DE102017202221A1

DE102017202221A1 - Schlicker, Prepreg, sowie daraus aufgebautes Laminat daraus hergestellter Grünkörper und CMC-Turbinenkomponente

Info

Publication number: DE102017202221A1
Application number: DE102017202221.3A
Authority: DE
Inventors: Gia Khanh Pham; Steffen Walter
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2017-02-13
Filing date: 2017-02-13
Publication date: 2018-08-16
Also published as: WO2018145900A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schlicker, ein Prepreg, ein Laminat, einen Grünkörper sowie eine daraus hergestellte Ceramic Matrix Composite Turbinenkomponente. Durch die Erfindung wird erstmals ein Glycerin-haltiger Schlicker zur Herstellung einer CMC-Komponente zur Verfügung gestellt, dessen Gehalt an mineralischem und/oder keramischem Pulver 40 Vol% oder mehr, bezogen auf das gesamte Volumen des Schlickers, beträgt und/oder dessen Gehalt an Glycerin unter 10 Gew% - bezogen auf das Gesamtgewicht des keramischen Pulvers im Schlicker - liegt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schlicker, ein Prepreg, ein Laminat, einen Grünkörper sowie eine daraus hergestellte Ceramic Matrix Composite Turbinenkomponente.
Bei der neuen Generation von Turbinenkomponenten, insbesondere von Turbinenschaufeln und/oder Turbinenblättern von Heißdampfturbinen wird zunächst ein Schlicker hergestellt, der zur Herstellung eines Prepregs, das gegebenenfalls nach erfolgter Laminierung, in einem Trocknungs- und folgendem Sinterschritt zur fertigen Turbinenkomponente sinterbar ist.
Ceramic Matrix Composites, kurz CMCs, werden verstärkt zur Herstellung stark belasteter, insbesondere hochtemperaturbelasteter Bauteile wie Turbinenkomponenten eingesetzt. Dabei kommen in der Regel faserverstärkte CMCs, Continuous-Fiber-Reinforced-Ceramic-Matrix-Composites (CFCC) und gegebenenfalls auch mit Kurzfasern kombinierte Ceramic Fiber Reinforced Composite (CFRC) Materialien zum Einsatz. Entsprechende CFCC-Prepregs werden in der Regel über die Imprägnierung von Fasern, Fasergeweben und/oder Faserverbunden - jeweils passend zum herzustellenden Bauteil - mit Schlicker hergestellt.
Der Einsatz von Glycerin in den Ausgangsmaterialien für CMC-Turbinenkomponenten ist aus Kemr M., Mizuhara H., San Mateo S: Flexible ceramic tape and method of making same US 4329271 (1982) bekannt.
Davon ausgehend ist aus der WO 2016/016388 A1 ein Verfahren zur Herstellung eines Schlickers für ein CMC-Material, insbesondere eines zur Ausbildung eines CMC-Prepreg-Laminats bekannt.
Das aus der WO 2016016388 bekannte Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass zumindest eine Menge von 10 bis 20 Gewichts%, bezogen auf das Gesamtgewicht an keramischem Pulver, an Glycerin im Schlicker eingesetzt wird.
Nachteilig an einem hohen Gehalt an Glycerin ist jedoch, dass die Trocknung des Prepregs, das Laminieren der Prepregs und schließlich auch die Herstellung der Turbinenkomponente längere Zeit brauchen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Schlicker zu schaffen, bei dem der Anteil an Glycerin im Schlicker bezogen auf das keramische Pulver, vermindert ist.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, wie er in der Beschreibung und den Ansprüchen offenbart ist, gelöst.
Dementsprechend ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Schlicker, also ein Mineral-Wasser-Gemisch, folgende Komponenten umfassend:

40 Vol% oder mehr, bezogen auf das gesamte Volumen des Schlickers, an mineralischem und/oder keramischem Pulver;
4 Gew% bis 8 Gew%, bezogen auf das Gesamtgewicht des mineralischen und/oder keramischen Pulvers, an Glycerin;
0 Gew& bis 2 Gew%, bezogen auf das Gesamtgewicht des mineralischen und/oder keramischen Pulvers, an organischem Binder;
0,5 Gew% bis 10 Gew%, bezogen auf das Gesamtgewicht des mineralischen und/oder keramischen Pulvers, zumindest eines Polyols,

Des Weiteren ist Gegenstand der Erfindung ein Prepreg, keramische Fasern in Form von Fasern, Endlosfasern, Fasergewebe und/oder Faserverbunden umfassend, die mit einem Schlicker mit der oben genannten Zusammensetzung imprägniert sind, aufweisend.
Schließlich ist Gegenstand der Erfindung ein Laminat, mehrere Prepregs mit der oben genannten Zusammensetzung zusammen laminiert aufweisend. Zudem ist noch ein Grünkörper, der durch Trocknung des genannten Laminatsim Trockenschrank oder durch Trocknung, Aushärtung und Verdichtung herstellbar ist, Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Schließlich ist eine Turbinenkomponente, erhältlich durch Sinterung des oben beschriebenen Grünkörpers, noch Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
Das hier einsetzbare keramische Pulver liegt im Schlicker, im Prepreg, im Grünkörper und in der fertigen CMC-Komponente vor. Grundsätzlich sind alle keramischen Pulver einsetzbar, jedoch ist besonders bevorzugt, dass das Material des keramischen Pulvers mit dem der Verstärkungsfasern kompatibel, also unbegrenzt mischbar ist. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn das Pulver und die Faser zwei verschiedene Modifikationen einer chemischen Verbindung sind. So können - wiederum beispielsweise - das keramische Pulver aus amorphem Material und die Faser aus kristallinem oder teilkristallinem Material einer gleichen oder einer ähnlichen chemischen Verbindung sein. Selbstverständlich können Fasern und keramisches Pulver auch aus verschiedenen Verbindungen gemacht sein.
Beispielsweise ist das keramische Pulver aus Al₂O₃, insbesondere alpha- Al₂O₃, SiO₂, ZrO₂, Y₂O₃ und/oder ZrO₂ stabilisiert durch Y₂O₃, Yttrium-Aluminium-Granat, ein Alumosilikat wie beispielsweise Mullit, Siliziumcarbid, und/oder Kohlenstoff und/oder beliebige Mischungen von zwei oder mehr dieser Verbindungen.
Das Polyol liegt im Schlicker in einer Menge von 0,5 Gew% bis 10 Gew%, bevorzugt 3 Gew% bis 7 Gew%, insbesondere bevorzugt 4 Gew% bis 6 Gew% bezogen auf das Gesamtgewicht des mineralischen und/oder keramischen Pulvers, vor. Das Polyol kann als in Form einer Mischung verschiedener Polyole vorliegen.
Die hier einsetzbaren Polyole sind bevorzugt Alditole, also nichtzyklische Polyole der allgemeinen Formel CH₂OH(CHOH) _nCH₂OH mit n=3 bis 30, insbesondere 3 bis 24, besonders bevorzugt n = 3 bis 18,
beispielsweise, Glycerol, 1,2-propandiol, Sorbitol, und ähnliche.
Die hier einsetzbaren Endlosfasern sind beispielsweise ausgewählt aus Fasern auf folgender Materialbasis: Al₂O₃, insbesondere alpha- Al₂O₃, SiO₂, ZrO₂, Y₂O₃ und/oder ZrO₂ stabilisiert durch Y₂O₃, Yttrium-Aluminium-Granat, einem Alumosilikat, also beispielsweise Mullit, Siliziumcarbid, und/oder Kohlenstofffasern und/oder beliebige Mischungen davon. Die Mischungen können dabei als echte Blends vorliegen als Mischverbindungen sein und/oder als Bündel, Gewebe, Verbunde und/oder Rovings von Fasern aus unterschiedlichen Verbindungen. Der Anteil an keramischer Verbindung, wie oben präzisiert, in einer Faser sollte dabei bei über 90 Gew%, besser noch bei über 95 Gew% des Gesamtgewichts der Faser liegen.
Als Prepreg wird vorliegend eine Vorläufer-Struktur für einen CMC-keramischen Körper bezeichnet. Das Prepreg, abgeleitet von „pre-impregnated“ umfasst Verstärkungsfasern, also insbesondere keramische Fasern, die in dem herzustellenden CMC-Körper als Struktur-Verstärkung enthalten sind. Diese Verstärkungsfasern sind im Prepreg mit einem Schlicker, also einem Mineralstoff-Wasser-Gemisch imprägniert.
Aus einem Laminat von Prepregs kann beispielsweise durch Ablegen der Prepregs auf einer Stützstruktur und/oder alternative Wege zur Bildung eines Laminats der Grünkörper durch Trocknung im Trockenschrank oder durch Trocknung, Aushärtung und Verdichtung hergestellt werden. Bei der Bildung des Laminats werden die Prepregs getrocknet, so dass sich der Wassergehalt verringert. In der Regel sind im Grünkörper zwar noch wasserhaltig, aber nicht mehr so stark wie die Prepregs. Das Glycerin und das Polyol sind jedoch im Grünkörper noch nahezu unverändert vorhanden, da die Siedetemperaturen des Glycerins und der Polyole weitaus höher als der des Wassers sind.
Die Verstärkungsfasern im CMC können als Endlosfasern, Kurzfasern, als Faserbündel, so genannte Rovings, beispielsweise in Bündeln zu 100 oder mehr Fasern.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dem keramischen Pulver vor der Prepregbildung noch eine gewisse Menge an einem Polyol und nicht mehr als 8 Gew% Glycerin zugesetzt, damit die Trocknung/Sinterung der CMC-Komponente schneller erfolgt.
Zusätzlich erhöht der Anteil an Polyol die Beweglichkeit der Verstärkungsfasern, Verstärkungsfasergewebe und/oder Verbunde während der Imprägnierung und/oder die Drapierfähigkeit des Prepregs im Laminat, da besonders hochgefüllte Schlicker herstellbar sind.
Die Polyole werden allein und/oder in Mischung mit dem Glycerin zum keramischen Pulver zugegeben.
Durch die Zugabe der Polyole ist Schlicker mit hohem Anteil an keramischem Pulver herstellbar. Beispielsweise konnte ein Schlicker mit einem Anteil von über 40 Vol%, insbesondere von über 45Vol% an keramischem Pulver hergestellt werden. Durch die Zugabe an Polyolen reicht ein geringer Wasser- und Glycerinanteil im Schlicker um gut verarbeitbare Prepregs herzustellen.
Dabei können zusätzlich dem Fachmann bekannte Additive wie Dispergatoren, Oberflächenaktive Substanzen,oder Tenside alsZugaben zur Herstellung des Schlickers eingesetzt werden.
Durch den hohen Pulveranteil entsteht ein hochviskoser Schlicker, der gut zum Prepreg verarbeitbar ist. Durch die Polyole und das Glycerin hat das Prepreg eine gute Klebrigkeit, die die Herstellung des Laminats begünstigt, wobei gleichzeitig der Gehalt an Glycerin eben nicht mehr so hoch ist, dass sich die Trocknung und/oder die Sinterung unnötig in die Länge zieht.
Das entstandene Laminat lässt sich leicht durch Trocknen zum Grünkörper verarbeiten.
Durch die Erfindung wird erstmals ein Glycerin-haltiger Schlicker zur Herstellung einer CMC-Komponente zur Verfügung gestellt, dessen Gehalt an mineralischem und/oder keramischem Pulver 40 Vol% oder mehr, bezogen auf das gesamte Volumen des Schlickers, beträgt und/oder dessen Gehalt an Glycerin unter 10 Gew% - bezogen auf das Gesamtgewicht des keramischen Pulvers im Schlicker - liegt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 4329271 [0004]
WO 2016/016388 A1 [0005]
WO 2016016388 [0006]

Claims

Schlicker, also ein Mineral-Wasser-Gemisch, folgende Komponenten umfassend: 40 Vol% oder mehr, bezogen auf das gesamte Volumen des Schlickers, an mineralischem und/oder keramischem Pulver; 4 Gew% bis 8 Gew%, bezogen auf das Gesamtgewicht des mineralischen und/oder keramischen Pulvers, an Glycerin; 0 Gew& bis 2 Gew%, bezogen auf das Gesamtgewicht des mineralischen und/oder keramischen Pulvers, an organischem Binder; 0,5 Gew% bis 10 Gew%, bezogen auf das Gesamtgewicht des mineralischen und/oder keramischen Pulvers, zumindest eines Polyols, sowie Wasser.
Schlicker nach Anspruch 1, wobei der Anteil an Polyol zwischen 4 Gew% und 6 Gew%, bezogen auf das Gesamtgewicht des mineralischen und/oder keramischen Pulvers, liegt.
Schlicker nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Polyol als geradkettiges Polyol vorliegt.
Schlicker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Polyol oder die Mischung der Polyole ausgewählt ist aus den Polyolen der chemischen Formel CH₂OH (CHOH) _nCH₂OH mit n=3 bis 30.
Schlicker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schlicker 45 Vol% oder mehr, bezogen auf das gesamte Volumen des Schlickers, an mineralischem und/oder keramischem Pulver umfasst.
Prepreg, herstellbar aus einem Schlicker nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zusammen mit Verstärkungsfasern, die in Form von Faserbündeln, Fasergeweben und/oder Faserverbunden vorliegen.
Prepreg nach Anspruch 6, wobei die Verstärkungsfasern zumindest teilweise ausgewählt sind aus der Gruppe folgender Verbindungen Al₂O₃, insbesondere alpha- Al₂O₃, SiO₂, ZrO₂, Y₂O₃ und/oder ZrO₂ stabilisiert durch Y₂O₃, Yttrium-Aluminium-Granat, einem Alumosilikat, also beispielsweise Mullit, Siliziumcarbid, und/oder Kohlenstofffasern und/oder beliebige Mischungen davon.
Laminat, herstellbar aus zumindest einem Prepreg gemäß einem der Ansprüche 6 oder 7.
Grünkörper, erhältlich durch Trocknen eines Laminats im Trockenschrank oder durch Trocknung, Aushärtung undVerdichtung nach Anspruch 8.
Turbinenkomponente aus CMC-Material, herstellbar aus einem Grünkörper nach Anspruch 9.