DE102018204580A1

DE102018204580A1 - Formteil aus oxidischer Faserverbundkeramik, sowie Verfahren zur Herstellung eines Formteils und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens dazu

Info

Publication number: DE102018204580A1
Application number: DE102018204580.1A
Authority: DE
Inventors: Benno Härdl; Jens-Oliver Müller; Gia Khanh Pham; Johannes Schildhauer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2018-03-26
Filing date: 2018-03-26
Publication date: 2019-09-26
Also published as: WO2019185246A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Formteil aus oxidischer Faserverbundkeramik, im Folgenden auch „CMC-Formteil“ genannt, wie es beispielsweise in einer Turbinenkomponente, einem Brenner und/oder in einem Abgasstrang einsetzbar ist, insbesondere eines, bei dem kritische Bereiche des Formteils verstärkt sind, die während des Betriebs besonders belastet und/oder aufgrund ihrer Geometrie besonders empfindlich sind, sowie ein Verfahren zur Herstellung derartig verstärkter Bauteile. Durch die vorliegend beschriebene Erfindung wird ein technisches Konzept beschrieben, durch das beispielsweise Turbinenkomponenten oder andere CMC-Formkörper, insbesondere solche mit Bereichen, die einen spitzen Winkel formen und/oder Bereichen, die einen geringen Krümmungsradius aufweisen, mit verbesserter Qualität, insbesondere mit höheren Strukturstabilitäten der kritischen und besonders Schädigungsanfälligen Stellen herstellbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Formteil aus oxidischer Faserverbundkeramik, im Folgenden auch „CMC-Formteil“ genannt, wie es beispielsweise in einer Turbinenkomponente, einem Brenner und/oder in einem Abgasstrang einsetzbar ist, insbesondere eines, bei dem kritische Bereiche des Formteils verstärkt sind, die während des Betriebs besonders belastet und/oder aufgrund ihrer Geometrie besonders empfindlich sind, sowie ein Verfahren zur Herstellung derartig verstärkter Bauteile.
Oxidische Faserverbundkeramiken (CMCs) zeigen sehr gute thermo-mechanische Eigenschaften bei hohen Temperaturen, u.a. hohe Schadenstoleranz, hohe mechanische Festigkeit bei Temperaturen bis 1200 °C, gutes Thermoschockverhalten und ausgezeichnete Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit. Oxidische CMCs werden beispielsweise in Heißgaskomponenten für Gasturbinenanwendung, wie Leitschaufel, so genannte „Vane“, Laufschaufel so genannte „Blade“ und Ring Segmente, so genannte „RS“ eingesetzt. Oxidische CMCs bestehen in der Regel aus einem oxidkeramischen Fasergewebe, beispielsweise aus Aluminiumoxid- und/oder aus Mullit-Fasern und einer oxidkeramischen Matrix, beispielsweise auf Basis von Aluminiumoxid, insbesondere alpha-Aluminiumoxid, Mullit 3Al₂0₃ *2Si0₂ , Zirkoniumoxid, insbesondere Yttrium stabilisiert, auch als „YSZ“ oder „3-8YSZ“ bezeichnet, „YAG“ einem Yttrium-Aluminium-Granat - Y₃A1₅0₁₂ - und/oder beliebigen Mischungen davon. Die Matrix wird üblicherweise mittels Schlickertechnologie ins Fasergewebe infiltriert.
Beispielsweise umfasst eine Gasturbinenschaufel, z.B. Leitschaufel einen Flügel, den „Airfoil“ und zwei Fußplatten, die „Shrouds“. Vorteilhafterweise werden Airfoil und die beiden Shrouds getrennt voneinander hergestellt und bei der Endmontage zu einer Leitschaufel zusammengebaut. Dies entspricht dem „modularen Aufbaukonzept“. Andernfalls können Airfoil und Shrouds auch zusammen in-situ in einem Aufbauprozess gefertigt werden, das entspricht dann der Alternative, dem „integralen Aufbaukonzept“.
Airfoils aus oxidischem CMC Material sind bei Gasturbinenanwendungen unter extremen Bedingungen, wie hoher Temperatur- und Gasdruckbelastung, gegen Schädigungen in Form von Rissen und Delaminationen in den kritischen besonders belasteten Bereichen wie Flügel-Hinterkante, dem so genannten „Trailing edge“, - TE -, Flügel-Vorderflanke, dem so genannten „Leading edge“, - LE- und/oder der Trennrippe, das ist beispielsweise die Rippe, die es bei Airfoils mit mehr als zwei Innenkammern gibt, der so genannten „Rib“ empfindlich.
Insbesondere dort können Schädigungen auftreten, die unter Umständen zu einem Versagen der Bauteile bei einer Langzeitnutzung von mehreren zehntausend Betriebsstunden führen. Um dieses Versagen zu vermeiden, sollten Gasturbinenschaufeln mit robuster Trailing edge, Leading edge und Ribs, entwickelt und hergestellt werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist deshalb, ein Formteil mit höherer Strukturstabilität, insbesondere an besonders belasteten Bereichen, Bereichen, die einen spitzen Winkel umschließen und/oder in Bereichen mit geringem Krümmungsradius, sowie ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung dazu zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch die vorliegende Erfindung, wie sie in der Beschreibung, den Figuren und den Ansprüchen offenbart wird, gelöst.
Dementsprechend ist Gegenstand der Erfindung ein CMC-Formteil, aufgebaut aus zumindest einem CMC-Laminatlagen-Stapel, der aus einer Anzahl von Prepreg-CMC-Lagen durch Lay-up, Laminieren, Verdichten, Trocknen und Sintern herstellbar ist, bei dem zumindest an einer besonders gefährdeten Stelle ein CMC-Laminatlagen-Stapel durch zumindest eine Fanglage, einen Filler mit zumindest einer stabilisierenden Umschlagslage umfassend, verstärkt ist. Außerdem ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines CMC-Formkörpers, bei dem in einem

- ersten Verfahrensschritt ein Prepreg-CMC-Laminatlagen-Stapel nach einem vorgegebenem Lay-up hergestellt wird,
- dann an zumindest einer besonders gefährdeten Stelle ein Filler aufgebracht wird und
- schließlich zumindest zum Teil um den Filler herum eine Fanglage aus einer Prepreg-CMC-Lage zur Stabilisierung des Fillers während der Trocknung aufgebracht wird
- der mit zumindest einer Fanglage versehene Grünkörper getrocknet und schließlich
- gesintert wird.

Schließlich ist noch Gegenstand der Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens unter Einsatz von aufblasbaren Polymeren beim Trocknen, Verdichten und/oder beim Sintern des Formkörpers.
Als „Fanglage“ wird vorliegend eine CMC-Lage bezeichnet, die nicht Teil eines Laminatlagen-Stapels ist, sondern die besonders gefährdeten Stellen eines CMC-Formteils, zusammenfasst, also zusammen „fängt“. Die Fanglage umschließt beispielsweise ähnlich einer Klammer einen CMC-Laminatlagen-Stapel an einer im CMC-Formkörper spitz zulaufenden Stelle. Die Fanglage umfasst den „Filler“ das ist eine Füllung, also eine stabilisierende Masse aus Faser und Schlicker, die eine besonders hohe Dichte an Fasern und/oder an mineralischem Pulver im Schlicker aufweist. Die Fanglage wird genau wie die Prepreg-CMC-Lagen in flexiblen, noch nicht getrockneten Zustand während des Lay-Ups und am Grünkörper angebracht.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Fanglage schließt diese materialschlüssig mit dem Grünkörper ab.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform schließt die Fanglage auch formschlüssig mit dem Grünkörper ab.
Als „besonders gefährdete Stelle eines CMC-Formteils“ wird vorliegend ein Punkt oder ein Bereich eines CMC-Formteils aus einem CMC-Laminatlagen-Stapel bezeichnet, an dem Rissbildung und/oder Rissfortsetzung ins Innere des Formteils und/oder Delamination infolge der Anordnung der CMC-Lagen beim Lay-up wahrscheinlicher ist als durchschnittlich in den anderen Bereichen. Beispielsweise genannt sei beim hier als eine mögliche Ausführungsform beispielhaft behandelten Airfoil einer Lauf- oder Leitschaufel, die seitlich die freiliegenden Kanten eines CMC-Laminat-Lagen-Stapels, insbesondere bei im Betrieb besonders belasteten Stellen wie im Ringsegment, bei gemäß der Außenkontur des CMC-Formteils spitz zulaufenden Winkeln und/oder in Bereichen mit geringem Krümmungsradius, wie der Flügel-Hinterkante, der Flügel-Vorderflanke, und/oder der Trennrippe eines Airfoils, wo Delamination und/oder Rissbildung, Rissfortsetzung, Rissumlenkung und/oder Rissverzweigung infolge einer mechanischen Belastung zu Schädigungen führen kann.
Als „Filler“ wird vorliegend ein Schlicker-Faser-Gemisch bezeichnet, das beispielsweise Prepreg-CMC-Anteile, Anteile an mit hochgefüllten Schlicker infiltrierten und/oder imprägnierten Fasern, Fasergeweben, Faserbündeln hat. Der Filler füllt an besonders gefährdeten Stellen im Prepreg-CMC-Formteil, also dem Grünkörper, die gegenüber Delamination besonders gefährdeten Stellen mit Material auf und ermöglicht damit eine verbesserte Stabilität an diesen Stellen. Insbesondere hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Filler gegenüber dem Prepreg eine höhere Dichte hat.
Die gesteigerte Dichte des Fillers wird beispielsweise durch eine höhere Dichte an Fasern, insbesondere unidirektionalen Fasern, Faserbündeln und/oder Prepregs erreicht.
Ergänzend oder alternativ dazu kann die höhere Dichte des Fillers auch durch einen höheren Füllgrad an mineralischem Pulver im Schlicker mit dem die Fasern imprägniert und/oder infiltriert sind, erreicht werden.
Als „Prepreg-CMC-Laminatlagenstapel“ wird vorliegend ein keramischer CMC-Lagenstapel, selbsttragend oder auf einer Stützstruktur oder zum Teil auf einer Stützstruktur liegend, bezeichnet, der einzelne Lagen von mit keramischem Schlicker imprägnierten und/oder infiltrierten keramischen Verstärkungsfasern nach einem vorgegebenen Lay-UP gestapelt umfasst. Dieser Stapel kann verdichtet oder unverdichtet einfach als Stapelung der Einzellagen vorliegen. Der Prepreg-CMC-Laminatlagenstapel wird zur weiteren Verarbeitung und Herstellung des CMC-Formteils zumindest getrocknet, bevorzugt aber verdichtet und getrocknet.
Zur Herstellung eines CMC-Formteils wird zunächst das vorinfiltrierte und/oder vor-imprägnierte Fasergewebe aus keramischen Fasern, das als Prepreg bezeichnet wird, gemäß dem Lay-up aufeinander gelegt. Durch einen Sinterprozess entsteht das CMC Formteil mit einer porösen Matrix, eingebettet im Faserverbund. Das Fasergewebe hat dabei bevorzugt keine spezielle Oberflächenbeschichtung, um einen gezielten Abbau der Spannungen im Fall einer thermo-mechanischen Belastung durch Rissumlenkung und -Verzweigung, gemäß dem so genannten Weak-Matrix-Konzept für oxidische CMCs, zu gewährleisten.
Es wird bei der Herstellung von CMC-Formteilen, wie insbesondere CMC-Lauf- oder Leitschaufeln, vorzugsweise Hardtooling oder Presswerkzeug aus Metallen wie Aluminium, Stahl oder anderen Legierungen verwendet. Für die Airfoil-Herstellung besteht das Hardtooling aus einem Außentooling und einem entformbaren Innenkern oder Innentooling. Airfoils werden aus Prepreg-Zuschnitten, so genannten „Plys“ gemäß einem „Ply-Book“, das wie ein Schnittmuster eingesetzt wird, in einem Lay-up Prozess schichtweise laminiert und gestapelt. Diese Herstellungsweise nennt man beispielsweise auch „Stack-Konzept“. Nachteilig daran ist, dass wegen des starren Innentoolings beim Trocknen und/oder beim Sintern kein entsprechender Druck zur Verdichtung auf den CMC-Grünkörper ausgeübt werden kann, weil dieser schrumpft.
Nach dem Lay-up Prozess der noch flexiblen Prepreg-CMC-Lagen wird der Rohling, zusammen mit dem Hardtooling, in einem Autoklav bei mittleren Temperaturen und hohen Gasdrücken getrocknet und kompaktiert, also verdichtet. Anschließend wird das Bauteil entformt und in einem Hochtemperaturofen zum CMC-Formteil gesintert. Durch die Verwendung von Hardtooling können Bauteile mit guter Geometriekontur, Wanddicke und Oberflächenqualität hergestellt werden.
Allerdings ist die Verdichtung und/oder Kompaktierung im Autoklav, bedingt durch die Verwendung von Hardtooling als Außen- und Innenwerkzeug, limitiert, was zu einem geringeren Faservolumenanteil im CMC Gefüge, verbunden mit einer geringeren Zugfestigkeit, führt. Darüber hinaus kommt es bei der herkömmlichen Verarbeitung mit Hardtooling zu einer ungleichmäßigen Verdichtung in dem Bauteil, da z.B. kein Gasdruck von innen auf die Innenwand der Airfoil aufgebaut werden kann.
Insbesondere zur Herstellung der Bereiche eines CMC-Formteils, die spitze Winkel und/oder einen geringen Krümmungsradius haben, werden in dem so genannten Drop-off Prinzip Enden auf- und/oder aneinander laminiert, wie in 1 gezeigt.
1 zeigt den Aufbau von Laminatlagen im Drop-off Prinzip, zu erkennen sind die einzelnen Prepreg-CMC-Lagen 1a bis 1f. Die einzelnen Prepreg-CMC-Lagen 1a bis 1f werden mit den Enden aufeinandergelegt. Die Anordnung der Prepreg-CMC-Lagen 1a bis 1f bildet so eine spitzen Winkel, der nach erfolgter Trocknung und Sinterung im CMC-Formteil die Flügelkante oder den Trailing edge, TE einer Leit- oder Laufschaufel bildet.
Gemäß dem in der 1 gezeigten Prinzip, das den Stand der Technik wiedergibt, können zwar CMC-Formteile mit spitz zulaufenden Kanten und/oder CMC-Formteile mit geringem Krümmungsradius hergestellt werden, allerdings ist auch zu erkennen, dass in dem Bereich 2, in dem die Prepreg-CMC-Lagen des Grünkörpers aufeinandertreffen und der im fertigen CMC-Formteil das spitze Ende bildet, eine Delamination verheerende Folgen hat, weil die ersten Kanten 1a mit 1f zwar noch gut aufeinanderliegen, aber die weiter innen liegenden Kanten der CMC-Lagen 1b mit 1e und/oder erst 1c mit 1d bereits große Angriffsflächen für eine Delamination bilden. Insbesondere durch die Lage der Fasern im CMC kann hier das CMC-Formteil förmlich aufgerissen werden.
Um dieses Aufreißen zu verhindern wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, den Bereich 2 mit zumindest einer Fanglage 3, wie in 2 gezeigt, zu umschließen.
2 zeigt die gleiche Ansicht wie 1, zusätzlich ist aber zu erkennen, wie im Bereich 2 eine Verstärkung durch zumindest eine Fanglage 3 vorgesehen ist. Die Fanglage 3 umfasst eine Füllung, auch „Filler“ genannt und ein umwickelndes Schutzgewebe.
Zur Herstellung des Fillers werden vorinfiltrierte unidirektionale so genannte „UD“ Fasern, Faserbündel, Fasergewebe und/oder Prepregs-CMC-Bänder oder Prepreg-CMC-Lagen eingesetzt. Der Filler hat eine hohe Packungsdichte von Fasern und wird unter Umständen durch Vorpressen hergestellt. Der Filler wird auf den Bereich 2 aufgebracht und durch eine oder mehrere Prepreg-CMC-Lagen mechanisch und strukturell stabilisiert. Die Fanglage 3 liegt um die Prepreg-CMC-Laminatlagen 1a bis 1f im Bereich 2 materialschlüssig an.
Durch das Anbringen einer oder mehrerer Fanglagen 3 an den besonders gefährdeten Stellen des CMC-Formteils und/oder an belasteten Bereichen und/oder den Bereichen mit spitzen Winkeln und/oder den Bereichen mit geringem Krümmungsradius lassen sich strukturelle Verbesserungen, insbesondere bezüglich der Stabilität gegenüber Delamination, von mit dieser Technologie gefertigten CMC-Formteilen erzielen. Die Ausbreitung von Rissen wird insbesondere durch das Einbringen des Fillers zwischen die Fanglage und den CMC-Laminatlagenstapel nahezu vollständig verhindert.
Insbesondere wird durch das Anbringen der zumindest einen Fanglage erreicht, dass kritische Stellen eines CMC-Formteils robuster werden und vor allem, dass die Ausbreitung von Rissen gestoppt wird. Die Qualität eines CMC-Formteils kann dadurch enorm gesteigert werden.
Zur Herstellung des CMC-Formteils mit zumindest einer Fanglage wird beispielsweise ein innen offenes Hardtooling eingesetzt, bei dem ein metallisches Werkzeug, beispielsweise aus Aluminium von außen dem Prepreg-CMC-Laminatlagenstapel mit Fanglage die äußere Form vorgibt, aber von innen her der Gegendruck nicht - wie es Stand der Technik ist - über ein starres Innentooling kommt, sondern der Gegendruck über ein aufblasbare Polymere erzeugt wird. So wird entsprechend dem Schwund des Prepreg-CMC-Laminatlagenstapels während der Trocknung durch die Anpassung des aufblasbaren Polymers von innen her ausreichend hoher Druck für eine Verdichtung des Prepreg-CMC-Laminatlagenstapels mit Fanglage entgegengesetzt.
Der Einsatz eines flexiblen Innentoolings wie beispielsweise einem aufblasbaren Polymer kann am fertigen CMC-Formteil einfach durch Betrachtung der mit dem Polymer getrockneten Oberfläche erfolgen. Typischerweise wird diese durch das Polymer wellig und rau, zumindest welliger und rauer als die Oberfläche, die durch metallisches Tooling erzeugbar ist. Dieser Nachweis ist für den Fachmann einfach nachzuvollziehen.
Der Filler ist grundsätzlich von der Fanglage umgeben, kann aber auch in anderen Bereichen des Grünkörpers gewinnbringend eingesetzt werden, ohne dass er noch von einer Fanglage umgeben ist.
Insbesondere die Verdichtung des Fillers in der Fanglage ist essentiell für die Stabilisierung des CMC-Formteils an den besonders belasteten oder besonders kritischen Stellen.
Es wird vorteilhafterweise vorgeschlagen, als Filler einen bereits vorgepressten Filler einzusetzen, bei dem die hohe Faserdichte im Filler durch Vorpressen mit einem Schlicker, der ebenfalls eine hohe Dichte an mineralischem Pulver aufweist, noch gesteigert wird.
Beispielsweise kann dazu ein spezielles Presswerkzeug eingesetzt werden, damit der Filler besser verpresst wird. Das Werkzeug dient dazu, dass insbesondere unidirektionale infiltrierte Fasern, Faserbündel und/oder Prepregs mit Schlicker, vorzugsweise wasserbasiertem Schlicker, vorgepresst werden, damit ein Filler mit einer hohen Dichte resultiert.
Nach einer besonders vorteilhaften Ausführung wird dabei ein Schlicker eingesetzt, der einen Pulveranteil von über 40 Vol%, insbesondere von über 43 Vol% und besonders bevorzugt von über 45 Vol% im Wasser-basierten und/oder Lösungsmittelhaltigen Schlicker hat.
Durch die vorliegend beschriebene Erfindung wird ein technisches Konzept beschrieben, durch das beispielsweise Turbinenkomponenten oder andere CMC-Formkörper, insbesondere solche mit Bereichen, die einen spitzen Winkel formen und/oder Bereichen, die einen geringen Krümmungsradius aufweisen, mit verbesserter Qualität, insbesondere mit höheren Strukturstabilitäten der kritischen und besonders Schädigungsanfälligen Stellen herstellbar sind.

Claims

CMC-Formteil, aufgebaut aus zumindest einem CMC-Laminatlagen-Stapel, der aus einer Anzahl von Prepreg-CMC-Lagen durch Lay-up, Laminieren, Verdichten, Trocknen und Sintern herstellbar ist, bei dem zumindest an einer besonders gefährdeten Stelle ein CMC-Laminatlagen-Stapel durch zumindest eine Fanglage, einen Filler mit zumindest der stabilisierenden Fanglage umfassend, verstärkt ist.
CMC-Formteil nach Anspruch 1, wobei der Filler unidirektionale Fasern umfasst.
CMC-Formteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Filler Bündel von unidirektionalen Fasern umfasst.
CMC-Formteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Filler einen hochgefüllten mit mehr als 40 Vol% an mineralischem Pulver gefüllten Schlicker umfasst.
CMC-Formteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, das mehrere Fanglagen an einer besonders gefährdeten Stelle umfasst.
CMC-Formteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die zumindest eine Fanglage materialschlüssig an zumindest einer besonders gefährdeten Stelle anliegt.
CMC-Formteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die zumindest eine Fanglage formschlüssig an zumindest einer besonders gefährdeten Stelle anliegt.
CMC-Formteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem ein an zumindest einer besonders gefährdeten Stelle angebrachter Filler vollumfänglich von der Fanglage umgeben ist.
CMC-Formteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem ein an zumindest einer besonders gefährdeten Stelle angebrachter Filler zum Teil durch eine stabilisierende Fanglage umgeben ist.
Verfahren zur Herstellung eines CMC-Formkörpers, bei dem in einem - ersten Verfahrensschritt ein Prepreg-CMC-Laminatlagen-Stapel nach einem vorgegebenem Lay-up hergestellt wird, - dann an zumindest einer besonders gefährdeten Stelle ein Filler aufgebracht wird und - schließlich zumindest zum Teil um den Filler herum zumindest eine Fanglage aus einer Prepreg-CMC-Lage zur Stabilisierung des Fillers aufgebracht wird - der mit zumindest einer Fanglage versehene Grünkörper getrocknet und schließlich gesintert wird.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der Filler vor Aufbringung am Prepreg-CMC-Laminatlagenstapel verdichtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei der während der Trocknung auch verdichtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei während des Trocknens, Verdichtens und/oder Sinterns eine Außenkontur des CMC-Formteils durch ein aufblasbares Polymer verdichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Prepreg-CMC-Laminatlagenstapel von innen durch ein aufblasbares Polymer und von außen durch ein Hardtooling getrocknet, verdichtet und/oder gesintert wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 13 bis 14.