(57)【要約】【課題】ＣＭＣ物品内の内部キャビティおよびそれとともに使用されるマンドレルを作成するプロセスを提供すること。【解決手段】プロセスは、プリフォームの熱処理中に実質的に吸収される材料で作られたマンドレルを組み込んで、ＣＭＣ物品を形成することを伴う。マンドレル材料は、好ましくは、熱処理中にＣＭＣプリフォームの１つまたは複数の構成成分と反応する。材料は、好ましくはシリコンまたはシリコン合金である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのマンドレルをＣＭＣプリフォームに組み込むステップと、
前記ＣＭＣプリフォームを熱処理するステップであって、前記少なくとも１つのマンドレルが溶解して前記ＣＭＣプリフォームを湿潤させる溶解材料を生み出し、前記ＣＭＣプリフォームと反応し、かつ／または前記ＣＭＣプリフォームに吸収されて、前記ＣＭＣプリフォーム内に少なくとも１つの内部キャビティを残す、ステップとを含む、少なくとも１つの内部キャビティを有するＣＭＣ物品を形成する方法。
【請求項２】
前記少なくとも１つのマンドレルがシリコンまたはシリコン合金から成る、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記熱処理が溶解浸透ステップを含む、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記少なくとも１つの内部キャビティが複数の内部キャビティを含み、前記少なくとも１つのマンドレルが複数のマンドレルを含む、請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記少なくとも１つのマンドレルが、前記ＣＭＣプリフォームの構成成分と化学的に反応する材料を含有する、請求項１記載の方法。
【請求項６】
ＣＭＣプリフォームに組み込まれるマンドレルであって、溶解させると、熱処理中に前記ＣＭＣプリフォームと反応し、かつ／または前記ＣＭＣプリフォームに吸収されて、前記ＣＭＣプリフォーム内に内部キャビティを残す溶解材料を生み出す、マンドレル。
【請求項７】
前記マンドレルがシリコンまたはシリコン合金で作られる、請求項６記載のマンドレル。
【請求項８】
前記マンドレルが、前記ＣＭＣプリフォームの構成成分に対して不浸透性のコーティングを含む、請求項７記載のマンドレル。
【請求項９】
前記コーティングがアクリル樹脂を含む、請求項８記載のマンドレル。
【請求項１０】
前記アクリル樹脂がメチルメタクリレートである、請求項９記載のマンドレル。
【請求項１１】
前記マンドレルが焼結粉末材料を含む、請求項６記載のマンドレル。
【請求項１２】
前記マンドレルが３Ｄ印刷を含むプロセスによって作られる、請求項６記載のマンドレル。
【請求項１３】
少なくとも１つの内部キャビティを有するＣＭＣ物品において、前記少なくとも１つの内部キャビティが、
少なくとも１つのマンドレルをＣＭＣプリフォームに組み込むステップであって、前記少なくとも１つのマンドレルが前記ＣＭＣプリフォームの構成成分と化学的に反応する材料を含む、ステップと、
前記ＣＭＣプリフォームに溶解浸透を施すステップであって、前記少なくとも１つのマンドレルが溶解し、その材料が前記ＣＭＣプリフォームを湿潤させ、前記ＣＭＣプリフォームの前記構成成分と反応し、実質的に消費されて前記ＣＭＣプリフォーム内に少なくとも１つの内部キャビティを残す、ステップと
を含む方法によって作られる、ＣＭＣ物品。
【請求項１４】
前記少なくとも１つのマンドレルの前記材料が元素シリコンである、請求項１３記載のＣＭＣ物品。
【請求項１５】
前記少なくとも１つのマンドレルの前記材料がシリコンまたはシリコン合金である、請求項１３記載のＣＭＣ物品。
【請求項１６】
前記少なくとも１つのキャビティが複数の内部キャビティを含み、前記少なくとも１つのマンドレルが複数のマンドレルを含む、請求項１３記載のＣＭＣ物品。
【請求項１７】
前記少なくとも１つのキャビティが冷却スロット／穴である、請求項１３記載のＣＭＣ物品。
【請求項１８】
前記ＣＭＣ物品がエーロフォイル構成要素である、請求項１３記載のＣＭＣ物品。
【請求項１９】
前記ＣＭＣ物品がシリコン化合物系である、請求項１３記載のＣＭＣ物品。
【請求項２０】
前記シリコン化合物がＳｉＣである、請求項１３記載のＣＭＣ物品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全体として、セラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）物品およびその作成プロセスに関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボ機械の効率を向上させるためにより高い運転温度が求められるにしたがって、それに使用するものとしてＣＭＣ材料が特に高い関心を集めている。ＣＭＣ材料、特にガスタービンエンジン用途向けに提案されるものは、一般的に、セラミックマトリックス材料に埋め込まれたセラミック繊維強化材料を含む。強化材料は、ＣＭＣの耐荷構成成分として役立ち、セラミックマトリックスは強化材料を保護し、その繊維の配向を維持するとともに、強化材料に対する荷重を散逸させるのに役立つ。
【０００３】
高温用途にとって特に興味深いのは、マトリックスおよび／または強化材料としての炭化ケイ素（ＳｉＣ）などのシリコン系複合材料である。ＳｉＣ／Ｓｉ−ＳｉＣ（繊維／マトリックス）ＣＭＣ材料およびプロセスの顕著な例は、同一出願人による米国特許第５，０１５，５４０号、第５，３３０，８５４号、第５，３３６，３５０号、第５，６２８，９３８号、第６，０２４，８９８号、第６，２５８，７３７号、第６，４０３，１５８号、および第６，５０３，４４１号、ならびに同一出願人による米国特許出願公開第２００４／００６７３１６号に開示されている。１つのかかるプロセスは、「プリプレグ」溶解浸透（ＭＩ）として知られており、これは、一般用語では、所望の強化材料、ＣＭＣマトリックス材料の前駆物質、結合剤、および他の見込まれる成分を含む、テープ状構造の形態をそれぞれ有する複数のプリプレグ層を使用して、ＣＭＣを作製することを伴う。プリプレグは、前駆物質を所望のセラミックに変質させるための加工（硬化を含み、焼成とも呼ばれる）を施さなければならない。プリプレグの複数のプライを積み重ね、デバルクして積層プリフォームが形成されるが、そのプロセスは「レイアップ」と呼ばれる。レイアップに続いて、積層プリフォームは、一般的に、オートクレーブ内などで圧力および高温を与えながらデバルクされ硬化される。溶解浸透プロセスは、一般に、真空または不活性雰囲気中で積層プリフォームを加熱して、結合剤を分解（バーンアウト）し、溶解浸透を行うことができる多孔質プリフォームを作成することを伴い、その後、例えばプリフォームの外部から供給される溶解シリコンを、プリフォームに溶解浸透させることができる。溶解シリコンは間隙に浸透し、好ましくはマトリックス中の構成成分（例えば、炭素源）と反応して、間隙を充填してシリコン系セラミック（例えば、炭化シリコン）を形成して、所望のＣＭＣ構成要素がもたらされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００４／００６７３１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
エーロフォイル構成要素内に冷却スロット／穴および複雑な冷却通路を画定するキャビティ、ならびに一般に軽量化を実現しようとするキャビティを含むがそれに限定されない、内部キャビティを有するＣＭＣ物品は、いくつかの用途にとって望ましいか、または必須である。内部キャビティは、マンドレルの周りに積層プリフォームを形成することによって、ＣＭＣ物品内に作成することができる。しかし、マンドレルは溶解浸透の前に取り除かなければならない。バーンアウトの間固体のままであるマンドレルは物理的に取り除かなければならず、これは、所望のキャビティが捻れまたはテーパーを有する場合には不可能である恐れがある。図１は、従来の鋼製マンドレル３０が、積層プリフォーム１０の区画２０内に後でキャビティを形成するためのものである一例を概略的に示す。鋼製マンドレル３０は、プリフォーム１０の一端にあるプライによって画定された肩部２２によって捕捉されているため、プリフォーム１０から取り除くことができない。この問題に対処するため、不堅牢性樹脂（fugitive resin）で形成された高分子製マンドレルが提案されてきた。不堅牢性高分子樹脂は、本明細書の文脈においては、一般的に炭化水素系の固体であり、十分な高温まで、一般的には４００〜８００℃まで加熱すると、炭素残留物をほとんどまたはまったく残さずに揮発する。不堅牢性樹脂の顕著な例としては、ポリメチルメタクリレートおよびポリビニルアルコールが挙げられる。しかし、これらの樹脂は、ＣＭＣプリフォームの材料の５倍〜１０倍であり得る熱膨張係数を有する。不堅牢性樹脂の方が膨張係数が高いことにより、結合剤樹脂を分解するための加熱中にＣＭＣプリフォームの歪みを引き起こす恐れがある。バーンアウトの間に不堅牢性樹脂は溶解するが、結果として得られるＣＭＣ物品の内部内のキャビティから、溶解樹脂を取り除かなければならない。溶解樹脂の一部は、キャビティ内に炭素質のコーティングを形成することがあり、それが後に続く溶解浸透の間にシリコンと反応すると、キャビティ寸法を変化させる恐れがある。より大型のＣＭＣ構成要素に不堅牢性樹脂を使用すると、高分子製マンドレルが分解するにつれてプリフォームから、またはプリフォームを通して逃がさなければならないガスの量も増加する。このことにより、より遅い熱分解サイクルを使用することが必要とされ、それによってＣＭＣ構成要素の加工サイクル時間が増加する。
【０００６】
したがって、ＣＭＣ物品内の内部キャビティを形成することができる改善された方法が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、ＣＭＣ物品に組み込まれるように、ＣＭＣ材料の構成成分に対して有利に反応することができるマンドレルを使用することによって、ＣＭＣ物品内に内部キャビティを形成することができる方法を提供する。
【０００８】
本発明の第１の態様は、反応性マンドレルを使用してＣＭＣ物品内のキャビティを実現することによって、ＣＭＣ物品内に内部キャビティを作り出す方法である。マンドレル材料は、熱処理の間、ＣＭＣプリフォームを湿潤させ、プリフォームと反応し、かつ／またはプリフォームに吸収される。本発明の好ましい一実施形態では、反応性マンドレルは、元素シリコンまたはシリコン合金で作られ、これが溶解浸透中に溶解して溶解浸透プロセスのためのシリコン源となり、かつ／または結果として得られる中空の内部キャビティから大部分が除去される。
【０００９】
本発明の第２の態様は、ＣＭＣ物品に内部キャビティを作り出すのに適したマンドレルである。本発明の好ましい一実施形態では、マンドレルはシリコンまたはシリコンの合金を含む。
【００１０】
本発明の第３の態様は、ＣＭＣプリフォームの構成成分と化学的に反応する、かつ／またはＣＭＣプリフォームによって吸収可能な材料で作られたマンドレルを使用し、プリフォームに溶解浸透を施す方法によって、所望の内部キャビティを有するＣＭＣ物品を作り出すものであり、溶解浸透の際、マンドレル材料はＣＭＣプリフォームを湿潤させ、プリフォームの構成成分と反応し、実質的に吸収される。
【００１１】
本発明の技術的効果としては、マンドレルが溶解してＣＭＣプリフォームと反応するか、またはＣＭＣプリフォームに吸収されるので、物品を作成するのに使用されるＣＭＣプリフォームの望ましくない歪みまたは変形を伴わずに、ＣＭＣ物品内の内部キャビティを作成することができる。さらに、キャビティを作成するのに不堅牢性樹脂が使用される場合に一般的に必要な長い加工時間を排除することができる。
【００１２】
本発明の別の技術的効果としては、一般的に非反応性金属マンドレルの取出しに関連する困難、または非反応性マンドレルに使用される不堅牢性樹脂の除去に関連する問題を伴うことなく、軽量化および／または冷却の目的で、所望の複雑な形状のキャビティをＣＭＣ物品内で実現することができる。
【００１３】
本発明の他の態様および利点は、以下の詳細な説明によってさらに理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】非反応性マンドレルを有するＣＭＣプリフォームを示す概略断面図である。
【図２】反応性またはそうでなければ吸収性であるマンドレルを有するＣＭＣプリフォームを示す概略断面図である。
【図３】反応性またはそうでなければ吸収性であるマンドレルを使用することによって実現されるキャビティを有するＣＭＣ物品を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明は、例えば、冷却チャネルを作り、軽量化および／または他の任意の所望の目的を達成するため、ＣＭＣ物品内に内部キャビティを作り出すことを対象とする。かかるキャビティを作り出す従来のプロセスは、不堅牢性樹脂または非反応性金属などの材料で形成されたマンドレルを利用していた。これらの方法は両方とも、上述したようないくつかの制限および不利な点を有する。本発明は、ＣＭＣ物品の製造に使用されるＣＭＣプリフォームに吸収することができ、かつ好ましくはＣＭＣプリフォームと反応する材料で作られたマンドレルを使用することを組み込んだ方法によって、従来技術の困難および不利な点に対処する。特に、本発明で用いられるマンドレルの好ましい材料は、例えば、多孔質プリフォームを形成するのに積層プリフォームに対して実施される硬化（焼成）ステップの後に行われる溶解浸透中に、プリフォームの熱処理温度で溶解する。
【００１６】
ＣＭＣプリフォームに吸収されそれと反応することによって有利に除去することができる、マンドレルの材料の好ましい特性としては、マンドレルに適した形状に形成できること、溶解浸透温度でＣＭＣプリフォームを湿潤させることができること、ＣＭＣプリフォームの構成成分と反応して、完成品にとって有利なまたは少なくとも有害でない反応生成物を形成できること、および反応、浸透、またはその両方によってＣＭＣプリフォームにほぼ完全に吸収できることが挙げられる。
【００１７】
かかるマンドレルの好ましい材料は、シリコンおよびシリコンの合金である。例えば、コストを最小限に抑えるため、粉末材料を大ロットで湿式プレス（damp pressing）および焼結することによって、焼結シリコン含有マンドレルを製造することができる。元素シリコンおよびシリコン合金の粉末材料は、焼結中にほぼ０の収縮を呈することができ、それでもなお、取扱いおよびオートクレーブ硬化の際の圧力に耐える十分な強度を呈することができる。さらに、焼結シリコン含有マンドレルは、溶解浸透に先立つプロセスシーケンス全体の間、プリフォーム内に留まることができ、ＣＭＣプリフォームに類似した熱膨張特性を呈することができる。シリコンまたはシリコン系材料は、ＳｉＣ系ＣＭＣ物品内にキャビティを作り出すのに使用されるマンドレルの材料として十分に適切であり得るが、異なる反応特性および／もしくは浸透特性を有する別のマンドレル材料が存在する可能性があり、または開発され、ＣＭＣ物品の化学的性質と適合性がある可能性があることが予測できる。
【００１８】
本発明のマンドレルは、元素シリコンまたはシリコン合金のみで形成されてもよい。あるいは、焼結シリコン含有マンドレルは、アクリル樹脂またはポリビニルアルコールなどの不堅牢性結合剤も含有してもよい。最初の粉末混合物に湿気を与え、型に圧入するのに適したものにするため、少量の水またはアルコールが添加されてもよい。粉末混合物は、所望の自立形状を生み出すために十分な圧力下で押圧することができ、以下、これをコアと呼ぶ。好ましい非限定的な方法では、このコアを乾燥させ、次に真空炉に入れて、例えば約１３８５±１０℃で約９０分間焼結させて、自立型にするとともに、積層ＣＭＣプリフォームを生み出すためのセラミック複合材料の前駆物質プリプレグのプライで覆われるのに耐えられるようにすることができる。コアは、焼結作業中に収縮するので、元の押圧されたコア形状を大きめのサイズにすることによって許容範囲を持たせなければならない。その後、焼結させた形状が真空炉から取り出される。微細な特徴を有するマンドレルを作成する１つの手法として、三次元（３Ｄ）プリンタとともに使用するのに適した印刷インクにシリコン粉末を入れて、３Ｄプリンタを使用することも想定することができる。シリコンインクで作られたコアは、上述したように焼結することができる。
【００１９】
マンドレルは、好ましくは、積層ＣＭＣプリフォームのレイアップおよび硬化中に、ＣＭＣプリフォームのあらゆる樹脂が焼結シリコンマンドレルに浸透するのを防ぐことができる、実質的に不浸透性の表面を生み出すようにコーティングされる。プリフォーム樹脂が、炭化ケイ素などのシリコン化合物を形成するようなタイプのものであり、したがって、マンドレル中のシリコンと反応し、場合によってはマンドレルによって形成される内部キャビティの寸法を変化させる恐れがある場合、不浸透性の表面は特に望ましい。この目的に適したコーティング材料としては、ポリメチルメタクリレートなどのアクリルスプレー樹脂が挙げられるが、それに限定されない。
【００２０】
次に、セラミック複合材料の前駆物質プリプレグのプライを、焼結マンドレル形状の上に巻き付け、オートクレーブまたはマッチプレートダイセット（matched-plate die set）内で硬化させてもよい。硬化の後、多孔質プリフォームを生み出すため、プリフォームおよび焼結マンドレルを５００℃超過まで加熱して、樹脂質成分を取り除いてもよい。次に、多孔質プリフォームに焼結シリコンコアおよび任意の追加のシリコンが加わったものを、別の真空炉または雰囲気炉内で加熱して、シリコンを溶解させ、多孔質プリフォームに浸透させることができる。図２は、積層プリフォーム１０の区画２０に組み込まれた焼結シリコンマンドレル４０を概略的に示す。プリフォーム１０の溶解浸透プロセスまたは他の熱処理の間、シリコンマンドレル４０は溶解し、結果として得られる溶解材料がＣＭＣプリフォーム１０を湿潤させ、プリフォーム１０に浸透し、ＣＭＣプリフォームの構成成分と化学的に反応して、例えばＳｉＣまたは別のシリコン化合物を形成する。反応しなかったシリコンがあれば、単に浸透したままであってもよい。図３は、最終ＣＭＣ物品１００として図３に示される、十分に浸透がなされたＣＭＣプリフォーム１０の区画２０に形成されるキャビティ５０を概略的に示す。
【００２１】
反応性マンドレル材料を使用することによって、マンドレル材料が消費されない場合があることが、当業者には留意されるであろう。この状態は、加工条件を適切に調整することによって回避することができる。ＣＭＣ物品内に消費されなかったマンドレル材料が存在することは、ＣＭＣ物品の重量を厳密に制御しなければならない場合を除いて、いかなる有害な影響も有さないことがある。かかる場合においては、必要に応じた追加の加工ステップによって、マンドレル材料が完全に消費されることを担保することができる。複数のマンドレルを利用し、本明細書に記載の方法に従って、複数のキャビティをＣＭＣプリフォーム内に形成することができる。ＣＭＣ物品内に形成された単一のキャビティまたは複数のキャビティを、軽量化の目的で、かつ／または冷却スロット／穴として利用することができる。
【００２２】
溶解浸透プロセス中にＣＭＣプリフォーム１０を湿潤させ、ＣＭＣプリフォーム１０に浸透させることによって完全に吸収されるが、必ずしもシリコンと同じようにＣＭＣプリフォーム１０と反応しない、他の材料を使用できることが予測できる。しかし、かかる場合においては、かかる材料が熱膨張特性または他の物理的性質のいずれかによる何らかの悪影響に寄与しないことを担保する必要がある。したがって、本発明の好ましい実施形態は、従来のＣＭＣ溶解浸透プロセスの材料以外の異質の材料が使用または形成されないように、シリコン含有材料を利用し、結果としてＳｉＣ系ＣＭＣ物品を得ることを対象とする。さらに、開示した方法は、非限定例としてのＳｉＮなど、ＳｉＣ以外のシリコン化合物系のＣＭＣ物品内に、内部キャビティを作り出すのに使用されてもよいことに留意されたい。
【００２３】
上述の内容に照らして、本発明の顕著な利点は、硬化後に結果として得られるキャビティからマンドレルを物理的に取り除く必要なしに、また有害になる恐れのある材料が最終ＣＭＣ物品に導入されることなく、ＣＭＣ物品内に中空の内部キャビティを形成することに関連する課題を解決することであることが分かる。
【００２４】
本発明について特定の実施形態に関して記載してきたが、当業者によって他の形態を採用できることは明白である。したがって、本発明は特定の開示した実施形態に限定されないことを理解されたい。また、上記に用いた術語および用語は、本発明および実施形態を開示するためのものであり、必ずしも本発明の範囲に対する限定としての役割を果たすものではないことを理解されたい。したがって、本発明の範囲は、以下の請求項によってのみ限定されるべきものである。
【符号の説明】
【００２５】
１０  プリフォーム
２０  区画
２２  肩部
３０  マンドレル
４０  マンドレル
５０  キャビティ
１００  物品
【図１】
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【図２】
2013256436.tif 000004
【図３】
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【外国語明細書】
2013256436000001.pdf