構造物の製造方法及び構造物

【課題】セラミックス基複合材料によって形成される構造物の強度を均一化させて構造物の品質を向上させる。
【解決手段】長さ方向における断面形状が中心軸Ｌ２を中心とする同心円形状とされたマンドレル１００周りにセラミックからなる繊維を巻き付けることによって、長さ方向における断面形状が中心軸Ｌ２を中心とする中空の同心円形状とされた織物２を形成する織物形成工程と、該織物形成工程において形成された上記織物２を上記構造物の形状に変形させた状態で、上記織物にセラミックを含浸させてマトリックスを形成するマトリックス形成工程とを有する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、開口部を介して外部に接続される中空領域を備えると共にセラミックス基複合材料によって形成される構造物及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年は、構造物の形成材料として、金属にかえて耐熱性の優れたセラミックス基複合材料が用いられる場合がある。
このようなセラミックス基複合材料は、セラミックからなる繊維によって形成された織物に、セラミックからなるマトリックスが付着形成された材料であり、金属よりも優れた耐熱性を有している。
【０００３】
このようなセラミックス基複合材料によって内部に中空領域を備えるタービン翼や燃焼室等の構造物を製造する場合には、例えば、上記中空領域の形状に成型されたマンドレル周りにセラミックからなる繊維を巻きつけて構造物の形状とされた織物を形成し、当該織物にマトリックスを付着形成する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第７０９３３５９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、構造物の中空領域の形状に成型されたマンドレル周りに繊維を巻き付ける方法としては、いわゆるブレイディング法やフィラメントワインディング法が知られている。
ブレイディング法は、マンドレルの延在方向に延びる中央糸とマンドレルに対して螺旋状に巻き付けられる複数の組糸とを編み込んでいく方法であり、複数の繊維が同時にマンドレルに対して巻き付けられる方法である。
一方、フィラメントワインディング法は、一本の繊維をマンドレル周りに巻き付ける方法である。
【０００６】
しかしながら、実際の構造物は複雑な形状を有していることが一般的である。このため、構造物の中空領域の形状に成型されたマンドレルは複雑な形状であることが多い。
このような複雑な形状のマンドレルに対して繊維を巻き付けた場合には、マンドレルの形状に沿って繊維の一部が移動し、織物において繊維の偏りが発生する。
セラミックス基複合材料によって形成された構造物の強度は、繊維の密度や繊維の方向に依存する。このため、繊維の偏りが存在する場合には、構造物の強度が不均一となり、場所によって強度が変化する可能性がある。
【０００７】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、セラミックス基複合材料によって形成される構造物の強度を均一化させて構造物の品質を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。
【０００９】
第１の発明は、開口部を介して外部に接続される中空領域を備えると共にセラミックス基複合材料によって形成される構造物の製造方法であって、長さ方向における断面形状が中心軸を中心とする同心円形状とされたマンドレル周りにセラミックからなる繊維を巻き付けることによって、長さ方向における断面形状が中心軸を中心とする中空の同心円形状とされた織物を形成する織物形成工程と、該織物形成工程において形成された上記織物を上記構造物の形状に変形させた状態で、上記織物にセラミックを含浸させてマトリックスを形成するマトリックス形成工程とを有するという構成を採用する。
【００１０】
第２の発明は、上記第１の発明において、上記マンドレルの長さ方向における各領域での周長が上記構造物の上記中空領域の長さ方向における各領域での周長と一致されているという構成を採用する。
【００１１】
第３の発明は、上記第１または第２の発明において、上記マンドレルが、上記繊維が巻き付けられた状態で取り外しまたは消失可能とされているという構成を採用する。
【００１２】
第４の発明は、上記第１〜第３いずれかの発明において、上記マトリックス形成工程において、上記構造物の中空領域の形状に成型された内型と上記構造物の外形形状に成型された外型とによって挟み込むことによって上記織物を上記構造物の形状に変形させるという構成を採用する。
【００１３】
第５の発明は、上記第４の発明において、上記内型が、上記構造物の上記中空領域において取り外しまたは消失可能とされているという構成を採用する。
【００１４】
第６の発明は、上記第１〜第５いずれかの発明において、上記織物が、ブレイディング法によって上記マンドレル周りに巻き付けられるという構成を採用する。
【００１５】
第７の発明は、上記第１〜第６いずれかの発明において、前記織物よりも小型の小織物を前記織物内部に配置させて前記マトリックス形成工程を行うという構成を採用する。
【００１６】
第８の発明は、開口部を介して外部に接続される中空領域を備えると共にセラミックス基複合材料によって形成される構造物であって、長さ方向における断面形状が中心軸を中心とする中空の同心円形状とされた織物が上記構造物の形状に変形された変形織物にセラミックが含浸されて形成されているという構成を採用する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、長さ方向における断面形状が中心軸を中心とする同心円形状とされた織物を構造物の形状に変形し、この変形した織物にセラミックが含浸されて構造物が形成される。
長さ方向における断面形状が中心軸を中心とする中空の同心円形状とされた織物は、単一断面において同一曲率となるため、中心軸周りにおいて均一に繊維を配置することが可能となる。つまり、長さ方向における断面形状が中心軸を中心とする中空の同心円形状とされた織物は、中心軸を中心とする周方向において繊維の偏りが抑制されている。そして、このような織物を構造物の形状に変形させた場合であっても、織物における繊維の密度は、中心軸周りにおいて均一となる。
このため、本発明のように、上記織物を構造物の形状に変形し、この変形した織物にセラミックが含浸されることによって、周方向に繊維が均一に配置された構造物となる。
したがって、本発明によれば、セラミックス基複合材料によって形成される構造物の強度を均一化させて構造物の品質を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１実施形態における静翼の概略構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の第１実施形態における静翼を形成する際に用いられるマンドレルの斜視図である。
【図３】本発明の第１実施形態における静翼を形成する際に用いられるマンドレル周りに織物が形成せれた様子を示す斜視図である。
【図４】本発明の第１実施形態における静翼を形成する際に用いられる織物を変形された様子を示す図である。
【図５】本発明の第１実施形態における静翼を形成する際に用いられる織物を内型と外型とで挟み込んだ様子を示す図である。
【図６】本発明の第２実施形態における静翼の概略構成を示す斜視図である。
【図７】本発明の第２実施形態における静翼を形成する際に用いられるマンドレルの斜視図である。
【図８】本発明の第２実施形態における静翼を形成する際に用いられるマンドレル周りに織物が形成された様子を示す斜視図である。
【図９】本発明の変形例を示す図であり、中空領域が２つに区画された静翼を製造する工程を示す図である。
【図１０】本発明の変形例を示す図であり、中空領域が３つに区画された静翼を製造する工程を示す図である。
【図１１】本発明の変形例を示す図であり、中空領域が上下方向に２つに区画された静翼を製造する工程を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照して、本発明に係る構造物の製造方法及び構造物の一実施形態について説明する。なお、以下の説明においては、構造物がタービンの静翼である場合について説明する。
【００２０】
（第１実施形態）
図１は、本実施形態のタービンの静翼１の概略構成を示す斜視図である。この図に示すように、静翼１は、両側の開口部を介して外部に接続される中空領域１ａを備えている。なお、実際に静翼１がタービンに組み込まれた際には静翼１の両側に配置されるバンド部によって開口部が閉ざされ、中空領域１ａに冷却ガスが供給されることによって静翼１の冷却が図られる。
【００２１】
また、本実施形態の静翼１は、セラミックス基複合材料によって形成されている。
セラミックス基複合材料は、セラミック（例えば炭化珪素）からなる繊維によって形成された織物に、セラミック（例えば炭化珪素）からなるマトリックスが付着形成された材料であり、金属によりも優れた耐熱性を発揮する。
【００２２】
そして、本実施形態の静翼１は、長さ方向における断面形状が中心軸Ｌ２を中心とする中空の同心円形状とされた織物が静翼１の形状に変形された変形織物にセラミックが含浸されて形成されている。なお、ここで言う長さ方向とは、中心軸Ｌ２が延在する方向である。
このような本実施形態の静翼１によれば、中空領域１ａを介して両側の開口部に抜ける軸Ｌ周りにおける繊維の密度が均一化されて強度が均一化されるため、品質が向上されたものとなる。
【００２３】
続いて、このような静翼１の製造方法について説明する。
まず最初に、図２に示すように、中心軸Ｌ２の延在方向である長さ方向における断面形状が、中心軸Ｌ２を中心とする同心円形状とされたマンドレル１００を用意する。このようなマンドレル１００は、長さ方向におけるいずれの領域において中心軸Ｌ２と直交する面で切断した場合には、その断面形状が真円となる。
そして、本実施形態においてマンドレル１００は、長さ方向の全ての領域において、同一半径の円形状とされ、マンドレル１００の長さ方向における各領域での周長が中空領域１ａの長さ方向における各領域での周長と一致されている。
【００２４】
次に、図３に示すように、マンドレル１００周りにセラミックからなる繊維を巻き付けることによって、長さ方向における断面形状が中心軸Ｌ２を中心とする中空の同心円形状とされた織物２を形成する（織物形成工程）。
なお、本実施形態においては、繊維をブレイディング法によってマンドレル１００周りに巻き付ける。ブレイディング法により、マンドレル１００の延在方向に延びる中央糸とマンドレル１００に対して螺旋状に巻き付けられる複数の組糸とが編み込まれ、複数の繊維が同時にマンドレル１００に対して巻き付けられる。
【００２５】
次に、マンドレル１００を織物２から抜き出す。なお、本実施形態においてマンドレル１００は、長さ方向の全ての領域において同一半径の円形状とされているため、織物２を抑えて中心軸Ｌ方向に移動させることによって容易に織物２から抜き出すことができる。
【００２６】
なお、セラミックス基複合材料では、周知のように繊維の表面に界面層を形成する。そして、当該界面層として炭素界面層を形成する場合には、マンドレル１００を抜き出した織物２をメタンガスが供給される真空炉内において熱処理して熱分解することによって界面層を形成する。
ただし、界面層として窒化ホウ素界面層を形成する場合には、マンドレル１００周りに繊維を巻き付ける前に界面層の形成を行う。具体的には、ＢＣｌ_３＋ＮＨ_３ガスが供給される炉内に繊維を通して熱分解することによって界面層の形成を行う。
【００２７】
次に、図４に示すように、マンドレル１００を抜き出した織物２の内部に、静翼１の中空領域１ａの形状に成型された内型２００を挿入し、さらに織物２を内型２００に押さえつけることによって織物２を静翼１の形状に変形させる。
次に、図５に示すように、織物２を上記内型２００と静翼１の外形形状に成型された外型３００とによって挟み込むことによって織物２を静翼１の形状に変化させた状態を保つ。なお、外型３００には、後の含浸処理において原料が容易に織物２に到達可能とするために、織物２に到達する複数の貫通孔を備えている。
【００２８】
そして、このように織物２が静翼１の形状に変化された状態で、織物２にセラミックを含浸させてマトリックスを形成する（マトリックス形成工程）。
織物２にセラミックを含浸させる方法としては、例えば気相含浸法、液相含浸法及び固相含浸法が知られている。そして、本実施形態においては、これらの方法を単独であるいは組み合わせた含浸処理を行い、さらにこれらの含浸処理を繰り返し行うことによって緻密なマトリックスの形成を行う。
【００２９】
なお、含浸工程においては織物２と内型２００との隙間及び織物２と外型３００との隙間にもセラミックが含浸されるため、織物２に対するセラミックの含浸が進むと、内型２００及び外型３００から織物２を取り外すことが困難となる。一方で、織物２は、含浸工程の初期段階（少量のセラミックが織物２に含浸された段階）でその形状が固定される。
このため、含浸工程の初期段階にて内型２００及び外型３００から織物２を取り外し、その後は織物２のみを対象として含浸工程を行うことが好ましい。
【００３０】
以上のような工程によって、図１に示す静翼１が製造される。
このような本実施形態の静翼１の製造方法によれば、長さ方向における断面形状が中心軸Ｌ２を中心とする同心円形状とされた織物２を静翼１の形状に変形し、この変形した織物２（変形織物）にセラミックが含浸されて静翼１が形成される。
長さ方向における断面形状が中心軸Ｌ２を中心とする中空の同心円形状とされた織物２は、単一断面において同一曲率となるため、マンドレル１００周りに繊維を巻き付ける際に中心軸Ｌ２周りにおいて均一に繊維を配置することが可能となる。つまり、長さ方向における断面形状が中心軸Ｌ２を中心とする中空の同心円形状とされた織物２は、中心軸Ｌ２を中心とする周方向において繊維の偏りが抑制されている。そして、このような織物２を静翼１の形状に変形させた場合であっても、織物２における繊維の密度は、中心軸Ｌ２周りにおいて均一となる。
このため、本実施形態の静翼１の製造方法のように、上記織物２を静翼１の形状に変形し、この変形した織物２にセラミックが含浸されることによって、周方向に繊維が均一に配置された静翼１となる。
したがって、本実施形態の静翼１によれば、セラミックス基複合材料によって形成される静翼１の強度を均一化させて静翼１の品質を向上させることが可能となる。
【００３１】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。なお、本第２実施形態の説明において、上記第１実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。
【００３２】
図６は、本実施形態の静翼３の概略構成を示す斜視図である。この図に示すように、本実施形態の静翼３は、軸Ｌ１方向において、中央部Ａの断面形状が手前側（ハブ側）の断面形状よりも大きく、奥側Ｂ（チップ側）の断面形状が手前側（ハブ側）の断面形状よりも小さい形状を有している。
本実施形成の静翼３もセラミックス基複合材料によって形成されており、内部に中空領域３ａを有している。
【００３３】
そして、本実施形態の静翼３も、上記第１実施形態の静翼１と同様に、軸Ｌ周りにおける繊維の密度が均一化されて強度が均一化されており、品質が向上されたものとなっている。
【００３４】
このような構成を有する本実施形態の静翼３を製造する場合には、図７に示すように、中心軸Ｌ２方向において中央部Ａ１の断面形状が手前側の断面形状よりも大きい真円で、奥側Ｂ１の断面形状が手前側の断面形状よりも小さい真円とされたマンドレル６００を用意する。
なお、マンドレル６００の中央部Ａ１における周長は、静翼３の中央部Ａにおける中空領域３ａの周長と一致されている。また、マンドレル６００の奥側Ｂ１における周長は、静翼３の奥側Ｂにおける中空領域３ａの周長と一致されている。
【００３５】
次に、図８に示すように、マンドレル６００周りにセラミックからなる繊維を巻き付けることによって、織物４を形成する。この織物４は、中心軸Ｌ２方向において断面形状が変化するものの、上記第１実施形態の織物２と同様に、中心軸Ｌ２方向の全ての領域において断面形状が中心軸Ｌ２を中心とする中空の同心円形状とされる。
【００３６】
次に、マンドレル６００を織物４から抜き出す。なお、マンドレル６００の中央部Ａ１は、手前側及び奥側よりも大きいため、そのままマンドレル６００を織物４から抜き出すことはできない。
そこで、例えば、マンドレル６００を芯部とその周囲に配置される周辺部とによって構成し、芯部を抜き出すことによって分解できる構成とすることが好ましい。これによって、容易にマンドレル６００を抜き出すことが可能となる。すなわち、マンドレル６００は、織物４が巻き付けられた状態で分解可能に構成されていることが好ましい。
なお、この他に、マンドレル６００を薬剤等によって溶解させて除去するようにすることもできる。また、マンドレル６００を焼失させることによって除去するようにすることもできる。
このようにいずれかの方法を用いてマンドレル６００は、織物４が巻き付けられた状態で取り外しまたは消失可能とされる。
【００３７】
次に、マンドレル６００を抜き出した織物４の内部に、静翼３の中空領域３ａの形状に成型された内型を挿入し、さらに織物４を内型に押さえつけることによって織物４を静翼３の形状に変形させる。
ここで、静翼３の中空領域３ａは、静翼３の長さ方向において断面形状の大きさが変化するため、内型も同様に長さ方向において断面形状の大きさが変化する。このため、そのまま織物４の内部に内型を挿入することができない。このため、内型は、分解可能に構成されており、分解された状態で織物４の内部に入れると共に織物４の内部において組立て可能とされている。
なお、内型を焼失可能あるいは薬剤等によって溶解可能に構成し、内型を焼失あるいは溶解することによって中空領域３ａから除去することもできる。
このようにいずれかの方法を用いて内型は、静翼３の中空領域３ａにおいて消失可能とされる。
【００３８】
次に、織物４を上記内型と静翼３の外形形状に成型された外型とによって挟み込むことによって織物４を静翼３の形状に変化させた状態を保ちながら、上記第１実施形態と同様に織物４にセラミックを含浸させてマトリックスを形成する。
【００３９】
以上のような本実施形態の静翼３の製造方法においても、上記第１実施形態と同様に、長さ方向における断面形状が中心軸Ｌ２を中心とする同心円形状とされた織物４を静翼３の形状に変形し、この変形した織物４（変形織物）にセラミックが含浸されて静翼３が形成される。
長さ方向における断面形状が中心軸Ｌ２を中心とする中空の同心円形状とされた織物２は、単一断面において同一曲率となるため、マンドレル６００周りに繊維を巻き付ける際に中心軸Ｌ２周りにおいて均一に繊維を配置することが可能となる。つまり、長さ方向における断面形状が中心軸Ｌ２を中心とする中空の同心円形状とされた織物４は、中心軸Ｌ２を中心とする周方向において繊維の偏りが抑制されている。そして、このような織物４を静翼１の形状に変形させた場合であっても、織物４における繊維の密度は、中心軸Ｌ２周りにおいて均一となる。
このため、本実施形態の静翼３の製造方法のように、上記織物４を静翼３の形状に変形し、この変形した織物４にセラミックが含浸されることによって、周方向に繊維が均一に配置された静翼３となる。
したがって、本実施形態の静翼３によれば、セラミックス基複合材料によって形成される静翼３の強度を均一化させて静翼３の品質を向上させることが可能となる。
【００４０】
以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【００４１】
例えば、上記実施形態においては、本発明の構造物がタービンの静翼である構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明における構造物は、中空領域を備えると共にセラミックス基複合材料によって形成される構造物であれば良い。例えば、本発明構造物としては、タービンの静翼の他、タービンの動翼や燃焼器等を挙げることができる。
【００４２】
また、上記実施形態においては、ブレイディング法によってマンドレル周りに繊維を巻き付ける構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばフィラメントワインディング法によってマンドレル周りに繊維を巻き付けても良い。このフィラメントワインディング法は、一本の繊維をマンドレル周りに巻き付ける方法である。このようなフィラメントワインディング法を用いてマンドレル回りに繊維を巻き付ける場合であっても、長さ方向における断面形状が中心軸を中心とする中空の同心円形状とされたマンドレル周りに繊維を巻き付けることによって、長さ方向における断面形状が中心軸を中心とする中空の同心円形状とされた織物を形成することができる。軸周りに繊維が均一な密度で配置された静翼を製造することができる。
【００４３】
また、上記実施形態においては、単一の織物を変形させて静翼を製造する構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。
例えば、図９に示すように、上記第１実施形態において示した織物２よりも、小さな織物２ａ（小織物）を、織物２と同様の方法で形成し、この織物２ａを織物２の内部に配置して変形することによって、中空領域１ａが２つに区画された静翼を製造することもできる。
また、図１０に示すように、上記第１実施形態において示した織物２よりも、小さな織物２ｂ，２ｃ（小織物）を、織物２と同様の方法で形成し、この織物２ｂ，２ｃを織物２の内部に配置して変形することによって、中空領域１ａが３つに区画された静翼を製造することもできる。
また、図１１に示すように、上記第１実施形態において示した織物２よりも、小さな織物２ｄ，２ｅ（小織物）を、織物２と同様の方法で形成し、この織物２ｄ，２ｅを織物２の内部に上下方向に配置して変形することによって、中空領域１ａが上下に２つに区画された静翼を製造することもできる。
【符号の説明】
【００４４】
１，３……静翼（構造物）、１ａ，３ａ……中空領域、２，２ａ〜２ｅ，４……織物、１００，６００……マンドレル、２００……内型、３００……外型

【特許請求の範囲】
【請求項１】
開口部を介して外部に接続される中空領域を備えると共にセラミックス基複合材料によって形成される構造物の製造方法であって、
長さ方向における断面形状が中心軸を中心とする同心円形状とされたマンドレル周りにセラミックからなる繊維を巻き付けることによって、長さ方向における断面形状が中心軸を中心とする中空の同心円形状とされた織物を形成する織物形成工程と、
該織物形成工程において形成された前記織物を前記構造物の形状に変形させた状態で、前記織物にセラミックを含浸させてマトリックスを形成するマトリックス形成工程と
を有することを特徴とする構造物の製造方法
【請求項２】
前記マンドレルの長さ方向における各領域での周長が前記構造物の前記中空領域の長さ方向における各領域での周長と一致されていることを特徴とする請求項１記載の構造物の製造方法。
【請求項３】
前記マンドレルは、前記繊維が巻き付けられた状態で取り外しまたは消失可能とされていることを特徴とする請求項１または２記載の構造物の製造方法。
【請求項４】
前記マトリックス形成工程において、前記構造物の中空領域の形状に成型された内型と前記構造物の外形形状に成型された外型とによって挟み込むことによって前記織物を前記構造物の形状に変形させることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の構造物の製造方法。
【請求項５】
前記内型は、前記構造物の前記中空領域において取り外しまたは消失可能とされていることを特徴とする請求項４記載の構造物の製造方法。
【請求項６】
前記織物は、ブレイディング法によって前記マンドレル周りに巻き付けられることを特徴とする請求項１〜５いずれかに記載の構造物の製造方法。
【請求項７】
前記織物よりも小型の小織物を前記織物内部に配置させて前記マトリックス形成工程を行うことを特徴とする請求項１〜６いずれかに記載の構造物の製造方法。
【請求項８】
開口部を介して外部に接続される中空領域を備えると共にセラミックス基複合材料によって形成される構造物であって、
長さ方向における断面形状が中心軸を中心とする中空の同心円形状とされた織物が前記構造物の形状に変形された変形織物にセラミックが含浸されて形成されていることを特徴とする構造物。

【図１】