(57)【要約】【課題】プライ、プライの製造方法、及びプライを用いた物品の製造方法を提供する。【解決手段】プライ（１００）を製造する方法は、プライ（１００）をプリンティングし、該プライは、ニアネットシェイプ（１０２）及びセラミックマトリックス複合材不織材料（１０４）を含む。ニアネットシェイプ（１０２）がタービン構成要素（４００）の予め定められた層（１０８）であるプライ（１００）が開示される。物品を製造する方法において、第１のプライ（２００）は、第１のニアネットシェイプ（２０２）及び第１のセラミックマトリックス複合材不織材料（２０４）を含み、第２のプライ（２０６）は、第２のニアネットシェイプ（２０８）及び第２のセラミックマトリックス複合材不織材料（２０８）を含む。本方法では、第２のプライ（２０６）を第１のプライ（２００）に取り付け、第１及び第２のプライ（２００、２０６）をコンソリデーションする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プライ（１００）を製造する方法であって、ニアネットシェイプ（１０２）及びセラミックマトリックス複合材不織材料（１０４）を含むプライ（１００）をプリンティングするステップを含む、方法。
【請求項２】
前記プリンティングステップが、連続フィラメント製造プロセスによって予備含浸された被覆トウ（３００）を押し出し加工するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記プリンティングステップが、３次元連続繊維配置プリンタ（３０２）の使用を含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記不織材料（１０４）が、一方向性テープ（１０６）である、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記ニアネットシェイプ（１０２）が、タービン構成要素（４００）の予め定められた層（１０８）である、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記タービン構成要素（４００）が翼形部（４０２）である、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記タービン構成要素（４００）がノズル（４０４）である、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
物品を製造する方法であって、
第１のニアネットシェイプ（２０２）及び第１のセラミックマトリックス複合材不織材料（２０４）を含む第１のプライ（２００）をプリンティングするステップと、
第２のニアネットシェイプ（２０８）及び第２のセラミックマトリックス複合材不織材料（２１０）を含む第２のプライ（２０６）をプリンティングするステップと、
前記第２のプライ（２０６）を前記第１のプライ（２００）に取り付けるステップと、
前記第１のプライ（２００）及び前記第２のプライ（２０６）をコンソリデーションするステップと、
を含む、方法。
【請求項９】
前記第１のプライ（２００）をプリンティングするステップが更に、予備含浸された被覆トウ（３００）を基材上に直接押し出し加工するステップを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
第２のプライ（２０６）をプリンティングするステップ及び前記第２のプライ（２０６）を前記第１のプライ（２００）に取り付けるステップが、前記予備含浸された被覆トウ（３００）を前記第１のプライ（２００）上に直接押し出し加工することにより同時に起こる、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
第１のニアネットシェイプ（２０２）及び第２のニアネットシェイプ（２０８）が、物品の隣接する予め定められた層（１０８）である、請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
前記物品がタービン構成要素（４００）である、請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
前記タービン構成要素（４００）が、翼形部（４０２）である、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記タービン構成要素（４００）が、ノズル（４０４）である、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記第１のプライ（２００）及び前記第２のプライ（２０６）をコンソリデーションするステップが、オートクレーブ処理、焼成、局所的熱処理、誘導加熱、又はこれらの組み合わせからなる群から選択された技術を含む、請求項８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プライ、プライを製造する方法、及びプライから物品を製造する方法に関する。より詳細には、本発明は、プライ、プライを製造する方法、並びにニアネットシェイプ及びセラミックマトリックス複合材不織材料を含むプライから物品を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは、効率及び性能の向上をもたらすように継続的に修正されている。これらの修正は、より高い温度下で及びより過酷な条件下で作動できる能力を含み、これには、このような温度及び条件から構成要素を保護するために材料の修正及び／又はコーティングが必要となることが多い。より多くの修正が取り入れられると、具現化する課題が追加されることになる。
【０００３】
性能及び効率を向上させる１つの修正は、限定ではないが、シュラウド、タービンストラット、ノズル／ベーン、燃焼ライナ、バケット／ブレード、シュラウドリング、排気ダクト、増強ライナ、及びジェット排気ノズルなどのガスタービン構成部品をセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）により形成することを含む。ＣＭＣガスタービン構成要素は、ＣＭＣ材料のプライから形成することができる。しかしながら、ＣＭＣ材料は高価であり、ＣＭＣ材料のシートをプライ用に必要な形状にペアリングすることで、相当量のＣＭＣスクラップが産出されることになる。加えて、ペアリング処理は、プライに欠陥を生じさせる可能性があるが、十分に精密な形状構造を得るためには複数回のペアリングステップが必要となる場合がある。
【発明の概要】
【０００４】
１つの例示的な実施形態において、プライを製造する方法は、プライをプリンティングするステップを含み、プライは、ニアネットシェイプ及びセラミックマトリックス複合材不織材料を含む。
【０００５】
別の例示的な実施形態において、物品を製造する方法は、第１のプライ及び第２のプライをプリンティングするステップを含む。第１のプライは、第１のニアネットシェイプ及び第１のセラミックマトリックス複合材不織材料を含み、第２のプライは、第２のニアネットシェイプ及び第２のセラミックマトリックス複合材不織材料を含む。本方法は更に、第１のプライに第２のプライを取り付けて、第１のプライ及び第２のプライをコンソリデーションするステップを含む。
【０００６】
別の例示的な実施形態において、プライは、ニアネットシェイプ及びセラミックマトリックス複合材不織材料を含み、ニアネットシェイプは、物品の予め定められた層である。
【０００７】
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】
【０００８】
【図１】本開示の１つの実施形態による、プライの斜視図。
【図２】本開示の１つの実施形態による、第１のプライ及び第２のプライの斜視図。
【図３】本開示の１つの実施形態による、第２のプライが第１のプライ上に直接形成されるプロセス中の第１のプライ及び第２のプライの斜視図。
【図４】本開示の１つの実施形態による、タービンノズルを形成するために取り付けられたプライの斜視図。
【図５】本開示の１つの実施形態による、タービンノズルを形成するために取り付けられたプライの斜視図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
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。例示的なプライ、プライを製造する方法、及びプライから物品を製造する方法が提供される。本開示の実施形態は、本明細書で開示される１又はそれ以上の特徴要素を利用しない方法及び製品と比較して、プライ及びプライから形成される物品を製造するためのよりコスト効果があり且つ時間効率のよい方法を提供し、プライ内の何れかの箇所にて所定の繊維ルーティング経路を辿る方向性能力を不織繊維に提供する。
【００１０】
図１を参照すると、プライ１００は、ニアネットシェイプ１０２と、セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）不織材料１０４とを含む。ニアネットシェイプ１０２は、物品の予め定められた層１０８である。予め定められた層１０８は、限定ではないが、物品の断面層、物品の湾曲した層、物品の角度が付いた層、又はこれらの組み合わせを含む、何れかの好適なトポロジカル構造とすることができ、ここで予め定められた層１０８は、より大きな物品の一部を構成するように適合されている。
【００１１】
セラミックマトリックス複合材不織材料１０４は、限定ではないが、一方向性テープ１０６、不規則に配列された繊維を含むテープ、不連続繊維を含むテープ、円形繊維を含むテープ、又はこれらの組み合わせを含む、何れかの好適な材料とすることができる。１つの実施形態において、不連続繊維は、限定ではないが、約０．１５インチ未満、又は約０．１インチ未満、又は約０．０５インチ未満、又は約０．０１インチ〜約０．１５インチ、又は約０．０２インチ〜約０．１２インチ、又は約０．０５インチ〜約０．１インチの繊維長を含む、あらゆる好適な繊維長を含む。別の実施形態において、一方向性テープ１０６における互いに対する繊維の配向は変えることができる。別の実施形態において、一方向性テープ１０６における互いに対する繊維の配向は、約９０度変化する。ＣＭＣの実施例は、限定ではないが、ＳｉＣ、ＳｉＮ、アルミナ、酸化物ベースの複合セラミックス、及びこれらの組み合わせを含む。
【００１２】
プライ１００を製造する方法は、プライ１００をプリンティングするステップを含む。１つの実施形態において、プライ１００は、プリンティングされ且つ更なる修正が無いものとして、ニアネットシェイプ１０２を含む。プライ１００をプリンティングするステップは、連続フィラメント製造プロセスによって予備含浸された被覆トウ３００（図３に示す）を押し出し加工するステップを含むことができる。別の実施形態において、連続繊維は、少なくとも約０．０５インチ、又は少なくとも約０．１インチ、又は少なくとも約０．１５インチ、又は約０．０５インチ〜約０．５インチ、又は約０．１インチ〜約０．３インチ、又は約０．１５インチ〜約０．２５インチの繊維長を含む、あらゆる好適な繊維長を含む。
【００１３】
プライ１００をプリンティングするステップは更に、連続フィラメント製造プロセスによって予備含浸された被覆トウ３００を押し出し加工するために、３次元連続繊維配置プリンタ３０２（図３に示す）を使用することを含む。１つの実施形態において、予備含浸されたトウ３００は加熱され、プライ１００が押し出し加工されたときに部分的にプライ１００を硬化する。
【００１４】
１つの実施形態において、予備含浸された被覆トウ３００は、被覆ＣＭＣ繊維、ＣＭＣ粒子、及び炭素パーティキュレートを含む。予備含浸された被覆トウ３００は更に、溶剤、樹脂、アルコール、又はこれらの混合物を含むことができる。ＣＭＣ粒子は、サブミクロンサイズの粒子とすることができる。別の実施形態において、ＣＭＣ粒子は、約１ミクロンを超えない、又は約１０ミクロンを超えない、又は約２０ミクロンを超えない最大直径を含む。炭素パーティキュレートは、限定ではないが、元素炭素、炭化水素、炭素を含有する何らかの有機材料、又はこれらの組み合わせを含むことができる。元素炭素は、１又はそれ以上の形態で存在することができる。
【００１５】
図２を参照すると、１つの実施形態において、物品を製造する方法は、第１のプライ２００及び第２のプライ２０６をプリンティングするステップを含む。第１のプライ２００は、第１のニアネットシェイプ２０２及び第１のＣＭＣ不織材料２０４を含む。第１のプライ２００は、予備含浸された被覆トウ３００を基材に直接押し出し加工することにより、又は基材なしでプライをプリンティングすることによりプリントすることができる。第１のプライ２００は、更に処理されるために機械的に又は手動で基材に移送することができる。基材は、限定ではないが、物品表面、中間表面、工具面、タービン構成要素、又はこれらの組み合わせを含む、何れかの好適な物体とすることができる。第２のプライ２０６は、第２のニアネットシェイプ２０８及び第２のＣＭＣ不織材料２１０を含み、第１のニアネットシェイプ２０２及び第２のニアネットシェイプ２０８は、物品の隣接した予め定められた層１０８である。方法は更に、第２のプライ２０６を第１のプライ２００に取り付けて、第１のプライ２００及び第２のプライ２０６をコンソリデーションするステップを含む。この方法によって、あらゆる数のプライ１００を取り付けることができる。第１のプライ２００及び第２のプライ２０６（並びに何れかの追加のプライ１００）をコンソリデーションするステップは、限定ではないが、オートクレーブ処理、焼成、局所的熱処理、誘導加熱、又はこれらの組み合わせを含む、あらゆる好適な技術を含むことができる。
【００１６】
１つの実施形態において、本製造方法はまた、第１のプライ２００及び第２のプライ２０６を高密度化するステップを含む。高密度化は、限定ではないが、溶解浸透又は蒸着を含む、あらゆる好適な技術を含むことができる。蒸着は、純ケイ素、何らかの好適な酸化物（限定ではないが酸化ケイ素を含む）又はこれらの組み合わせの堆積を含むことができる。溶解浸透は、限定ではないが、第１のプライ２００及び第２のプライ２０６にケイ素を溶解させ、ケイ素と炭素パーティキュレートとを反応させて炭化ケイ素を形成し、従って、第１のプライ２００及び第２のプライ２０６をコンソリデーションすることを含むことができる。
【００１７】
第２のプライ２０６は、予備含浸された被覆トウ３００を基材上に直接押し出し加工するか、又は基材なしでプライをプリンティングすることによって、プリンティングすることができる。１つの実施形態において、第２のプライ２０６は、更に処理するために基材に手動で又は機械的に移送される。別の実施形態において、第２のプライ２０６は、更に処理するために基材上に配置された第１のプライ２００に手動で又は機械的に移送される。
【００１８】
図３を参照すると、別の実施形態において、第１のプライ２００のプリンティングと、第２のプライ２０６を第１のプライ２００に取り付けることは、予備含浸された被覆トウ３００を第１のプライ２００に直接押し出し加工することにより同時に起こる。別の実施形態において、予備含浸された被覆トウ３００を第１のプライ２００上に直接押し出し加工することは、３次元連続繊維配置プリンタ３０２の使用を含む。
【００１９】
図４及び５を参照すると、ニアネットシェイプ１０２は、タービン構成要素４００の予め定められた層である。タービン構成要素は、限定ではないが、シュラウド、タービンストラット、翼形部４０２、ノズル４０４（ベーン）、燃焼ライナ、バケット（ブレード）、シュラウドリング、排気ダクト、増強ライナ、ジェット排気ノズル、又はこれらの組み合わせを含む、あらゆる好適な構成要素とすることができる。１つの実施形態（図４）において、プライ１００は、断面トポロジーを有する予め定められた層１０８であり、別の実施形態（図５）において、プライ１００は、湾曲トポロジーを有する予め定められた層１０８である。
【００２０】
好ましい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】
【００２１】
１００  プライ
１０２  ニアネットシェイプ
１０４  セラミックマトリックス複合材不織材料
３００  予備含浸された被覆トウ
【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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【外国語明細書】
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