DE102017206082A1

DE102017206082A1 - Formwerkzeug zur Herstellung oberflächenstrukturierter Bauteile aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff und Verfahren zu dessen Herstellung sowie Bauteil aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff

Info

Publication number: DE102017206082A1
Application number: DE102017206082.4A
Authority: DE
Inventors: Thomas Beck; Jens Dietrich; Peter Stuart Hollingsworth; Sven Kreuziger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2017-04-10
Filing date: 2017-04-10
Publication date: 2018-10-11
Also published as: WO2018188875A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Formwerkzeugs mit einer strukturierten Oberfläche, ein Formwerkzeug zur Herstellung oberflächenstrukturierter Bauteile aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff, ein Verfahren zur Herstellung oberflächenstrukturierter Bauteile aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff sowie ein Bauteil aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff aufweisend eine Oberfläche mit einer Strukturierung.
Um die Oberfläche von Bauteilen aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff einfach und kostengünstig sowie möglichst gleichmäßig modifizieren zu können, wird ein Verfahren zur Herstellung eines Formwerkzeugs mit einer strukturierten Oberfläche vorgeschlagen, das das Bereitstellen eines Formwerkzeugs mit einer Oberfläche und das Bestrahlen der Oberfläche in einem Bestrahlungsbereich mittels eines Pulslasers aufweist, wobei das Bestrahlen derart erfolgt, dass die Oberfläche teilweise unter Ausbildung der strukturierten Oberfläche abgetragen wird.
Ein entsprechendes Formwerkzeug zur Herstellung oberflächenstrukturierter Bauteile aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff weist eine Oberfläche mit einer komplementär zur zu erzeugenden Oberflächenstruktur des Bauteils ausgebildeten Strukturierung auf.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Formwerkzeugs mit einer strukturierten Oberfläche, ein Formwerkzeug zur Herstellung oberflächenstrukturierter Bauteile aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff, ein Verfahren zur Herstellung oberflächenstrukturierter Bauteile aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff sowie ein Bauteil aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff aufweisend eine Oberfläche mit einer Strukturierung.
Der Einsatz von keramischen Faserverbundwerkstoffen, sog. CMC (Ceramic Matrix Composite)-Werkstoffen wird wegen immer höheren Temperaturanforderungen zukünftiger Gasturbinen im Heißgasbereich, z. B. im Bereich der Schaufeln oder Ringsegmente, notwendig. CMC-Werkstoffe umfassen Fasern, wie z. B. Fasern aus Kohlenstoff, Siliziumkarbid, Aluminiumoxid oder Mullit, die in einer keramischen Matrix, z. B. enthaltend Aluminiumoxid, Zirkonoxid oder Siliziumkarbid, eingebettet sind.
Hergestellt werden können diese CMC-Werkstoffe beispielsweise in einem Schlickergussverfahren, wobei keramische Fasermatten mittels eines Schlickers verbunden werden. Die gewünschte Bauteilgeometrie wird erhalten, indem die mit dem Schlicker verbundenen Fasermatten mittels einer Abformtechnik zu einem Grünkörper ausgeformt werden, der bereits im Wesentlichen die gewünschte Bauteilgeometrie aufweist. Anschließend wird der Grünkörper zum Erhalt des CMC-Bauteils getrocknet und gesintert.
Auch diese CMC-Bauteile benötigen ähnlich wie metallische Heißgasbauteile eine Schutzbeschichtung zum Schutz vor zu hoher Wärmebelastung. Eine solche Schutzbeschichtung wird üblicherweise als thermische Barriereschicht oder auch Thermal barrier coating (TBC) bezeichnet. Sie kann ebenfalls aus einem keramischen Material bestehen.
Um eine möglichst gute Anhaftung dieser thermischen Barriereschicht zu erreichen, muss eine bestimmte Oberflächenbeschaffenheit, insbesondere Oberflächenrauheit, vorhanden sein. Diese notwendige Rauheit lässt sich im Schlickergussprozess selbst nicht erreichen. Es ist aufgrund der großen Härte und/oder hohen Sprödigkeit der keramischen Matrix auch nicht möglich, die Oberfläche des CMC-Bauteils mechanisch zu bearbeiten, um eine höhere Rauheit zu erzeugen.
Bisher wird die Oberfläche der zu beschichtenden fertigen CMC-Bauteile daher zum Erreichen der notwendigen Rauheit mit einem Laser, z. B. einem Pikosekundenlaser, abtragend strukturiert. Dadurch kann die Anbindung der thermischen Barriereschicht verbessert werden, wie anhand von Abzugsversuchen gezeigt werden konnte.
Dieser Strukturierungsprozess des fertigen CMC-Bauteils ist jedoch sehr aufwändig, da jedes Bauteil einzeln in einem zusätzlichen Prozessschritt bearbeitet werden muss. Außerdem zeigt sich, dass beim direkten Strukturieren der Oberfläche des CMC-Bauteils mit einem Laser auch die oberflächennahen eingebetteten Fasermatten teilweise durchtrennt werden, was zu einer Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften der CMC-Bauteile führen kann.
Zudem hat sich herausgestellt, dass bei der nachträglichen Strukturierung der Oberfläche des CMC-Bauteils, u. a. aufgrund der hohen Sprödigkeit des Materials, lediglich sehr inhomogene Strukturierungen erreicht werden, da z. B. unregelmäßige Materialausbrüche stattfinden und/oder die Oberfläche des CMC-Bauteils nicht ausreichend eben ist. Zur Verdeutlichung zeigen 1 eine lichtmikroskopische Aufnahme einer laserstrukturierten Oberfläche eines CMC-Bauteils, wie sie nach dem Stand der Technik erzielbar ist, und 2 eine Aufnahme dieser Oberfläche mit einem optischen 3D-Profilmessgerät. Deutlich erkennbar ist die ungleichmäßige Strukturierung der Oberfläche, die zu einer unterschiedlichen Rauheit in einzelnen Bereichen führt.
Aufgrund der unterschiedlichen Rauheit in verschiedenen Oberflächenbereichen des Bauteils ist wiederum eine unterschiedliche Haftung der aufzubringenden thermischen Barriereschicht zu beobachten.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Möglichkeit anzugeben, mit der die beschriebenen Nachteile vermieden werden können. Insbesondere soll eine Möglichkeit gefunden werden, die Oberfläche von CMC-Bauteilen einfach und kostengünstig sowie möglichst gleichmäßig zu modifizieren, um eine bessere Anbindung einer auf der Oberfläche der CMC-Bauteile aufzubringenden Beschichtung, z. B. einer thermischen Barriereschicht, zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Formwerkzeugs mit einer strukturierten Oberfläche mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Formwerkzeug zur Herstellung oberflächenstrukturierter Bauteile aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff mit den Merkmalen des Anspruchs 9, ein Verfahren zur Herstellung oberflächenstrukturierter Bauteile aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff mit den Merkmalen des Anspruchs 12 sowie ein Bauteil aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff aufweisend eine Oberfläche mit einer Strukturierung mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Die davon jeweils abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Ausführungsvarianten dieser erfindungsgemäßen Lösungen wieder.
Die Erfindung beruht auf dem Grundgedanken, das Gegenstück der gewünschten Strukturierung auf der Oberfläche des CMC-Bauteils mittels Laser, z. B. mittels eines Ultrakurzpulslasers, abtragend in das Formwerkzeug zur Ausformung des Grünlings einzubringen. Damit wird bei jedem Abguss (Abdruck) direkt die gewünschte Oberflächenstruktur erhalten. Zur Verbesserung der Haftung können vielfältige Strukturen in das Formwerkzeug eingebacht werden.
Vorteilhaft kann somit ein kompletter Bearbeitungsschritt bei jedem Bauteil, d. h. das nachträgliche Laserstrukturieren der Bauteiloberfläche, entfallen. Daraus resultiert eine Kosteneinsparung. Weiterhin reduziert sich die Durchlaufzeit.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Zuhilfenahme von Zeichnungen erläutert, die den Stand der Technik (1 und 2), Ausführungsvarianten der Erfindung (3-24) näher erläutern und Ausführungsbeispiele zeigen (25 und 26).
Die Zeichnungen zeigen:

1 lichtmikroskopische Aufnahme einer direkt strukturierten Oberfläche eines CMC-Bauteils nach dem Stand der Technik;
2 Aufnahme einer direkt strukturierten Oberfläche eines CMC-Bauteils mittels eines optischen 3D-Profilmessgeräts nach dem Stand der Technik;
3 schematische Darstellung der Überlappung des Bestrahlungsbereichs eines Pulses mit dem Bestrahlungsbereich des vorhergehenden Pulses;
4 schematische Darstellung der Überlappung des Bestrahlungsbereichs eines Pulses mit dem Bestrahlungsbereich des vorhergehenden Pulses in mehreren Reihen;
5-7 Beispiele für eine erfindungsgemäße näpfchenartige Oberflächenstrukturierung des Formwerkzeugs in Draufsicht;
8-13 Beispiele für eine erfindungsgemäße rinnenartige Oberflächenstrukturierung des Formwerkzeugs in Draufsicht;
14-16 Beispiele für eine erfindungsgemäße Oberflächenstrukturierung des Formwerkzeugs in Form von separaten Einzelstrukturen in Draufsicht;
17-23 Beispiele für eine erfindungsgemäße Oberflächenstrukturierung des Formwerkzeugs in Schnittdarstellung senkrecht zur strukturierten Oberfläche;
24 Beispiel für eine erfindungsgemäße Oberflächenstrukturierung des Formwerkzeugs in Form von statistisch ausgebildet und verteilten Strukturen in Draufsicht;
25 Aufnahme einer Oberfläche mit Strukturierung eines ersten erfindungsgemäßen Formwerkzeugs;
26 Aufnahme einer Oberfläche mit Strukturierung eines zweiten erfindungsgemäßen Formwerkzeugs.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Formwerkzeugs mit einer strukturierten Oberfläche, welches zur Herstellung von oberflächenstrukturierten Bauteilen aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff genutzt wird, weist die im Folgenden beschriebenen Schritte auf.
Zunächst wird ein Formwerkzeug mit einer Oberfläche bereitgestellt. Bei dem Formwerkzeug kann es sich beispielsweise um eine Form zur Anwendung in einem Schlickergussverfahren handeln.
Beispielsweise kann es sich um ein Formwerkzeug mit Pressstempeln handeln, wobei die Strukturierung zumindest teilweise in die Oberfläche der Pressstempel eingebracht wird. Das Formwerkzeug oder zumindest die zu strukturierende Oberfläche des Formwerkzeugs kann beispielsweise aus Metall, z. B. Werkzeugstahl oder Aluminium, bestehen.
Anschließend wird die Oberfläche des Formwerkzeugs in einem Bestrahlungsbereich mittels eines Pulslaser derart bestrahlt, dass die Oberfläche teilweise unter Ausbildung einer strukturierten Oberfläche abgetragen wird. Mit anderen Worten wird in die Oberfläche zumindest teilweise eine Strukturierung mittels Laserabtrags eingebracht, d. h. die Strukturierung erfolgt in einem Laserablationsprozess.
Unter dem Bestrahlungsbereich wird derjenige Bereich der Oberfläche des Formwerkzeugs verstanden, der zu einem bestimmten Zeitpunkt vom Laserstrahl bestrahlt wird. Es besteht die Möglichkeit den Bestrahlungsbereich zu bewegen, z. B. um eine flächige Strukturierung zu ermöglichen. Dazu kann z. B. der Pulslaser oder der Laserstrahl oder auch das Formwerkzeug bewegt werden, so dass eine Relativbewegung zwischen Bestrahlungsbereich und Formwerkzeug entsteht.
Die Oberfläche des Formwerkzeugs weist also nach der Pulslaserbearbeitung eine gezielt und kontrolliert strukturierte Oberfläche auf, die sich von der herstellungsbedingt vorhandenen Oberflächenrauheit der Oberfläche des unbehandelten Formwerkzeugs unterscheidet. Beispielsweise kann die Strukturierung mindestens 30 % größer als die durchschnittliche Rauheit der Oberfläche des unbehandelten Formwerkzeugs ausgebildet sein.
Bei einem Pulslaser handelt es sich um einen Laser, der das Licht nicht kontinuierlich emittiert, sondern gepulst betrieben wird, d. h. die Laserstrahlung wird in zeitlich begrenzten Portionen, den Pulsen, emittiert. Die Verwendung von Pulslasern ermöglicht eine einfache und sehr genaue Strukturierung. Insbesondere können auch Strukturen mit sehr geringen Abmessungen und scharfen Begrenzungen, z. B. scharfen Kanten, erzeugt werden, wobei die Bildung von Schmelzanteilen vermieden werden kann.
Die zur Strukturierung der Oberfläche des Formwerkzeugs komplementäre Oberflächenstrukturierung eines mit dem Formwerkzeug geformten CMC-Bauteils kann somit zur Erhöhung der Oberflächenrauheit des CMC-Bauteils dienen, was eine nachfolgende Anbindung einer thermischen Barriereschicht erleichtern kann, da die Haftung verbessert wird. Zudem kann eine deutlich gleichmäßigere Strukturierung der Oberfläche als nach dem Stand der Technik erreicht werden. Dies kann u. a. mit einer deutlich homogeneren Strukturierung des Formwerkzeugs erklärt werden, die sich insbesondere erzielen lässt, sofern die Oberfläche des Formwerkzeugs, die strukturiert wird, aus Metall besteht.
Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten ist vorgesehen, dass die Pulsdauer eines Pulses des Pulslasers im Bereich von 5 ps bis 200 ns, bevorzugt zwischen 5 und 15 ps oder zwischen 50 und 200 ns, liegen kann. Beispielsweise können ein Kurzpulslaser mit einer Pulsdauer zwischen 5 und 15 ps oder ein Ultrakurzpulslaser mit einer Pulsdauer zwischen 50 und 200 ns, z. B. ein Pikosekundenlaser, verwendet werden.
Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann die Pulswiederholrate des Pulslasers, d. h. die Frequenz der Pulse, im Bereich zwischen 10 und 800 kHz, bevorzugt zwischen 10 und 40 kHz oder zwischen 200 und 800 kHz liegen. Beispielsweise können eine Pulsdauer zwischen 50 und 200 ns mit einer Pulswiederholrate im Bereich zwischen 10 und 40 kHz und eine Pulsdauer zwischen 5 und 15 ps mit einer Pulswiederholrate im Bereich zwischen 200 und 800 kHz kombiniert werden.
Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann der Bestrahlungsbereich mit einer Geschwindigkeit zwischen 0,5 und 5 m/s in Bezug auf die Oberfläche des Formwerkzeugs bewegt werden. Dazu kann der Pulslaser oder dessen Laserstrahl während des Laserablationsprozesses mit einer Geschwindigkeit im genannten Bereich über die zu strukturierende Oberfläche des Formwerkzeugs bewegt werden.
Zum Erreichen der genannten Geschwindigkeit in Bezug auf die Oberfläche des Formwerkzeugs ist es möglich, entweder den Pulslaser selbst oder dessen Laserstrahl oder aber auch das Formwerkzeug oder sowohl den Pulslaser bzw. den Laserstrahl als auch das Formwerkzeug zu bewegen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann die Geschwindigkeit des Bestrahlungsbereichs derart gewählt wird, dass der Bestrahlungsbereich eines Puls um mindestens 60 %, bevorzugt mindestens 75 %, mit dem Bestrahlungsbereich des vorhergehenden Pulses überlappt. D. h. der Bestrahlungsbereich des aktuellen Pulses und der Bestrahlungsbereich des vorhergehenden Pulses überschneiden sich zu mindestens 60 %. Mit anderen Worten werden 60 % des Bestrahlungsbereichs des vorhergehenden Pulses von der Laserstrahlung des aktuellen Pulses nochmals bestrahlt.
Zur Erläuterung wird auf 3 verwiesen. Dargestellt ist ein kreisrunder Bestrahlungsbereich mit dem Durchmesser d, der sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit bewegt. Bei jedem Puls verschiebt sich der Bestrahlungsbereich gegenüber dem Bestrahlungsbereich des vorherigen Pulses. In der Darstellung der 3 findet eine Verschiebung von links nach rechts statt. Die Geschwindigkeit wird so gewählt, dass sich der Bestrahlungsbereich des aktuellen Pulses und der Bestrahlungsbereich des vorhergehenden Pulses überlappen, und zwar um mindestens 60 %, bevorzugt mindestens 75 %.
Gemäß 3 werden die Geschwindigkeit des Bestrahlungsbereichs und damit die Überlappung so gewählt, dass die Verschiebung a des Bestrahlungsbereichs zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen zwischen 5 und 30 % des Durchmessers d in einer Richtung beträgt.
Durch die Überlappung der Bestrahlungsbereiche je Puls können beispielsweise Strukturierungen mit einer Breite von 50 bis 250 µm erzielt werden.
Breitere Strukturierungen können beispielsweise erreicht werden, indem mehrere Reihen (Spuren) sich überlappender Bestrahlungsbereiche erzeugt werden. Hierzu wird beispielhaft auf 4 verwiesen.
In 4 ist die Erzeugung einer zweireihigen Strukturierung gezeigt, d. h. zunächst wird eine Strukturierung erzeugt, indem der Bestrahlungsbereich zur Ausbildung einer ersten Reihe entlang einer ersten Richtung verschoben wird (oberer Pfeil von links nach rechts weisend). Anschließend wird die Richtung der Bewegung des Bestrahlungsbereichs zunächst um 90 ° und anschließend um weitere 90 ° in dieselbe Richtung wie bei der ersten Drehung gedreht.
Nun erfolgt die Bewegung des Bestrahlungsbereichs entlang einer zweiten Richtung, die entgegengesetzt zur ersten Richtung verläuft (unterer Pfeil von rechts nach links), zur Ausbildung einer zweiten Reihe. Auch dabei wird die Geschwindigkeit des Bestrahlungsbereichs so gewählt, dass der Bestrahlungsbereich eines Pulses um mindestens 60 %, bevorzugt mindestens 75 %, mit dem Bestrahlungsbereich des vorhergehenden Pulses überlappt.
Dazu kann z. B., wie in 4 gezeigt, der Abstand b des Mittelpunkts eines kreisrunden Beschichtungsbereichs der ersten Reihe zu dem Mittelpunkt eines kreisrunden Beschichtungsbereichs der zweiten Reihe senkrecht zur ersten und zweiten Richtung weniger als 90 % des Durchmessers der Beschichtungsbereiche betragen, so dass es zu einer Überlappung der Beschichtungsbereiche der ersten und zweiten Reihe kommen kann.
Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann der Bestrahlungsbereich einen Durchmesser zwischen 50 und 250 µm aufweisen.
Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann eine strukturierte Oberfläche des Formwerkzeugs ausgebildet werden, die näpfchenartige oder rinnenartige Vertiefungen aufweist. Beispielsweise können zylinderförmige, kegelförmige, kegelstumpfförmige, halbkugelförmige oder rinnenartige Vertiefungen ausgebildet werden.
Unter einer zylinderartigen Vertiefung ist dabei eine Vertiefung zu verstehen, die im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet ist, wobei unter einem Zylinder ein allgemeiner Zylinder zu verstehen ist, der wie folgt definiert ist: Eine ebene Kurve c₀ in einer Ebene ε₀ wird entlang einer Gerade, die nicht in ε₀ enthalten ist, um eine feste Strecke a verschoben. Je zwei sich entsprechenden Punkte der Kurven c₀ und der verschobenen Kurve c₁ werden durch eine Strecke verbunden.
Handelt es sich bei der Kurve um einen Kreis, so entsteht ein schiefer Kreiszylinder. Gilt zudem, dass die Strecke a senkrecht zur Ebene ε₀ ist, resultiert ein gerader Kreiszylinder. Die Vertiefungen können insbesondere als gerader oder schiefer Kreiszylinder ausgebildet sein.
Alternativ oder zusätzlich können Vertiefungen vorgesehen sein oder werden, die im Wesentlichen die Form eines Kegels oder Kegelstumpfes aufweisen.
Bei einem Kegel handelt es sich dabei um einen Körper, der durch eine Fläche in einer Basisebene und einen Punkt außerhalb der Basisebene, der die Spitze des Kegels bildet, festgelegt ist. Handelt es sich bei der Fläche in der Basisebene um einen Kreis, ergibt sich ein Kreiskegel. Falls die Gerade durch den Mittelpunkt des Kreises und die Spitze senkrecht zur Basisebene verläuft, handelt es sich um einen geraden Als Spezialfall des Kegels ist eine Pyramide zu erachten, so dass ebenfalls pyramidale Vertiefungen mit umfasst sind.
Ein Kegelstumpf entsteht dadurch, dass von einem Kreiskegel parallel zur Basisfläche ein kleinerer Kegel abgetrennt wird. Der verbleibende Körper ist der Kegelstumpf, z. B. ein Pyramidenstumpf.
Die Vertiefungen können beispielsweise direkt aneinander angrenzen oder beabstandet zueinander angeordnet sein.
Die 5-7 zeigen Beispiele für eine erfindungsgemäße näpfchenartige Oberflächenstrukturierung des Formwerkzeugs in Draufsicht, wobei sich in allen drei Beispielen von oben betrachtet eine kreisrunde Vertiefung ergibt, d. h. in der Oberflächenebene liegt ein kreisförmiger Fehlbereich der sich in Richtung des Inneren des Formwerkzeugs unterschiedlich gestalten kann, so dass sich beispielsweise kegelförmige oder zylinderförmige oder kegelstumpfförmige Vertiefungen ergeben.
5 zeigt eine Ausführungsvariante, bei der die einzelnen näpfchenartigen Vertiefungen regelmäßig beabstandet, d. h. äquidistant, zueinander angeordnet sind. Alternativ können sich die näpfchenartigen Vertiefungen berühren, wie in 6 gezeigt, oder auch teilweise überlappen (7).
Die 8-13 zeigen Beispiele für eine erfindungsgemäße rinnenartige Oberflächenstrukturierung des Formwerkzeugs in Draufsicht. Von oben betrachtet ergeben sich verschiedene „Schraffuren“, d. h. es sind mehrere rinnenartige Vertiefungen ersichtlich, die sich schneidenden und/oder parallel zueinander verlaufenden und/oder ringförmig angeordnet sind.
Beispielsweise kann eine gitterartige Oberflächenstrukturierung, wie in 8 oder 9 gezeigt, ausgebildet werden, indem mehrere rinnenartige Vertiefungen parallel zueinander in einer ersten Richtung und weitere rinnenartige Vertiefungen parallel zueinander in einer zweiten Richtung verlaufen, wobei die erste und zweite Richtung verschieden sind und die Vertiefungen so angeordnet sind, dass sich die rinnenartigen Vertiefungen der ersten Richtung und die rinnenartigen Vertiefungen der zweiten Richtung unter einem Winkel schneiden. Dieser Winkel kann z. B. 90 ° betragen (8) oder von 90 ° verschieden sein (9).
Es besteht auch die Möglichkeit, wie in 10 gezeigt, in einem ersten Bereich der Oberfläche eine erste Gruppe zueinander paralleler rinnenartige Vertiefungen und in einem weiteren Bereich der Oberfläche eine zweite Gruppe zueinander paralleler rinnenartige Vertiefungen anzuordnen.
Weiterhin können wellenartige, zueinander parallel verlaufende rinnenartige Vertiefungen (11) oder zickzackartige, zueinander parallel verlaufende rinnenartige Vertiefungen (12) ausgebildet werden.
13 zeigt die Möglichkeit von ringförmig angeordneten rinnenartigen Vertiefungen, wobei Gruppen mit mehreren Ringen mit unterschiedlichem Durchmesser, die äquidistant zueinander angeordnet sind, ausgebildet werden. Die Anordnung der verschiedenen Gruppen kann wie in 13 dargestellt erfolgen, d. h. die Ringe können sich berühren und/oder schneiden.
Weitere Ausführungsvarianten für erfindungsgemäße Strukturierungen sind in den 14-16 gezeigt. Hierbei handelt es sich um separat zueinander angeordnete Einzelstrukturen. Die Einzelstrukturen können z. B. leere Quadrate oder Rechtecke bilden (14). Es können beispielsweise auch ringförmige Einzelstrukturen ausgebildet werden (15). Auch eine Kombination verschiedener Einzelstrukturen ist möglich, z. B. wie in 16 gezeigt die Kombination von kreuz- und punktförmigen Strukturen.
Im Querschnitt betrachtet (senkrecht zur strukturierten Oberfläche), können die Strukturierungen z. B. die in den 17-23 gezeigten Formen aufweisen. Diese können z. B. mit den in Draufsicht gezeigten Strukturen der 5-16 kombiniert werden.
17 zeigt einen Querschnitt, wie er z. B. bei im Wesentlichen kreiskegelförmigen Vertiefungen oder parallel zueinander angeordneten rinnenartigen Vertiefungen mit annähernd dreieckigem Querschnitt resultieren kann.
18 zeigt einen Querschnitt von z. B. im Wesentlichen geraden kreiskegelstumpfförmigen Vertiefungen oder parallel zueinander angeordneten rinnenartigen Vertiefungen, wobei die Rinnen einen Boden aufweisen, der im Wesentlichen parallel zur Oberfläche verläuft.
19 zeigt z. B. beabstandet zueinander angeordnete Vertiefungen im Querschnitt, die ebenfalls z. B. gerade und kreiskegelstumpfförmig ausgebildet sein können oder parallel zueinander beabstandet angeordnete rinnenartige Vertiefungen, wobei der Abstand der einzelnen rinnenartigen Vertiefungen zueinander größer als die Breite einer rinnenartigen Vertiefung ist.
20 und 21 zeigen den Querschnitt von Vertiefungen z. B. in Form eines schiefen Kreiskegelstumpfes oder von parallelen rinnenartigen Vertiefungen mit einseitig schräger Begrenzung. 22 und 23 stellen den Querschnitt von beabstandeten (22) oder aneinander angrenzenden (23) geraden kegelstumpfförmigen Vertiefungen oder parallelen rinnenartigen Vertiefungen mit einem nahezu gleichschenkligen Dreieck als Querschnittsfläche dar.
Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, auf der Oberfläche des Formwerkzeugs eine statistische Strukturierung auszubilden, wie z. B. in 24 gezeigt, bei der einzelne Strukturelemente statisch verteilt auf der Oberfläche angeordnet werden können.
Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann eine strukturierte Oberfläche mit mehreren sich schneidenden und/oder parallel zueinander verlaufenden und/oder ringförmig angeordneten rinnenartige Vertiefungen ausgebildet sein oder werden, wie z. B. in den 8-13 dargestellt.
Ein erfindungsgemäßes Formwerkzeug zur Herstellung oberflächenstrukturierter Bauteile aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff weist eine Oberfläche mit einer komplementär zur zu erzeugenden Oberflächenstruktur des Bauteils ausgebildete Strukturierung auf. Mit anderen Worten weist die Oberfläche des Formwerkzeugs eine solche Strukturierung auf, die die auf dem Bauteil gewünschte Strukturierung ergänzt.
Das erfindungsgemäße Formwerkzeug kann beispielsweise mittels des zuvor erläuterten erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Formwerkzeugs mit einer strukturierten Oberfläche zur Herstellung von oberflächenstrukturierten Bauteilen aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff hergestellt werden. Insofern dienen die obigen Ausführungen zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens auch zur Beschreibung des erfindungsgemäßen Formwerkzeugs.
Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann die Strukturierung des Formwerkzeugs zylinderförmige, kegelförmige, kegelstumpfförmige, halbkugelförmige oder rinnenartige Vertiefungen aufweisen. Diesbezüglich wird auf die obigen Ausführungen das Herstellungsverfahren betreffend und die 5-24 in Hinblick auf mögliche Ausführungsvarianten der Strukturierung verwiesen.
Beispielsweise kann die Strukturierung der Oberfläche des Formwerkzeugs mehrere sich schneidende und/oder parallel zueinander verlaufende und/oder ringförmig angeordnete rinnenartige Vertiefungen aufweisen, z. B. wie ebenfalls oben stehend näher erläutert.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung oberflächenstrukturierter Bauteile aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff weist die im Folgenden beschriebenen Schritte auf.
Zunächst wird ein Ausgangsmaterial bereitgestellt, das keramische Fasern und einen Schlicker aufweist, wobei zu den keramischen Fasern auch Kohlenstofffasern zählen.
Der Schlicker kann Vorstufen der späteren keramischen Matrix des keramischen Faserverbundwerkstoffs enthalten. Beispielsweise kann das spätere Matrixmaterial durch Hochtemperaturbehandlung („Sintern“) aus den Vorstufen erzeugt werden. Diese Vorstufen ermöglichen eine niedrigere Sintertemperatur als bei einer herkömmlichen Keramik, bei der die Sintertemperaturen bei etwa 1600°C liegen, und verhindern so eine thermische Schädigung der Fasern.
Die Vorstufen sind beispielsweise Flüssigkeiten, die mit mehr oder weniger hohen Anteilen von oxidischen Keramikpulvern zum Schlicker angerührt und in die Fasern eingebracht werden. Bei Temperaturen beispielsweise zwischen 1000 und 1200 °C kann dann die oxidkeramische Matrix entstehen. Ein Beispiel für Vorstufen sind Mischungen aus Al₂O₃-Pulver mit Tetra-Ethyl-Ortho-Silikat und Aluminium-Butylat, die in richtiger Mischung Mullit als Matrix erzeugen.
Beispielsweise kann das Ausgangsmaterial aus einer laminierten Anordnung von Fasern oder Fasermatten, die in einer bestimmten Orientierung oder abwechselnder Orientierung zueinander verlaufen und in Schichten angeordnet sind, gebildet sein oder werden, wobei die Fasern oder Fasermatten im Matrixmaterial oder in einer Vorstufe des späteren Matrixmaterials eingebettet sind.
Aus dem Ausgangsmaterial wird in einem weiteren Schritt ein oberflächenstrukturierter Grünkörper geformt, wobei eines der zuvor beschriebenen Formwerkzeuge eingesetzt wird.
Anschließend wird der oberflächenstrukturierte Grünkörper zum fertigen oberflächenstrukturierten Bauteil aus dem keramischen Faserverbundwerkstoff weiterverarbeitet, z. B. indem der Grünkörper gesintert wird. Auf das fertige Bauteil kann eine thermische Barriereschicht aufgebracht werden, die aufgrund der Oberflächenstrukturierung eine verbesserte Haftung auf der Oberfläche des Bauteils aufweist.
Ein erfindungsgemäßes Bauteil aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff weist eine Oberfläche mit einer Strukturierung auf, wobei die Strukturierung zylinderförmige, kegelförmige, kegelstumpfförmige, halbkugelförmige oder wallartige Erhöhungen aufweist.
Das erfindungsgemäße Bauteil kann beispielsweise mittels des zuvor erläuterten erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung oberflächenstrukturierter Bauteile aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff hergestellt werden. Insofern dienen die obigen Ausführungen zur Erläuterung dieses Verfahrens auch zur Beschreibung des erfindungsgemäßen Bauteils.
Die Erhöhungen können beispielsweise komplementär zu den Vertiefungen der strukturierten Oberfläche des Formwerkzeugs ausgebildet sein, d. h. an denjenigen Stellen, an denen das Formwerkzeug eine Vertiefung aufweist, weist das mit diesem Formwerkzeug geformte Bauteil eine entsprechende Erhöhung auf. Z. B. können die wallartigen Erhöhungen das Gegenstück zu rinnenartigen Vertiefungen auf der strukturierten Oberfläche des Formwerkzeugs bilden.
Zur näheren Erläuterung der Begriffe zylinderförmig, kegelförmig und kegelstumpfförmig wird auf die obigen Definitionen und die Ausführungsvarianten gemäß den 5-24 verwiesen.
Beispielsweise kann die Strukturierung mehrere sich schneidende und/oder parallel zueinander verlaufende und/oder ringförmig angeordnete wallartige Erhöhungen aufweisen, z. B. wie ebenfalls zuvor in Bezug auf die Vertiefungen der strukturierten Oberfläche des Formwerkzeugs erläutert.
Bei dem Bauteil kann es sich beispielsweise um ein Gasturbinenbauteil für den Heißgasbereich, z. B. eine Turbinenschaufel oder ein Ringsegment, handeln.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden, die zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen betreffen, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die folgende Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert.
Die 25 und 26 zeigen Aufnahmen der Oberfläche von zwei Ausführungsbeispielen erfindungsgemäßer Formwerkzeuge zur Herstellung oberflächenstrukturierter Bauteile aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff, aufgenommen mit einem optischen 3D-Profilmessgerät (Nanofocus µsurf-expert). Das optischen 3D-Profilmessgerät beruht auf dem Messprinzip eines konfokalen Mikroskops, wobei die Beleuchtung über Dioden erfolgt. In der Beleuchtungsebene wird über eine sehr feine Blende auf das Werkstück fokussiert. Das rückgestreute Licht wird auf einen Detektor umgeleitet. In der Brennebene des Detektors befindet sich ebenfalls eine sehr feine Blende. Dadurch ist gewährleistet, dass nur dann maximales Licht auf den Detektor trifft, wenn der Beleuchtungsstrahl den Fokus auf der Werkstückoberfläche hat.
Die Oberflächen in 25 und 26 weisen jeweils eine komplementär zur zu erzeugenden Oberflächenstruktur des Bauteils ausgebildete Strukturierung auf.
In 25 weist die Strukturierung der Oberfläche rinnenartige Vertiefungen auf, die teilweise parallel zueinander verlaufen und sich teilweise in einem rechten Winkel zueinander schneiden, so dass eine gitterförmige Struktur resultiert, wie sie z. B. in 8 schematisch dargestellt ist. Wie dem Profilbild im unteren Teil der 25 zu entnehmen, welches das Profil entlang der gestrichelten Linie darstellt, ist der Querschnitt der rinnenartigen Vertiefungen annähernd rechteckig ausgebildet. Die Tiefe der rinnenartigen Vertiefungen beträgt im Beispiel 230 µm und ihre Breite 200 µm. Der Abstand zwischen zwei rinnenartigen Vertiefungen beträgt 300 µm.
Gemäß 26 weist die Strukturierung der Oberfläche des zweiten Ausführungsbeispiels näpfchenartige Vertiefungen in Form von Halbkugeln auf, die aneinander angrenzen, wie in 6 schematisch dargestellt. Der Durchmesser der Vertiefungen beträgt 280 µm, ihre Tiefe 220 µm, wie auf dem Profilbild im unteren Teil der 26 ersichtlich ist, welches das Profil entlang der gestrichelten Linie darstellt. Der Abstand zwischen zwei nicht direkt benachbarten Vertiefungen beträgt 150 µm (siehe Strecke w in 26).
Das erste Ausführungsbeispiel gemäß 25 wurde mittels eines Pikosekundenlasers als Pulslaser erzeugt, wobei die Pulsdauer 15 ps betrug. Die Pulswiederholrate betrug ca. 400 kHz.
Die Geschwindigkeit, mit der der Bestrahlungsbereich in Bezug auf die Oberfläche des Formwerkzeugs bewegt wurde, betrug in diesem Beispiel zwischen 0,5 und 3 m/s. Die Geschwindigkeit wurde so gewählt dass der Bestrahlungsbereich eines Pulses um 70 bis 95 % mit dem Bestrahlungsbereich des vorhergehenden Pulses überlappte, so dass die gewünschten rinnenartigen Vertiefungen entstanden.
Beim zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 26 betrug die Pulsdauer ca. 100 ns bei einer Pulswiederholrate von ca. 20 kHz. Die Geschwindigkeit, mit der der Bestrahlungsbereich in Bezug auf die Oberfläche des Formwerkzeugs bewegt wurde, betrug ebenfalls zwischen 0,5 und 3 m/s. Hierbei wurde eine Überlappung der Bestrahlungsbereiche vermieden, um diskrete Einzelstrukturen auf der Oberfläche des Formwerkzeugs zu erzeugen.
Bei beiden Ausführungsbeispielen wird eine deutlich gleichmäßigere Strukturierung erreicht als bei einer direkten Strukturierung gemäß dem Stand der Technik, wie sie in den 1 und 2 gezeigt ist.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Formwerkzeugs mit einer strukturierten Oberfläche zur Herstellung von oberflächenstrukturierten Bauteilen aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff aufweisend: - Bereitstellen eines Formwerkzeugs mit einer Oberfläche, - Bestrahlen der Oberfläche in einem Bestrahlungsbereich mittels eines Pulslasers, wobei das Bestrahlen derart erfolgt, dass die Oberfläche teilweise unter Ausbildung der strukturierten Oberfläche abgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Pulsdauer im Bereich von 5 ps bis 200 ns, bevorzugt zwischen 5 und 15 ps oder zwischen 50 und 200 ns, liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Pulswiederholrate im Bereich zwischen 10 und 800 kHz, bevorzugt zwischen 10 und 40 kHz oder zwischen 200 und 800 kHz liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Bestrahlungsbereich mit einer Geschwindigkeit zwischen 0,5 und 5 m/s in Bezug auf die Oberfläche des Formwerkzeugs bewegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Geschwindigkeit des Bestrahlungsbereichs derart gewählt wird, dass der Bestrahlungsbereich eines Pulses um mindestens 60 %, bevorzugt mindestens 75 %, mit dem Bestrahlungsbereich des vorhergehenden Pulses überlappt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Bestrahlungsbereich einen Durchmesser d zwischen 50 und 250 µm aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine strukturierte Oberfläche ausgebildet wird, die zylinderförmige, kegelförmige, kegelstumpfförmige, halbkugelförmige oder rinnenartige Vertiefungen aufweist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei eine strukturierte Oberfläche mit mehreren sich schneidenden und/oder parallel zueinander verlaufenden und/oder ringförmig angeordneten rinnenartige Vertiefungen ausgebildet wird.
Formwerkzeug zur Herstellung oberflächenstrukturierter Bauteile aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff, aufweisend eine Oberfläche mit einer komplementär zur zu erzeugenden Oberflächenstruktur des Bauteils ausgebildeten Strukturierung.
Formwerkzeug nach Anspruch 9, wobei die Strukturierung zylinderförmige, kegelförmige, kegelstumpfförmige, halbkugelförmige oder rinnenartige Vertiefungen aufweist.
Formwerkzeug nach Anspruch 10, wobei die Strukturierung mehrere sich schneidende und/oder parallel zueinander verlaufende und/oder ringförmig angeordnete rinnenartige Vertiefungen aufweist.
Verfahren zur Herstellung oberflächenstrukturierter Bauteile aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff aufweisend: - Bereitstellen eines Ausgangsmaterials aufweisend keramische Fasern und einen Schlicker, - Formen eines oberflächenstrukturierten Grünkörpers aus dem Ausgangsmaterial mittels eines Formwerkzeugs nach einem der Ansprüche 9 bis 11, - Weiterverarbeitung des oberflächenstrukturierten Grünkörpers zum fertigen oberflächenstrukturierten Bauteil aus dem keramischen Faserverbundwerkstoff.
Bauteil aus einem keramischen Faserverbundwerkstoff aufweisend eine Oberfläche mit einer Strukturierung, wobei die Strukturierung zylinderförmige, kegelförmige, kegelstumpfförmige, halbkugelförmige oder wallartige Erhöhungen aufweist.
Bauteil nach Anspruch 13, wobei die Strukturierung mehrere sich schneidende und/oder parallel zueinander verlaufende und/oder ringförmig angeordnete wallartige Erhöhungen aufweist.