JP6431860B2

JP6431860B2 - 化学気相含浸（ｃｖｉ）を用いて製作される、ミクロ組織を制御したセラミックマトリックス複合材構造体

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Publication number: JP6431860B2
Application number: JP2016031547A
Authority: JP
Inventors: ジャレッド・ホッグ・ウィーバー; グレゴリー・スコット・コーマン; クリシュナ・ラル・ルスラ
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Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2015-02-27
Filing date: 2016-02-23
Publication date: 2018-11-28
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Description

本開示は一般に、積層構造体に関し、詳細には、化学気相含浸を用いて製作される積層構造体に関する。

プリフォームは、化学気相含浸（ＣＶＩ）を用いてセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）構造体を製作するために提供することができる。プリフォームは、例えば、一方向にすることができる繊維、又は織ることができる繊維を含むことができる。一形態では、繊維はセラミックベースとすることができ、またＳｉＣで形成することができる。高温の反応室内で、プリフォームを特定のガスに曝すことができる。高温で特定のガスに曝されると反応を起こすことができ、マトリックスと呼ばれる固体材料をプリフォームの繊維に堆積させることができる。

化学気相含浸（ＣＶＩ）を用いて作られるセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）は、潜在的には、２７００度Ｆまでの、及びそれより高い温度で使用することができる。ＣＶＩＣＭＣ構造体の主な限界の１つは、この構造体がかなりの気孔を含むことがあり（例えば、最大１５％及びそれより多い）、それは典型的にはＣＭＣ構造体の中央に最も多く、プリフォームの厚さが増すとともに増加する可能性があることである。気孔は厚さとともに増加する可能性があり、面内特性及び層間特性の両方、並びに複合材の全体的な耐酸化性に大きな影響を与えることがある。

米国特許第８５２９９９５号公報

本明細書に記載の方法によれば、第１及び第２のプリフォームプライを有する複数のプリフォームプライを集成してプリフォームを画成することができる。プリフォームは化学気相含浸（ＣＶＩ）処理を受けてセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）構造体を画成することができる。

積層構造体の製作を示すフロー図である。複数のプリフォームプライを有するプリフォームを示す斜視図と複数のＣＭＣプライ構造体を有するＣＭＣ構造体の斜視図である。図２に示したプリフォーム構造体の線Ａ−Ａに沿った断面図に、プリフォーム構造体の細孔サイズのプロファイルを加えた図である。図３に示したＣＭＣ構造体の線Ｂ−Ｂに沿った断面図に、ＣＭＣ構造体の密度のプロファイルを加えた図である。特定の形状を有するＣＭＣ構造体を製作する方法を示す側面断面図である。図６の線Ａ−Ａに沿った断面図に、この断面図の構造体の細孔サイズのプロファイルに対する密度プロファイルを加えた図である。

本明細書に記載の方法によれば、異なる平均細孔サイズの第１及び第２のプリフォームプライを有する複数のプリフォームプライを集成してプリフォームを画成することができる。プリフォームはＣＶＩを受けてＣＭＣ構造体を画成することができる。

本明細書に記載の方法によれば、第１及び第２のプリフォームプライを有する複数のプリフォームプライを集成してプリフォームを画成することができる。第１のプリフォームプライ又は第２のプリフォームプライのうちの１つ以上は一方向繊維を含むことができる。プリフォームはＣＶＩを受けてＣＭＣ構造体を画成することができる。

本明細書に記載の方法によれば、第１及び第２のプリフォームプライを有する複数のプリフォームプライを集成してプリフォームを画成することができる。プリフォームプライを製作するためのプロセスは造孔材を使用することを含むことができる。プリフォームはＣＶＩを受けてＣＭＣ構造体を画成することができる。

本明細書に記載の方法によれば、第１及び第２のプリフォームプライを有する複数のプリフォームプライを集成してプリフォームを画成することができる。プリフォームプライを製作するためのプロセスはフィラーを使用することを含むことができる。プリフォームはＣＶＩを受けてＣＭＣ構造体を画成することができる。

図１を参照して、一実施形態における、複数の層の構造体を有する積層構造体を製作する方法を説明する。ブロック１０において、異なる平均細孔サイズの第１及び第２のプリフォームプライを有する複数のプリフォームプライを集成してプリフォームを画成することができる。ブロック２０において、プリフォームは化学気相含浸（ＣＶＩ）処理を受けてセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）構造体を画成することができる。本明細書では、本開示の方法の特徴及び利点を例示するために様々な具体的な例を記載する。

一実施形態における図１の方法のさらなる特徴は、図２から５を参照して説明する。ブロック１０において、異なる第１及び第２の平均細孔サイズの第１及び第２のプリフォームプライを有する図２に示す複数のプリフォームプライ１０２、２０２、３０２を集成してプリフォーム４０２を画成することができる。プリフォーム４０２の厚さはＭとすることができ、プリフォームプライ１０２、２０２、３０２の厚さはそれぞれほぼＪ₁、Ｊ₂、Ｊ₃とすることができる。ブロック２０において、プリフォーム４０２はＣＶＩを受けることができる。ＣＶＩを受けると、緻密化ＣＭＣプライ構造体１０３、緻密化ＣＭＣプライ構造体２０３、及び緻密化ＣＭＣプライ構造体３０３を有する、図３に示すような緻密化ＣＭＣ構造体４０３を画成することができる。緻密化ＣＭＣ構造体４０３の厚さはほぼＭとすることができ、一方、個々の構造体１０３、２０３、及び３０３の厚さはそれぞれほぼＪ₁、Ｊ₂、Ｊ₃とすることができる。

図４を参照すると、図４の上部は、図２の線Ａ−Ａに沿った断面図である。図４の下部は、プリフォーム４０２の厚さにわたる平均細孔サイズのプロファイルを示している。図２の実施形態では、プリフォーム４０２は、中央のプライ１０２及び外側のプライ２０２、３０２を含む。図４に示すように、プリフォームプライ２０２及び３０２の平均細孔サイズはＰ₀とすることができ、プリフォームプライ１０２の平均細孔サイズはＰ_Aとすることができ、Ｐ_A＜Ｐ₀である。一実施形態では、プリフォームプライ２０２及び３０２は、それらの各厚さ全体にわたって第１の均一な密度とすることができ、プリフォームプライ１０２は、第１の均一な密度より大きな均一な密度とすることができる。

図５を参照すると、図５の上部は、図３の線Ｂ−Ｂに沿った断面図であり、図２に示すようなプリフォーム４０２がＣＶＩを受けて画成された、緻密化構造体４０３を示している。図５の下部は、ＣＭＣ構造体４０３の厚さにわたる密度のプロファイルである。図５を参照すると、ＣＭＣ構造体４０３は、中央のＣＭＣプライ構造体１０３の厚さにわたってＵ字形の密度のプロファイルとすることができ、外側のプライＣＭＣ構造体２０３及び３０３にわたって傾斜状の密度のプロファイルとすることができる。ＣＭＣプライ構造体３０３は、表面３０５から表面３０４へ全体的に密度を増大させることができ、ＣＭＣプライ構造体２０３は、表面２０４から表面２０５へ全体的に密度を増大させることができる。ＣＶＩを受けているとき、ＣＭＣ構造体４０３の外側表面３０４及び２０５に近い部分は、ＣＭＣ構造体４０３の外側表面から離れた部分より速く緻密化することができる。ＣＶＩの実施中、外側表面３０４及び２０５に近い細孔は閉じやすく、従って、表面３０４及び２０５から離れたＣＭＣ構造体４０３の部分で起こる緻密化はある程度限定的である。

ブロック１０を参照して説明した一態様では、例えばプリフォームプライ１０２などの第１のプリフォームプライの平均細孔サイズは、例えばプリフォームプライ２０２などの第２のプリフォームプライの平均細孔サイズとは異なるサイズにすることができる。

図１の方法の利点を、代替の実施形態におけるプリフォーム４０２の平均細孔サイズのプロファイルを示す破線５０２（図４）を参照して、また、代替の実施形態におけるＣＭＣ構造体４０３の密度のプロフィイルを示す破線５０３（図５）を参照して記載する。プリフォーム４０２の代替の実施形態では、プリフォームプライ１０２、２０２、３０２のそれぞれの平均細孔サイズのプロフィルは共通であり、プリフォームプライ１０２、２０２、３０２のそれぞれの平均細孔サイズのプロファイルは平均細孔サイズＰ₀を有することができる。破線５０２はプリフォーム４０２の平均細孔サイズのプロファイルを示しており、プリフォームプライ１０２、プリフォームプライ２０２、及びプリフォームプライ３０２のそれぞれは、平均細孔サイズＰ₀によって特徴付けられた共通の平均細孔サイズのプロファイルを有する。

図５を参照すると、破線５０３は、プリフォーム４０２が破線５０２（図４）に従う平均細孔サイズのプロファイルを有する場合のＣＭＣ構造体４０３の密度のプロファイルを示している。破線５０３の密度のプロファイルを図５に示した密度のプロファイルに比較すると、図１を参照して記載した方法は、ＣＭＣ構造体４０３の密度の均一性を向上させることができることが分かる。異なる平均細孔サイズのプロファイルの第１及び第２のプライを有するプリフォーム４０２がＣＶＩを受けると、より均一な密度のＣＭＣ構造体４０３になることができる。図４及び図５の特定の例では、外側表面のプリフォームプライ２０２及び３０２のそれぞれの平均細孔サイズは、中央のプリフォームプライ１０２より大きくすることができる。一実施形態では、外側表面のプリフォームプライの平均細孔サイズをより大きくすると、複数のプリフォームプライを有するプリフォームの中央部分の緻密化が改善される。特定の一実施形態では、プリフォームプライ１０２、プリフォームプライ２０２、及びプリフォームプライ３０２は共通の構造とすることができる。このような実施形態では、プリフォームプライの密度は、共通の平均細孔サイズのプロファイルと同様に共通とすることができる。プリフォームプライ１０２、２０２、３０２が共通の構造であるプリフォーム４０２に対する密度のプロファイルの例は、図５に示すような連続した密度Ｄ₀を示す水平線によって与えられる。

一実施形態では、密度の均一性がより高いＣＭＣ構造体は、密度の均一性が低いＣＭＣ構造体よりも、ＣＭＣ構造体の厚さにわたって最大密度と最小密度との差が小さいことによって特徴付けることができる。一実施形態では、密度の均一性がより高いＣＭＣ構造体は、密度の均一性が低いＣＭＣ構造体よりも、ＣＭＣ構造体の厚さにわたって密度の標準偏差が小さいことによって特徴付けることができる。図５に示す密度のプロファイルは、破線５０３で示された密度のプロファイルよりも、最大密度と最小密度との差が小さく、密度の標準偏差が小さいことによって特徴付けることができる。

図１及び図６を参照すると、例えば、図６に示すような形状１１００などの特定の形状のＣＭＣ構造体を製作するために、図１を参照して記載した方法を使うことができる。一実施形態では、この構造体は、特定の形状のタービンの構成部品とすることができる。本明細書での構成部品とは、構成部品の一部分を指す場合がある。一例における図６を参照すると、ブロック１０において、位置１１０１、１１０２、１１０３、１１０４、１１０５、１１０６、及び１１０７にある複数のプリフォームプライ１１１０を集成してプリフォームを画成することができ、形状１１００に実質的に相当する形状に成形することができる。ブロック２０において、複数のプリフォームプライ１１１０はＣＶＩを受けて、複数のプリフォームプライ１１１０を緻密化して硬化することができる。形状１１００の境界の外側の材料は機械加工プロセスを用いて取り除くことができる。図６で示した形状１１００は、燃焼ライナ、ベーン、ブレード、ノズル、バケット、燃焼器尾筒、タービン中央フレーム、又はシュラウドなどのタービン構成部品を画成する形状とすることができる。図６の例の形状１１００は、中空でない中実の形状１１００として示されているが、別の例では、形状１１００は中空の形状とすることができる。形状１１００が中空でない中実の形状で、外側表面がＣＶＩ処理室反応器内の雰囲気に曝されている場合には、ＣＶＩを実施するために、プリフォームの外側表面を通してプリフォームに蒸気を含浸することができる。形状１１００が中空の形状で、外側表面はＣＶＩ処理室反応器内の雰囲気に曝されているが、内側表面がＣＶＩ処理室反応器内の雰囲気に曝されていない場合には、ＣＶＩを実施するために、プリフォームの外側表面を通してプリフォームに蒸気を含浸することができる。形状１１００が中空の形状で、外側表面及び内側表面がＣＶＩ処理室反応器内の雰囲気に曝されている場合には、ＣＶＩを実施するために、プリフォームの外側表面及び内側表面を通してプリフォームに蒸気を含浸することができる。

図７を参照すると、図７の上部は、図６の線Ａ−Ａに沿った断面図である。図７の下部は、位置１１０１、１１０２、１１０３、１１０４、１１０５、１１０６、及び１１０７での、プリフォームプライ段階における構造物の平均細孔サイズのプロファイルである。図７の中央部は、位置１１０１、１１０２、１１０３、１１０４、１１０５、１１０６、及び１１０７での構造体の密度のプロファイルである。図７を参照すると、プロット１２０２は、位置１１０１、１１０２、１１０３、１１０４、１１０５、１１０６、及び１１０７での構造体がプリフォームプライ段階にあるときの、位置１１０１、１１０２、１１０３、１１０４、１１０５、１１０６、及び１１０７での平均細孔サイズの組である。プロット１２０２を参照すると、１つ以上の中央のプリフォームプライの平均細孔サイズが外側表面のプリフォームプライより小さくなるように、プリフォームプライを与えることができる。プロット１２０４は、位置１１０１、１１０２、１１０３、１１０４、１１０５、１１０６、及び１１０７での構造体が緻密化ＣＭＣ段階にあるときの、位置１１０１、１１０２、１１０３、１１０４、１１０５、１１０６、及び１１０７での構造体の密度の組である。

さらに図７を参照すると、プロット１２０６は、位置１１０１、１１０２、１１０３、１１０４、１１０５、１１０６、及び１１０７での構造体がプリフォームプライ段階にあり、位置１１０１、１１０２、１１０３、１１０４、１１０５、１１０６、及び１１０７のそれぞれでのプリフォームプライの平均細孔サイズが実質的に共通である、代替の実施形態における、位置１１０１、１１０２、１１０３、１１０４、１１０５、１１０６、及び１１０７での平均細孔サイズの組である。プロット１２０８は、プロット１２０６で示された平均細孔サイズのプロファイルを有する位置１１０１、１１０２、１１０３、１１０４、１１０５、１１０６、及び１１０７での構造体がＣＶＩを受けた後、緻密化ＣＭＣ段階にあるときの、位置１１０１、１１０２、１１０３、１１０４、１１０５、１１０６、及び１１０７での構造体の密度の組を示している。

プロット１２０４をプロット１２０８に比較すると、１つ以上の中央のプリフォームプライの平均細孔サイズを１つ以上の外側表面のプリフォームプライよりも小さくすると、各プリフォームプライが共通の平均細孔サイズのプロファイルを有する場合に製作されたＣＭＣ構造体の密度よりも均一な密度を有する緻密化ＣＭＣ構造体となることが分かる。

例えば、図４を参照すると、複数のプリフォームプライが第１のプリフォームプライ１０２、第２のプリフォームプライ２０２、及び第３のプリフォームプライ３０２を含み、第２のプリフォームプライ２０２がプリフォームプライ１０２の第１の側に配置され、第３プリフォームプライ３０２がプリフォームプライ１０２の第２の側に配置され、第２のプリフォームプライ２０２及び第３のプリフォームプライ３０２それぞれの平均細孔サイズが第１のプリフォームプライ１０２の平均細孔サイズより大きい、複数のプリフォームプライを有するプリフォームが示されている。

例えば、図６を参照すると、複数のプリフォームプライが、例えば位置１１０４で第１のプリフォームプライを、例えば位置１１０１で第２のプリフォームプライを、例えば位置１１０７で第３のプリフォームプライを含み、第２のプリフォームプライが第１のプリフォームプライの第１の側に配置され、第３のプリフォームプライが第１のプリフォームプライの第２の側に配置され、第２のプリフォームプライ及び第３のプリフォームプライそれぞれの平均細孔サイズが、例えば位置１１０４の第１のプリフォームプライの平均細孔サイズより大きい、複数のプリフォームプライを有するプリフォームが示されている。

図７は、形状１１１０のプリフォームが中実の構造体であり、位置１１０１と位置１１０７のプリフォームプライのそれぞれの右側及び左側によって画成された中実の構造体の外側表面が、ＣＶＩ処理室反応器内の雰囲気に曝されている、代表的な平均細孔サイズのプロファイルの一実施形態を示している。図７の実施形態では、中央位置のプライの平均細孔サイズは比較的小さくすることができ、中央から第１及び第２の曝された外側表面（位置１１０７の左側、及び位置１１０１の右側）の方に外側に向かうにつれて、プライの平均細孔サイズを漸進的に大きくすることができる。このような実施形態では、大きな体積に蒸気を含浸するのは長時間かかり、曝された外側表面（位置１１０７の左側、及び位置１１０１の右側）からの距離が長くなるので、ＣＭＣ構造体の密度の均一性を向上させることを助長することができる。このような実施形態の一例では、様々な位置１１０１から１１０７それぞれでのプライの細孔は、各プライの平均細孔サイズが残りのプライに対して異なる状態では、実質的に均一なサイズになることができる。

図７に示す形状１１１０が、中空の構造体のプリフォームの側壁であり、位置１１０１の右側のプリフォームプライが、ＣＶＩ反応室内の雰囲気に曝される中空の構造体のプリフォームの外側表面を画成し、位置１１０７の左側のプリフォームプライが、ＣＶＩ反応室内の雰囲気に曝されない中空の構造体のプリフォームの全体の内側表面を画成する場合には、位置１１０７のプリフォームプライの平均細孔サイズが比較的小さくて、位置１１０７から１１０１まで左から右へ進むにつれて様々なプライの平均細孔サイズが増大していくことで特徴付けられた平均細孔サイズのプロファイルをプリフォームが有することができるのは都合がよい。一実施形態における本明細書に記載の中空のプリフォームは、閉じられた中空のプリフォームとすることができる。中央のプリフォームプライの位置１１０４から、外側表面を画成する位置１１０１のプリフォームプライまで、プリフォームプライの平均細孔サイズを増大させていくことができる。中央のプリフォームプライの位置１１０４から、中空の構造体のプリフォームの内側表面を画成する位置１１０７のプリフォームプライまで、プリフォームプライの平均細孔サイズを縮小させていくことができる。このような実施形態では、大きな体積に蒸気を含浸するのは長時間かかり、曝された外側表面（位置１１０１の右側）からの距離が長くなるので、ＣＭＣ構造体の密度の均一性を向上させることを助長することができる。このような実施形態の一例では、様々な位置１１０１から１１０７それぞれでのプライの細孔は、各プライの平均細孔サイズが残りのプライに対して異なる状態では、実質的に均一なサイズになることができる。
図６及び図７の例示的な実施形態では、プライを有する位置の数は特定の数であるが、実際のタービン構成部品のプライを有する位置の数はその特定の数より少なく、又は多く、例えば任意の整数とすることができる。一実施形態では、プリフォームプライの数は、例えば、１より多く、３より多く、５より多く、１０より多く、２０より多く、５０より多く、１００より多くすることができる。本明細書に記載のように、複数のプリフォームプライによって画成されるプリフォームが中実の構造体の場合、中央のプリフォームプライと、中央のプリフォームプライからプリフォームの第１の外側表面を画成するプリフォームプライまで平均細孔サイズが増大していくプリフォームプライの第１の組と、中央のプリフォームプライからプリフォームの第２の外側表面を画成するプリフォームプライまで平均細孔サイズが増大していくプリフォームプライの第２の組とをプリフォームは含むことができる。一実施形態では、プリフォームの各プリフォームプライの細孔サイズは実質的に均一にすることができる。本明細書に記載のように、複数のプリフォームプライによって画成されたプリフォームが中実の構造体の場合、複数のプリフォームプライのうちの、例えば図７の位置１１０４の中央のプリフォームプライの平均細孔サイズを複数のプリフォームプライのうちで最も小さくして、中央のプリフォームプライの位置からプリフォームの外側表面を画成するプリフォームプライの位置までの連続するプリフォームプライの平均細孔サイズを増大させていくことができる。一実施形態では、プリフォームの各プリフォームプライの細孔サイズは実質的に均一にすることができる。本明細書に記載のように、プリフォームが全体的に中空の構造体であり、プリフォームの複数のプリフォームプライが中空の構造体のプリフォームの側壁を画成する場合、例えば図７の位置１１０４の中央のプリフォームプライと、中央のプリフォームプライから中空の構造体のプリフォームの外側表面を画成しているプリフォームプライまで平均細孔サイズが増大していくプリフォームプライの第１の組と、中央のプリフォームプライから中空の構造体のプリフォームの内側表面を画成しているプリフォームプライまで平均細孔サイズが縮小していくプリフォームプライの第２の組とをプリフォームは含むことができる。一実施形態では、プリフォームの各プリフォームプライの細孔サイズは実質的に均一にすることができる。本明細書に記載のように、プリフォームが中空の構造体プリフォームであり、プリフォームの複数のプリフォームプライが中空の構造体のプリフォームの側壁を画成する場合、中空の構造体のプリフォームの内側表面を画成することができる、複数のプリフォームプライのうちの、例えば図７に示す位置１１０７のプライなどの特定のプリフォームプライの平均細孔サイズを、複数のプリフォームプライのうちで最も小さくすることができ、特定のプリフォームプライの位置から中空の構造体のプリフォームの外側表面を画成するプリフォームプライの位置まで連続した位置にある、複数のプリフォームプライのうちのプリフォームプライの平均細孔サイズを増大させていくことができる。一実施形態では、プリフォームの各プリフォームプライの細孔サイズは実質的に均一にすることができる。

図１の方法で使用するためのプリフォームプライに関しては、一実施形態のプリフォームプライ（例えば、プライ１０２、２０２、３０２、位置１１０１〜１１０７のプライ）は、一方向繊維（トウ）を含むことができる。プリフォームプライに関しては、一実施形態のプリフォームプライは、織られた繊維を含むことができる。繊維はセラミック繊維によって提供することができる。本明細書に記載のプリフォームプライのセラミック繊維は、一実施形態では、多結晶構造を有することができる。一実施形態では、本明細書に記載のプリフォームプライのセラミック繊維は不定比化学成分を含むことができる。一実施形態では、本明細書に記載のプリフォームプライのセラミック繊維は定比化学成分を含むことができる。一実施形態では、本明細書に記載のプリフォームプライのセラミック繊維は不均質化学成分を含むことができる。一実施形態では、本明細書に記載のプリフォームプライのセラミック繊維は単結晶繊維によって提供することができる。一実施形態では、本明細書に記載のプリフォームプライのセラミック繊維はアモルファス繊維によって提供することができる。一実施形態では、本明細書に記載のプリフォームプライのセラミック繊維は炭化けい素（ＳｉＣ）繊維によって提供することができる。一実施形態では、本明細書に記載のプリフォームプライのセラミック繊維は多結晶ＳｉＣ繊維によって提供することができる。本明細書に記載のプリフォームプライは、ＣＶＩを受ける前にプリフォームを所望の形状に成形することを可能にするバインダ材料を含むことができる。本明細書に記載のプリフォームプライのセラミック繊維は、１０００度Ｃを超える温度で安定するように提供することができる。

一実施形態では、本明細書に記載のプリフォームプライのセラミック繊維は、繊維のコーティングをなくすることができる。一実施形態では、本明細書に記載のプリフォームプライのセラミック繊維はコーティングを含むことができる。このような繊維のコーティングは、繊維に本来備わっていることがある、或いは、例えばＣＶＩ又は別のプロセスによって堆積させるなど、前もって堆積させることができる。繊維のコーティングは、プリフォームを作製する前に繊維に堆積させることができる、又はプリフォームの作製の一部として堆積させることができる。

例えば、互いに関連付けて説明した図２又は図６に示すようなプリフォームプライは、レイアップすることにより集成することができ、一実施形態において、集成した各プリフォームプライに含まれるバインダを使用して、又はそれによる力で互いに対して定位置に保持することができる。

本明細書に記載のプリフォームプライは、未処理段階では、気孔率が変わることがある。一実施形態では、本明細書に記載のプリフォームプライはそれぞれ、ＣＶＩを受ける前の未処理段階では、約２０％から約９０％の間の実質的に均一な気孔率（例えば、１−Ｄ₀）を、従って、約８０％から約１０％の間の密度を有することができる。より具体的な実施形態では、プリフォーム２０２、３０２、５０２、６０２、７０２は、約４０％から約７０％の間の気孔率、従って、約６０％から約３０％の間の密度を有することができる。本明細書に記載のプリフォームプライは、ここでは共通の繊維材料特性及び気孔率特性を含む共通の材料及び構造特性を含むように提供することができる。

ブロック２０でＣＶＩ処理を実施するために、例えばプリフォーム４０２、又は位置１１１０の組のプリフォームなどのプリフォームは、ＣＶＩ処理室反応器内に導入されて、プリフォームに適切なガスを含浸させることができる。このプリフォームは、プリフォームがＣＶＩを受けたことによって形成されたセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）を強化することができる。適切なガスは、例えば、水素、メチルトリクロロシラン、三塩化ほう素、アンモニア、トリクロロシラン、及び炭化水素ガスのうちのいずれか１つ、又は２つ以上の混合物を含むことができる。適切なガスは、例えば、任意のシラン含有蒸気、並びに、任意のシロキサン、シラザン、又は他のけい素含有蒸気を含むことができる。ＣＶＩ処理室反応器内のガスは主な流れ方向がない状態にすることができる。室反応器内のガスに主な流れ方向がないことによって処理コストが削減される。室内の温度を上昇させることができ、反応ガスが高温で化学反応を受けることができる。反応中、例えばプリフォーム４０２、又は位置１１１０の組のプリフォームなどのプリフォームの繊維の表面にマトリックスのコーティングが形成されて、例えば、緻密化ＣＭＣ構造体４０３、又は位置１１１０の組の緻密化構造体などの緻密化ＣＭＣ構造体を画成することができる。本明細書に記載のプリフォームの繊維がＳｉＣ繊維の場合、例えば、ＳｉＣ、ＢＮ、Ｂ₄Ｃ、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＭｏＳｉ₂、ＳｉＯ₂、ＳｉＯＣ、ＳｉＮＣ、及び／又はＳｉＯＮＣよりなるマトリックスがプリフォームの繊維に形成されて、例えば、本明細書に記載のＣＭＣ構造体４０３、又は位置１１１０の組のＣＭＣ構造体などの緻密化ＣＭＣ構造体を画成することができる。一実施形態におけるＣＶＩ処理の実施中、マトリックスの形成前に、本明細書に記載のプリフォームプライの繊維にコーティングを形成することができる。

次に、本明細書に記載のプリフォームプライの製作、及びこのようなプリフォームプライの平均細孔サイズの制御について述べる。

本明細書に記載のプリフォームプライの製作のために、バインダ、キャリア、フィラー、及び造孔材を組み合わせてスラリーを作ることができる。スラリーは、ロールミルにかけて紛体が凝集しないで分散するようにすることができる。繊維トウ（一実施形態では約５００本までの個々の繊維よりなる単一の束）は、窒化ホウ素（ＢＮ）でトウの繊維をコーティングすることによって作ることができる。スラリーの浴槽にコーティングされたトウを通過させることによって、コーティングされたトウ内にスラリーを含浸することができる。次いで、トウをドラムに巻きつけてテープを形成することができる。テープをドラムから取り外し、テープから一方向プリフォームプライを切断することができる。織られた二方向繊維、又は他の形態の多方向繊維を有するプリフォームプライの製作は、織られた二方向繊維、又は他の形態の多方向繊維にスラリーを押し込むことを含むことができる。

プリフォームプライを、例えば、形状１１００（図６）などの所望のパターンにレイアップすることができ、レイアップしたものを真空バッグ内で、又は他のプロセス（例えば、オートクレーブ）で固化することができる。次いで、固化されたレイアップが不活性雰囲気中で熱分解され、ここで、バインダは高分子からセラミックに変換され、造孔材が気化される。熱分解は、例えば、空気中、真空中、不活性雰囲気下、又は反応雰囲気下での焼成を含むことができる。このようにして、ＣＶＩ緻密化に適するようにプリフォームを製作することができる。

本明細書に記載のバインダに関しては、バインダは、熱分解又は焼成後に残るチャー／残留物となる有機材料又は無機材料を含むことができる。本明細書に記載のバインダは、プリフォームとして繊維を結合する働きをすることができる。バインダの例としては、ＴＥＯＳ、ポリカルボシラン、ポリシラザン、ポリシロキサン、フェノール、及びフラン化合物が含まれる。

本明細書に記載のキャリアに関しては、キャリアは、バインダ及び他の成分を分解又は担持する有機又は無機の液体を含むことができる。キャリアの例としては、水、イソプロパノール、トルエン、及びアセトンが含まれる。

本明細書に記載のフィラーに関しては、フィラーは、バインダの収縮、及びその結果の熱分解中の細孔の形成を制御するのを助ける酸化物粒子又は非酸化物粒子、或いはウィスカを含むことができる。フィラーの例としては、ＳｉＣ、Ｂ₄Ｃ、ＳｉＯ₂、ＨｆＣ、ＨｆＢ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄、及びＡｌ₂Ｏ₃が含まれる。

本明細書に記載の造孔材に関しては、造孔材は、固化プロセスでは残ったままであるが、熱分解プロセスでは散逸して細孔を生じさせることができる粒子又は他の種を含むことができる。造孔材の例としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、ナイロン、ＰＴＦＥ、ポリスチレン、ポリビニルアセテート、ポリビニルアルコール、及びセルロース系紛体が含まれる。一実施形態では、造孔材に含まれる粒子の平均サイズは、約０．５μｍから約２０μｍの範囲のサイズを含むことができる。一実施形態では、造孔材に含まれる粒子の平均サイズは、約１．０μｍから約１０μｍの範囲のサイズを含むことができる。

バインダが熱分解されると、質量が減り、密度が増し、その両方によって生じる収縮を受けることができる。システム内で局所的に拘束されるため、この収縮によって細孔が開いて亀裂が生じる。全体的な収縮の制御、従って平均細孔サイズの制御は、熱分解中に使用されるフィラーの量を追加、又は削減することによって行うことができる。フィラーを多くするとバインダが少なくなり、従ってシステム内の収縮は少なくなる。一実施形態における図１に記載の方法は、複数のプリフォームプライのうちの１つ以上のプリフォームプライの平均細孔サイズを制御することを含むことができ、１つ以上のプリフォームプライの平均細孔サイズを制御することは、１つ以上のプリフォームプライを製作するための熱分解プロセス中に使用されるフィラーの量を追加、又は削減することを含む。

一実施形態では、平均細孔サイズを制御することは、本明細書に記載の造孔材の特性を制御することを含むことができる。造孔材は、固化プロセスで残ったままとなるマトリックス内の種を決める。熱分解（又は、別途の熱処理）中に、造孔材を除去することができる。例えば、燃焼プロセスによって、又は、低炭素収率高分子を使用する場合には、炭化（分解）プロセスによって除去することができる。造孔材は、ＣＶＩ緻密化の支障となる残留物が比較的ない細孔を後に残すことができる。固体の高分子粒子は、造孔材として使用することができる（例えば、ナイロン）。造孔材は、キャリア内で分解できず、また固化プロセス中では、それほど溶融又は変形することができないので、熱分解プロセスにその形状及びサイズを持ってくることができる。プリフォームプライ中、及び複数のプリフォームプライを有して製作されたプリフォーム中での最終的な平均細孔サイズ及び分布を変えるために、各プリフォームプライ中の造孔材のサイズと量を変えることができる。図１に記載の方法は、一実施形態において、複数のプリフォームプライのうちの１つ以上のプリフォームプライの平均細孔サイズを制御することを含むことができ、１つ以上のプリフォームプライの平均細孔サイズを制御することは、第１のプリフォームプライの製作に使用される造孔材の特性を制御することを含む。

一実施形態における本明細書に記載の方法は、化学気相含浸（ＣＶＩ）による含浸の実施を含むことができる。ＣＶＩを実施すると記述されている本明細書の方法のいずれも、代替の含浸プロセスをＣＶＩの代わりに用いることができる。一実施形態では、このような代替の含浸プロセスは、反応性溶融含浸（ＲＭＩ：ｒｅａｃｔｉｖｅｍｅｌｔｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ）などの溶融含浸を含むことができる。一実施形態では、このような代替の含浸プロセスは、直接溶融酸化（ＤＩＭＯＸ：ｄｉｒｅｃｔｍｅｌｔｏｘｉｄａｔｉｏｎ）を含むことができる。一実施形態では、このような代替の含浸プロセスは、スラリー含浸を含むことができる。一実施形態では、このような代替の含浸プロセスは、ゾルゲル含浸を含むことができる。一実施形態では、このような代替の含浸プロセスは、ポリマー含浸を含むことができる。一実施形態では、このような代替の含浸プロセスは、液状シリコン含浸を含むことができる。一実施形態では、このような代替の含浸プロセスは、組み合わされた含浸プロセスを含むことができる。

本明細書及び特許請求の範囲を通じて用いる近似表現は、関連する基本的機能に変化を生じさせることなく変化することが許容されるいかなる量的表示を修飾するために適用することができる。従って、「約」などの用語で修飾された値は、その特定された正確な値に限定されない。本明細書に記載の用語「画成する」は、要素が部分的に画成される関係とともに、要素が完全に画成される関係も包含する。いくつかの場合には、近似表現はその値を測定するための機器の精度に対応することがある。ここで、並びに、本明細書及び特許請求の範囲を通して、範囲の限定は、組合せ、且つ／又は入れ替えが可能で、このような範囲は、文脈又は用語がそれ以外を示さない限り、そこに含まれるすべての部分範囲として特定され、且つ部分範囲を含むことができる。本開示は、いくつかの特定の実施形態に関して説明してきたが、本開示の真の精神及び範囲は、本明細書が支えることができる請求項に対してのみ決定されるべきことは理解されるであろう。さらに、本明細書において、多くの場合では、システム及び装置、並びに方法は、特定の数の要素を有するものとして説明されているが、上述した特定の数の要素よりも少なくして、又は多くして、このようなシステム、装置、及び方法を実施することができることは理解されるであろう。また、いくつかの特定の実施形態を説明してきたが、特定の実施形態それぞれに関して説明した特徴及び態様が、残りの具体的に説明した実施形態それぞれとともに使用することができることは理解されるであろう。

本開示の特定の特徴のみを図示し、説明してきたが、当業者は、多くの修正及び変更を想到するであろう。従って、添付の特許請求の範囲は、本開示の真の精神内にある、このような修正及び変更のすべてを包含するように意図されていることを理解されたい。

Claims

複数のプリフォームプライのうちの第１のプリフォームプライと第２のプリフォームプライの平均細孔サイズが異なる、複数のプリフォームプライを集成してプリフォームを画成し、
プリフォームをタービン構成部品の形状に成形し、
プリフォームを化学気相含浸（ＣＶＩ）に付して緻密化セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）構造体を画成すること
を含む方法であって、複数のプリフォームプライのうちの１つ以上の中央のプリフォームプライが、複数のプリフォームプライのうちの１つ以上の外側表面のプリフォームプライよりも小さい平均細孔サイズを有するようにすることを特徴とする、方法。
第１のプリフォームプライが第１の平均細孔サイズを有し、第２のプリフォームプライが第２の平均細孔サイズを有し、第２の平均細孔サイズが第１の平均細孔サイズより大きい、請求項１記載の方法。
第１のプリフォームプライが第１の細孔サイズを有する中央のプリフォームプライであり、第２のプリフォームプライがプリフォームの外側表面を画成する外側表面のプリフォームプライであり、第２のプリフォームプライが第１の平均細孔サイズより大きい第２の平均細孔サイズを有する、請求項１又は請求項２記載の方法。
複数のプリフォームプライが第３のプリフォームプライを含み、第２のプリフォームプライが第１のプリフォームプライの第１の側に配置され、第３のプリフォームプライが第１のプリフォームプライの第２の側に配置され、第２のプリフォームプライ及び第３のプリフォームプライがそれぞれ第１のプリフォームプライの平均細孔サイズより大きな平均細孔サイズを有する、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の方法。
複数のプリフォームプライによって画成されたプリフォームが中実の構造体であり、複数のプリフォームプライが、中央のプリフォームプライと、中央のプリフォームプライからプリフォームの第１の外側表面を画成するプリフォームプライまで平均細孔サイズが増大していくプリフォームプライの第１の組と、中央のプリフォームプライからプリフォームの第２の外側表面を画成するプリフォームプライまで平均細孔サイズが増大していくプリフォームプライの第２の組とを含む、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の方法。
プリフォームが中空の構造体のプリフォームであり、プリフォームの複数のプリフォームプライが中空の構造体のプリフォームの側壁を画成し、複数のプリフォームプライが、中央のプリフォームプライと、中央のプリフォームプライから中空の構造体のプリフォームの外側表面を画成するプリフォームプライまで平均細孔サイズが増大していくプリフォームプライの第１の組と、中央のプリフォームプライから中空の構造体のプリフォームの内側表面を画成するプリフォームプライまで平均細孔サイズが縮小していくプリフォームプライの第２の組とを含む、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の方法。
プリフォームが中空の構造体のプリフォームであり、プリフォームの複数のプリフォームプライが中空の構造体のプリフォームの側壁を画成し、中空の構造体のプリフォームの内側表面を画成する複数のプリフォームプライのうちの特定のプリフォームプライの平均細孔サイズが複数のプリフォームプライのうちで最も小さく、特定のプリフォームプライの位置から中空の構造体のプリフォームの外側表面を画成するプリフォームプライの位置まで連続した位置にある複数のプリフォームプライのうちのプリフォームプライの平均細孔サイズが増大していく、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の方法。
当該方法が、複数のプリフォームプライのうちの１つ以上のプリフォームプライを製作するためのプロセスを実施することを含む、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載の方法。
当該方法が、複数のプリフォームプライのうちの１つ以上のプリフォームプライの平均細孔サイズを制御することを含み、１つ以上のプリフォームプライの平均細孔サイズを制御することが、複数のプリフォームプライのうちの１つ以上のプリフォームプライを製作するための熱分解プロセス中に使用されるフィラーの量を追加又は削減することを含む、請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載の方法。
当該方法が、複数のプリフォームプライのうちの１つ以上のプリフォームプライの平均細孔サイズを制御することを含み、１つ以上のプリフォームプライの平均細孔サイズを制御することが、複数のプリフォームプライのうちの１つ以上のプリフォームプライの製作中に使用される造孔材の特性を制御することを含む、請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載の方法。
化学気相含浸（ＣＶＩ）に付すことによりセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣ）構造体を画成するためのタービン構成部品の形状のプリフォームであって、当該プリフォームが、プリフォームを画成するように集成された複数のプリフォームプライを含んでおり、
複数のプリフォームプライのうちの第１のプリフォームプライと第２のプリフォームプライの平均細孔サイズが異なっており、
複数のプリフォームプライのうちの１つ以上の中央のプリフォームプライが、複数のプリフォームプライのうちの１つ以上の外側表面のプリフォームプライよりも小さい平均細孔サイズを有することを特徴とする、プリフォーム。
第２のプリフォームプライの平均細孔サイズが第１のプリフォームプライより大きい、請求項１１記載のプリフォーム。
第１のプリフォームプライが第１の平均細孔サイズを有する中央のプライであり、第２のプリフォームプライが第２の平均細孔サイズを有し、第２の平均細孔サイズが第１の平均細孔サイズより大きい、請求項１１又は請求項１２記載のプリフォーム。
複数のプリフォームプライが第３のプリフォームプライを含み、第２のプリフォームプライが第１のプリフォームプライの第１の側に配置され、第３のプリフォームプライが第１のプリフォームプライの第２の側に配置され、第２のプリフォームプライ及び第３のプリフォームプライがそれぞれ第１のプリフォームプライの平均細孔サイズより大きな平均細孔サイズを有する、請求項１１乃至請求項１３のいずれか１項記載のプリフォーム。