(57)【要約】  本発明は、約２０〜約７０重量パーセントの熱可塑性ポリマーおよび約３０〜約８０重量パーセントの炭素繊維を含み、ＡＳＴＭ  Ｄ６４８にしたがって決定された場合１．８ＭＰａで少なくとも２３０℃の加熱撓み温度を有し、熱安定性および耐摩耗性を提供する、航空機エンジンのシュラウドとしての用途をもつ、複合材料環または環セグメントに関する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
航空機エンジンのための複合材料環または環セグメントであって、前記複合材料が、約２０〜約７０重量パーセントのポリイミド、ポリアリールケトン、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミドおよびそれらの配合物からなる群から選択される熱可塑性ポリマーと、約３０〜約８０重量パーセントの炭素繊維とを含み、前記複合材料が、ＡＳＴＭ  Ｄ６４８にしたがって決定された場合に１．８ＭＰａで少なくとも２３０℃の加熱撓み温度を有し、前記炭素繊維の長さが約１００μｍ〜約５ｃｍであり、金属環または金属環セグメントのための適切な代用品である複合材料環または環セグメント。
【請求項２】
前記炭素繊維（ｂ）の長さが約０．２ｃｍ〜約５ｃｍである、請求項１に記載の複合材料環または環セグメント。
【請求項３】
前記複合材料が、黒鉛、ポリテトラフルオロエチレンおよび無機充填剤からなる群から選択される約５０重量パーセント以下の粒子状物質をさらに含む、請求項１に記載の複合材料環または環セグメント。
【請求項４】
前記複合材料が約３０〜約６０重量パーセントの前記熱可塑性ポリマーと約４０〜約７０重量パーセントの前記炭素繊維とを含む、請求項１に記載の複合材料環または環セグメント。
【請求項５】
前記熱可塑性ポリマーがポリイミドである、請求項１に記載の複合材料環または環セグメント。
【請求項６】
前記熱可塑性ポリマーがポリイミドである、請求項４に記載の複合材料環または環セグメント。
【請求項７】
前記複合材料環または環セグメントが可変ベーンと共に使用される内部シュラウドまたは内部シュラウドセグメントである、請求項５に記載の複合材料環または環セグメント。
【請求項８】
前記複合材料環または環セグメントが可変ベーンと共に使用される内部シュラウドまたは内部シュラウドセグメントである、請求項２に記載の複合材料環または環セグメント。
【請求項９】
前記シュラウドが、航空機エンジン内での使用に適しているかまたは航空機エンジン内で使用される、請求項７に記載のシュラウドまたは内部シュラウドセグメント。
【請求項１０】
前記複合材料が、黒鉛、ポリテトラフルオロエチレンおよび無機充填材からなる群から選択される約５０重量パーセント以下の粒子状物質をさらに含む、請求項７に記載のシュラウド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、全体が参照により本明細書に援用されている２００８年８月２９日付け米国仮特許出願第６１／０９２，９２０号明細書の利益を主張するものである。
【０００２】
本発明は、航空機エンジン用複合材料部品、詳細には、シュラウドまたはシュラウドセグメントなどの環または環セグメントである部品に向けられている。
【背景技術】
【０００３】
航空機エンジンは、耐摩耗性、熱安定性を有し、軽量である部品を必要とする。多くの航空機エンジンは、空気がエンジンの燃焼室区分へと送られる前に流入空気を圧縮するために軸流圧縮機を使用している。軸流圧縮機は、高速で回転するブレードすなわちロータと固定され回転しないステータベーンが交互に配された列を使用する。ロータブレードとステータベーンの組合せ作用は空気圧を増大させる。ステータベーンは可変的であり得る。すなわち、これらはその長手方向軸上で回転または旋回して、空気流および圧力をより良く制御することができる。ロータの列およびステータの列はステージと呼ばれる。軸流圧縮機は典型的には複数のステージを有する。ステータベーンは外部エンジンケーシングと内部シュラウドの間で半径方向に保持される。内部シュラウドは、エンジンの回転シャフトを中心として所定の場所に固定される。スピンドルまたはトラニオンと呼ばれるベーン端部は、内部シュラウド内に機械加工されたリセスと一致する。シュラウドおよびベーンの両方が金属で構成されている場合、ベーンスピンドルと内部シュラウドの間に磨耗が発生し得る。
【０００４】
金属より軽く、熱安定性および耐摩耗性を有する航空機エンジン部品に対する必要性が存在する。金属対金属の摩耗を削減するために、Ｄｕｐｏｎｔ  Ｃｏ．、Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ，ＤＥから入手可能なポリイミドおよびその他のポリマーなどの高温耐性および耐摩耗性を有するポリマー材料を使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】内部シュラウドのセグメントの一つを示す。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、航空機エンジンのための複合材料環または環セグメントにおいて、前記複合材料が、約２０〜約７０重量パーセントの熱可塑性ポリマーと、約３０〜約８０重量パーセントの炭素繊維とを含み、前記複合材料が、ＡＳＴＭ  Ｄ６４８にしたがって決定された場合に１．８ＭＰａで少なくとも２３０℃の加熱撓み温度を有し、前記炭素繊維の長さが約１００μｍ〜約５ｃｍである、金属環または金属環セグメントのための適切な代用品である複合材料環または環セグメントを提供する。
【０００７】
一実施形態において、本発明は、複合材料が約５０重量パーセント以下の粒子状物質をさらに含む、航空機エンジンのシュラウド用の複合材料環または環セグメントを提供する。
【０００８】
一実施形態において、複合材料環または環セグメントは、可変ベーンと共に使用されるシュラウドまたはシュラウドセグメントである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
熱可塑性ポリマーと炭素繊維を含む複合材料から調製される複合材料環または環セグメントが本明細書に記載されている。さらに、複合材料は、以下で記述されている通り追加の特性を付与するために粒子状物質を含んでいてよい。本明細書中で記述される環部品は、その環を作り上げるための単一の部品片で構成されていてもよいし、あるいは環を形成するように２つ以上の環で構成されていてもよい。航空機エンジンにおけるこのような環の１つの用途は、シュラウドとしてかまたは内部シュラウドとしての用途である。
【００１０】
複合材料は約２０〜約７０重量パーセントの熱可塑性ポリマーおよび約３０〜約８０重量パーセントの炭素繊維を含み、ここで複合材料の全構成成分の合計は１００重量パーセントである。好ましくは複合材料は、約３０〜約６０重量パーセントのポリマーと約４０〜約７０重量パーセントの炭素繊維を含む。複合材料は５０重量パーセント以下の粒子状物質をさらに含んでいてよい。
【００１１】
熱可塑性ポリマーは、ポリイミド、ポリアリールケトン（例えばポリエーテルエーテルケトン、ＰＥＥＫおよびポリエーテルケトンケトン、ＰＥＫＫ）、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミドおよびそれらの配合物からなる群から選択される。好ましくは、ポリマーは、ポリイミドである。ポリイミドは、高温酸化耐性および低温および高温、湿潤および乾燥の両方の機械的特性保持力および寸法安定性の好ましい組合せを提供する。
【００１２】
本発明において有用なポリイミドは、主として、
【００１３】
【化１】
2012501407.tif 000003
という式の反復単位で構成され、
式中Ｘは、Ｃ置換１−Ｃ置換１０二価炭化水素ラジカル、ヘキサフッ素化イソプロピリデンラジカル、カルボニルラジカル、チオラジカルおよびスルホニルラジカルからなる群から選択されるラジカルまたは共有結合を表わし；Ｙ１、Ｙ２、Ｙ３およびＹ４は、同じでも異なっていてもよく、水素原子、低級アルキルラジカル、低級アルコキシラジカル、塩素原子および臭素原子からなる群から選択されるラジカルを表わし；Ｒは、２つ以上の炭素原子を有する脂肪族ラジカル、環状脂肪族ラジカル、単環式芳香族ラジカル、融合多環式芳香族ラジカルおよび多環式芳香族ラジカル（なおここで、芳香族環は直接かまたは架橋された成員を介して互いに連結されている）からなる群から選択される四価ラジカルを表わす。
【００１４】
参照により本明細書に援用されている米国特許第５，０１３，８１７号明細書中に詳述されている通り、上述のポリイミドを調製するためのプロセスは、
（ａ）
【００１５】
【化２】
2012501407.tif 000004
という構造式（Ｉ）により表わされる芳香族ジアミン（なお式中Ｘ、Ｙ１、Ｙ２、Ｙ３およびＹ４は以上で記したものと同じ意味を有する）と；
（ｂ）
【００１６】
【化３】
2012501407.tif 000005
という構造式（ＩＩ）により表わされるテトラカルボン酸ニ無水物（なおＲは以上で定義した通りである）と；
（ｃ）
【００１７】
【化４】
2012501407.tif 000006
という構造式（ＩＩＩ）により表わされるモノアミン〔なお式中、Ｚは、脂肪族ラジカル、環状脂肪族ラジカル、単環式芳香族ラジカル、融合多環式芳香族ラジカルおよび多環式芳香族ラジカル（なおここで芳香族環は互いに直接または架橋された成員を介して連結されてポリアミドを形成する）からなる群から選択される一価のラジカルを表わす〕と
を反応させるステップ、およびポリアミド酸を脱水またはイミド化してポリイミドを形成させるステップを含む。
【００１８】
好ましくは、芳香族ジアミンのモル比は、テトラカルボン酸ニ無水物１モルあたり約０．９〜約１．０モルである。好ましくはモノアミンのモル比は、テトラカルボン酸ニ無水物１モルあたり約０．００１〜約１．０モルである。
【００１９】
ポリイミドの製造プロセスにおいて使用するための好ましい芳香族ジアミンは、４，４’−ビス（３−アミノフェノキシ）ビフェニル、２，２−ビス［４−（３−アミノフェノキシ）フェニル］プロパン、ビス［４−（３−アミノフェノキシ）フェニル］ケトン、ビス（４−（３−アミノフェノキシ）フェニル］スルフィドおよびビス［４−（３−アミノフェノキシ）フェニル］スルホンからなる群から選択される。利用されるジアミン化合物は、単独でまたは組合せた形で使用されてよい。
【００２０】
ポリイミドの製造プロセスにおいて使用するための好ましいテトラカルボン酸二無水物としてはピロメリト酸二無水物、３，３’４，４’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、３，３’，４，４’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、ビス（３，４−ジカルボキシフェニル）エーテル二無水物および４，４’−（ｐ−フェニレンジオキシ）ジフタル酸二無水物が含まれる。利用されるテトラカルボン酸二無水物化合物は、単独でまたは組合せた形で使用されてよい。
【００２１】
ポリイミドの製造プロセスにおいて使用するための好ましいモノアミンとしては、ｎ−プロピルアミン、ｎ−ブチルアミン、ｎ−ヘキシルアミン、ｎ−オクチルアミン、シクロヘキシルアミン、アニリン、４−アミノビフェニル、４−アミノフェニルフェニルエーテル、４−アミノベンゾフェノン、４−アミノフェニルフェニルスルフィドおよび４−アミノフェニルフェニルスルホンが含まれる。利用されるモノアミン化合物は、単独でまたは組合せた形で使用されてよい。
【００２２】
熱可塑性ポリマーとして同様に有用であるのは、
【００２３】
【化５】
2012501407.tif 000007
という反復単位（ｒｅｃｕｒｒｉｎｇ  ｕｎｉｔ）（ＩＶ）を含むポリエーテルケトンの部類である。
【００２４】
このようなポリマーは、唯一の繰返し単位（ｒｅｐｅａｔｉｎｇ  ｕｎｉｔ）としてかまたは
【００２５】
【化６】
2012501407.tif 000008
という繰返し単位（Ｖ）と併せて単位（ＩＶ）を含んでいてよい。
【００２６】
好ましいポリエーテルエーテルケトンは、
【００２７】
【化７】
2012501407.tif 000009
という繰返し単位（ＶＩ）を、単独でかまたはその他の繰返し単位と併せて有する。ポリマー中に存在するその他の繰返し単位は、
【００２８】
【化８】
2012501407.tif 000010
という繰返し単位（ＶＩＩ）のものであってよく、ここでＡは直接的連結、酸素、硫黄、−−ＳＯ２−−、−−ＣＯ−−または二価の炭化水素ラジカルである。繰返し単位（ｒｅｐｅａｔ  ｕｎｉｔ）は、同様に、
【００２９】
【化９】
2012501407.tif 000011
という構造式（ＶＩＩＩ）のものであってもよく、ここで、
【００３０】
【化１０】
2012501407.tif 000012
という副次的単位内の酸素原子は、基ＱおよびＱ’に対してボルトまたはパラである。同じであっても異なっていてもよい基ＱおよびＱ’は、−−ＣＯ−−または−−ＳＯ２である。Ａｒ’は、二価の芳香族ラジカルであり、ｎは０、１、２または３である。繰返し単位ＶＩのポリマーは、特に好ましいＰＥＥＫである。
【００３１】
熱可塑性ポリマーとして有用である別のポリアリールケトンは、
【００３２】
【化１１】
2012501407.tif 000013
という繰返し単位（ＩＸ）を伴うＰＥＫＫであり、式中
【００３３】
【化１２】
2012501407.tif 000014
部分の７０〜９５パーセントは、
【００３４】
【化１３】
2012501407.tif 000015
であり、５〜３０パーセントは
【００３５】
【化１４】
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である。参照として本明細書に援用されている国際公開第２００７／０７８７３７号パンフレットの中で開示されているポリスルホンエーテルイミドを含めたポリエーテルイミドも同様に、本発明の熱可塑性ポリマーとして有用である。
【００３６】
炭素繊維および存在する任意の粒子状物質は、ポリマー形成プロセスの間または複合材料環または環セグメントを形成するためのポリマーの加工中にポリマーと混合される。後者のプロセスは、例えば、圧縮成形、粉末圧縮、射出成形、押出成形、ＲＩＭ成形、ＴＰＦ  Ｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃ  ＦｌｏｗｆｏｒｍｉｎｇＴＭ（Ｅｎｖｉｒｏｋａｒｅ  Ｔｅｃｈ  Ｉｎｃ．、Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ，ＮＹ）またはこのような物品を製造するためのあらゆるその他の従来のプロセスであり得る。
【００３７】
炭素繊維の長さは約１００μｍ〜約５ｃｍ；好ましくは約０．２ｃｍ〜約５ｃｍである。炭素繊維はピッチであるかまたはポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）または、高性能炭素繊維を作ることのできるその他のあらゆる繊維であってよい。これは、サイズ剤を含んでいてよい。
【００３８】
複合材料部品は同様に、５０重量パーセント以下の粒子状物質も含んでいてよい。粒子状物質は、複合材料中の加熱撓み温度要件が満たされるかぎり、例えば黒鉛、ポリ（テトラフルオロエチレン）ホモポリマーおよびコポリマーなどのさまざまなタイプのものであり得る。タルク、雲母、珪灰石、カオリナイトおよび海泡石が好ましい無機充填材である。
【００３９】
複合材料は同様に、１つ以上の潤滑剤、酸化防止剤、色またはＵＶ安定剤および加工助剤を含めたその他の充填材を含んでいてもよい。これらの充填材には、本明細書の組成物中で最適な形で使用するのに適した添加剤が含まれ、これには、非限定的に、以下のものの１つ以上が含まれていてよい：顔料；酸化防止剤；熱膨張係数の低下を付与するための材料；高強度特性を付与するための材料、例えばガラス繊維、セラミック繊維、ホウ素繊維、ガラスビーズ、ホイスカ、黒鉛ホイスカまたはダイヤモンド粉末；熱放散または耐熱特性を付与するための材料、例えばアラミド繊維、金属繊維、セラミック繊維、ホイスカ、シリカ、炭化ケイ素、酸化ケイ素、アルミナ、マグネシウム粉末またはチタン粉末；耐コロナ性を付与するための材料、例えば天然雲母、合成雲母またはアルミナ；導電率を付与するための材料、例えばカーボンブラック、銀粉末、銅粉末、アルミニウム粉末またはニッケル粉末；摩耗または摩擦係数をさらに低減させるための材料、例えば窒化ホウ素。部品製造に先立って最終的樹脂に対して乾燥粉末として充填材を添加してもよい。
【００４０】
本発明の複合材料は、高温で優れた機械的特性を有する。この特性の尺度は、ＡＳＴＭ  Ｄ６４８にしたがって判定される、１．８ＭＰａで少なくとも２３０℃のその加熱撓み温度である。加熱撓み温度（Ｈｅａｔ  ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅまたはＨｅａｔ  ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）は、高温で所与の負荷すなわち１．８ＭＰａの下での歪みに対するポリマーの抵抗の尺度である。試供体は、１．８ＭＰａの応力を与える３点負荷装置内に装填される。温度を上昇させて、試供体が０．２５ｍｍ撓む温度が、加熱撓み温度である。例えば熱可塑性ポリイミドＤｕｐｏｎｔ  ＴＭ  Ｖｅｓｐｅｌ（登録商標）ＴＰ−８５４９（Ｄｕｐｏｎｔ  Ｃｏ．、Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ，ＤＥより入手可）は、１．８ＭＰａで２３６℃のＨＤＴを有する。
【００４１】
本発明の複合材料は、やや低い動的摩擦係数を有する。その結果として、複合材料シュラウドとベーンが直接接触する場合、ベーンを動かすのに必要な力は小さくなる。
【００４２】
本明細書中で記述した複合材料環または環セグメントは、耐摩耗性および熱安定性を有し、従来の金属製の部品と比べて軽量であることから、航空機エンジン部品として有用である。したがって、本発明の複合材料部品は、同じまたは類似の利用分野または用途をもつ金属部品の代用品として有用である。複合材料環または環セグメントは結果として、類似の金属環または環セグメントと比べて４０〜７５％の軽量化をもたらす。すなわち複合材料部品の重量は類似の金属部品の重量の２５〜６０％である。複合材料環または環セグメントが、それぞれ金属製可変ベーンと共に用いられるシュラウドまたは内部シュラウドのセグメントである場合、複合材料は、ベーンステム上の摩耗を削減するかまたは無くす。複合材料は、複合材料部品間ならびに複合材料部品を金属部品間、例えば複合材料内部シュラウドと金属ベーン間のブッシングを無くすことができ、こうして複合材料内部シュラウドと金属ベーンの間には直接的接触が存在することになる。これにより、部品の数が少なくなり、組立ては単純化される。複合材料は、金属間摩耗が無くなりブッシングの摩耗が無くなることによって、より長い寿命が提供される。複合材料はより密な構成要素の嵌合せを可能にし、ベーンステム周囲の空気の漏洩が削減される。
【００４３】
図１は、内部シュラウド１０の典型的なセグメントを示す。セグメントは角度１１を成す円弧の形をしている。完全なシュラウドは３６０°である。シュラウドのセグメントは３６０°の分数の角度を成す。シュラウドのセグメントは、内半径１２と外半径１３を有する。セグメントは幅１４を有し、ベーンを保持するためのホール１５を含む。
【図１】
2012501407.tif 000017
【国際調査報告】
2012501407.tif 000018
2012501407.tif 000019