(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンエンジン物品の形態の繊維強化セラミックマトリックス複合物品（１０）であって、当該物品は作動時に、物品の複数の表面領域（１２，１４／１６，１８）間で変動する複数の作動温度および応力を同時に受け、
当該物品の前記複数の表面領域のうち作動時に第１温度および第１応力を受ける物品の第１領域（１２／１６）が、第１応力より大きい第１強度を有するとともに第１温度で第１熱膨張係数（ＣＴＥ）を有する第１繊維を含み、
当該物品の前記複数の表面領域のうち作動時に第１温度より低い第２温度および第１応力より大きい第２応力を受ける物品の第２領域（１４／１８）が、第２応力より大きい第２強度を有するとともに第１温度での第１ＣＴＥより大きい第２温度での第２ＣＴＥを有する第２繊維を含み、
第１繊維および第２繊維が、アルミナ、シリカ、ガラス、グラファイト、炭素、炭化物、タングステン、ホウ素、およびこれらの混合物から選ばれる１種以上の材料からなる耐熱性繊維である、
繊維強化複合物品（１０）。
【請求項２】
前記第１繊維および第２繊維が布、織物、編組およびレイアップから選ばれる、請求項１に記載の物品（１０）。
【請求項３】
前記第１温度が１６００〜２０００°Ｆ（８７１〜１０９３℃）の範囲にあり、前記第２温度が９００〜１３００°Ｆ（４８２〜７０４℃）の範囲にある、請求項１又は請求項２に記載の物品（１０）。
【請求項４】
当該繊維強化セラミックマトリックス複合物品のセラミックマトリックスがアルミナを主成分とする、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の物品（１０）。
【請求項５】
当該繊維強化セラミックマトリックス複合物品のセラミックマトリックスがさらにシリカを含む、請求項４に記載の繊維強化セラミック複合物品（１０）。
【請求項６】
当該繊維強化セラミックマトリックス複合物品が各領域（１２，１４；１６，１８）に２０〜７０容量％の範囲の繊維を含有する、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の物品（１０）。
【請求項７】
ガスタービンエンジン排気フラップまたはガスタービンエンジンブレード部品の形態である、請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の物品（１０）。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の繊維強化セラミックマトリックス複合物品（１０）を製造するための部材（２０）であって、
前記部材（２０）は繊維強化複合物品（１０）を補強するための補強用繊維を含み、作動時に部材内に、部材の複数の表面領域（２２，２４，２６，２８）間で変動する複数の作動温度および応力を同時に受け、
作動時に第１温度および第１応力を受ける部材（２０）の第１領域（２２）が、第１応力より大きい第１強度を有する第１繊維を含み、
作動時に第１温度より低い第２温度および第１応力より大きい第２応力を受ける部材（２０）の第２領域（２４／２６／２８）が、第２応力より大きい第２強度を有する第２繊維を含む、
部材（２０）。
【請求項９】
請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の繊維強化セラミックマトリックス複合物品（１０）を製造する方法であって、
第１応力より大きい第１強度を有するとともに第１温度で第１熱膨張係数（ＣＴＥ）を有する第１繊維を選択する工程と、
第２応力より大きい第２強度を有するとともに第１温度での第１ＣＴＥより大きい第２温度での第２ＣＴＥを有する第２繊維を選択する工程と、
物品の表面領域の第１領域（１２／１６）のマトリックスに補強用繊維として第１繊維を配置する工程と、
物品の表面領域の第２領域（１４／１８）のマトリックスに補強用繊維として第２繊維を配置する工程と
を含む方法。
【請求項１０】
請求項８に記載の部材（２０）を製造する方法であって、
第１応力より大きい第１強度を有するとともに第１温度で第１熱膨張係数（ＣＴＥ）を有する第１繊維を選択する工程と、
第２応力より大きい第２強度を有する第２繊維を選択する工程と、
部材（２０）の表面領域の第１領域（２２）のマトリックスに補強用繊維として第１繊維を配置する工程と、
部材（２０）の表面領域の第２領域（２４／２６／２８）のマトリックスに補強用繊維として第２繊維を配置する工程と
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
この発明は、繊維を含有する部材、繊維で補強された複合物品およびこのような部材および物品を製造する方法に関する。この発明は特に、作動時に、物品の複数の領域間で変動する複数の作動温度および応力を同時に受ける繊維強化複合物品に関する。
【０００２】
【背景技術】
パワー発生機、たとえばガスタービンエンジンでは、このようなエンジンの入口から出口まで、そしてまた個々の部品の前後あるいは内部で、大きく変動する作動温度に遭遇する。このような温度変動の一例が、エンジン排気システム内で、排気フラップのようなパネルの複数領域の前後あるいは内部で観察される。別の例として、タービンエンジンブレード部品、たとえばブレード、ベーン、ストラットなどがあり、その表面領域またはスキン領域は部品内の補強用または強化用スパー（桁材）が受けるよりも高い温度にさらされる。
【０００３】
このような物品または部品の前後または内部あるいは物品の領域（ホットスポットということもある）内での大きな熱勾配は、物品の作動能力を限定する程の比較的大きな熱ひずみを発生する。たとえば、耐熱性酸化物繊維強化セラミックマトリックス複合材料からなるガスタービンエンジン排気フラップには、比較的低温なエッジ領域とエッジ領域内部のあるいはそこから離れたより高温の領域とが同時に共存しており、比較的低温なエッジ領域に、物品の作動寿命を短くするおそれのあるクラックが生じることが確認されている。このような劣化は、ほぼ単一種の材料から形成された物品の補強構造では、異なる温度領域間の応力不一致から発現する異なる応力レベルを補償することができない結果として生じると考えられる。たとえば単一種の補強用繊維を含有する複合材料の強化マトリックスは、単独では、物品の作動温度範囲にわたる大きなひずみ変動に耐える能力あるいは大きなひずみ変動を補償する能力をもたない。
【０００４】
【発明の概要】
本発明は、第一の形態では、マトリックスと補強用繊維とを含む繊維強化複合物品を提供する。この物品は作動（使用）時に、物品内に、物品の複数の領域間で変化する複数の作動温度を同時に受ける。たとえば、作動温度は約９００〜２００°Ｆの全温度範囲で変動しうる。１作動形態では、物品の第１領域が第１温度、具体的には約１６００〜２０００°Ｆの範囲の温度、たとえば約１８００°Ｆにさらされ、この温度は物品の第１領域に第１応力を発現する。作動時に第１領域と同時に、物品の第２領域は、第１温度より低い第２温度、具体的には約９００〜１３００°Ｆの範囲の温度、たとえば約１１００°Ｆにさらされ、この温度は物品の第２領域に第１応力より大きい第２応力を発現する。繊維強化複合物品の２領域間のこのような応力の差が、より大きな応力をうけるより低温の領域に、たとえば物品のエッジ部分にクラックをもたらすことが確認された。
【０００５】
本発明の１実施態様では、物品の複数の領域について、それぞれの領域における作動応力レベルを補償するのに適切な強度レベルの補強用繊維を与える。繊維は、物品または補強用部材を形成する際に、各領域毎に、その領域での作動温度で受ける応力よりも大きな強度レベルを達成するように、適切に選択する。後述するように、このような強度レベルは、部分的には、予定の作動（使用）温度で決められる異なる熱膨張係数（ＣＴＥ）（αで表すことがある）を有する繊維をマトリックス中に使用することで達成する。１実施態様では、領域に適切な強度レベルを与える繊維の選択は、各領域毎の下記項目の積、すなわち、領域の各面積対物品部分の総面積の比と、繊維強化マトリックスの弾性率と、このような強化マトリックスのＣＴＥと、各領域の作動温度と、の積からの熱応力レベルの差に基づいて行う。本発明のこの実施態様では、比較的高温な第１領域における上記積が比較的低温な第２領域における上記積より小さい。このような関係の１形態（以下関係式という）は、
Ａ1Ｅ1α1Ｔ1−Ａ2Ｅ2α2Ｔ2  ＜  Ｓ2
である。ここで領域１および領域２それぞれについて、Ａは１領域の面積対複数領域の合計面積の面積比を表し、Ｅは繊維強化マトリックスの弾性率を表し、αは繊維強化マトリックスの作動温度（°Ｆ表示）でのＣＴＥを表し、Ｔは作動温度（°Ｆ表示）を表し、Ｓは比較的低温な領域の強度を表す。本例では、第２領域、すなわち領域２は、第１領域における第１強度より大きい第２強度を有する。
【０００６】
本発明の別の実施態様は、繊維強化複合物品を製造するのに用いられる、たとえば、布（ファブリック）、織物、編組（ブレイド）またはレイアップの形態の第１繊維および第２繊維の混合物の形態の部材である。本発明のさらに他の実施態様はこのような部材または物品を製造する方法で、第１繊維および第２繊維を選択し、予定の作動条件の関数として部材または物品における第１および第２繊維の相対的混合および配置を選択する工程を含む。
【０００７】
【好適な実施態様】
現在、ガスタービンエンジン排気フラップは、ほぼパネルの形態をとると考えるのが好都合であるが、通常、単一種の耐熱性酸化物繊維で全体にほぼ均一に補強されたセラミックマトリックスから形成されている。このような排気フラップの一例に、市販のＳＭ８サブミクロンアルミナ粉末およびシリカから形成されたアルミノシリケートマトリックスを含むものがある。マトリックスは、名目的に８５ｗｔ％のアルミナおよび１５ｗｔ％のシリカからなりＮｅｘｔｅｌ７２０ロービング材料として市販されている酸化物繊維で補強されている。ある形式の作動（使用）時、排気フラップは、パネル内の周縁のエッジ領域から離れた少なくとも１領域において約１６００〜２０００°Ｆの範囲の第１温度に、またフラップの周縁領域において第１温度より低い、約９００〜１３００°Ｆの範囲の第２温度にさらされる。フラップにおけるこのような温度変動が原因で、比較的高温な領域における構造の一体性を維持しながら、このような比較的低温な箇所で複合材料の過剰なひずみが生じる結果として、周縁エッジにクラックが生じる、ことが確認された。
【０００８】
上述した形式の作動（使用）を受ける予定のパネルの１例を図１の線図に示す。１０で総称するパネルは、ガスタービンエンジン排気フラップのような物品を線図的に示す。パネルの作動（使用）時に、周縁エッジまたは第２領域１４から離れた少なくとも１つの第１領域１２は、パネル内のエッジ領域１４とはほぼ別個の領域として示されている。第１領域１２がさらされる第１温度は、エッジ領域１４がさらされる第２温度より高い。
【０００９】
本発明の１実施態様は、第１領域１２および第２領域１４のそれぞれに、異なる耐熱性補強用繊維または複数の耐熱性補強用繊維の混合物もしくはブレンドを配置することにより、パネルにおける過剰な破壊的なひずみの発生を回避する。各繊維または各繊維混合物は、その作動温度で異なる膨張係数（ＣＴＥ）を有し、マトリックスとともに前述した「関係式」を与える。それぞれの領域における異なる繊維の各々（または混合物もしくはブレンド）は領域毎に調整または選択して、１領域に、全作動温度範囲にわたって物品構造に劣化をもたらすのに十分な過剰なひずみの発生を物品において抑制するのに適切な強度レベルを与える。本発明のこの実施態様は、比較的低温な領域に、（単一種の繊維、繊維混合物いずれでも）適当に高い熱ひずみを生ずる比較的高い熱膨張特性を有する単一種の繊維または繊維混合物を使用する。同時に、この実施態様は、比較的高温な領域に、（単一種の繊維、繊維混合物いずれでも）比較的低い熱膨張特性を有する単一種の繊維または繊維混合物を使用する。前記「関係式」のおかげで、この結果として、以前は過度な熱ひずみからクラックを生じていた比較的低温な領域において、熱ひずみが減少する（場合によっては二軸方向熱ひずみに対する耐性を含む）。本発明の種々の実施態様で用いる耐熱性繊維としては、アルミナ、シリカ、ガラス、グラファイト、炭素、炭化物、タングステンおよびホウ素の１種または混合物が挙げられるが、これらに限定されない。
【００１０】
作動中に物品の複数領域で複数の温度に同時にさらされる用途に用いる、上記とは別のパネル１０を図２の線図に示す。この実施態様では、第１端領域１６は、この第１端領域１６から離れた第２端領域１８より高い第１温度にさらされる。
【００１１】
アルミナマトリックスを補強する本発明の１実施例では、前記「関係式」において、２種類のアルミナ基繊維を使用した。複数の繊維のうち、繊維強化マトリックス複合物品を製造するのに用いる補強用部材を製造する方法において、主として、約１６００〜２０００°Ｆの範囲の代表的な値である約１６５０°Ｆの第１高温領域用に選択される第１の繊維は、その１６５０°Ｆの温度で約３．３７ｘ１０-6／°Ｆの第１ＣＴＥを有するものとした。本例では、主として高温用の第１繊維として前述したＮｅｘｔｅｌ７２０セラミック繊維ロービングを使用した。複数の繊維のうち、本例において、約９００〜１３００°Ｆの範囲の代表的な値である約１１００°Ｆの第２低温領域用に単独であるいは他の繊維と組み合わせて使用される第２の繊維は、第１温度での第１ＣＴＥより大きい、第２温度で約３．９３ｘ１０-6／°Ｆの第２ＣＴＥを有する、市販の繊維であるほぼアルミナよりなるＮｅｘｔｅｌ６１０セラミックロービングを使用した。
【００１２】
上述した繊維を用いて一連の物品試料を製造し、本発明の繊維補強セラミックマトリックス複合形態を評価した。マトリックスとしては、実質的に純粋なアルミナからなる高純度サブミクロンセラミック（Baikowski International CorporationからＳＭ８材料として市販されている）を、ケイ素を含有するポリマーの熱分解により得られるシリカ結合材と混合した。マトリックスは約８０重量％のアルミナと約２０重量％のシリカを含有した。試料は、前述したＮｅｘｔｅｌ７２０（以下Ｎ７と表示）およびＮｅｘｔｅｌ６１０（以下Ｎ６と表示）セラミックロービングの単一種または混成補強混合物を含む織布強化複合物であった。この一連の評価試験では、試料に上述した「関係式」の下記の値を使用した。
【００１３】
Ａ1＝０．６６；  Ａ2＝０．３３
Ｔ1＝１６５０°Ｆ；  Ｔ2＝１１００°Ｆ
ＥN7：＠Ｔ1＝１１ｘ１０6；＠Ｔ2＝１０．４ｘ１０6
ＥN6：＠Ｔ1＝１２ｘ１０6；＠Ｔ2＝１１．８ｘ１０6
αN7：＠Ｔ1＝３．３７ｘ１０-6；＠Ｔ2＝３．０３ｘ１０-6
αN6：＠Ｔ1＝４．４５ｘ１０-6；＠Ｔ2＝３．９３ｘ１０-6
ＳN7＠Ｔ2＝２１０００ｐｓｉ（ポンド／平方インチ）
ＳN6＠Ｔ2＝３５０００ｐｓｉ
１実施例では、補強用繊維として全量Ｎｅｘｔｅｌ７２０ロービングを使用した物品試料を作成した。上記値を用いて、「関係式」の２つの積の差を計算し、応力約２８，９００ｐｓｉを得た。応力値２８，９００ｐｓｉは１１００°Ｆの領域でのＮｅｘｔｅｌ７２０材料の強度約２１，０００ｐｓｉより大きいので、このような繊維強化複合物品の領域は約１１００°Ｆでは過剰な応力から劣化し、割れる（クラック）おそれがある。
【００１４】
別の実施例では、補強用繊維として全量Ｎｅｘｔｅｌ６１０ロービングを使用した物品試料を作成した。上記値を用いて、「関係式」の２つの積の差を計算し、応力約４１，３００ｐｓｉを得た。応力値４１，３００ｐｓｉは約１１００°Ｆの領域でのＮｅｘｔｅｌ６１０材料の強度約３５，０００ｐｓｉより大きいので、このような繊維強化複合物品の領域は約１１００°Ｆでは過剰な応力から劣化し、割れる（クラック）おそれがある。
【００１５】
本発明の１実施態様による実施例であるさらに他の実施例では、１６５０°Ｆの高温領域１に全量Ｎｅｘｔｅｌ７２０ロービングを、１１００°Ｆの低温領域２に全量Ｎｅｘｔｅｌ６１０ロービングを使用した物品試料を作成した。上記値を用いて、「関係式」の２つの積の差を計算し、応力約２３，５００ｐｓｉを得た。作動時応力値２３，５００ｐｓｉは約１１００°Ｆの領域での強度約３５，０００ｐｓｉより小さいので、この領域内の繊維の強度は作動時応力を上回る。したがって、本発明の実施態様によれば、物品の前記領域における劣化やクラックは起こらず、しかも１６５０°Ｆの高温領域の一体性は、その高温領域にＮｅｘｔｅｌ７２０ロービングを使用することで保たれている。
【００１６】
図３は、上述したタイプのシリカを含有するアルミナ基マトリックス中の、上述したＮｅｘｔｅｌ６１０およびＮｅｘｔｅｌ７２０アルミナ基セラミックロービングの異なる温度での熱膨張係数を比較したグラフである。２種類の繊維強化マトリックス複合材についての図３のデータは、本発明に関連して前記「関係式」において、異なる温度で作動する物品の複数領域にふさわしい繊維の種類および量を選択するのに使用できる種類のデータを表す。
【００１７】
以上から理解できるように、物品の異なる領域に対し同時に繊維の混合物またはブレンドを、本発明の実施態様にしたがってある領域にその領域の作動時応力より大きい強度を与えるのに適切となるように、単一種および／または種々の混合物またはブレンドとなるように選択することができる。耐熱性ガスタービンエンジン部品用の本発明の好適な実施態様においては、マトリックスの１領域に繊維を選択し、約２０〜７０容量％の範囲で含有させる。適切な補強を達成するのに約２０容量％以上の繊維が必要である。約７０容量％を超える繊維を含有する複合材料では、マトリックスが複合材料の一体性に不十分となる。
【００１８】
繊維を複数の異なる組合せで同時に有する、本発明の１実施態様による繊維補強用の部材の１実施例を図４の線図に示す。図４に２０で総称して示す部材は、繊維強化マトリックス複合物品に繊維補強材として使用するのに適当な、異なる繊維組合せの種々の領域を有する織布である。繊維強化マトリックス複合物品を製造する１実施態様では、複数の部材２０をマトリックス用の繊維補強材として、たとえば図４に示した同じ相対位置を維持しながら、積層する。
【００１９】
所定の作動条件に適切なものとして選択でき、必要に応じて組み合わせることのできる繊維の異なる組合せを表す部材２０は、異なる繊維組合せにて、布内に繰り返されるパターンにて織った。つぎに布を積層に望ましい形状に切断した。部材の最高温度作動領域を表す領域２２は、たておよびよこ糸方向両方にすべてＮｅｘｔｅｌ７２０ロービングを含有した。部材の最低温度作動領域を表す領域２４は、たておよびよこ糸方向両方にすべてＮｅｘｔｅｌ６１０ロービングを含有した。領域２６および２８は領域２２および２４の作動温度の中間の作動温度の領域を表す。領域２６はたて糸方向にすべてＮｅｘｔｅｌ７２０ロービングを、よこ糸方向にすべてＮｅｘｔｅｌ６１０ロービングを含有した。領域２８はたて糸方向にすべてＮｅｘｔｅｌ６１０ロービングを、よこ糸方向にすべてＮｅｘｔｅｌ７２０ロービングを含有した。本発明の本実施例の部材複数個を積層体に積層し、繊維強化アルミナマトリックス複合材用の繊維強化材とした。この複合材は、約４５容量％の繊維を含有し、残部ほぼアルミナマトリックスであった。好ましい範囲は繊維約２０〜７０容量％である。
【００２０】
以上、本発明を種々の概略実施態様および形態について、特定の例および組合せとともに説明した。しかし、これらの実施態様は本発明の範囲を限定するのではなく、典型的な例として挙げたものである。当業者には、本発明の要旨から逸脱しない範囲内で、種々の変更、改変、組合せが可能であることが明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】作動温度がパネル内の１領域から外向きにパネルエッジ領域に向かって変動する、本発明の物品の１実施態様を表すパネルの線図である。
【図２】作動温度が第１端領域から第２端領域まで大きく変動する、本発明の物品の別の実施態様を表すパネルの線図である。
【図３】２つの異なる繊維強化マトリックス複合系について所定温度範囲での熱膨張係数の変化を示す比較グラフである。
【図４】本発明のさらに他の実施態様における、本発明にしたがって選択区域に単一繊維または第１および第２繊維の混合物を含有する織布の形態の、繊維強化複合物品の製造に用いる部材の線図である。
【符号の説明】
１０  物品
１２，１６  第１領域
１４，１８  第２領域
２０  部材
２２  第１領域
２４，２６，２８  第２領域
【図１】
0005090596.tif 000002
【図２】
0005090596.tif 000003
【図３】
0005090596.tif 000004
【図４】
0005090596.tif 000005