JP5527774B2 - 複合材料ターボ機械機関羽根及びそれを製造する為の方法 - Google Patents

Description

この発明は、母材により高密度化された繊維強化材を備えている複合材料で形成されたターボ機械羽根に関係している。

意図されている分野は、航空機機関又は工業用タービンの為のガスタービン羽根のそれである。

複合材料からターボ機械羽根を製造する提案は既になされている。例えば、文献ＥＰ１５２６２８５を参照することが出来、これは、３次元織りにより繊維予備成形物を作成し有機母材でこの予備成形物を高密度化することによりファン羽根を製造することを記載している。

さらに、動作において高温度に露出されたターボ機械の構造部位を作成する為に、熱構造複合材料、特にセラミック母材複合（ＣＭＣ）材料、の使用が既に提案されている。金属合金と比較すると、このような材料は高温度に耐える向上された能力及びより小さな重量を提供することが出来る。特に航空機機関のガスタービンの為には、重量を減少させるとともに温度を上昇させることによる汚染物質排出を減少させることの両方が望まれている。

従って、羽根が所望の機械的性質を提供し比較的複雑な形状もまた例供する必要がある、複合材料で形成された、特に必ず必要であるというものではないがＣＭＣの如き熱構造複合材料で形成された、ターボ機械タービン又は圧縮機において使用される入手可能なターボ機械羽根を有することが望まれている。

この結果、この発明は：
３次元織りにより単一繊維素材を形成すること；
前記繊維素材を造形して、羽根板翼及び羽根元の予備成形物を形成している第１部分と、内方又は外方羽根プラットフォームの為の予備成形物を形成している少なくとも１つの第２部分と、を有している単一繊維予備成形物を得ること；そして、
この予備成形物を母材で高密度化し、この予備成形物により構成されていて母材により高密度化されている繊維強化材を有していて、組み込まれた内方及び／又は外方プラットフォームを伴った単一部位を形成している複合材料羽根を得ること、
を備えている、
母材により高密度化された繊維強化材を備えている複合材料からターボ機械羽根を製造する方法を提供する。

３次元織りにより単一部位として得られた素材から羽根の繊維強化材を作成することにより、板翼及び羽根元を形成している羽根の部分及び内方又は外方プラットフォームを形成しているその又は個々の部分に対応している繊維強化材の部分間での少なくとも部分的な相互の編み組みを確実にすることが出来る。

これは、組み込まれている内方及び／又は外方プラットフォームを有している羽根に対し、特に板翼及び羽根元を形成している部分と内方又は外方プラットフォームを形成している部分又は夫々との間の連結において、所望の機械的な性質を与えることに貢献する。

この方法の好ましい特徴に従うと、製造される前記羽根の長手方向に対応している前記繊維素材の長手方向において、前記繊維素材は、前記羽根板翼及び羽根元の為の前記予備成形物に対応している前記素材の第１部分を形成する為に互いに結合された糸の複数の層の第１セットと、内方又は外方羽根プラットフォームの為の予備成形物に対応している前記素材の前記少なくとも１つの第２部分を形成する為に少なくとも部分的に互いに結合された糸の複数の層の第２セットと、を備えていて、前記糸の前記複数の層の前記第１セットの糸は前記糸の前記複数の層の前記第２セットの糸と結合されておらず、そして、前記糸の前記複数の層の前記第２セットの糸は前記素材の前記又は個々の第２部分の水準で前記糸の前記複数の層の前記第１セットを通って横断する。

非結合区域の配置は、繊維予備成形物が結合糸を切断すること無しで造形されることを可能にし、このような切断は繊維強化材の機械的強度を減少させることが出来、そして結果としての羽根の機械的強度を減少させることが出来る。

この方法のもう１つの特徴に従えば、前記繊維素材は糸の複数の層の第２連続セットにより織られていて、そして、前記繊維素材の前記造形は、前記繊維素材の前記又は個々の第２部分に対する外部の前記糸の前記複数の層の前記第２セットの部分を切除することにより除去することを備えている。

この方法のさらにもう１つの特徴に従えば、前記糸の前記複数の層の前記第２セットの糸が前記糸の前記複数の層の前記第１セットを通って横断している場所又はそのような複数の場所の少なくとも１つにおいて、前記第１セットの前記糸の１つの層と前記第２セットの前記糸の１つの層との間の交差が、前記繊維素材の前記長手方向に対し直交していない線に従う。従って、羽根の長手方向に対して略直交しないで延出する内方及び／又は外方プラットフォームを有している複合材料の羽根を製造することが可能である。

この方法のさらにもう１つの特徴に従えば、前記繊維素材の前記第１部分において、及び、製造される前記羽根における厚さを変化させている板翼の輪郭に沿い延出している方向に対応している方向において、前記糸の前記複数の層の前記第１セット中の前記糸の前記複数の層の数が一定である。前記糸の前記第１セットの複数の糸は、従って、重量を変化させ，及び／又は、打込数を変化させ、て良い。

好ましくは、複数の繊維素材の連続を備えているストリップが３次元織りにより作成されている。これ等の素材は、前記ストリップから順次打ち抜かれて良い。前記複数の繊維素材が、製造される前記繊維素材の方向に対応しているそれらの長手方向で織られていて良く織物の横方向に又は織物の縦方向に延出している。

この発明はまた、糸の３次元織りにより得られ母材により高密度化された繊維強化材を備えている複合材料で形成されたターボ機械羽根であって、前記羽根が、単一部位として形成された羽根板翼及び羽根元を構成している第１部分を、内方又は外方羽根プラットフォームを構成している少なくとも１つの第２部分とともに備えていて、そして、前記羽根の前記第１及び第２部分に対応している前記繊維強化材の２つの部分が、前記繊維強化材の他方の１つの部分中に貫通されている前記繊維強化材の前記部分の一方の糸と少なくとも一部分で互いに織り合されている、ターボ機械羽根を提供する。

この羽根は、セラミック母材複合材料により形成されていて良い。

羽根の特徴に従えば、前記羽根の前記第２部分に対応している前記繊維強化材の前記部分の構成要件となる前記糸が、前記羽根の前記第１部分に対応している前記繊維強化材の前記部分を通って横断している。

前記羽根の前記板翼が厚さを変化させている輪郭を有していて良く、それに沿って前記羽根の前記第１部分に対応している前記繊維強化材の前記部分が、前記羽根の長手方向において、重量及び／又は打込数を変化させている一定の数の糸の層、又は数を変化させている糸の層を有している。

この発明はまた、上に規定されている如き羽根が取り付けられているターボ機械を提供する。

この発明は、添付の図面を参照した、非限定指摘として与えられた以下の記載からより良く理解されることが出来、ここで：
図１は、組み込まれた外方及び内方プラットフォームを伴っているターボ機械羽根の斜視図であり； 図２は、図１中に示されている種類の羽根の為の繊維予備成形物を形成するのに使用される３次元に織られている繊維素材中の糸の複数層の２セットの配置の高度に概略化された図であり； 図３は、図２の繊維素材から始まる、図１中に示されている如き羽根の為の繊維予備成形物を作成する一連の工程の図２の次の工程を示しており； 図４は、図２の繊維素材から始まる、図１中に示されている如き羽根の為の繊維予備成形物を作成する一連の工程の図３の次の工程を示しており； 図５は、図２の繊維素材から始まる、図１中に示されている如き羽根の為の繊維予備成形物を作成する一連の工程の図４の次の工程を示しており； 図６は、図１のものの如き羽根板翼の平坦に広げられた輪郭を示している断面図であり； 図７は、図６中に示されている如き輪郭を得る為に適切な織物の複数の縦糸の複数の層の１つのセットを通過する断面図であり； 図８Ａは、図２の繊維素材を織る１つの方法を示している織物の縦断面図であり； 図８Ｂは、図２の繊維素材を織る１つの方法を示している織物の縦断面図であり； 図９は、羽根とその内方プラットフォームとの間の交差位置に対応している図２の繊維素材の一部分における織物の縦及び横方向に対し平行な平面の部分断面図であり； 図１０は、羽根とその外方プラットフォームとの間の交差位置に対応している図２の繊維素材の一部分における織物の横方向の部分断面図であり； 図１１Ａは、羽根元の一部分に対応している繊維素材の一部分中の織物の横糸の配列の一例を示している織物の横方向の部分断面図であり； 図１１Ｂは、図１１Ａの繊維素材部分中の（複層）３次元織りの一例の為の織物の縦平面を示している織物の横方向の部分断面図であり； 図１１Ｃは、図１１Ａの繊維素材部分中の（複層）３次元織りの一例の為の織物の縦平面を示している織物の横方向の部分断面図であり； 図１１Ｄは、図１１Ａの繊維素材部分中の（複層）３次元織りの一例の為の織物の縦平面を示している織物の横方向の部分断面図であり； 図１２は、羽根元に対応している素材部分のもう１つの実施形態を示している概略的な部分断面図であり； 図１３は、３次元織りにより図２中に示されている種類の繊維素材を備えている織られた繊維ストリップを形成する方法の高度に概略化された図であり； 図１４は、３次元織りにより図２中に示されている種類の繊維素材を備えている織られた繊維ストリップを形成する方法の高度に概略化された図であり； 図１５は、この発明に従ったターボ機械羽根を作成する方法の実行における連続した工程を示しており；そして、 図１６は、この発明に従ったターボ機械羽根を作成する方法のもう１つの実行における連続した工程を示している。

この発明は、図１中に示されている如き、組み合わされた内方及び／又は外方プラットフォームを伴った種々の形式のターボ機械羽根、特に種々のガスタービンスプール（spool）の為の圧縮及びタービン羽根、例えば、低圧（ＬＰ）タービンの回転輪（rotor wheel）の為の羽根（blade）、に適用可能である。

図１中の羽根（blade）１０は、良く知られているように、板翼（airfoil）２０，より大きな厚さの部分により構成されている、例えば舌（tang）３２により延出された電球形状（bulb-shaped）区域である、羽根元（root）３０，舌３２と板翼２０との間に位置されている内方プラットフォーム４０，そして、翼の自由端の近傍にある外方プラットフォーム５０を備えている。

板翼２０は、内方及び外方プラットフォーム４０及び５０間で長手方向に延出し、そして、横断面においてその前縁２０ａとその後縁２０ｂとの間で変化する厚さの湾曲された輪郭を示している。

羽根１０は、その羽根元３０をタービンロータ（図示されていない）の周面中に形成されている対応している形状のハウジング中に係合させることによりタービンロータ上に設置されている。羽根元３０は、舌３２により延出されていて内方プラットフォーム４０の内側（又は底）表面に取り付けられている。

その半径方向内端で板翼２０は、内方プラットフォーム４０の外方（又は上）表面４２に連結されていて、この表面はタービンを通過するガス流れの為の流路の内側を規定している。その上流及び下流端部（ガス流れの流れ方向ｆに比べた）において、内方プラットフォームは縁金（rim）４４及び４６により終了されている。示されている例においては、内方プラットフォームの表面４２は傾斜されていて、羽根の長手方向に対する直角に対し略ゼロでない（non-zero）角度αを形成している。ガス流れの為の流路の内側表面の為に望まれている輪郭に従って、角度αはゼロであって良く、或いは表面４２は略直線でない輪郭、例えば湾曲された輪郭、を有することが出来る。

その半径方向外端で板翼２０は、外方プラットフォーム５０とその内（底）表面５２を介し結合されていて、内（底）表面５２はガス流れの為の流路の外側を規定するよう働いている。その外側（上）上に外方プラットフォームは凹み又は浴槽（bathtub）５４を規定している。浴槽５４の上流及び下流縁に沿い外方プラットフォームは、歯形状輪郭のワイパー（wiper）５６を支持しており、そして、ワイパーの端は羽根の端とタービンリング（示されていない）との間の隙間を減少させるようタービンリング中の摩耗可能材料の層中に貫入できる。示されている例においては、外方プラットフォームの表面５２は羽根の長手方向に対し実質的に直角に延出している。変形においては、ガス流れの為の流路の外表面の為に望まれている輪郭に従い、表面５２は、羽根の長手方向に対する直角に対しゼロでない角度を略形成して傾斜していることが出来、或いは表面５２は、略直線ではない輪郭、例えば湾曲された輪郭、を有することが出来る。

図２は繊維素材１００の高度な概略図であり、繊維素材１００からは、それが母材により高密度化されそしてまた機械加工されることができた後に、図１中に示されている種類の、組み込まれている内方及び外方プラットフォームを伴って複合材料で形成された羽根が得られる、羽根繊維予備成形物が形成されることが出来る。

素材１００は、３次元織り又は複層（multilayer）織りにより得られた２つの部分１０２及び１０４を備えていて、そして、これら２つの部分の包絡線（envelope）のみが図２中に示されている。造形された後、部分１０２は、羽根の板翼及び羽根元の為の予備成形物に対応した羽根繊維予備成形物の部分を構成する。造形された後、部分１０４は、羽根の内方及び外方プラットフォームの為の予備成形物に対応した羽根繊維予備成形物の部分を構成する。

２つの部分１０２及び１０４は、作成される羽根の長手方向に対応している方向Ｘに略延出しているストリップ（strip）の形状である。板翼予備成形物を形成するその部分において繊維ストリップ１０２は、作成される羽根の板翼の輪郭の厚さに関連して決定された変化している厚さを提供する。羽根元予備成形物を形成するその部分において繊維ストリップ１０２は、作成される羽根の羽根元の輪郭の厚さに関連して決定された特別な厚さ１０３を提供する。

繊維ストリップ１０２は作成される羽根の板翼及び羽根元の展開された（平坦な）輪郭に関連して選択された幅ｌを有していて、繊維ストリップ１０４は作成される羽根の内方及び外方プラットフォームの展開された長さに関連して選択され幅ｌよりも大きな幅Ｌを有している。

繊維ストリップ１０４は、作成される羽根の内方及び外方プラットフォームの厚さに関連して決定された実質的に一定の厚さである。ストリップ１０４は、ストリップ１０２の第１表面１０２ａの近くでそれに沿い延出している第１部分１０４ａ，ストリップ１０２の第２表面１０２ｂの近くでそれに沿い延出している第２部分１０４ｂ，そして、ストリップ１０２の第１表面１０２ａの近くでそれに沿い延出している第３部分１０５ａを有している。

部分１０４ａ及び１０４ｂは、作成される羽根の内方プラットフォームの位置に対応している位置でストリップ１０２に対し横断するよう延出している連結部分１４０ｃにより互いに連結されている。連結部分１４０ｃはストリップを横切っていて、繊維素材の長手方向に対する直角に対し角度αを形成している。部分１０４ｂ及び１０５ａは、作成される羽根の外方プラットフォームの位置に対応している位置でストリップ１０２に対し横断するよう延出している連結部分１５０ｃにより互いに連結されている。示されている例では、連結部分１５０ｃは、繊維素材の長手方向Ｘに対し実質的に直角にストリップ１０２を横断している。羽根の外方プラットフォームの為に望まれている形状に従い、連結部分１５０ｃは、内方プラットフォームのように、羽根の長手方向Ｘに対する直角に対しゼロでない角度を形成してストリップ１０２を横断することが出来る。さらに、連結部分１４０ｃの輪郭及び／又は連結部分１５０ｃの輪郭は、示されている例中の如く直線である代わりに曲線であることが出来る。

以下に詳細に記載されている如く、ストリップ１０２及び１０４は、ストリップ１０２とストリップ１０４の部分１０４ａ，１０４ｂ，そして１０５ａとの間の如何なる結合によらず、方向Ｘ中で連続して織られている複数の連続している素材１００で、３次元織りにより同時に織られている。

図３乃至５は、作成される羽根の形状に近い形状の繊維予備成形物がどのようにして繊維素材１００から得られることが出来たのかを高度に概略的に示している。

繊維ストリップ１０２は、一端では特別な厚さ１０３に切断され、そしてもう一端では連結部分１５０ｃをわずかに超えて切断されて、特別な厚さ１０３の一部分により形成されるとともに作成される羽根の羽根元の位置に対応した位置に配置されている拡大された部分１３０を伴った、作成される羽根の長手方向に対応している長さのストリップ１２０を有する。

さらに、ストリップ１０４の部分１０４ａ及び１０５ａの端及びその部分１０４ｂにおいて切断が行われて、図３中に示されている如く、連結部分１４０ｃのいずれの側の区分１４０ａ及び１４０ｂ、そして連結部分１５０ｃのいずれの側の区分１５０ａ及び１５０ｂが残される。区分１４０ａ＆１４０ｂ及び１５０ａ＆１５０ｂの長さは、作成される羽根のプラットフォームの長さに関連して決定されている。

繊維素材のストリップ１０２と部分１０４ａ，１０４ｂ，そして１０５ａとの間には何も結合がないので、区分１４０ａ，１４０ｂ，１５０ａ，そして１０５ｂは糸（yarn）の切断を伴うことなくストリップ１０２に対し直角に折り曲げられることが出来、図４中に示されている如く、板１４０，１５０を形成する。

作成される羽根の為の繊維予備成形物２００は、図５中に示されている如く、ストリップ１０２が羽根板翼の湾曲された輪郭を創出するよう変形されるとともに、板１４０及び１５０が羽根の内方及び外方プラットフォームの形状と同様な形状を創出するよう変形されて、型成形（molding）により実質的に得られた。予備成形物は従って、板翼予備成形部分２２０，羽根元予備成形部分２３０（下予備成形部分を含む），そしてプラットフォーム予備成形部分２４０及び２５０を有して得られる。

以下に記載されている如く、繊維素材から羽根予備成形物を作成する工程は、素材の繊維が処理され団結配合物（consolidation composition）が含浸された後に好ましくは行われる。

繊維素材１００を３次元織りする方法は以下に詳細に記載されている。

織り（weaving）は素材の長手方向Ｘに延出している織物の縦糸（warp yarn）で行われると想定しているが、それはまたこの方向に延出している織物の横糸（weft yarn）で織りを行なうことも可能であることが明確にされている。

その長さに沿ったストリップ１０２の厚さにおける変化は、重さを変化させている織物の横糸を使用することにより得られた。代わりに、又は更に、織物の縦糸の打込数（織物の横糸方向の単位長さ当たりの糸の数）を変化させることにより可能であり、より小さな打込数は型成形（molding）により予備成形物を造形する時により大きな薄さを可能にする。

従って、図６中に平坦な突起で示されている如き羽根板翼輪郭を得る為に、図７中に示されている如く重量及び打込数を変化させている織物の縦糸の３つの層を使用することが可能である。

一つの実施形態においては、使用された糸（yarn）は、０．５Ｋ（即ち、５００フィラメント）の重量（フィラメントの数として表現されている）を有していて日本国の供給者日本カーボン（Nippon Carbon）により「ニカロン（Nicalon）」の名前で供給された炭化珪素（ＳｉＣ：silicon carbide）であって良い。

縦糸（warp）は０．５Ｋ ＳｉＣ糸及び１Ｋ ＳｉＣ糸を使用して作り上げられており、１Ｋ ＳｉＣ糸は２つの０．５Ｋ糸を合体させることにより得られ２つの糸は覆われることにより合体されている。覆い（covering）は好ましくは、織りの後で除去されるのに適切な一時的な性質の糸、例えば、水中で溶解されることにより除去されることが出来るポリビニルアルコール（ＰＶＡ：polyvinyl alcohol）の糸、を使用して、実行された。

以下の表１は、縦糸（warp yarn）の個々の柱（column）の為に、打込数（count）（輪郭の長さにおけるセンチメートル当たりの糸の数），０．５Ｋ 糸の数，１Ｋ 糸の数，そして、ミリメートル（ｍｍ）での輪郭の厚さを特定しており、ここではこの厚さは略１ｍｍ乃至２．５ｍｍの範囲に渡り変化している。

当然、入手可能な糸重量に従い、糸（yarn）の層（layer）の数と打込数及び重量における変化との異なった組み合わせが、得ようとする輪郭の為に採用されることが出来る。

縦糸（warp）断面における図８Ａ及び８ｂは、特別な厚さ１０３の外側で繊維素材１００を織る為に使用されることが出来る織物組織（weave）の２つの連続した平面を示している。

繊維素材１００のストリップ１０２は、この例では３に等しい層（層Ｃ_１１，Ｃ_１２，Ｃ_１３）の数を伴った、縦糸層（warp yarn layer）の１セットを備えている。縦糸（warp yarn）は、３次元織りを使用して横糸（weft yarn）ｔ_１によりともに結合されている。

ストリップ１０４はまた、ストリップ１０２と同様に、３次元織りにより、横糸（weft yarn）ｔ_２によりともに結合されている例えば同様に３層（層Ｃ_２１，Ｃ_２２，Ｃ_２３）の、縦糸層（warp yarn layer）の１セットを有している。

横糸（weft yarn）ｔ_１がストリップ１０４の縦糸層（warp yarn layer）中に延びておらず、そして、横糸（weft yarn）ｔ_２がストリップ１０２の縦糸層（warp yarn layer）中に延びておらず、これらが互いに結合されていないことを確実にしている、ことに注目すべきである。

示されている例では、織り（weaving）は、サテン（satin）又は複サテン（multi-satin）型の織りを使用した複層織り（multilayer weaving）である。他の型式の３次元織りが使用されることが出来、例えば、複数平面織物組織（multiple plain weave）による複層織り又は相互固定織物組織（interlock weave）による織りである。ここで使用された用語「相互固定織物組織（interlock weave）」は、横糸（weft yarn）の個々の層が、縦糸（warp yarn）の複数の層とともに、織物組織（weave）の平面中で同じ路（path）を有している所定の横糸柱（weft column）中の糸（yarn）の全てと結合されている織物組織（weave）を意味している。

３次元織りの種々の形態は文献ＷＯ２００６／１３６７５５中に特に記載されていて、その記載内容は参照によりここに組み込まれる。

図９は織物の縦糸方向及び横糸方向に対し平行な断面図であり、そこではストリップ１０２がそこを通過しているストリップ１０４の連結部分１４０ｃを有していて、連結部分の縦糸が断面で示されている。この連結部分１４０ｃにおける縦糸の夫々の層が、ストリップ１０２の横糸方向に対し角度αを成している方向に延出している。織りの間に、ストリップ１０４は、ストリップ１０４の個々の縦糸をストリップ１０２の縦糸及び横糸のセットに個々に通過させることにより、ストリップ１０２の一方の側から他方の側へと通過されている。

図１０は、ストリップ１０４の連結部分１５０ｃがストリップ１０２を通過している場所の横糸断面である。この例においては、そして上述されている如く、連結部分１５０ｃはストリップ１０２の縦糸に対し直角に延出している。にも拘わらず、連結部分１４０ｃについては、外方プラットフォームの為に望まれている向き次第で、縦糸に対する直角に対しゼロでない角度で延出した連結部分１５０ｃを有することが出来る。

図１１Ａ中の例により示されている如く、より大きな重さの横糸を使用するとともに横糸の追加された層を使用することにより、特別な厚さ１０３を得ても良い。

図１１Ａ中では、この例においては４ないし７の横糸の層の数が、羽根の舌に対応しているストリップ１０２の部分１０２_１と特別な厚さ１０３を提供しているストリップの部分１０２_３との間を通過している。

さらに、異なった重量の横糸ｔ１，ｔ´１，そしてｔ´´１が使用されていて、糸ｔ１は、例えば、０．５Ｋ（５００繊維）の重量を有している「ニカロン（Nicalon）」ＳｉＣ糸であり、糸ｔ´１は２つの０．５Ｋ糸を合体させることにより得られていて、そして糸ｔ´´１は３つの０．５Ｋ糸の合体による。

素材部分１０２_３中の織りは、部分１０２_１中よりもより多くの縦糸の層の数を要求する。好ましくは、これは、部分１０２_１の２つの縦糸平面から縦糸を合体することにより部分１０２_３中の個々の縦糸平面を構成することにより縦糸平面の数を減少させることで、部分１０２_１と部分１０２_３との間の変遷中に達成される。図１１Ｂ及び１１Ｃは、部分１０２_１中の２つの隣接した縦糸平面を示しており、そして図１１Ｄは図１１Ｂ及び１１Ｃの縦糸平面を合体させることにより部分１０２_３中で得られた縦糸平面を示している。

図を簡素にする為に、図１１Ｂ，１１Ｃ，そして１１Ｄ中においては、異なった重量の縦糸は（図７のように）示されていないし、異なった重量の横糸も（図１１Ａのように）示されていない。図１１Ｂ＆１１Ｃと図１１Ｄとの間で、点線は、図１１Ｂ及び１１Ｃの種々の層の縦糸がどのようにして図１１Ｄの縦糸層を形成するかを示している。

当然ながら、横糸層の数及び横糸重量の他の組み合わせが、特別な厚さ１０３を形成する為に、採用されることが出来る。

図１２中に概略的に示されているもう１つの実施形態においては、特別な厚さ１０３はストリップ１０２を織っている間に挿入物（insert）を導入することにより得ることが出来る。

図１２中において、羽根の舌に対応しているストリップ１０２の部分１０２_１中の横糸層のセットＴ_１は、織りの間に２つの副組立体Ｔ_１１及びＴ_１２を形成するよう結合されないことにより分割され、そして挿入物１０３_１がそれらの間に導入されている。示されている例においては、部分１０２_１は、羽根板翼に対応しているストリップ１０２の部分１０２_２よりも厚い。部分１０２_２と部分１０２_１との間の変遷は、図１１Ａ中の部分１０２_１と部分１０２_３との間の変遷の為にも上述したのと同じようにして達成されて良い。シート（sheet）１０４が図２の連結部分１４０ｃの水準でシート１０２を通って通過している場所は、より厚い部分１０２_１を通っていることが出来る。

部分１０２_１から離れている挿入物１０３の端で、横糸層の副組立体Ｔ_１１及びＴ_１２は、部分１０２_１と同じ厚さを有している部分１０２´_１を形成するよう織り、そして次に、部分１０２_２と同じ厚さを有している部分１０２´_２を厚さを減少させ部分１０２´_２が次の織物素材の為の羽根板翼に対応している部分を形成することにより、再統合される。

挿入物１０３_１は好ましくはセラミックの単一片であり、好ましくは、作成される羽根の複合材料の母材の為に使用されている如き同じセラミック材料を使用して作成されている。従って、挿入物１０３_１はＳｉＣ粉末を焼結させることにより得られたＳｉＣブロック（block）であって良い。

図１３中に非常に概略的に示されている如く、複数の繊維素材１００は、その中に形成された１つ又はそれ以上の連続した繊維素材の列を有しているストリップ３００を織ることにより得られてよい。特別な長さの区域３１０，３２０が、織りに関係している縁現象（edge phenomena）を避ける為に（縦糸のみを有している）縦糸方向及び（横糸のみを有している）横糸方向に形成されていて、予備成形物が造形される時の変形のより大きな自由を残し、そして、素材１００の間に変遷区域を提供している。

図１４は別の実施形態を示していて、ここにおいては、ストリップ４００がストリップの長手方向に対し直角な横方向に織られている素材１００の列を伴って形成されている。特別な長さの区域４１０，４２０は縦糸方向及び横糸方向に同様に形成されている。素材１００の複数の列が、この目的の為に適用されたストリップ４００の幅を伴って、織られていて良い。

この発明の実施において複合材料の羽根を製造する方法中の連続した工程が図１５中に与えられている。

工程５０１においては、繊維ストリップは３次元織りにより織られていて、このストリップは複数の繊維素材、例えば、図１３中に示されている如く、縦糸方向に延出している繊維素材の複数の列を備えている。高温度で、そして特に腐食性の環境において（特に湿った環境において）、使用されるターボ機械羽根の為に、織りはセラミック繊維、特に炭化珪素（ＳｉＣ：silicon carbide）繊維で形成されている糸（yarn）を使用して行われている。

工程５０２においては、繊維ストリップは繊維上に存在している油分を除去する為及び繊維の表面からの酸化物の存在を除去する為に処理される。酸化物処理は、酸処理（acid treatment）により、特に弗化水素酸（hydrofluoric acid）の浴槽中での浸漬（immersion）により、達成された。もし油分が酸処理により除去されるのに適切ではないのであれば、油分除去の為の従来の処理、例えば手短な加熱処理によるその分解（decomposing）による、が行われる。

工程５０３においては、中間相被覆（interphase coating）の薄い層が、薬品蒸気浸透（ＣＶＩ：chemical vapor infiltration）により繊維ストリップの繊維上に形成される。中間相被覆（interphase coating）材料は、例えば熱分解カーボン（ＰｙＣ：pyrolytic carbon）により，窒化硼素（ＢＮ：boron nitride）により，又は硼素添加炭素（ＢＣ：boron-doped carbon、例えば５原子パーセント（ａｔ．％：atom percent）乃至２０ａｔ．％のＢ，残余（balance）がＣを有している）により構成されている。中間相被覆（interphase coating）の薄い層は、繊維素材が変形の為の良好な能力を保つことを確実にする為に、好ましくは小さい厚さ、例えば１００ナノメーター（ｎｍ）を越えない、又はより好ましくは５０ｎｍを越えない、である。この厚さは好ましくは１０ｎｍ以上である。

工程５０４においては、中間相被覆（interphase coating）の薄い層により被覆されている繊維を伴っている繊維ストリップが、団結組成物（consolidation composition），一般的には溶剤中に任意に溶解される樹脂、により含浸される。炭素先駆物質樹脂（carbon precursor resin）、例えばフェノール樹脂（phenolic resin）又はフラン樹脂（furanic resin）、が使用されて良く、又は、セラミック先駆物質樹脂、例えばポリシラゼン樹脂（polysilazane resin）又はＳｉＣの為の先駆物質を構成しているポリシロキサン樹脂（polysiloxane resin）、が使用されることが出来る。

もしあるならば、樹脂からの溶剤の除去による乾燥後（工程５０５）、樹脂は予備硬化されて良い（工程５０６）。予備硬化、即ち、不完全な架橋、は、剛性（stiffness）そして従って強度（strength）を増加させるよう働き、その間に、羽根予備形成物を作成する為に要求されている如き変形の為の能力を確保する。

工程５０７においては、個々の繊維素材が、図３中に示されている如く、切り離される。

工程５０８においては、このようにして切り離された繊維素材が（図４及び５中に示されている如く）造形され、そして、板翼及び羽根元部分の予備成形物部分の造形の為及び内方又は外方プラットフォーム予備成形物部分の造形の為に、成形型、例えば黒鉛成形型、中に置かれる。

その後、樹脂の硬化が行われ（工程５０９）、そして硬化された樹脂が熱分解される（pyrolyzed）（工程５１０）。硬化及び熱分解は、成形型中の温度の漸進的な上昇により互いに続くことが出来る。

熱分解の後に、熱分解の残留物により団結されている（consolidated）繊維予備成形物が得られる。団結樹脂の量は、熱分解残留物が予備成形物の繊維を互いに十分に接合して、工具からの手助け無しでその形状を維持している間に予備成形物の取り扱いを確実にするよう選択されていて、団結樹脂（consolidation resin）の量は好ましくは出来る限り小さくなるよう選択されることに注意が払われている。

油分除去の為の，酸処理の為の，そしてＳｉＣ繊維支持体（substrate）の為の中間相被覆の形成の為の工程は知られている。参照は、文書ＵＳ５０７１６７９に対し行われることが出来る。
複合材料を非脆化（non-brittle）するその機能を果たすのに十分な厚さを提供している繊維―母材中間相を全体に得る為に、第２中間相層（second interphase layer）がＣＶＩにより形成された（工程５１１）。第２中間相層はＰｙＣ，ＢＮ，そしてＢＣから選択された材料であって良く、そして第１中間相層の材料と必ず同じ材料である必要がない。第２中間相層の圧さは好ましくは１００ｎｍ以上である。

上述した如く、２つの層の他に中間相を作成することは好ましい。このことは、本出願人により番号０８／５４９３７の下で提出されたフランス特許出願中に記載されている。

その後、団結された予備成形物は母材により高密度化される（densified）。高温度で、そして特に腐食性媒体中で、使用されるターボ機械羽根の為に、母材は、例えばＳｉＣで形成されたセラミック母材である。ＣＶＩにより高密度化を行うことが可能であり、この場合には、第２中間相層を形成すること及び母材により高密度化することが互いに同じ炉（oven）中で続けられて良い。

高密度化（densification）は、羽根を所望の寸法に機械加工する工程５１３により分離されている２つの連続した工程（工程５１２及び５１４）中で行うことが出来る。

予備機械加工を、工程５０９と５１０との間で、即ち樹脂の硬化後であり熱分解前に、行って良い。

この発明のもう１つの実行において複合材料の羽根を製造する方法の連続した工程が、図１６中に与えられている。

複数の繊維素材を備えている繊維ストリップを３次元的に織る工程６０１、そして、油分及び酸化物を除去する為の処理の工程６０２は、図１５の実行の工程５０１及び５０２と同じである。

工程６０３においては個々の繊維素材が繊維ストリップから切り離され、そして次に個々の繊維素材が成形型（mold）又は治具（jig）中で造形されて（工程６０４）、板翼及び羽根元予備成形物部分を造形することにより、そしてプラットフォーム予備成形物部分を造形することにより、羽根繊維予備成形物を得る。

工程６０５においては材料を非脆化（non-brittle）する為の中間相被覆（interphase coating）が、治具中に保持されている間に予備成形物の繊維上にＣＶＩにより形成される。例として、中間相被覆材料は、上述した如く、ＰｙＣ，ＢＮ，又はＢＣである。中間相被覆の厚さは略一百乃至数百ナノメーターである。

治具中に依然として保持されている予備成形物が部分的な高密度化により団結され（工程６０６）、団結はＣＶＩにより繊維上にセラミックの付着層（deposit）を形成することにより行われている。

ＣＶＩによる中間相被覆の形成及びＣＶＩによるセラミック付着による団結は、同じＣＶＩ炉（oven）中で順次続けることが出来る。

治具は好ましくは黒鉛（graphite）形成され、そしてＣＶＩによる中間相付着及びセラミック付着を提供する反応ガスの通過を容易にする為の孔を提供する。

支持工具からの手助けなしでその形状を確保している間に予備成形物を取り扱うのに十分団結されると、団結されている予備成形物は治具から排出され、そしてそれはＣＶＩによりセラミック母材で高密度化される。高密度化は、羽根を所望の寸法に機械加工する工程６０８により分離された２つの連続した工程（工程６０７及び６０９）中で行なわれて良い。

上述した記載中では、厚さを変化させている板翼輪郭が重量及び／又は打込数を変化させた糸を使用することにより得られた。代わりに、同じ重量の糸の層の或る数及び変化しない打込数により、予備成形物の板翼部分に対応している繊維素材の部分を作成することが可能であり、輪郭の厚さは、第１高密度化工程後の機械加工の間、又は団結された素材予備成形物の予備機械加工の間に変化される。

さらに、羽根が使用されることを意図されている状況に従い、羽根の繊維強化の繊維は、セラミック以外の材料で形成されて良く、例えばそれらは炭素で形成されて良く、そして、母材もセラミック以外の例えば炭素又は樹脂の材料で形成されて良く、この発明はまた当然のことながら、有機母材（organic matrix）を有している複合材料から羽根を製造することにも適用可能である。

Claims (16)

1. ３次元織りにより単一繊維素材を形成すること；
   前記繊維素材を造形して、羽根板翼及び羽根元の予備成形物を形成している第１部分と、内方又は外方羽根プラットフォームの為の予備成形物を形成している少なくとも１つの第２部分と、を有している単一繊維予備成形物を得ること；そして、
   この予備成形物を母材で高密度化し、この予備成形物により構成されていて母材により高密度化されている繊維強化材を有していて、組み込まれた内方及び／又は外方プラットフォームを伴った単一部位を形成している複合材料羽根を得ること、
   を備えている、
   母材により高密度化された繊維強化材を備えている複合材料からターボ機械羽根を製造する方法。
2. 製造される前記羽根の長手方向に対応している前記繊維素材の長手方向において、前記繊維素材は、前記羽根板翼及び羽根元の為の前記予備成形物に対応している前記素材の第１部分を形成する為に互いに結合された糸の複数の層の第１セットと、内方又は外方羽根プラットフォームの為の予備成形物に対応している前記素材の前記少なくとも１つの第２部分を形成する為に少なくとも部分的に互いに結合された糸の複数の層の第２セットと、を備えていて、ここにおいて、前記糸の前記複数の層の前記第１セットの糸は前記糸の前記複数の層の前記第２セットの糸と結合されておらず、そして、ここにおいて、前記糸の前記複数の層の前記第２セットの糸は前記素材の前記又は個々の第２部分の水準で前記糸の前記複数の層の前記第１セットを通って横断する、ことを特徴とする請求項１に従っている方法。
3. 前記繊維素材は糸の複数の層の第２連続セットにより織られていて、そして、前記繊維素材の前記造形は、前記繊維素材の前記又は個々の第２部分に対する外部の前記糸の前記複数の層の前記第２セットの部分を切除することにより除去することを備えている、ことを特徴とする請求項２に従っている方法。
4. 前記糸の前記複数の層の前記第２セットの糸が前記糸の前記複数の層の前記第１セットを通って横断している場所又はそのような複数の場所の少なくとも１つにおいて、前記第１セットの前記糸の１つの層と前記第２セットの前記糸の１つの層との間の交差が、前記繊維素材の前記長手方向に対し直交していない線に従う、ことを特徴とする請求項２又は請求項３に従っている方法。
5. 前記繊維素材の前記第１部分において、及び、製造される前記羽根における厚さを変化させている板翼の輪郭に沿い延出している方向に対応している方向において、前記糸の前記複数の層の前記第１セット中の前記糸の前記複数の層の数が一定である、請求項２乃至４のいずれか１項に従っている方法。
6. 前記糸の前記複数の層の前記第１セットの複数の糸は重量を変化させている、ことを特徴とする請求項５に従っている方法。
7. 前記糸の前記複数の層の前記第１セットの複数の糸は打込数を変化させている、ことを特徴とする請求項５に従っている方法。
8. 複数の繊維素材の連続を備えているストリップが３次元織りにより作成されている、ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に従っている方法。
9. 前記複数の繊維素材が、製造される前記繊維素材の方向に対応しているそれらの長手方向で織られていて織物の横方向に延出している、ことを特徴とする請求項８に従っている方法。
10. 前記複数の繊維素材が、製造される前記繊維素材の方向に対応しているそれらの長手方向で織られていて織物の縦方向に延出している、ことを特徴とする請求項８に従っている方法。
11. 糸の３次元織りにより得られ母材により高密度化された繊維強化材を備えている複合材料で形成されたターボ機械羽根であって、
    前記羽根が、単一部位として形成された羽根板翼及び羽根元を構成している第１部分を、内方又は外方羽根プラットフォームを構成している少なくとも１つの第２部分とともに備えていて、そして、前記羽根の前記第１及び第２部分に対応している前記繊維強化材の２つの部分が、前記繊維強化材の前記第２部分中に貫通されている前記繊維強化材の前記第１部分の糸と少なくとも一部分で互いに織り合されている、ことを特徴とするターボ機械羽根。
12. それがセラミック母材複合材料により形成されていることを特徴とする、請求項１１に従っているターボ機械羽根。
13. 前記羽根の前記第２部分に対応している前記繊維強化材の前記部分の構成要件となる前記糸が、前記羽根の前記第１部分に対応している前記繊維強化材の前記部分を通って横断している、ことを特徴とする請求項１１又は請求項１２に従っているターボ機械羽根。
14. 前記羽根の前記板翼が厚さを変化させている輪郭を有していて、それに沿って前記羽根の前記第１部分に対応している前記繊維強化材の前記部分が、前記羽根の長手方向に延出していて重量及び／又は打込数を変化させている、ことを特徴とする請求項１１乃至１３のいずれか１項に従っているターボ機械羽根。
15. 前記羽根の前記板翼が厚さを変化させている輪郭を有していて、それに沿って前記羽根の前記第１部分に対応している前記繊維強化材の前記部分が、前記羽根の長手方向に延出している前記糸の層の数を変化させている、ことを特徴とする請求項１１乃至１３のいずれか１項に従っているターボ機械羽根。
16. 請求項１１乃至１５のいずれか１項に従っている、又は、請求項１乃至１０のいずれか１項の方法の実行により製造された羽根が取り付けられているターボ機械。

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