(57)【要約】【課題】  セラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）部品を形成する方法を提供する。【解決手段】  本方法は複数のプライをインサート材料で置き換えることを意図する。インサート材料は部分硬化又は予め硬化させて複数の小さなプライの代わりに適用し、或いはペースト又はプライの形態で部品の空所に挿入し得る。インサート材料は等方性であり、マトリックス材料と、チョップド繊維、トウ、切断プライ又はそれらの組合せとから形成する。インサートは、薄い縁部（６５０）のような約０．０３０インチよりも小さい厚さを有する特徴部及びコーナー（６８０，７１０）におけるような小さい半径を有する特徴部に使用できる。本発明のＣＭＣ部品は、輪郭又は厚さの変化する領域に適合した寸法に切断された小さなプライインサートの代わりに配置され、また小さなプライインサートを製造された単一体の不連続強化複合材料インサートで置き換えることによって、皺のような欠陥を少なくし、寸法制御を改善する。【選択図】図４
2008133183.tif 000002
【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料部品（１０）の製造方法であって、
複数のプリプレグ層（４０）と不連続強化複合材料インサート（６５０，６８０）との組合せを含むセラミックマトリックス部品（１０）であって、複数の小さな切断プライを不連続強化複合材料インサートで置き換えたセラミックマトリックス部品（１０）をモデリングする工程と、
不連続強化複合材料インサート用の材料を混合する工程と、
複数のプリプレグ層を用意する工程と、
プリプレグ層をレイアップする工程と、
従前小さな切断プライで占められていた位置でプリプレグ層に隣接して不連続強化複合材料インサート材料を配置する工程と、
プリプレグ層と不連続強化複合材料インサート材料との集合体を形成する工程と、
熱及び圧力の下で集合体を硬化させて、セラミックマトリックス部品を形成する工程と
を含んでなる方法。
【請求項２】
前記モデリング工程で、薄い縁部を形成するために複数の小さな切断プライを置き換える、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記モデリング工程で、動翼（６１０）の後縁（６１２）を形成するために複数の小さな切断プライを置き換える、請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記モデリング工程で、動翼（６１０）の後縁（６１２）内の複数の小さなプライをインサート（６５０）で置き換える、請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記モデリング工程で、コーナー（７１０）の複数の小さな切断プライを置き換える、請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記コーナーがタービン動翼（６１０）の内部冷却通路（６１４）に沿って形成された内部コーナーである、請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記コーナーがタービン部品の外部コーナー（７１０）である、請求項５記載の方法。
【請求項８】
前記モデリング工程で、動翼のダブテール部の複数の小さな切断プライを置き換える、請求項１記載の方法。
【請求項９】
前記インサートでシュラウドレール構築部の複数の小さな切断プライを置き換える、請求項１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は広義にはセラミックマトリックスタービンエンジン部品の製造方法に関するものであり、具体的には、小さくて複雑な特徴部を有するセラミックマトリックス複合材料料ガスタービンエンジン部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンの効率及び性能を向上させて、推力／重量比の増大、排気ガス削減及び燃料消費率の向上を達成すべく、エンジンタービンの作動温度を高めることが課題とされている。高温化は、エンジンのホットセクションの部品を構成する材料の限界に達して、それを超える。既存の材料はこのような作動温度の高温化に耐えることができないので、ガスタービンエンジンのタービンセクションのような高温環境で用いるための新素材を開発することが必要とされている。
【０００３】
エンジン作動温度の上昇に伴って、燃焼器及びタービン翼形部を構成する耐熱合金の新たな冷却法が開発されている。例えば、高温燃焼ガスの流れる部品表面にセラミック遮熱コーティング（ＴＢＣ）を塗工して、伝熱率を下げ、基材金属を熱から保護し、部品が高温に耐えられるようにする。こうした改良は、部品のピーク温度及び温度勾配を下げるのに役立つ。フィルム冷却によって耐熱性又は熱保護性を改良するため、冷却孔も導入されている。併せて、耐熱合金の代替材料としてセラミックマトリックス複合材料も開発されている。セラミックマトリックス複合材料（「ＣＭＣ」）は金属よりも温度及び密度の点で優れていることが多いため、作動温度の高温化及び／又は軽量化が望まれる際に最適な材料となる。
【０００４】
従前、セラミックマトリックス複合材料を用いてタービン動翼のようなホットセクションのタービンエンジン部品を製造するため様々な技術が用いられてきた。本願出願人に譲渡された米国特許第５０１５５４０号、同第５３３０８５４号及び同第５３３６３５０号（これらの開示内容は援用によって本明細書の内容の一部をなす。）に記載されたＣＭＣ部品の製造方法は、繊維材料に溶融ケイ素を溶浸する炭化ケイ素マトリックス複合材料の製造法に関するもので、この方法を以下「Ｓｉｌｃｏｍｐ法」という。繊維は概して約１４０μｍ以上（０．００５５インチ）の直径を有するので、小型ガスタービンエンジン用タービン動翼部品のように約０．０３０インチ程度の特徴部を有する複雑で入り組んだ形状はＳｉｌｃｏｍｐ法では製造できない。
【０００５】
その他プリプレグ溶融浸透法のような技術も用いられてきた。しかし、未硬化時の厚さが約０．００９〜０．０１１インチの標準的プリプレグプライで製造されるため、かかる部品について十分な構造的健全性をもつ最小硬化厚は約０．０３０〜０．０３６インチであった。最終部品におけるマトリックス組成百分率が標準的なものでは、かかる未硬化厚のものを用いると最終硬化厚は約０．００３０〜０．０３６インチとなり、細かい特徴部が必要とされる部品を有する小型タービンエンジンで使用するには厚すぎる。
【０００６】
タービンエンジン用の複雑なＣＭＣ部品は複数のプライをレイアップすることによって製造されてきた。部品の輪郭又は厚さが変化するような領域では、輪郭又は厚さの変化する領域に合わせて種々異なる小さな形状のプライがカットされる。これらの部品は、硬化部品を形成するための複雑で予め注意深く計画されたレイアップ計画に従ってレイアップされる。設計が複雑なだけでなく、レイアップ作業も時間がかかり複雑である。さらに、輪郭又は厚さの変化する領域は、そうした領域での機械的特性がモノリシックでないので、プライの配向と得られる特性に基づいて注意深く設計する必要がある。輪郭境界に沿ってのプライ間の移行が滑らかでないので、こうした輪郭は機械的特性が滑らかに移行しない領域であることがあり、部材の設計及びレイアップ作業のモデリングの際にこれらの事項も考慮に入れなければならない。
【０００７】
図１は、未被覆（非冷却）動翼１０の例を示す。この図では、動翼１０はセラミックマトリックス複合材料を含む。動翼１０は翼形部１２を有しており、これに向かってガス流が流れる。動翼１０はダブテール１４によってディスク（図示せず）に取り付けられ、ダブテール１４は翼形部１２から下方に延在していて、ディスクに設けられた相補的形状のスロットと係合する。図示した動翼１０は一体プラットフォームを備えていない。周囲環境へのダブテール１４の暴露を最小限にするため、所望に応じて別個にプラットフォームを設けてもよい。動翼は前縁部１６と後縁部１８を有する。かかる複合材料動翼は、複数のプライをレイアップすることによって製造される。
【０００８】
図２に、かかる複合材料動翼を従来技術においてどのようにレイアップしてきたかを例示する（斜視図）。図３は、複数のプリプレグプライのレイアップの正面図である。動翼１０は中心面２４を中心に複数のプリプレグプライ４０を配置してなる。多数の根元部（プリプレグ）プライ４１と、比較的大きい（プリプレグ）プライ４０，４４の間に配設された比較的小さい（プリプレグ）プライ４２がある。比較的小さなプライ、特に根元部プライ４１はダブテール形状を与えるために必要とされる。また、各々のプライ４０は、所定の方向に配向したトウがマトリックス材料中に埋め込まれている。勿論、動翼のモデリングに際して、適切な場所に適切な寸法のプライを設けるだけでなく、各々のプライのトウ方向が適切に配向するように注意しなければならない。動翼の製造では、モデルに従ったサイズのプライを用意し、モデルに従って適切に集成する必要がある。
【０００９】
さらに別の技術では、繊維トウの厚さを小さくすることによって、多層プライの作製に用いられるプリプレグプライの厚さを減らす試みがなされている。理論的には、かかるプロセスでプライの厚さをうまく減らすことができるはずである。しかし、実際には、かかる薄いプライは、自動化装置によっても、加工処理時の取扱いが難しい。共通の問題として、薄いプライの皺、物品にボイドを生じかねない製造欠陥、物品の機械的特性の劣化、及びプライが分離するおそれが挙げられる。さらに、動翼製品に小さな半径及び比較的薄い縁部を形成しなければならないときに問題が生じる。プリプレグテープ又はプライ中の繊維（典型的には炭化ケイ素）は剛性が高いので、半径の小さい急な湾曲部又はコーナーに沿ってプライを形成しようとすると分離を生じかねない。そのため、こうした領域で物品の機械的特性が劣化し、耐久性が損なわれる。
【特許文献１】米国特許第５０１５５４０号明細書
【特許文献２】米国特許第５３３０８５４号明細書
【特許文献３】米国特許第５３３６３５０号明細書
【特許文献４】米国特許第５３７５９７８号明細書
【特許文献５】米国特許第５２７９８９２号明細書
【特許文献６】米国特許第５１４１４００号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特に縁部での厚さが約０．０１５〜０．０２１インチで、半径が約０．０３０インチ未満の小さな半径の特徴部を製造できるＣＭＣタービンエンジン部品の製造法が必要とされている。さらに、厚さ約０．０２１インチ未満の特徴部を有するＣＭＣタービンエンジン部品の製造法も必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明では、不連続強化複合材料インサートをプリプレグ層と共に用いてタービン部品のモデリングを行う。部品はプリプレグプライ又はテープを用いてモデリングされる。ただし、複雑な特徴部が存在する領域では、不連続強化複合材料インサートが部品に組み込まれ、タービン部品はプリプレグ層と不連続強化複合材料インサートとの組合せとなる。プリプレグプライを比較的小さい寸法にカットして略全長のプリプレグ層及び不連続強化複合材料インサートと組み合わせてもよいが、不連続強化複合材料インサートは、従前厚さ変化部又は輪郭変化部を与える寸法とされていた相当な数の切断プリプレグプライに置き換わるように部品にモデリングされる。各々の不連続強化複合材料インサートは、複数の比較的小さい寸法のプリプレグプライを置き換えて、レイアップに潜在的に起因する問題を最小限に抑制する。不連続強化複合材料インサートは、レイアッププライのような方向性強度を有さないので、部品に悪影響を及ぼさずにプライをインサートで置き換えることができる領域を適切に確定するためにモデリングが必要とされる。
【００１２】
不連続強化複合材料インサート又は部片は、切断繊維プライの数が最小限となるように設計・製造されて、厚さ又は輪郭を変化させることができるように部品の一部に挿入され、もって部品レイアップ時に集成しなければならない繊維プライの数を減らす。不連続強化複合材料インサートは複数の構成を含んでいてもよい。不連続強化複合材料インサートは、プリプレグプライをカットして複数の小片とし、これらの小片をマトリックス材料のスラリーと混合してペースト又はパテを形成することによって製造することができる。様々な長さのカット繊維又はトウを切断プライの代わりに使用してもよいし、或いは切断プライと共に又は追加して使用してもよい。従前切断プライが利用されていた部品の領域のレイアップ時にペースト又はパテを用いて未硬化インサートを形成し、この未硬化インサートは乾燥時に硬化する。或いは、混合物をモールド成形して硬化させて硬化インサートを形成し、部品に組み込んでもよい。不連続強化複合材料から作られたインサートは完全に等方性とはいえないが、硬化ＣＭＣレイアップよりは方向性が少ない。かかる機械的特性は完全に等方性とはいえないものの、方向性でもないので、本願では「実質的に等方性」であるという。
【００１３】
部品を形成するため、複数のプリプレグ層を用意してレイアップする。不連続強化複合材料インサート材料がプリプレグ層に隣接して所定の位置に適用される。これらの位置は、従前小さな切断プライで占められていた位置であってもよい。プリプレグ層と不連続強化複合材料インサート材料との集合体が形成される。この集合体を次いで熱及び圧力の下で硬化して、セラミックマトリックス部品を形成する。
【００１４】
本発明の利点は、組み立てが簡単となるようにタービン部品をモデリングすることができ、また物理的特性の要件を満足しつつ製造時に生じる問題を低減できることである。
【００１５】
本発明のもう一つの利点は、複数の小さな切断布プライを単一の不連続強化複合材料インサートで置き換えることができることである。不連続強化複合材料インサートは、実質的に等方性を有する材料として与えることができる。
【００１６】
本発明の別の利点は、応力分析要件を満足する部品が得られるようにしながら、複雑で時間のかかるレイアップ計画をなくすことによって航空機エンジン部品の製造を簡単化できることである。
【００１７】
本発明のもう一つの利点は、本発明の方法では、欠陥部品を減らしながら生産速度を増大させることができることである。
【００１８】
本発明のさらに別の利点は、不連続強化複合材料インサートの使用によって薄肉部や小半径部のような細かな特徴部を含めることができ、一段と高い作動温度で機能及び性能を発揮できるようになることである。
【００１９】
本発明のその他の特徴及び利点は、本発明の原理を例示するための添付の図面と併せて好ましい実施の形態に関する以下の詳細な説明を参酌することによって明らかとなろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明は、ＣＭＣ製航空機エンジン部品の製造方法に関する。部品は、実質的に部品の全長に延在する複数の実質的に連続したプリプレグプライを有する。１以上の不連続強化複合材料インサートが部品に組み込まれるが、不連続強化複合材料インサートは実質的に等方性を有する。不連続強化複合材料インサートは実質的に部品の全長に延在し得るが、輪郭部、コーナー部及び部品の厚さの変化する部分の複数のカットされた比較的小さいプリプレグプライに置き換わるようにモデリングされ、レイアップ時に取り扱わなければならないフライの数を最小限にする。
【００２１】
本願で用いる「繊維」とは、アスペクト比の高い、つまり長さに比べて直径が非常に小さい繊維材料の最小単位を意味する。繊維はフィラメントと互換的に用いられる。本願で用いる「トウ 」とは、連続フィラメントの束を意味する。本願で用いる「マトリックス」とは、本質的に均質な材料で、その内部に他の材料、特に繊維やトウが埋め込まれている。本願で用いる「プリプレグプライ」又は単に「プリプレグ」とは、一方向のトウ又は短い不連続繊維のシートをマトリックス材料で含浸したものを意味し、マトリックス材料は樹脂の形態であって、部分乾燥、完全に乾燥又は部分硬化される。本願で用いる「プリフォーム」とは、プリプレグプライの硬化前にプリプレグプライをレイアップして所定の形状としたものであり、追加のインサートを含んでいても含んでいなくてもよい。
【００２２】
図４は、本発明のインサート１１０を示す。図示したインサートは、好ましい実施形態では実質的に等方性を有する不連続強化複合材料である。実質的に等方性はあらゆる方向で全く同一ではなく僅かに異なっていてもよいが、異方性とは区別でき、明確に異なる。異方性は、本体の一点で方向性が明らかに異なる機械的特性を有する。換言すれば、異方性材料は異なる方向で特性が異なるが、等方性材料は任意の平面のいずれの方向でも実質的に同じ機械的特性を有する。不連続強化複合材料インサートをなす材料は所定の形状を有していてもよく、個別の材料片として取り扱うことができる。インサート１１０は完全に硬化しても部分硬化してもよく、次いで所定の形状に機械加工できる。不連続強化複合材料インサートは十分に緻密化されてものでも、部分的に緻密化したものでもよい。部分的に緻密化されたものの場合、自明であろうが、タービンエンジン部品の製造作業の一部としてインサートを完全に緻密化すればよい。不連続強化インサートは、レイアッププライからなるインサートとは区別でき、等方性材料の明確な平面を有する。
【００２３】
インサートは、チョップド繊維をマトリックス材料と混合することによって形成できる。別法では、チョップド繊維に代えて又は追加して、チョップドトウ、チョップドプリプレグプライ或いは硬化又は部分硬化したチョップドプライを利用する。典型的には、繊維には皮膜が設けられ、皮膜は、当技術分野で公知の通り、窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素及びそれらの組合せからなる群から選択される。この材料をマトリックス材料と充分に混合してスラリーを形成するが、混合時のスラリーの粘度は流体から粘稠ペーストまでの粘度でよい。混合後、材料は適当な成形法でモールド成形し、最終形状又は取扱いの容易な中間的形状にすればよい。材料に応じて、硬化させてもよい。硬化部材は、必要に応じて、所定の形状に最終的に機械加工すればよい。ペースト又はスラリーとして使用する場合、インサートを形成する材料を、材料の欠けたプリフォームの領域に適用してもよい。かかる状況では、プリフォームで未硬化ペースト又はスラリーを支持する必要があることもある。これが行えない場合、公知のように、サブミクロン粉末（好ましくは炭素粉末系のポリマー添加剤）によって組成を調節して、自己支持性であるチキソトロープ組成物を形成することもできる。
【００２４】
不連続強化複合材料材料は、タービンエンジン部品を形成するためのプライのレイアップと共に使用される。この材料はプライと共に集成され、部品を硬化するとプライと共に保持される。完全に一体化した結合が望まれる場合、様々な選択肢が利用できるが、選択肢は所望の結合を達成するための容易さに応じて選択される。例えば、材料をインサートの形状に賦形してもよいし、部品用のレイアップのプライと結合できる部分硬化成形品であってもよく、部分硬化プリフォームは部品の硬化時にプリプレグプライの樹脂マトリックスと結合する。インサートは、ＣＭＣマトリックス部と一体の拡散結合を容易にするために炭素に富むものであってもよく、一体結合は溶融ケイ素溶浸時にプリフォーム中の炭素と溶融ケイ素溶浸材との化学的反応によるその場での炭化ケイ素（ＳｉＣ）の形成によって形成される。或いは、ペーストとして塗工する場合、材料は部品の硬化時にプリプレグプライの樹脂マトリックスと結合できる。
【００２５】
選択する方法とは無関係に、最終的に得られるものは、（１）複数の連続トウがマトリックス中で実質的に互いに平行に延在し、実質的に異方性をもつ硬化強化セラミックマトリックス複合材料部分と、（２）部品の輪郭変化及び厚さ変化領域に位置し、実質的に等方性をもつ不連続強化複合材料部分との２以上の異なる部分を有する完全に緻密なタービンエンジン部品である。不連続強化複合材料部分は、マトリックス材料中に不連続繊維を含む材料からなる。不連続強化複合材料部分は強化セラミックマトリックス複合材料部分に隣接する。しかし、インサートの使用によって、非常にきつい半径を形成することができ、従来技術の薄肉用プライのレイアップでは達成できなかった薄肉部を形成することができる。さらに、不連続強化複合材料インサートの形成又はペーストとしてのインサート材料の使用によって、多数の小さな薄プライを取り扱うことに起因する皺及び付随する欠陥のおそれがなくなる。本発明の不連続強化複合材料インサートを使用することによって製造欠陥がなくなることが実証された。
【００２６】
本発明を、図１の動翼を製造するための代替法として図５に例示する。一実施形態では、本発明は、根元部プライ４１及び比較的小さなプライ４２を不連続強化複合材料インサート１１０で置き換える。図４のインサート１１０は、好ましくは実質的に等方性を有する。図５の符号５１０，５２０，５３０，５４０，５５０，５６０及び５７０で示す図４のインサート１１０で、図３のＢ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ及びＨに位置するプライを置き換える。プリフォームの残りのプライは硬化前に挿入される。プライは部品の全長又は略全長に延在し、各プライの配向は、部品（本例では動翼）で必要とされる機械的特性を与えるようにモデリングされる。例えば、０°配向は、繊維トウの列が部品の所定の平面（例えばタービン動翼の長手方向又は軸）と略平行となるようにレイアップしたプライを表す。９０°配向は所定の平面に対して略９０°に配向したプリプレグプライを表す。残りのプライは、部品の所定の平面に対して±４５°のように他の形態でレイアップしてもよい。例えば、プライを０°、＋４５°、−４５°、９０°、−４５°、＋４５°の順序でレイアップして、部品が軸方向以外の他の方向に引張り強さをもつようにしてもよい。このようにして、部品の強度を所望に応じて幾分方向性（異方性）又は幾分等方性となるように修正できる。図５に示す物品の場合、最終硬化部品は、各平面で所定の配向で延在するトウをプライとして集成したＣＭＣである。各平面内のトウは、隣接平面内のトウに対して所定の角度で配向させればよい。部品のこの部分は実質的に異方性を示す。しかし、プライに隣接するインサートは実質的に等方性を有する。
【００２７】
本発明の別の実施形態では、既存のプライを用いて現在得ることのできるものよりも薄い断面を与えるためにインサートを用いる。図６は、タービン動翼６１０での本発明の２つの適用例を示しており、動翼は薄い後縁６１２の一部に実質的に等方性を有する不連続強化複合材料インサート６５０を含んでいる。動翼は、本発明の不連続強化複合材料からなる予備成形リブインサート６８０も含んでいる。
【００２８】
図６の狭翼弦タービン動翼は、動翼６１０内に形成された一対の空気通路６１４を示している。後縁インサート６５０及びリブインサート６８０は、本発明に係る不連続材料を用いて予め製造される。インサート６５０及びインサート６８０はいずれも、レイアップ作業時の取扱いが非常に難しい複数の小さなプライの代わりに用いられる。インサート６５０，６８０はニアネットシェイプにモールド成形され、圧縮・硬化して揮発分を除去した後で最終寸法に機械加工すればよい。インサートを最終寸法に精密モールド成形することもできるし、或いは部分的に緻密な構造として用意し、それを完全に緻密になるまで溶浸させることもできる。
【００２９】
図６に示すように、動翼の負圧面６５４の第１の端部６５２と正圧面６５８の第２の端部６５６とを有するプライ間の空隙を満たすために必要とされていた複数の小さなプライに代えて、インサート６５０が後縁内部に配置される。図６に示すように、インサート６５０は、負圧面６５４から正圧面６５８へと延在する複数のプライと境界を接している。本願で用いる「全長」とは、プライが動翼の上端から下端までの高さ全体に延在することを意味し、図６は、図６の平面に垂直に延びる高さを横切る横断面である。インサート６５０は、図６に示すものよりも若干大きく製造して、複数の全長プライの１枚の少なくとも一部を置き換えることができるようにしてもよい。第１の端部６５２と第２の端部６５６を有する１枚以上の全長プライが負圧面６５４及び正圧面６５８に必要とされる。各動翼の設計において最大応力の方向が知られており、１枚以上のプライ（典型的にはインサートの外側にある）は、その繊維の方向が最大応力の方向と平行となるように配向される。各プライは標準的な厚さが約１０ミルのものであり、複数の単一方向トウを含む。ただし、最大応力の方向とは異なる方向にも追加の強度が必要とされる場合、インサートを用いると、追加のプライの置換が可能となる。好ましくは、これらのプライでは、プライ厚さが１０ミル未満、概して５〜９ミルとできるように細い単一方向のトウが使用される。かかる薄いプライは取扱いが困難であるが、これらは全長インサートに対してレイアップされ、標準的な厚さの１又は２枚のプライの代わりに用いられる限られた数の全長のプライであるので、製造プロセスによって対処できる。勿論、この実施形態では、インサート６５０は、かかる薄いプライで標準厚さのプライを置き換える際に、プライ厚さの差を埋めるべく相対的に寸法を大きくする。
【００３０】
インサート６８０は、空気通路６１４間の厚さの変化する部分に用いられる複数の小さなプライを置き換えるために設けられる。明らかであろうが、この領域でのプライのレイアップには、幅の異なる多数の小さなプライが必要とされ、それらを精密に配置しなければならない。本発明の材料及び方法を用いたインサート６８０の製造並びにレイアップ時のインサートの配置は格段に容易であり、硬化動翼を廃棄しなければならない製造誤差を生じる可能性が低い。実際に、かかるインサートを使用することによって、従前は不可能であった複雑な空気通路構成の動翼の製造が可能となる。
【００３１】
図６に示す動翼のような動翼を製造するには、負圧面６５４に沿った複数の連続プライ６５２をレイアップツール上に積み重ねる。次いで、内側巻装プライ６９０を有するマンドレル（図示せず）を図６に示すように適所に配置する。次いで、予備成形インサート６５０，６８０をそれぞれの位置に配置する。或いは、パテ又はペーストの形態の材料をそれぞれの場所に塗工してもよく、固化又は硬化後に過剰な材料を除去すればよい。負圧面６５４の第１の端部６５２から正圧面６５８の第２の端部６５６まで延在する複数の外側プライを巻き付けて、レイアップシーケンスを完了する。外側マトリックスプライはインサート片６５０，６８０の外面上に配置され、インサート片と連続プライとの接着性を高める。レイアップ動翼を次いで揮発分が除去される温度で加圧下で硬化し、動翼を完全に固化させる。固化及び硬化後にマンドレルを取り外して空気通路６１４を形成するが、マンドレルは硬化時には空気通路の空間を占めている。用いる技術に応じて、上述の通り、動翼を溶浸法を用いて緻密化してもよい。
【実施例】
【００３２】
実施例１
ＳｉＣ／ＳｉＣ一方向性プリプレグテープを利用してスラリーを調製したが、テープは炭化ケイ素マトリックス中の被覆炭化ケイ素トウであった。トウを構成する繊維は典型的には窒化ホウ素のような剥離皮膜で被覆される。布を液体窒素に曝してプリプレグから裏当てを取り除いた。次いで、布を約１／４平方インチ以下の大きさの複数の片にカットした。Ｃｏｔｒｏｎｉｃｓ社（米国ニューヨーク州ブルックリン）から市販の高温セラミックグラファイト接着剤樹脂である「Ｃｏｔｒｏｎｉｃｓ  Ｒｅｓｂｏｎｄ  ９３１」とアセトンとの溶液を等重量のアセトンと混合して調製した。約３ｇのチョップドプリプレグをプリプレグ／溶液重量比約３対１で溶液に添加して混合物を形成した。一様な粘稠性とするため混合物を適当な手段でブレンドした。これは振盪、撹拌、ボールミリングその他の混合技術で達成できる。所期の用途に合わせて必要であれば、追加量のアセトンを添加するか、或いは溶媒を蒸発させてパテ又はペースト状にすることによって、混合物の粘度を調節することができる。例えば、混合物は、大まかな形に注型成形してから最終的な形に機械加工してもよいし、或いは所定の最終的な形に注型成形して硬化してもよい。或いは、混合物に適当なサブミクロン粉末を添加した後、さらに混合してもよい。このペーストを次いで前述の通り塗工すればよい。
【００３３】
上述の材料はモールド成形によるインサートの形成に使用できるし、或いはペースト又はパテとして使用することもできる。追加のＳｉ−Ｃ結合が必要とされる場合、材料をＳｉで溶浸してもよい。薄い移行部の製造を容易にするとともに、過酷な温度環境に耐えるため冷却が必要とされる複雑な動翼内部の空気通路のための、ＣＭＣタービン動翼の翼形部での用途について本発明を説明した。しかし、本発明は、ライナー、静翼、中心体などの他のホットセクション部品、並びにプラットフォーム及びダブテールのような動翼の他の部分で、特に短い距離の輪郭変化又は厚さ変化に適した寸法となるように小さな多数のプライがカットされていた部分にも用途があり、不連続強化セラミックインサートの実質的に等方性がそうした用途に適している。かかる用途の例を図７Ａ〜図７Ｇに示す。２つの用途は外側コーナーである。図７Ａは、動翼プラットフォーム隅肉に使用する場合の本発明の実質的に等方性のセラミックインサート７１０の使用例を示す。かかる用途では、コーナーを形成するプライはマンドレル上にレイアップされる。Ｔ形インサートがコーナーに適用されて、真空バッグで所定位置に保持される。加熱・加圧して部品を硬化させる。図７Ｂは、鋭い外側コーナーに沿った小さい多数のセラミックプライの代替物として実質的に等方性のセラミックインサート７３０を使用する同様な例を示す。図７Ｃは、補強材としての小さい多数のセラミックプライの代替物として本発明の実質的に等方性のセラミックインサート７５０を使用する例を示し、この場合、部品断面に沿って大きな輪郭変化がある。
【００３４】
図７Ｄ及び図７Ｅは、動翼の後縁における本発明の実質的に等方性のセラミックインサートの２つの使用例を示す。図７Ｄでは、実質的に等方性のセラミックインサート７６０は、後縁部の複数のプライをなくした後縁楔形部材であり、図には硬化後のマトリックス材料で取り囲まれたものとして示している。レイアップの際に、精密製造されたインサートをプライで取り囲み、硬化時にインサートと結合する。図７Ｅでは、実質的に等方性のセラミックインサート７７０が鋭い後縁インサートを形成する。インサート７７０は、強度を与えるために動翼のプライと結合するダブテール７７２を含む。この構成では、鋭い半径の縁部を有する非常に薄い後縁部とすることができる。
【００３５】
図７Ｆ及び図７Ｇは、複数の小さなプライを置き換えるためのインサートの使用例を示す。図７Ｆでは、実質的に等方性のセラミックインサート７８０がシュラウドレール構築部に用いられている。インサートは、コーナー７８２の複数のプライ並びに構築部の他の小さなプライを置き換えるために使用される。図７Ｇでは、実質的に等方性のセラミックインサート７９０は、動翼ダブテールで必要とされていた複数の小さなプライを置き換えるために使用される。
【００３６】
好ましい実施形態を参照して本発明を説明してきたが、本発明の技術的範囲内で様々な変更をなすことができ、構成要素を均等物で置換できることは当業者には明らかあろう。さらに、本発明の技術的範囲内で、特定の状況又は材料を本発明の教示内容に適合させるため多くの修正をなすことができる。したがって、本発明は、その最良の実施の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に属するあらゆる実施形態を包含する。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】ガスタービンエンジン用のＣＭＣ動翼を示す斜視図である。
【図２】図１のＣＭＣ動翼をレイアップ形成するための従来の方法を示す斜視図である。
【図３】図２のレイアップの正面図である。
【図４】図３に示すプライに代えて本発明で使用するためのインサートを示す概略図である。
【図５】インサート及びプリプレグプライでレイアップ形成された本発明の動翼の正面図である。
【図６】内部通路を有する動翼のコーナーの一部分を形成するための本発明のインサートの使用例を示す断面図である。
【図７Ａ】小さな切断プライに代えて本発明のインサートの使用例を示す断面図である。
【図７Ｂ】小さな切断プライに代えて本発明のインサートの使用例を示す断面図である。
【図７Ｃ】小さな切断プライに代えて本発明のインサートの使用例を示す断面図である。
【図７Ｄ】小さな切断プライに代えて本発明のインサートの使用例を示す断面図である。
【図７Ｅ】小さな切断プライに代えて本発明のインサートの使用例を示す断面図である。
【図７Ｆ】小さな切断プライに代えて本発明のインサートの使用例を示す断面図である。
【図７Ｇ】小さな切断プライに代えて本発明のインサートの使用例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１０  動翼
１２  翼形部
１４  ダブテール
１６  前縁
１８  後縁
２４  中心面
４０  プリプレグプライ
４１  根元部プライ
４２  比較的小さい（プリプレグ）プライ
４４  比較的大きい（プリプレグ）プライ
１１０  （不連続強化）インサート
５１０  インサート
５２０  インサート
５３０  インサート
５４０  インサート
５５０  インサート
５６０  インサート
５７０  インサート
６１０  狭翼弦タービン動翼
６１２  後縁
６１４  空気通路
６５０  不連続強化複合材料後縁インサート
６５２  第１の端部
６５４  負圧面
６５６  第２の端部
６５８  正圧面
６８０  リブインサート
６９０  内側巻装プライ
７１０  セラミックインサート
７３０  セラミックインサート
７５０  セラミックインサート
７６０  セラミックインサート
７７０  セラミックインサート
７７２  ダブテール
７８０  セラミックインサート
７８２  コーナー
７９０  セラミックインサート
【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７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図７Ｅ】
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【図７Ｆ】
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【図７Ｇ】
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