DE102018201555A1 - CMC moldings, as well as manufacturing method - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Formkörper wie beispielsweise eine Turbinenkomponente, insbesondere auch eine Leit- oder Laufschaufel einer Gasturbine und/oder ein Bauteil eines Abgasstrangs, das zumindest teilweise aus CMC, also - Ceramic-Matrix-Composite - und/oder aus einem CMC-Metall-Hybrid, aufgebaut ist und ein neues, insbesondere hinsichtlich der mechanischen, thermomechanischen und/oder thermischen Stabilität verbessertes, Aufbaukonzept realisiert. Durch die Erfindung wird erstmals ein CMC-Formkörper oder ein CMC-Hybrid-Formkörper vorgestellt, der einen Verbund aus einem innenliegenden gewickelten CMC-Teil mit einem äußeren im Stack-Aufbaukonzept realisierten CMC-Teil, umfasst.

Figure DE102018201555A1_0000
The invention relates to a shaped body such as a turbine component, in particular a guide or moving blade of a gas turbine and / or a component of an exhaust line, at least partially made of CMC, so - ceramic matrix composite - and / or a CMC metal Hybrid, is constructed and a new, especially in terms of mechanical, thermomechanical and / or thermal stability improved, realized design concept. By means of the invention, for the first time, a CMC molded body or a CMC hybrid molded body is presented which comprises a composite of an inner wound CMC part with an outer CMC part realized in the stack construction concept.
Figure DE102018201555A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft einen Formkörper wie beispielsweise eine Turbinenkomponente, insbesondere auch eine Leit- oder Laufschaufel einer Gasturbine und/oder ein Bauteil eines Abgasstrangs, das zumindest teilweise aus CMC, also - Ceramic-Matrix-Composite - und/oder aus einem CMC-Metall-Hybrid, aufgebaut ist und ein neues, insbesondere hinsichtlich der mechanischen, thermomechanischen und/oder thermischen Stabilität verbessertes, Aufbaukonzept realisiert.The invention relates to a shaped body such as a turbine component, in particular a guide or moving blade of a gas turbine and / or a component of an exhaust line, at least partially made of CMC, so - ceramic matrix composite - and / or a CMC metal Hybrid, is constructed and a new, especially in terms of mechanical, thermomechanical and / or thermal stability improved, realized design concept.

Bislang werden beispielsweise Formkörper wie Turbinenschaufeln, beispielsweise für stationäre Gasturbinen, aus Nickelbasierten Superlegierungen mit zusätzlichen Schutz-Beschichtungen, z.B. TBC-Beschichtungen, eingesetzt. Zwar werden die Eigenschaften dieser Materialien ständig weiterentwickelt, jedoch scheint diese Technik ziemlich ausgereizt zu sein und nach allgemeiner Abschätzung der Fachwelt ist nur wenig substanzielle Steigerung noch möglich.So far, for example, moldings such as turbine blades, for example for stationary gas turbines, are made of nickel-based superalloys with additional protective coatings, e.g. TBC coatings used. Although the properties of these materials are constantly being developed, this technique seems to be quite exhausted and, according to general estimation of the experts, little substantial increase is still possible.

Demgegenüber ist die Technik des Bauteil-Aufbaus mit CMCs, also der Faser-verstärkten keramischen Materialien eine Alternative, die allein und/oder in Kombination mit Teilelementen aus Metallen und insbesondere aus Superlegierungen, als so genannte CMC-Metall-Hybrid-Formkörper, zur Schaffung neuartiger Formkörper wie Turbinenkomponenten und/oder Bauteile in einem Abgasstrang noch gewinnbringend, also zu substantiellen Steigerungen führend, eingesetzt werden kann. In der Kombination mit Legierungen, insbesondere der genannten Superlegierungen, oder auch anderen Metallen spricht man dann von einem Formkörper aus Hybridmaterial, der CMC-Teilelemente und Metall-Teilelemente umfasst.In contrast, the technique of component assembly with CMCs, so the fiber-reinforced ceramic materials is an alternative alone and / or in combination with sub-elements of metals and in particular of superalloys, as so-called CMC metal hybrid moldings, to create novel moldings such as turbine components and / or components in an exhaust system still profitable, so leading to substantial increases, can be used. In combination with alloys, in particular of the abovementioned superalloys, or also other metals, this is then referred to as a shaped body made of hybrid material which comprises CMC subelements and metal subelements.

In der Regel umfasst ein CMC-Teilelement eine Faser, einen Faserverbund, ein Gewebe und/oder einen dreidimensionalen Verbund aus Verstärkungsfasern, insbesondere aus keramischen Verstärkungsfasern, der in eine keramische Matrix eingebettet ist. Zur Herstellung werden meistens Prepreg-Lagen aneinander laminiert und nachfolgend zum keramischen CMC-Formkörper gesintert. Die Anordnung der CMC-Lagen zueinander ist dabei eine kritischer Punkt und es wird ständig an einer optimalen Anordnung der CMC-Lagen zueinander, also an Aufbaukonzepten für die Komponenten, sei es für Turbinen und/oder für Elemente eines Abgasstrangs, geforscht.As a rule, a CMC subelement comprises a fiber, a fiber composite, a woven fabric and / or a three-dimensional composite of reinforcing fibers, in particular of ceramic reinforcing fibers, which is embedded in a ceramic matrix. For production, prepreg layers are usually laminated together and subsequently sintered to form the ceramic CMC molding. The arrangement of the CMC layers to each other is a critical point and it is constantly on an optimal arrangement of the CMC layers to each other, so to design concepts for the components, be it for turbines and / or elements of an exhaust system researched.

Eine bekannte Turbinenkomponente umfasst beispielsweise ein Laminat aus CMC-Lagen, die auf CMCs aus Oxid- und/oder Siliziumcarbid-Keramik basieren. Die Laminate werden dabei als Prepreg-Lagen zum einen im so genannten Stack-Aufbaukonzept auf einem Metallkern und/oder auf einer Stützstruktur abgelegt oder gestapelt. Alternativ dazu werden im so genannten Wrap-Aufbaukonzept die Prepreg-Lagen um einen Kern oder eine Stützstruktur herum gewickelt. In beiden Fällen werden nach erfolgter Trocknung und/oder Temperung der Prepreg-Lagen diese mit oder ohne Stützstruktur gesintert.For example, a known turbine component includes a laminate of CMC layers based on CMCs of oxide and / or silicon carbide ceramic. The laminates are deposited or stacked as prepreg layers on the one hand in the so-called stack construction concept on a metal core and / or on a support structure. Alternatively, in the so-called wrap construction concept, the prepreg layers are wound around a core or support structure. In both cases, after drying and / or heat treatment, the prepreg layers are sintered with or without support structure.

Insbesondere bei der Herstellung von CMC-basierten Leitschaufeln für stationäre Gasturbinen wird bislang entweder das Wrap-, also das Wickel-Aufbaukonzept, oder das Stack-, also das Stapel-Aufbaukonzept, realisiert.In particular, in the production of CMC-based guide vanes for stationary gas turbines, either the wrap, ie the winding build-up concept, or the stack, that is the stack construction concept, has hitherto been realized.

Derart hergestellte CMC-Formkörper für Turbinenkomponenten und/oder Bauteile eines Abgasstrangs sind dann grundsätzlich geeignet, extrem hohen thermischen, thermomechanischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt. Allerdings sollten sie auch noch zur Ausbildung einer effektiven Bauteilkühlung geeignet sein und/oder eine Oberfläche haben, die für eine geeignete Haftung einer aufzubringenden TBC-Schicht ausreichende Härte zur Vorbehandlung durch Aufrauen, aufweist. Diese beiden Punkte, die Ausbildung der Kühlstruktur innerhalb des Bauteils einerseits und die Oberflächenbeschaffenheit andererseits machen nach den herkömmlichen Aufbaukonzepten immer noch Probleme. Zudem zeigen herkömmlich aufgebaute CMC-Formteile eine anisotrope Festigkeit.Such manufactured CMC moldings for turbine components and / or components of an exhaust line are then in principle suitable, exposed to extremely high thermal, thermomechanical and mechanical loads. However, they should also be suitable for the formation of an effective component cooling and / or have a surface which has sufficient hardness for pretreatment by roughening, for a suitable adhesion of a TBC layer to be applied. These two points, the formation of the cooling structure within the component on the one hand and the surface condition on the other hand still make problems according to the conventional construction concepts. In addition, conventionally constructed CMC moldings exhibit anisotropic strength.

Beim Wickel-Aufbaukonzept werden die CMC-Lagen schichtweise parallel zur Außenkontur des fertigen Formkörpers aufgebaut und beim Stack-Aufbaukonzept liegen die einzelnen Lagen in der Regel senkrecht zur Außenkontur des fertigen Formkörpers vor, wobei beide Aufbaukonzepte Vor- und Nachteile bezüglich mechanischer, thermomechanischer und/oder thermischer Belastbarkeit haben. Insbesondere kann sich jeweils die geringe interlaminare Festigkeit eines CMC-Teilelements nachteilig auf die thermo-mechanische Belastbarkeit und/oder die Oberflächenhärte des fertigen Formkörpers auswirken.In the winding structure concept, the CMC layers are built up in layers parallel to the outer contour of the finished molded body and in the stack construction concept, the individual layers are usually perpendicular to the outer contour of the finished molded body, both structural concepts advantages and disadvantages with respect to mechanical, thermomechanical and / or thermal resilience. In particular, the low interlaminar strength of a CMC partial element can have a disadvantageous effect on the thermo-mechanical load-bearing capacity and / or the surface hardness of the finished molded article.

Deshalb besteht weiterhin der Bedarf, ein neues Aufbaukonzept für einen CMC-Formkörper oder einen CMC-Hybridformkörper mit gesteigerter mechanischer, thermomechanischer und/oder thermischer Belastbarkeit zu schaffen.Therefore, there is still a need to provide a new design concept for a CMC molding or a CMC hybrid molding with increased mechanical, thermo-mechanical and / or thermal capacity.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Aufbaukonzept für CMC-Formkörper anzugeben, das gegenüber dem Stand der Technik eine verbesserte mechanische, thermomechanische und/oder thermische Beständigkeit zeigt.It is therefore an object of the present invention to provide a design concept for CMC molded bodies which exhibits improved mechanical, thermomechanical and / or thermal resistance compared with the prior art.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch den Gegenstand wie er in der Beschreibung, den Figuren und den Ansprüchen offenbart wird, gelöst.This object is achieved according to the invention by the subject matter as disclosed in the description, the figures and the claims.

Dementsprechend ist Gegenstand der Erfindung ein CMC-Formkörper oder CMC-Hybrid-Formkörper, eine Kombination aus zumindest einem gewickelten -WRAP- und zumindest einem gestapelten -STACK- CMC-Teil aus einzelnen Laminatlagen umfassend,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein innenliegender, im Wrap-Aufbaukonzept realisierter erster CMC-Teil, von einem außenliegenden, im Stack-Aufbaukonzept realisierten zweiten CMC-Teil zumindest teilweise umgeben ist, so dass ein materialschlüssiger Verbund aus den zumindest zweien sich umgebenden CMC-Teilen resultiert, wobei die beiden CMC-Teile dadurch, dass CMC-Laminatlagen des ersten und des zweiten CMC-Teils zumindest zum Teil quer zueinander orientiert sind, sich gegenseitig verstärken.
Accordingly, the subject matter of the invention is a CMC molded body or CMC hybrid molded body comprising a combination of at least one wound -WRAP and at least one stacked -STACK CMC part made of individual laminate layers,
characterized in that
an internal, implemented in the wrap design concept first CMC part is at least partially surrounded by an external, implemented in the stack design concept second CMC part, so that a material-locking composite of the at least two surrounding CMC parts results, the two CMC parts reinforce each other by having CMC laminate layers of the first and second CMC parts oriented at least partially transverse to one another.

Außerdem ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines CMC-Formkörpers oder eines CMC-Hybrid-Formkörpers, wobei in einem ersten Verfahrensschritt zwei CMC-Teile, ein erster CMC-Teil im Wrap-Aufbaukonzept und ein zweiter CMC-Teil im Stack-Aufbaukonzept hergestellt werden, die dann in einem nachfolgenden Verfahrensschritt miteinander zur Ausbildung eines materialschlüssigen Verbunds kombiniert werden.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden zumindest ein erster und ein zweiter CMC-Teil so verbunden, dass auch ein formschlüssiger Verbund resultiert.
In addition, the present invention is a process for producing a CMC molding or a CMC hybrid molding, wherein in a first process step, two CMC parts, a first CMC part in the wrap design concept and a second CMC part in the stack Construction concept are produced, which are then combined with each other in a subsequent step to form a material-bonded composite.
According to an advantageous embodiment of the invention, at least a first and a second CMC part are connected so that a positive connection results.

Insbesondere wird dabei der Aufbau eines innenliegenden, beispielsweise über ein Wrap-Aufbaukonzept hergestellten, CMC-Teils durch Laminieren auf einer Kernstruktur erfolgen. Dieser wird, gegebenenfalls mit einem oder mehreren weiteren Wrap-CMC-Teile(n) mit einem oder mehreren außenliegenden CMC-Teil(en) im Stack-Aufbaukonzept kombiniert.In particular, the construction of an internal CMC part produced, for example, by means of a wrap construction concept, will take place by lamination on a core structure. If necessary, this is combined with one or more further wrap CMC parts with one or more external CMC part (s) in the stack design concept.

Die Kontaktflächen zwischen den einzelnen CMC-Lagen und/oder zwischen CMC-Teilen können mit der für eine CMC-Prepreg-Lage verwendeten Matrix und/oder über eine Glaskeramik oder eine Mischung aus dem Matrixmaterial und einer Glaskeramik und/oder über einen entsprechenden Einbrand verbunden werden.The contact surfaces between the individual CMC layers and / or between CMC parts can be connected to the matrix used for a CMC prepreg layer and / or via a glass ceramic or a mixture of the matrix material and a glass ceramic and / or via a corresponding penetration become.

Die keramische Matrix kann dabei innerhalb eines Stapels oder innerhalb einer Wicklung einen graduell steigenden Anteil an Glaskeramik aufweisen. Insbesondere kann die Matrix der oberen oder obersten Lage eines oder mehrerer CMC-Teile durch Zugabe von Glaskeramik-Bestandteilen so modifiziert sein, dass sich eine erhöhte Härte an den mit Glaskeramischen Bestandteilen modifizierten Oberflächen des Körpers ergibt.The ceramic matrix can have a gradually increasing proportion of glass ceramic within a stack or within a winding. In particular, the matrix of the upper or uppermost layer of one or more CMC parts may be modified by the addition of glass ceramic constituents in such a way that an increased hardness results on the surfaces of the body modified with glass ceramic constituents.

Auf diese Weise wird ein sehr robuster CMC-Formkörper oder CMC-Hybrid-Formkörper erzeugt, welcher auf vorteilhafte Weise durch die neuartige Kombination die exzellente mechanische Stabilität und/oder Schadenstoleranz von im Wrap-Aufbaukonzept hergestellten CMC-Teilen mit den vorteilhaften Eigenschaften und insbesondere den äußeren Oberflächen von nach dem Stack-Aufbaukonzept hergestellten CMC-Teilen, verbindet.In this way, a very robust CMC molded body or CMC hybrid molded body is produced, which advantageously by the novel combination, the excellent mechanical stability and / or damage tolerance produced in the wrap design concept CMC parts with the advantageous properties and in particular the outer surfaces of built according to the stack design concept CMC parts, connects.

Die CMC-Teile, die im Wrap-Aufbaukonzept hergestellt sind, verleihen dem CMC-Formkörper Torsions- und/oder Verwindungsstabilität, wohingegen die im Stack-Aufbaukonzept realisierten CMC-Teile eine Oberfläche mit ausgezeichneter Härte, die für Beschichtungen respektive der Vorbehandlung zur Aufbringung von Beschichtungen gut geeignet ist.The CMC parts, which are manufactured in the wrap design concept, give the CMC molded body torsional and / or torsional stability, whereas the CMC parts realized in the stack design concept have a surface with excellent hardness, which is suitable for coatings or pretreatment for application of Coatings is well suited.

Allgemeine Erkenntnis der Erfindung ist es, dass eine Kombination der beiden Aufbaukonzepte, zumindest eines inneren und gewickelten CMC-Teils und zumindest eines äußeren und gestapelten CMC-Teils die mechanische, thermomechanische und/oder thermische Belastbarkeit eines so erzeugten CMC-Formkörpers oder CMC-Hybrid-Formkörpers drastisch erhöhen. Die Verstärkung der beiden Teile gleicht deren Instabilitäten, insbesondere bei der Herstellung von Turbinenkomponenten, wie Schaufeln, aus. Insbesondere hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die zumindest zwei CMC-Teile dabei durch eine gemeinsame Matrix oder Mischung aus Matrix und Glaskeramik verbunden vorliegen, so dass ein Verbund mit hoher Festigkeit resultiert.General knowledge of the invention is that a combination of the two structural concepts, at least one inner and wound CMC part and at least one outer and stacked CMC part, the mechanical, thermomechanical and / or thermal load capacity of a CMC molding or CMC hybrid thus produced Increase drastically. The reinforcement of the two parts compensates for their instabilities, especially in the manufacture of turbine components, such as blades. In particular, it has proved to be advantageous if the at least two CMC parts are connected by a common matrix or mixture of matrix and glass ceramic, so that a composite with high strength results.

Deshalb sind nach einer vorteilhaften Ausführungsform die beiden verbundenen CMC-Teile durch eine Matrix oder einer Mischung aus Matrix und Glaskeramik, in die die beiden zueinander quer stehenden CMC-Teile zumindest teilweise, insbesondere zumindest teilweise an den Kontaktflächen, eingebettet sind, verbunden.Therefore, according to an advantageous embodiment, the two connected CMC parts by a matrix or a mixture of matrix and glass ceramic, in which the two mutually transverse CMC parts are at least partially, in particular at least partially embedded at the contact surfaces, connected.

Als CMC-Laminatlage wird vorliegend ein so genanntes „Ply“ bezeichnet, das durch Vorlage und/oder Eintauchen oder ähnliche Benetzungs- und/oder Imprägnierung einer Verstärkungsfaser-Vorlage in einen keramischen Schlicker und nachfolgendes Trocknen und Sintern herstellbar ist.In the present case, a CMC laminate layer is a so-called "ply", which can be produced by submission and / or dipping or similar wetting and / or impregnation of a reinforcing fiber master into a ceramic slip and subsequent drying and sintering.

Beim Wrap-Aufbaukonzept, bei dem ein CMC-Teil schichtweise mit den CMC-Lagen parallel zur Außenkontur der Leitschaufel aufgebaut wird, lassen sich mit Hilfe entsprechender Formwerkzeuge auch komplizierte Bauteile, beispielsweise Leitschaufel-Komponenten, herstellen, aber durch die parallel zur Bauteiloberfläche orientierten schwachen Matrixschichten mit geringer interlaminarer Festigkeit ergeben sich dabei auch erhebliche Nachteile. Beispielsweise kann durch Einschlag, „rub-in“ und/oder hohe thermomechanische Belastung eine Beschädigung der äußeren Lage und im schlechtesten Fall eine Delamination erfolgen. Zudem kann beim Wrap-Aufbaukonzept in der Regel keine Schutzschicht mit erforderlicher Haftung aufgebracht werden, weil die äußerste Lage sich nicht entsprechend ohne Schäden vorbehandeln und/oder aufrauen lässt.In the wrap design concept, in which a CMC part is built up in layers with the CMC layers parallel to the outer contour of the guide vane, complicated components, such as guide vane components, can be produced with the aid of appropriate molding tools, but with the weak ones oriented parallel to the component surface Matrix layers with low interlaminar strength also result in considerable disadvantages. For example, by impact, "rub-in" and / or high thermomechanical load damage the outer layer and in the worst case a delamination. In addition, the wrap-building concept usually no protective layer can be applied with the required liability, because the outermost layer can not be pretreated without corresponding damage and / or roughen.

Demgegenüber lässt sich ein CMC-Teil - beispielsweise einer Lauf-oder Leitschaufel - nach dem Stack-Aufbaukonzept gut oberflächlich aufrauen und zeigt sich gegenüber thermomechanische Beanspruchung und/oder Einschlag sehr robust. Dies insbesondere deshalb weil die Verstärkungsfasern dabei grundsätzlich quer zur Außenkontur angeordnet sind und daher gegenüber einer Oberflächenbehandlung, beispielsweise zur Vorbereitung einer Schutzbeschichtung, sehr robust und unempfindlich sind. Allerdings kann ein CMC-Teil nach dem Stack-Aufbaukonzept in senkrechter Richtung weniger gut Zugkräfte übertragen und birgt die Gefahr von Heißgasleckage durch eventuell entstehende Risse zwischen den CMC-Laminatlagen. Durch die Risse kann Heißgas in das Innere des Bauteils eintreten und dort vorhandene metallische Teile und/oder sonstige Strukturen schädigen.In contrast, a CMC part - for example, a barrel or vane - roughened well superficial on the stack construction concept and is very robust to thermo-mechanical stress and / or impact. This is particularly because the reinforcing fibers are basically arranged transversely to the outer contour and are therefore very robust and insensitive to a surface treatment, for example for preparing a protective coating. However, a CMC part can not transfer tensile forces in the vertical direction in the vertical direction, and there is a risk of hot gas leakage due to possible cracks between the CMC laminate layers. Due to the cracks, hot gas can enter the interior of the component and damage existing metallic parts and / or other structures there.

Durch die vorliegende Erfindung werden erstmals die beiden Aufbaukonzepte Wrap und Stack so kombiniert, dass die Außenkontur des CMC-Formkörpers gut für eine nachfolgende Beschichtung vorbereitet werden kann und gleichzeitig durch den im Wrap-Aufbaukonzept hergestellten Kern eine Torsionsfestigkeit des CMC-Formkörpers resultiert.By the present invention, the two concepts wrap and stack are combined for the first time so that the outer contour of the CMC molding can be well prepared for a subsequent coating and at the same time results in a torsional strength of the CMC molding by the core produced in the wrap design concept.

Zudem ergibt die Verbindung der jeweiligen CMC-Teile durch eine gemeinsame bettende Matrix, die beide CMC-Teilelemente zusammenführt eine besondere Betriebsstabilität des CMC-Formkörpers gegenüber Rissen.. So entsteht im CMC-Formkörper eine 3-dimensionale CMC-Struktur mit isotroper Festigkeit in alle drei Raumrichtungen.In addition, the combination of the respective CMC parts by a common bedding matrix, which brings together both CMC subelements results in a special operating stability of the CMC molded body against cracks. Thus, a 3-dimensional CMC structure with isotropic strength results in all in the CMC molded body three spatial directions.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die zumindest zwei CMC-Teile durch eine hochtemperaturbeständige keramische Matrix miteinander verbunden.According to an advantageous embodiment of the invention, the at least two CMC parts are connected to each other by a high temperature resistant ceramic matrix.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die zumindest zwei CMC-Teile durch eine, eine Glaskeramik umfassende hochtemperaturbeständige keramische Matrix verbunden.According to a further advantageous embodiment of the invention, the at least two CMC parts are connected by a high-temperature-resistant ceramic matrix comprising a glass ceramic.

Die Lagen, insbesondere die Laminatlagen der zumindest zwei, eine nach dem Wrap-Aufbaukonzept und eine nach dem Stack-Aufbaukonzept hergestellten, CMC-Teile liegen quer zueinander. Vorteilhafterweise liegen sie ungefähr im rechten Winkel zueinander, wobei hier natürlich auf den jeweils herzustellenden Formkörper abgestellt auch abweichende Geometrien realisiert werden können. Entscheidend ist dabei, dass die Orientierung der Lage des einen CMC-Teils die interlaminare Schwäche der Lagen des anderen CMC-Teils annähernd und/oder ungefähr zu einer isotropen Festigkeit im CMC-Formkörper ausgleicht.The layers, in particular the laminate layers of the at least two, a CMC parts produced according to the wrap construction concept and a stack construction concept, lie transversely to one another. Advantageously, they are approximately at right angles to each other, and of course also different geometries can be realized turned off on the moldings to be produced in each case. The decisive factor here is that the orientation of the position of the one CMC part compensates for the interlaminar weakness of the layers of the other CMC part approximately and / or approximately to an isotropic strength in the CMC molding.

Im Formkörper bilden zumindest zwei CMC-Teile, ein nach dem Stack-Aufbaukonzept und ein nach dem Wrap-Aufbaukonzept hergestelltes CMC-Teil einen materialschlüssigen Verbund. Beispielsweise können innen ein, zwei oder mehrere nach dem Wrap-Aufbaukonzept hergestellte CMC-Teile mit einem, zwei oder mehreren nach dem Stack-Aufbaukonzept hergestellten CMC-Teilen verbunden werden. Da ist keinesfalls eine Parität erforderlich, wie auch das in den Figuren gezeigte Ausführungsbeispiel belegt.In the molded body, at least two CMC parts, a CMC part produced according to the stack design concept and a CMC part produced according to the wrap construction concept, form a material-bonded composite. For example, inside one, two or more CMC parts produced according to the wrap design concept can be connected to one, two or more CMC parts produced according to the stack design concept. There is no parity required, as evidenced by the embodiment shown in the figures.

Als „materialschlüssiger“ Verbund wird vorliegend bezeichnet, dass innerhalb des Verbundes keine Hohlräume und/oder Lufteinschlüsse vorgesehen sind.As a "material-locking" composite is referred to herein, that within the composite no voids and / or air pockets are provided.

Das neue kombinierte Aufbaukonzept mit innenliegendem Wraplaminierten und außenliegendem Stack-laminierten CMC-Teil bietet beispielsweise folgende Vorteile:The new combined design concept with internal wound laminates and external stack-laminated CMC part offers, for example, the following advantages:

Die spezifische Rauheit und Charakteristik der bearbeiteten CMC-Oberfläche eines äußeren CMC-Teils ist Teil eines Stack-laminierten CMC-Teils und erlaubt damit eine sehr gute Haftung von beispielsweise über APS, also thermisch aufgespritzten, Schutzschichten, wie TBC und/oder EBC weil es gegenüber Aufrau-Techniken hohe Stabilität zeigt.The specific roughness and characteristic of the machined CMC surface of an outer CMC part is part of a stack-laminated CMC part and thus allows a very good adhesion of, for example, APS, ie thermally sprayed, protective layers such as TBC and / or EBC because it compared to roughening techniques shows high stability.

Durch das Vorliegen eines inneren, nach dem Wrap-Aufbaukonzept aufgebauten, CMC-Teils können Schäden durch Risse und/oder Heißgaseintritt an noch weiter innen im Formkörper liegenden - beispielsweise metallischen - Teilen vermieden oder vermindert werden.Due to the presence of an inner, constructed according to the wrap design concept, CMC part damage due to cracks and / or hot gas can be avoided or reduced to even further inside the molded body lying - for example, metallic - parts.

Durch das Aufbauen einer 3-dimensionalen CMC-Struktur wird eine hohe Festigkeit, Schadenstoleranz und insbesondere auch Verwindungssteifigkeit eines so hergestellten Formkörpers erzeugt.By constructing a 3-dimensional CMC structure, a high strength, damage tolerance and, in particular, torsional rigidity of a shaped article produced in this way are produced.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform liegt der CMC-Formkörper nicht nur als materialschlüssiger Verbund, sondern auch als formschlüssiger Verbund vor.According to an advantageous embodiment of the CMC molding is not only as composite material bond, but also as a positive connection before.

Als „formschlüssiger“ Verbund wird vorliegend ein Verbund bezeichnet, in dem an der Außenkontur des CMC-Formkörpers kein Überstand eines der zumindest zwei zur gegenseitigen Verstärkung kombinierten CMC-Teile vorhanden ist.In the present case, a composite in which no projection of one of the at least two CMC parts combined for mutual reinforcement is present on the outer contour of the CMC molded body is referred to as a "positive-locking" composite.

Im Folgenden wird die Erfindung noch anhand eines Beispiels, das eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung zeigt, näher erläutert:

  • 1 zeigt ein CMC-Teil eines CMC-Formkörpers oder eines CMC-Hybrid-Formkörpers, das nach dem Stack-Aufbaukonzept realisiert ist.
  • 2 zeigt ein CMC-Teil eines CMC-Formkörpers oder eines CMC-Hybrid-Formkörpers, das nach dem Wrap-Aufbaukonzept realisiert ist und
  • 3 schließlich zeigt einen CMC-Formkörper, der eine Laufschaufel ist und die beiden, aus den 1 und 2 bekannten, CMC-Teile umfasst.
In the following, the invention will be explained in more detail by means of an example, which shows an exemplary embodiment of the invention:
  • 1 shows a CMC part of a CMC molding or a CMC hybrid molding, which is realized according to the stack design concept.
  • 2 shows a CMC part of a CMC molding or a CMC hybrid molding, which is realized according to the wrap design concept and
  • 3 Finally, shows a CMC molding, which is a blade and the two, from the 1 and 2 known, includes CMC parts.

1 zeigt einen Stapel 2 einzelner CMC-Laminatlagen 1a bis 1f, die aufeinander gestapelt sind. Die Lagen weisen Öffnungen 3a und 3b auf. Die Lagen 1a bis 1f nach dem Stack-Aufbaukonzept liegen senkrecht zur Außenkontur des Bauteils, der Laufschaufel. 1 shows a stack 2 single CMC laminate layers 1a to 1f stacked on top of each other. The layers have openings 3a and 3b on. The layers 1a to 1f according to the stack construction concept are perpendicular to the outer contour of the component, the blade.

2 zeigt zwei separate, gewickelte CMC-Teile 4 und 5, die nach dem Wrap-Aufbaukonzept hergestellt sind. Diese CMC-Teile sind so konzipiert, dass sie in die Öffnungen 3a und 3b des in 1 gezeigten Stapels 2 aus CMC-Laminatlagen passen. Die CMC-Teile 4 und 5 sind somit als „innenliegende Kerne“ eines aus den CMC-Teilen der 1 und 2 zusammengesetzten formschlüssigen Verbunds oder Formkörpers geeignet. 2 shows two separate, wound CMC parts 4 and 5 which are made according to the wrap construction concept. These CMC parts are designed to fit in the openings 3a and 3b of in 1 shown stack 2 Made of CMC laminate layers. The CMC parts 4 and 5 are thus as "internal cores" one of the CMC parts of the 1 and 2 composite positive composite or molded body suitable.

3 zeigt den formschlüssigen Verbund 6 der drei CMC-Teile aus den 1 und 2, des einen gestapelten CMC-Teils und der zwei nach dem Wrap-Aufbaukonzept hergestellten CMC-Teile. So wird eine Laufschaufel 6 geschaffen, die zwei Öffnungen 7a und 7b hat, die beispielsweise als Kühlkanäle dienen und/oder in die eventuell noch metallische Strukturen zur Ausbildung eines CMC-(Hybrid)-Formkörpers eingebracht werden können. Die in einer Öffnung aufgebauten metallischen oder nichtmetallischen Strukturen können beispielsweise über generative Fertigungsverfahren aufgebaut werden und/oder filigrane Kühlsysteme umfassen. 3 shows the positive connection 6 the three CMC parts from the 1 and 2 , one stacked CMC part and two CMC parts made according to the wrap design concept. So is a blade 6 created the two openings 7a and 7b has, for example, serve as cooling channels and / or in the possibly still metallic structures for forming a CMC (hybrid) shaped body can be introduced. The metallic or non-metallic structures constructed in an opening can be constructed, for example, by means of generative production methods and / or comprise filigree cooling systems.

Durch die Erfindung wird erstmals ein CMC-Formkörper oder ein CMC-Hybrid-Formkörper vorgestellt, der einen Verbund aus CMC-Teilen, mit einem inneren, im Wrap-Aufbaukonzept hergestellten, CMC-Teil und einen äußeren, im Stack-Aufbaukonzept realisierten Teil umfasst.By means of the invention, a CMC molded body or a CMC hybrid molded body is presented for the first time, comprising a composite of CMC parts, with an inner CMC part produced in the wrap construction concept and an outer part realized in the stack construction concept ,

Claims (15)

CMC-Formkörper oder CMC-Hybrid-Formkörper, eine Kombination aus zumindest einem gewickelten und zumindest einem gestapelten CMC-Teil, jeweils aus CMC-Laminatlagen, umfassend, dadurch gekennzeichnet, dass ein innenliegender, im Wrap-Aufbaukonzept realisierter erster CMC-Teil, von einem außenliegenden, im Stack-Aufbaukonzept realisierten zweiten CMC-Teil zumindest teilweise umgeben ist, so dass ein materialschlüssiger Verbund aus den zumindest zweien sich umgebenden CMC-Teilen resultiert, wobei die beiden CMC-Teile dadurch, dass CMC-Laminatlagen des ersten und des zweiten CMC-Teils zumindest zum Teil quer zueinander orientiert sind, sich gegenseitig verstärken.CMC molding or CMC hybrid molding, a combination of at least one wound and at least one stacked CMC part, each of CMC laminate layers, comprising, characterized in that an internal, realized in the wrap design concept first CMC part of an outer, realized in the stack design concept second CMC part is at least partially surrounded, so that a material-locking composite of the at least two surrounding CMC parts results, the two CMC parts in that CMC laminate layers of the first and the second CMC part at least partially oriented transversely to each other, reinforce each other. CMC-Formkörper oder CMC-Hybrid-Formkörper nach Anspruch 1, wobei der materialschlüssige Verbund mittels einer gemeinsamen Matrix, in der die quer zueinander stehenden Laminatlagen zumindest teilweise eingebettet sind, realisiert ist.CMC molding or CMC hybrid molding after Claim 1 , wherein the material-locking composite is realized by means of a common matrix in which the mutually perpendicular laminate layers are at least partially embedded. CMC-Formkörper oder CMC-Hybrid-Formkörper nach Anspruch 1 oder 2, wobei der materialschlüssige Verbund mittels einer gemeinsamen Matrix, die Glaskeramik-Bestandteile umfasst, in der die beiden quer zueinander stehenden Laminatlagen zumindest teilweise eingebettet sind, realisiert ist.CMC molding or CMC hybrid molding after Claim 1 or 2 , wherein the material-locking composite by means of a common matrix, the glass ceramic components comprises, in which the two transverse laminate layers are at least partially embedded realized. CMC-Formkörper oder CMC-Hybrid-Formkörper nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der materialschlüssige Verbund mittels einer gemeinsamen Matrix mit Glaskeramik-Bestandteilen, in der die beiden quer zueinander stehenden Laminatlagen zumindest teilweise, an ihren Kontaktflächen, eingebettet sind, realisiert ist.CMC molding or CMC hybrid molding according to one of the preceding claims, wherein the material-locking composite by means of a common matrix with glass ceramic components in which the two transverse laminate layers are at least partially, at their contact surfaces, embedded realized. CMC-Formkörper oder CMC-Hybrid-Formkörper nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Verbund mittels eines entsprechenden Einbrands, der die beiden quer zueinander stehenden Laminatlagen zumindest teilweise an den Kontaktflächen verbindet, realisiert ist.CMC molding or CMC hybrid molding according to any one of the preceding claims, wherein the composite is realized by means of a corresponding penetration, which connects the two transverse laminate layers at least partially on the contact surfaces. CMC-Formkörper oder CMC-Hybrid-Formkörper nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zumindest zwei quer zueinander stehenden Laminatlagen des Verbunds ungefähr einen rechten Winkel bilden.A CMC molding or hybrid CMC molding according to any one of the preceding claims, wherein the at least two transverse laminate layers of the composite form approximately a right angle. CMC-Formkörper oder CMC-Hybrid-Formkörper nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Verbund auch formschlüssig ist.CMC molding or CMC hybrid molding according to any one of the preceding claims, wherein the composite is also form-fitting. Verfahren zur Herstellung eines CMC-Formkörpers oder eines CMC-Hybrid-Formkörpers, wobei in einem ersten Verfahrensschritt zwei CMC-Teile, ein erster CMC-Teil im Wrap-Aufbaukonzept und ein zweiter CMC-Teil im Stack-Aufbaukonzept hergestellt werden, die dann in einem nachfolgenden Verfahrensschritt miteinander zur Ausbildung eines materialschlüssigen Verbunds kombiniert werden.A process for producing a CMC molding or a CMC hybrid molding, wherein in a first process step, two CMC parts, a first CMC part in the wrap design concept and a second CMC part in the stack design concept are produced, which then in a subsequent process step are combined with each other to form a material-bonded composite. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Kombination der beiden CMC-Teile einen form- und materialschlüssigen Verbund ergibt.Method according to Claim 8 , wherein the combination of the two CMC parts results in a positive and material-locking composite. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei zumindest zwei innere und erste CMC-Teile im Wrap-Aufbaukonzept mit einemaußenliegenden, zweiten CMC-Teil im Stack-Aufbaukonzept kombiniert werden. Method according to one of Claims 8 or 9 wherein at least two inner and first CMC parts in the wrap design concept are combined with an outboard second CMC part in the stack design concept. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei zumindest ein Teil einer Kontaktfläche zwischen zwei CMC-Teilen, die einen Verbund nach einem der Ansprüche 1 bis 7 bilden, in eine hochtemperaturbeständige keramische Matrix eingebettet wird.Method according to one of Claims 8 to 10 wherein at least part of a contact surface between two CMC parts forming a composite according to one of the Claims 1 to 7 embedded in a high temperature resistant ceramic matrix. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei zumindest ein Teil einer Kontaktfläche zwischen zwei CMC-Teilen, die einen Verbund nach einem der Ansprüche 1 bis 7 bilden, in eine Glas-keramische Matrix eingebettet wird.Method according to one of Claims 8 to 11 wherein at least part of a contact surface between two CMC parts forming a composite according to one of the Claims 1 to 7 form, embedded in a glass-ceramic matrix. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei zumindest ein Teil einer Kontaktfläche zwischen zwei CMC-Teilen, die einen Verbund nach einem der Ansprüche 1 bis 7 bilden, mit einem Einbrand versehen wird.Method according to one of Claims 8 to 10 wherein at least part of a contact surface between two CMC parts forming a composite according to one of the Claims 1 to 7 form, is provided with a burn-in. Turbinenkomponente, die einen CMC-Formkörper oder einen CMC-Hybrid-Formkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 7 umfasst.Turbine component comprising a CMC molding or a CMC hybrid molding according to any one of Claims 1 to 7 includes. Komponente eines Abgasstrangs, die einen CMC-Formkörper oder einen CMC-Hybrid-Formkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 7 umfasst.Component of an exhaust line comprising a CMC molding or a CMC hybrid molding according to any one of Claims 1 to 7 includes.
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