DE102017208046A1

DE102017208046A1 - Keramische Oberfläche, CMC-Bauteil und Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE102017208046A1
Application number: DE102017208046.9A
Authority: DE
Inventors: Thomas Beck; Jens Dietrich; Peter Stuart Hollingsworth; Sven Kreuziger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2017-05-12
Filing date: 2017-05-12
Publication date: 2018-11-15
Also published as: WO2018206220A1

Abstract

Durch die Erzeugung von gezielten Strukturen mittels Stegen, die Flächen einschließen, wird eine Oberflächenrauheit von CMC-Bauteilen erzielt, die zur besseren Anhaftung von keramischen Schichten dient.

Description

Die Erfindung betrifft eine keramische Oberfläche, CMC-Bauteil und Verfahren zur Herstellung.
CMC-Bauteile (Ceramic Matrix Composits) weisen eine keramische Matrix mit darin eingebetteten keramischen Fasern auf, die die mechanische Festigkeit ergeben. Bekannt sind Silicium-Karbid-Keramiken mit Silicium-Karbid-Fasern. CMC-Bauteile bestehen aus mehreren CMC-Lagern.
Solche Bauteile werden aufgrund der Temperaturbeständigkeit oft im Turbinenbau wie Dampfturbinen, Gasturbinen oder Flugzeugtriebwerke eingesetzt.
Nichtsdestotrotz sollen diese CMC-Komponenten geschützt werden durch weitere keramische Schichten, was immer eine gute Anbindung der keramischen Schicht (TBC) an das Substrat erfordert.
Die Aufgabe besteht darin, eine gute Anbindung der TBC an das CMC-Substrat zu erzielen.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine strukturierte Oberfläche gemäß Anspruch 1.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
Zuerst wird die oberste CMC-Lage mittels eines Pico-Lasers bearbeitet, um eine verbesserte Mikrostruktur zu erzielen.
Das Umschmelzen der obersten CMC-Lage führt zu einer verbesserten Festigkeit. Die erste CMC-Lage sowie stellt auch eine verbesserte Oberflächenstruktur für die Anwendung einer keramischen TBC dar. Durch das Umschmelzen wird eine besonders raue, blumenkohlartige Oberfläche erzeugt, die ebenfalls vorteilhaft ist für die Anbindung einer keramischen Schicht obendrauf.
Der Hauptvorteil dieser Idee besteht in der Verbesserung der Beschichtbarkeit von CMC-Oberflächen sowie die Verbesserung der Festigkeit der ersten CMC-Lage. Die Neubildung der CMC-Oberfläche ermöglicht es andere mechanische Ausrauprozesse wie Sandstrahlen zu vermeiden, welches oft zu Schädigungen führt.
Das Umschmelzen der ersten CMC-Lage führt zu einer höheren Festigkeit des CMC an sich und zu einer verbesserten Anbindung einer TBC.
Solche CMC können als Schaufelmaterial verwendet werden, die dann für Turbinen mit höheren Einlasstemperaturen und damit mit höherer Turbineneffizienz verwendet werden können.
Es zeigen 1, 2 und 3 Ausführungsbeispiele der Erfindung.
Die Beschreibung und die Figuren stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
1 zeigt eine raue keramische Oberfläche 1, die durch Umschmelzen einer Keramik, insbesondere eines keramischen CMC's entstanden ist.
Sie hat eine blumenkohlartige Oberfläche 2, also eine fraktale Oberfläche.
Diese Rauheit führt zur besseren Anhaftung einer TBC und/oder keramischen Anbindungsschicht.
In 2 ist eine strukturierte Oberfläche 1 gezeigt, die sich kreuzende Stege 4, 7 aufweist.
Die sich kreuzenden Stege 4, 7 entstanden insbesondere dadurch, dass in dem Bereich zwischen den Stegen 4, 7 Material entfernt wurde.
Das Material wird vorzugsweise durch einen Laser, insbesondere durch einen Pico-Laser entfernt, insbesondere gleichzeitig durch das Umschmelzen.
Die umschlossene Vertiefung 10 zwischen den sich kreuzenden Stegen 4, 7 kann dreieckförmig, quadratisch, rechteckig sein oder jede andere Form aufweisen. Somit müssen die Stege 4, 7 auch nicht immer gleich dick sein bzw. die Strukturierung muss sich nicht über die gesamte Oberfläche 1 erstrecken.
Weiterhin kann die Vertiefung 10 zwischen den Stegen 4, 7 noch dadurch bearbeitet werden, dass sie eine zusätzliche Rauheit wie eine blumenkohlartige Oberfläche aufweist, insbesondere durch Umschmelzung.
Zuerst wird die oberste CMC-Lage mittels eines Pico-Lasers bearbeitet, um eine verbesserte Mikrostruktur zu erzielen.
Das Schmelzen der obersten CMC-Lage führt zu einer verbesserten Festigkeit. Die erste CMC-Lage sowie stellt auch eine verbesserte Oberflächenstruktur für die Anwendung einer keramischen TBC dar. Durch das Umschmelzen wird eine besonders raue blumenkohlartige Oberfläche erzeugt, die ebenfalls vorteilhaft ist für die Anbindung einer keramischen Schicht obendrauf.
Der Hauptvorteil dieser Idee besteht in der Verbesserung der Beschichtbarkeit von CMC-Oberflächen sowie die Verbesserung der Festigkeit der ersten CMC-Lage. Die Neubildung der CMC-Oberfläche ermöglicht es andere mechanische Ausrauprozesse wie Sandstrahlen zu vermeiden, welches nur zu Schädigungen führt.
Das Umschmelzen der ersten CMC-Lage führt zu einer höheren Festigkeit des CMC an sich und zu einer verbesserten Anbindung der TBC.
Sowohl die Bildung von Stegen 4, 7 als auch die rauere Oberfläche zwischen den Stegen 4, 7 führt zu einer besseren Anhaftung einer folgenden keramischen Beschichtung.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem auch auf den Stirnseiten 16 der Stege 4, 7 Vertiefungen 13 eingebracht wurden oder allgemein eine raue Oberfläche erzeugt wurde.
Somit bildet jede Kontaktfläche mit einer folgenden keramischen Beschichtung TBC eine höhere Oberflächenrauheit.
Die TBC auf der Oberfläche 1 weist insbesondere Zirkonoxid auf, teilstabilisiert oder vollstabilisiert, mit oder ohne keramische Anbindungsschicht.
Vorzugsweise wird sie durch HVOF-Plasmaspritzen aufgebracht.

Claims

Keramische Oberfläche (1), insbesondere eines CMC-Substrats (2), die umgeschmolzen wurde und dadurch rauer ausgebildet ist als vor der Umschmelzung, und insbesondere fraktal oder blumenkohlartig ausgebildet ist.
Keramische Oberfläche nach Anspruch 1, die sich kreuzende Stege (4, 7, ...) mit dadurch umschlossenen Vertiefungen (10) aufweist.
Keramische Oberfläche nach Anspruch 2, bei der die Vertiefungen (10) eckig, insbesondere quadratisch und/oder rechteckig und/oder dreieckförmig sind.
Keramische Oberfläche nach Anspruch 2 oder 3, bei der die Vertiefungen (10) rund, insbesondere kreisförmig und/oder ovalförmig ausgebildet sind.
Keramische Oberfläche nach einem oder beiden der Ansprüche 2 oder 3, bei der die Dicke der Stege (4, 7) gleich ist.
Keramische Oberfläche nach einem mehreren der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, bei der die Dicke der Stege (4, 7) unterschiedlich ist.
Keramische Oberfläche nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, bei der die umschlossene Vertiefung (10) zwischen den Stegen (4, 7, ...) eine größeren Oberflächenrauheit aufweist als die Stirnseite der Stege (4, 7).
Keramische Oberfläche nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 5 oder 6, bei der auch die Stirnseiten (16) der Stege (4, 7, ...) ebenfalls erzeugte Vertiefungen (13) zur Erhöhung der Oberflächenrauheit aufweisen.
CMC-Bauteil, mit einer keramischen Oberfläche (1) eines CMC-Substrats (2) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8.
CMC-Bauteil nach Anspruch 9, bei dem die keramische Oberfläche (1) des CMC-Substrats zumindest eine keramische Beschichtung auf der Oberfläche (1) aufweist.
Keramisches Bauteil nach einem oder beiden der Ansprüche 9 oder 10, bei dem das CMC-Substrat ein SiC/SiC-CMC mit SiC-Fasern darstellt.
Bauteil nach einem oder beiden der Ansprüche 9 oder 10, bei dem das CMC-Substrat eine keramische Matrix aus Aluminiumoxid und Aluminiumoxidfasern und/oder Aluminiumoxid-/Mullite darstellt.
Keramisches Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 10, 11 oder 12, bei dem die keramische Beschichtung eine Zirkonoxidbeschichtung darstellt.
Verfahren zur Herstellung einer Oberfläche (1) nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 oder 8, bei dem zur Herstellung der Vertiefungen (10) Material abgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem eine Oberfläche, insbesondere innerhalb der herzustellenden Vertiefung (10), umgeschmolzen wird.