JPH03177334A - セラミックマトリックス複合品およびその製造方法 - Google Patents

セラミックマトリックス複合品およびその製造方法

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JPH03177334A
JPH03177334A JP2341229A JP34122990A JPH03177334A JP H03177334 A JPH03177334 A JP H03177334A JP 2341229 A JP2341229 A JP 2341229A JP 34122990 A JP34122990 A JP 34122990A JP H03177334 A JPH03177334 A JP H03177334A
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JP
Japan
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prepreg
stack
ceramic matrix
sheets
sheet
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JP2341229A
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English (en)
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Roger A Allaire
ロジャー　アルフィー　アライア
George Daniel Lipp
ジョージ　ダニエル　リップ
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Corning Inc
Original Assignee
Corning Inc
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、造形セラミック複合品の製造方法に関し、よ
り詳細には、セラミックマトリックスと耐火性無機繊維
強化材から成る、種々の厚さを有する造形セラミック複
合物、の製造方法に関する。
（従来の技術） 米国特許第４，３１４．８５２号に示されているように
、ホットプレスは、強化用繊維を含むセラミックマトリ
ックス複合物を加工するための最も一般的な方法である
。この方法は、通常、まずガラスまたはセラミック粉末
の形態の細かく分割されたマトリックス材料を含浸され
た長いあるいは連続的な繊維強化材からなるプレフォー
ムまたは“プレプレグ材料を与え、その含浸繊維をシー
トにし、そのシートを切断し、積み重ねて、ホットプレ
スによって稠密な複合物に固化できるプレプレグスタッ
クまたはプレフォームを与えることから成る。
この方法による生成物は、通常、はぼ均一な断面の平ら
なまたは湾曲した平面物品である。
セラミックマトリックス複合材料からより複雑な形状を
形成するために、ホットプレス以外の方法が提唱されて
いる。例えば米国特許第４，４８４，１９２号は、チョ
ツプド繊維またはホイスカーをガラス粉末と混合し、そ
の混合物をガラスの軟化点まで加熱し、そして次にそれ
を所望の形状を有するモールドに射出する射出成形法を
記載している。
米国特許第４．４２８．７６３号には、長い繊維を予め
決めた配向でモールドキャビティ内に整列させ次にガラ
スビレットを加熱して溶融ガラスとしてモールドにトラ
ンスファーすることから戊る、繊維強化ガラス複合物を
製造するためのトランスファー成形方法を開示している
。
上記のような射出成形およびトランスファー成形工程は
、より複雑な形状の加工が可能ではあるが、ある種の不
都合を有する。例えば、強化材に使用される繊維がチョ
ツプド繊維またはホイスカーの場合、成形品中で大きい
強度を必要とする方向にそれらの強化材を優先的に整列
させるのが困難である。また、チョツプド繊維の添加が
多い場合、溶融繊維／マトリックス材料の粘度は大きく
なり、複雑な形状への射出および成形が困難となる。
トランスファー成形の場合、溶融ガラスが繊維をモール
ドキャビティ内に完全に挿入しそしてその繊維を囲むよ
うにすることを確実にすることが困難である。また、モ
ールドへのガラスのトランスファー中における予備整列
された繊維の望ましくない移動および／または破損を避
けるのが困難である。
ホットプレス工程を、複雑または精密な複合製品の加工
に適合させるように改良する試みは成功していない。こ
の点における重大な問題は、大成できるプレプレグ材料
の性質にある。前述したように、これらの材料は、大変
小さい生の状態の密度を有する粉末含浸繊維または繊維
トウである。
この材料のシートスタックは、精密製品の成形にとって
特に扱いにくいプレフォームとなる。と言うのは、プレ
フォームの密度は、通常、最終製品の理論的密度の２５
％以下であるからである。これは、十分な密度への固化
と共にプレフォームの実質的デバルキングを１つの成形
事件において達成しなければならないことを意味する。
それは、多段階工程で固化されるプレプレグのための、
より大きい割合の出発密度を有する繊維強化用ポリマー
系においてさえ、異常なことではない。このことは、精
密製品の製造において、それらの系が最終密度にデバル
クされる際、製品形状の制御を維持するために、有益で
ある。しかしながら、ガラスおよびガラスセラミックマ
トリックス複合物にとって、加工費用、必要な高温成形
温度への反復加熱の際の繊維崩壊および、高温モールド
離型剤からの複合物の表面汚染などの要因により、前述
のような試みは実行できない。
（発明の目的） 以上に鑑みて、本発明に主たる目的は、形状および断面
厚を任意とすることができる、繊維強化セラミックマト
リックス複合品の改良された製造方法を提供することで
ある。
本発明のもう１つの目的は、正確な厚さの内部または外
部端部セグメントと適切な繊維密度を有する精密成形さ
れた造形物が得られる、セラミックマトリックス複合品
を成形するホットプレス方法を提供することである。
本発明のさらなる目的は、改良された端部仕上げのセラ
ミックマトリックス複合品の製造方法を提供することで
ある。
本発明のさらにもう１つの目的は、改良された内部およ
び表面繊維分布と物理的一体性を備えた複雑な表面形状
および断面の耐火性セラミックマトリックス複合品を提
供することである。
（発明の構成） 本発明は、制御された方向に配された強化用繊維を含み
、任意の形状と変化する厚さを有する繊維強化セラミッ
クマトリックス複合品を製造する方法を提供する。繊維
の方向に関して得られる制御と、固化中に繊維強化材の
高範囲な再分布がさけられるということにより、精密な
形状および厚さの強固な複合製品を作り得る。
本発明の方法は、予め選択された厚さプロフィールを有
する層化セラミックマトリックス複合品の製造を包含す
る。この複合品において、その層の平面に垂直な軸に沿
った複合物の断面寸法は、その断面に存在する層の数に
よって、主にあるいは少なくとも一部が決定される。
複合物を形成するために、まず層を得るための複数のプ
レプレグシートが与えられる。これらのシートは、粒状
セラミック（例えばガラス）マトリックス材料を含浸さ
せた無機強化用繊維を含み、セラミックマトリックス複
合物製造にとって一般的な工程に従って、所望のサイズ
の範囲内で調製される。
上記のように調製されたプレプレグシート（少なくとも
２つの異なったサイズから成るか、より頻繁には数種類
の異なったサイズから成る）は次にアセンブルされて多
層プレプレグスタックを与える。このスタックには、次
のような特徴がある。
すなわち、スタック中のシートの整列平面に垂直なスタ
ックの断面寸法を通して、集合スタック厚に寄与してい
るプレプレグシートの数は、形成されるべき層化複合品
中の断面寸法を得るために選択される相対的厚さに比例
する。従って、製品にかなりの厚さを要する場合は多数
の層を設け、薄い断面の製品を作る場合は２〜３または
１つの層で足りる。集合スタック厚とは、選択された断
面寸法内にある全てのプレプレグシート層（スタック内
の空の層または空隙を含む）の集合または全体の厚さを
意味する。
プレプレグスタックをアセンブルした後、それを熱と圧
力によって固化する。固化は、通常、セラミックマトリ
ックス材料を軟化するのに十分な温度以上にスタ、ツク
を加熱し、同時に固化厚をスタックに加えて、稠密でほ
とんど空隙のない固化セラミックマトリックス複合品に
することから成る。
前述のような層化プレプレグシートスタックを使用する
ことにより、複合品の最終形状をもたらすのに必要な繊
維およびマトリックス再分配の度合が最少限になること
を見い出した。このようにして、繊維の移動、弓そりお
よび／または破損が実質的にさけられ、制御された繊維
整列の強固で均一なセラミック製品が得られる。
同時に、プレプレグシートスタックの段状をなした厚さ
プロフィールが固化された製品におけるほぼスムースな
勾配の厚さプロフィールに変わるのに十分な繊維再分配
およびマトリックス流れが固化中に起り得ることがわか
った。従って、プレプレグシートスタックの層端部ター
ミネーションまたはいわゆるプライドロップ（ｐｌｙ　
ｄｒｏｐ）による内部または外部空隙あるいは破断の表
面残留痕跡が見られない。
本発明に使用されるプレプレグシートスタックは、通常
、プレプレグスタックの外面層を形成する対向する上部
および底部プレプレグシートを含む、少なくとも３つ（
しばしば数個）のプレプレグシートから成る。上部およ
び底部シートの少なくとも１つ（好ましくはその両方）
は十分に大きくて（つまり、スタックから外方に十分な
距離延在する）、スタックの内部シートを完全に覆う。
上部および／または底部対向シートを延在させる目的は
、繊維充填と製品表面の繊維整列の優勢方向との両方の
点において実質的に断絶のない少なくとも１つの（好ま
しくは２つの）表面層固化製品に提供することである。
両方の対向シートがスタックの周縁端の一部または全部
に沿って内部シートを越えて延在する場合、それを延在
する端部の一部に少なくとも沿って端部接合させて、内
部またはコアプレプレグシート層全体またはその一部を
おおう囲いを形成するようにしてもよい。
これにより、高温および高流速における流体浸蝕に特に
耐性のある高強度の対向表面を有する製品が得られる。
シートスタックの固化工程において、固化圧力は、通常
、最終複合製品のために選択された表面輪郭に対応する
表面輪郭を有する対向するモールドを含むフォーミング
ダイ手段により、スタックに加えられる。これらは、−
膜内には、対向するキャビティモールド等のようなマツ
チドモールド用具である。
さらなる側面において、後により詳しく述べるように、
形成された複合製品に極めて高い端部品質を与えるため
、フォーミングモールドまたは他の金型手段は、最も好
ましくは、モールドの輪郭を有する表面から外方に延び
る１つあるいはそれ以上の端部間隙またはいわゆる“流
れチョーク。
領域を含む。前記輪郭を有する表面は製品の表面形状お
よび端部外形を形成し、端部間隙は、プレプレグからの
過剰あるいはフラッシュ材料のみを受は入れる。流れチ
ョーク領域を満たす過剰のプレプレグ流れチョーク材料
を含む適切に設計されたプレプレグシートスタックと組
み合わせて前述のような端部間隙手段を使用すること（
最も好ましくは固化の前に）により、実質的に改良され
た端部品質と仕上りを示す精密複合製品が得られる。
前記の工程による製品は、１つあるいはそれ以上の滑ら
かな湾曲外面を有する多層セラミックマトリックス複合
品である。この複合品は、その湾曲表面の少なくとも１
つに垂直な軸に沿った変化する断面厚によって特徴づけ
られる。この変化する断面厚は、前記軸が横切る製品断
面に存在する複合材料層の数のバリエーションによって
少なくともその一部が作られる。
好ましい複合品はさらに以下のような特徴を有する。す
なわち、湾曲表面の少なくとも１つが、チョツプド繊維
またはホイスカーと対照的な長くて実質的に破断してい
ないあるいは連続的な無機繊維で強化されたセラミック
マトリックスを含む複合材料の層から成る。前記繊維は
、湾曲表面に平行な方向に配されている。この層は有利
には滑らかで連続しており、さらに強化用繊維の割合お
よび分布に関して比較的均一である。
本発明は、繊維強化セラミックマトリックス複合材料の
特定な組成またはタイプに限定されるものではないこと
は明らかである。従って、例えば、セラミックマトリッ
クス複合物のための強化材料として好ましい無機繊維は
炭化珪素繊維（シリコンオキシカーバイド繊維とも称さ
れる）であるが、他のタイプの繊維も代わりに使用でき
る。そのような代替繊維の例には、炭素、アルミナ、Ｂ
、Ｃ。
ＢＮ、ジルコン、ムライト、スピネルあるいは窒化珪素
の繊維がある。
同様に、本発明による複合物製造に使用するセラミック
マトリックス材料の選択も、特定のタイプのガラスまた
はセラミック材料に限定されない。
最良の高温特性を必要とする用途には、マトリックス材
料として耐火性アルカリ土類アルミノ珪酸塩ガラスセラ
ミックが好ましい。そのようなガラスセラミックスは、
例えば米国特許第４．８１５．９１１７号に開示されて
おり、その主要結晶相が、灰長石（Ｃａ　Ｏ・ＡＩ！ｚ
　０３−２Ｓ１０２）およびそのムライト（３ＡＪ！ｚ
　０３　・５ｉＯｚ）との擬二次系、きん青石（２Ｍｇ
０・２ＡＪ２０３　◆５ＳＩＯ２）、バリウムオスミラ
イト（ＢａＯ・２Ｍｇｏ・３Ａｊ！ｚＯ３◆９ＳＩＯ２
）、アルバイト固溶体（Ｎａｚ　ｏ−Ａ、２２ｏ３−６
Ｓｉ　０２　）　、ＡＪｚ　０３　、Ｓｉ　０２　％Ｃ
ａ　ｏ−ｓｔ　０２　、およびゲーレナイト（２Ｃａ　
０−ＡＪｚ　０３−　Ｓ２０２　）から成る群より選択
される、ガラスセラミックスを含む。
他の耐火性アルカリ土類アルミノ珪酸塩ガラスセラミッ
クスには、三斜晶系灰長石と、ムライトおよびα−アル
ミナの少なくともどちらかとの組合せから本質的に成る
主要結晶相を含むものがあり、それらは米国特許第４．
７５５．４８９４号に開示されている。そらに米国特許
第４．４６４．４７５号は、その主要結晶相がバリウム
オスミライト、きん青石およびスタッフドきん青石から
成る群より選択されるアルカリ土類アルミノ珪酸塩ガラ
スセラミックスを開示しており、スタッフドきん青石組
戊申のスタッフィングイオンを構成するイオンはＢａ。
Ｃａ、ＳｒおよびＣｓから成る群より選択される。
特に、バリウムスタッフドきん青石ガラスセラミックは
、比較的小さい熱膨張率と大きい弾性率を示す。
要求事項のいくらか少ない用途には、リチウムまたは亜
鉛アルミノ珪酸塩ガラスセラミックスから成るマトリッ
クス材料が選択できる。米国特許第４，５５４，１９７
号は、このタイプのガラスセラミックマトリックス材料
の使用を記載しており、それらの材料はまた、マグネシ
ウムを含みそして通常Ｔ！　ｏ２を実質上台まない。こ
れらのガラスセラミックスは、β−石英固溶体（β−１
−クリブタイト固溶体と称されることもある）およびβ
−ゆう輝石固溶体からなる群より選択される主要結晶相
の存在によって特徴付けられる。
本発明の方法は、ガラスセラミック材料を使用した複合
物の製造に良く適合する。この用途にとっての好ましい
ガラスはアルカリを含まないアルカリ上類アルミノ珪酸
塩ガラスであり、それらのガラスはＮａｇ　Ｏ，Ｌｌ　
２０およびに２０などのアルカリ金属酸化物を本質的に
含まず、Ｃａ　Ｏ。
ＭｇＯ，ＳｒＯおよびＢａＯから成る群より選択される
１つあるいはそれ以上のアルカリ土類金属酸化物を含む
。
本発明の実施に当り、選択された強化用繊維は、細かい
粒状または粉末状の選択されたセラミックマトリックス
材料と組み合わされる。そのような粒状マトリックス材
料は、トリゲージング、グラインデイングーおよび／ま
たはミリングによってガラスから容易に調製できる。
このようにして与えられた細かいマトリックス粉末は、
最も都合よくは、適当なビヒクル中における前記粉末の
懸濁液を前記強化用繊維に含浸させることによって、前
記繊維と組み合わされ、いわゆるプレプレグ繊維または
シートが与えられる。
通常、ビヒクルおよびガラス粉末に加えて分散剤および
バインダー成分を含むマトリックス粉末の流動性懸濁液
が、噴霧または繊維の懸濁液への浸漬によって、繊維に
施される。
前述したように粉末状ガラスを含浸した繊維マットまた
はトウは、含浸繊維材料をドラムまたは他の支持体にプ
レスまたは巻き付けることによってシートスタックへと
アセンブリするのに適したプレプレグシートへと形成で
き、それによって生のシートプレプレグが与えられ、そ
れらは乾燥され、適当な形状に切断される。もちろん、
シートの厚さは比較的広範囲に変えられるが、製造コス
トおよび便宜上の観点から、特定の製品形状およびその
先駆体シートスタック設計に用いられるシートはほぼ同
じ厚さであることが好ましい。
本発明の方法は、製品の端部の厚みが小さく中央の厚み
が端部の厚みより大きい層化セラミックマトリックス複
合製品の製造に特に適合する。この形状の製品の例とし
て、タービンブレードまたはエアフローディフレクタ−
などのエアフォイル造形物などがある。そのような製品
の典型的な形状を第１図に概略的に示しである（縮尺の
比率は正確ではない）。これは、薄い端部と厚い中央を
有するタービン固定子ブレード２の断面端面図である。
前述したように、このタイプの製品を設計する際には、
シートスタックの内部に小さいプレプレグシートを配し
、上部および底部プレプレグシートをスタックの少なく
とも端部まで延在させるようにすることが好ましい。第
２図は、第１図に示される断面形状を有する製品の製造
にとって好ましい設計のシートスタック２０を概略的に
示す。第２図に示されるように、スタック２０の上部お
よび底部プレプレグシート（シート１１およびシート１
で示される）は、内部またはコアシート２−９の全てを
越えて、少なくとも上部サブシート１０の端部まで延在
する。従って、固化中に、プレプレグシート１．ｌＯお
よび１１は、スタックの前端１５および後端１６に沿っ
て融着して、最終複合製品を得るための滑らかで均一な
複合材料のシールされた外側囲いまたは外皮を与える。
薄い端部のセラミックマトリックス複合物に関して主に
延長された表面層が使用されているが、もちろんそれら
に限定されるものではない。薄い断面の内部に隣接する
比較的厚い（多層）端部を有する層化複合製品もまた、
長いプレプレグシートの外部配置と小さい層セグメント
の内部配置を有する改良された表面特性を示す。
前述のように調製されたプレプレグシートスタックは、
多層タイプの複合プレフォームにとって一般的な加熱お
よび圧力の条件下で固化される。
通常、層化アセンブリはまず、モールディング等による
予備造形の前か後に、揮発性または酸化性バインダーあ
るいは有機成分をプレプレグから除去するのに少なくと
も十分な温度まで加熱する燃え切り処理（ｂｕｒｎｏｕ
ｔ　ｔｒｅａｔｍｅｎＤに供される。その後、アセンブ
リの温度を粉末マトリックス材料の焼結温度付近まで少
なくとも高めそして材料中の空隙を取り除くために圧力
を加えながらホットプレス工程を行う。
ガラスセラミックマトリックス材料の場合、ガラスセラ
ミックマトリックスへの変換を起こさせるためのマトリ
ックス材料の結晶化を、通常、ホットプレス工程中に固
化と同時に達成させる。それには、固化中の材料の温度
を、高度結晶質材料への迅速な変換を促選するのに十分
なレベルに保つ工程中に結晶化期間を要するのみである
。
（実　施　例） 本発明の添付の図面を参照しながら詳細に説明する。
薄い端部形状を有する小さいエアフォイルブレード形態
のセラミックマトリックス複合品を作るため、まず、ブ
レード構造に適した炭化珪素繊維強化ガラスセラミック
マトリックス複合材料のプレプレグシートを従来のプラ
クティスに従って調製した。熱結晶化によって稠密耐火
性ガラスセラミックマトリックス材料に変換きる粉末ガ
ラスセラミック材料を、複合物に取り込むために調製し
た。このガラスは、約３９．５ｖｔ、％の５ｉ０２．３
８．５ｖｔ、％のＡ　Ｊ１２０３．１Ｂ、４ｗｔ、％の
Ｃａ　ＯｓＯ，５ｖｔ、％のＡｓ　２０３および３．Ｏ
ｗｔ、％のｚｒＯ２から成る組成を有しており、適当な
加熱処理によって結晶質灰長石ガラスセラミック材料に
変換できるものであった。
この組成のガラスをプラナするつぼで溶融し、得られた
溶融物をトリゲージング（ｄｒｉｇａｇｉｎｇ）でガラ
スフリットに変換した。次にこのガラスフリットをミル
粉砕して約１０ミクロンの平均粒径を有するガラス粉末
にし、それを、繊維トウ材料に含浸させるのに適したス
ラリーとした。このスラリーは、従来の分散剤およびバ
インダーを含む粉末ガラスの滑らかで流動性のある水性
懸濁液であった。
層化複合物に取り込むべく選択された強化用繊維は、日
本カーボン（株）からＮ１ｃａｌｏｎ　ＲＮ　ＬＭ−２
０２炭化珪素系として市販されているシリコンオキシカ
ーバイド繊維トウ材料とした。この糸の連続ストランド
を、前記糸を前記ガラス粉末のスラリーに通すことによ
ってそのスラリーでコートし、そのスラリーを含浸され
た。スラリーへの浸漬の前に、前記糸を火炎に通して繊
維の表面からサイジングおよび他の可燃性不純物を除去
した。
このようにしてコートされた糸を、ストリップダイを通
して引いて繊維から余分なスラリーを除去し、次に回転
ドラムのまわりに巻き取って、−方向繊維配向の連続層
またはシートプレプレグを形成した。次にこのシートを
ドラムから切り取り、平らに乾燥して、炭化珪素繊維が
一方向に配向された厚さ約０．０５０インチの平らな生
プレプレグマットとした。
このプレプレグからブレード造形物を得るための層化プ
レフォームスタックを作るため、１１の矩形シートを前
記マットから切り取った。これらのシートは、４インチ
の長さと、最も広いシートで約１．５インチから最も狭
いシートで約０．３インチの範囲の幅を有していた。
次に、これらのシートを、第２図に示すようにしてプレ
プレグ層のスタックにした。このスタックは底部カット
プレプレグシート１と上部カットプレプレグシート１１
と、それらの間に配された幅の変化する内部またはコア
シート２−１０から構成された。前記変化する幅は変化
する集合シート厚を有するプレフォームを与えた。この
ブレード製品の多方向強度を改善するために、いくつか
のシートはプレプレグ中の繊維整列の方向を横切る複数
の方向で切断され、積み重ねられて、ブレードの長袖（
０’　）に対する強化用繊維方向の角度にバリエーショ
ンを与えた。表１は、スタック中の各カットプレプレグ
シートの繊維整列方向を示す。
層 位置 繊維 整列（＠） 表１−層繊維整列 １　２　３　４　５　６　７　８　９　１０　１１（底
部） （上部） ０ ５−４５ −４５ ５ ０ 種々のシートサイズのプレプレグシートを適切に配して
最終製品に予め選択された厚さプロフィールを与えるプ
レフォームスタックを提供するための便利な方法として
、第３図に示されるようなレイアップ装置を使用した。
第３図に示されるような取り外し可能な金属の底部プレ
ート３２および上部プレート３３を有する矩形の３側面
金属カン３０でレイアップ工程を行った。シートスタッ
ク２０内の各層を、はさみ込んだ一時スペーサー３６に
よって、カンの側部３４から予め選択された距離だけ離
して配した。好ましくはＰＴＦＨなどの不活性ポリマー
から成る各スペーサー３６は、側部３４から予め選択さ
れた距離に、対応するプレプレグシートを位置決めしそ
れによってスタック内の予め選択された端部オフセット
位置を設定するに適切な予め選択された幅を有していた
。
種々の微細構造および処理ファクターにより、前述した
ようなプレプレグスタックから作られる固化製品のある
断面の厚さは、当初のスタックの集合シート厚に直接比
例しない。しかし、このような特別のプレプレグでは、
最終厚（ミル）は次のような実験式によって近似される
。
Ｔ−０゜２８２　Ｌ、２　＋７．５７Ｌ（ここでＬは、
対象となる断面に与えられた０、０５０インチ厚を有す
るプレプレグ層の数）上記式は、本実施例のプレプレグ
からなる任意厚プロフィールの複合品のためのスタック
設計を決定するのに使用でき、あるいは、いろいろ試し
てみて特定の厚さプロフィールを作り出すのに最も適し
たスタック設計を決定してもよい。
プレフォームスタックのレイアップが完了した後、その
スタックをレイアップカンから取り上げ、スペーサーを
スタックから外した。次にこのスタックをカンに戻し、
このスタックを空気中で約４５０℃まで加熱してプレプ
レグ層から有機材料を除去する燃え切りサイクルに供し
た。
有機材料を含まない、得られたスタックを、圧力下で稠
密接合品に高温固化するため、キャビティモールドに置
いた。このモールドは上部および下部グラファイトプラ
ンジャーを有し、それらプランジャーの各々は、フォー
ミングの形状に適した加工面を有していた。小さいエア
フォイルブレードの上部および下部表面は第１図に示す
断面を有していた。第４図は、適当に設計のモールドア
センブリの略断面図を示す。これは寸法および縮尺の割
合が元の通りではない。このアセンブリは、保持グラフ
ァイトスリーブ部材２３．２４の間に滑動自在に配され
た上部および底部プランジャー２１゜２２を有し、さら
に、固化工程中プレフォームスタックに所望の表面形状
を達成する加工面２５．２８を有する。
プランジャーおよびサイドリテーナ−をプレプレグスタ
ックと共に円筒状グラファイトスリーブ内に押入し、そ
してそのアセンブリをホットプレス炉内に置いて、約３
時間の加熱期間に亘って１３４０℃まで加熱することに
よってスタックの固化を達成した。ピークホットプレス
温度に近づくと、プレフォームスタック上の圧力を約１
５００ｐｓｊのレベルまで上げ１、そのピーク温度に約
１０分間保持した。その後、圧力と温度を、２時間かけ
て周囲条件に達するまで徐々に下げた。
前述のようにして作った固化製品は、第１図のような断
面プロフィールを有していた。この製品は、滑らかに変
化する表面プロフィールおよび曲率を有し、固化中のマ
トリックス材料および繊維の流れは、最終製品の表面か
らプライドロップのあらゆる形跡を実質的に取り除くの
に十分なものであった。
第５図は、前記ブレードの断面の一部を２５倍で見た光
学顕微鏡写真である。材料のバルク内での繊維およびマ
トリックスの均一分布、そして複合製品上の表面層にお
ける平滑さおよび均質性が明白に示されている。
上記実施例に従って作られるような複合製品は、優れた
強度および靭性そして多くの高温用途のための適切な表
面および端部仕上げを示すが、製品均質性のさらなる向
上（特に複合物のブレード端部の端部仕上げに関するも
の）が必要な用途もある。例えはば第５図に示されるブ
レードセクションの場合、顕微鏡写真の左端でブレード
断面の後端内に繊維および／またはマトリックスの不均
衡分布が見られる。
この特定の端部状態は、前述の実施例のモールディング
工程によって作られた複合品に共通である。これについ
て以下に詳述する。これらの高度耐火性複合材料のホッ
トプレスに適したモールド材料は、このままでは、固化
工程中、プランジャー／側壁界面への複合材料のフラッ
シングを完全に抑制するのに十分な許容度まで加工が可
能ではない。
これらのプレプレグ材料の固化に関連した広範囲なプレ
プレグデバルキングを達成するのに必要な大きいモール
ド横方向距離によってフラッシングは増大する。スタッ
ク圧縮中、プレプレグスタックの端部が経験する側壁ド
ラッグ（ｄｒａｇ）の広範囲な区間は、スタックの端部
からかなりの量のマトリックス材料および／または繊維
をプランジャー／側壁界面に引っばる傾向がある。この
ようにして引き出さ′れた材料は、プレフォーム内部か
らのマトリックス流れまたは繊維移動によって容易に置
き代えられるということがなく、繊維またはマトリック
スの減少した材料が、しばしば、固化製品の前端および
後端で目立つことになる。
次に、本発明のさらなる重要な側面におて、前述のよう
な圧力固化によって作られた固化複合プレフォームの端
部品質を実質的に向上させるモールディング工程が提供
される。それによると、選択された端部輪郭を有する複
合品を得るためのプレプレグスタックが、前記選択され
た端部輪郭を越えて延在する少なくとも１つ（好ましく
は２つもしくはそれ以上）のプレプレグ層を有する。延
在する層（表面層でも内部層でもよい）は、固化中に製
品の端部を保護する過剰材料（流れチョーク材料と称せ
られる）を与える。
第６図は、端部輪郭および厚さプロフィールにおいて第
１図のブレードに類似した小さいエアフォイルブレード
を作るのに適したプレプレグスタックのスタック設計４
０を示す。それにはスタック中の層間の干渉が示されて
おり、その干渉構造は、プレプレグシートスタックの固
化中におけるプライドロップでの層間空隙をうめるのに
使用できる材料に対応するものである。
第２図のスタック設計とは対照的に、第６図に上部シー
ト１および底部シート９は、図中破線４５および４６で
示される端部輪郭を越えて延びる。これらの延長部は付
属性流れチョークセグメント４７および４８を形威し、
それらは後のスタック固化中に４５および４６の部分に
隣接する製品の端部領域から繊維および／またはマトリ
ックス材料の流出を防止する機能がある。
第７図は、第６図に示されるようなプレフォームスタッ
クから作られた小さい複合エアフォイルブレードの前端
の断面を示す光学顕微鏡写真である。このブレードの端
部領域Ｂにおける複合材料の均質性を保持する際の流れ
チョークセグメントＡの有効性がこの写真から明白であ
る。付属性流れチョーク材料の除去（それは、機械加工
または他の従来法によって容易に行い得る）により、優
れた端部品質および表面均質性を有する最終製品が作ら
れる。
第７図に示されるような製品を与えるための第６図のよ
うなプレフォームスタックの固化は、対向するモールド
プランジャーを用いて都合好く行い得る。そのプランジ
ャーは、製品の表面および選択された端部輪郭を形成す
る表面輪郭を有するモールド表面を越えて延在する端部
間隙領域が設けられている。この端部間隙または流れチ
ョーク領域は、流れチョーク材料のための制限されたク
リアランスを与え、その流れチョーク材料が固化中にス
タックからプレプレグ材料の流出を防止するよう機能さ
せることを可能にする。このように、複合品の端部に相
当するスタック内の区域は、ププレグの圧縮および固化
の間におけるプレプレグ材料のプランジャー／スリーブ
界面への余分なフラッシングによる望ましくない作用か
ら遮断される。
第８図は、前述のような端部間隙を組み込む対向するモ
ールドプランジャーからなるモードアセンブリの略断両
立面図である。第８図に示されるように、スリーブセグ
メント５３の間に配された対向する上部プランジャー５
１および底部プランジャー５２は、エアフォイルブレー
ドの対向する上部および底部表面を形成する適合された
輪郭を有するモールド表面５４を有する。モールド表面
５４によって形成されたキャビティの前端域および後端
域につづく前端間隙領域および後端間隙領域をそれぞれ
形成する対向した平らな表面延長部５５および５６が、
前記モールド表面５４から外方に延在している。
モールドプランジャー上の対向する肩部５７および５８
は、スリーブ５３内でのプランジャーの閉鎖を制限する
ストリップとして作用し、これによってモールドキャビ
ティおよび端部間隙の大きさを制御し、もって間隙によ
る流れチョークの有効性の度合を制御する。
前記のような端部間隙手段を備えたモールディング装置
を使用する大きな利点は、ゆるい許容度（特にモールデ
ィングアセンブリ内のスリーブ／プランジャー界面にお
ける）が、複合品の端部品質に悪影響を与えることなく
許容できることである。従って、モールドプランジャー
とモールディングアセンブリの側壁要素との間に設けら
れたクリアランスに関係なく、端部間隙および流れチョ
ーク材料は、製品固化中に起こるクラツシングの量を制
御する。このようにして、薄いブレードまたは他の形態
の、完全に均質で十分に固化されたセラミックマトリッ
クス複合製品を精密製造する方法が提供される。
本発明の実施例に関し、特定の材料、装置および工程に
基づいて説明してきたが、それらはり１なる例示に過ぎ
ず、本発明がそれらに限定されるものではないことに留
意されたい。本発明の精神および範囲内において、材料
１組成、工程、装置等についての種々の変形および変更
が本発明に含まれることは理解されよう。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明による薄いエアフォイル形状の複合品の
断面プロフィールを示す略正面端面図、第２図は本発明
によるエアフォイル形状のブレードを作るためのプレフ
ォームスタック断面の略正面図、 第３図は本発明による複合物製造に有用なレイアップ装
置の略図、 第４図は本発明による複合物製造に有用な固化モールド
装置の略断面正面図、 第５図は本発明による積み重ねられたプレフォームから
得られたエアフォイルブレードの断面の一部の繊維の形
状を示す顕微鏡写真（２５倍）、第６図は本発明による
エアフォイルブレード製造のための改良されたプレフォ
ームスタックの形状を示す略図、 第７図は本発明により得られる第２エアフオイル複合品
の端部セグメントの断面の繊維の形状を示す顕微鏡写真
（５０倍）、 第８図は本発明による複合物製造に有用な改良された固
化モールド装置の略断面正面図である。 １・・・底部プレプレグシート ２・・・セラミックマトリックス複合品１１・・・上部
プレプレグシート ２０・・・シートスタック

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １）変化する厚さを有する層化セラミックマトリックス
    複合品の製造方法であって、 粒状ガラスマトリックス材料を含浸した強化用無機繊維
    から成るマルチプルプレプレグシートを与え、 該シートを積み重ねて、シートの平面に垂直な各断面寸
    法を通して、多層プレプレグスタックの集合シート厚に
    寄与するプレプレグシートの数が層化セラミックマトリ
    ックス複合品の断面寸法のために選択された相対的厚さ
    に伴って変わる前記多層プレプレグスタックを与え、 少なくともプレプレグシートの平面に対して垂直な方向
    で前記プレプレグスタックに固化圧力を加えながら該プ
    レプレグスタックを加熱することによって該プレプレグ
    スタックを層化セラミックマトリックス複合品へと固化
    する、 各工程から成ることを特徴とする方法。 ２）前記プレプレグスタックが少なくとも、３つのプレ
    プレグシートから成り、前記プレプレグシートは、前記
    プレプレグスタックの外面層を形成する対向する少なく
    とも上部プレプレグシートと底部プレプレグシートを含
    み、前記外面層は、外面層の端部の少なくとも一部に沿
    って外面層間で端部接触を可能にするのに十分な程度に
    前記プレプレグスタックから外方に延び、それによって
    前記プレプレグスタックの内部プレプレグシートをおお
    う少なくとも一部が閉じられた囲いを形成していること
    を特徴とする請求項１記載の方法。 ３）作られるべき固化セラミックマトリックス複合品の
    表面輪郭および端部外形に対応する表面輪郭および端部
    外形を有する対向するフォーミング表面を含む対向する
    モールドを備えたフォーミングダイ手段によって固化圧
    力を前記プレプレグスタックに加えることを特徴とする
    請求項１記載の方法。 ４）前記フォーミングダイ手段が、前記端部外形の周縁
    の少なくとも一部に沿って前記フォーミング表面の各々
    の端部外形から外方に延びる端部間隙領域を有すること
    を特徴とする請求項３記載の方法。 ５）前記プレプレグスタックから少なくとも１つの層が
    前記端部間隙領域内に延びて、プレフォーム固化中に端
    部間隙内にフラッシュ材料を与えることを特徴とする請
    求項４記載の方法。 ６）前記プレプレグスタックから１つあるいはそれ以上
    の表面層が端部間隙内に延びていることを特徴とする請
    求項５記載の方法。 ７）少なくとも１つの湾曲した外表面とその外表面に垂
    直な軸に沿った変化する厚さを有する多層セラミックマ
    トリックス複合品であって、 前記変化する厚さは、前記軸によって横切られる複合材
    料の層の数の変化によって少なくとも一部分作られ、 前記湾曲した外表面は、その湾曲した外表面に平行な方
    向に配された長く、実質的に破断のない無機繊維で強化
    されたセラミックマトリックスから成る複合材料の層よ
    り形成されてなることを特徴とするセラミックマトリッ
    クス複合品。 ８）前記無機繊維が、炭素、炭化珪素およびシリコンオ
    キシカーバイド繊維から成る群より選択されることを特
    徴とする請求項７記載のセラミックマトリックス複合品
    。 ９）前記セラミックマトリックスがガラスまたはガラス
    セラミックから成ることを特徴とする請求項８記載のセ
    ラミックマトリックス複合品。
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