Forming method for composite structure and composite

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、腐食および異物損傷に対する優れた保護が図れる複合構造体（composite
structure ）の形成方法、およびこの複合構造体により構成される複合物に関するものである。 本発明の方法は、翼形（airfoil ）構造体の製造および改修に特に有用である。

【０００２】

【発明が解決しようとする課題】ジェットエンジン上のファン出口のガイドべーン（guide vane）のような複合翼形構造体は、大気の影響による腐食、並びにべーンの前縁（leading edge）上における異物の衝突から生じる損傷を受ける。 これらの翼形構造体を修復するための適切な技術を見出すための研究がなされており、腐食および異物に対する必要な保護が図れるとともに、十分な接着構造体とすることができる改修方法が要望されている。

【０００３】よって、本発明の目的は、翼形構造体のような複合構造体における前縁を改修するための方法を提供することにある。 本発明の他の目的は、経済的に有利であり、二次的な接着作業の必要のない上記の方法を提供することにある。 本発明のさらに他の目的は、複合構造体の前縁上における腐食および異物損傷に対する優れた保護が図れる上記の方法を提供することにある。 本発明の別の目的は、元の金属／複合構造体の構成にも役立つ上記した方法を提供することにある。 本発明のさらに別の目的は、十分に接着された複合構造体を提供することにある。 上記の各目的は、本発明の方法により達成できる。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、複合構造体を形成するための新規な方法が提供される。 本方法は、未硬化（uncure）あるいは実質的に未硬化状態の非金属材料から形成されたコア構造体を用意するステップ、前記コア構造体の表面部分上に、同様に好ましくは未硬化あるいは実質的に未硬化の状態でありコア構造体の材料の硬化温度と近い硬化温度を有するフルオロエラストマー（fluoroelastomer ）のフィルムを形成するステップ、前記コア構造体の部分上に、その内面が前記フルオロエラストマーのフィルムと接触する金属構造体を配置するステップ、並びに前記非金属コア構造体材料および前記フルオロエラストマーのフィルムを共に硬化（co-cure ）し前記金属構造体と前記フルオロエラストマーのフィルム間に結合を形成するために、十分な時間の間、熱と圧力下で前記複合構造体を成形（molding ）
するステップ含んでなる。 好ましい実施の形態においては、約３６０°Ｆ（１８２℃）までの温度および約１０
０ｐｓｉ（７ｋｇ／ｃｍ ² ）から約１０００ｐｓｉ（７
０ｋｇ／ｃｍ ² ）の圧力が、共に硬化し接着する工程の間において、約３０分間だけ複合構造体に対して加えられる。

【０００５】金属構造体が、イソプロピルアルコール溶液のような溶剤でその内面を洗浄するとともに、その内面から望ましくない酸化物および他の有害な材料を取り除くために塩化第二鉄の酸性エッチング溶液（ferric c
hloride acid etching solution ）内で金属構造体をエッチングし、また新しい酸化物の生成を防止するとともに表面の接着特性を改善するために前記金属構造体の前記内面を下塗（prime）して用意された場合、接着の方法の間において特に強固な接着が形成されることが見出された。 下塗するステップは、好ましくは、クロム酸ストロンチウム（strontium chromate）のような不溶性の腐食抑制剤を含むエポキシ樹脂溶液を前記面に塗ることを含んでなる。

【０００６】本発明の方法は、ジェットエンジンに使用されるファン出口ガイドべーンのような翼形構造体の改修において特別の有用性を持つことが見出された。 また、元の機器の製造および金属／複合物構造体の形成においても有用性を有する。 本発明の方法は、従来技術においては極めて困難であった、ステンレススチールへの接着のための優れた技術であることが見出された。 本発明の方法のその他の詳細、および他の目的並びに付随した特徴は、以下の詳細な説明および添付した図面に説明されている。 添付図面において、同じ参照数字は同じ要素を示している。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を詳細に説明する。 図１および図２は、本発明の方法を使用して形成された、ファン出口ガイドべーンのような、複合構造体１０の前縁部分を例示したものである。 複合構造体１０は、好ましくは未硬化あるいは実質的に未硬化の状態にある、非金属の複合材料から形成されたコア構造体１２、同様に好ましくは未硬化または実質的に未硬化の状態にあり、コア構造体１２の硬化温度に実質的に近い硬化温度を有するフルオロエラストマーのフィルムの材料層１４、並びにコア構造体の前縁部分１８の上に配置された金属構造体１６を含んでいる。

【０００８】複合構造体１０がファン出口ガイドべーンに使用された場合、コア構造体１２は、約３５０°Ｆ
（１７７℃）の硬化温度を有する複合グラファイト−エポキシ材料（composite graphite-epoxy material ）から形成される。 この材料は未硬化または実質的に未硬化の状態であり、また１つまたはそれより多くのコアパイル（core pile ）２０および１つまたはそれより多くのシェルパイル（shell pile）２２から構成される。 典型的には、全てのコアパイル２０およびシェルパイル２２
は同じ複合材料から形成される。 コア構造体１２は所望の形状および厚さを有している。 複合構造体がファン出口ガイドべーンのような翼形構造体として使用される場合には、コア構造体１２は好ましくは空気力学的な形状を有している。

【０００９】フルオロエラストマーのフィルムの材料層１４は、約３５０°Ｆ（１７７℃）の硬化温度を有するＶＩＴＯＮフィルムから形成され、このフィルムは未硬化または実質的に未硬化の状態である。 このフィルム層は通常は約０．００８インチから約０．０１５インチ（約０．００２センチから約０．０３８センチ）の厚さを有している。 ＶＩＴＯＮフィルムは、オハイオ州のＣ
ｕｙａｈｏｇａ ＦａｌｌｓのＥａｇｌｅ Ｅｌａｓｔ
ｏｍｅｒ社によって製造されたフルオロエラストマー製品である（ＶＩＴＯＮはｄｕＰｏｎｔ社の登録商標である）。 なお、ＶＩＴＯＮフィルムは、フッ化ビニリデン（vinylidene fluoride ）とヘキサフルオロプロピレン（hexafluoropropylene ）の共重合体をベースとするフルオロエラストマーのフィルムである。 このフルオロエラストマーのフィルムの材料層１４は接着剤として機能し、また、業界において公知の適当な技術を使用して、
コア構造体１２の表面２４に形成される。 例えば、コア構造体の前縁の表面２４上にはけ塗り（brush ）あるいは塗装（paint ）される。 必要な場合には、フルオロエラストマーのフィルムの層は、複合構造体１０の前縁を越えた表面２４の部分に延在するように形成される。 腐食および異物損傷に対する保護を改善するために、金属構造体１６つまり金属シース（metallic sheath ）が複合構造体の前縁部分１８の上に配置されている。 この金属構造体１６は、ＡＭＳ ５５１０のような鉄をベースとする合金材料、あるいはＡＭＳ ５５３６またはＡＭ
Ｓ ５５９９のようなニッケルをベースとする合金材料から形成される。

【００１０】金属構造体１６は固体構造体であることが好ましく、この固体構造体により腐食および異物損傷に対するより良い保護が行える。 金属構造体１６は、前縁構造体として使用された場合、Ｖ形状で、また約０．０
０５インチから約０．０１２インチ（約０．０１３センチから約０．０３センチ）の範囲の厚さを有している。

【００１１】複合構造体を形成するために、フルオロエラストマーの接着剤の材料層１４は最初にコア構造体１
２の外側の表面２４の部分に形成される。 上記したように、接着材料は表面２４の部分上にフィルムの形態で形成される。

【００１２】接着剤の材料層１４上に配置される前に、
前端の金属構造体１６は、金属構造体１６の内面２６を活性化し、これにより金属構造体１６とコア構造体１２
の間に形成される接着を大幅に改善するための、重要な前処理プロセスを受ける。 この重要な前処理プロセスは、金属構造体１６の内面２６を洗浄し、酸化物を取り除いて接着のための清浄な面を提供するために内面２６
をエッチングし、また酸化物の形成を防止して最終的に形成される接着の剥離強度（peel strength ）を改善するために内面２６を下塗することからなる。

【００１３】好ましい前処理プロセスにおいては、金属構造体１６の内面２６は最初に、試薬等級（reagent gr
ade ）のイソプロピルアルコールあるいはアセトンのような適当な溶剤で湿らせた清浄な、サイズの特定されないチーズクロスを使用して、清浄に拭き取りされる。 拭き取りの後、内面は周囲温度で空気乾燥されるかあるいは最大２５０°Ｆ（１２１℃）で炉乾される。 乾燥時間は、接着プロセスに有害な清浄化溶剤の跡を取り除くのに十分なものである。

【００１４】その後、内面は、面上の何らかの酸化物を取り除き、接着のための清浄な面を提供するために、塩化第二鉄酸エッチング溶液を使用してエッチングされる。 エッチング溶液の適用の前に、金属構造体１６は、
Ｂｌｕｅ Ｇｏｌｄ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｃｌｅａ
ｎｅｒの名称の商標で販売されているアルカリ洗浄剤あるいは同等なアルカリ洗浄剤をガロン当たり５オンス含む溶液のようなアルカリ洗浄溶液内に浸漬される。 金属構造体は少なくとも５分間だけ溶液内に浸漬される。 溶液は好ましくは約１２０°Ｆ（４９℃）から約１６０°
Ｆ（７１℃）の範囲内の温度に維持される。 アルカリ洗浄溶液から取り除いた後、金属構造体１６は冷水内で２
０秒から４０秒の間だけ水洗される。

【００１５】金属構造体の内面２６のエッチングは、金属構造体を塩化第二鉄の酸性エッチング溶液内に浸漬することにより行われる。 エッチング溶液は、８０ガロン（３０２．４リットル）の塩酸を用意し、１３５ｌｂｓ
（６１．３ｋｇ）の無水塩化第二鉄を少しづつ加え、混合タンクを１２０°Ｆ（４９℃）より低い温度に維持することにで作られる。 溶液が約９０°Ｆ（３２℃）の温度まで冷えた後、２ガロン（７．５６リットル）の硝酸および１１ガロン（４１．６リットル）の水が加えられる。 このエッチング操作は、好ましくは、室温で約１４
分から１６分の間だけ行われる。 必要に応じて、内面２
６は、エッチングを開始する前に、２０ｐｓｉ（１．４
ｋｇ／ｃｍ ² ）の圧力で２４０メッシュの酸化アルミニウムで研磨的あるいはグリットブラストされる。

【００１６】エッチング操作が完了した後、金属構造体は冷水中で約２０秒間から４０秒間の間だけすすぎ落としされ、その後、冷水を流して水洗される。 内面２６は次いで、汚れあるいは他の有害な粒子が検査される。 汚れあるいは他の有害な粒子が見付かった場合には、好ましくは、拭き取りなどにより手作業で取り除かれる。 その後、金属構造体はさらに冷水を流して水洗される。 水洗の後、金属構造体１６は好ましくは炉内に配置され、
また約１４０°Ｆ（６０℃）から約１６０°Ｆ（７１
℃）の範囲の温度において約１４分から１６分の範囲の時間期間だけ乾燥される。

【００１７】最後の前処理ステップとして、表面の酸化を防止するとともに接着を改善するために内面２６が下塗される。 下塗の操作は、クロム酸ストロンチウム（st
rontium chromate）のような不溶性の腐食抑制剤を含むエポキシ樹脂溶液を、内面２６に塗ることから構成される。 下塗のエポキシ樹脂溶液を内面２６に塗るために業界において公知の適当な技術が使用される。 下塗材（pr
imer）は適当な条件（２５０°Ｆ（１２１℃）で３０分間だけ空中）で硬化されなければならない。

【００１８】表面の前処理が完了した後は、金属構造体１６は、フルオロエラストマーの接着剤の材料層１４と接触する金属構造体の内面２６を備えたコア構造体１２
の前端部分の上に配置される。 全体の複合構造体は次いで、圧縮成形用金型のようなモールド（図示せず）の内部に配置され、コア構造体１２を形成するエポキシ−グラファイト材料およびフルオロエラストマーの接着剤の材料層１４を共に硬化し、金属構造体１６のエッチングされ下塗された内面２６とフルオロエラストマーの接着剤の材料層１４の間に比較的強固な接着を生成するために、３０分の時間だけ、熱と圧力を受ける。 複合構造体に加えられる圧力は好ましくは約１００ｐｓｉ（７ｋｇ
／ｃｍ ² ）から約１０００ｐｓｉ（７０ｋｇ／ｃｍ ² ）
の範囲内である。 モールド内で複合構造体に加えられる温度は３６０°Ｆ（１８２℃）を越えてはならない。 典型的には、共に硬化し接着する操作の間において約３５
０°Ｆ（１７７℃）の温度が使用される。

【００１９】ここで、金属構造体１６上で洗浄、エッチングおよび下塗の各ステップを組合わせて行うことは、
成形操作の間において接着を行うために重要であることが見出された。 また、コア構造体材料と接着剤の層の材料を共に硬化することにより、二次的な接着操作の必要がなくなることが見出された。 この結果、複合構造体を作るためのコストが非常に減じられる。 本発明の方法の最終結果として、ファン出口ガイドべーンのような、複合構造体の前縁上の良好に接着された金属シースを得ることができ、腐食および異物損傷の保護が改良される。

【００２０】当業分野において、以前は、ステンレススチールへの接着は非常に困難であることが知られている。 本発明の方法では、ＡＭＳ ５５１０のようなステンレススチール材料を接着することができ、また、主にＶＩＴＯＮ接着剤層内で発生する破壊において約２０−
７０ｌｂｓ／ｉｎｃｈ幅（３．５８−１２．５ｋｇ／ｃ
ｍ幅）の範囲内の剥離強度を達成することができる。

【００２１】ＡＭＳ ５５１０のようなステンレススチール材料を使用して形成された前縁は特に有利であることが見出された。 これは小さな粒子の急断試験を使用して実証された。 このテストにおいて、０．１２５インチ（０．３２ｃｍ）径のスチールボールベアリングが、
０．０１２インチ（０．０３ｃｍ）の厚さのワイヤメッシュ前縁あるいは０．０１０インチ（０．０２５ｃｍ）
の厚さのステンレススチール前縁のいずれかを有するファン出口ガイドべーンの前縁に発射された。 図３は、ワイヤメッシュ前縁と比べた場合においてステンレススチール前縁が示す小さな粒子の衝突における改善度を示したものである。 ワイヤメッシュの前縁は０．２５ｆｔ−
ｌｂ（０．０３５ｋｇ−ｍ）の粒子エネルギーで穴が開けられた。 ステンレススチール前縁は０．６ｆｔ−ｌｂ
（０．０８３ｋｇ−ｍ）までのエネルギーレベルの粒子が衝突しても穴開きはなかった。 ０．２５ｆｔ−ｌｂ
（０．０３５ｋｇ−ｍ）において、ワイヤメッシュの前縁と比べた場合において、ステンレススチールの前縁は凹み深さが約４０％減じられた。 凹み深さよりも重要なことには、ワイヤメッシュ前縁と比べた場合、ステンレススチール前縁の場合は穴開けに必要なエネルギーが１
４０％よりも大きいことが実証された。

【００２２】フルオロエラストマーのフィルムの延性特性による、本発明の方法を使用して得られる剥離強度の改良を実証するため、多数の複合材料の試験片が、成形されたファン出口ガイドべーンから取り除かれた。 各試験片は、未硬化状態のエポキシ−グラファイトコア材料、未硬化状態のＶＩＴＯＮ接着剤材料の中間層、並びに上記した前処理プロセスを受け、接着剤材料の層の上に配置された、ＡＭＳ５５１０ステンレススチール材料の層を有する複合構造体で構成される。 各試験片はベーン圧縮成形用金型（vane compression mold ）内に配置され、また、コア材料とＶＩＴＯＮ接着剤材料を共に硬化するとともにステンレススチール層をＶＩＴＯＮ材料層に接合するために、３０分間だけ５００ｐｓｉ（３５
ｋｇ／ｃｍ ² ）の圧力および３５０°Ｆ（１７７℃）の温度を受けた。

【００２３】試験片のいくつかは異なる条件を受けた。
１つの試験片は湿度条件（１４０°Ｆ（６０℃）／９５
％ＲＨ／１４日）を受けた。 ２つの試験片は２５０°Ｆ
（１２１℃）で５００時間だけエージングされた。 他の２つの試験片は０°Ｆ（−１８℃）から２５０°Ｆ（１
２１℃）の範囲の温度で１００サイクルだけ熱サイクルされた。 その後、各試験片に対する剥離強度がＡＳＴＭ
Ｄ３１６７により決定された。 製造された試験片は７
５°Ｆ（２４℃）において１６から３２ｌｂｓ／ｉｎｃ
ｈ（２．８６から５．７３ｋｇ／ｃｍ）幅の範囲内の剥離強度を有していたが、湿度試験された試験片は７５°
Ｆ（２４℃）において４６ｌｂｓ／ｉｎｃｈ（８．２３
ｋｇ／ｃｍ）幅の剥離強度を有しており、エージング試験された試験片は７５°Ｆ（２４℃）において２７ｌｂ
ｓ／ｉｎｃｈ幅（４．８３ｋｇ／ｃｍ幅）および４１ｌ
ｂｓ／ｉｎｃｈ幅（７．３４ｋｇ／ｃｍ幅）の剥離強度を有しており、またサイクル試験された試験片は７５°
Ｆ（２４℃）において１８ｌｂｓ／ｉｎｃｈ幅（３．７
２ｋｇ／ｃｍ幅）および２１ｌｂｓ／ｉｎｃｈ幅（３．
７６ｋｇ／ｃｍ幅）の剥離強度を有していることが判った。

【００２４】試験結果はまた、本発明の方法により形成されたステンレススチール前縁を備えた複合ファン出口ガイドベーンの疲労強度が従来技術により形成された複合ファンガイド出口ベーンおよびワイヤメッシュ前縁よりも大きいことを示している。

【００２５】コア構造体１２は未硬化または実質的に未硬化の状態であることが好ましいが、本発明は硬化されたグラファイト−エポキシ材料のような硬化されたコア材料で形成することもできる。

【００２６】以上、本発明を翼形構造体上の前縁に適用した例を説明したが、本発明の方法は、一般的な金属において複合材料を接合する用途にも使用でき、したがって例示した実施の形態に限定されない。 また、本発明の方法は、接着剤接合のための適当な表面の前処理をした他の金属（チタン、アルミニウム、ニッケル）にも同様に適用できる。 さらに、本方法は修理プロセスと同様に元の機器の製造プロセスにおいても有用なものである。

【００２７】

【発明の効果】以上の通り、本発明によれば、翼形構造体のような複合構造体の前縁を改修するための方法を提供できる。 また、本発明の方法によれば、経済的に有利であり、に二次的な接着作業の必要を排除できる。 さらに、本発明の方法によれば、複合構造体の前縁上における腐食および異物損傷の保護が改善される。 さらに、本発明によれば、元の金属／複合体構造体の構成にも役立つ方法を提供できる。 さらに、本方法によれば、十分に接着された複合構造体を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる複合翼形構造体の部分的な断面図である。

【図２】本発明に係わる複合構造体の前縁の拡大した断面図である。

【図３】ワイヤメッシュおよびステンレススチールの前縁を有するファン出口ガイドべーン上の行われた急断試験の結果を示したグラフである。

【符号の説明】

１０ 複合構造体 １２ コア構造体 １４ フルオロエラストマーのフィルムの材料層 １６ 金属構造体 ２０ コアパイル ２２ シェルパイル ２４ 表面 ２６ 内面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 クリストファー ジェイ． ハーテル アメリカ合衆国，コネチカット 06109, ウェザーズフィールド，サンセット ブー ルバード 64 (72)発明者 ジョン ジェイ． クライン アメリカ合衆国，コネチカット 06238, カベントリー，イーストビュー ドライブ 46 (72)発明者 ジョセフ ジェイ． パーコス ジェイアー ル. アメリカ合衆国，コネチカット 06423, イーストハダム，フィールドストーンズ ロード 60