(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スキーラチップ（５４）を有するセラミックマトリクス複合材料（ＣＭＣ）製タービンブレード（４０）を形成する方法（２００）であって、
プリプレグテープからなる複数の二次元プライ形を形成するステップ（２１０）と、
タービンブレードを形成するためのツールの空洞に第１の量の複数の二次元プライ形を配置するステップ（２１２）と、
スキーラチップ空洞（６０）、及び正圧側（４６）及び負圧側（４４）の少なくとも一方にある端部フレア（７０）を形成するためのマンドレル（３２０）を挿入するステップ（２１２）と、
プリプレグテープで形成された第２の量の複数の二次元プライ形を配置するステップ（２１５）と、
ツールを閉じるステップ（２１６）と、
ツールをオートクレーブに挿入し、タービンブレードを形成するステップ（２１８）と
を含む方法。
【請求項２】
マンドレルは、正圧側（４６）及び負圧側（４４）の少なくとも一方において二次元プライ形を外側に押す、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
スキーラチップ空洞をタービンブレードのブレード先端（５４）に形成する、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
スキーラチップ空洞が半径方向にタービンブレードのブレード先端内に延びている、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
スキーラチップ空洞の深さ（８２）が壁の厚さよりも大きい、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
スキーラチップ空洞の深さ（８２）が壁の厚さに等しい、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
空洞の周方向幅がタービンブレードの翼弦方向に沿って変化する、請求項４に記載の方法。
【請求項８】
前記端部フレア（７０）が、第１の半径で外側にフレア状になっている第１の湾曲（７２）を含むように、前記正圧側（４６）に形成される、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記端部フレア（７０）が、第２の半径で上方へとフレア状になっている第２の湾曲（７２）をさらに含むように、前記正圧側（４６）に形成される、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記第２の半径が前記第１の半径に等しい、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記正圧側（４６）に形成される前記端部フレア（７０）がＳ字形である、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記端部フレア（７０）が、角度（θ）を付けて外側にフレア状になるように、前記正圧側（４６）に形成される、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
マンドレルをタービンブレードから取り除く、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記端部フレア（７０）が、第１の半径で外側にフレア状になっている第１の湾曲（１７２）を含むように、前記負圧側（４４）に形成される、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記端部フレア（７０）が、第２の半径で上方へとフレア状になっている第２の湾曲（１７４）をさらに含むように、前記負圧側（４４）に形成される、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記第２の半径が前記第１の半径に等しい、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記負圧側（４４）に形成される前記端部フレア（７０）がＳ字形である、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記端部フレア（７０）が、角度を付けて外側にフレア状になるように、前記負圧側（４４）に形成される、請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
開示される実施形態は、広くには、セラミックマトリクス複合材料製の航空機用エンジン部品を形成する１以上の方法に関する。より詳しくは、本発明の実施形態は、これに限られるわけではないが、セラミックマトリクス複合材料製のタービンブレードのスキーラチップ及び正圧側フレアを形成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
典型的なガスタービンエンジンは、一般に、前端及び後端を有しており、いくつかのコア及び推進部品が前端と後端との間に軸方向に配置されている。空気入口又は吸気口が、ガスタービンエンジンの前端に位置する。後端に向かって移動するにつれて、順番に、ガスタービンエンジンの後端に向かって圧縮機、燃焼室、及びタービンが吸気口に続いている。例えば低圧及び高圧圧縮機、並びに高圧及び低圧タービンなど、さらなる部品もガスタービンエンジンに含まれてよいことは、当業者にとって容易に明らかであろう。しかしながら、これはすべてを列挙し尽くしたものではない。さらに、ガスタービンエンジンは、典型的には、ガスタービンエンジンの中心の長手軸に沿って軸方向に配置された内部シャフトを有する。内部シャフトは、タービンが空気圧縮機へと回転の入力をもたらして圧縮機のブレードを駆動するように、タービン及び空気圧縮機の両方へと接続される。
【０００３】
稼働時、空気が圧縮機において加圧され、燃焼器において燃料と混合され、タービン段を通って下流へと流れる高温の燃焼ガスが生み出される。これらのタービン段が、燃焼ガスからエネルギを抽出する。高圧タービンが、燃焼器からの高温の燃焼ガスを最初に受け取り、高圧タービンは、支持ロータディスクから放射状に外側へと延びている高圧タービンロータブレードの並びを通って下流へと燃焼ガスを導くステータノズルアセンブリを備えている。２段のタービンにおいては、第２段のステータノズルアセンブリが、第１段のブレードの下流に配置され、その後に第２の支持ロータディスクから放射状に外側に延びている第２段のロータブレードの並びが続いている。タービンは、燃焼ガスのエネルギを機械的なエネルギへと変換し、その際に、各組のステータ羽根が、隣の回転しているタービンブレードの並びに関与するように燃焼ガスの向きを変え、加速させる。
【０００４】
例えばタービンブレード（ただし、これに限られない）などの航空機及び航空機用エンジンの部品の形成においては、タービンブレードの先端（チップ）に位置する開口空洞であるスキーラチップを形成することが望ましい。さらに、ブレードの正圧側及び／又は負圧側の先端部にフレアを設けることが望ましい。なぜならば、これらの特徴はどちらもタービンブレードの効率を改善するからである。また、タービンブレードの形成においては、根元からの支持を有さないと考えられる翼形部長の一部にしか及ばない層が存在しないように、翼形部の全体としての厚さが一定であり、或いは先端から根元又はハブへと増加していることが望ましい。しかしながら、端部フレアの形成において、端部フレアをもたらすために追加の材料が必要とされ、これが翼形部の全体としての厚さに関する制約に違反する。
【０００５】
さらに、ＣＭＣ製のブレードにおいてスキーラチップを形成するとき、そのようなスキーラチップを形成する１つの典型的な方法は、部材の形成後に空洞を機械加工する必要がある方法である。しかしながら、空洞の形成に必要とされるこれらの追加の機械加工プロセスは、部材を形成するための追加のコストを必要とする。部材の形成後のこの機械加工は、製造にとって非効率的であり、タービンブレードの製造にとってコスト増の原因である。
【０００６】
以上によって理解できるとおり、ガスタービンエンジンの部品の製造を改善することが、望ましいと考えられる。例えば、先端の流れの漏れの軽減、タービンの効率の向上、又は先端の冷却の改善、或いはこれらの任意の組合せが、望ましいと考えられる。さらに、スキーラチップ及び端部フレアを備えるセラミックマトリクス複合材料製のタービンブレードを、タービンブレードの構造に関する所望の制約を満たしつつ形成することが、望ましいと考えられる。
【０００７】
本明細書において引用されるあらゆる資料並びにそのあらゆる説明及び検討など、本明細書のこの「背景技術」の部分に含まれる情報は、あくまでも技術的な参照の目的で含まれているにすぎず、本発明の実施形態の範囲を拘束する主題と見なされるべきではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】欧州特許出願公開第２６５７２１０号明細書
【発明の概要】
【０００９】
本発明のいくつかの態様によれば、スキーラチップと端部フレアとを備えるセラミックマトリクス複合材料製タービンブレードを形成する方法が提供される。プリプレグテープによるＣＭＣ製タービンブレードの積層プロセスにおいて、マンドレルがツールへと挿入され、さらなるプリプレグテープがマンドレルの周囲に配置される。オートクレーブ処理において、テープが、タービンブレードにフレアをもたらすように外側に押される。さらにマンドレルは、形成されるタービンブレードにスキーラチップ空洞を定める。このプロセスは、これらの構造を積層及びオートクレーブの工程において形成することを可能にし、ＣＭＣ製部材の製造のオートクレーブ工程に続く特定の機械加工工程を不要にする。
【００１０】
いくつかの実施形態によれば、スキーラチップを有するセラミックマトリクス複合材料製（ＣＭＣ）タービンブレードを形成する方法が、プリプレグテープからなる複数の二次元プライ形を形成するステップと、タービンブレードを形成するためのツールの空洞に第１の量の複数の二次元プライ形を配置するステップと、正圧側及び負圧側の少なくとも一方にスキーラチップ空洞及び端部フレアを形成するためのマンドレルを挿入するステップと、プリプレグテープで形成された第２の量の複数の二次元プライ形を配置するステップと、ツールを閉じるステップと、ツールをオートクレーブに挿入し、タービンブレードを形成するステップとを含む。
【００１１】
上述の特徴はいずれも、あくまでも例として理解されるべきであり、フレアを備えるタービンブレードスキーラチップ及びその方法の多数のさらなる特徴及び目的を、本明細書の開示から学習できるであろう。この「発明の概要」は、「発明を実施するための形態」においてさらに後述される考え方の選択を、簡単な形で照会するために提示される。この「発明の概要」は、特許請求の範囲に記載される主題の重要な特徴又は必須の特徴を特定しようとするものではなく、特許請求の範囲に記載の主題の技術的範囲を限定するために使用されるものでもない。本発明の特徴、詳細、効用、及び利点のさらに詳しい提示が、本発明の種々の実施形態の以下の書面による説明においてもたらされ、添付の図面に示され、添付の特許請求の範囲に定められる。したがって、この概要を、ここに含まれる明細書、特許請求の範囲、及び図面の全体をさらに検討することなく限定的に解釈すべきではない。
【００１２】
以下の実施形態の説明を添付の図面と併せて参照することによって、本発明の実施形態の上述の特徴及び利点並びに他の特徴及び利点、及びそれらを達成する方法が、さらに明らかになり、ＣＭＣ製タービンブレードのスキーラチップ及び端部フレアが、その方法も含めて、よりよく理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】ガスタービンエンジンの側面概略図である。
【図２】タービンブレードの斜視図である。
【図３】スキーラチップ及び正圧側フレアの斜視図である。
【図４】別のスキーラチップの側面概略図である。
【図５】さらに別のスキーラチップの側面概略図である。
【図６】またさらに別のスキーラチップの側面概略図である。
【図７】スキーラチップ及び正圧側フレアを備えるＣＭＣ製ブレードを形成する一方法を示すフロー図である。
【図８】マンドレルを備える予備形成ツールの負圧側の上面図である。
【図９】予備形成ツールの正圧側の上面図である。
【図１０】予備形成ツールから取り外されたマンドレルの斜視図である。
【図１１】負圧側フレアを有する別のスキーラチップの斜視図である。
【図１２】図１１の実施形態を形成するための別のマンドレルの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
次に、提示される実施形態を詳しく参照するが、それらの実施形態のいくつかの例が、図面に示されている。各々の例は、説明の目的で提示されており、開示される実施形態を限定するものではない。実際、これらの実施形態では、開示の技術的範囲及び技術的思想から離れることなく、種々の変更及び変種が可能であることは、当業者にとって明らかであろう。例えば、或る実施形態の一部として例示又は説明される特徴を、別の実施形態では使用して、さらなる実施形態をやはりもたらすことが可能である。このように、本発明は、添付の特許請求の範囲及びそれらの均等物の技術的範囲に含まれるような変更及び変種を包含するように意図される。
【００１５】
図１〜１２を参照し、セラミックマトリクス複合材料製タービンブレードスキーラチップ及びフレアの種々の実施形態、並びにその方法が、教示される。より具体的には、ＣＭＣ製タービンブレードが、一体のスキーラチップ並びに正圧側フレア及び／又は負圧側フレアを備えて形成される。スキーラチップは、予備形成のプロセスにおいて形成され、空洞を形成するための後の機械加工を排除する。本方法は、厚い領域を形成し、先端をフレア状とするための追加のプリプレグ層を設ける必要なく、先端にフレアを形成することも可能にする。
【００１６】
本明細書において使用されるとき、用語「軸方向」又は「軸方向に」は、ガスタービンエンジンの長手軸に沿った次元を指す。「軸方向」又は「軸方向に」と併せて使用される用語「前」は、ガスタービンエンジンの入口へと向かう方向の移動を指し、或いは別の部品と比べてガスタービンエンジンの入口の比較的近くに位置する部品を指す。「軸方向」又は「軸方向に」と併せて使用される用語「後ろ」は、ガスタービンエンジンのノズルへと向かう方向の移動を指し、或いは別の部品と比べてガスタービンエンジンのノズルの比較的近くに位置する部品を指す。
【００１７】
タービンの効率は、根元から先端まで、及び前縁と後縁との間において、翼形部の正圧側及び負圧側に作用する燃焼ガスの差圧からエネルギを抽出する翼形部表面の能力にもとづく。
【００１８】
最初に図１を参照すると、圧縮機１４と、燃焼器１６と、多段高圧タービン２０とによっておおむね定められるコア推進器１３へと空気が進入するエンジン入口端１２を有しているガスタービンエンジン１０の概略の側面断面図が示されている。全体として、コア推進器１３は、稼働時に推力又は動力をもたらす。ガスタービンエンジン１０を、航空、発電、産業、海洋、などに使用することができる。
【００１９】
稼働時に、空気が、ガスタービンエンジン１０のエンジン入口端１２を通って進入し、１以上の圧縮段を通って移動し、そこで空気の圧力が高められ、燃焼器１６へと導かれる。圧縮された空気が、燃料と混ぜられて燃やされ、高圧タービン２０に向かって燃焼器１６を出る高温の燃焼ガスをもたらす。高圧タービン２０は、中心線エンジン軸線２６を中心にして軸対称であり、ロータディスクと、複数の周状に間隔を空けて位置したブレード４０（図２）とを備えている。高圧タービン２０において、高温の燃焼ガスからエネルギが抽出され、タービンブレードを回転させ、シャフト２４の回転を生じさせる。シャフト２４は、ガスタービンエンジン１０の前部へと通過し、タービンの設計に応じて、圧縮機１４の１以上の段、入口ファンブレードを有するファン１８の回転を続ける。ファン１８は、直接的又は間接的に低圧タービン２１へとシャフト２８によって接続され、ガスタービンエンジン１０の推力を生み出す。低圧タービン２１を、さらなるエネルギの抽出及び低圧圧縮機の各段の駆動に利用することもできる。高圧の空気を、ガスタービンエンジン１０の部品の冷却を助けるためにも使用することができる。
【００２０】
ガスタービンエンジン１０は、エンジン軸線２６又はシャフト２４を中心にして軸対称であり、種々のエンジン部品がエンジン軸線２６又はシャフト２４を中心にして回転する。軸対称なシャフト２４は、ガスタービンエンジン１０の前端を通って後端へと延び、シャフト構造物の全長に沿って軸受によって支持されている。シャフト２４は、ガスタービンエンジン１０の中心線エンジン軸線２６を中心にして回転する。シャフト２４は、内側で低圧タービンシャフト２８をシャフト２４の回転とは独立に回転させることができるように、中空であってよい。シャフト２８も、ガスタービンエンジン１０の中心線エンジン軸線２６を中心にして回転することができる。稼働時に、シャフト２８は、電力及び産業或いは航空の使用分野に用いられるさまざまな種類のタービンのための出力又は推力を生み出すために、シャフトへと接続されたタービンのロータアセンブリなどの他の構造物と一緒に回転する。
【００２１】
次に図２を参照すると、ガスタービンエンジン１０（図１に示されている）において使用することができ、いくつかの実施形態に従ってセラミックマトリクス複合材料で形成されてよいロータブレード４０の斜視図が示されている。各々のロータブレード４０は、中空、部分的に中空、又は中実な翼形部４２と、翼形部４２を公知のやり方でロータディスク（図示されていない）へと取り付けるために使用される一体ダブテール４３とを備えている。種々の形態のダブテール４３を、利用することができる。例えば、軸方向ダブテールを、ロータディスクの周囲の対応するスロットに取り付けられるように構成することができる。一実施形態ではは、複数のロータブレード４０が、ガスタービンエンジン１０の高圧タービンロータブレード段（図示せず）を形成する。
【００２２】
ブレード４０と対向するタービンシュラウド（図示せず）との間のすき間又は空隙が、ブレード４０の周囲の燃焼ガスの流れの漏れを抑えるために、できる限り小さいことが望ましい。空隙は、タービンシュラウドに対するブレードの望ましくないこすれがないように、ブレード４０の熱膨張及び収縮も可能にしなければならない。
【００２３】
ダブテール４３の上端に、プラットフォーム５１が配置される。プラットフォーム５１は、タービン内の加圧された燃焼の流れのための半径方向内側の流れの表面を定める。翼形部４２は、プラットフォーム５１の外面から半径方向に延びている。タービンシュラウド（図示せず）が、半径方向外側の流れの表面を定める。
【００２４】
翼形部４２は、第１の側壁４４及び第２の側壁４６を備える。第１の側壁４４は、凸状であり、翼形部４２の負圧側を定めており、第２の側壁４６は、凹状であり、翼形部４２の正圧側を定めている。側壁４４及び４６は、翼形部４２の前縁４８及び前縁４８から下流の軸方向に離れたて位置する後縁５０において互いにつながる。翼形部４２は、例えば前縁と後縁との間において、１以上の次元において湾曲している。さらに、翼形部４２は、半径方向に沿って湾曲させられ、或いはねじられていてもよい。
【００２５】
側壁４４は、気流がより低い圧力の領域を生み出す負圧側を定める。代わって、側壁４６は、より高い圧力の流れが生じる正圧側を定める。両側とも、前縁４８及び後縁５０の間をプラットフォーム５１からブレード先端又はスキーラチップ５４まで延びることができる。
【００２６】
ブレード４０は、中実、中空、又は部分的に中空であってよく、ブレード４０内で気流を導くための複数の冷却チャンバを備えることができる。１以上の冷却チャンバは、外面を冷却するように連通することができる。例えば、翼形部４２は、翼形部４２の外面５３の冷却を促進すべく翼形部４２から冷却流体を排出するために、側壁４４及び４６のいずれか又は両方に沿ってスキーラチップ５４とブレードの根元５２の間に半径方向に間隔を空けつつ位置する複数のフィルム穴を備えることができる。また、翼形部４２は、翼形部の後縁５０の冷却を促進するように翼形部４２から冷却流体を排出するために、スキーラチップ５４とブレードの根元５２との間を後縁５０に沿って半径方向に間隔を空けつつ配置された複数の後縁スロットを備えることができる。フィルム穴及び後縁スロットによって強化される熱伝達が、ブレード４０内の１以上のチャンバとの連通によって翼形部の外面５３に沿った冷却を促進する。
【００２７】
翼形部４２内の冷却チャンバ又は流路は、さまざまな構成のいずれかであってよい。例えば、冷却空気の有効性を向上させる内部の乱流発生部をさらに備えることができる蛇行したフローチャネルが存在できる。しかしながら、これらの冷却チャンバ及び回路は、利用されても、利用されなくてもよい。
【００２８】
第１及び第２のそれぞれの側壁４４及び４６は、ダブテール４３に隣接して位置するブレードの根元５２からスキーラチップ５４へと半径方向に延び、スキーラチップ５４には、１以上のスキーラチップ空洞６０が定められている。１以上のスキーラチップ空洞６０は、タービンブレード４０のより効率的な動作をもたらす。さらに、正圧側４６は、効率をさらに改善するために端部空洞にフレアを備える。いくつかの実施形態ではは、さらに説明されるとおり、正圧側に加え、或いは正圧側から独立して、ブレードの負圧側もフレアを備えることができる。さらに、断片９８が、ブレード４０から取り除かれて図示されている。そのような加工を、翼形部４２の形成後に行うことができる。
【００２９】
次に図３を参照すると、スキーラチップ空洞６０の上方からの斜視図が示されている。スキーラチップ空洞６０は、ブレード４０の半径方向外側の端部に形成され、半径方向外側の端部において開いている。スキーラチップ空洞６０の半径方向内側の端部は、床６２を備えている。空洞の壁６４、６６が、床から上方へと延びている。これらの壁６４、６６を、スキーラチップリブと称することもできる。壁６４が、翼形部４２の負圧側に対応し、翼形部４２の負圧側から延びている一方で、壁６６が、翼形部４２の正圧側に対応し、翼形部４２の正圧側から延びている。壁６４、６６は、スキーラチップ空洞６０の前端及び後端においてつながり、スキーラチップ空洞６０の弦長に沿って移動するにつれて離れている。
【００３０】
スキーラチップ空洞６０は、空洞の壁６４、６６及び床６２によって定められる断面においておおむねＵ字形である。スキーラチップ空洞６０は、空洞の壁６４、６６及び床６２によって定められる深さ８２を有している。側壁６４、６６の間の幅は、ブレード４０に沿った気流の方向である翼弦方向に沿って変化することができる。さらに、空洞の壁６４、６６の幅も、同様に変化してよい。いくつかの実施形態によれば、壁６４、６６の幅は、約２０〜４０ミルの間であってよい。壁６４、６６の深さは、約２０〜２５ミル（０．５〜０．６ｍｍ）であってよい。第１の壁６４は、半径方向に延びており、おおむね直線的である。さらに、スキーラチップ空洞６０の深さは、弦長に沿って変化してもよく、或いは翼弦方向に沿って一定であってよい。スキーラチップ空洞６０の深さは、壁６４、６６の厚さよりも大きくてよく、或いは壁６４、６６の厚さに等しくてよい。正圧側に位置する第２の壁６６は、フレア７０を有しており、スキーラチップ空洞６０に向かって内側６８において湾曲している。壁６６の外側において、フレア７０は、第１の湾曲７２及び第２の湾曲７４を備えることができる。一実施形態によれば、この二重の湾曲が、フレア７０の外側のＳ字形を形成することができる。
【００３１】
第１の湾曲７２は、湾曲を定める第１の半径を有することができ、第２の湾曲７４は、湾曲を定める第２の半径を有することができる。第１の湾曲７２は、第２の湾曲７４よりも小さくてよく、第２の湾曲７４よりも大きくてよく、或いは第２の湾曲７４に等しくてよい。さらに、正圧側フレア７０は、側壁６６のオーバーハング８０を形成する。オーバーハング８０は、壁６６の厚さよりも小さくてよく、或いは壁６６の厚さに等しくてよい。
【００３２】
スキーラチップ空洞６０の内部において、壁６４、６６と床６２との間の接合部は、湾曲した半径であってよく、斜めの表面であってよく、或いは角であってよい。湾曲した半径の構造は、スキーラチップ空洞６０の製造性を改善することができる。さらに、スキーラチップ空洞６０は、スキーラチップ空洞６０を通って壁６４、６６の間を翼弦方向又は周方向のいずれか又は両方に延びる１以上の壁を備えることができる。
【００３３】
或いは、図４を参照すると、フレア７０を、直線部分１７３、１７５によって定めてもよい。さらなる代案においては、図５を参照すると、負圧側の壁１６４を、鉛直よりもむしろ斜めにすることができる。角度θは、図５に示されるように９０度よりも小さくても、図６に示されるように９０度よりも大きくてもよい。
【００３４】
加えて、図示の実施形態ではは、ただ１つのスキーラチップ空洞６０が示されているが、１以上の空洞をブレード４０の上部に沿って形成できることを、理解すべきである。種々の構造及び配置を、１以上の空洞６０を配置するために使用することができる。加えて、バッフル壁を空洞内に配置し、半径方向又は半径方向に対する何らかの角度に延ばすことができ、或いは軸方向又は翼弦方向に延ばすことができる。
【００３５】
稼働時、再び図３を参照すると、タービンブレード４０がタービンシュラウドの近傍を通り過ぎるとき、再循環ゾーン９２が、正圧側の壁６６の上面９０に生じる。これが、燃焼ガスがブレード４０とシュラウドとの間を通過すること（タービンブレード４０からの効率の損失を引き起こしかねない）を妨げる。同様のシール機能が、応じて、負圧側の壁６４の上面において生じうる。
【００３６】
第２の再循環ゾーン９４が、第１の湾曲７２の範囲内のオーバーハング８０の下方に生じる。第２の再循環ゾーン９４は、ブレード４０のスキーラチップ５４の近くに冷却空気／フィルムを保つうえで助けとなりうる。
【００３７】
セラミックマトリクス複合材料製のブレード４０を形成する方法が、図７を参照し、以降の種々の図との組合せにおいて説明される。
【００３８】
図７が、端部フレアとスキーラチップ５４とを有するブレード４０を形成するための方法２００を有するフロー図を示している。第１のステップ２１０において、複数の二次元のプライ形が形成される。この形成プロセスは、一般に、各々が所望のセラミック繊維補強材料と、ＣＭＣマトリクス材料の１以上の前駆体と、有機樹脂結合材とを含む「テープ」の形態である複数のプリプレグ層を使用して、ＣＭＣを製作することを必要とする。従来からの実務によれば、プリプレグテープを、補強材料にセラミック前駆体と結合材とを含むスラリを含浸させることによって、形成することができる。好ましい前駆体の材料は、例えば所望のマトリクス材料がＳｉＣである場合のＳｉＣ粉末及び／又は１以上の炭素含有材料など、ＣＭＣ製部品のセラミックスマトリクスについて所望される個々の組成に依存する。注目に値する炭素含有材料として、カーボンブラック、フェノール樹脂、及びフルフリルアルコール（Ｃ4Ｈ3ＯＣＨ2ＯＨ）などのフラン樹脂が挙げられる。他の典型的なスラリ成分として、プリプレグテープの柔軟性を促進する有機結合材（例えば、ポリビニルブチラール（ＰＶＢ））、並びに繊維補強材料の含浸を可能にすべくスラリの流動性を促進する結合材用の溶媒（例えば、トルエン及び／又はメチルイソブチルケトン（ＭＩＢＫ））が挙げられる。スラリは、例えばＳ−−ＳｉＣマトリクスの場合におけるケイ素及び／又はＳｉＣ粉末など、ＣＭＣ製部品のセラミックスマトリクスに存在するように意図された１以上の粒子充てん材をさらに含むことができる。
【００３９】
巻き付けプロセスが、コンピュータモデル化システムにて形作られ、その後にモデル化システムにおいて作られた所定のパターンに従って例えば二次元の所望の所定の形状へと切断されたプリプレグテープの形成を可能にする。次いで、切断されたテープ又は層が、ステップ２１２において予備形成ツール３００内に積層され、プリプレグテープの層が形成される。
【００４０】
ステップ２１２における積層予備形成において、所望のタービンブレード形状を、予め形成することができる。積層ステップ２１２は、ブレード４０の所望の形状を形成するように複数のプリプレグテープ構造１２０を積層することを含む。ステップ２１２によれば、所定の量の複数のプリプレグテープ又は層が、予備形成ツール３００内に配置される。プリプレグテープ層１２０（図７）が、形成されるセラミックブレード４０の前駆体である「積層」を形成するように積み重ねられる。予備形成ツール３００が、負圧側ツール３１０及び正圧側ツール３１２をそれぞれ示している図８及び９に示されている。図示の実施形態は、負圧側ツール３１０に位置するスキーラチップツール又はマンドレル３２０を備える。正圧側ツール３１２は、空洞３１４を含んでおり、空洞３１４にプリプレグテープが配置され、片側においてマンドレル３２０を囲む。正圧側ツール３１２は、マンドレル３２０との組合せにおいてフレア７０も形成する。
【００４１】
図１０を参照すると、マンドレル３２０が、負圧側３１０から取り外されて図示されている。マンドレル３２０は、プリプレグテープがマンドレル３２０の周囲に配置されたときに空洞を形成する本体３２２を備えている。マンドレル３２０は、マンドレル３２０を負圧側ツール３１０へと接続するための固定具開口３２６を有するマウント３２４を備えている。これが例にすぎず、種々の構成が利用可能であることを、当業者であれば理解できるであろう。
【００４２】
本体３２２は、フレア７０（図３）の変化を生じさせるフレア表面３２５を備えている。フレア表面３２５は、湾曲した表面並びにオーバーハングを形成するための直線的な表面など、種々の形態をとることができる。プリプレグ層が、本体３２２の周囲に配置され、ブレード４０が形成されるときにスキーラチップ空洞６０及びフレア７０を形成するようにツール内で外側に押される。
【００４３】
再び図７を参照すると、第１の所定の量の層がツール３００内に配置された後で、次にマンドレル３２０が、ステップ２１４において予備形成ツール３００に挿入される。この実施形態ではは、マンドレル３２０を、負圧側ツール３１０に配置することができるが、ツール３００、３２０の形状及び構成に応じて、他の構成も利用可能である。
【００４４】
次のステップ２１５によれば、第２の所定の量の複数のプリプレグ層が、予備形成ツール３００内かつ挿入されたマンドレル３２０の周囲に配置される。配置が完了すると、予備形成ツール３００は、ステップ２１６において閉じられる。
【００４５】
スラリの或る程度の乾燥を許し、適切であれば結合材を部分的に硬化（Ｂステージ化）させた後で、得られたプリプレグテープは、他のテープと重ねられ、次いでデバルクされ、適切であれば高い圧力及び温度に曝されて硬化させられ、予備形成物を生む。
【００４６】
予備形成ツール３００が閉じられた後で、ツールは、ステップ２１８においてオートクレーブ内に配置され、配置されたプレグ層が、ステップ２２０において負圧の雰囲気で加熱される。次いで、予備形成物が、真空又は不活性雰囲気において加熱（焼成）されることで、結合材が分解され、溶媒が除去され、前駆体が所望のセラミックスマトリクス材料へと変換される。結合材の分解に起因して、多孔質のＣＭＣ体が得られ、この多孔質のＣＭＣ体に溶融浸透（ＭＩ）を施すことで、孔を満たし、ＣＭＣ製部品を得ることができる。上述のプロセスの具体的な処理技術及びパラメータは、材料の個々の組成に依存する。
【００４７】
ステップ２２０において、ブレード４０が形成されるとき、スキーラチップ空洞６０が同時に形成される。これは、スキーラチップ空洞６０を生成するためにブレードの形成後に別途の処理工程を実行する必要をなくす。
【００４８】
さらに、正圧側のフレア７０を定めるプリプレグ層材料が、フレア７０を形成するように外側に押される。先行技術が、フレア７０の付近の領域を厚くするために追加の量の材料を必要としている一方で、本発明のフレア形成方法は、フレアを生み出すために余分な材料を必要としない。そのような余分な材料は、部材の重量を増し、製造コストを高め、同じ又は小さい厚さの壁が有する所望の制約に違反すると考えられる。加えて、そのような余分な材料は、単に機械加工によって除去されてスキーラチップ空洞６０を生成する必要がある無駄な材料であると考えられる。
【００４９】
その後に、ブレード４０は冷却され、ステップ２２２においてツールから取り出される。さらに、機械加工が、ステップ２２２の後に必要とされてもよい。例えば、ブレード４０は、所望よりも深いスキーラチップ空洞６０を有しうる。換言すると、壁６４、６６が、必要とされるよりも半径方向に長いかもしれない。したがって、ブレード４０の断片９８がスキーラチップ空洞６０の最終的な半径方向寸法をもたらすために除去される図２に示されるとおりの切断工程が必要とされうる。しかしながら、この機械加工工程は、スキーラチップ５４へのスキーラチップ空洞６０の切り込みと比べて、より容易に形成することが可能である。
【００５０】
図１１を参照すると、スキーラチップ１５４を有するブレード１４０の上方からの斜視図が、負圧側のフレア１７０を有して図示されている。負圧側のフレアと正圧側のフレアとが、別々の実施形態にて別々に示されているが、所望であれば１つの実施形態では両方を利用してもよいことを、理解すべきである。先の実施形態と同様に、スキーラチップ空洞６０が、ブレード１４０の半径方向外側の端部に形成され、半径方向外側に開いている。スキーラチップ空洞６０の半径方向内側の端部は、床６２を備えている。空洞の壁１６４、１６６が、床から上方へと延びている。これらの壁１６４、１６６を、スキーラチップリブと称することもできる。壁１６６が、翼形部１４２の負圧側に対応し、翼形部１４２の負圧側から延びている一方で、壁１６４が、翼形部１４２の正圧側に対応し、翼形部１４２の正圧側から延びている。壁１６４、１６６は、スキーラチップ空洞６０の前端及び後端においてつながり、スキーラチップ空洞６０の弦長に沿って移動するにつれて離れている。スキーラチップ空洞６０及び壁１６４、１６６は、先の実施形態と同様の特徴を有する。
【００５１】
壁１６６の外側において、フレア１７０は、１以上の第１の湾曲１７２を備えることができる。複合湾曲面を形成すべき場合には、第２の湾曲１７４をさらに形成することができる。一実施形態によれば、二重のフレア１７０が、フレア１７０の外側のＳ字形を形成することができる。
【００５２】
第１の湾曲１７２は、湾曲を定める第１の半径を有することができ、第２の湾曲１７４は、湾曲を定める第２の半径を有することができる。第１の湾曲１７２は、上述の第２の湾曲が利用される場合、第２の湾曲１７４よりも小さくてよく、第２の湾曲１７４よりも大きくてよく、或いは第２の湾曲１７４に等しくてよい。さらに、負圧側のフレア１７０は、オーバーハング１８０を形成する。オーバーハング１８０は、壁１６６の厚さよりも小さくてよく、或いは壁１６６の厚さに等しくてよい。
【００５３】
次に図１２を参照すると、別の端部ツールマンドレル１３２０の斜視図が示されている。マンドレル１３２０は、マウント１３２４及び本体１３２２を備える。本体１３２２は、負圧側にフレアを生成するフレア表面１３２５を有する。フレア表面１３２５を、壁１６６（図１１）の所望のフレア形状に応じて、さまざまな形状をとるように形成することができる。
【００５４】
本方法は、スキーラチップ５４に一体的なスキーラチップ空洞６０及びフレアを有するＣＭＣ製タービンブレードを形成する方法を提供する。本プロセスは、正圧側のフレアを形成するための厚さを増すための追加の材料が不要なだけでなく、スキーラチップ空洞を形成するための後の機械加工のための犠牲材料も不要である点で、コストに関して中立である。
【００５５】
構造及び方法の以上の説明は、例示の目的で提示されている。以上の説明は、すべてを述べ尽くそうとするものでも、構造及び方法を開示された形態及び／又は工程そのものに限定しようとするものでもなく、当然ながら、多数の変更及び変種が、以上の教示に照らして可能である。本明細書において説明された特徴を、任意の組合せにて組合せることができる。本明細書に記載の方法の各段階を、物理的に可能な任意の順序で実行することができる。複合構造の特定の形態を図示及び説明したが、本発明がそれらに限定されず、むしろ添付の特許請求の範囲によってのみ限定されることを、理解すべきである。
【００５６】
本発明の複数の実施形態を本明細書において説明及び図示したが、当業者であれば、本明細書に記載の機能を実行し、さらには／或いは本明細書に記載の結果及び／又は利点の１以上を得るための種々の他の手段及び／又は構造を、容易に想像でき、そのような変種及び／又は変更の各々が、本明細書に記載の実施形態の技術的範囲に包含されると見なされる。より一般的には、当業者であれば、本明細書に記載したすべてのパラメータ、寸法、材料、及び構成が例示を意図しており、実際のパラメータ、寸法、材料、及び／又は構成が、本発明の教示が用いられる１以上の具体的な用途に応じて決まることを、容易に理解できるであろう。当業者であれば、本明細書に記載の具体的な本発明の実施形態について、多数の均等物を認識でき、或いはありふれた実験を使用して確かめることができるであろう。したがって、以上の実施形態があくまでも例として提示されており、添付の特許請求の範囲及びその均等物の技術的範囲において、本発明の実施形態を、具体的に説明及び請求される方法以外の方法で実施できることを、理解すべきである。本発明の実施形態は、本明細書に記載の各々の個別の特徴、システム、物品、材料、キット、及び／又は方法に向けられる。さらに、２以上のそのような特徴、システム、物品、材料、キット、及び／又は方法の任意の組合せが、そのような特徴、システム、物品、材料、キット、及び／又は方法が相互に矛盾しない限りにおいて、本発明の技術的範囲に包含される。
【００５７】
いくつかの例が、最良の態様を含むいくつかの実施形態を開示するとともに、あらゆる装置又はシステムの製作及び使用並びにあらゆる関連の方法の実行を含む装置及び／又は方法の実施を、当業者にとって可能にするために使用されている。これらの例は、すべてを述べ尽くそうとするものでも、本発明を開示済みの工程及び／又は形態そのものに限定しようとするものでもなく、多数の変更及び変種が、以上の教示に照らして可能である。本明細書において説明された特徴を、任意の組合せにて組合せることができる。本明細書に記載の方法の各段階を、物理的に可能な任意の順序で実行することができる。
【００５８】
本明細書において定義及び使用されるすべての定義は、辞書による定義、援用される文書における定義、及び／又は当該定義の用語の通常の意味よりも優先されると理解されるべきである。不定冠詞「１つの（ａ、ａｎ）」は、本明細書及び特許請求の範囲において使用されるとき、そのようでないと明確に示されない限りは、「少なくとも１つ」を意味すると理解されるべきである。「及び／又は」という表現は、本明細書及び特許請求の範囲において使用されるとき、この表現によって並べられた要素のうちの「いずれか又は両方」を意味し、すなわちいくつかの場合には結合的に存在する要素を意味し、他の場合には選言的に存在する要素を意味すると理解されるべきである。
【００５９】
また、やはりそのようでないと明確に示されない限り、２以上の段階又は行為を含んでいる本明細書に記載のあらゆる方法において、その方法の各段階又は各行為の順序は、必ずしもその方法の各段階又は各行為の言及の順序に限られない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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