複合材角部及び複合材角部の製造方法
【課題】 環状ガスタービンエンジン部品のフランジ角部の高樹脂密度領域を低減もしくはなくす方法の提供。
【解決手段】 ガスタービンエンジン部品及びガスタービンエンジンの複合材部品の製造方法は、互いにある角度で配置された第１及び第２の表面を有するツール（１００）を準備する段階を含む。第１の表面と第２の表面との角部近傍で終端する端部を有する繊維セグメント（３０２）を第１の表面に取り付ける。繊維セグメント（３０２）及び第２の表面に繊維プリフォーム（３０１）を配置する。次いで、繊維プリフォーム（３０１）又は繊維セグメント（３０２）の１以上にマトリックス材料を加える。繊維セグメント（３０２）の端部を膨らませることができる十分な温度に繊維セグメント（３０２）及び繊維プリフォーム（３０１）を加熱する。次いでマトリックス材料を硬化して角部分の繊維分布が実質的に均一な複合材物品を形成する。
【解決手段】 ガスタービンエンジン部品及びガスタービンエンジンの複合材部品の製造方法は、互いにある角度で配置された第１及び第２の表面を有するツール（１００）を準備する段階を含む。第１の表面と第２の表面との角部近傍で終端する端部を有する繊維セグメント（３０２）を第１の表面に取り付ける。繊維セグメント（３０２）及び第２の表面に繊維プリフォーム（３０１）を配置する。次いで、繊維プリフォーム（３０１）又は繊維セグメント（３０２）の１以上にマトリックス材料を加える。繊維セグメント（３０２）の端部を膨らませることができる十分な温度に繊維セグメント（３０２）及び繊維プリフォーム（３０１）を加熱する。次いでマトリックス材料を硬化して角部分の繊維分布が実質的に均一な複合材物品を形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合材物品及びその製造方法に関する。特に、本発明は複合材環状ガスタービンエンジン部品の角部に関する。
【背景技術】
【０００２】
航空機エンジン設計では、航空機の燃料効率及び推進性能を高めるため航空機エンジン部品の材料の軽量化が絶えず求められている。航空機部品は従来鋼鉄で作られてきた。しかし、鋼鉄は比較的重いため、アルミニウム又はチタニウムのような軽量高強度材料で置換されてきた。軽量部品の製造技術の進歩に伴って、グラファイト樹脂をポリイミド樹脂中に埋め込んだ複合材のような非金属材料が開発されている。複合材料は、マトリックス材料の内部に繊維を埋封した材料である。繊維はマトリックス材料を強化する。マトリックス中に埋め込む前の繊維構造体は一般にプリフォームと呼ばれる。グラファイト繊維を樹脂系に埋め込んだものには、材料を部品へと成形するのが難しいこと、多孔率が高いこと、微小亀裂、層間剥離、並びに装置及びプロセスが高価であることを始めとする短所がある。
【０００３】
グラファイトエポキシ複合材ファンダクトは、Ｐｒａｔｔの米国特許第５１４５６２１号（以下、「‘６２１号特許」という。）に開示されたクロスオーバーツールを用いて製造されている。‘６２１号特許では、製織グラファイト繊維プリフォームを大型スプール上に取り付けて、グラファイトエポキシ複合材ファンダクトを形成する。繊維はスプールの両端でフランジを形成するように配置される。スプールの形状によって完成複合材の最終形状が実質的に決まる。クロスオーバーツールで、スプール上のグラファイトの繊維を引っ張って張力を与える。ツールでは、繊維のフランジ部を取り囲む複雑なスパイダーツールであって独立した３個の真空エンベロープと組み合わせたときに圧力を与えるスパイダーツールを用いて繊維を引っ張る。‘６２１号特許に開示されたクロスオーバーツール及び方法の短所としては、プロセスが複雑であり、ツールが高価で使用が難しいことが挙げられる。
【０００４】
グラファイトエポキシ複合ファンケースは、Ｄｅｓａｕｔｅｌｓ他の米国特許第５５９７４３５号（以下、「‘４３５号特許」という。）に開示された、製造時に強化材料のプライに力を加えるのを補助するための弾性材料を利用した成形システムによっても製造されている。複合マトリックスの製造のため、未硬化の繊維強化プリプレグ型プライ（すなわちプライ）を金型に取り付ける。プリプレグプライは、金型に取り付ける前に未硬化マトリックス材料で含浸したプライである。プライを所定の位置に保持するため強制部材及び拘束部材をプライ上に配置する。強制部材は、拘束部材と金型上のプライの間に配置かれる。金型、プライ、拘束部材及び強制部材を炉に入れて加熱する。このアセンブリを加熱すると、強制部材が均一に膨張して均一な圧力がプライに加わる。その結果、温度の上昇に伴ってプライが圧縮される。’４３５号特許のプロセスは、材料の体積を減らすだけで、完成複合材に高強度及び均一性をもたらす繊維配向を与えるように織物を張りつめることがなされないという短所を有する。
【０００５】
複合ファンケーシングの公知の製造法は、フランジ角部の樹脂密度が複合体に比して増大し、その結果フランジの圧縮強度が低下するという短所を有する。具体的には、樹脂密度の増加によって、製造時及び作動時の熱収縮に起因する微小亀裂を生じる。繊維強化材に比して樹脂密度が増大すると、強化材への応力の伝達が不十分となり、フランジの微小亀裂又は早期故障を起こしかねない。
【０００６】
樹脂密度の増大の問題を軽減するため、樹脂密度が増大すると予測される空間内で繊維を撚って分布させることが行われている。撚り繊維は、硬化時に空間内で実質的にランダムに萎縮する。しかし、撚り繊維は、空間に十分に適応せず、樹脂密度の増大した領域が依然として残るという短所がある。また、ランダム分布のため繊維の配置が不揃いで、繊維の一部が垂直に配向しているため強度が幾分失われる。さらに、フランジの上記空間内の材料は繊維分布にバラツキがあり、不均一な特性をもたらす。
【特許文献１】米国特許第５１４５６２１号明細書
【特許文献２】米国特許第５５９７４３５号明細書
【特許文献３】米国特許第６４８５６６０号明細書
【特許文献４】米国特許第６３５３１４９号明細書
【特許文献５】米国特許第５９５２０６７号明細書
【特許文献６】米国特許第５７４６８５４号明細書
【特許文献７】米国特許第５４１９２３１号明細書
【特許文献８】米国特許第５１７１５１０号明細書
【特許文献９】米国特許第５０２６５９５号明細書
【特許文献１０】米国特許第４９８６９４９号明細書
【特許文献１１】米国特許第４４６８８４５号明細書
【特許文献１２】米国特許第４４６７８３８号明細書
【特許文献１３】国際公開第９６／０５３８６号パンフレット
【特許文献１４】特開２００２−０５２６１８号公報
【特許文献１５】欧州特許出願公開第１４６４６６１号明細書
【特許文献１６】欧州特許出願公開第１２３４６５４号明細書
【特許文献１７】欧州特許出願公開第１０３１４０３号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、環状ガスタービンエンジン部品のフランジ角部の高樹脂密度領域を低減もしくはなくす方法が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のガスタービンエンジン部品及び複合ガスタービンエンジン部品の製造方法は、互いにある角度で配置された第１及び第２の表面を有するツールを準備する段階を含む。第１の表面と第２の表面との角部近傍で終端する端部を有する繊維セグメントを第１の表面に取り付ける。繊維セグメント上及び第２の表面に繊維プリフォームを配置する。次いで、繊維プリフォーム又は繊維セグメントの１以上にマトリックス材料を加える。繊維セグメントの端部を膨らませることができる十分な温度に繊維セグメント及び繊維プリフォームを加熱する。次いでマトリックス材料を硬化して角部分の繊維分布が実質的に均一な複合材物品を形成する。
【０００９】
本発明の別の態様は、互いにある角度で構成された１以上の表面を有する幾何形状の繊維強化樹脂を有するガスタービンエンジン用複合材物品である。繊維強化樹脂は、強化樹脂中の繊維密度が角度領域内で実質的に均一であり、角度領域は圧縮荷重及び引張荷重のいずれにも耐性である。
【００１０】
本発明の一実施形態に係る方法及びツールは、高強度で組成が均一なフランジを有するファンケーシング、ベーン及び支柱のような複合材格納ダクトとしての用途に適した軽量強化マトリックス複合材料を形成する。
【００１１】
本発明の一実施形態に係る方法は、直径約１０フィートの部材のように直径が約５フィートを超える円筒形部材を始めとする大型複合材部品の製造に特に適している。本発明の利点は、かかるフランジが大型複合材ファンケーシングのような大型部品を保持し、その格納特性を維持するのに適していることである。
【００１２】
本発明の一実施形態に係る方法は、組成の均一性が高く、高樹脂密度領域のような欠陥の少ない繊維強化マトリックス複合材の製造方法を提供する。
【００１３】
本発明の一実施形態に係る方法は、フランジ又はその近傍での材料の一貫性が向上しているため、廃棄及び／又は補修部材の少ないフランジ部品を製造できる。
【００１４】
本発明のその他の特徴及び利点は、本発明の原理を例示した添付の図面と併せて以下の好ましい実施形態に関する詳細な説明を参酌することによって明らかになろう。
【００１５】
図面全体を通して、同一又は類似の部品にはできるだけ同じ参照符号を付した。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は、本発明に係る複合材格納ダクトを成形するための複合材ダクト成形ツール１００を示す。ツール１００は略円筒形の本体１０５を備える。第１の端板１０１及び第２の端板１０３が本体１０５両側の平面端部近傍に配置されている。本体１０５並びに第１の端板１０１及び第２の端板１０３は、ツール１００で保持される被加工物よりも熱膨張係数の大きい材料で製造される。本体１０５並びに第１の端板１０１及び第２の端板１０３用の材料としては、特に限定されないが、金属又は合金が挙げられる。本体１０５に適した材料としては、アルミニウム及び鋼鉄が挙げられる。第１の端板１０１は応力緩和締結具１１１で本体１０５に締結される。本体１０５近傍の第２の端板１０３は本体１０５に取り付けられる。本体１０５は略円筒形の幾何形状を有する。略円筒形の本体１０５は、好ましくは、第１の端板１０１近傍の小さな直径から第２の端板１０３の大きな直径までテーパーが付けらる。図１では円筒形の本体１０５を示すが、本体は円筒形に限定されない。本体のその他の幾何形状としては、特に限定されないが、矩形、長円形及び三角形の幾何形状が挙げられる。別の実施形態では、本体１０５は、第１の端板１０１と第２の端板１０３の間の中間点で小さな直径径となり、本体１０５の両端で大きな直径となる略円筒形の幾何形状を有する。本体１０５は、完成後の強化マトリックス複合部品の取り出しを容易にするため、複数の着脱可能な構成部材で製造してもよい。
【００１７】
図１は、第１の端板１０１の第２の端板１０３に近い方の面に隣接して本体の外周の周りに配置されたフランジシューの第１の組１１９を示す。フランジシュー１０７の第２の組１２１は、第２の端板の第１の端板１０１に近い方の面に新設して本体１０５の外周の周りに配置される。フランジシューの第１及び第２の組１１９及び１２１の各フランジシュー１０７は、フランジシュー接合部１０８で互いに接触する。フランジシュー１０７は、ツール１００で保持される被加工物よりも熱膨張係数の大きい材料からなるプレートである。フランジシュー１０７用の材料としては、特に限定されないが、金属又は合金が挙げられる。フランジシュー１０７に適した材料としては、アルミニウム及び鋼鉄が挙げられる。フランジシュー１０７は、応力緩和締結具１１１で第１の端板１０１及び第２の端板１０３に締結される。応力緩和締結具１１１は、第１の端板１０１及び第２の端板１０３を締結するだけでなく、第１の端板１０１を本体１０５に締結する。図１に示すように、フランジシュー１０７を締結する応力緩和締結具１１１は、第１の端板１０１及び第２の端板１０３とフランジシュー１０７とを貫通する。第１の端板１０１を本体１０５に締結する応力緩和締結具１１１は、第１の端板１０１を貫通して本体１０５内に延在する。本発明では、応力緩和締結具１１１は、被加工物を装填する際に、第１の端板１０１と第１の組のフランジシュー１１９及び第２の組のフランジシュー１２１のフランジシュー１０７とを配置できるが、熱膨張その他の力による圧力に降伏する締結具であればよい。フランジシュー１０７を保持する締結具が適当な半径方向応力下で降伏し、端部フランジプレートを保持する締結具が降伏して軸方向応力を緩和するときに、応力緩和が起こる。応力緩和締結具１１１に適した材料としては、特に限定されないが、ナイロンが挙げられる。１以上のリザーバ１０９が第１の端板１０１の表面に配置される。リザーバ１０９は真空ライン１１５を介して真空源と流体連通してる。リザーバ１０９は別個の部品として示してあるが、第１の端板１０１と一体に製造してもよい。
【００１８】
図２は、図面上で第１の端板１０１と第２の端板１０３が水平に配向したツール１００の一実施形態を示す。図２に示す配向は、第１の端板１０１が第２の端板１０３の上で実質的に水平に配向し、本体１０５の中心軸が実質的に垂直方向に向いた状態でツール１００をオートクレーブ内に装填する本発明の実施形態を例示したものである。この実施形態では、オートクレーブに言及するが、ツールを加熱・加圧する機能を有するチャンバであれば、どのようなチャンバも本発明での使用に適している。図２は、本体１０５の外周の周りに配置されたフランジシュー１０７を示す。第１の組のフランジシュー１１９は、第１の端板１０１の第２の端板１０３に近い方の面に締結される。第２の組のフランジシュー１２１は第２の端板１０３の第１の端板１０１に近い方の面に締結される。
【００１９】
第２の端板１０３に隣接する表面に沿って各フランジシュー１０７間のフランジシュー接合部１０８にチャネル２０１が機械加工され、フランジシュー接合部１０８の本体１０５に隣接する内面２０５から外周まで流体連通を形成する。フランジシュー接合部１０８の外周にサイフォン管１１３が取り付けられ、第２の端板１０３に隣接するチャネル２０１と流体連通して配置される。サイフォン管１１３は、第１の端板１０１に隣接するリザーバ１０９と流体連通している。各リザーバ１０９は、真空下でマトリックス材料を収容できる中空チャンバである。各リザーバ１０９は、フランジシュー１０７と第１の端板１０１の下面と本体１０５の内面２０５とで画成されるキャビティ２０３と流体連通している。キャビティ２０３は、被加工物の一部（図３〜図５の繊維織物３０１及び織物インサート３０２として示す）を挿入できる十分な容積のものである。被加工物は、好ましくは強化繊維織物の一部である。リザーバ１０９はまた、真空ライン１１５を介して真空源１１７と流体連通している。真空源１１７はリザーバ１０９を真空状態にしてリザーバ１０９内の材料を真空に引く。
【００２０】
図３は、図２の矢視３−３断面図を示す。図３に示す断面図は、図面上で第１の端板１０１が水平に配向した第１の端板１０１の一部の拡大図である。第１の端板１０１及び本体１０５には、繊維織物プリフォーム３０１及び織物インサート３０２が装填されている。織物インサート３０２は好ましくはまず本体１０５に取り付けられ、第１の端板１０１及び第２の端板１０３で終端するように配置される（図５も参照）。織物インサート３０２は、好ましくは織物又は織物セグメントの形態の二軸製織布材料である。繊維織物インサート３０２の形成に適した繊維としては、特に限定されないが、炭素、グラファイト、ガラス及びポリアミドの繊維が挙げられる。織物インサート３０２を構成する繊維は、好ましくはグラファイト繊維である。好ましい織物インサート３０２は、中心軸方向から＋４５°方向の２つの３ｋ（３０００ストランド）繊維束と、軸方向トウから−４５°方向の２つの３ｋ繊維束とを有する二軸織が挙げられる。織物インサート３０２は、二軸織物又は織物セグメントその他最終硬化複合材製品を強化できる構成の形態にあればよい。繊維織物プリフォーム３０１は、本体１０５から第１の端板１０１に沿って織物インサート３０２から離れる方向に延びるフランジ部３０５を備えるようにツール１００に取り付けられる。応力緩和締結具１１１を用いてフランジシュー１０７を第１の端板１０１に締結す。同様に、第１の端板１０１は、応力緩和締結具１１１を用いて本体１０５に締結される。
【００２１】
図３は、本体１０５に沿って配置された繊維織物プリフォーム３０１及び織物インサート３０２を示す。繊維織物プリフォーム３０１は約９０°の角度で屈曲した部分を含み、フランジシュー１０７と第１の端板１０１と本体１０５の内面２０５とで画成されるキャビティ２０３内でフランジ形状をなす。織物インサート３０２が繊維織物プリフォーム３０１と本体１０５との間に配置されている。織物インサート３０２は、加熱時に膨らむことのできる端部を第１の端板１０１に隣接して有する。かかる膨張は、織物インサート端部での各繊維のほぐれを伴うものでもよい。フランジシュー１０７と第１の端板１０１と本体１０５とで画成されるキャビティ２０３は、マトリックス材料分配チャネル３０３を介してリザーバ１０９と流体連通している。リザーバ１０９は１以上の真空ライン１１５及び１以上のサイフォン管１１３と流体連通している。
【００２２】
図４は、図２の矢視３−３断面図を示す。断面図は、図３の本体１０５、フランジシュー１０７、繊維織物プリフォーム３０１、織物インサート３０２及び第１の端板１０１と同じ構成の複合材ダクト成形ツール１００の一部を示す。ただし、図４に示す実施形態では、サイフォン管１１３がフランジシュー１０７のサイフォン管凹部４０１内に挿入されている。サイフォン管１１３はマトリックス材料分配チャネル４０３と流体連通している。マトリックス材料分配チャネル４０３はサイフォン管１１３からフランジシュー１０７と第１の端板１０１と本体１０５の内面２０５とで画成されるキャビティ２０３まで延在する。フランジシュー１０７と第１の端板１０１と本体１０５の内面２０５とで画成されるキャビティ２０３は、リザーバチャネル４０５を介してリザーバ１０９と流体連通している。リザーバ１０９は、真空ライン１１５を介して真空源１１７と流体連通している。
【００２３】
図５は、図２の矢視５−５断面図を示す。図５に示す断面図は図面上で第２の端板１０３が水平に配向した部分の拡大図であり、繊維織物プリフォーム３０１及び織物インサート３０２の被加工物が装填されている。図５は、応力緩和締結具１１１を用いて第２の端板１０３に締結されたフランジシュー１０７を示す。第２の端板１０３は、第２の端板締結具５０５で本体１０５に締結される。第２の端板締結具５０５は、応力緩和締結具１１１のように圧力下で降伏することのない締結具である。第２の端板締結具５０５は、ツール１００に発生する圧力下で降伏しない締結具であればどのようなものでもよい。別の実施形態では、第２の端板１０３と本体１０５は永久的に装着されていても、或いは機械加工によって単一部材としたものでもよい。この実施形態では、第２の端板１０３は本体１０５と一体化しており、本体１０５を第２の端板１０３から延在する単一部材として機械加工又は鋳造すればよい。或いは、本体１０５と第２の端板１０３を溶接してもよい。
【００２４】
図５に示す実施形態では、サイフォン管１１３がフランジシュー１０７のサイフォン管凹部５０１内に挿入されている。サイフォン管１１３はマトリックス材料分配チャネル５０３と流体連通している。マトリックス材料分配チャネル５０３はサイフォン管からフランジシュー１０７と第２の端板１０３と本体１０５の内面２０５とで画成されるキャビティ２０３まで延在する。
【００２５】
図６は、本発明に係る複合材格納ダクトを成形するための複合材ダクト成形ツール１００を示し、オートクレーブその他の雰囲気制御装置内に装填される前の、複合材へと成形される織物プリフォーム３０１、織物インサート３０２及びマトリックス材料６０１が装填されている。ツール１００を図６に示す構成へと装填するため、まず第１の端板１０１及び第２の端板１０３の少なくとも一方を取り外す。織物インサート３０２を本体１０５上に配置する。織物インサート３０２の前後に追加の皮膜又は保護層を設けてもよいが、必須ではない。一実施形態では、織物インサート３０２は、本体１０５の直径まで膨張して本体１０５表面に密着させることができる管状織物セグメントであってもよい。取り付ける際に織物インサート３０２の各端部が第１の端板１０１及び第２の端板１０３の双方に当接するような長さに織物インサート３０２を切断する。織物インサート３０２を切断するため、織物インサート３０２を繊維の固定化又は粘着性付与に十分な量のマトリックス材料その他の樹脂と接触させる。必要とされる粘着性は、織物インサート３０２を実質的に膨らませずに所望の長さに切断できるのに十分な程度であればよい。樹脂の使用量が不十分であると、織物インサート３０２内の繊維が早期にほどけて、ツール１００上の織物インサート３０２の位置決めが難しくなる体積に膨張しかねない。
【００２６】
織物インサート３０２上に重ねられた繊維織物プリフォーム３０１の表面には、マトリックス材料６０１層が設けられる。マトリックス材料６０１は、好ましくは別々の部分へと量り分けることができるばら樹脂である。ばら樹脂は、最終形態（例えばシート又はプライ）には加工されておらず、別々の部分に分けることができる未硬化の樹脂である。室温で、ばら樹脂は好ましくは積層可能な固体である。ばら樹脂は実質的に矩形の部分に分けられ、繊維織物プリフォーム３０１の表面に配置される。なお、繊維織物プリフォーム３０１の表面に樹脂を加えるときの部分形状はどんなものでも、本発明での使用に適している。この部分を繊維織物プリフォーム３０１の表面に配置した後、矩形部分を表面形状に合わせる。矩形部分は好ましくは室温で積層可能である。適宜、樹脂の積層性を高めて、矩形部分の形状を表面形状に合わせるのを容易にすべく、ばら樹脂の矩形セクションを予熱してもよい。好適な樹脂としては、特に限定されないが、エポキシ又はポリアミド樹脂が挙げられる。繊維織物プリフォーム３０１の中央部６０７（第１の端板１０１と第２の端板１０３との中間点）でのマトリックス材料６０１の被覆量が多く（つまり単位表面積当たりのマトリックス材料の量が多く）、繊維織物プリフォーム３０１の縁部６０９（第１の端板１０１及び第２の端板１０３近傍の領域）での被覆量が少なく（つまり単位表面積当たりのマトリックス材料の量が少なく）なるように、繊維織物プリフォーム３０１の表面をマトリックス材料で被覆する。この実施形態では、ばら樹脂を例にとったが、本発明では強化マトリックス複合材を形成し得るあらゆるマトリックス材料を使用できる。マトリックス材料６０１は、織物インサート３０２の繊維の固定化に用いた材料と同一でも異なるものでもよい。
【００２７】
ツール１００にマトリックス材料６０１を装填した後、マトリックス材料６０１で被覆した繊維織物プリフォーム３０１にエラストマーカウル６０３を配置する。カウル６０３は、マトリックス材料６０１の通過障壁となる材料から形成される。カウル６０３に適した材料としては、特に限定されないが、シリコーンが挙げられる。マトリックス材料と結合せず、熱及び圧力に耐え、柔軟性を備える材料であれば、どんなものでもカウル６０３の材料として使用できる。カウル６０３は、図１〜図５に示するようにマトリックス材料６０１がマトリックス材料分配チャネル５０３又はマトリックス材料分配真空チャネル３０３、４０３及び４０５、サイフォン管１１３又はリザーバ１０９に侵入しかねない場合に、第１の端板１０１及び第２の端板１０３近傍の領域でのマトリックス材料６０１の移動が繊維織物プリフォーム３０１及び織物インサート３０２の内部及びそれらに沿ってしか起こらないように配置される。織物インサート３０２、繊維織物プリフォーム３０１、マトリックス材料６０１及びカウル６０３を配置したら、端板１０１、１０３及びフランジシュー１０７を図６に示す位置で締結する。ツール１００が装填されたら、装填ツール１００を真空バッグ６０５の内部に入れる。
【００２８】
図７は、図６の領域６００の拡大図を示す。図７に示すように、繊維織物プリフォーム３０１は、第２の端板１０３の表面部分及び本体１０５の表面部分の形状に順応して角度を形成する。織物インサート３０２は本体１０５の表面に沿って配置され、第２の端板１０３に隣接して終端する。織物インサート３０２は複数のプライ７０１で構成され、織物インサート３０２を形成する層の厚さを増すように積層される。図７では４層のプライを示したが、厚さを増減したり或いは繊維数を増減するため、どのような数のプライを使用し或いは選択してもよい。繊維織物プリフォーム３０１及び織物インサート３０２をツール１００に装填する際に、第２の端板１０３の表面と本体１０５の表面との角度のため間隙７０３が生じることがある。間隙７０３には、樹脂が流れ込んで樹脂密度の高いポケットを形成し得る領域が包含される。織物インサート３０２は、装置を加熱したときに膨らんで間隙７０３を埋める繊維を含むように選択される。織物インサート３０２の材料としては、特に限定されないが、炭素、グラファイト、ガラス及びポリアミド繊維が挙げられる。織物インサート３０２内の繊維は、樹脂なしで又は加熱樹脂のような低粘度樹脂に曝露されたときに膨らむように構成される。膨張に適した繊維の構成としては二軸グラファイト繊維が挙げられる。繊維は、好ましくは中心軸方向から＋４５°方向の２つの３ｋ（３０００ストランド）繊維束と、軸方向トウから−４５°方向の２つの３ｋ繊維束とを含む。織物インサート３０の膨張は、繊維記憶、トウ内部の圧縮力の解放、その他織物インサート３０２内で繊維トウをほぐすことができる力を始めとする適当な機序で起こる。膨張は、装置が加熱され、織物インサート３０２の端部に粘着性を付与するのに用いた樹脂の粘度が低下したときに、間隙７０３を繊維が実質的に均一に充填するように起こる。
【００２９】
図８は、硬化サイクルの加熱及び保持段階で加熱したときのツール１００及び（図６に例示した）マトリックス材料６０１の運動を示す。マトリックス材料６０１は加熱すると液体又は流体となり、繊維織物プリフォーム３０１を含浸し始め、部分含浸繊維織物プリフォーム８０１を生じる。マトリックス材料６０１が液体又は流体となると、繊維織物プリフォーム３０１及び織物インサート３０２の中央部６０７（第１の端板１０１と第２の端板１０３との中間点）から矢印８０３の方向に流れる。この時点で液体樹脂となったマトリックス材料６０１が繊維織物プリフォーム３０１及び織物インサート３０２の中央部から外縁部６０９まで移動すると、マトリックス材料６０１から放出された空気、揮発性ガス、その他繊維織物プリフォーム３０１及び織物インサート３０２内に捕捉されていてボイドの原因となりかねない不純物又はガスのような物質が、第１の端板１０１及び第２の端板１０３近傍の織物の外縁部６０９へと向かうバルクマトリックス材料６０１の流れによって押し出される。マトリックス材料６０１は、第１の端板１０１及び第２の端板１０３と本体１０５の接合部とで画成される角部にも流れ込む。マトリックス材料６０１の粘度が低下するので、織物インサート３０２の繊維はその切断端で膨らんで間隙７０３を満たすようになる。過剰のマトリックス材料６０１並びにマトリックス材料６０１からの空気、揮発性ガスその他サイフォン管１１３への空所流を生じかねない物質は、リザーバ１０９内又は図１〜図５に示すマトリックス材料分配チャネル４０３を通してフランジシュー１０７と第２の端板１０３と本体１０５の内面２０５とで画成されるキャビティ２０３内へと吸い込まれる。
【００３０】
図９は、図８の領域８００の分解図を示す。図９に示す構成は図７に示す構成と同じである。ただし、ツール１００が加熱されると、織物インサート３０２の端部で繊維の固定化に用いた材料の粘度が温度の上昇に伴って低下し、間隙７０３近傍のプライが解体などの機序によって膨らみ、部分的にほどけた繊維９００が間隙７０３を満たす。膨張によって、硬化複合材の角部でマトリックス材料中の繊維が実質的に均一に分布させることができる。ほぐれた繊維９００は好ましくは制御された膨張を呈するが、これは温度と得られるマトリックス材料の粘度、使用する織布又は織物セグメントの種類及び繊維材料によって左右される。
【００３１】
図１０は、硬化サイクルの加熱及び保持段階で加熱したときのツール１００及び部分含浸繊維織物プリフォーム７０１を示す。第１の端板１０１、第２の端板１０３、本体１０５及びフランジシュー１０７は、部分含浸繊維織物プリフォーム８０１よりも熱膨張係数の大きい材料から製造される。その結果、図８に示すように加熱時に第１の端板１０１、第２の端板１０３、本体１０５及びフランジシュー１０７はいずれも矢印１００１で示すようにあらゆる方向に膨張する。部分含浸繊維織物プリフォーム８０１は、本体１０５に比べて膨張度が少ない。部分含浸繊維織物プリフォーム８０１とツール１００との熱膨張量の差は矢印１００３で示す張力を生じ、部分含浸繊維織物プリフォーム８０１を張りつめるように作用する。マトリックス材料の硬化前に張りつめられた繊維織物プリフォーム８０１は、波もしわも実質的にない強度の高い均一な材料を与える。織物インサート３０２は図９に示すように膨らんで強化用繊維に隣接する空間を満たす。
【００３２】
図１１は、硬化サイクルの加熱及び保持段階で加圧したときのツール１００を示す。フランジシュー１０７は、第１の端板１０１及び第２の端板１０３に平行な平面で大きな表面積１００７をもつように製造される。硬化サイクルにおいてオートクレーブ内の圧力が高まると、真空バッグ６０５及びフランジシュー１０７表面でフランジシュー１０７の表面積１００７に対して作用する矢印１００５で示すオートクレーブ雰囲気の力が増す。フランジシュー１０７について選択される表面積１００７が大きいほど、真空作用による力は大きくなる。フランジシュー１０７表面は、フランジ状形状をなす繊維織物プリフォーム３０１よりも表面積１００７が大きく、オートクレーブ圧力からの実質的な位置保持力が加わる。圧力で繊維織物プリフォーム３０１が所定の位置に保持され、本体１０５が膨張して繊維織物プリフォーム３０１を張りつめる。硬化サイクルは、樹脂が十分に分布し、マトリックス材料が硬化するまで続けられる。
【００３３】
図６〜図１１は、マトリックス材料の含浸及び硬化プロセスの様々な段階を示す。図６は、オートクレーブ（図示せず）に装填する前のツール１００を示す。図７〜図１０は、加熱時のツール１００を示す。図１１は、オートクレーブ圧力下のツール１００を示す。図６〜図１１は、図１及び図２に示すツール１００の本体１０５の円筒形部分の中心軸から径方向の断面を示す。図６〜図１１は、図１及び図２に示す配置の本体１０５、第１の端板１０１、第２の端板１０３及びフランジシュー１０７を有するツール１００を示す。便宜上、図６〜図１１には、応力緩和締結具１１１及び５０５、サイフォン管１１３、リザーバ１０９、真空ライン１１５、マトリックス材料分配チャネル５０３又はマトリックス材料分布、真空チャネル３０３、４０３及び４０５は示していない。なお、これらの各構成要素は、オートクレーブに装填されるツール１００に存在するとともに、ツール１００を囲繞する真空膜又はバッグ６０５内に存在する。
【００３４】
図１２は、本発明に係る複合材格納ダクト１１００を示す。複合材格納ダクト１１００はツール１００を用いて製造された製品である（図１〜図２参照）。複合材格納ダクト１１００は、ダクト本体１１０３と一体化した高強度フランジ１１０１を有する単一部材である。フランジ１１０１の強度は複合材格納ダクト１１００の機能に重要である。例えば格納ダクト１１００は、ガスタービンエンジンのファンのファンブレードの格納に適したものでもよい。フランジの角部は繊維が実質的に均一に分布し、樹脂密度の高いポケットはほとんど又は全く存在しない。織物インサート３０２の使用によって角部１１０２は繊維密度が実質的に均一となるが、織物インサート３０２を使用しなければ間隙が樹脂で充填されていたはずである。角部１１０２は繊維密度が実質的に均一であるので、フランジは引張応力と圧縮応力のいずれにも優れた耐性を呈し、応力は繊維強化材に伝達され、樹脂ポケットが実質的に存在しないので亀裂を生じることなく応力が伝達される。
【００３５】
複合材格納ダクト１１００を締結具で他の部品に取り付けることができるように、フランジ１１０１に孔１１０５が機械加工される。フランジ１１０１は、複合材格納ダクト１１００を他の部品に取り付けることができる表面を与える。他の部品としては、第２の複合材格納ダクト１１００が挙げられる。２つの格納ダクトの取り付けると、長さを伸ばして収束及び発散ダクト部を有するダクトを得ることができるという利点がある。この実施形態では、複合材格納ダクト１１００は、テーパー付きダクト本体１１０３を有し、ダクトの一方のフランジの直径はダクトの他方のフランジの直径よりも大きい。本発明の方法で成形した強固なフランジ１１０１は、複数の複合材を集成して大型部品を形成することができる。格納ダクト用途によっては、収束部と発散部とを有する格納ダクトが望ましい。一方で収束し、他方で発散する格納ダクト１１００を形成するため、テーパー付き格納ダクト１１００をダクト直径の小さい格納ダクト端部のフランジで第２の実質的に同一のテーパー付き格納ダクト１１００に取り付ける。ダクト直径の小さい方のフランジ同士を取り付けることによって、集成格納ダクトの一端から中央部にかけて集束し、集成格納ダクトの中央部から他端にかけて発散するダクトを得ることができる。フランジは、ガスタービンエンジン（図示せず）の一部に締結することもできる。本発明の方法で成形した強固なフランジ１１０１は、複数の部品を互いに集成して大型部品を形成することができる。一実施形態では、フランジをガスタービンエンジンに締結して、実質的にファンブレード先端のなす経路の外周に沿ってガスタービンエンジンのファンブレード（図示せず）がダクト本体１１０３の内部１１０７に位置し、ファンブレードを格納できるようにする。
【００３６】
本発明の格納ダクト１１００のフランジ１１０１は高い強度を有する。高い強度に寄与する一つの因子は、フランジ１１０１が格納ダクト１１００の一体部品として形成されることである。さらに、フランジ１１０１内部の繊維が張りつめられ、実質的に整列して強度を増す。繊維をいったん硬化すれば繊維は整列した状態にとどまり、優れた格納特性を与える。加えて、格納ダクト内部のマトリックス分布は、ダクト本体１１０３全体及びフランジ１１０１全体で実質的に均一である。フランジ１１０１内部の実質的に均一な分布はフランジ１１０１の高い強度に寄与する。フランジ１１０１は、壁部と同様に、プレストレスト強化繊維を有しており、均一なマトリックス分布を有する。
【００３７】
図１３は、本発明で使用される織物インサート３０２の一部を示す。織物インサート３０２は、好ましくは織物セグメント又は織物の形態の二軸製織布材料である。図１３に示すように、織物インサート３０２は織物構造を有する。好ましくは織物インサート３０２は２つの独立したトウ１３０１からなり、繊維束を互いに実質的に４５°の角度に配向するように製織したものからなる。繊維織物インサート３０２の形成に適した繊維としては、特に限定されないが、炭素、グラファイト、ガラス及びポリアミド繊維が挙げられる。織物インサート３０２を構成する繊維は、好ましくはグラファイト繊維を二軸織物に製織したものである。具体的な製織法は、織物インサート３０２の一部が膨らんで繊維の存在しない領域又は繊維密度の低い領域に繊維をもたらすことができるような製織法又は構成であればよい。織物インサート３０２は、中心軸方向から＋４５°方向の２つの３ｋ（３０００ストランド）繊維束と、軸方向トウから−４５°方向の２つの３ｋ繊維束とを含んでいてもよい。図１３に示す織物インサート３０２の部分は、その繊維の固定化又は粘着性付与に十分なマトリックス材料その他の樹脂材料の添加によって形成された切断端１３０２を含む。材料を加熱するとマトリックス材料の粘度が低下するので固定化が解け、トウ１３０１が解体その他の膨張機構で膨らんで、織物インサート３０２近傍の領域を充填する。膨張は好ましくは切断端１３０２又はその近傍で最大となり、織物インサート３０２の大部分では小さい。この膨張によって、切断端１３０２近傍の領域での繊維分布が制御される。
【００３８】
ツール１００は、繊維織物プリフォーム３０１よりも熱膨張係数の大きい材料から製造される。ツール材料の一つの選択基準は、繊維織物プリフォーム３０１に望まれる張力の量である。所要の張力が大きいほど、ツール材料の熱膨張係数を大きくすべきである。所要の張力が小さいほど、ツール材料の熱膨張係数は小さくてすむ。好ましくは、ツール１００は金属材料から製造される。繊維織物プリフォーム３０１及び織物インサート３０２を構成する繊維は、金属材料に比して熱膨張係数が小さい。そのため、ツール１００が加熱されると、ツール材料は繊維織物プリフォーム３０１の膨張速度よりも格段に速い速度で膨張する。繊維織物プリフォーム３０１の膨張とツール１００の膨張との関係で生じる張力は、繊維織物プリフォーム３０１を張りつめるように作用し、繊維を実質的に整列させて、波及びしわが実質的に存在しない強度の高い均一な複合材を生じる。繊維に比してツール１００の熱膨張が大きいほど、生ずる張力は大きくなる。ツール１００の製造に適した材料としては、特に限定されないが、アルミニウム及び鋼鉄が挙げられる。
【００３９】
複合マトリックス用の繊維織物プリフォーム３０１は、好ましくは製織繊維織物である。繊維織物は、強化マトリックス材料を形成できるプリフォームである。様々な繊維が複合マトリックス材料６０１での使用に適している。繊維を製織又は諸撚して複合プリフォームを形成してもよい。本発明の一実施形態では、繊維織物プリフォーム３０１は複数のストランド束の三軸織布である。三軸織布は、軸線方向に延びるストランド束と、軸方向束から約＋６０°に配向したストランド束と、軸方向束から約−６０°に配向した第３のストランド束とを有する。繊維織物プリフォーム３０１の形成に適した繊維としては、特に限定されないが、炭素、グラファイト、ガラス及びポリアミド繊維が挙げられる。繊維は好ましくはグラファイト繊維である。繊維としては、特に限定されないが、三軸グラファイト繊維が挙げられる。好ましい繊維織物プリフォーム３０１は、軸方向の２４ｋ（２４０００ストランド）束トウと、軸方向トウから＋６０°方向の２つの１２ｋ（１２０００ストランド）束と、軸方向トウから−６０°方向の２つの１２ｋ束とを有する三軸グラファイト繊維を含む。繊維の配向は好ましくは硬化前の繊維を張りつめることができる繊物を与えるものである。繊維織物プリフォーム３０１は好ましくはドライである。ドライとは、ツール１００に繊維織物プリフォーム３０１を装填する前の繊維織物にマトリックス材料が含浸されていないことを意味する。繊維織物プリフォーム３０１は織物インサート３０２と同一でも異なるものでもよい。
【００４０】
本発明の強化マトリックス複合材に用いるマトリックス材料６０１は、強化繊維で強化すると高強度マトリックス複合材を形成する硬化性材料である。本発明の強化複合材料に用いる好適なマトリックス材料６０１としては、特に限定されないが、エポキシ及びポリアミドが挙げられる。
【００４１】
本発明の一実施形態では、ツール１００は、好ましくは所定のスプール形状を有する。スプール形状は、略円筒形の本体１０５に２枚の端板１０１及び１０３を取り付けたものである。２枚の端板１０１及び１０３の少なくとも一方は本体に締結され、着脱可能である。本発明のこの実施形態では、ツール１００は、ツール１００に強化繊維材料を装填するため端板１０１及び１０３の平面が垂直に配向するような配置に配向される。グラファイト繊維織物プリフォーム３０１はスプールの本体１０５の周囲に配置される。プリフォームのフランジ部３０５は、端板１０１及び１０３の各々の長さに沿って配置される。第１の端板１０１及び第２の端板１０３に沿って延在する織物のフランジ部３０５はフランジ様形状を形成する。
【００４２】
本発明の別の実施形態は、所望の複合材の形状をした表面を有するツール１００を設ける段階を含む。本発明の一実施形態では、本体１０５は実質的に円筒形格納ダクトの形状である。この実施形態では、円筒形ダクトは好ましくは本体１０５の中心軸に向かって内側にテーパーが付けられる。完成強化マトリックス複合材の形状は、略円筒形に限定されない。フランジ外縁部を有するあらゆる形状を、本発明の方法を用いて製造することができる。略円筒形のダクト以外の好適な形状としては、特に限定されないが、複雑な断面形状を有するダクト（例えば、矩形ダクト、三角形ダクト又は長円形ダクト）、平面パネルその他壁構造を有する複雑な形状が挙げられる。さらに、外形的特徴部を有する壁構造も本発明のツール１００及び方法を用いて成形することができる。本発明のツール１００は、同様に、完成複合材と実質的に同じ形状の本体１０５を有する。
【００４３】
図１４は、本発明の方法を用いて成形することができる別の形状の例を示す。図示した幾何形状は、本体１４０１の角部に複数のフランジ１４０３を有する正方形ダクト１４００である。正方形ダクト１４００の成形に用いられるツールは図１〜図２に示すものと同様のツールを含むが、その表面は正方形ダクトを与えるように構成されており、強化繊維を整列させるため本体１０５が熱膨張で伸びるようにしてもよい。図１４では正方形ダクトを示したが、矩形、長円形その他あらゆる形状のものを用いることができる。同様に、フランジ１４０３の構成はダクトを支持できるものであればよく、特に限定されないが、コーナーフランジ、タブフランジ又は中央面フランジが挙げられる。同様に、どのような数のフランジ１４０３を形成してもよい。
【００４４】
図１５は、図１４の矢視１５−１５断面図を示す。フランジ１４０３は本体１４０１からダクト表面１４０５と実質的に直角に延在する。フランジの配置は、様々な構成のガスタービンエンジンその他の物品に取り付けることができるものである。
【００４５】
図１６は、図１５の加熱前の領域１５００の分解図を示す。図１６では、繊維織物プリフォーム３０１及び織物インサート３０２は、フランジ１４０３を形成するように配置されたプライ７０１を含む。フランジの角度は約９０°に等しいが、どのような角度であってもよい。プリフォームを配置した角度で間隙７０３が形成される。
【００４６】
図１７は、図１５の加熱時及び加熱後の領域１５００の分解図を示す。図１７では、織物インサート３０２が膨らんでほどけた繊維９００が間隙７０３を満たす。ほどけた繊維は間隙７０３を十分に満たして、マトリックス材料中の繊維が実質的に均一に分布できるようにする。
【００４７】
本発明の方法及びツール１００は、大型部品を支持するとともに、過酷な応力下でも大型部品がその格納特性を維持できる十分強固なフランジを有する大型部品を製造することができる。本発明のツール１００及び方法は、直径約１０フィート以上の円筒形部品を始め、直径約５フィート以上の円筒形部品を含む大きな壁構造を有する部品の製造に特に適している。一実施形態では、本発明のツールは、実質的に均一なマトリックス分布と、圧縮及び引張応力に対する強いフランジ耐性と低いボイド含有率とを保持した直径約１０フィート以上の円筒形部品を製造することができる。
【００４８】
本発明のプロセスで製造できる製品としては、上述のファンケーシングが挙げられるが、ガスタービンエンジンに有用な他の部品も挙げられる。他の部品としては、例えば構造及び非構造ケーシング、ダクト及び／又はベーンが挙げられる。好ましくは、本発明に係る部品は環状幾何形状を含む。
【００４９】
以上、好ましい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せずに様々な変更を加えることができ、本発明の構成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自明であろう。また、本発明の要旨から逸脱せずに、特定の状況又は材料を本発明の教示内容に適合させるための様々な変更をなすこともできる。したがって、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てきた実施形態に限定されるものではなく、本発明は特許請求の範囲に記載の技術的範囲に属するあらゆる実施形態を包含する。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の一実施形態に係る複合材格納ダクトの成形用ツールの斜視図。
【図２】本発明の一実施形態に係る複合材格納ダクトの成形用ツールの側面図。
【図３】本発明の一実施形態に係る複合材格納ダクトの成形用ツールの第１の部分の別の実施形態の断面図。
【図４】本発明の一実施形態に係る複合材格納ダクトの成形用ツールの第１の部分の別の実施形態の断面図。
【図５】本発明の一実施形態に係る複合材格納ダクトの成形用ツールの第２の部分の断面図。
【図６】本発明の一実施形態に係る加熱前の複合材格納ダクトの成形用ツール。
【図７】図６の領域６００の分解図。
【図８】本発明の一実施形態に係る加熱時及び加熱後の複合材格納ダクトの成形用ツール。
【図９】図６の領域８００の分解図。
【図１０】本発明の一実施形態に係る加熱時の複合材格納ダクトの成形用ツール。
【図１１】本発明の一実施形態に係る加熱時の複合材格納ダクトの成形用ツール。
【図１２】本発明の一実施形態に係る複合材格納ダクトの斜視図。
【図１３】二軸織布の一部２２を示す図。
【図１４】本発明の一実施形態に係る別の複合材物品の斜視図。
【図１５】図１４の矢視１５−１５断面図。
【図１６】加熱前の図１５の領域１５００の分解図。
【図１７】加熱時及び加熱後の図１５の領域１５００の分解図。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合材物品及びその製造方法に関する。特に、本発明は複合材環状ガスタービンエンジン部品の角部に関する。
【背景技術】
【０００２】
航空機エンジン設計では、航空機の燃料効率及び推進性能を高めるため航空機エンジン部品の材料の軽量化が絶えず求められている。航空機部品は従来鋼鉄で作られてきた。しかし、鋼鉄は比較的重いため、アルミニウム又はチタニウムのような軽量高強度材料で置換されてきた。軽量部品の製造技術の進歩に伴って、グラファイト樹脂をポリイミド樹脂中に埋め込んだ複合材のような非金属材料が開発されている。複合材料は、マトリックス材料の内部に繊維を埋封した材料である。繊維はマトリックス材料を強化する。マトリックス中に埋め込む前の繊維構造体は一般にプリフォームと呼ばれる。グラファイト繊維を樹脂系に埋め込んだものには、材料を部品へと成形するのが難しいこと、多孔率が高いこと、微小亀裂、層間剥離、並びに装置及びプロセスが高価であることを始めとする短所がある。
【０００３】
グラファイトエポキシ複合材ファンダクトは、Ｐｒａｔｔの米国特許第５１４５６２１号（以下、「‘６２１号特許」という。）に開示されたクロスオーバーツールを用いて製造されている。‘６２１号特許では、製織グラファイト繊維プリフォームを大型スプール上に取り付けて、グラファイトエポキシ複合材ファンダクトを形成する。繊維はスプールの両端でフランジを形成するように配置される。スプールの形状によって完成複合材の最終形状が実質的に決まる。クロスオーバーツールで、スプール上のグラファイトの繊維を引っ張って張力を与える。ツールでは、繊維のフランジ部を取り囲む複雑なスパイダーツールであって独立した３個の真空エンベロープと組み合わせたときに圧力を与えるスパイダーツールを用いて繊維を引っ張る。‘６２１号特許に開示されたクロスオーバーツール及び方法の短所としては、プロセスが複雑であり、ツールが高価で使用が難しいことが挙げられる。
【０００４】
グラファイトエポキシ複合ファンケースは、Ｄｅｓａｕｔｅｌｓ他の米国特許第５５９７４３５号（以下、「‘４３５号特許」という。）に開示された、製造時に強化材料のプライに力を加えるのを補助するための弾性材料を利用した成形システムによっても製造されている。複合マトリックスの製造のため、未硬化の繊維強化プリプレグ型プライ（すなわちプライ）を金型に取り付ける。プリプレグプライは、金型に取り付ける前に未硬化マトリックス材料で含浸したプライである。プライを所定の位置に保持するため強制部材及び拘束部材をプライ上に配置する。強制部材は、拘束部材と金型上のプライの間に配置かれる。金型、プライ、拘束部材及び強制部材を炉に入れて加熱する。このアセンブリを加熱すると、強制部材が均一に膨張して均一な圧力がプライに加わる。その結果、温度の上昇に伴ってプライが圧縮される。’４３５号特許のプロセスは、材料の体積を減らすだけで、完成複合材に高強度及び均一性をもたらす繊維配向を与えるように織物を張りつめることがなされないという短所を有する。
【０００５】
複合ファンケーシングの公知の製造法は、フランジ角部の樹脂密度が複合体に比して増大し、その結果フランジの圧縮強度が低下するという短所を有する。具体的には、樹脂密度の増加によって、製造時及び作動時の熱収縮に起因する微小亀裂を生じる。繊維強化材に比して樹脂密度が増大すると、強化材への応力の伝達が不十分となり、フランジの微小亀裂又は早期故障を起こしかねない。
【０００６】
樹脂密度の増大の問題を軽減するため、樹脂密度が増大すると予測される空間内で繊維を撚って分布させることが行われている。撚り繊維は、硬化時に空間内で実質的にランダムに萎縮する。しかし、撚り繊維は、空間に十分に適応せず、樹脂密度の増大した領域が依然として残るという短所がある。また、ランダム分布のため繊維の配置が不揃いで、繊維の一部が垂直に配向しているため強度が幾分失われる。さらに、フランジの上記空間内の材料は繊維分布にバラツキがあり、不均一な特性をもたらす。
【特許文献１】米国特許第５１４５６２１号明細書
【特許文献２】米国特許第５５９７４３５号明細書
【特許文献３】米国特許第６４８５６６０号明細書
【特許文献４】米国特許第６３５３１４９号明細書
【特許文献５】米国特許第５９５２０６７号明細書
【特許文献６】米国特許第５７４６８５４号明細書
【特許文献７】米国特許第５４１９２３１号明細書
【特許文献８】米国特許第５１７１５１０号明細書
【特許文献９】米国特許第５０２６５９５号明細書
【特許文献１０】米国特許第４９８６９４９号明細書
【特許文献１１】米国特許第４４６８８４５号明細書
【特許文献１２】米国特許第４４６７８３８号明細書
【特許文献１３】国際公開第９６／０５３８６号パンフレット
【特許文献１４】特開２００２−０５２６１８号公報
【特許文献１５】欧州特許出願公開第１４６４６６１号明細書
【特許文献１６】欧州特許出願公開第１２３４６５４号明細書
【特許文献１７】欧州特許出願公開第１０３１４０３号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、環状ガスタービンエンジン部品のフランジ角部の高樹脂密度領域を低減もしくはなくす方法が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のガスタービンエンジン部品及び複合ガスタービンエンジン部品の製造方法は、互いにある角度で配置された第１及び第２の表面を有するツールを準備する段階を含む。第１の表面と第２の表面との角部近傍で終端する端部を有する繊維セグメントを第１の表面に取り付ける。繊維セグメント上及び第２の表面に繊維プリフォームを配置する。次いで、繊維プリフォーム又は繊維セグメントの１以上にマトリックス材料を加える。繊維セグメントの端部を膨らませることができる十分な温度に繊維セグメント及び繊維プリフォームを加熱する。次いでマトリックス材料を硬化して角部分の繊維分布が実質的に均一な複合材物品を形成する。
【０００９】
本発明の別の態様は、互いにある角度で構成された１以上の表面を有する幾何形状の繊維強化樹脂を有するガスタービンエンジン用複合材物品である。繊維強化樹脂は、強化樹脂中の繊維密度が角度領域内で実質的に均一であり、角度領域は圧縮荷重及び引張荷重のいずれにも耐性である。
【００１０】
本発明の一実施形態に係る方法及びツールは、高強度で組成が均一なフランジを有するファンケーシング、ベーン及び支柱のような複合材格納ダクトとしての用途に適した軽量強化マトリックス複合材料を形成する。
【００１１】
本発明の一実施形態に係る方法は、直径約１０フィートの部材のように直径が約５フィートを超える円筒形部材を始めとする大型複合材部品の製造に特に適している。本発明の利点は、かかるフランジが大型複合材ファンケーシングのような大型部品を保持し、その格納特性を維持するのに適していることである。
【００１２】
本発明の一実施形態に係る方法は、組成の均一性が高く、高樹脂密度領域のような欠陥の少ない繊維強化マトリックス複合材の製造方法を提供する。
【００１３】
本発明の一実施形態に係る方法は、フランジ又はその近傍での材料の一貫性が向上しているため、廃棄及び／又は補修部材の少ないフランジ部品を製造できる。
【００１４】
本発明のその他の特徴及び利点は、本発明の原理を例示した添付の図面と併せて以下の好ましい実施形態に関する詳細な説明を参酌することによって明らかになろう。
【００１５】
図面全体を通して、同一又は類似の部品にはできるだけ同じ参照符号を付した。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は、本発明に係る複合材格納ダクトを成形するための複合材ダクト成形ツール１００を示す。ツール１００は略円筒形の本体１０５を備える。第１の端板１０１及び第２の端板１０３が本体１０５両側の平面端部近傍に配置されている。本体１０５並びに第１の端板１０１及び第２の端板１０３は、ツール１００で保持される被加工物よりも熱膨張係数の大きい材料で製造される。本体１０５並びに第１の端板１０１及び第２の端板１０３用の材料としては、特に限定されないが、金属又は合金が挙げられる。本体１０５に適した材料としては、アルミニウム及び鋼鉄が挙げられる。第１の端板１０１は応力緩和締結具１１１で本体１０５に締結される。本体１０５近傍の第２の端板１０３は本体１０５に取り付けられる。本体１０５は略円筒形の幾何形状を有する。略円筒形の本体１０５は、好ましくは、第１の端板１０１近傍の小さな直径から第２の端板１０３の大きな直径までテーパーが付けらる。図１では円筒形の本体１０５を示すが、本体は円筒形に限定されない。本体のその他の幾何形状としては、特に限定されないが、矩形、長円形及び三角形の幾何形状が挙げられる。別の実施形態では、本体１０５は、第１の端板１０１と第２の端板１０３の間の中間点で小さな直径径となり、本体１０５の両端で大きな直径となる略円筒形の幾何形状を有する。本体１０５は、完成後の強化マトリックス複合部品の取り出しを容易にするため、複数の着脱可能な構成部材で製造してもよい。
【００１７】
図１は、第１の端板１０１の第２の端板１０３に近い方の面に隣接して本体の外周の周りに配置されたフランジシューの第１の組１１９を示す。フランジシュー１０７の第２の組１２１は、第２の端板の第１の端板１０１に近い方の面に新設して本体１０５の外周の周りに配置される。フランジシューの第１及び第２の組１１９及び１２１の各フランジシュー１０７は、フランジシュー接合部１０８で互いに接触する。フランジシュー１０７は、ツール１００で保持される被加工物よりも熱膨張係数の大きい材料からなるプレートである。フランジシュー１０７用の材料としては、特に限定されないが、金属又は合金が挙げられる。フランジシュー１０７に適した材料としては、アルミニウム及び鋼鉄が挙げられる。フランジシュー１０７は、応力緩和締結具１１１で第１の端板１０１及び第２の端板１０３に締結される。応力緩和締結具１１１は、第１の端板１０１及び第２の端板１０３を締結するだけでなく、第１の端板１０１を本体１０５に締結する。図１に示すように、フランジシュー１０７を締結する応力緩和締結具１１１は、第１の端板１０１及び第２の端板１０３とフランジシュー１０７とを貫通する。第１の端板１０１を本体１０５に締結する応力緩和締結具１１１は、第１の端板１０１を貫通して本体１０５内に延在する。本発明では、応力緩和締結具１１１は、被加工物を装填する際に、第１の端板１０１と第１の組のフランジシュー１１９及び第２の組のフランジシュー１２１のフランジシュー１０７とを配置できるが、熱膨張その他の力による圧力に降伏する締結具であればよい。フランジシュー１０７を保持する締結具が適当な半径方向応力下で降伏し、端部フランジプレートを保持する締結具が降伏して軸方向応力を緩和するときに、応力緩和が起こる。応力緩和締結具１１１に適した材料としては、特に限定されないが、ナイロンが挙げられる。１以上のリザーバ１０９が第１の端板１０１の表面に配置される。リザーバ１０９は真空ライン１１５を介して真空源と流体連通してる。リザーバ１０９は別個の部品として示してあるが、第１の端板１０１と一体に製造してもよい。
【００１８】
図２は、図面上で第１の端板１０１と第２の端板１０３が水平に配向したツール１００の一実施形態を示す。図２に示す配向は、第１の端板１０１が第２の端板１０３の上で実質的に水平に配向し、本体１０５の中心軸が実質的に垂直方向に向いた状態でツール１００をオートクレーブ内に装填する本発明の実施形態を例示したものである。この実施形態では、オートクレーブに言及するが、ツールを加熱・加圧する機能を有するチャンバであれば、どのようなチャンバも本発明での使用に適している。図２は、本体１０５の外周の周りに配置されたフランジシュー１０７を示す。第１の組のフランジシュー１１９は、第１の端板１０１の第２の端板１０３に近い方の面に締結される。第２の組のフランジシュー１２１は第２の端板１０３の第１の端板１０１に近い方の面に締結される。
【００１９】
第２の端板１０３に隣接する表面に沿って各フランジシュー１０７間のフランジシュー接合部１０８にチャネル２０１が機械加工され、フランジシュー接合部１０８の本体１０５に隣接する内面２０５から外周まで流体連通を形成する。フランジシュー接合部１０８の外周にサイフォン管１１３が取り付けられ、第２の端板１０３に隣接するチャネル２０１と流体連通して配置される。サイフォン管１１３は、第１の端板１０１に隣接するリザーバ１０９と流体連通している。各リザーバ１０９は、真空下でマトリックス材料を収容できる中空チャンバである。各リザーバ１０９は、フランジシュー１０７と第１の端板１０１の下面と本体１０５の内面２０５とで画成されるキャビティ２０３と流体連通している。キャビティ２０３は、被加工物の一部（図３〜図５の繊維織物３０１及び織物インサート３０２として示す）を挿入できる十分な容積のものである。被加工物は、好ましくは強化繊維織物の一部である。リザーバ１０９はまた、真空ライン１１５を介して真空源１１７と流体連通している。真空源１１７はリザーバ１０９を真空状態にしてリザーバ１０９内の材料を真空に引く。
【００２０】
図３は、図２の矢視３−３断面図を示す。図３に示す断面図は、図面上で第１の端板１０１が水平に配向した第１の端板１０１の一部の拡大図である。第１の端板１０１及び本体１０５には、繊維織物プリフォーム３０１及び織物インサート３０２が装填されている。織物インサート３０２は好ましくはまず本体１０５に取り付けられ、第１の端板１０１及び第２の端板１０３で終端するように配置される（図５も参照）。織物インサート３０２は、好ましくは織物又は織物セグメントの形態の二軸製織布材料である。繊維織物インサート３０２の形成に適した繊維としては、特に限定されないが、炭素、グラファイト、ガラス及びポリアミドの繊維が挙げられる。織物インサート３０２を構成する繊維は、好ましくはグラファイト繊維である。好ましい織物インサート３０２は、中心軸方向から＋４５°方向の２つの３ｋ（３０００ストランド）繊維束と、軸方向トウから−４５°方向の２つの３ｋ繊維束とを有する二軸織が挙げられる。織物インサート３０２は、二軸織物又は織物セグメントその他最終硬化複合材製品を強化できる構成の形態にあればよい。繊維織物プリフォーム３０１は、本体１０５から第１の端板１０１に沿って織物インサート３０２から離れる方向に延びるフランジ部３０５を備えるようにツール１００に取り付けられる。応力緩和締結具１１１を用いてフランジシュー１０７を第１の端板１０１に締結す。同様に、第１の端板１０１は、応力緩和締結具１１１を用いて本体１０５に締結される。
【００２１】
図３は、本体１０５に沿って配置された繊維織物プリフォーム３０１及び織物インサート３０２を示す。繊維織物プリフォーム３０１は約９０°の角度で屈曲した部分を含み、フランジシュー１０７と第１の端板１０１と本体１０５の内面２０５とで画成されるキャビティ２０３内でフランジ形状をなす。織物インサート３０２が繊維織物プリフォーム３０１と本体１０５との間に配置されている。織物インサート３０２は、加熱時に膨らむことのできる端部を第１の端板１０１に隣接して有する。かかる膨張は、織物インサート端部での各繊維のほぐれを伴うものでもよい。フランジシュー１０７と第１の端板１０１と本体１０５とで画成されるキャビティ２０３は、マトリックス材料分配チャネル３０３を介してリザーバ１０９と流体連通している。リザーバ１０９は１以上の真空ライン１１５及び１以上のサイフォン管１１３と流体連通している。
【００２２】
図４は、図２の矢視３−３断面図を示す。断面図は、図３の本体１０５、フランジシュー１０７、繊維織物プリフォーム３０１、織物インサート３０２及び第１の端板１０１と同じ構成の複合材ダクト成形ツール１００の一部を示す。ただし、図４に示す実施形態では、サイフォン管１１３がフランジシュー１０７のサイフォン管凹部４０１内に挿入されている。サイフォン管１１３はマトリックス材料分配チャネル４０３と流体連通している。マトリックス材料分配チャネル４０３はサイフォン管１１３からフランジシュー１０７と第１の端板１０１と本体１０５の内面２０５とで画成されるキャビティ２０３まで延在する。フランジシュー１０７と第１の端板１０１と本体１０５の内面２０５とで画成されるキャビティ２０３は、リザーバチャネル４０５を介してリザーバ１０９と流体連通している。リザーバ１０９は、真空ライン１１５を介して真空源１１７と流体連通している。
【００２３】
図５は、図２の矢視５−５断面図を示す。図５に示す断面図は図面上で第２の端板１０３が水平に配向した部分の拡大図であり、繊維織物プリフォーム３０１及び織物インサート３０２の被加工物が装填されている。図５は、応力緩和締結具１１１を用いて第２の端板１０３に締結されたフランジシュー１０７を示す。第２の端板１０３は、第２の端板締結具５０５で本体１０５に締結される。第２の端板締結具５０５は、応力緩和締結具１１１のように圧力下で降伏することのない締結具である。第２の端板締結具５０５は、ツール１００に発生する圧力下で降伏しない締結具であればどのようなものでもよい。別の実施形態では、第２の端板１０３と本体１０５は永久的に装着されていても、或いは機械加工によって単一部材としたものでもよい。この実施形態では、第２の端板１０３は本体１０５と一体化しており、本体１０５を第２の端板１０３から延在する単一部材として機械加工又は鋳造すればよい。或いは、本体１０５と第２の端板１０３を溶接してもよい。
【００２４】
図５に示す実施形態では、サイフォン管１１３がフランジシュー１０７のサイフォン管凹部５０１内に挿入されている。サイフォン管１１３はマトリックス材料分配チャネル５０３と流体連通している。マトリックス材料分配チャネル５０３はサイフォン管からフランジシュー１０７と第２の端板１０３と本体１０５の内面２０５とで画成されるキャビティ２０３まで延在する。
【００２５】
図６は、本発明に係る複合材格納ダクトを成形するための複合材ダクト成形ツール１００を示し、オートクレーブその他の雰囲気制御装置内に装填される前の、複合材へと成形される織物プリフォーム３０１、織物インサート３０２及びマトリックス材料６０１が装填されている。ツール１００を図６に示す構成へと装填するため、まず第１の端板１０１及び第２の端板１０３の少なくとも一方を取り外す。織物インサート３０２を本体１０５上に配置する。織物インサート３０２の前後に追加の皮膜又は保護層を設けてもよいが、必須ではない。一実施形態では、織物インサート３０２は、本体１０５の直径まで膨張して本体１０５表面に密着させることができる管状織物セグメントであってもよい。取り付ける際に織物インサート３０２の各端部が第１の端板１０１及び第２の端板１０３の双方に当接するような長さに織物インサート３０２を切断する。織物インサート３０２を切断するため、織物インサート３０２を繊維の固定化又は粘着性付与に十分な量のマトリックス材料その他の樹脂と接触させる。必要とされる粘着性は、織物インサート３０２を実質的に膨らませずに所望の長さに切断できるのに十分な程度であればよい。樹脂の使用量が不十分であると、織物インサート３０２内の繊維が早期にほどけて、ツール１００上の織物インサート３０２の位置決めが難しくなる体積に膨張しかねない。
【００２６】
織物インサート３０２上に重ねられた繊維織物プリフォーム３０１の表面には、マトリックス材料６０１層が設けられる。マトリックス材料６０１は、好ましくは別々の部分へと量り分けることができるばら樹脂である。ばら樹脂は、最終形態（例えばシート又はプライ）には加工されておらず、別々の部分に分けることができる未硬化の樹脂である。室温で、ばら樹脂は好ましくは積層可能な固体である。ばら樹脂は実質的に矩形の部分に分けられ、繊維織物プリフォーム３０１の表面に配置される。なお、繊維織物プリフォーム３０１の表面に樹脂を加えるときの部分形状はどんなものでも、本発明での使用に適している。この部分を繊維織物プリフォーム３０１の表面に配置した後、矩形部分を表面形状に合わせる。矩形部分は好ましくは室温で積層可能である。適宜、樹脂の積層性を高めて、矩形部分の形状を表面形状に合わせるのを容易にすべく、ばら樹脂の矩形セクションを予熱してもよい。好適な樹脂としては、特に限定されないが、エポキシ又はポリアミド樹脂が挙げられる。繊維織物プリフォーム３０１の中央部６０７（第１の端板１０１と第２の端板１０３との中間点）でのマトリックス材料６０１の被覆量が多く（つまり単位表面積当たりのマトリックス材料の量が多く）、繊維織物プリフォーム３０１の縁部６０９（第１の端板１０１及び第２の端板１０３近傍の領域）での被覆量が少なく（つまり単位表面積当たりのマトリックス材料の量が少なく）なるように、繊維織物プリフォーム３０１の表面をマトリックス材料で被覆する。この実施形態では、ばら樹脂を例にとったが、本発明では強化マトリックス複合材を形成し得るあらゆるマトリックス材料を使用できる。マトリックス材料６０１は、織物インサート３０２の繊維の固定化に用いた材料と同一でも異なるものでもよい。
【００２７】
ツール１００にマトリックス材料６０１を装填した後、マトリックス材料６０１で被覆した繊維織物プリフォーム３０１にエラストマーカウル６０３を配置する。カウル６０３は、マトリックス材料６０１の通過障壁となる材料から形成される。カウル６０３に適した材料としては、特に限定されないが、シリコーンが挙げられる。マトリックス材料と結合せず、熱及び圧力に耐え、柔軟性を備える材料であれば、どんなものでもカウル６０３の材料として使用できる。カウル６０３は、図１〜図５に示するようにマトリックス材料６０１がマトリックス材料分配チャネル５０３又はマトリックス材料分配真空チャネル３０３、４０３及び４０５、サイフォン管１１３又はリザーバ１０９に侵入しかねない場合に、第１の端板１０１及び第２の端板１０３近傍の領域でのマトリックス材料６０１の移動が繊維織物プリフォーム３０１及び織物インサート３０２の内部及びそれらに沿ってしか起こらないように配置される。織物インサート３０２、繊維織物プリフォーム３０１、マトリックス材料６０１及びカウル６０３を配置したら、端板１０１、１０３及びフランジシュー１０７を図６に示す位置で締結する。ツール１００が装填されたら、装填ツール１００を真空バッグ６０５の内部に入れる。
【００２８】
図７は、図６の領域６００の拡大図を示す。図７に示すように、繊維織物プリフォーム３０１は、第２の端板１０３の表面部分及び本体１０５の表面部分の形状に順応して角度を形成する。織物インサート３０２は本体１０５の表面に沿って配置され、第２の端板１０３に隣接して終端する。織物インサート３０２は複数のプライ７０１で構成され、織物インサート３０２を形成する層の厚さを増すように積層される。図７では４層のプライを示したが、厚さを増減したり或いは繊維数を増減するため、どのような数のプライを使用し或いは選択してもよい。繊維織物プリフォーム３０１及び織物インサート３０２をツール１００に装填する際に、第２の端板１０３の表面と本体１０５の表面との角度のため間隙７０３が生じることがある。間隙７０３には、樹脂が流れ込んで樹脂密度の高いポケットを形成し得る領域が包含される。織物インサート３０２は、装置を加熱したときに膨らんで間隙７０３を埋める繊維を含むように選択される。織物インサート３０２の材料としては、特に限定されないが、炭素、グラファイト、ガラス及びポリアミド繊維が挙げられる。織物インサート３０２内の繊維は、樹脂なしで又は加熱樹脂のような低粘度樹脂に曝露されたときに膨らむように構成される。膨張に適した繊維の構成としては二軸グラファイト繊維が挙げられる。繊維は、好ましくは中心軸方向から＋４５°方向の２つの３ｋ（３０００ストランド）繊維束と、軸方向トウから−４５°方向の２つの３ｋ繊維束とを含む。織物インサート３０の膨張は、繊維記憶、トウ内部の圧縮力の解放、その他織物インサート３０２内で繊維トウをほぐすことができる力を始めとする適当な機序で起こる。膨張は、装置が加熱され、織物インサート３０２の端部に粘着性を付与するのに用いた樹脂の粘度が低下したときに、間隙７０３を繊維が実質的に均一に充填するように起こる。
【００２９】
図８は、硬化サイクルの加熱及び保持段階で加熱したときのツール１００及び（図６に例示した）マトリックス材料６０１の運動を示す。マトリックス材料６０１は加熱すると液体又は流体となり、繊維織物プリフォーム３０１を含浸し始め、部分含浸繊維織物プリフォーム８０１を生じる。マトリックス材料６０１が液体又は流体となると、繊維織物プリフォーム３０１及び織物インサート３０２の中央部６０７（第１の端板１０１と第２の端板１０３との中間点）から矢印８０３の方向に流れる。この時点で液体樹脂となったマトリックス材料６０１が繊維織物プリフォーム３０１及び織物インサート３０２の中央部から外縁部６０９まで移動すると、マトリックス材料６０１から放出された空気、揮発性ガス、その他繊維織物プリフォーム３０１及び織物インサート３０２内に捕捉されていてボイドの原因となりかねない不純物又はガスのような物質が、第１の端板１０１及び第２の端板１０３近傍の織物の外縁部６０９へと向かうバルクマトリックス材料６０１の流れによって押し出される。マトリックス材料６０１は、第１の端板１０１及び第２の端板１０３と本体１０５の接合部とで画成される角部にも流れ込む。マトリックス材料６０１の粘度が低下するので、織物インサート３０２の繊維はその切断端で膨らんで間隙７０３を満たすようになる。過剰のマトリックス材料６０１並びにマトリックス材料６０１からの空気、揮発性ガスその他サイフォン管１１３への空所流を生じかねない物質は、リザーバ１０９内又は図１〜図５に示すマトリックス材料分配チャネル４０３を通してフランジシュー１０７と第２の端板１０３と本体１０５の内面２０５とで画成されるキャビティ２０３内へと吸い込まれる。
【００３０】
図９は、図８の領域８００の分解図を示す。図９に示す構成は図７に示す構成と同じである。ただし、ツール１００が加熱されると、織物インサート３０２の端部で繊維の固定化に用いた材料の粘度が温度の上昇に伴って低下し、間隙７０３近傍のプライが解体などの機序によって膨らみ、部分的にほどけた繊維９００が間隙７０３を満たす。膨張によって、硬化複合材の角部でマトリックス材料中の繊維が実質的に均一に分布させることができる。ほぐれた繊維９００は好ましくは制御された膨張を呈するが、これは温度と得られるマトリックス材料の粘度、使用する織布又は織物セグメントの種類及び繊維材料によって左右される。
【００３１】
図１０は、硬化サイクルの加熱及び保持段階で加熱したときのツール１００及び部分含浸繊維織物プリフォーム７０１を示す。第１の端板１０１、第２の端板１０３、本体１０５及びフランジシュー１０７は、部分含浸繊維織物プリフォーム８０１よりも熱膨張係数の大きい材料から製造される。その結果、図８に示すように加熱時に第１の端板１０１、第２の端板１０３、本体１０５及びフランジシュー１０７はいずれも矢印１００１で示すようにあらゆる方向に膨張する。部分含浸繊維織物プリフォーム８０１は、本体１０５に比べて膨張度が少ない。部分含浸繊維織物プリフォーム８０１とツール１００との熱膨張量の差は矢印１００３で示す張力を生じ、部分含浸繊維織物プリフォーム８０１を張りつめるように作用する。マトリックス材料の硬化前に張りつめられた繊維織物プリフォーム８０１は、波もしわも実質的にない強度の高い均一な材料を与える。織物インサート３０２は図９に示すように膨らんで強化用繊維に隣接する空間を満たす。
【００３２】
図１１は、硬化サイクルの加熱及び保持段階で加圧したときのツール１００を示す。フランジシュー１０７は、第１の端板１０１及び第２の端板１０３に平行な平面で大きな表面積１００７をもつように製造される。硬化サイクルにおいてオートクレーブ内の圧力が高まると、真空バッグ６０５及びフランジシュー１０７表面でフランジシュー１０７の表面積１００７に対して作用する矢印１００５で示すオートクレーブ雰囲気の力が増す。フランジシュー１０７について選択される表面積１００７が大きいほど、真空作用による力は大きくなる。フランジシュー１０７表面は、フランジ状形状をなす繊維織物プリフォーム３０１よりも表面積１００７が大きく、オートクレーブ圧力からの実質的な位置保持力が加わる。圧力で繊維織物プリフォーム３０１が所定の位置に保持され、本体１０５が膨張して繊維織物プリフォーム３０１を張りつめる。硬化サイクルは、樹脂が十分に分布し、マトリックス材料が硬化するまで続けられる。
【００３３】
図６〜図１１は、マトリックス材料の含浸及び硬化プロセスの様々な段階を示す。図６は、オートクレーブ（図示せず）に装填する前のツール１００を示す。図７〜図１０は、加熱時のツール１００を示す。図１１は、オートクレーブ圧力下のツール１００を示す。図６〜図１１は、図１及び図２に示すツール１００の本体１０５の円筒形部分の中心軸から径方向の断面を示す。図６〜図１１は、図１及び図２に示す配置の本体１０５、第１の端板１０１、第２の端板１０３及びフランジシュー１０７を有するツール１００を示す。便宜上、図６〜図１１には、応力緩和締結具１１１及び５０５、サイフォン管１１３、リザーバ１０９、真空ライン１１５、マトリックス材料分配チャネル５０３又はマトリックス材料分布、真空チャネル３０３、４０３及び４０５は示していない。なお、これらの各構成要素は、オートクレーブに装填されるツール１００に存在するとともに、ツール１００を囲繞する真空膜又はバッグ６０５内に存在する。
【００３４】
図１２は、本発明に係る複合材格納ダクト１１００を示す。複合材格納ダクト１１００はツール１００を用いて製造された製品である（図１〜図２参照）。複合材格納ダクト１１００は、ダクト本体１１０３と一体化した高強度フランジ１１０１を有する単一部材である。フランジ１１０１の強度は複合材格納ダクト１１００の機能に重要である。例えば格納ダクト１１００は、ガスタービンエンジンのファンのファンブレードの格納に適したものでもよい。フランジの角部は繊維が実質的に均一に分布し、樹脂密度の高いポケットはほとんど又は全く存在しない。織物インサート３０２の使用によって角部１１０２は繊維密度が実質的に均一となるが、織物インサート３０２を使用しなければ間隙が樹脂で充填されていたはずである。角部１１０２は繊維密度が実質的に均一であるので、フランジは引張応力と圧縮応力のいずれにも優れた耐性を呈し、応力は繊維強化材に伝達され、樹脂ポケットが実質的に存在しないので亀裂を生じることなく応力が伝達される。
【００３５】
複合材格納ダクト１１００を締結具で他の部品に取り付けることができるように、フランジ１１０１に孔１１０５が機械加工される。フランジ１１０１は、複合材格納ダクト１１００を他の部品に取り付けることができる表面を与える。他の部品としては、第２の複合材格納ダクト１１００が挙げられる。２つの格納ダクトの取り付けると、長さを伸ばして収束及び発散ダクト部を有するダクトを得ることができるという利点がある。この実施形態では、複合材格納ダクト１１００は、テーパー付きダクト本体１１０３を有し、ダクトの一方のフランジの直径はダクトの他方のフランジの直径よりも大きい。本発明の方法で成形した強固なフランジ１１０１は、複数の複合材を集成して大型部品を形成することができる。格納ダクト用途によっては、収束部と発散部とを有する格納ダクトが望ましい。一方で収束し、他方で発散する格納ダクト１１００を形成するため、テーパー付き格納ダクト１１００をダクト直径の小さい格納ダクト端部のフランジで第２の実質的に同一のテーパー付き格納ダクト１１００に取り付ける。ダクト直径の小さい方のフランジ同士を取り付けることによって、集成格納ダクトの一端から中央部にかけて集束し、集成格納ダクトの中央部から他端にかけて発散するダクトを得ることができる。フランジは、ガスタービンエンジン（図示せず）の一部に締結することもできる。本発明の方法で成形した強固なフランジ１１０１は、複数の部品を互いに集成して大型部品を形成することができる。一実施形態では、フランジをガスタービンエンジンに締結して、実質的にファンブレード先端のなす経路の外周に沿ってガスタービンエンジンのファンブレード（図示せず）がダクト本体１１０３の内部１１０７に位置し、ファンブレードを格納できるようにする。
【００３６】
本発明の格納ダクト１１００のフランジ１１０１は高い強度を有する。高い強度に寄与する一つの因子は、フランジ１１０１が格納ダクト１１００の一体部品として形成されることである。さらに、フランジ１１０１内部の繊維が張りつめられ、実質的に整列して強度を増す。繊維をいったん硬化すれば繊維は整列した状態にとどまり、優れた格納特性を与える。加えて、格納ダクト内部のマトリックス分布は、ダクト本体１１０３全体及びフランジ１１０１全体で実質的に均一である。フランジ１１０１内部の実質的に均一な分布はフランジ１１０１の高い強度に寄与する。フランジ１１０１は、壁部と同様に、プレストレスト強化繊維を有しており、均一なマトリックス分布を有する。
【００３７】
図１３は、本発明で使用される織物インサート３０２の一部を示す。織物インサート３０２は、好ましくは織物セグメント又は織物の形態の二軸製織布材料である。図１３に示すように、織物インサート３０２は織物構造を有する。好ましくは織物インサート３０２は２つの独立したトウ１３０１からなり、繊維束を互いに実質的に４５°の角度に配向するように製織したものからなる。繊維織物インサート３０２の形成に適した繊維としては、特に限定されないが、炭素、グラファイト、ガラス及びポリアミド繊維が挙げられる。織物インサート３０２を構成する繊維は、好ましくはグラファイト繊維を二軸織物に製織したものである。具体的な製織法は、織物インサート３０２の一部が膨らんで繊維の存在しない領域又は繊維密度の低い領域に繊維をもたらすことができるような製織法又は構成であればよい。織物インサート３０２は、中心軸方向から＋４５°方向の２つの３ｋ（３０００ストランド）繊維束と、軸方向トウから−４５°方向の２つの３ｋ繊維束とを含んでいてもよい。図１３に示す織物インサート３０２の部分は、その繊維の固定化又は粘着性付与に十分なマトリックス材料その他の樹脂材料の添加によって形成された切断端１３０２を含む。材料を加熱するとマトリックス材料の粘度が低下するので固定化が解け、トウ１３０１が解体その他の膨張機構で膨らんで、織物インサート３０２近傍の領域を充填する。膨張は好ましくは切断端１３０２又はその近傍で最大となり、織物インサート３０２の大部分では小さい。この膨張によって、切断端１３０２近傍の領域での繊維分布が制御される。
【００３８】
ツール１００は、繊維織物プリフォーム３０１よりも熱膨張係数の大きい材料から製造される。ツール材料の一つの選択基準は、繊維織物プリフォーム３０１に望まれる張力の量である。所要の張力が大きいほど、ツール材料の熱膨張係数を大きくすべきである。所要の張力が小さいほど、ツール材料の熱膨張係数は小さくてすむ。好ましくは、ツール１００は金属材料から製造される。繊維織物プリフォーム３０１及び織物インサート３０２を構成する繊維は、金属材料に比して熱膨張係数が小さい。そのため、ツール１００が加熱されると、ツール材料は繊維織物プリフォーム３０１の膨張速度よりも格段に速い速度で膨張する。繊維織物プリフォーム３０１の膨張とツール１００の膨張との関係で生じる張力は、繊維織物プリフォーム３０１を張りつめるように作用し、繊維を実質的に整列させて、波及びしわが実質的に存在しない強度の高い均一な複合材を生じる。繊維に比してツール１００の熱膨張が大きいほど、生ずる張力は大きくなる。ツール１００の製造に適した材料としては、特に限定されないが、アルミニウム及び鋼鉄が挙げられる。
【００３９】
複合マトリックス用の繊維織物プリフォーム３０１は、好ましくは製織繊維織物である。繊維織物は、強化マトリックス材料を形成できるプリフォームである。様々な繊維が複合マトリックス材料６０１での使用に適している。繊維を製織又は諸撚して複合プリフォームを形成してもよい。本発明の一実施形態では、繊維織物プリフォーム３０１は複数のストランド束の三軸織布である。三軸織布は、軸線方向に延びるストランド束と、軸方向束から約＋６０°に配向したストランド束と、軸方向束から約−６０°に配向した第３のストランド束とを有する。繊維織物プリフォーム３０１の形成に適した繊維としては、特に限定されないが、炭素、グラファイト、ガラス及びポリアミド繊維が挙げられる。繊維は好ましくはグラファイト繊維である。繊維としては、特に限定されないが、三軸グラファイト繊維が挙げられる。好ましい繊維織物プリフォーム３０１は、軸方向の２４ｋ（２４０００ストランド）束トウと、軸方向トウから＋６０°方向の２つの１２ｋ（１２０００ストランド）束と、軸方向トウから−６０°方向の２つの１２ｋ束とを有する三軸グラファイト繊維を含む。繊維の配向は好ましくは硬化前の繊維を張りつめることができる繊物を与えるものである。繊維織物プリフォーム３０１は好ましくはドライである。ドライとは、ツール１００に繊維織物プリフォーム３０１を装填する前の繊維織物にマトリックス材料が含浸されていないことを意味する。繊維織物プリフォーム３０１は織物インサート３０２と同一でも異なるものでもよい。
【００４０】
本発明の強化マトリックス複合材に用いるマトリックス材料６０１は、強化繊維で強化すると高強度マトリックス複合材を形成する硬化性材料である。本発明の強化複合材料に用いる好適なマトリックス材料６０１としては、特に限定されないが、エポキシ及びポリアミドが挙げられる。
【００４１】
本発明の一実施形態では、ツール１００は、好ましくは所定のスプール形状を有する。スプール形状は、略円筒形の本体１０５に２枚の端板１０１及び１０３を取り付けたものである。２枚の端板１０１及び１０３の少なくとも一方は本体に締結され、着脱可能である。本発明のこの実施形態では、ツール１００は、ツール１００に強化繊維材料を装填するため端板１０１及び１０３の平面が垂直に配向するような配置に配向される。グラファイト繊維織物プリフォーム３０１はスプールの本体１０５の周囲に配置される。プリフォームのフランジ部３０５は、端板１０１及び１０３の各々の長さに沿って配置される。第１の端板１０１及び第２の端板１０３に沿って延在する織物のフランジ部３０５はフランジ様形状を形成する。
【００４２】
本発明の別の実施形態は、所望の複合材の形状をした表面を有するツール１００を設ける段階を含む。本発明の一実施形態では、本体１０５は実質的に円筒形格納ダクトの形状である。この実施形態では、円筒形ダクトは好ましくは本体１０５の中心軸に向かって内側にテーパーが付けられる。完成強化マトリックス複合材の形状は、略円筒形に限定されない。フランジ外縁部を有するあらゆる形状を、本発明の方法を用いて製造することができる。略円筒形のダクト以外の好適な形状としては、特に限定されないが、複雑な断面形状を有するダクト（例えば、矩形ダクト、三角形ダクト又は長円形ダクト）、平面パネルその他壁構造を有する複雑な形状が挙げられる。さらに、外形的特徴部を有する壁構造も本発明のツール１００及び方法を用いて成形することができる。本発明のツール１００は、同様に、完成複合材と実質的に同じ形状の本体１０５を有する。
【００４３】
図１４は、本発明の方法を用いて成形することができる別の形状の例を示す。図示した幾何形状は、本体１４０１の角部に複数のフランジ１４０３を有する正方形ダクト１４００である。正方形ダクト１４００の成形に用いられるツールは図１〜図２に示すものと同様のツールを含むが、その表面は正方形ダクトを与えるように構成されており、強化繊維を整列させるため本体１０５が熱膨張で伸びるようにしてもよい。図１４では正方形ダクトを示したが、矩形、長円形その他あらゆる形状のものを用いることができる。同様に、フランジ１４０３の構成はダクトを支持できるものであればよく、特に限定されないが、コーナーフランジ、タブフランジ又は中央面フランジが挙げられる。同様に、どのような数のフランジ１４０３を形成してもよい。
【００４４】
図１５は、図１４の矢視１５−１５断面図を示す。フランジ１４０３は本体１４０１からダクト表面１４０５と実質的に直角に延在する。フランジの配置は、様々な構成のガスタービンエンジンその他の物品に取り付けることができるものである。
【００４５】
図１６は、図１５の加熱前の領域１５００の分解図を示す。図１６では、繊維織物プリフォーム３０１及び織物インサート３０２は、フランジ１４０３を形成するように配置されたプライ７０１を含む。フランジの角度は約９０°に等しいが、どのような角度であってもよい。プリフォームを配置した角度で間隙７０３が形成される。
【００４６】
図１７は、図１５の加熱時及び加熱後の領域１５００の分解図を示す。図１７では、織物インサート３０２が膨らんでほどけた繊維９００が間隙７０３を満たす。ほどけた繊維は間隙７０３を十分に満たして、マトリックス材料中の繊維が実質的に均一に分布できるようにする。
【００４７】
本発明の方法及びツール１００は、大型部品を支持するとともに、過酷な応力下でも大型部品がその格納特性を維持できる十分強固なフランジを有する大型部品を製造することができる。本発明のツール１００及び方法は、直径約１０フィート以上の円筒形部品を始め、直径約５フィート以上の円筒形部品を含む大きな壁構造を有する部品の製造に特に適している。一実施形態では、本発明のツールは、実質的に均一なマトリックス分布と、圧縮及び引張応力に対する強いフランジ耐性と低いボイド含有率とを保持した直径約１０フィート以上の円筒形部品を製造することができる。
【００４８】
本発明のプロセスで製造できる製品としては、上述のファンケーシングが挙げられるが、ガスタービンエンジンに有用な他の部品も挙げられる。他の部品としては、例えば構造及び非構造ケーシング、ダクト及び／又はベーンが挙げられる。好ましくは、本発明に係る部品は環状幾何形状を含む。
【００４９】
以上、好ましい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せずに様々な変更を加えることができ、本発明の構成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自明であろう。また、本発明の要旨から逸脱せずに、特定の状況又は材料を本発明の教示内容に適合させるための様々な変更をなすこともできる。したがって、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てきた実施形態に限定されるものではなく、本発明は特許請求の範囲に記載の技術的範囲に属するあらゆる実施形態を包含する。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の一実施形態に係る複合材格納ダクトの成形用ツールの斜視図。
【図２】本発明の一実施形態に係る複合材格納ダクトの成形用ツールの側面図。
【図３】本発明の一実施形態に係る複合材格納ダクトの成形用ツールの第１の部分の別の実施形態の断面図。
【図４】本発明の一実施形態に係る複合材格納ダクトの成形用ツールの第１の部分の別の実施形態の断面図。
【図５】本発明の一実施形態に係る複合材格納ダクトの成形用ツールの第２の部分の断面図。
【図６】本発明の一実施形態に係る加熱前の複合材格納ダクトの成形用ツール。
【図７】図６の領域６００の分解図。
【図８】本発明の一実施形態に係る加熱時及び加熱後の複合材格納ダクトの成形用ツール。
【図９】図６の領域８００の分解図。
【図１０】本発明の一実施形態に係る加熱時の複合材格納ダクトの成形用ツール。
【図１１】本発明の一実施形態に係る加熱時の複合材格納ダクトの成形用ツール。
【図１２】本発明の一実施形態に係る複合材格納ダクトの斜視図。
【図１３】二軸織布の一部２２を示す図。
【図１４】本発明の一実施形態に係る別の複合材物品の斜視図。
【図１５】図１４の矢視１５−１５断面図。
【図１６】加熱前の図１５の領域１５００の分解図。
【図１７】加熱時及び加熱後の図１５の領域１５００の分解図。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジンの複合材部品の製造方法であって、
互いにある角度で配置された第１及び第２の表面を有するツール（１００）を準備する段階と、
第１の表面と第２の表面との角部近傍で終端する端部を有する繊維セグメント（３０２）を第１の表面に取り付ける段階と、
繊維セグメント（３０２）及び第２の表面に繊維プリフォーム（３０１）を配置する段階と、
繊維プリフォーム（３０１）又は繊維セグメント（３０２）の１以上にマトリックス材料（６０１）加える段階と、
繊維セグメント（３０２）の端部を膨らませることができる十分な温度に繊維セグメント（３０２）及び繊維プリフォーム（３０１）を加熱する段階と、
マトリックス材料を硬化して角部の繊維分布が実質的に均一な複合材物品を形成する段階と、
を含む方法。
【請求項２】
第１の表面に取り付ける前に、繊維セグメント（３０２）に繊維を固定化して繊維セグメント（３０２）を切断する段階をさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
繊維セグメント（３０２）が二軸織物である、請求項１記載の方法。
【請求項４】
繊維セグメント（３０２）が二軸織物セグメントである、請求項１記載の方法。
【請求項５】
複数の繊維セグメント（３０２）を取り付ける段階が複数の繊維セグメント（３０２）を取り付ける段階を含む、請求項１記載の方法。
【請求項６】
角部がフランジを含む、請求項１記載の方法。
【請求項７】
第１の表面が円筒形の幾何形状に構成される、請求項１記載の方法。
【請求項８】
第１の表面が矩形幾何形状に構成される、請求項１記載の方法。
【請求項９】
複合材物品がガスタービンエンジンファンケーシングである、請求項１記載の方法。
【請求項１０】
複合材物品がケーシング、ベーン及びダクトからなる群から選択される構造部品又は非構造部品である、請求項１記載の方法。
【請求項１】
ガスタービンエンジンの複合材部品の製造方法であって、
互いにある角度で配置された第１及び第２の表面を有するツール（１００）を準備する段階と、
第１の表面と第２の表面との角部近傍で終端する端部を有する繊維セグメント（３０２）を第１の表面に取り付ける段階と、
繊維セグメント（３０２）及び第２の表面に繊維プリフォーム（３０１）を配置する段階と、
繊維プリフォーム（３０１）又は繊維セグメント（３０２）の１以上にマトリックス材料（６０１）加える段階と、
繊維セグメント（３０２）の端部を膨らませることができる十分な温度に繊維セグメント（３０２）及び繊維プリフォーム（３０１）を加熱する段階と、
マトリックス材料を硬化して角部の繊維分布が実質的に均一な複合材物品を形成する段階と、
を含む方法。
【請求項２】
第１の表面に取り付ける前に、繊維セグメント（３０２）に繊維を固定化して繊維セグメント（３０２）を切断する段階をさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
繊維セグメント（３０２）が二軸織物である、請求項１記載の方法。
【請求項４】
繊維セグメント（３０２）が二軸織物セグメントである、請求項１記載の方法。
【請求項５】
複数の繊維セグメント（３０２）を取り付ける段階が複数の繊維セグメント（３０２）を取り付ける段階を含む、請求項１記載の方法。
【請求項６】
角部がフランジを含む、請求項１記載の方法。
【請求項７】
第１の表面が円筒形の幾何形状に構成される、請求項１記載の方法。
【請求項８】
第１の表面が矩形幾何形状に構成される、請求項１記載の方法。
【請求項９】
複合材物品がガスタービンエンジンファンケーシングである、請求項１記載の方法。
【請求項１０】
複合材物品がケーシング、ベーン及びダクトからなる群から選択される構造部品又は非構造部品である、請求項１記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２００８−６８６２６（Ｐ２００８−６８６２６Ａ）
【公開日】平成２０年３月２７日（２００８．３．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２３６３８８（Ｐ２００７−２３６３８８）
【出願日】平成１９年９月１２日（２００７．９．１２）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年３月２７日（２００８．３．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月１２日（２００７．９．１２）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
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