JP6824839B2 - セラミック基複合材料の補修方法及びセラミック基複合部材 - Google Patents
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Description
CMCで形成された部品、つまりCMC部品では、使用時に過大な負荷を受けるなどすることで、マトリックスに微小なクラックが生じるおそれがある。このようなマトリクスの微小なクラックを補修する方法が知られている(特許文献1参照)。この補修方法では、CMC部品のマトリックス部分内に存在するケイ素相をマイクロクラックに移動させることでマイクロクラックを補修する。
このように、CMC部品の表面の損耗に対する補修方法は、確立されていない。
セラミックス繊維を強化材とするセラミック基複合材料からなる対象部材の補修方法であって、
前記対象部材の表面の少なくとも一部を取り除く除去ステップと、
前記除去ステップで取り除かれた部位に、前記セラミックス繊維を含む補修用のグリーン体を配置する配置ステップと、
前記対象部材における少なくとも前記補修用のグリーン体が配置された部分にスラリーを含浸させる含浸ステップと、
前記含浸ステップの後、前記補修用のグリーン体が配置された前記対象部材を焼成する焼成ステップと、を備える。
前記除去ステップで取り除かれた部位は、前記セラミックス繊維の密度が相対的に高い第1領域と、前記セラミックス繊維の密度が前記第1領域よりも低い第2領域と、を含み、
前記孔形成ステップは、前記第2領域に前記少なくとも一つの孔を形成する。
前記セラミックス繊維の層は、第1方向に延在する前記セラミックス繊維の第1束と、前記第1束に隣接して前記第1方向に延在する前記セラミックス繊維の第2束と、前記第1方向と交差する第2方向に延在する前記セラミックス繊維の第3束と、前記第3束に隣接して前記第2方向に延在する前記セラミックス繊維の第4束とを有し、前記第1束及び前記第2束と前記第3束及び前記第4束とはそれぞれ交差し、
前記孔形成ステップは、前記第1束と前記第2束との間であり、かつ、前記第3束と前記第4束との間となる位置に前記少なくとも一つの孔を形成する。
前記含浸ステップは、
前記対象部材における少なくとも前記補修用のグリーン体が配置された部分を脱気する脱気ステップと、
前記脱気ステップの後、前記対象部材における少なくとも前記補修用のグリーン体が配置された部分を前記スラリーに浸漬させる浸漬ステップと、を含む。
セラミックス繊維を強化材とするセラミック基複合材料からなるセラミック基複合部材であって、
本体部と、前記本体部と一体的に接合されるとともに前記セラミック基複合部材の表面の一部を占める接合部と、を備え、
前記本体部と前記接合部とでは、前記セラミックス繊維の束の延在方向、及び配置間隔の少なくとも一方が異なる。
セラミックス繊維を強化材とするセラミック基複合材料からなるセラミック基複合部材であって、
本体部と、前記本体部と一体的に接合されるとともに前記セラミック基複合部材の表面の一部を占める接合部と、を備え、
前記本体部には、前記本体部と前記接合部との境界面から前記本体部の内部に向かって延在する少なくとも一つの孔であって、前記セラミック基複合材料の基材が充填されている少なくとも一つの孔、が存在する。
また、上記(9)の構成によれば、本体部には、本体部と接合部との境界面から本体部の内部に向かって延在する少なくとも一つの孔であって、セラミック基複合材料の基材が充填されている少なくとも一つの孔が存在する。これにより、孔に充填されたセラミック基複合材料の基材が本体部と接合部とを接合するアンカー部材としての役割を果たす。これにより、セラミック基複合部材における本体部と接合部との密着強度を向上できるので、セラミック基複合部材の強度を確保できる。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
幾つかの実施形態に係るセラミック基複合材料の補修方法は、セラミックス繊維を強化材とするセラミック基複合材料からなる対象部材の補修方法であって、図1,2に示すように、対象部材の表面の少なくとも一部を取り除く除去ステップS1と、除去ステップS1で取り除かれた部位に、セラミックス繊維を含む補修用のグリーン体を配置する配置ステップS4と、対象部材における少なくとも補修用のグリーン体が配置された部分にスラリーを含浸させる含浸ステップS5と、含浸ステップS5の後、補修用のグリーン体が配置された対象部材を焼成する焼成ステップS6と、を備える。
幾つかの実施形態では、図1,2に示した除去ステップS1において、対象部材100の表面の少なくとも一部を取り除く。具体的には、除去ステップS1では、対象部材100で損耗した部分101の周囲を取り除くことで、後述する補修用のグリーン体を焼成によって接合させる面を整える。以下の説明では、対象部材100で損耗した部分101の周囲を取り除くことで現れた、補修用のグリーン体を焼成によって接合させる面を接合面102と呼ぶ。また、損耗した部分101の周囲を取り除いた後の対象部材100を本体部110とも呼ぶ。
なお、他の実施形態では、例えば、孔形成位置決定ステップS2で決定された孔103の位置の情報が、不図示の孔開け装置の制御装置に入力される。孔形成ステップS3において、不図示の孔開け装置の制御装置は、入力された孔103の位置の情報に基づいて、不図示の孔開け装置が備えるドリルの位置を制御して、孔形成位置決定ステップS2で決定された位置に孔103を形成する。
具体的には、配置ステップS4では、図3B(a)及び図4B(a)に示すように、接合面102にスラリー105を塗布する。このスラリー(以下、塗布用スラリーとも呼ぶ)105は、対象部材100の製造時のスラリー(以下、原料スラリーとも呼ぶ)と同じ組成のスラリーである。なお、塗布用スラリー105のスラリー濃度は、原料スラリーのスラリー濃度と異なっていてもよい。また、焼結助剤などの成分の一部や配合比等が塗布用スラリー105と原料スラリーとで異なっていてもよい。
具体的には、含浸ステップS5では、図3C(a)及び図4C(a)に示すように、少なくとも接合面102及びグリーン体120の気密が保たれるようにバッグ131やシート状の部材で覆い、矢印Sで示すようにバッグ131やシートで覆った部分の内側に原料スラリーと同じ組成の含浸用スラリー106を注入する。なお、含浸用スラリー106のスラリー濃度は、原料スラリーのスラリー濃度と異なっていてもよい。また、焼結助剤などの成分の一部や配合比等が含浸用スラリー106と原料スラリーとで異なっていてもよい。
このように含浸ステップS5では、スラリーの浸透圧以外の外力によってスラリーを含浸させる。
なお、後述するように、孔103は、セラミックス繊維からなる束の一部を切断するように形成される。そのため、補修後のセラミック基複合部材140において、孔103に由来する孔126に充填された基材は、セラミックス繊維からなる束の一部を切断するように存在する。
なお、接合部125は、補修用のグリーン体120によって本体部110に追設された部位である。以下の説明では、接合部125を追設部125とも呼ぶ。
(1)幾つかの実施形態に係るセラミック基複合材料の補修方法は、対象部材100の表面の少なくとも一部を取り除く除去ステップS1と、除去ステップS1で取り除かれた部位に、セラミックス繊維を含む補修用のグリーン体120を配置する配置ステップS4と、対象部材100における少なくとも補修用のグリーン体120が配置された部分に含浸用スラリー106を含浸させる含浸ステップS5と、含浸ステップS5の後、補修用のグリーン体120が配置された対象部材100を焼成する焼成ステップS6と、を備える。
また、他の実施形態に係る実施形態に係るセラミック基複合部材140によれば、本体部110には、本体部110と接合部125との境界面107から本体部110の内部に向かって延在する少なくとも一つの孔126であって、セラミック基複合材料の基材が充填されている少なくとも一つの孔126が存在する。これにより、孔126に充填されたセラミック基複合材料の基材が本体部110と接合部125とを接合するアンカー部材としての役割を果たす。これにより、セラミック基複合部材140における本体部110と接合部125との密着強度を向上できるので、セラミック基複合部材140の強度を確保できる。
図7及び図8を参照して、孔形成位置決定ステップS2の詳細について説明する。
図7は、幾つかの実施形態に係る対象部材100中に存在する、セラミックス繊維によって織られた織物の層の模式的な平面図である。図8は、対象部材100中に存在する、セラミックス繊維によって織られた織物を図7における第2方向に沿って見た断面を模式的に示す図である。図8(a)は、セラミックス繊維によって織られた織物の1枚分の断面である。図8(b)は、図8(a)の一部を拡大した図である。図8(c)は、織物が複数層重ねられた状態を示す図である。
図7及び図8に示すように、対象部材100中の強化材であるセラミックス繊維は、織物として編まれており、織物としての1枚分を1層として、複数層に重ねられた状態で対象部材100中に存在する。
幾つかの実施形態に係る、セラミックス繊維によって織られた織物の層(セラミックス繊維の層)210のそれぞれは、複数本、例えば数百本から千本程度の本数のセラミックス繊維からなる束201,202によって編まれた織物である。各層210は、図7における図示左右方向に沿った第1方向に延在する複数の束201と、図示上下方向に沿った第2方向に延在する複数の束202とを有する。図7及び図8に示した例では、各層210の織り組織は、平織であるが、綾織等、他の織り組織でもよい。
図7において、説明の便宜上、第1方向に延在する束201について、図示上方から順にX1,X2,X3、X4,X5・・・と番号を付し、第2方向に延在する束202について、図示左方から順にY1,Y2,Y3、Y4,Y5・・・と番号を付している。
また、各束201,202の断面形状が楕円形状に似た扁平形状を呈することから、図7の平面視における位置により、層210におけるセラミックス繊維の密度が異なる。すなわち、例えば位置P1から第2方向にずれるにつれて、束201の図示奥行き方向に存在するセラミックス繊維の本数は減少する。また、例えば位置P1から第1方向にずれるにつれて、束202の図示奥行き方向に存在するセラミックス繊維の本数は減少する。したがって、例えば位置P1から第1方向又は第2方向にずれるにつれて、層210におけるセラミックス繊維の密度は低下する。
例えば位置P1における層210の図示奥行き方向に存在するセラミックス繊維の本数は、位置P2における層210の図示奥行き方向に存在するセラミックス繊維の本数よりも多い。そのため、位置P1における層210のセラミックス繊維の密度は、位置P2における層210のセラミックス繊維の密度よりも高い。
なお、図示の便宜上、図7及び図8において、同一方向に延在して隣接する束同士の間に隙間が存在するが、この隙間は存在しなくてもよい。
すなわち、例えば図9に示すように、層210の1層分の深さとして例えば図8(b)における厚さt1に相当する深さの孔103を形成する場合を考える。なお、図9は、図7の一部を拡大した図であり、孔103の形成位置について説明するための図である。
上述したように、位置P1における層210のセラミックス繊維の密度は、位置P2における層210のセラミックス繊維の密度よりも高い。そのため、位置P1に孔103Aを形成した場合、位置P2に孔103Bを形成した場合よりも多くのセラミックス繊維を切断してしまう。
具体的には、幾つかの実施形態では、各束201,202における中心軸に近い領域よりも、中心軸から離れた領域に孔103を形成する。
各束201における中心軸から離れ、かつ、各束202における中心軸から離れた領域は、上述した位置P2に近い領域となる。
そこで、幾つかの実施形態では、位置P2に孔103を形成することとした。
例えば、接合部125と本体部110との密着強度が優先される場合には、孔103の形成数を増やし、セラミック基複合部材140における層210の延在方向の強度が優先される場合には、孔103の形成数を減らす。
なお、セラミック基複合部材140の使用環境などを勘案して、接合面102の場所により、孔103の形成密度を変えてもよい。
そのため、幾つかの実施形態では、孔103の深さは、層210の1層分の深さよりも浅くしている。
すなわち、孔形成位置決定ステップでS2では、除去ステップS1において対象部材100で損耗した部分101の周囲を取り除くことで現れた接合面102を撮像装置で撮像し、接合面102の画像を得る。そして、得られた接合面102の画像を公知の画像処理を施すことによって、接合面102に現れた第1層211の各束201,202の配置位置や延在方向に関する情報を得る。そして、得られた情報に基づいて、上述した位置P2に相当する複数の位置を特定する。
(6)幾つかの実施形態では、除去ステップS1で取り除かれた部位は、セラミックス繊維の密度が相対的に高い第1領域と、セラミックス繊維の密度が前記第1領域よりも低い第2領域と、を含む。そして、孔形成ステップS3では、上記第2領域に少なくとも一つの孔103を形成する。
第1束X1及び第2束X2と第3束Y1及び第4束Y2とはそれぞれ図7における平面視において交差する。
孔形成ステップS3では、第1束X1と第2束X2との間であり、かつ、第3束Y1と第4束Y2との間となる位置P2に孔103を形成する。
例えば、上述した他の実施形態では、孔形成位置決定ステップS2において、接合面102を撮像して得られた画像に公知の画像処理を施すことによって、接合面102に現れた第1層211の各束201,202の配置位置や延在方向に関する情報を得た。しかし、孔103の形成位置を目視によって決定してもよい。
また、上述の説明では特に言及していないが、焼成ステップS6を経て得られたセラミック基複合部材140に対して適宜機械加工を施してもよい。
102 接合面
103 孔
105 スラリー(塗布用スラリー)
106 スラリー(含浸用スラリー)
110 本体部
120 グリーン体
125 接合部
140 セラミック基複合部材
210 層(セラミックス繊維によって織られた織物の層、セラミックス繊維の層)
Claims (10)
- セラミックス繊維を強化材とするセラミック基複合材料からなる対象部材の補修方法であって、
前記対象部材の表面の少なくとも一部を取り除く除去ステップと、
前記除去ステップで取り除かれた部位に、前記セラミックス繊維を含む補修用のグリーン体を配置する配置ステップと、
前記対象部材における少なくとも前記補修用のグリーン体が配置された部分にスラリーを含浸させる含浸ステップと、
前記含浸ステップの後、前記補修用のグリーン体が配置された前記対象部材を焼成する焼成ステップと、
前記除去ステップの後、前記除去ステップで取り除かれた部位に少なくとも一つの孔を形成する孔形成ステップと、を備え、
前記除去ステップで取り除かれた部位は、前記セラミックス繊維の密度が相対的に高い第1領域と、前記セラミックス繊維の密度が前記第1領域よりも低い第2領域と、を含み、
前記孔形成ステップは、前記第2領域に前記少なくとも一つの孔を形成する、セラミック基複合材料の補修方法。 - 前記セラミックス繊維の層は、第1方向に延在する前記セラミックス繊維の第1束と、前記第1束に隣接して前記第1方向に延在する前記セラミックス繊維の第2束と、前記第1方向と交差する第2方向に延在する前記セラミックス繊維の第3束と、前記第3束に隣接して前記第2方向に延在する前記セラミックス繊維の第4束とを有し、前記第1束及び前記第2束と前記第3束及び前記第4束とはそれぞれ交差し、
前記孔形成ステップは、前記第1束と前記第2束との間であり、かつ、前記第3束と前記第4束との間となる位置に前記少なくとも一つの孔を形成する、請求項1に記載のセラミック基複合材料の補修方法。 - 前記除去ステップの後、前記対象部材に残存する前記セラミックス繊維の層を撮像し、撮像して得られた画像に対して画像処理を行い、前記画像処理の結果に基づいて前記少なくとも一つの孔の形成位置を決定する孔形成位置決定ステップをさらに備える、請求項1又は2に記載のセラミック基複合材料の補修方法。
- 前記少なくとも一つの孔の深さは、前記セラミックス繊維の層の1層分の厚さよりも小さい、請求項2に記載のセラミック基複合材料の補修方法。
- 前記含浸ステップは、
前記対象部材における少なくとも前記補修用のグリーン体が配置された部分を脱気する脱気ステップと、
前記脱気ステップの後、前記対象部材における少なくとも前記補修用のグリーン体が配置された部分を前記スラリーに浸漬させる浸漬ステップと、を含む、請求項1乃至4の何れか一項に記載のセラミック基複合材料の補修方法。 - 前記含浸ステップは、
前記補修用のグリーン体が配置された前記対象部材をバッグ又はシートで覆い、前記バッグ又は前記シートで覆った部分の内側に前記スラリーを注入するステップと、
前記スラリーを注入するステップの後、前記バッグ又は前記シートで覆った部分の内側を吸引して減圧するステップと、を含む、請求項1乃至4の何れか一項に記載のセラミック基複合材料の補修方法。 - 前記含浸ステップは、加圧装置の内部に前記補修用のグリーン体が配置された前記対象部材を配置し、前記スラリーを加圧するステップを含む、請求項1乃至4の何れか一項に記載のセラミック基複合材料の補修方法。
- セラミックス繊維を強化材とするセラミック基複合材料からなるセラミック基複合部材であって、
本体部と、前記本体部と一体的に接合されるとともに前記セラミック基複合部材の表面の一部を占める接合部と、を備え、
前記本体部には、前記本体部と前記接合部との境界面から前記本体部の内部に向かって延在する少なくとも一つの孔であって、前記セラミック基複合材料の基材が充填されている少なくとも一つの孔、が存在し、
前記本体部は、前記セラミックス繊維の密度が相対的に高い第1領域と、前記セラミックス繊維の密度が前記第1領域よりも低い第2領域と、を含み、
前記少なくとも一つの孔は、前記第2領域において、前記セラミックス繊維からなる束の一部を切断するように存在するセラミック基複合部材。 - 前記セラミックス繊維の層は、第1方向に延在する前記セラミックス繊維の第1束と、前記第1束に隣接して前記第1方向に延在する前記セラミックス繊維の第2束と、前記第1方向と交差する第2方向に延在する前記セラミックス繊維の第3束と、前記第3束に隣接して前記第2方向に延在する前記セラミックス繊維の第4束とを有し、前記第1束及び前記第2束と前記第3束及び前記第4束とはそれぞれ交差し、
前記少なくとも一つの孔は、前記第1束と前記第2束との間であり、かつ、前記第3束と前記第4束との間となる位置に形成されている、請求項8に記載のセラミック基複合部材。 - 前記少なくとも一つの孔の深さは、前記セラミックス繊維の層の1層分の厚さよりも小さい、請求項9に記載のセラミック基複合部材。
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