【請求項９】
前記複合材前駆物質に実質的に近接して配設され、追加の溶浸材料を供給して前記複合材前駆物質に浸透させるように適合された外部ブロックをさらに備える、請求項８記載のシステム。
【請求項１０】
前記複合材前駆物質が前記消費コアを封入する、請求項８記載のシステム。
【請求項１１】
ドレインを介して前記消費コアに接続されるリザーバであって、前記消費コアからの溶浸材料のフローを受け入れるように適合されたリザーバをさらに備える、請求項８記載のシステム。
【請求項１２】
前記消費コアが焼結粉末から形成され、シリコンおよびホウ素の少なくとも１つを含む、請求項８記載のシステム。
【請求項１３】
前記芯が製織された炭素繊維を含む、請求項８記載のシステム。
【請求項１４】
前記複合材前駆物質が多孔質であって炭化されている、請求項８記載のシステム。
【請求項１５】
消費コアを複合材前駆物質に挿入するステップと、
複合材物品製造システムを形成するため、芯を介して外部供給材を前記複合材前駆物質に接続するステップと、
前記消費コアからの溶浸材を前記複合材前駆物質に浸透させるため、前記複合材物品製造システムに関する少なくとも１つの環境条件を調節するステップと、
前記消費コアを消費するステップと、
前記環境条件を再調節するステップとを含む、方法。
【請求項１６】
前記消費コアからの余分な溶浸材を受け入れるように適合されたドレインを介して、リザーバを前記消費コアに接続するステップをさらに含む、請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
前記消費コアを消費する前記ステップが、前記消費コアを前記複合材前駆物質に内在化させるステップを含む、請求項１５記載の方法。
【請求項１８】
前記環境の前記少なくとも１つの環境条件を調節する前記ステップが、
前記環境の温度を上昇させるステップと、
前記環境の圧力を増加させるステップとを含む、請求項１５記載の方法。
【請求項１９】
前記消費コアが、シリコン、ホウ素、および超硬合金のうち少なくとも１つを含む、請求項１５記載の方法。
【請求項２０】
溶浸材料のフローを前記複合材前駆物質に供給するように適合された一組の外部ブロックを、前記複合材前駆物質に実質的に近接させて配設するステップをさらに含む、請求項１５記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示する主題は、複合材料に関し、より具体的には、複合材物品の製造に使用される消費コア（ｃｏｎｓｕｍａｂｌｅ  ｃｏｒｅｓ）および関連する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
セラミック複合材物品を製造する現行の方法（例えば、溶解浸透プロセス）は、液相溶浸材料（例えば、シリコン、シリコン合金など）を使用し、それを容積材料（ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃ  ｍａｔｅｒｉａｌ）／複合材前駆物質に導入して、複合材物品を形成することを含む。製造中、この溶浸材料は、複合材前駆物質の露出面で吸収され、複合材前駆物質に染み込んで複合材物品を形成する。中空の特徴を備えた複合材物品の製造では、一般的なプロセスは、除去可能なコアを中空の複合材前駆物質の内側部分に挿入して、キャビティを形成するというものである。コアは後で除去されて、複合材前駆物質の内表面を露出させる。溶浸材がコアと反応し、コアが複合材物品に結合し、コアを除去できなくなるのを防ぐため、溶解浸透前にコアを除去しなければならない。一部の製造方法は、複合材物品の形成後の別個のプロセスにおいて溶出または燃失するように設計された、除去可能なコアを含む。他の一部のメーカーは、除去可能なコアを物品内から抜き出すのに十分な大きさの構造穴を備えた、複合材物品を設計している。これらの方法は、物品の設計または性能を制限し、製造プロセスにおいて追加のステップを要し、かつ／または物品を損傷もしくは破壊することがある極熱（ｔｈｅｒｍａｌ  ｅｘｔｒｅｍｅｓ）に複合材物品の構成要素および部分を暴露することがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第７６５８７８１号明細書
【発明の概要】
【０００４】
複合材物品の製造を容易にするように適合された方法およびシステムが開示される。一実施形態では、システムは、複合材前駆物質の内側部分内に配設されるように形成された消費コアであって、製造プロセス中に複合材前駆物質に浸透し、複合材前駆物質の内側部分を実質的に空にするように適合された消費コアを含む。
【０００５】
本開示の第１の態様は、複合材前駆物質の内側部分内に配設されるように形成された消費コアであって、製造プロセス中に溶浸材へと変化し、複合材前駆物質に浸透するように適合された消費コアを含む、システムを提供する。
【０００６】
第２の態様は、複合材前駆物質と、複合材前駆物質の内側部分内に配設される消費コアであって、製造プロセス中に溶浸材へと変化し、複合材前駆物質に浸透するように適合された消費コアと、芯を介して消費コアに接続される外部供給材であって、溶浸材料のフローを複合材前駆物質に供給するように適合された外部供給材とを含む、システムを提供する。
【０００７】
第３の態様は、消費コアを複合材前駆物質に挿入するステップと、追加の溶浸材を供給するため、外部供給材を複合材物品製造システムに接続するステップと、消費コアを介して複合材前駆物質に補強材料を浸透させるため、複合材物品製造システムに関する少なくとも１つの環境条件を調節するステップと、消費コアを消費するステップと、環境条件を再調節するステップとを含む、方法を提供する。
【０００８】
本発明のこれらおよび他の特徴は、本発明の様々な態様に関する以下の詳細な説明を、本発明の様々な実施形態を示す添付図面と併せ読むことによって、より容易に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態による複合材物品製造システムの一部分を示す三次元斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態による複合材物品の三次元斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態による複合材物品製造システムの一部分を示す三次元斜視図である。
【図４】本発明の実施形態によるプロセスを示す方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本開示の図面は必ずしも縮尺通りではないことに留意されたい。図面は、本開示の典型的な態様のみを示すものとし、したがって、本開示の範囲を限定するものと見なすべきではない。図面間で類似の符号が付された要素は実質的に類似のものであることが理解される。さらに、図面を参照して図示され記載される実施形態では、同様の符号は同様の要素を表すことがある。明瞭にするため、これらの要素の冗長な説明は省略している。最後に、図面の構成要素およびそれらに付随する記載は、本明細書に記載されるいずれの実施形態に適用されてもよいことが理解される。
【００１１】
本明細書に示されるように、本発明の態様は、複合材物品、特に中空の特徴を含む複合材物品の製造を簡単にするように適合された、システム、方法、およびデバイスを提供する。これらの方法およびシステムは、複合材前駆物質の中空の特徴に嵌合するように適合された消費コアを使用し、この消費コアは、溶浸材料を複合材前駆物質の内表面に適用し、コア自体は製造プロセス中に消費される。
【００１２】
複合材物品製造の分野では、加工中に複合材前駆物質の内表面を形成するために、除去可能なコアが使用される場合が多い。これらのシステムでは、複合材物品を形成した後、除去可能なコアを複合材物品内から引き抜かなければならない。一部のシステムは、熱源に暴露することによって複合材物品から溶出または燃失してもよい、除去可能なコアを使用し、他の一部のシステムは、複合材物品自体が、除去可能なコアを引き抜くのに適応する十分な大きさの構造穴を含むことを要する。しかし、これらの方法は、物品の設計または性能を制限し、製造プロセスにおいて追加のステップを要し、かつ／または物品を損傷もしくは破壊することがある極熱に複合材物品の構成要素および部分を暴露することがある。
【００１３】
本発明の実施形態は、複合材物品製造プロセスで消費コアを使用することを含む、システム、方法、およびデバイスを提供する。消費コアは、溶浸材前駆物質材料を含み、中空の特徴を含む複合材前駆物質の内表面に溶浸材料を適用するように適合される。製造中、この消費コアは、（例えば、吸収および毛管作用、複合材前駆物質内からの自己消費、ならびに中空の特徴の内部を空にしたまま複合材物品自体の一部となることによって）複合材前駆物質に吸収される。この消費コアは、製造プロセスを単純化し、燃失、溶出、溶解、二次組立て、構造穴、または複合材物品全体を形成する際のコア除去の他の方法の必要性を排除する。
【００１４】
次に図面を参照すると、消費コアを含む、複合材物品製造の方法およびシステムの実施形態が示されるが、消費コアは、製造プロセスを単純化するとともに、複合材物品の品質および設計の柔軟性を増大してもよい。図面中の構成要素はそれぞれ、従来の手段を介して、例えば共通の導管、または図１〜４に示されるような他の既知の手段を介して接続されてもよい。具体的には、図１を参照すると、本発明の実施形態による、複合材前駆物質１４０内に消費コア１３０（仮想線で示される）を含む複合材物品製造システム１００の三次元斜視図が示される。複合材前駆物質１４０は、溶浸材料（例えば、ホウ素などの補助元素を微量添加したシリコン）を吸収する際に複合材物品２００（図２に示される）を形成するように適合された、多孔質の炭化複合材前駆物質であってもよい。消費コア１３０は、複合材前駆物質１４０内に位置付けられ、芯１１２（例えば、溶融混合物を運ぶように適合された浸透性ストリップ）を介して外部供給材ブロック１１０に接続されてもよい。供給材ブロック１１０は、溶浸材料の追加部分を消費コア１３０に供給してもよく、固体の圧縮成形および／または焼結された微粒子で形成されたシリコンブロックを含んでもよい。消費コア１３０は、リザーバ１２０を含んでもよいドレイン１２２（例えば、溶融混合物を運ぶように適合された浸透性ストリップ）にさらに接続されてもよい。複合材物品の形成（例えば、溶解浸透プロセス）中、複合材物品製造システム１００は、熱および圧力の変動を含む環境条件のサイクルに晒されてもよい。このサイクルによって、溶浸材料（例えば、シリコン）が供給材ブロック１１０から消費コア１３０へと移動し、その結果、消費コア１３０が複合材前駆物質１４０に吸収される。溶浸材料の過剰部分は、ドレイン１２２を介してリザーバ１２０へと流れてもよい。一実施形態では、消費コア１３０からの材料は、毛管作用によって複合材前駆物質１４０に吸収されてもよい。
【００１５】
複合材前駆物質１４０は消費コア１３０を完全に収容（例えば、封入）してもよい。消費コア１３０は、金属、シリコン、または現在既知のもしくは今後開発される他の任意の材料から、圧縮成形、鋳造、または機械加工されてもよい。予備成形は、複合材前駆物質１４０の中空の特徴の輪郭を補完するように消費コア１３０を形作ってもよい。消費コア１３０の組成は、純シリコン、またはシリコンに合金材料を加えたものを含んでもよい。一実施形態では、消費コア１３０はシリコンおよびホウ素を含んでもよい。一実施形態では、消費コア１３０は、焼結微粒子を含んでもよく、約９５％のシリコンおよび約５％のホウ素を含んでもよい。別の実施形態では、消費コア１３０は、約２０％のホウ素（Ｂ）、２０％の炭素（Ｃ）、または２０％の超硬合金（例えば、Ｔａ、Ｚｒ、Ｎｂなど）、および残りの分のシリコンの組成を含んでもよい。消費コア１３０は、複合材前駆物質１４０に内在化される前に、設定のサイズおよび形状に鋳造されてもよい。消費コア１３０は、本明細書では特定の例示的な組成および化学的性質に関して記載されるが、これらの組成および化学的性質は単なる例証であり、任意の焼結化学物質、固体鋳造化学物質、および現在既知のもしくは今後開発される組成が、消費コア１３０に含まれてもよいことが理解される。
【００１６】
製造中、消費コア１３０は、複合材前駆物質１４０中へと自己消費して複合材物品２００を形成してもよい。一実施形態では、消費コア１３０は完全に消費されて（例えば、複合材物品２００へと内在化されて）もよい。一実施形態では、消費コア１３０および供給材ブロック１１０は実質的に同じ材料を含んでもよい。供給材ブロック１１０は、純シリコン、ホウ素、シリコンに合金材料を加えたもの、または現在既知のもしくは今後開発される他の任意の材料を含んでもよい。
【００１７】
芯１１２およびドレイン１２２は、類似の材料および組成を含んでもよく、両方とも溶融混合物（例えば、溶融シリコンホウ素）を運ぶように適合される。一実施形態では、芯１１２およびドレイン１２２は交換可能であってもよい。芯１１２およびドレイン１２２は、芯１１２およびドレイン１２２を形成するように製織または編組された不活性材料を含んでもよい。一実施形態では、芯１１２およびドレイン１２２は製織炭素繊維を含んでもよい。
【００１８】
次に図２を参照すると、本発明の実施形態による、複合材物品２００の部分の三次元斜視図が示される。この実施形態では、複合材物品２００は、内側／中空の特徴２３０（仮想線で示される）を画定する複合材本体２４０を含んでもよい。複合材本体２４０は、複合材物品２００を形成する実質的に均一な材料組成を有してもよい。内側／中空の特徴２３０は、溶解浸透プロセス中に完全に消費されるように内側／中空の特徴２３０を空にする、消費コア１３０（図１に示される）を実質的に有さない。複合材本体２４０は、内側／中空の特徴２３０をシールする天面２５０および底面２７０を含んでもよい。
【００１９】
次に図３を参照すると、本発明の実施形態による、複合材前駆物質３４０（仮想線で示される）内に内在化された消費コア３３０を含む、複合材物品製造システム３００の概略三次元斜視図が示される。この実施形態では、一組の外部ブロック３８０および３８２が、複合材前駆物質３４０の周りに配設され、溶浸材料を複合材前駆物質３４０の外表面に適用するように適合される。追加の溶浸材ブロック３８０および３８２は、材料組成が消費コア３３０に類似していてもよい。追加の溶浸材ブロック３８０および３８２の適用および／または包含は、複合材前駆物質３４０内の毛細管を完全に充填するのに必要な溶浸材の体積に応じて決まってもよい。複合材前駆物質３４０は、芯３１２を介して第１の外部供給材ブロック３１０に、また芯３１６を介して第２の外部供給材ブロック３１４に接続される。製造プロセス（例えば、溶解浸透プロセス）中、複合材物品製造システム３００に高温が適用されて、溶浸材料（例えば、マトリックス）が消費コア３３０、外部供給材ブロック３１０、外部供給材ブロック３１４、外部ブロック３８０、および／または外部ブロック３８２を介して、複合材前駆物質３４０（例えば、容積材料）に導入されるように誘発してもよい。図３で分かるように、消費コア３３０および複合材前駆物質３４０は、複雑な幾何学形状、エーロフォイル、タービン羽根などを含む、複合材物品の任意の形態を生み出すように形成されてもよい。溶浸材料は、必要に応じて、外部ブロック３８０、外部ブロック３８２、外部供給材ブロック３１０、外部供給材ブロック３１４、および消費コア３３０のいずれかを介して複合材前駆物質３４０に導入されて、溶浸材料が複合材前駆物質３４０の繊維全てを取り囲むとともに、セラミック複合材の細隙全てを充填することを保証してもよい。
【００２０】
次に図４を参照すると、本発明の実施形態による例示の方法のフローチャートが示される。予備プロセスＰ１（仮想線で示される）では、消費コア１３０が複合材前駆物質１４０内に配設される。消費コア１３０は、複合材前駆物質１４０内に内在化されて、複合材前駆物質１４０によって完全に封入されてもよい。これは、予定のまたはユーザプロンプトによる製造プロセスに応答して、技術者および／または機械類によって行われてもよい。一実施形態では、消費コア１３０は、複合材前駆物質１４０の組立て中に複合材前駆物質１４０に挿入されてもよく、複合材前駆物質１４０の残りの部分は挿入後に形成されて、消費コア１３０を実質的に中にシールする。プロセスＰ１に続くプロセスＰ２では、外部供給材ブロック１１０が芯１１２を介して消費コア１３０に接続される。プロセスＰ２に続くプロセスＰ３では、消費コア１３０がドレイン１２２を介してリザーバ１２０に接続され、それによって複合材物品製造システム１００を形成する。プロセスＰ３に続くプロセスＰ４では、複合材物品製造システム１００に一連の環境上の調節（例えば、溶解浸透プロセス、温度上昇、圧力上昇など）が施され、それによって消費コア１３０が溶浸材料へと変化し、複合材前駆物質１４０の部分に浸透し始める。プロセスＰ４に続くプロセスＰ５では、消費コア１３０は溶解浸透プロセス中に消費され、複合材前駆物質１４０と統合して、内側／中空の特徴２３０を空にするとともに複合材物品２００を形成する。プロセスＰ５に続くプロセスＰ６では、複合材物品製造システム１００の周りの環境条件が周囲に合わせて再調節され、芯１１２およびドレイン１２２が複合材物品２００から分離される。
【００２１】
図面中のデータフローチャートおよびブロック図は、本発明の様々な実施形態によるシステム、方法、およびコンピュータプログラム製品の可能な実現例のアーキテクチャ、機能性、および動作について例証している。この点に関して、フローチャートまたはブロック図の各ブロックは、指定の論理関数（１つもしくは複数）を実現するための１つまたは複数の実行可能命令を含む、モジュール、セグメント、またはコードの部分を表してもよい。また、いくつかの代替の実現例では、ブロックに示される機能は、図面に示されるのとは異なる順序で発生してもよいことに留意されたい。例えば、連続して示される２つのブロックは、実際にほぼ同時に実行されてもよく、または、関与する機能性に応じて、それらのブロックは場合によっては逆の順序で実行されてもよい。また、ブロック図および／またはフローチャート図の各ブロック、ならびにブロック図および／またはフローチャート図のブロックの組み合わせは、指定の機能もしくは行為を行う専用ハードウェアベースのシステム、または専用ハードウェアとコンピュータ命令の組み合わせによって実現することができることに留意されたい。
【００２２】
本開示の消費コア、システム、および方法は、任意の１つの特定の複合材料、複合材物品、プロセス、または他のシステムに限定されず、他の製造プロセスおよび／またはシステムとともに使用されてもよい。それに加えて、本発明の消費コアおよびシステムは、本明細書に記載の自己消費、仕上げ、および製造の利益による利益を得てもよい、本明細書に記載されない他のシステムとともに使用されてもよい。
【００２３】
本明細書で使用する用語は、単に特定の実施形態について説明するためのものであり、本開示を限定しようとするものではない。本明細書で使用するとき、文脈による別段の指示がない限り、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、複数形も含むことを意図する。さらに、「備える」および／または「備えている」という用語は、本明細書で使用するとき、規定の特徴、整数、ステップ、動作、要素、および／または構成要素の存在を指定するが、１つもしくは複数の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、および／またはそれらの群の存在あるいは追加を除外するものではないことが理解されるであろう。
【００２４】
本明細書は、実施例を使用して、最良の形態を含む本発明を開示するとともに、任意のデバイスまたはシステムの作成と使用および任意の組み込まれた方法の実行を含めて、当業者が本発明を実施できるようにしている。本発明の特許可能な範囲は、請求項によって定義され、当業者には想起される他の実施例を含んでもよい。他のかかる実施例は、請求項の文言と異ならない構造的要素を有する場合、または請求項の文言と実質的に異ならない等価の構造的要素を含む場合に、請求項の範囲内にあるものとする。
【符号の説明】
【００２５】
１００、３００  複合材物品製造システム
１１０  外部供給材ブロック
１１２、３１２、３１６  芯
１２０  リザーバ
１２２  ドレイン
１３０、３３０  消費コア
１４０、３４０  複合材前駆物質
２００  複合材物品
２３０  内側／中空の特徴
２４０  複合材本体
２５０  天面
２７０  底面
３１０  第１の外部供給材ブロック
３１４  第２の外部供給材ブロック
３８０、３８２  一組の外部ブロック
【図１】
2015047619.tif 000003
【図２】
2015047619.tif 000004
【図３】
2015047619.tif 000005
【図４】
2015047619.tif 000006
【外国語明細書】
2015047619000001.pdf