(57)【要約】      （修正有）【課題】高温ガス経路タービン構成部品製造方法の提供。【解決手段】第１セラミックマトリックス複合材プライ５０４にボイド５０２を形成し、第２セラミックマトリックス複合材プライ５０６にボイド５０２を形成し、第２セラミックマトリックス複合材プライ５０６が、第１セラミックマトリックス複合材プライ５０４上に位置付けられ、この位置付けによりボイド５０２を整列させて構成部品においてキャビティ７０を少なくとも部分的に定め、第３セラミックマトリックス複合材プライを、第１セラミックマトリックス複合材プライ５０４上に位置付け、第１セラミックマトリックス複合材プライ５０４、第２セラミックマトリックス複合材プライ５０６及び第３セラミックマトリックス複合材プライ５０８が緻密体を形成し５１１、キャビティ７０が緻密体内に存在するセラミックマトリックス複合材の製造方法。【選択図】図５
2017095342.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構成部品を製造する方法（５００、６００、７００）であって、
第１のセラミックマトリックス複合材プライ（５０４）においてボイド（５０２）を形成するステップと、
第２のセラミックマトリックス複合材プライ（５０６）にボイド（５０２）を形成するステップと、
前記第１のセラミックマトリックス複合材プライ上に前記第２のセラミックマトリックス複合材プライを位置付けて、この位置付けにより前記ボイドを整列させて前記構成部品にキャビティ（７０）を少なくとも部分的に定めるようにするステップと、
前記第１のセラミックマトリックス複合材プライ上に第３のセラミックマトリックス複合材プライ（５０８）を位置付けるステップと、
前記第１のセラミックマトリックス複合材プライ、前記第２のセラミックマトリックス複合材プライ及び前記第３のセラミックマトリックス複合材プライを緻密化して緻密体を形成し、前記キャビティが該緻密体内に存在するようにするステップと、
を含む、方法（５００、６００、７００）。
【請求項２】
前記ボイドの形成ステップが、前記第１のセラミックマトリックス複合材プライ又は前記第２のセラミックマトリックス複合材プライのセラミックマトリックス複合材のレーザ孔加工、放電加工、カッティング又は機械加工のうちの１又はそれ以上による、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１のセラミックマトリックス複合材プライ、前記第２のセラミックマトリックス複合材プライ及び前記第３のセラミックマトリックス複合材プライのうちの１又はそれ以上が、プリプレグ複合材プライである、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記第３のセラミックマトリックス複合材プライの繊維が、前記キャビティの中心軸に対して１０度よりも大きな角度を形成する、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記キャビティが、緻密化中に前記緻密体内に完全に密閉される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記緻密体に少なくとも１つの開口を機械加工するステップを更に含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記緻密化ステップが、溶融浸透又は化学蒸着を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記緻密化ステップの前に、前記第１のセラミックマトリックス複合材プライ、前記第２のセラミックマトリックス複合材プライ及び前記第３のセラミックマトリックス複合材プライを剛性化するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記緻密体が、前記セラミックマトリックス複合材構成部品の少なくとも一部を形成し、前記セラミックマトリックス複合材構成部品が、ライナ、ブレード、シュラウド、ノズル、燃焼器、ノズル端壁及びブレードプラットフォームからなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
セラミックマトリックス複合材構成部品を製造する方法（５００、６００、７００）であって、
第１のセラミックマトリックス複合材プライ（５０４）を第２のセラミックマトリックス複合材プライ（５０６）と接触させて位置付けるステップと、
前記第１のセラミックマトリックス複合材プライ及び前記第２のセラミックマトリックス複合材プライを部分的に剛性化して剛性化プリフォーム（６１５）を形成するステップと、
前記剛性化プリフォームにボイド（５０２）を形成するステップと、
前記第１のセラミックマトリックス複合材プライ上に第３のセラミックマトリックス複合材プライ（５０８）を位置付けるステップと、
前記第１のセラミックマトリックス複合材プライ、前記第２のセラミックマトリックス複合材プライ及び前記第３のセラミックマトリックス複合材プライに剛性化を行うステップと、
前記第１のセラミックマトリックス複合材プライ、前記第２のセラミックマトリックス複合材プライ及び前記第３のセラミックマトリックス複合材プライを緻密化して緻密体を形成するステップと、
を含み、前記緻密化ステップが、溶融浸透又は化学蒸着を含み、前記キャビティが前記緻密体内に存在する、方法（５００、６００、７００）。
【請求項１１】
前記ボイドの形成ステップが、前記第１のセラミックマトリックス複合材プライ又は前記第２のセラミックマトリックス複合材プライのセラミックマトリックス複合材のレーザ孔加工、放電加工、カッティング又は機械加工のうちの１又はそれ以上による、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記ボイドが、前記剛性化プリフォームにおいて可変深さ又は可変断面直径を有する陥凹域である、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記第３のセラミックマトリックス複合材プライが、第２のボイドを有する第２の剛性化プリフォームである、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記セラミックマトリックス複合材構成部品が、ライナ、ブレード、シュラウド、ノズル、燃焼器、ノズル端壁及びブレードプラットフォームからなる群から選択される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
セラミックマトリックス複合材構成部品であって、
緻密体を形成する複数のセラミックマトリックス複合材プライ（５０４、５０６、５０８）を備え、
前記複数のセラミックマトリックス複合材プライが各々、前記緻密体内でキャビティ（７０）を定めるように整列されるボイド（５０２）を有し、前記キャビティが、前記緻密体の少なくとも一部に沿った直線状境界を有する、セラミックマトリックス複合材構成部品。
【請求項１６】
前記直線状境界が、機械加工による境界である、請求項１５に記載のセラミックマトリックス複合材構成部品。
【請求項１７】
前記直線状境界が、カッティングによる境界である、請求項１５に記載のセラミックマトリックス複合材構成部品。
【請求項１８】
前記キャビティが、可変深さ又は可変断面直径を含む、請求項１５に記載のセラミックマトリックス複合材構成部品。
【請求項１９】
前記セラミックマトリックス複合材構成部品が、ライナ、ブレード、シュラウド、ノズル、燃焼器、ノズル端壁及びブレードプラットフォームからなる群から選択される、請求項１５に記載のセラミックマトリックス複合材構成部品。
【請求項２０】
前記第１のセラミックマトリックス複合材プライ及び前記第２のセラミックマトリックス複合材プライの繊維が、前記キャビティの中心軸に対して１０度よりも大きな角度を形成する、請求項１５に記載のセラミックマトリックス複合材構成部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全体的に、発電用ガスタービンに関し、より具体的には、ガスタービンの高温ガス経路タービン構成要素のためのセラミックマトリックス複合材構成要素を形成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の超合金材料から形成されるタービンブレード及びベーンと同様に、ＣＭＣブレード及びベーンは、主として、構成部品の軽量化、遠心荷重の低減、及び作動温度の低温下のためキャビティ及び冷却ボイド（空隙）を備えている。これらの特徴要素は、通常、取り外し可能工具と使い捨て工具の組み合わせを用いてＣＭＣ構成部品に形成される。金属及びＣＭＣ高温ガス経路ハードウェア両方を冷却するためには、冷却流要件及び熱勾配／応力を低減する理由から、内部冷却チャンネルが有利である。
【０００３】
炭化ケイ素（ＳｉＣ）ベースのセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）材料は、タービンブレード、ベーン、ノズル及びバケットなど、ガスタービンエンジンの特定の構成部品向けの材料として提案されてきた。Ｓｉｌｉｃｏｍｐ、溶融浸透（ＭＩ）、化学蒸気浸透（ＣＶＩ）、ポリマー膨張熱分解（ＰＩＰ）、及び酸化物／酸化物プロセスを含む、ＳｉＣベースの部品を製造するための様々な方法が知られている。これらの製造技法は、互いに極めて異なるが、各々は、様々な処理段階で加熱を含むプロセスを通じてニアネットシェイプ部品を生成するためにハンドレイアップ及び治工具又はダイの使用を含む。
【０００４】
ＣＭＣ構成部品に内部通路又はキャビティを形成する現行の製造方法は、バーンアウトサイクル中に内部通路から「溶出」又は除去する必要がある材料を使用している。キャビティを有するＣＭＣ構成部品の形成は、プリフォームを用いることを含む、複数のステップを含む。最初に、複数のセラミックプライ（その一部は、強化材料を含むことができ、又はマトリックスが予備含浸される）が予め定められたパターンでマンドレル又はモールド（型）上にレイアップされ、構成部品の所望の最終又はニアネット形状及び所望の機械的特性を提供する。マンドレルは一般に、スズ、ビニル、又は他の溶融可能材料のような材料から選択される。レイアッププライは、ＳｉＣのようなマトリックス材料が予備含浸（プリプレグ）されるか、又はプライのレイアップ後にマトリックスを含浸することができる。ＣＭＣプリフォームの緻密化の前に、バーンアウトサイクルによりマンドレルが除去される。バーンアウトサイクルでは、ＣＭＣプリフォームが反転され、スズ、ビニル又は他の溶融可能材料などのマンドレル形成材料は、プリフォームＣＭＣの開放先端を通じて溶出され、開放先端領域が残る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６，７４６，７５５号明細書
【発明の概要】
【０００６】
１つの実施形態において、セラミックマトリックス複合材構成部品を製造する方法が開示される。本方法は、第１のセラミックマトリックス複合材プライにボイドを形成するステップと、第２のセラミックマトリックス複合材プライにボイドを形成するステップと、を含む。第２のセラミックマトリックス複合材プライは、第１のセラミックマトリックス複合材プライ上に位置付けられ、この位置付けによりボイドを整列させて構成部品においてキャビティを少なくとも部分的に定めるようにする。第３のセラミックマトリックス複合材プライが、第１のセラミックマトリックス複合材プライ上に位置付けられ、第１のセラミックマトリックス複合材プライ、第２のセラミックマトリックス複合材プライ及び第３のセラミックマトリックス複合材プライが緻密化されて緻密体を形成する。キャビティは、緻密体内に存在する。キャビティを有するセラミックマトリックス複合材も開示される。
【０００７】
別の実施形態において、セラミックマトリックス複合材構成部品を製造する方法が開示される。本方法は、第１のセラミックマトリックス複合材プライを第２のセラミックマトリックス複合材プライと接触させて位置付けるステップを含む。第１のセラミックマトリックス複合材プライ及び第２のセラミックマトリックス複合材プライが部分的に剛性化されて、剛性化プリフォームを形成する。剛性化プリフォームにボイドが形成される。第３のセラミックマトリックス複合材プライが、第１のセラミックマトリックス複合材プライ上に位置付けられる。第１のセラミックマトリックス複合材プライ、第２のセラミックマトリックス複合材プライ及び第３のセラミックマトリックス複合材プライが剛性化を受ける。第１のセラミックマトリックス複合材プライ、第２のセラミックマトリックス複合材プライ及び第３のセラミックマトリックス複合材プライを緻密化して緻密体を形成する。キャビティは、緻密体内に存在する。
【０００８】
別の実施形態において、セラミックマトリックス複合材部品が開示される。セラミックマトリックス複合材は、緻密体を形成する複数のセラミックマトリックス複合材プライを含む。複数のセラミックマトリックス複合材プライが各々、緻密体内でキャビティを定めるように整列されるボイドを有する。キャビティが、緻密体の少なくとも一部に沿った直線状境界を有する。
【０００９】
本発明の他の特徴及び利点は、例証として本発明の原理を示す添付図面を参照しながら、以下のより詳細な説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本開示のセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）構成部品の斜視図。
【図２】本開示による、図１の方向２−２で見た断面図。
【図３】本開示による、図１の方向３−３で見た断面図。
【図４】本開示による構成部品の斜視図。
【図５】本開示の実施形態による、ＣＭＣ構成部品を形成するプロセスの概略的斜視図。
【図６】本開示の実施形態による、ＣＭＣ構成部品を形成するプロセスの概略的斜視図。
【図７】本開示の実施形態による、ＣＭＣ構成部品を形成するプロセスの概略的斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
可能な限り、図面全体を通じて同じ要素を示すために同じ参照符号が使用される。
【００１２】
本開示の実施形態は、例えば、本明細書で開示される特徴の１又はそれ以上を含まない概念と比較して、壁貫通熱勾配を低減する壁近傍冷却並びに高温ガス経路ハードウェアのより効率的な冷却を可能にし、また、部品の冷却要求及び流量を軽減する能力を有するより効率的な冷却を可能にする。本開示の実施形態はまた、より少ない冷却流で高いタービン性能を得ることを可能にする。加えて、本開示の構成要素はより低い熱勾配を有し、結果として、より小さな応力、長寿命、及び製品寿命コストの低減、並びにより優れた設計の柔軟性をもたらす。本開示による方法は、低コストで複雑さが低減され、コスト及び時間のかかる冷却チャンネルの浸出を必要としない。更に、本開示による方法は、加工処理後に冷却チャンネルに残る残留犠牲材料のリスクがない。
【００１３】
本発明の種々の実施形態の要素を導入する際に、冠詞「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」、及び「ｓａｉｄ」は、要素の１つ又はそれ以上が存在することを意味するものとする。用語「備える」、「含む」、及び「有する」は、包括的なものであり、記載した要素以外の付加的な要素が存在し得ることを意味する。
【００１４】
出力を発生するのに使用されるシステムは、限定ではないが、発電用の地上ベースの航空機転用エンジンなど、ガスタービン、蒸気タービン、及び他のタービン組立体を含む。特定の用途において、ターボ機械（例えば、タービン、圧縮機、及びポンプ）を含む発電システム及び他の機械は、過酷な摩耗条件に曝される構成部品を含むことができる。例えば、ブレード、バケット、ケーシング、ロータホイール、シャフト、シュラウド、ノズル、及びその他などの特定の発電システム構成部品は、高熱及び高回転環境で作動する場合がある。これらの構成部品は、セラミックマトリックス複合材を用いて製造され、これらの構成部品はまた、冷却通路を含むことができる。本開示は、冷却通路を含むセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）構成部品を形成する方法を提供する。本開示の例示的な実施形態は、図１〜３においてタービンブレードとして示されるが、本開示は、例示の構造に限定されない。
【００１５】
図１は、限定ではないが、タービンブレード又はタービンベーンなどの構成部品１０の斜視図である。図１は、タービンブレードを示しているが、本開示による他の好適な構成部品には、限定ではないが、ライナ、ブレード、シュラウド、ノズル、圧縮機、ノズル端壁、ブレードプラットフォーム、又は他の高温ガス経路構成部品が挙げられる。構成部品１０は、好ましくは、セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）材料から形成される。構成部品１０の材料には、限定ではないが、アルミナ、ムライト、窒化ホウ素、炭化ホウ素、サイアロン（ケイ素、アルミニウム、酸素、及び窒素）、金属間化合物、及びこれらの組み合わせなどの酸素ベースのＣＭＣを含む。構成部品１０の材料の好適な実施例は、限定ではないが、ＡＮ−７２０（酸化物−酸化物ベース、カリフォルニア州Ｓａｎ  Ｄｉｅｇｏ所在のＣＯＩ  Ｃｅｒａｍｉｃｓ，  Ｉｎｃ．，から入手可能）、又はハイブリッド酸化物ＣＭＣ材料を含む。構成部品１０を作るのに使用される材料の好適な実施例は、限定ではないが、種々のバインダーと共にＳｉＣ及び炭素マトリックスが含浸されたＳｉＣ繊維を含む。構成部品１０は、高温排気ガスが配向される翼形部２２を含む。翼形部２２は、先端３０からダブテール２４まで延びる。構成部品１０は、ダブテール２４によってタービンディスク（図示せず）に装着され、該ダブテール２４は、翼形部２２から下向きに延びてタービンディスク上のスロットに係合する。プラットフォーム２６は、翼形部２２がダブテール２４に接合される領域から横方向外向きに延びる。タービンブレード２０は、図２に示すように、翼形部２２の内部に沿って延びる少なくとも１つのプレナム５０を含む。発電システムの作動中、冷却空気の流れは、プレナム５０を通って配向され、翼形部２２の温度を低下させる。
【００１６】
図２は、形成されたタービンブレード２０の内部キャビティ７０を示す、図１の方向２−２で見た構成部品１０の断面図である。複数のプライ６０（明確にするために僅かな数だけが示されている）が囲んで内部キャビティ７０を形成する。図２に示すように、プライ６０は、該プライ６０内に形成され且つプライ６０間に延びるキャビティ７０を含む。図３は、キャビティ７０を内部に形成したセラミックマトリックス複合材プライ６０を示す、図１の方向３−３で見た構成部品１０の断面図である。キャビティ７０は、プライ６０を通って延び、内部を通る流体の流れを可能にするのに十分な開口を形成する。
【００１７】
プライ６０及びキャビティ７０の配列は、概略的に示され、例示の目的で拡大されている。プライ及びボイドのサイズ及び幾何形状は、図１〜３に示すものに限定されない。加えて、キャビティ７０は、構成部品１０の内部にあるように図示されているが、別の実施形態では、キャビティ７０は、プレナム５０、構成部品１０の外部にある他のキャビティ７０、又はこれらの組み合わせに対して開放され流体連通している。
【００１８】
図４は、本開示による構成部品１０の斜視図を示し、ここでキャビティ７０は、構成部品１０の内部に存在している。図４に示すように、構成部品１０は、高温ガス経路又はプレナム５０などの外部の構成部品又は他のキャビティ７０との流体連通を提供するよう機械加工又は他の方法で形成することができる開口４０２及び通路４０４を含むことができる。
【００１９】
図５は、本開示による、内部キャビティ７０（同様に図４を参照）を有するＣＭＣ構成部品１０を形成するプロセスを概略的に示している。図５に示すように、構成部品１０は、レイアップ技法を用いて形成される。プロセス５００は、セラミックマトリックス複合材プライ６０を提供するステップを含む（ステップ５０１）。セラミックマトリックス複合材プライ６０は、単一のプライ、又は積層スタックに形成された連続プライのような複数のプライとすることができる。プライ６０の１つの実施例は、限定ではないが、例えば、織り成りの炭素繊維、バインダー材料及びコーティングＳｉＣ繊維を含む、プリプレグ複合材プライを含む。プライ６０用の他の好適な材料は、アルミナ、ジルコニア、チタニア、マグネシウム、シリカ、ムライト、及び／又はスピネルを含有する酸化物、ケイ素、ホウ素、及び／又はチタンを含有する炭化物、ケイ素を含有する窒化物、及びホウ素を含む。プライ６０で使用するのに好適な他の既知の繊維は、Ｎｅｘｔｅｌ（ネクステル）、Ｎｉｃａｌｏｎ（ニカロン）、Ｈｉ−Ｎｉｃａｌｏｎ、Ｔｙｒａｎｎｏ、及びＳｙｌｒａｍｉｃ繊維を含む。セラミックマトリックス複合材プライ６０を提供するステップの後、セラミックマトリックス複合材プライ６０にボイド５０２が形成される（ステップ５０３）。ボイド５０２は、ＣＭＣ材料において開口を形成するための何れかの好適な技法を用いて形成される。ボイドの幾何形状は、冷却流を受け取るため、円形、湾曲、楕円、直線状、又は他の好適な幾何形状を含む何れかの好適な幾何形状を含む。１つの実施形態において、ボイド５０２は、図５に示すように、連続シート状に形成される。別の実施形態において、ボイド５０２は、プライ６０において開口を不連続的に形成することにより形成され、縁部に沿ってカッティング又は他の方法で除去された部分を各々が有するプライ６０が組み合わされて、ボイド５０２を形成する。１つの実施形態において、ボイド５０２は、直線状スロットである。好適なボイド形成技法は、セラミックマトリックス複合材プライ６０のセラミックマトリックス複合材材料のレーザ孔加工、放電加工、及びカッティング又は機械加工を含む。セラミックマトリックス複合材プライ６０においてボイド５０２が形成された後、第１のセラミックマトリックス複合材プライ５０４は、第２のセラミックマトリックス複合材プライ５０６に対して、それぞれのプライ６０におけるボイドが整列してキャビティ７０を形成するように位置付けられる（ステップ５０５）。第３のセラミックマトリックス複合材プライ５０８を更に含めることができ、キャビティ７０を含むことができ、又は含まなくてもよい。整列とは、ボイド５０２が隣接するセラミックマトリックス複合材プライに一致又は実質的に一致する幾何形状を有するようなものである。整列したボイドのスタックにより、キャビティ７０を形成する。本開示は、図５に示すプライ６０の数に限定されない。プライ６０の数は、構成部品１０の所望のサイズ及び構成に基づいて変化し、特定的に限定されない。
【００２０】
キャビティ７０が形成された後、キャップセラミックマトリックス複合材プライ５１０は、任意選択的に、キャビティ７０を閉鎖するように施工することができる。１つの実施形態において、キャビティ７０に隣接したプライ６０は、繊維がチャンネル又は中空キャビティに対して１０度よりも大きな角度を形成する方向に配向される繊維を含む。例えば、キャップセラミックマトリックス複合材プライ及び第３のセラミックマトリックス複合材プライ５０８の繊維は、キャビティ７０の中心軸に対して１０度よりも大きな角度を形成する。角度付きプライの配置は、応力集中適応性の増大を可能にする。加えて、角度付きプライの利用は、圧密化を支援し、この方式で繊維を整列させることで、ボイドの架橋による開放ボイド内へのプライの垂下が低減又は排除される。或いは、プライ６０のスタック５１２は、露出したキャビティ７０を有することを可能とすることができ、これに応じて更に処理することができる。１つの実施形態において、ボイド５０２は、スタック５１２においてチャンネル又は溝など、陥凹域としてキャビティ７０を生成するよう整列又は形成される。キャビティ７０は、プライスタック５１２に延びて、緻密体に形成されるキャビティに対応する深さを含む。キャビティ７０は、一定の深さを含むことができ、或いは、キャビティの長さにわたって可変の深さ又は可変の断面を有することができる。１つの実施形態において、プライスタック５１２の形成中、プライ６０は、配向が交互にされ（例えば、対向する方向で反転される）、予備硬化された積層スタックの最外プライが追加の構成部品又はプライに接合するためにマトリックスを形成するのを確保する。１つの実施形態において、プリフォーム又は部分的に緻密化された積層スタックの外面は、接合を促進させるために露出された外面上にマトリックスを有する。キャップセラミックマトリックス複合材プライ５１０を施工する任意選択のステップの後、スタック５１２がオートクレーブに載置されて、オートクレーブサイクルが完了する（ステップ５０９）。スタック５１２は、当該産業においてセラミック複合材に使用される典型的なオートクレーブ圧力及び温度サイクルを受ける。オートクレーブは、プライに残存する何らかの揮発性物質を取り出し、プライ材料に応じて、オートクレーブ条件を変化することができる。オートクレーブ後、バーンアウトプロセスを実施して、スタック５１２において何らかの残留するマンドレル材料又は追加のバインダーを除去する。バーンアウトプロセスは、一般に、約４２６〜６４８°Ｃ（約８００〜１２００°Ｆ）の温度で実施される。
【００２１】
バーンアウト後、緻密化のためプリフォーム構成部品が真空炉内に載置される（ステップ５１１）。緻密化は、限定ではないが、Ｓｉｌｉｃｏｍｐ、溶融浸透（ＭＩ）、化学蒸気浸透（ＣＶＩ）、ポリマー膨張熱分解（ＰＩＰ）、及び酸化物／酸化物プロセスを含む、何れかの既知の緻密化技法を用いて実施される。緻密化は、ケイ素又は他の材料がプリフォーム構成部品内に溶融浸透することができるように１２００°Ｃを超える温度の設定大気を有する真空炉において実施することができる。図５に示すように、緻密化の１つの好適な方法は、液体マトリックス材料５１３がスタック５１２に引きこまれてマトリックス材料が固化される溶融浸透である。キャビティ７０は、ケイ素などのマトリックス材料がキャビティ７０を浸漬せず、又は他の方法で十分に浸漬しないような十分な直径及び長さを含み、その結果、緻密化後にキャビティ７０が開いたままであるようになる。緻密化後、固化したスタック５１２又は緻密体は、図４に示すような内部キャビティ７０を含み、構成部品１０の少なくとも一部を形成する。
【００２２】
図６は、本開示の別の実施形態による、キャビティ７０（図４も参照）を有するＣＭＣ構成部品１０を形成するプロセスを概略的に示している。図６に示すように、構成部品１０は、図５に示した実施形態と同様のレイアップ技法を用いて形成される。プロセス６００は、セラミックマトリックス複合材プライ６０を提供するステップを含む（ステップ６０１）。セラミックマトリックス複合材プライ６０を提供するステップの後、セラミックマトリックス複合材プライ６０にボイド５０２が形成される（ステップ５０３）。セラミックマトリックス複合材プライ６０においてボイド５０２が形成された後、第１のセラミックマトリックス複合材プライ５０４は、第２のセラミックマトリックス複合材プライ５０６に対して、それぞれのプライ６０におけるボイドが整列してキャビティ７０を形成するように位置付けられる（ステップ６０５）。図５と同様に、プライ６０の数は、構成部品１０の所望のサイズ及び構成に基づいて変化し、特定的に限定されない。プライ６０が整列されてキャビティ７０を形成した後、第１のセラミックマトリックス複合材プライ５０４及び第２のセラミックマトリックス複合材プライ５０６は、部分的に剛性化されて、剛性プリフォームを形成する（ステップ６０７）。本明細書で利用される場合、部分的に剛性化するとは、有機物又は他の揮発性物質が第１のセラミックマトリックス複合材プライ５０４及び第２のセラミックマトリックス複合材プライ５０６から除去されて、構造体を少なくとも部分的に剛性化するようなオートクレーブによるような硬化又は剛性化プロセスを指す。剛性化は、更なる処理のため構造体を剛性化するのに十分な硬化処理を含む。部分的剛性化のための温度及び時間は、所望の剛性化レベル及びプライ６０中に存在するマトリックスの量及びタイプに基づいて変化する。
【００２３】
剛性化プリフォーム６１５が形成された後、各々がボイド５０２を有する第１のプリフォーム６１７及び第２のプリフォーム６１９が互いに向けて配向され且つ互いに対して整列されて、スタック５１２内に大きなキャビティ７０を形成する（ステップ６０９）。１つの実施形態において、プライスタック５１２の形成中、プライ６０は、配向が交互にされ（例えば、対向する方向で反転される）、予備硬化された積層スタックの最外プライがプリフォーム６１５の互いへの接合のためにマトリックスを形成するのを確保する。
【００２４】
スタック５１２が内部キャビティ７０を有して形成された後、スタック５１２は、オートクレーブに載置されて、硬化サイクルが完了する（ステップ６１１）。図５に関して上述したように、硬化サイクルは、オートクレーブサイクル及びバーンアウトサイクルを含むことができる。バーンアウトサイクルの後、緻密化のためプリフォーム構成部品が真空炉内に載置される（ステップ６１３）。
【００２５】
図７は、本開示の別の実施形態による、内部キャビティ７０（同様に図４を参照）を有するＣＭＣ構成部品１０を形成するプロセスを概略的に示している。図７に示すように、構成部品１０は、図５に示す実施形態と同様のレイアップ技法を用いて形成される。プロセス７００は、セラミックマトリックス複合材プライ６０を提供するステップを含む（ステップ７０１）。セラミックマトリックス複合材プライ６０を提供するステップの後、複数のプライ６０が互いに接触して位置付けられて予備硬化されたスタック７１７を形成する（ステップ７０３）。図５と同様に、プライ６０の数は、構成部品１０の所望のサイズ及び構成に基づいて変化し、特定的に限定されない。予備硬化されたスタック７１７が形成された後、予備硬化されたスタック７１７が部分的に硬化されて剛性化プリフォーム６１５を形成する（ステップ７０５）。
【００２６】
剛性化プリフォーム６１５が形成された後、剛性化プリフォームにキャビティ７０が形成される（ステップ７０７）。１つの実施形態において、キャビティ７０は、剛性化プリフォーム６１５におけるチャンネル又は溝などの陥凹域である。好適なキャビティ形成技法は、剛性化プリフォーム６１５のセラミックマトリックス複合材材料のレーザ孔加工、放電加工、及びカッティング又は機械加工を含む。１つの実施形態において、剛性化プリフォーム６１５の形成中、プライ６０は、配向が交互にされ（例えば、対向する方向で反転される）、予備硬化された積層スタックの最外プライが、プリフォーム６１５を他の層への接合するためにマトリックスを形成するのを確保する。キャビティ７０を有する剛性化プリフォーム６１５の形成後、キャップセラミックマトリックス複合材プライ５１０は、任意選択的に、キャビティ７０を閉鎖するように施工することができる。別の実施形態において、キャップセラミックマトリックス複合材プライ５１０は、キャビティ７０が形成された第２の剛性化プリフォーム６１５と置き換えることができる。この実施形態では、キャビティ７０は、対応する剛性化プリフォームにおいて整列されて、スタック５１２内に密閉される大きなキャビティ７０を形成する。
【００２７】
剛性化プリフォームが内部キャビティ７０を有して形成された後、スタック５１２は、オートクレーブに載置されて、硬化サイクルが完了する（ステップ７１１）。図５に関して上述したように、硬化サイクルは、オートクレーブサイクル及びバーンアウトサイクルを含むことができる。バーンアウトサイクルの後、緻密化のためプリフォーム構成部品が真空炉内に載置される（ステップ７１３）。
【００２８】
代替の実施形態において、構成部品１０は、本開示によるキャビティ７０と同様に形成され、既知の機械加工工程を利用してボイド５０２が形成される。構成部品１０の外部に開放されたキャビティ７０を含む構成部品は、大きなＣＭＣ構造体又は構成部品に組み込まれ、ここでキャビティ７０は、該キャビティ７０の方向とは反対の方向にバイアスされたキャップセラミックマトリックス複合材プライで閉蓋される。
【００２９】
代替の実施形態において、構成部品１０は、本開示によるキャビティ７０と同様に形成される。しかしながら、キャップセラミックマトリックス複合材プライ）５１０は施工されない。スタック５１２は、オートクレーブサイクルを受ける。オートクレーブサイクルの後、キャビティ７０は、キャビティ内のプライの位置ずれが取り除かれるように何らかの好適な機械加工プロセスによって機械加工される。機械加工ステップの後、機械加工されたキャビティ７０を有するスタック５１２は、別のオートクレーブサイクルを受けて、緻密化される。
【００３０】
１つの実施形態において、冷却剤又は他の流体が配向されて通過し、構成部品１０に冷却を提供できるような十分に大きく且つ構成部品１０において開放されている。例えば、図５に示すプロセスに従って製造されるキャビティは、閉鎖され、構成部品１０の内部にある。冷却用のキャビティ７０は、送給孔及び高温ガス経路ダンプ孔などの開口を構成部品１０に機械加工又は他の方法で形成することにより、プレナム５０、他のキャビティ７０、又は構成部品の外部に送給及び／又は排出することができる。
【００３１】
１又はそれ以上の実施形態を参照しながら本発明を説明してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく種々の変更を行うことができ且つ本発明の要素を均等物で置き換えることができる点は、当業者であれば理解されるであろう。加えて、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況又は物的事項を本発明の教示に適合するように多くの修正を行うことができる。従って、本発明は、本発明を実施するために企図される最良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、また本発明は、提出した請求項の技術的範囲内に属する全ての実施形態を包含することになるものとする。
【符号の説明】
【００３２】
７０  キャビティ
５０２  ボイド
５０４  第１のセラミックマトリックス複合材プライ
５０６  第２のセラミックマトリックス複合材プライ
６１５  剛性化プリフォーム
【図１】
2017095342.tif 000003
【図２】
2017095342.tif 000004
【図３】
2017095342.tif 000005
【図４】
2017095342.tif 000006
【図５】
2017095342.tif 000007
【図６】
2017095342.tif 000008
【図７】
2017095342.tif 000009
【外国語明細書】
2017095342000001.pdf