JP6538296B2 - セラミックマトリックス複合材料内の内部キャビティを作成する方法 - Google Patents

Description

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。

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。

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。

米国特許出願公開第２００４／００６７３１６号公報

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。

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。

本発明は、可融性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。

本発明の第１の態様は、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、ＣＭＣプリフォームの熱処理中に溶解し、結果として得られる溶解材料は、ＣＭＣプリフォームの構成成分を湿潤させることもそれらと反応することもなく、排出されて内部キャビティが残る。本発明の好ましい一実施形態では、可融性マンドレルは、元素スズまたはスズ合金で作られ、マンドレルをＣＭＣプリフォームのバーンアウト作業の間に溶解させ、プリフォームから排出させて、ＣＭＣプリフォーム内に中空の内部キャビティを残すことができる。

本発明の第２の態様は、ＣＭＣプリフォームのバーンアウトプロセス中に溶解する材料で作られたマンドレルを使用する方法によって、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る。結果として得られる溶解材料は、ＣＭＣプリフォームのいずれの構成成分も湿潤させず、またそれらのいずれとも反応せず、排出されてＣＭＣプリフォーム内に内部キャビティが残され、そこに次に溶解浸透を施して、内部キャビティを有するＣＭＣ物品が形成される。

本発明の技術的効果としては、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ポリマー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。

本発明の別の技術的効果としては、一般的に従来の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。

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。

従来の金属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。 ＣＭＣプリフォームの構成成分に対して非湿潤性かつ非反応性である可融性材料で作られた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。 物品を形成する元になるＣＭＣプリフォームの構成成分に対して非湿潤性かつ非反応性である可融性材料で作られたマンドレルを排出させ回収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。

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プリフォームのバーンアウトプロセス中に、かつＣＭＣ物品の製造における溶解浸透段階の前に、溶解させ排出することができる可融性材料で作られたマンドレルを利用する方法によって、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）ステップ中に、プリフォームの熱処理温度で溶解する。

ＣＭＣプリフォームから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、ＣＭＣプリフォームを湿潤させないこと、ＣＭＣプリフォームの構成成分との反応性が低いかまたは非反応性であること、およびＣＭＣプリフォームに対して行われる熱処理の温度で完全に溶融かつ排出可能であることが挙げられる。本発明の好ましい実施形態では、可融性マンドレルは、元素スズもしくはスズ合金を含むか、またはそれらから成る。かかるマンドレルは、所望の内部キャビティの形状に鋳造し、ＣＭＣプリフォームに組み込むことができる。スズまたはその合金などの低融点金属または合金で作られたこのマンドレルは、ＣＭＣプリフォームのバーンアウト作業中に溶解し、プリフォームから排出させて、ＣＭＣプリフォーム内に中空のキャビティを残すことができる。

本発明のマンドレルは、元素スズまたはスズの合金のみで形成されてもよい。本発明のマンドレルは、ＣＭＣ物品の内部キャビティの所望の形状に鋳造することができ、プリプレグテープをマンドレル上に直接レイアップすることができる。低融点スズまたは合金は、ＣＭＣプリフォームのバーンアウト段階中に溶解し、プリフォームから排出させて、所望の形状の中空のキャビティを残すことができる。スズおよびその合金は、ＣＭＣプリフォームに対して非湿潤性かつ非反応性である可融性材料の所望の特性を有することが実証されている。さらに、かかる可融性かつ回収可能な材料で作られたマンドレルは、不堅牢性高分子をマンドレル材料として使用することと一般に関連付けられる熱膨張の問題を伴うことなく、バーンアウトプロセス中に取り除くことができる。

マンドレルに使用されるスズまたはスズ合金は、ＣＭＣプリフォームに組み込んだときは中実であり、その後溶解されるが、一方でＣＭＣプリフォームに対して非湿潤性かつ非反応性であるため、後で形成される内部キャビティの寸法は、可融性マンドレルの寸法に実質的に一致する。図２は、積層プリフォーム１０の区画２０に組み込まれた可融性マンドレル４０の断面を概略的に示す。ＣＭＣプリフォームのバーンアウトプロセスの間、スズもしくはスズ合金で作られた可融性マンドレルは溶解し、ＣＭＣプリフォーム１０の構成成分を湿潤させず、またはそれらと反応せず、ＣＭＣプリフォーム１０から排出される。後に続く作業、例えば溶解浸透において、ＣＭＣ物品をプリフォーム１０から形成することができる。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。バーンアウトプロセス中に可融性材料が溶解した際に酸化スズが生じる場合があるが、酸化スズが生じても、例えば溶解浸透など、ＣＭＣ物品を形成するのに使用される後のプロセスで完全に蒸発する。

例えばＳｉＣなどのシリコン化合物系のＣＭＣ物品を形成するいくつかのプロセスでは、溶解シリコンを溶浸材として利用して、溶解浸透が使用されてもよい。かかる場合においては、内部キャビティがＣＭＣプリフォーム内に形成された後、溶浸材に対して非湿潤性であるか、または少なくとも低い湿潤性を示すセラミック材料、例えば溶浸材がシリコンである場合は窒化ホウ素（ＢＮ）の粉末を含むスラリーで、内部キャビティの表面をコーティングすることによって、溶解浸透中に溶浸材が内部キャビティ内に進入するのを防ぐか、または少なくとも抑制ことができる。窒化ホウ素スラリーは水系であることができ、乾燥ステップを使用してコーティングを実現することができる。セラミック材料の粉末の粒子は、多孔質プリフォームの開口部を通らない十分に大きなものであるとともに、均一なコーティングをもたらすことができるスラリー状にするのに十分に小さなものであるべきである。プリフォーム開口部は、一般的に０．１〜０．２μｍの範囲である。したがって、溶浸材がシリコンである場合に内部キャビティのセラミックコーティングをもたらすために、スラリーに使用される窒化ホウ素粉末の好ましい平均粒径は、約０．５〜１．０μｍである。このコーティングは、有利には、ＣＭＣ物品を形成する際の溶解浸透ステップの間、溶浸材によって内部キャビティの表面が湿潤するのを防ぎ、したがって、ＣＭＣ物品の内部キャビティ内にシリコンが形成されるのを防ぐ。

バーンアウトプロセス中にＣＭＣプリフォーム１０を湿潤させず、またはＣＭＣプリフォームと反応せず、かつＣＭＣプリフォームのバーンアウト温度で完全に取り除くことができる、他の可融性材料を使用できることが予測できる。このように、本発明の好ましい実施形態は、例えばＳｉＣを形成する溶解浸透プロセスなど、従来のＣＭＣ製造プロセスにおいて作り出されることが意図されるもの以外の材料が形成されないように、任意の低融点材料を利用するものである。本発明の別の特徴は、ＣＭＣプリフォームの熱処理中に溶解させ、排出させて、積層プリフォーム内に内部キャビティを形成することができる可融性材料を、別のＣＭＣ物品内に内部キャビティを形成するのに使用される別のマンドレルを形成するのに再利用できる点である。したがって、本発明は、再利用可能なマンドレルを使用して、ＣＭＣプリフォームまたは最終ＣＭＣ物品内に内部キャビティを形成する方法として説明することができる。

上述の内容に照らして、本発明の顕著な利点は、ＣＭＣプリフォームの硬化後に結果として得られる内部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。

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／穴またはスロット／穴として利用することができる。

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。

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

Claims (15)

1. 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であって、
   少なくとも１つのマンドレルにＣＭＣプリフォームをレイアップすることによって少なくとも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ＣＭＣプリフォームが、強化材料とＣＭＣマトリックス材料の前駆物質と結合剤とを含むテープ状構造の形態の複数のプリプレグ層からなり、前記少なくとも１つの内部キャビティが複数のキャビティを含み、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、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融して、前記ＣＭＣプリフォームから排出して前記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溶融材料を形成するステップと
   を含む方法。
   
2. 前記マンドレルがスズまたはスズ合金からなる、請求項１記載の方法。
3. 前記熱処理がバーンアウトプロセスである、請求項１記載の方法。
4. 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に対して湿潤性および／または反応性である材料を含まない、請求項１記載の方法。
5. 前記溶融材料を回収するステップ、および前記溶融材料から別のマンドレルを形成するステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
   
6. セラミック材料を含むスラリーで前記少なくとも１つの内部キャビティをコーティングするステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
7. 前記セラミック材料が窒化ホウ素である、請求項６記載の方法。
   
8. 窒化ホウ素の平均粒径が０．５から１．０μｍである、請求項７記載の方法。
9. 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であって、
   少なくとも１つのマンドレルにＣＭＣプリフォームをレイアップすることによって少なくとも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ＣＭＣプリフォームが、強化材料とＣＭＣマトリックス材料の前駆物質と結合剤とを含むテープ状構造の形態の複数のプリプレグ層からなり、前記少なくとも１つのマンドレルが、前記ＣＭＣプリフォームのいずれの構成成分に対しても非湿潤性かつ非反応性である材料からなり、前記少なくとも１つの内部キャビティが複数のキャビティを含み、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、ステップと、
   前記ＣＭＣプリフォームにバーンアウトプロセス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融して、前記ＣＭＣプリフォームを湿潤させず、前記ＣＭＣプリフォームの構成成分と反応せず、かつ前記ＣＭＣプリフォームから排出されて、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溶融材料を形成する、ステップと、
   前記ＣＭＣプリフォームに溶浸材を溶解浸透させて、前記少なくとも１つの内部キャビティを有するＣＭＣ物品を形成するステップと
   を含む方法。
   
10. 前記少なくとも１つのマンドレルの前記材料が元素スズまたはスズ合金である、請求項９記載の方法。
11. 前記溶解浸透ステップの前に、前記溶浸材で湿潤しないセラミック材料のスラリーで前記少なくとも１つの内部キャビティをコーティングするステップをさらに含む、請求項９記載の方法。
12. 前記セラミック材料が窒化ホウ素である、請求項１１記載の方法。
13. 窒化ホウ素の平均粒径が０．５から１．０μｍである、請求項１２記載の方法。
14. 前記少なくとも１つの内部キャビティが冷却スロットまたは穴であり、前記ＣＭＣ物品がエーロフォイル構成要素である、請求項９記載の方法。
15. 前記ＣＭＣ物品がＳｉＣであり、前記溶浸材がシリコンである、請求項９記載の方法。