JP2017105698A5 - - Google Patents

Description

セラミックマトリックス複合材構成要素及びセラミックマトリックス複合材

本発明は、全体的に、発電用ガスタービンに関し、より具体的には、ガスタービンの高温ガス経路タービン構成要素のためのセラミックマトリックス複合材構成要素を形成する方法に関する。

従来の超合金材料から形成されるタービンブレード及びベーンと同様に、ＣＭＣブレード及びベーンは、主として、構成要素の軽量化、遠心荷重の低減及び作動温度の低温下のためキャビティ及び冷却ボイド（空隙）を備えている。これらの特徴要素は、通常、取り外し可能工具と使い捨て工具の組合せを用いてＣＭＣ構成要素にて形成される。金属及びＣＭＣ高温ガス経路ハードウェアの両方を冷却するためには、冷却流要件及び熱勾配／応力を低減する理由から、内部冷却チャンネルが有利である。

炭化ケイ素（ＳｉＣ）系セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）材料は、タービンブレード、ベーン、ノズル及びバケットなど、ガスタービンエンジンの特定の構成要素向けの材料として提案されてきた。Ｓｉｌｉｃｏｍｐ、溶融浸透（ＭＩ）、化学蒸気浸透（ＣＶＩ）、ポリマー膨張熱分解（ＰＩＰ）及び酸化物／酸化物プロセスを始めとする、ＳｉＣ系構成要素を製造するための様々な方法が知られている。これらの製造技術は、互いに大きく異なっているが、各々、様々な処理段階での加熱を含むプロセスによってニアネットシェイプ部品を生成するために、ハンドレイアップ及び治工具又はダイの使用を伴っている。

ＣＭＣ構成要素に内部通路又はキャビティを形成する現行の製造方法は、バーンアウトサイクルの際に内部通路から「溶出」させるか或いは除去する必要のある材料を使用している。キャビティを有するＣＭＣ構成要素の形成には、プリフォームの使用を含めて、数多くステップが含まれる。最初に、複数のセラミックプライ（その幾つかは、強化材料を含むことができ、或いはマトリックスで予備含浸する）を、構成要素の所望の最終形状又はニアネット形状並びに所望の機械的特性をもたらすようにマンドレル又はモールド上で所定のパターンにレイアップする。マンドレルは一般に、スズ、ビニル又は他の溶融可能材料のような材料から選択される。レイアッププライは、ＳｉＣのようなマトリックス材料で予備含浸（プリプレグ）してもよいし、或いはプライのレイアップ後にマトリックスで含浸してもよい。ＣＭＣプリフォームの緻密化の前に、バーンアウトサイクルによりマンドレルを除去する。バーンアウトサイクルにおいて、ＣＭＣプリフォームが反転され、スズ、ビニル又は他の溶融可能材料のようなマンドレル形成材料は、プリフォームＣＭＣの開放先端から溶出されて、開放先端領域が残る。

米国特許第８，２５７，８０９号明細書

１つの実施形態において、セラミックマトリックス複合材構成要素を製造する方法が開示される。本方法は、複数のセラミックマトリックス複合材プライを互いに重ねて配置して、キャビティを形成するステップを含む。キャビティの少なくとも一部は、緻密化材料を浸透させることができるほど十分に小さい終端直径を含む。複数のセラミックマトリックス複合材プライを緻密化して緻密体を形成する。緻密化により、キャビティの終端直径を含む部分が緻密化材料で充填され、緻密体内にキャビティが存在するようになる。

別の実施形態において、セラミックマトリックス複合材構成要素が開示される。セラミックマトリックス複合材は、緻密体を形成する複数のセラミックマトリックス複合材プライを含む。複数のセラミックマトリックス複合材プライは、緻密体内にキャビティを形成する。キャビティの一部は、浸透した緻密化材料を有する終端直径を含む。

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。

本開示のセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）構成要素の斜視図。 本開示による、図１の矢視２−２断面図。 本開示による、図１の矢視３−３断面図。 本開示による構成要素の斜視図。 本開示の実施形態による、ＣＭＣ構成要素を形成するプロセスの概略的斜視図。

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。

本開示の実施形態は、例えば、本明細書で開示される特徴の１以上を含まない概念と比較して、壁貫通熱勾配を低減する壁近傍冷却並びに高温ガス経路ハードウェアのより効率的な冷却を可能にし、また、部品の冷却要求及び流量を軽減する能力を有するより効率的な冷却を可能にする。本開示の実施形態はまた、より少ない冷却流で高いタービン性能を得ることを可能にする。加えて、本開示の構成要素はより低い熱勾配を有し、結果として、より小さな応力、長寿命及び製品寿命コストの低減、並びにより優れた設計の柔軟性をもたらす。本開示による方法は、低コストで複雑さが低減され、コスト及び時間のかかる冷却チャンネルの浸出を必要としない。更に、本開示による方法は、加工処理後に冷却チャンネルに残る残留犠牲材料のリスクがない。

本発明の様々な実施形態の構成要素について紹介する際に、単数形で記載したものは、その構成要素が１以上存在することを意味する。「備える」、「含む」及び「有する」という用語は内包的なものであり、記載した構成要素以外の追加の構成要素が存在していてもよいことを意味する。

出力を発生させるのに使用されるシステムは、限定されるものではないが、発電用の陸用航空機転用エンジンのようなガスタービン、蒸気タービン及び他のタービン組立体を含む。特定の用途において、ターボ機械（例えば、タービン、圧縮機及びポンプ）を含む発電システム及び他の機械は、過酷な摩耗条件に晒される構成要素を含む場合がある。例えば、ブレード、バケット、ケーシング、ロータホイール、シャフト、シュラウド、ノズル及びその他の特定の発電システム構成要素は、高温及び高回転環境で作動する場合がある。これらの構成要素は、セラミックマトリックス複合材を用いて製造され、これらの構成要素はまた、冷却通路を含むことができる。本開示は、冷却通路を含むセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）構成要素を形成する方法を提供する。本開示の例示的な実施形態は、図１〜図３ではタービンブレードとして示されているが、本開示は、例示の構造に限定されない。

図１は、限定されるものではないが、タービンブレード又はタービンベーンなどの構成要素１０の斜視図である。図１は、タービンブレードを示しているが、本開示による他の好適な構成要素には、限定されるものではないが、ライナ、ブレード、シュラウド、ノズル、燃焼器、ノズル端壁、ブレードプラットフォーム又は他の高温ガス経路構成要素が挙げられる。構成要素１０は、好ましくは、セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）材料から形成される。構成要素１０の材料には、限定されるものではないが、アルミナ、ムライト、窒化ホウ素、炭化ホウ素、サイアロン（ケイ素、アルミニウム、酸素及び窒素）、金属間化合物及びこれらの組合せなどの酸化物系のＣＭＣを含む。構成要素１０の材料の好適な実施例は、限定されるものではないが、ＡＮ−７２０（酸化物−酸化物系、カリフォルニア州サンディエゴ所在のＣＯＩ Ｃｅｒａｍｉｃｓ， Ｉｎｃ．，から入手可能）又はハイブリッド酸化物ＣＭＣ材料を含む。構成要素１０を作るのに使用される材料の好適な実施例は、限定されるものではないが、種々のバインダーと共にＳｉＣ及び炭素マトリックスが含浸されたＳｉＣ繊維を含む。構成要素１０は、高温排気ガスの流れが導かれる翼形部２２を含む。翼形部２２は、先端３０からダブテール２４まで延在する。構成要素１０は、ダブテール２４によってタービンディスク（図示せず）に装着され、該ダブテール２４は、翼形部２２から下向きに延在してタービンディスク上のスロットに係合する。プラットフォーム２６は、翼形部２２がダブテール２４に接合される領域から横方向外向きに延在する。構成要素１０は、図２に示すように、翼形部２２の内部に沿って延在する少なくとも１つのプレナム５０を含む。発電システムの作動中、冷却空気の流れは、プレナム５０を通って導かれて、翼形部２２の温度を低下させる。

図２は、形成された構成要素１０の内部キャビティ７０を示す、図１の構成要素１０の矢視２−２断面図である。複数のセラミックマトリックス複合材プライ６０（明確にするために少数しか示していない）で周囲を囲んで内部キャビティ７０を形成する。図２に示すように、セラミックマトリックス複合材プライ６０は、セラミックマトリックス複合材プライ６０内に形成され且つこれらプライ６０間に延在するキャビティ７０を含む。また、図２で分かるように、構成要素内に形成されるキャビティは、テーパー付き幾何形状を含む。テーパー付き幾何形状は、セラミックマトリックス複合材プライの一方の端部で大きな直径を含み、セラミックマトリックス複合材プライ６０の反対側の端部で小さな直径を含む。

図３は、図１の構成要素１０の矢視３−３断面図であり、キャビティ７０が内部に形成されたセラミックマトリックス複合材プライ６０を示す。キャビティ７０は、セラミックマトリックス複合材プライ６０を通って延在して、流体の流れを通すことができる十分な開口を形成する。

セラミックマトリックス複合材プライ６０及びキャビティ７０の配列は、概略的に示され、例示の目的で拡大されている。セラミックマトリックス複合材プライ及びボイドのサイズ及び幾何形状は、図１〜図３に示すものに限定されない。加えて、キャビティ７０は、構成要素１０の内部にあるように図示されているが、別の実施形態では、キャビティ７０は、プレナム５０、構成要素１０の外部にある他のキャビティ７０又はこれらの組合せに開放されて流体連通している。

図４は、本開示による構成要素１０の斜視図を示し、構成要素１０の内部にキャビティ７０が存在している。図４に示すように、構成要素１０は、キャビティ７０において栓又は閉塞部を形成する緻密化されたマトリックス材料４０２を含む。キャビティ７０は、構成要素１０内に中空で且つ流体の流れを可能にする部分と、流体の流れを阻止又は実質的に阻止する緻密化されたマトリックス材料４０２の部分とを含むテーパー付き幾何形状を含む。

図５は、本開示による、内部キャビティ７０（同様に図４を参照）を有するＣＭＣ構成要素１０を形成するプロセスを概略的に示している。図５に示すように、構成要素１０は、レイアップ技術を用いて形成される。プロセス５００は、セラミックマトリックス複合材プライ６０を用意するステップを含む（ステップ５０１）。セラミックマトリックス複合材プライ６０は、単一のプライ、又は積層スタックに形成された連続プライのような複数のプライとすることができる。プライ６０の１つの実施例は、限定されるものではないが、例えば、製織炭素繊維、バインダー材料及びコーティングＳｉＣ繊維を含む、プリプレグ複合材プライを含む。プライ６０用の他の好適な材料は、アルミナ、ジルコニア、チタニア、マグネシウム、シリカ、ムライト及び／又はスピネルを含有する酸化物、ケイ素、ホウ素及び／又はチタンを含有する炭化物、ケイ素を含有する窒化物及びホウ素を含む。プライ６０で使用するのに好適な他の公知の繊維は、Ｎｅｘｔｅｌ（ネクステル）、Ｎｉｃａｌｏｎ（ニカロン）、Ｈｉ−Ｎｉｃａｌｏｎ、Ｔｙｒａｎｎｏ及びＳｙｌｒａｍｉｃ繊維を含む。セラミックマトリックス複合材プライ６０を用意するステップの後、セラミックマトリックス複合材プライ６０にボイド５０２を形成する（ステップ５０３）。ボイド５０２は、ＣＭＣ材料に開口を形成するのに好適な技術を用いて形成される。ボイドの幾何形状は、冷却流を受け取るため、円形、湾曲、楕円、直線状又は他の好適な幾何形状を含む任意の好適な幾何形状を含む。１つの実施形態において、ボイド５０２は直線状スロットである。好適なボイド形成技術は、セラミックマトリックス複合材プライ６０のセラミックマトリックス複合材のレーザ穿孔、放電加工及びカッティング又は機械加工を含む。１つの実施形態において、ボイド５０２は、図５に示すように連続シート状に形成される。別の実施形態において、ボイド５０２は、縁部に沿ってカット又は除去した部分を各々有する複数のプライ６０で開口を不連続的に形成し、それらのプライ６０を貼り合わせてボイド５０２を形成することによって形成される。セラミックマトリックス複合材プライ６０の各々におけるボイド５０２は、形成されるキャビティの寸法の１つに終端直径５１０がもたらされるように構成される。終端直径５１０は、緻密化の際にマトリックス材料が流動しかつ固化してキャビティ７０の栓又は閉塞部を形成することができる直径である。「終端直径」という用語を用いるが、断面の直径は、特定の断面幾何形状に基づく水力直径であり、水力直径は濡れ縁と断面積の関数である。

セラミックマトリックス複合材プライ６０にボイド５０２を形成した後、セラミックマトリックス複合材プライ５０４、５０６及び５０８を、それぞれのセラミックマトリックス複合材プライ６０のボイドが整列して、キャビティの少なくとも一部に沿って終端直径をもたらす幾何形状を有するキャビティ７０を画成するように、互いに配置する（ステップ５０５）。整列したボイド５０２のスタックにより、キャビティ７０が形成される。この整列は、ボイド５０２が、隣接するセラミックマトリックス複合材プライに対応する幾何形状を有し、かつボイドの直径が変化するように整列してキャビティ７０内のある地点で終端直径５１０を含むようにする。図５に示すように、終端直径５１０は、重力方向に対してスタック５１２の底部からキャビティ７０に沿って所定の距離５１５の地点にある。本開示は、図５に示すセラミックマトリックス複合材プライ６０の数に限定されない。セラミックマトリックス複合材プライ６０の数は、構成要素１０の所望のサイズ及び構成に基づいて変化し、特に限定されるものではない。図５には図示していないが、１つの実施形態において、キャビティ７０は、複数のセラミックマトリックス複合材プライ６０のスタック５１２に形成される。キャビティ７０の形成は、限定されるものではないが、レーザ穿孔、放電加工及びカッティング又は機械加工などの形成技術によるものとすることができる。

キャビティの終端直径５１０は、マトリックス材料が毛細管力に応じてキャビティ７０内に移動し、固化して栓又は閉塞部をもたらすのに十分に小さな寸法を有するキャビティ内の寸法として定義される。１つの実施形態において、終端直径５１０は、１０００分の約８０（０．０８０インチ）未満の水力直径である。１つの実施形態において、キャビティは、１０００分の約５（０．００５インチ）〜１０００分の約８０（０．０８０インチ）、１０００分の約２０（０．０２０インチ）〜１０００分の約７５（０．０７５インチ）、又は１０００分の約３０（０．０３０インチ）〜１０００分の約７０（０．０７０インチ）の範囲である。

キャビティ７０は、該キャビティを囲むセラミックマトリックス複合材プライのスタック５１２において形成される（ステップ５０７）。スタック５１２をオートクレーブ内に配置して、オートクレーブサイクルを完遂する（ステップ５０９）。スタック５１２は、セラミック複合材材料産業で用いられる典型的なオートクレーブ圧力及び温度サイクルに付される。オートクレーブ処理は、プライに残存する揮発性物質を放出させるが、オートクレーブ条件はプライ材料に応じて変更することができる。オートクレーブ後、バーンアウトプロセスを実施して、スタック５１２内に残留するマンドレル材料又は追加のバインダーを除去する。バーンアウトプロセスは、一般に、約４２６〜６４８℃（約８００〜１２００°Ｆ）の温度で実施される。

バーンアウト後、緻密化のためプリフォーム構成要素を真空炉内に配置する（ステップ５１１）。緻密化は、限定されるものではないが、Ｓｉｌｉｃｏｍｐ、溶融浸透（ＭＩ）、化学蒸気浸透（ＣＶＩ）、ポリマー膨張熱分解（ＰＩＰ）及び酸化物／酸化物プロセスを始めとする公知の緻密化技術を用いて実施される。緻密化は、ケイ素又は他の溶浸材料がプリフォーム構成要素内に溶融浸透できるようにするため、１２００℃を超える温度の設定大気を有する真空炉内で実施することができる。図５に示すように、１つの好適な緻密化方法は、溶融マトリックス材料をスタック５１２内に吸引させて固化せしめる溶融浸透である。スタックは、マトリックス材料が浸透しかつ固化して緻密化マトリックス材料４０２の栓又は閉塞部を形成することができるようなキャビティ７０の終端直径５１０を含む。ただし、キャビティ７０の内部中空部分５１７は、緻密化後も開放されたまま中空であり、冷却流体の流れを通するのに十分である。緻密化後、緻密化されたスタック５１２又は緻密体は、図４に示すように内部キャビティ７０を含み、構成要素１０の少なくとも一部を形成する。

１つの実施形態において、キャビティ７０の内部の中空部分５１７は、構成要素１０において十分に大きく且つ開放されており、冷却材又は他の流体がそこを通って導かれて構成要素１０に冷却をもたらすことができる。ただし、終端直径５１０を有するセラミックマトリックス複合材プライ６０で形成された緻密化マトリックス材料４０２は、冷却材又は他の流体の流れを実質的に阻止する閉塞部を形成する。例えば、図５に示すプロセスに従って製造されるキャビティ７０は閉鎖され、構成要素１０の内部にある。１つの実施形態において、構成要素１０に機械加工又は他の方法で開口を形成して、キャビティへと通じる入口及び／又は出口を提供する。冷却用のキャビティ７０は、送給孔及び高温ガス経路ダンプ孔のような開口を機械加工又は他の方法で構成要素１０内に形成することによって、プレナム５０、構成要素の外部にある他のキャビティ７０との間の送給及び／又は排出を可能にすることができる。

別の実施形態において、キャビティ７０は、該キャビティ７０の全体又は大部分が終端直径５１０を含んでいて、溶融マトリックス材料５１３の流れを促進又は強化し、緻密化の際にマトリックス材料の分配がより迅速及び／又はより均一になるように、形成することもできる。

１つの実施形態において、キャビティの端部における複数のセラミックマトリックス複合材プライの繊維は、キャビティの中心軸に対して１０度よりも大きな角度を形成する。

１以上の実施形態を参照して本発明を説明してきたが、本発明の技術的範囲から逸脱することなく、様々な変更をなすことができ、本発明の要素を均等物で置き換えることができることは当業者には明らかであろう。さらに、本発明の本質的な技術的範囲内で、特定の状況又は材料を本発明の教示に適合させるべく数多くの修正を加えることができる。従って、本発明は、本発明を実施するための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、特許請求の範囲に属するあらゆる実施形態を包含する。

最後に、代表的な実施態様を以下に示す。
［実施態様１］
セラミックマトリックス複合材構成要素を製造する方法であって、
複数のセラミックマトリックス複合材プライを互いに重ねて配置して、緻密化材料を浸透させることができるほど十分に小さい終端直径をその一部が含むキャビティを形成するステップと、
上記複数のセラミックマトリックス複合材プライを緻密化して緻密体を形成するステップと、
を含み、上記緻密化により、上記終端直径を有する上記キャビティの一部が緻密化材料で充填され、上記緻密体内に上記キャビティが存在する、方法。
［実施態様２］
上記キャビティが、上記緻密体内に完全に密封される、実施態様１に記載の方法。
［実施態様３］
上記キャビティが、テーパー付き幾何形状を含む、実施態様１に記載の方法。
［実施態様４］
上記テーパー付き幾何形状が、上記複数のセラミックマトリックス複合材プライの少なくとも一部の間にボイド幾何形状の差違を含む、実施態様３に記載の方法。
［実施態様５］
上記セラミックマトリックス複合材プライが、予備含浸されたセラミックマトリックス複合材プライである、実施態様１に記載の方法。
［実施態様６］
上記キャビティを形成するステップが、レーザ穿孔、放電加工、カッティング及び機械加工からなる群から選択される方法に基づいている、実施態様１に記載の方法。
［実施態様７］
上記複数のセラミックマトリックス複合材プライを互いに重ねて配置して上記キャビティを形成するステップが、上記複数のセラミックマトリックス複合材プライの各々にボイドを形成し、該ボイドを上記それぞれのセラミックマトリックス複合材プライにおいて整列させて、上記構成要素にキャビティを少なくとも部分的に画成するようにするステップを含み、上記整列が、上記複数のセラミックマトリックス複合材プライを整列させることを含む、実施態様１に記載の方法。
［実施態様８］
上記緻密化が、溶融浸透又は化学蒸着を含む、実施態様１に記載の方法。
［実施態様９］
上記キャビティの端部での上記複数のセラミックマトリックス複合材プライの繊維が、上記キャビティの中心軸に対して１０度よりも大きな角度を形成する、実施態様１に記載の方法。
［実施態様１０］
上記緻密化材料がケイ素である、実施態様１に記載の方法。
［実施態様１１］
上記終端直径は、毛細管力によりケイ素が吸い込まれる直径よりも小さい、実施態様１に記載の方法。
［実施態様１２］
上記セラミックマトリックス複合材構成要素が、ライナ、ブレード、シュラウド、ノズル、燃焼器、ノズル端壁及びブレードプラットフォームからなる群から選択される、実施態様１に記載の方法。
［実施態様１３］
セラミックマトリックス複合材構成要素であって、
緻密体を形成する複数のセラミックマトリックス複合材プライを備え、該複数のセラミックマトリックス複合材プライが、上記緻密体内にキャビティを形成し、該キャビティの一部が、溶浸された緻密化材料を有する終端直径を含む、セラミックマトリックス複合材構成要素。
［実施態様１４］
上記キャビティが、緻密体内に完全に密封される、実施態様８に記載のセラミックマトリックス複合材構成要素。
［実施態様１５］
上記キャビティが、テーパー付き幾何形状を含む、実施態様８に記載のセラミックマトリックス複合材構成要素。
［実施態様１６］
上記テーパー付き幾何形状が、上記複数のセラミックマトリックス複合材プライの少なくとも一部の間にボイド幾何形状の差違を含む、実施態様１４に記載のセラミックマトリックス複合材構成要素。
［実施態様１７］
直線状の境界が、レーザ穿孔された境界、放電加工された境界、カッティング境界及び機械加工境界からなる群から選択された境界である、実施態様８に記載のセラミックマトリックス複合材構成要素。
［実施態様１８］
高温ガス経路タービン構成要素が、ライナ、ブレード、シュラウド、ノズル、燃焼器、ノズル端壁及びブレードプラットフォームからなる群から選択される、実施態様８に記載のセラミックマトリックス複合材構成要素。
［実施態様１９］
上記キャビティの端部での上記複数のセラミックマトリックス複合材プライの繊維が、上記キャビティの中心軸に対して１０度よりも大きな角度を形成する、実施態様８に記載のセラミックマトリックス複合材構成要素。
［実施態様２０］
上記終端直径は、毛細管力によりケイ素が吸い込まれる直径よりも小さい、実施態様８に記載のセラミックマトリックス複合材構成要素。

１０ 構成要素
２２ 翼形部
２４ ダブテール
２６ プラットフォーム
３０ 先端
５０ プレナム
６０ セラミックマトリックス複合材プライ
７０ キャビティ
４０２ 緻密化されたマトリックス材料
５００ プロセス
５０２ ボイド
５０４ セラミックマトリックス複合材プライ
５０６ セラミックマトリックス複合材プライ
５０８ セラミックマトリックス複合材プライ
５１０ 終端直径
５１２ スタック
５１３ 溶融マトリックス材料
５１５ 距離
５１７ 内部中空部分