JP2003148105A - バンド部付きセラミックス基複合部材とその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 バンド部と翼部を一体成形でき、かつ翼部が
フープ応力に強く、翼部とバンド部とのシール性を高め
ることができるバンド部付きセラミックス基複合部材と
その製造方法を提供する。 【解決手段】 翼形筒状の翼部１と、翼部の端部に連続
して形成された平板状又は円弧状のバンド部２とからな
る。翼部は、セラミックス繊維のブレード織りで成形さ
れ、かつ翼部端の張出部１ａが折曲げられて、バンド部
内に挟持されている。また、バンド部は、セラミックス
繊維の平織り板２ａからなる複数の積層体である。更
に、翼部の折曲げられた張出部１ａと平織り板２ａは、
バンド部を貫通するセラミックス繊維３で一体に縫い合
わされている。成形した繊維織物の表面にＳｉＣマトリ
ックス層を形成するＣＶＩ処理を行った後に、そのマト
リックス層の隙間に有機珪素ポリマーを基材として含浸
し焼成するＰＩＰ処理を行ってバンド部付きセラミック
ス基複合部材１０が完成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、フランジ部を有す
るセラミックス基複合部材とその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】セラミックスは耐熱性が高いが脆い欠点
があるため、これをセラミックス繊維で強化したセラミ
ックス基複合部材（Ｃｅｒａｍｉｃ Ｍａｔｒｉｘ Ｃ
ｏｍｐｏｓｉｔｅ：以下、ＣＭＣと略称する）が開発さ
れている。すなわち、セラミックス基複合部材（ＣＭ
Ｃ）はセラミックス繊維とセラミックスマトリックスと
からなる。なお、一般にＣＭＣはその素材により、セラ
ミックス繊維／セラミックスマトリックス（例えば、両
方がＳｉＣからなる場合、ＳｉＣ／ＳｉＣ）と表示され
る。なお、以下、セラミックス基複合部材（ＣＭＣ）に
ついて詳述するが、本発明は、これに限定されず、炭素
系複合材（Ｃ／Ｃ）、Ｃ／ＳｉＣ、ＳｉＣ／Ｃ等にも同
様に適用することができる。

【０００３】ＣＭＣは、軽量で耐熱性に優れるため、ジ
ェットエンジン部品（例えば、タービン翼、燃焼器、ア
フターバーナ部品等）へ適用することによりエンジンの
重量削減および燃料消費率の低減が期待される有望な材
料である。

【０００４】しかし、従来のＣＭＣは、気密性を保持す
ることができず、かつ耐熱衝撃性が低い問題点があっ
た。すなわち、従来のＣＭＣは、所定の形状をセラミッ
クス繊維で構成したのち、いわゆるＣＶＩ処理（Ｃｈｅ
ｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｉｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ：
気相含浸法）で繊維の隙間にマトリックスを形成する
が、このＣＶＩで繊維間の隙間を完全に埋めるには実用
不可能な長期間（例えば１年以上）を要する問題点があ
った。また、このように形成した従来のＣＭＣを高温で
試験等すると、激しい熱衝撃（例えば温度差が９００℃
以上）が作用した場合に、強度低下が激しく、再使用が
ほとんどできない問題点があった。そのため、従来のセ
ラミックス基複合部材（ＣＭＣ）は、タービン翼、燃焼
器のような気密性と耐熱衝撃性を要する部品には実質的
に使用できなかった。

【０００５】本発明の発明者等は、上述した問題点を解
決するために、気密性と耐熱衝撃性を大幅に高めること
ができ、これによりスラストチャンバ等にも実用可能な
「セラミックス基複合部材及びその製造方法」（特開２
０００−２１９５７６号）を創案し出願した。この発明
は、成形した繊維織物の表面にＳｉＣマトリックス層を
形成するＣＶＩ処理を行った後に、そのマトリックス層
の隙間に有機珪素ポリマーを基材として含浸し焼成する
ＰＩＰ処理を行うものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述したＣＭＣは、軽
量で耐熱性に優れるため、ジェットエンジンのガスター
ビン部品、例えば、タービン静翼や排気ディフューザベ
ーン）へ適用することが検討されている。しかし、ター
ビン静翼や排気ディフューザベーンは、図５に示すよう
に、翼部１の両端にフランジ部２（バンド部と呼ぶ）を
有する構造であり、このバンド部を有する翼形状をＣＭ
Ｃで一体成形することは、従来、困難であった。

【０００７】すなわち、バンド部２は平板状又は円弧面
であるのに対して、翼部１は翼形の中空筒形であるた
め、全体をＣＭＣの一体成形体とするには、平織りした
セラミックス繊維で翼部及びバンド部を成形し、これに
マトリックスを含浸してセラミックス基複合部材（ＣＭ
Ｃ）を製造する必要があった。この場合、全体の一体成
形化はできるものの、翼部１に繊維の縫い目があり、翼
部に作用するフープ応力に弱く、縫い目から亀裂が入り
やすい問題点があった。また、平織りのセラミックス繊
維で翼部を成形するのは、技術的に困難であり、コスト
がかかる問題点もあった。

【０００８】そこで、翼部１のみをＣＭＣで製造し、バ
ンド部は別部品で組み立てる分割式のＣＭＣ翼が、例え
ば、ＵＳ５０７４７４９（図６）、ＵＳ５６３０７００
（図７）等に提案されている。しかし、かかる分割式の
ＣＭＣ翼は、翼部１とバンド部２とのシール性が不十分
であり、かつ両者を連結して一体化するために余分な部
品（ボルト、フランジ等）を必要とし、ＣＭＣを用いた
重量低減（軽量化）のメリットが失われてしまう問題点
があった。

【０００９】本発明は上述した問題点を解決するために
創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、バ
ンド部と翼部を一体成形でき、かつ翼部がフープ応力に
強く、翼部とバンド部とのシール性を高めることができ
るバンド部付きセラミックス基複合部材とその製造方法
を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、翼形筒
状の翼部（１）と、該翼部の端部に連続して形成された
平板状又は円弧状のバンド部（２）とからなり、前記翼
部は、セラミックス繊維のブレード織りで成形され、か
つ翼部端の張出部（１ａ）が折曲げられて、バンド部内
に挟持されており、前記バンド部は、セラミックス繊維
の平織り板（２ａ）からなる複数の積層体であり、更
に、前記翼部の折曲げられた張出部（１ａ）と平織り板
（２ａ）は、バンド部を貫通するセラミックス繊維
（３）で一体に縫い合わされている、ことを特徴とする
バンド部付きセラミックス基複合部材が提供される。

【００１１】また、本発明によれば、翼形筒状の翼部
（１）を翼部端の張出部（１ａ）と共にブレード織りで
成形する翼部成形ステップ（Ａ）と、平板状又は円弧状
のバンド部（２）を構成する複数の平織り板（２ａ）を
成形するバンド部成形ステップ（Ｂ）と、翼部端の張出
部（１ａ）を折曲げ、これを複数の平織り板（２ａ）の
間に挟持し、バンド部を貫通するセラミックス繊維で張
出部（１ａ）と平織り板（２ａ）を一体に縫い合わす一
体化ステップ（Ｃ）とを備える、ことを特徴とするバン
ド部付きセラミックス基複合部材の製造方法が提供され
る。

【００１２】本発明の好ましい実施形態によれば、前記
翼部成形ステップ（Ａ）において、治具の表面にセラミ
ックス繊維をブレード織りし、次いでその表面にマトリ
ックスを含浸させて翼部を成形する。

【００１３】上記本発明の構造及び方法によれば、翼形
筒状の翼部（１）の翼部端の張出部（１ａ）を折曲げ
て、バンド部を構成する複数の平織り板（２ａ）の間に
挟持し、かつ翼部の折曲げた張出部（１ａ）と平織り板
（２ａ）が、バンド部を貫通するセラミックス繊維
（３）で一体に縫い合わされるので、翼部とバンド部と
の境目には、折曲げられバンド部内に挟持された翼部
（１）の張出部（１ａ）が翼部と連続して存在する。従
って、翼部とバンド部は、ブレード織りの織物と平織り
板とが実質的に一体化され、かつ境目に隙間が全くでき
ないので高いシール性を得ることができる。

【００１４】また、翼部（１）は、セラミックス繊維の
ブレード織りで成形されるので、フープ応力に対し強い
強度を得ることができる。更に、一体で作られた静翼の
ため、従来の分割式のＣＭＣや一体式のＣＭＣに比較し
て構造がシンプルであり、大幅なコストダウンが可能で
ある。更にまた、ブレード織りと平織りをそれぞれ独立
に最適化することにより、繊維の体積割合の高い高強度
織物構造とすることができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施形態
を図面を参照して説明する。なお、各図において共通す
る部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略す
る。

【００１６】図１は、本発明のバンド部付きセラミック
ス基複合部材の分解斜視図であり、図２は、その完成後
の全体斜視図である。図１及び図２に示すように、本発
明のバンド部付きセラミックス基複合部材１０は、翼形
筒状の翼部１と、翼部１の端部に連続して形成された平
板状又は円弧状のバンド部２とからなる。

【００１７】翼部１は、フープ応力に対し強いセラミッ
クス繊維のブレード織りで成形されている。「ブレード
織り」とは、図３に模式的に示すように、中央糸に組み
糸を交互に斜めに織り込む織物であり、治具の表面に効
率的に織物を成形できると共に、フープ応力に対し強い
特徴を有する。また、翼部端の張出部１ａは、翼部１と
共にブレード織りで成形された後、一部に切り込みを入
れて水平に折曲げられ、バンド部内に挟持されている。

【００１８】バンド部２は、セラミックス繊維により２
次元又は３次元に織られた平織り板２ａからなる複数の
積層体である。この平織り板２ａは、縦糸と横糸からな
る通常の平織りの他、ロービングを一方向に並列したプ
リプレグシート、或いは３軸織物でも良い。また、この
平織り板２ａには、翼部１の翼形に対応した開口２ｂが
設けられている。なお、この開口２ｂは、バンド部２の
外面に使用する平織り板２ａの場合には省略することも
できる。

【００１９】更に、翼部の折曲げられた張出部１ａと平
織り板２ａは、バンド部２を厚さ方向に貫通するセラミ
ックス繊維３で一体に縫い合わされている。この縫い合
わせは、図２に示すように、縦方向と横方向に複数行
い、繊維密度を十分に高めるのがよい。

【００２０】本発明のバンド部付きセラミックス基複合
部材１０は、上述のように成形した繊維織物の表面にＳ
ｉＣマトリックス層を形成するＣＶＩ処理を行った後
に、そのマトリックス層の隙間に有機珪素ポリマーを基
材として含浸し焼成するＰＩＰ処理を行ったものであ
る。

【００２１】図４は、本発明によるバンド部付きセラミ
ックス基複合部材の製造方法の模式図である。この図に
示すように、本発明の製造方法は、翼部成形ステップ
（Ａ）、バンド部成形ステップ（Ｂ）及び一体化ステッ
プ（Ｃ）を有する。

【００２２】翼部成形ステップ（Ａ）は、治具の表面に
セラミックス繊維をブレード織りする翼部ブレード織り
工程Ｓ１１と、ブレード織りした織物の表面にＣＶＩで
０．１〜０．２μｍ程度のカーボンをコーティングする
Ｃ−ＣＶＤ工程Ｓ１２と、更にその繊維表面にＣＶＩに
よりＳｉＣのマトリックスを含浸させるＳｉＣ−ＣＶＩ
工程Ｓ１３とからなる。セラミックス繊維には、例えば
宇部興産株式会社製のチラノＺＭＩ繊維を用いる。この
翼部成形ステップ（Ａ）では、翼形筒状の翼部１を翼部
端の張出部１ａと共にブレード織りで成形する。また、
ＳｉＣ−ＣＶＩ工程Ｓ１３におけるマトリックスの含浸
量は、一体化ステップ（Ｃ）における翼部１の加工が容
易にできる程度に抑える。

【００２３】バンド部成形ステップ（Ｂ）は、平板状又
は円弧状の平織り板２ａを平織りするバンド部平織り工
程Ｓ２１と、平織りした織物の表面にＣＶＩで０．１〜
０．２μｍ程度のカーボンをコーティングするＣ−ＣＶ
Ｄ工程Ｓ２２と、更にその繊維表面にＣＶＩによりＳｉ
Ｃのマトリックスを含浸させるＳｉＣ−ＣＶＩ工程Ｓ２
３とからなる。Ｃ−ＣＶＤ工程Ｓ２２とＳｉＣ−ＣＶＩ
工程２３は、Ｃ−ＣＶＤ工程Ｓ１２とＳｉＣ−ＣＶＩ工
程Ｓ１３と実質的に同一である。平織り板２ａの翼部１
の翼形に対応した開口２ｂは、工程Ｓ２１で加工しても
よく、或いは、ＳｉＣ−ＣＶＩ工程Ｓ１３の後で加工し
てもよい。また、通常の平織りの代わりに、ロービング
を一方向に並列したプリプレグシート、或いは３軸織物
を用いてもよい。

【００２４】一体化ステップ（Ｃ）は、翼部１と共にブ
レード織りで成形された翼部端の張出部１ａの一部にカ
ッター等で切り込みを入れ、次いで張出部１ａを図１で
水平に折曲げる翼部の端部加工工程Ｓ３１と、折曲げた
翼部端の張出部１ａを複数の平織り板２ａの間に挟持
し、バンド部を貫通するセラミックス繊維３で張出部１
ａと平織り板２ａを一体に縫い合わせる縫合わせ工程Ｓ
３２とからなる。

【００２５】縫合わせ工程Ｓ３２が完了すると、図２に
示すようなバンド部付きセラミックス基複合部材の織物
が完成する。次いで、織物の繊維表面にＣＶＩによりＳ
ｉＣのマトリックスを再度含浸させるＳｉＣ−ＣＶＩ工
程Ｓ４１、マトリックス層の隙間に有機珪素ポリマーを
基材として含浸し焼成するＰＩＰ工程Ｓ４２を行った
後、機械加工（Ｓ４３）し、最後に再度ＳｉＣ−ＣＶＩ
工程Ｓ４４を行って目的とするバンド部付きセラミック
ス基複合部材１０が完成する。

【００２６】翼部成形ステップ（Ａ）において使用した
治具（例えばカーボン製）は、最終形状を保持できる限
りで、どの工程において外してもよいが、ＳｉＣ−ＣＶ
Ｉ工程１３の後、或いはＳｉＣ−ＣＶＩ工程Ｓ４１の後
で外すのが好ましい。

【００２７】上述した本発明の構造及び方法によれば、
翼形筒状の翼部１の翼部端の張出部１ａを折曲げて、バ
ンド部を構成する複数の平織り板２ａの間に挟持し、か
つ翼部の折曲げた張出部１ａと平織り板２ａが、バンド
部を貫通するセラミックス繊維３で一体に縫い合わされ
るので、翼部とバンド部との境目には、折曲げられバン
ド部内に挟持された翼部１の張出部１ａが翼部と連続し
て存在する。従って、翼部とバンド部は、ブレード織り
の織物と平織り板とが実質的に一体化され、かつ境目に
隙間が全くできないので高いシール性を得ることができ
る。

【００２８】また、翼部１は、セラミックス繊維のブレ
ード織りで成形されるので、フープ応力に対し強い強度
を得ることができる。更に、一体で作られた静翼のた
め、従来の分割式のＣＭＣや一体式のＣＭＣに比較して
構造がシンプルであり、大幅なコストダウンが可能であ
る。更にまた、ブレード織りと平織りをそれぞれ独立に
最適化することにより、繊維の体積割合の高い高強度織
物構造とすることができる。

【００２９】なお、本発明は上述した実施の形態に限定
されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更でき
ることは勿論である。

【００３０】

【発明の効果】上述したように本発明のバンド部付きセ
ラミックス基複合部材とその製造方法は、一体で作られ
た静翼のため、複雑な構造を必要としない、シール性に
優れる、コストメリットがある、織り構造を組み合わせ
て最適化することで、繊維体積割合の高い高強度織物構
造とできる、等の特徴を有する。

【００３１】従って、本発明のバンド部付きセラミック
ス基複合部材とその製造方法は、バンド部と翼部を一体
成形でき、かつ翼部がフープ応力に強く、翼部とバンド
部とのシール性を高めることができる等の優れた効果を
有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のバンド部付きセラミックス基複合部材
の分解斜視図である。

【図２】本発明のバンド部付きセラミックス基複合部材
の全体斜視図である。

【図３】ブレード織りの模式図である。

【図４】本発明によるバンド部付きセラミックス基複合
部材の製造方法の模式図である。

【図５】バンド部付きセラミックス基複合部材の模式図
である。

【図６】従来の分割式ＣＭＣ翼の模式図である。

【図７】従来の分割式ＣＭＣ翼の別の模式図である。

【符号の説明】

１ 翼部、１ａ 翼部端の張出部、２ バンド部、２ａ
平織り板、３ セラミックス繊維、１０ バンド部付
きセラミックス基複合部材

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 翼形筒状の翼部（１）と、該翼部の端部
   に連続して形成された平板状又は円弧状のバンド部
   （２）とからなり、 前記翼部は、セラミックス繊維のブレード織りで成形さ
   れ、かつ翼部端の張出部（１ａ）が折曲げられて、バン
   ド部内に挟持されており、 前記バンド部は、セラミックス繊維の平織り板（２ａ）
   からなる複数の積層体であり、 更に、前記翼部の折曲げられた張出部（１ａ）と平織り
   板（２ａ）は、バンド部を貫通するセラミックス繊維
   （３）で一体に縫い合わされている、ことを特徴とする
   バンド部付きセラミックス基複合部材。
2. 【請求項２】 翼形筒状の翼部（１）を翼部端の張出部
   （１ａ）と共にブレード織りで成形する翼部成形ステッ
   プ（Ａ）と、平板状又は円弧状のバンド部（２）を構成
   する複数の平織り板（２ａ）を成形するバンド部成形ス
   テップ（Ｂ）と、翼部端の張出部（１ａ）を折曲げ、こ
   れを複数の平織り板（２ａ）の間に挟持し、バンド部を
   貫通するセラミックス繊維で張出部（１ａ）と平織り板
   （２ａ）を一体に縫い合わす一体化ステップ（Ｃ）とを
   備える、ことを特徴とするバンド部付きセラミックス基
   複合部材の製造方法。
3. 【請求項３】 前記翼部成形ステップ（Ａ）において、
   治具の表面にセラミックス繊維をブレード織りし、次い
   でその表面にマトリックスを含浸させて翼部を成形す
   る、ことを特徴とする請求項２に記載の製造方法。