(57)【要約】【課題】  ハイブリッドタービンブレードの安価な製造方法の提供。【解決手段】  ハイブリッドタービンブレード（１０）は、複合材シェル（１４）で複合材コア（１６）を囲繞してなり、上記複合材コアは炭化ケイ素とケイ素と炭素の混合物を含み、上記複合材シェルは巻回又は製織セラミックカーバイド繊維材料を含む。ブレードの製造方法は、（ａ）炭素プリフォームを成形し、（ｂ）炉内でプリフォームをケイ素の融点よりも高い温度でケイ素と反応させて、炭化ケイ素とケイ素と炭素の混合物からなるＣＭＣ複合材コア部品（１６）を形成し、（ｃ）ＣＭＣ複合材コア部品に隣接して仮マンドレルコア部品（１８）を配置してマルチコアアセンブリを形成し、（ｄ）マルチコアアセンブリの周囲にプリプレグテープをレイアップして複合材シェル（１４）を形成し、（ｅ）仮マンドレルコア（１８）を除去することを含む。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複合材シェル（１４）でＣＭＣ材料コア（１６）を囲繞してなるハイブリッドタービンブレード（１０）であって、上記ＣＭＣ材料コアが炭化ケイ素とケイ素と炭素の混合物を含み、上記複合材シェル（１４）が上記コアに結合した巻回又は製織セラミックカーバイド繊維材料を含む、ハイブリッドタービンブレード（１０）。
【請求項２】
前記ＣＭＣ材料コア（１６）がチョップド炭素プリフォームをケイ素と反応させて形成したものである、請求項１記載のブレード。
【請求項３】
前記ＣＭＣ材料コア（１６）及び前記シェル（１４）が溶融ケイ素で溶融含浸してシェルをコアに結合したものである、請求項１記載のブレード。
【請求項４】
前記ＣＭＣ材料コア（１６）が、シェル（１４）で画成されるブレードの内部空間の一部のみを占有する、請求項１記載のブレード。
【請求項５】
ＣＭＣ材料コア（１６）がブレードの後縁部を占有する、請求項４記載のブレード。
【請求項６】
タービンブレードの製造方法であって、
（ａ）炭素プリフォームを成形し、
（ｂ）炉内でプリフォームをケイ素の融点よりも高い温度でケイ素と反応させて、炭化ケイ素とケイ素と炭素の混合物からなるＣＭＣ複合材コア部品（１６）を形成し、
（ｃ）ＣＭＣ複合材コア部品（１６）に隣接して仮マンドレルコア部品（１８）を配置してマルチコアアセンブリを形成し、
（ｄ）上記マルチコアアセンブリの周囲にプリプレグテープをレイアップして複合材シェル（１４）を形成し、
（ｅ）仮マンドレルコア（１８）を除去する
ことを含んでなる方法。
【請求項７】
さらに、（ｆ）シェル（１４）を溶融ケイ素での溶融含浸に付してシェル（１４）を緻密化するとともに複合材コア（１６）をシェルに結合させることを含む、請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記炉が真空炉である、請求項６記載の方法。
【請求項９】
タービンブレードの製造方法であって、
（ａ）チョップド炭素から第一のＣＭＣプリフォームコア部品（１６）を成形し、
（ｂ）第一のＣＭＣコア部品（１６）を第二の仮マンドレルコア部品（１８）と組み合わせてマルチコアアセンブリを形成し、
（ｃ）上記マルチコアアセンブリにプリプレグテープを巻き付けて外側シェル（１４）を形成し、
（ｄ）仮マンドレルコア部品（１８）を除去し、
（ｅ）外側シェル（１４）及び第一のＣＭＣコア部品（１６）を同時にケイ素で溶融含浸して第一のＣＭＣコア部品を化学反応させ、外側シェルを緻密化するとともに第一のＣＭＣコア部品を外側シェルに結合させる
ことを含んでなる方法。
【請求項１０】
工程（ｄ）を真空炉内でケイ素の融点よりも高い温度で行う、請求項９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービン関連技術、特に高温タービンベーンアセンブリに関する。
【背景技術】
【０００２】
セラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）は、対応する金属合金材料よりも作動温度を高温化できる可能性を有する。しかし、ＣＭＣは金属ほど強くなく、それを補うために断面を厚くする必要がある。様々なタービン部品にＣＭＣを使用することが知られており、特許文献に記載されている。例えば、米国特許第６７０９２３０号には、冷却通路が設けられた実質的に中実なコア部材にＣＭＣ翼形部材を結合してなるガスタービンエンジン用ハイブリッド複合材ベーンが開示されている。
【０００３】
米国特許第６６７００２１号には、ＣＭＣ部品に組み込まれた一体セラミック取付ブッシングが開示されている。この部品は、一実施形態では、炭化ケイ素又は窒化ケイ素モノリシックセラミック製の取付ブッシング又は耐摩耗パッドとして形成された内部コアをＣＭＣシェル内に埋設してなる。
【０００４】
米国特許第６６０７３５８号には、翼形部が第一の密度を有する複合材部分と第一の密度よりも低い第二の密度を有するインサートとを含む、多部品ハイブリッドタービンブレードが開示されている。
【０００５】
米国特許第６４５１４１６号には、翼形部が耐熱性モノリシックセラミック外層と強靱な耐衝撃性繊維強化セラミックマトリックス複合材内層とを含む、ハイブリッドモノリシックセラミック／セラミックマトリックス複合材翼形部が開示されている。
【特許文献１】米国特許第６７０９２３０号明細書
【特許文献２】米国特許第６６７００２１号明細書
【特許文献３】米国特許第６６０７３５８号明細書
【特許文献４】米国特許第６４５１４１６号明細書
【特許文献５】米国特許第６２５８７３７号明細書
【特許文献６】米国特許第６０２４８９８号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
複合タービンベーンの製造では、中実炭素コアの周囲にプリプレグテープをレイアップして中実炭素コアの周囲に翼形を形成し、例えばベーンの後縁部にプリプレグテープを追加してベーンのこの部分をプリプレグテープのみで構成するのが一般的であった。このプロセスはコストが比較的高いので、ベーン性能に影響を与えない安価なプロセスを開発することが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一つの非限定的な例示的実施形態では、ハイブリッドタービンベーン又はブレードアセンブリは、複合材マルチコアアセンブリを異なる複合材シェルアセンブリと組み合わせてなる。マルチコアアセンブリは、第一の中実複合材コア部品を含むが、これは、短いチョップド炭素プリフォームから作られ、所定の形状に機械加工し、溶融ケイ素で反応性溶融含浸してＳｉＣへと転化させて、炭化ケイ素とケイ素と炭素の混合物からなる複合材料としたものである。この第一コア部品を第二の仮の中実マンドレルコア部品と一緒にしてブレードマルチコアアセンブリを形成するが、仮の中実マンドレルコア部品は炭素、アルミニウムその他の材料からなるものでよい。シェル部品は、マルチコアアセンブリの周囲に製織又は巻回セラミックマトリックス複合材料を巻き付けたものからなる。
【０００８】
シェルは従来のプリプレグ法で製造され、マルチコアアセンブリの周囲にプリプレグテープをレイアップしてベーン又はブレードを形作るように成形される。このプロセスの一例は米国特許第６０２４８９８号及び同第６２５８７３７号に記載されている。シェルの形成後、仮マンドレルコア部品を除去し、残った複合材コア部品及び製織又は巻回プリプレグシェルを溶融含浸に付す。溶融含浸はプリプレグの空隙を充填して外側プリプレグシェルを緻密化する。溶融ケイ素は、また、複合材コア部分のケイ素を軟化させて外側シェルと一体結合を形成する。
【０００９】
別の実施形態では、未加工炭素プリフォーム（ケイ素と反応させる前のもの）を仮マンドレルコアと共にマルチコアアセンブリに使用する。プリプレグテープをコアアセンブリの周囲に巻き付け、仮マンドレルコアを除去した後、残った複合材コア及びシェルを一緒に溶融含浸する。溶融含浸は空隙を充填して外側シェルを緻密化する。「未加工(green)」炭素プリフォームの溶融ケイ素での含浸処理は、炭素とケイ素との化学反応を惹起してその場で炭化ケイ素を生成する。この炭素プリフォームの転化によって炭化ケイ素とケイ素と炭素の混合物が生じる。反応したプリフォーム及び外側プリプレグシェル中の溶融ケイ素は、反応したコアとプリプレグシェルとの一体結合を形成する。仮マンドレルコアの除去によって生じた内部空間はブレードの冷却に利用できる。
【００１０】
ベーンの特定の部分（例えば後縁部）をＣＭＣ複合材コア部品で形成することによって、ベーンのこの部分をプリプレグテープのレイアップによって形成するというコストのかかるプロセスを実質的になくなる。本発明ではマルチコアアセンブリの周囲にテープを巻回し、マルチコアアセンブリの一部は後縁部の所定位置に残ってシェルと結合するからである。
【００１１】
そこで、一つの態様では、本発明は、複合材シェルで複合材コアを囲繞してなるハイブリッドタービンブレードであって、上記複合材コアが炭化ケイ素とケイ素と炭素の混合物を含み、上記複合材シェルが巻回又は製織セラミックカーバイド繊維材料を含む、ハイブリッドタービンブレードに関する。
【００１２】
別の態様では、本発明は、タービンブレードの製造方法であって、（ａ）炭素プリフォームを成形し、炉内でプリフォームをケイ素の融点よりも高い温度でケイ素と反応させて、炭化ケイ素とケイ素と炭素の混合物からなるＣＭＣ複合材コアを形成し、（ｂ）ＣＭＣ複合材コアと別個のマンドレルコアの周囲にプリプレグテープをレイアップして複合材シェルを形成し、（ｃ）上記マンドレルコアを除去することを含んでなる方法に関する。
【００１３】
さらに別の態様では、本発明は、複合材シェルでＣＭＣ材料コアを囲繞してなるハイブリッドタービンブレードであって、上記ＣＭＣ材料コアが炭化ケイ素とケイ素と炭素の混合物を含み、上記複合材シェルが巻回又は製織セラミックカーバイド繊維材料を含む、ハイブリッドタービンブレードに関する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照しながら本発明を説明する。
【００１５】
図１を参照すると、本発明の一つの非限定的で例示的な実施形態に係るハイブリッドタービンベーン又はブレードアセンブリ１０は、複合材コア部品１６と複合材シェル１４とを含む。コア部品１６は短いチョップド炭素繊維プリフォームから作られた公知の中実複合材料でよい。この実施形態では、「未加工」炭素プリフォームをまず所定の形状に機械加工し、次いで真空炉内でコア部品を十分量（炭素プリフォームの重量の２．７倍超）のケイ素と、ケイ素の融点よりも高い温度で反応させて、炭化ケイ素とケイ素と炭素の混合物からなるＣＭＣ複合材コア部品１６を形成する。このプロセスでの使用に適した複合材は、例えばＣｅｓｉｃ（商標）という商品名で市販されている。なお、Ｃｅｓｉｃコア部品１６はベーン又はブレードの内部全体を充填するものではなく、構造的支持が必要とされる領域、例えば翼形部の後縁部のみを占有する。ただし、以下で説明する通り、製造中は、Ｃｅｓｉｃコア部品を仮中実マンドレルコア部品１８と組み合わせて使用し（マルチコアアセンブリが形成される。）、仮中実マンドレルコア部品１８は後で除去される。
【００１６】
シェル１４は、従来のプリプレグ法で製造された巻回又は製織セラミック炭化ケイ素繊維からなり、ＣＭＣ複合材のＣｅｓｉｃコア部品１６とそれに隣接した別個の仮マンドレルコア部品１８とを含むマルチコアアセンブリの周囲にプリプレグテープをレイアップすることによってベーン翼形部の形状に賦形される。上記の仮マンドレルコア１８はベーン内部の残りの部分を満たすが、シェル１４をマルチコアアセンブリの周囲に巻回した後で除去される。シェルは端部が開放しているので、仮マンドレルコア部品１８はシェルのいずれかの開放端部から引っ張り出すことによって簡単に除去できる。ＣＭＣ複合材Ｃｅｓｉｃコア部品１６とプリプレグシェル１４を次いで溶融ケイ素で溶融含浸する。溶融含浸は外側プリプレグシェル１４の空隙を充填することによってシェルを緻密化する。また、溶融ケイ素はＣＭＣ複合材Ｃｅｓｉｃコア部品１６中のケイ素を軟化して、外側プリプレグシェル１４との一体結合を形成する。
【００１７】
別の実施形態では、未加工プリフォームコア１６から炭化ケイ素とケイ素と炭素の複合材混合物への生成反応とシェル１４の溶融含浸を同じ真空炉サイクルで同時に行ってもよく、溶融ケイ素でシェル１４の緻密化及びシェル１４とコア１６の結合が達成される。
【００１８】
コアアセンブリの周囲にプリプレグテープを巻回し、仮マンドレルコア部品１８を除去した後、残ったコア部品１６とシェル１４を一緒に溶融含浸する。溶融含浸で外側シェル１４の空隙が充填されてシェルが緻密化される。溶融ケイ素で「未加工」炭素を含浸すると、炭素とケイ素との化学反応を惹起して、その場で炭化ケイ素が形成される。この炭素プリフォームの転化によって、炭化ケイ素とケイ素と炭素の混合物が生成する。反応したプリフォーム及び外側プリプレグシェル中の溶融ケイ素は、反応したコア部品１６とプリプレグシェル１４の間に一体結合を形成する。仮マンドレルコアの除去によって生じた内部空間はブレードの冷却に利用することができる。
【００１９】
図２は溶融含浸したＣＭＣ複合材コア部品１６を示す顕微鏡写真である。
【００２０】
以上、現時点で最も実用的で好ましいと思料される実施の形態に関して本発明を説明してきたが、本発明は開示した実施形態には限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された技術的思想及び技術的範囲に属する様々な変更及び均等な構成も包含する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態に係るタービンベーンのコア部品及びシェル部品を示す概略断面図である。
【図２】溶融含浸したＣＭＣ複合材コア部品１６の顕微鏡写真である。
【符号の説明】
【００２２】
１０  ブレードアセンブリ
１２  界面
１４  複合材シェル
１６  コア部品
１８  仮マンドレルコア部品
【図１】
2008069782.tif 000003
【図２】
2008069782.tif 000004