DE102007039402A1 - Hybrid-Keramikmatrixverbund-Turbinenschaufelbaueinheit und dazugehöriges Verfahren - Google Patents

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Abstract

Eine Hybrid-Turbinenschaufel (10) schließt einen Verbundkern (16) ein, der innerhalb einer Verbundhülle (14) eingeschlossen ist, wobei der Verbundkern eine Mischung von Siliziumkarbid, Silizium und Kohlenstoff einschließt; die Verbundhülle schließt ein gewickeltes oder gewebtes keramisches Karbidfaser-Material ein. Ein Verfahren zum Bilden der Schaufel kann die Stufen einschließen (a) Formen einer Kohlenstoff-Vorform; (b) Umsetzen der Vorform in einem Ofen mit Silizium bei einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes von Silizium, um dadurch eine CMC-Verbundkern-Komponente (16) zu bilden, die aus einer Mischung von Siliziumkarbid, Silizium und Kohlenstoff besteht; (c) Anordnen einer temporären Dorn-Kernkomponente (18) benachbart der CMC-Verbundkern-Komponente zum Bilden einer Mehrkern-Baueinheit; (d) Bilden einer Verbundhülle (14) durch Übereinanderlegen von Prepregbändern um die Mehrkern-Baueinheit herum und (e) Entfernen des temporären Dornkernes (18).

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Diese Erfindung bezieht sich auf die Turbinen-Technologie und spezifischer auf Turbinenschaufel-Baueinheiten für hohe Temperatur.
  • Keramikmatrix-Verbundmaterialien (CMCs) bieten das Potenzial für höhere Betriebstemperaturen als vergleichbare Metalllegierungs-Materialien. CMCs sind jedoch nicht so fest wie Metalle und sie erfordern somit zur Kompensation dickere Querschnitte. Der Einsatz von CMCs für verschiedene Turbinen-Komponenten ist bekannt und wird in der Patentliteratur reflektiert. So offenbart, z.B., US-PS 6,709,230 eine Hybrid-Verbundschaufel für ein Gasturbinentriebwerk mit einem CMC-Flügelteil, der mit einem im Wesentlichen massiven Kernteil mit Kühlkanälen verbunden ist.
  • US-PS 6,670,021 offenbart eine monolithische keramische Befestigungsbuchse, die in eine CMC-Komponente eingebaut ist. Diese Komponente kann in einer Ausführungsform einen inneren Kern, der als eine Befestigungsbuchse ausgebildet ist, oder ein Abriebskissen einschließen, das entweder aus monolithischer Siliziumkarbid- oder Siliziumnitrid-Keramik hergestellt ist, das in eine CMC-Hülle eingebettet ist.
  • US-PS 6,607,358 offenbart eine Mehrkomponenten-Hybridturbinenschaufel, bei der der Flügelteil einen Verbundab schnitt mit einer ersten Dichte und einen Einsatzabschnitt mit einer zweiten Dichte umfasst, die geringer ist als die erste Dichte.
  • US-PS 6,451,416 offenbart einen monolithischen Hybrid-Keramik- und Keramikmatrix-Verbundflügel, bei dem der Flügel eine temperaturbeständige monolithische äußere Keramikschicht mit einer zäheren, stark schlagbeständigen, faserverstärkten inneren Keramikmatrix-Verbundschicht umfasst.
  • Bei der Herstellung von Verbundturbinenschaufeln war es Praxis, den Flügel um einen massiven Kohlenstoffkern zu formen, indem man Prepregbänder um den massiven Kohlenstoffkern herum aufeinander legte, mit zusätzlichen Bändern in, z.B., der Hinterkantenregion der Schaufel, sodass dieser Bereich der Schaufel ausschließlich aus den Prepregbändern hergestellt war. Wegen der relativ hohen Kosten dieses Verfahrens ist es erwünscht, ein weniger kostspieliges Verfahren zu entwickeln, das die Schaufel-Leistungsfähigkeit nicht beeinträchtigt.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Gemäß einer beispielhaften, aber nicht einschränkenden Ausführungsform dieser Erfindung umfasst eine Hybrid-Turbinenlaufschaufel- oder -leitschaufelbaueinheit eine Mehrkern-Verbundbaueinheit in Kombination mit einer sich davon unterscheidenden Verbund-Hüllenbaueinheit. Die Mehrkern-Baueinheit schließt eine erste massive Verbundkern-Komponente ein, die aus einer kurz geschnittenen Kohlenstoff-Vorform hergestellt, maschinell in die Gestalt gebracht ist und durch reaktive Schmelzinfiltration mit geschmolzenem Silizium einer Umwandlung in SiC unterliegt und ein Verbundmaterial ergibt, das aus einer Mischung von Siliziumkarbid, Silizium und Kohlenstoff besteht. Diese erste Kernkomponente wird mit einer zweiten, aber temporären massiven Dorn-Kernkomponente zusammengepasst, die aus Kohlenstoff, Aluminium oder einem anderen Material bestehen kann, um die Mehrkern-Schaufelbaueinheit zu bilden. Die Hüllenkomponente schließt ein gewebtes oder gewickeltes Keramikmatrix-Verbundmaterial ein, das um die Mehrkern-Baueinheit gewickelt ist.
  • Die Hülle wird nach einem konventionellen Prepreg-Verfahren hergestellt und zur Bildung der Leitschaufel oder Laufschaufel durch Aufeinanderlegen der Prepregbänder um die Mehrkern-Baueinheit herum in Form gebracht. Ein Beispiel des Verfahrens ist in den US-PSn 6,024,898 und 6,258,737 beschrieben. Nach dem Bilden der Hülle wird die temporäre Dorn-Kernkomponente entfernt und danach werden die verbliebene Verbund-Kernkomponente und die gewickelte oder gewebte Prepreghülle der Schmelzinfiltration unterworfen. Die Schmelzinfiltration verdichtet die äußere Prepreghülle durch Ausfüllen ihrer Porosität. Das geschmolzene Silizium erweicht auch das Silizium im Verbund-Kernabschnitt, der eine integrale Bindung mit der äußeren Hülle bildet.
  • In einem alternativen Beispiel wird eine grüne Kohlenstoff-Vorform (noch nicht mit Silizium umgesetzt) in der Mehrkern-Baueinheit zusammen mit dem temporären Dornkern eingesetzt. Nach dem Wickeln der Prepregbänder um die Kern-Baueinheit undd em Entfernen des temporären Dornkernes werden der verbliebene Verbundkern und die Hülle gemeinsam schmelzinfiltriert. Die Schmelzinfiltration verdichtet die äußere Hülle durch Füllen der Porosität. Die Infiltration der "grünen" Kohlenstoff-Vorform mit geschmolzenem Silizium führt zu der chemischen Reaktion zwischen dem Kohlenstoff und dem Silizium unter Bildung von Siliziumkarbid in situ. Diese Umwandlung der Kohlenstoff-Vorform bildet eine Mischung aus Siliziumkarbid, Kohlenstoff und Silizium. Das geschmolzene Silizium in der umgesetzten Vorform und der äußeren Prepreghül le bildet eine integrale Bindung zwischen dem umgesetzten Kern und der Prepreghülle. Der innere Raum, der durch Entfernen des temporären Mandelkernes erzeugt wird, kann zum Kühlen der Schaufel benutzt werden.
  • Durch Bilden eines speziellen Abschnittes der Schaufel, z.B. der Hinterkantenregion, mit einer CMC-Verbundkern-Komponente wird das kostspieligere Verfahren des Aufeinanderlegens von Prepregbändern zur Bildung dieses Abschnittes der Schaufel im Wesentlichen beseitigt, da die Bänder nun um eine Mehrkern-Baueinheit gewickelt werden können, wobei ein Teil der Mehrkern-Baueinheit an Ort und Stelle in der Hinterkantenregion verbleibt und mit der Hülle verbunden wird.
  • Gemäß einem Aspekt bezieht sich die Erfindung daher auf eine Hybrid-Turbinenschaufel, umfassend einen Verbundkern, der innerhalb einer Verbundhülle eingeschlossen ist, wobei der Verbundkern eine Mischung aus Siliziumkarbid, Silizium und Kohlenstoff einschließt; die Verbundhülle ein gewickeltes oder gewebtes keramisches Karbidfaser-Material einschließt.
  • In einem anderen Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Bilden einer Turbinenschaufel, umfassend: (a) Formen einer Kohlenstoff-Vorform und Umsetzen der Vorform in einem Ofen mit Silizium bei einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes von Silizium, um dadurch einen CMC-Verbundkern zu bilden, der aus einer Mischung von Siliziumkarbid, Silizium und Kohlenstoff besteht; (b) Formen einer Verbundhülle durch Aufeinanderlegen von Prepregbändern, um den CMC-Verbundkern und einen diskreten Dornkern herum und (c) Entfernen des diskreten Dornkernes.
  • In noch einem anderen Aspekt bezieht sich die Erfindung auf eine Hybrid-Turbinenschaufel, umfassend einen Kern aus CMC-Material, der innerhalb einer Verbundhülle eingeschlossen ist, wobei der Verbundkern eine Mischung von Siliziumkarbid, Silizium und Kohlenstoff einschließt; die Verbundhülle ein gewickeltes oder gewebtes keramisches Karbidfaser-Material einschließt.
  • Die Erfindung wird nun in Verbindung mit den unten identifizierten Zeichnungs-Figuren beschrieben.
  • KURZE BECHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • 1 ist ein schematischer Querschnitt, der die Kern- und Hüllen-Komponenten einer Turbinenschaufel gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht und
  • 2 ist ein Schliffbild, das die schmelzinfiltrierte Kernkomponente von 1 zeigt.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Bezugnehmend auf 1 schließt eine Hybrid-Turbinenlaufschaufel- oder -leitschaufel-Baueinheit 10 gemäß einer beispielhaften, aber nicht beschränkenden Ausführungsform der Erfindung eine Verbund-Kernkomponente 16 und eine Verbundhülle 14 ein. Die Kernkomponente 16 kann ein bekanntes massives Verbundmaterial umfassen, das aus einer kurz geschnittenen Kohlenstoff-Vorform hergestellt ist. Eine "grüne" Kohlenstoff-Vorform in dieser beispielhaften Ausführungsform wird anfänglich maschinell in Form gebracht und die Kernkomponente wird dann in einem Vakuumofen mit genügend Silizium (mehr als dem 2,7-fachen des Gewichtes der Kohlenstoff-Vorform) bei einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Siliziums umgesetzt, um den Kohlenstoff umzusetzen und eine CMC-Verbundkern-Komponente 16 zu bilden, die aus einer Mischung von Siliziumkarbid, Silizium und Kohlenstoff besteht. Ein solches Verbundmaterial, das in diesem Verfahren geeignet ist, wird unter dem Handelsnamen Cesic® vermarktet. Die Cesic®-Kernkomponente 16 füllt nicht das gesamte Innere der Laufschaufel oder Leitschaufel, sondern nur Bereiche, wo strukturelle Unterstützung erforderlich ist, z.B. in der Hinterkantenregion des Flügels. Während der Herstellung wird die Cesic®-Kernkomponente jedoch, wie weiter unten erläutert ist, in Kombination mit einer temporären massiven Dorn-Kernkomponente 18 benutzt (was eine Mehrkern-Baueinheit bildet), wobei der Dorn später entfernt wird.
  • Die Hülle 14 ist zusammengesetzt aus einer gewickelten oder gewebten keramischen Siliziumkarbidfaser, hergestellt gemäß einem konventionellen Prepreg-Verfahren, und in die Form eines Schaufelflügels gebracht durch Aufeinanderlegen der Prepregbänder um die Mehrkern-Baueinheit, die die CMC-Verbund-Cesic®-Kernkomponente 16 und die benachbarte diskrete temporäre Dorn-Kernkomponente 18 einschließt. Dieser diskrete temporäre Dornkern 18 füllt den übrigen Abschnitt des Schaufelinneren, doch wird er nachfolgend entfernt, nachdem die Hülle 14 um die Mehrkern-Baueinheit gewickelt worden ist. Weil die Hülle ein offenes Ende hat, kann die temporäre Dorn-Kernkomponente 18 einfach durch Herausziehen aus der Hülle 14 aus einem der offenen Enden entfernt werden. Die CMC-Cesic®-Kernkomponente 16 und die Prepreghülle 14 werden dann der Schmelzinfiltration mit geschmolzenem Silizium unterworfen. Die Schmelzinfiltration verdichtet die äußere Prepreghülle 14 durch Füllen ihrer Porosität. Das geschmolzene Silizium erweicht auch das Silizium in der CMC-Cesic®-Kernkomponente 16, die eine integrale Bindung mit der äußeren Prepreghülle 14 bildet.
  • In einem anderen Beispiel können die Reaktion eines grünen Vorformkernes 16 zu einer Verbundmischung aus Silizium karbid, Silizium und Kohlenstoff und die Schmelzinfiltration der Hülle 14 in dem gleichen Vakuumofen-Zyklus mit geschmolzenem Silizium zur Verdichtung und zum Verbinden der Hülle 14 mit dem Kern 16 gleichzeitig ausgeführt werden.
  • Nachdem die Prepregbänder um die Kern-Baueinheit gewickelt worden sind und die temporäre Dorn-Kernkomponente 18 entfernt wurde, werden die übrige Kernkomponente 16 und Hülle 14 miteinander schmelzinfiltriert. Die Schmelzinfiltration verdichtet die äußere Hülle durch Füllen der Porosität. Die Infiltration des "grünen" Kohlenstoff durch geschmolzenes Silizium führt zu der chemischen Reaktion zwischen dem Kohlenstoff und Silizium unter Bildung von Siliziumkarbid in situ. Diese Umwandlung der Kohlenstoff-Vorform bildet eine Mischung aus Siliziumkarbid, Kohlenstoff und Silizium. Das geschmolzene Silizium in der umgesetzten Vorform und der äußeren Prepreghülle bildet eine integrale Bindung zwischen der umgesetzten Kernkomponente 16 und der Prepreghülle 14. Der durch Entfernen des temporären Dornkernes erzeugte innere Raum kann zum Kühlen der Schaufel benutzt werden.
  • 2 ist ein Schliffbild, das die schmelzinfiltrierte CMC-Verbund-Kernkomponente 16 veranschaulicht.
  • Während die Erfindung in Verbindung mit dem, was als derzeit praktischste und bevorzugteste Ausführungsform angesehen wird, beschrieben wurde, sollte klar sein, dass die Erfindung nicht auf die offenbarte Ausführungsform beschränkt ist, sondern sie im Gegenteil verschiedene Modifikationen und äquivalente Anordnungen umfassen soll, die in den Geist und Umfang der beigefügten Ansprüche fallen.
    • 10
    Schaufel-Baueinheit
    12
    Grenzfläche
    14
    Verbundhülle
    16
    Kernkomponente
    18
    Temporäre Dorn-Kernkomponente

Claims (10)

  1. Hybrid-Turbinenschaufel (10), umfassend einen CMC-Material-Kern (16), der innerhalb einer Verbundhülle (14) eingeschlossen ist, wobei der Verbundkern eine Mischung von Siliziumkarbid, Silizium und Kohlenstoff einschließt, die Verbundhülle (14) ein gewickeltes oder gewebtes keramisches Karbidfaser-Material einschließt, das mit dem Kern verbunden ist.
  2. Schaufel nach Anspruch 1, worin der CMC-Material-Kern (16) aus einer geschnittenen Kohlenstoff-Vorform gebildet ist, die mit Silizium umgesetzt ist.
  3. Schaufel nach Anspruch 1, worin der CMC-Material-Kern (16) und die Hülle (14) mit geschmolzenem Silizium schmelzinfiltriert sind, um die Hülle mit dem Kern zu verbinden.
  4. Schaufel nach Anspruch 1, worin der CMC-Material-Verbundkern (16) nur einen Teil eines inneren Raumes der durch die Hülle definierten Schaufel einnimmt.
  5. Schaufel nach Anspruch 4, worin der CMC-Material-Kern (16) eine Hinterkantenregion der Schaufel einnimmt.
  6. Verfahren zum Bilden einer Turbinenschaufel, umfassend: (a) Formen einer Kohlenstoff-Vorform; (b) Umsetzen der Vorform in einem Ofen mit Silizium bei einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes von Silizium, um dadurch eine CMC-Verbundkern-Komponente (16) zu bilden, die aus einer Mischung von Siliziumkarbid, Silizium und Kohlenstoff besteht; (c) Anordnen einer temporären Dorn-Kernkomponente (18) benachbart der CMC-Verbundkern(16)-Komponente, um eine Mehrkern-Baueinheit zu bilden; (d) Bilden einer Verbundhülle (14) durch Aufeinanderlegen von Prepregbändern um die Mehrkern-Baueinheit; und (e) Entfernen des temporären Dornkernes (18).
  7. Verfahren nach Anspruch 6, weiter umfassend: (f) Schmelzinfiltrieren der Hülle (14) mit geschmolzenem Silizium, um diese Hülle (14) zu verdichten und den Verbundkern (16) mit der Hülle zu verbinden.
  8. Verfahren nach Anspruch 6, worin der Ofen einen Vakuumofen umfasst.
  9. Verfahren zum Bilden einer Turbinenschaufel, umfassend: (a) Formen einer ersten CMC-Vorform-Kernkomponente (16) aus zerschnittenem Kohlenstoff; (b) Kombinieren dieser ersten CMC-Kernkomponente (16) mit einer zweiten temporären Dorn-Kernkomponente (18) zum Bilden einer Mehrkern-Baueinheit; (c) Umwickeln der Mehrkern-Baueinheit mit Prepregbändern zum Bilden einer äußeren Hülle (14); (d) Entfernen der temporären Dorn-Kernkomponente (18) und (e) gleichzeitiges Schmelzinfiltrieren der äußeren Hülle (14) und der ersten CMC-Kernkomponente (16) mit Silizium, um die erste CMC-Kernkomponente umzusetzen und die äußere Hülle zu verdichten und die erste CMC-Kernkomponente mit der äußeren Hülle zu verbinden.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, worin Stufe (e) bei einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes von Silizium in einem Vakuumofen ausgeführt wird.
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