DE102018214667A1

DE102018214667A1 - CMC-Formkörper mit Schutzschicht

Info

Publication number: DE102018214667A1
Application number: DE102018214667.5A
Authority: DE
Inventors: Stefan Lampenscherf; Niels Van der Laag
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2018-08-29
Filing date: 2018-08-29
Publication date: 2020-03-05

Abstract

Die Erfindung betrifft einen CMC-Formkörper oder einen CMC-Hybrid-Formkörper, insbesondere einen aus keramischem Verbundmaterial einem so genannten Ceramic Matrix Composite, „CMC“. Diese CMC-Formkörper gibt es grundsätzlich in zwei Varianten, einer Siliziumcarbid-basierter Variante und einer oxidischen Variante, die hier kurz als CMC-Ox-Ox-Formkörper bezeichnet wird. Dieser Formkörper hat eine verbesserte Schutzschicht, die mittels physikalischer Gasphasenabscheidung herstellbar ist. Durch die hier erstmals vorgeschlagene PVD-Beschichtung einer CMC-Oberfläche wird die Bildung einer langzeitbeständigen und effektiven Schutzschicht auf konventionell gefertigten CMC-Formkörpern ermöglicht.

Description

Die Erfindung betrifft einen CMC-Formkörper oder einen CMC-Hybrid-Formkörper, insbesondere einen aus keramischem Verbundmaterial einem so genannten Ceramic Matrix Composite, „CMC“. Diese CMC-Formkörper gibt es grundsätzlich in zwei Varianten, einer Siliziumcarbid-basierter Variante und einer oxidischen Variante, die hier kurz als CMC-Ox-Ox-Formkörper bezeichnet wird. Dieser Formkörper hat eine verbesserte Schutzschicht.
Diese CMC-Formkörper werden bevorzugt bei Heißgasanwendungen, also in Turbinen, beispielsweise auch Dampf- und/oder Gasturbinen, in einem Abgasstrang, oder in sonstigen Anwendungen, bevorzugt mit thermischer Schutzschicht, eingesetzt.
Bekannt sind aus der DE 10 2018201555.4 und aus der DE 10 2017222489.4 (beide noch unveröffentlicht) derartige CMC-Formkörper. Die CMC-Materialien umfassen dabei ein Gewebe und/oder Fasern aus Keramik, die mit keramischem Schlicker verbunden sind und damit nach erfolgter Temperung, Trocknung und Sinterung keramische Fasern und/oder Gewebe in einer keramischen Matrix vorliegen haben. Dieses Material wird hier kurz „CMC“ genannt.
Bevorzugt werden die CMCs aus oxidisch basierten oder Silizium-Carbid-basierten Keramiken aufgebaut. Diese Materialien werden dann zur Fertigstellung des gebrauchsfertigen CMC-Formkörpers noch bevorzugt mit Schutzschichten, beispielsweise mit einer thermischen Schutzschicht TBC überzogen. Dies ist auch bei den herkömmlichen metallbasierten Formkörpern für diese Heißgasanwendungen Stand der Technik.
Beispielsweise wird eine TBC auf einer CMC Oberfläche über ein Sprühverfahren, beispielsweise als Atmospheric Plasma Spraying eine so genannte „APS“ -Beschichtung, aufgebracht.
Damit die aufgesprühte und/oder über Plasma hergestellte Beschichtung jedoch gut haftet, wird vorzugsweise die an sich sehr glatte Oberfläche des CMCs oder CMC-Hybridmaterials noch vorbereitet, beispielsweise aufgeraut. Dabei kommen auch mechanisch anspruchsvolle Aufrauhungsmethoden, wie beispielsweise Sandstrahlen oder Laserbestrahlung zum Einsatz. Diese jedoch können auch Schäden der CMC-Oberfläche hervorrufen, die sich dann beispielsweise in Rissbildung mit den entsprechenden materiellen Nachteilen bei der Heißgasanwendung äußern. Daher wird nach dem Stand der Technik eine CMC-Oberfläche nur wenig bis ungenügend vor dem Aufbringen einer thermisch belastbaren Beschichtung aufgeraut, so dass die Haftung der Beschichtung oft nicht ausreichend ist. Die Verklammerung der thermischen gespritzten Schichten mit dem verwendeten Fasergewebe ist dabei immer noch ungenügend.
Es sind verschiedene Ansätze bekannt, wie die Haftung der Beschichtungen auf den CMCs optimiert wird ohne die CMC-Oberfläche zu stark durch Aufrauen zu beschädigen. Aus der DE 102017210819 ist ein Formkörper bekannt, bei dem in zumindest einer Oberflächen-nahen Lage eines CMC-Laminats ein oder mehrere Bruchfestigkeits-Additive wie beispielsweise Partikel aus Zirkoniumdioxid -ZrO₂ -, Siliziumdioxid - SiO₂-, Ceriumoxid, Hafniumoxid, Mullit, Magnesiumdioxid - MgO₂ -, Yttrium- Aluminium-Granat -YAG - und/oder Yttriumoxid Y₂O₃, allein oder in beliebigen Mischungen, eingearbeitet sind, damit die Stabilität der CMC-Oberfläche verbessert ist.
Nachteilig daran kann unter Umständen eine gewisse Versprödung der dadurch auch möglicherweise dickeren CMC-Oberfläche sein. Durch die Versprödung kann es unter Heißgas-Betriebsbedingungen zu Rissen und Abplatzungen kommen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen CMC-Formkörper oder einen CMC-Hybrid-Formkörper mit zumindest einer Oberflächen-Beschichtung zu schaffen, wobei die Haftung der Oberflächen-Beschichtung gegenüber den bekannten Verfahren verbessert ist.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der Erfindung, wie er in der Beschreibung und in den Ansprüchen offenbart ist, gelöst.
Dementsprechend ist Lösung der Aufgabe und Gegenstand der Erfindung ein CMC-Formkörper oder ein CMC-Hybrid-Formkörper für Heißgasanwendungen, zumindest eine Schutzschicht ganz oder teilweise auf der Oberfläche aufweisend, wobei diese Schutzschicht über physikalische Gasphasenabscheidung erhältlich ist.
Allgemeine Erkenntnis der Erfindung ist, dass sich eine gut geeignete thermische Schutzschicht, beispielsweise aus Yttrium stabilisiertem Zirkonoxid, „YSZ“, sehr gut über ein physikalisches Abscheideverfahren aufbringen lässt und dies insbesondere auch auf einer sehr glatten Oberfläche. Die Glätte oder anders ausgedrückt, die geringe Rauigkeit der CMC-Formkörperoberfläche ist für alle anderen Aufbringungsmethoden zur Herstellung einer Schutzschicht nachteilig und die Aufrauhung der CMC-Formkörper-Oberfläche ist wiederum nachteilig für die im CMC enthaltenen keramischen Fasern. Hinzu kommt, dass sich über das PVD Verfahren etliche Materialien als Schutzschichten aufbringen lassen, die vom Material her, thermisch, chemisch und/oder physikalisch sehr gut an der CMC-Oberfläche haften. Beispielsweise kann hier das YSZ angeführt werden, dass thermisch, erosiv und korrosiv eine extrem stabile Schutzschicht auch in dünnen Schichtdicken von unter einem Millimeter bildet. Es haftet darüber hinaus ganz hervorragend auf einer Aluminium-Oxid-Oberfläche oder einer Aluminium-Oxid-Mullit-Oberfläche und ist mit dieser thermisch, mechanisch und chemisch äußerst gut kompatibel.
Als „CMC“-Formkörper wird ein Körper bezeichnet, der ganz oder teilweise aus keramischem Matrixkomposit-Material, international auch Ceramic Matrix Composite, kurz CMC, genannt, ist. Dieses Material umfasst regelmäßig Verstärkungsfasern in einer keramischen Matrix. Das Material wird bevorzugt in Form von CMC-Prepreg-Lagen, die Fasern in getrocknetem Schlicker umfassen, verarbeitet und dann gesintert.
In der Kombination mit Legierungen, insbesondere der genannten Superlegierungen, oder auch anderen Metallen spricht man dann von einem CMC-Hybrid-Formkörper aus Hybridmaterial, der CMC-Teilelemente und Metall-Teilelemente in einem Verbund umfasst.
In der Regel umfasst ein CMC-Formkörper Lagen, die ihrerseits Fasern, auch in Form eines Faserverbunds, eines Gewebes und/oder eines dreidimensionalen Verbunds aus - keramischen - Fasern, die in eine - keramische - Matrix eingebettet sind, umfassen. Zur Herstellung des CMC-Formkörpers werden bevorzugt CMC-Prepreg-Lagen aneinander laminiert und nachfolgend zum keramischen CMC-Formkörper gesintert.
Die Schutzschicht wird auf den fertig gesinterten CMC-Formkörper oder CMC-Hybrid-Formkörper aufgebracht.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Schutzschicht eine keramische Schutzschicht.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Oberfläche des CMC-Formkörpers oder CMC-Hybrid-Formkörpers vor der Sinterung und der nachfolgenden Gasphasen-Abscheidung, auch „PVD“, physical vapor deposition genannt, verdichtet. Die physikalische Abscheidung der Schutzschicht auf der dichteren Oberfläche ist gegenüber der nicht verdichteten Oberfläche erleichert. Dies erfolgt gemäß den bekannten Methoden nach dem Stand der Technik.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Oberfläche des CMC-Formkörpers oder CMC-Hybrid-Formkörpers vor der Sinterung und der nachfolgenden Gasphasen-Abscheidung mechanisch verstärkt, beispielsweise durch Zugabe von glaskeramischen Bestandteilen und /oder „YSZ“ so genanntes „yttria stabilised zirconia“, Yttrium stabilisiertes Zirkonium-Oxid zum Schlicker bereits vor der Trocknung und Temperung also auch vor der Sinterung.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Keramik, die die Schutzschicht bildet, YSZ.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Keramik, die die Schutzschicht bildet, YSZ in Kombination mit weiteren Metalloxiden zur Stabilisierung des Zirkoniumoxids.
Dabei kann das Zirkoniumoxid beispielsweise mit Calciumoxid, Magnesiumoxid, Ceriumoxid, Aluminiumoxid allein oder in beliebigen Mischungen stabilisiert oder zum Teil stabilisiert vorliegen.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform liegt das Ytrrium stabilisierte Zirkonium-Oxid als so genanntes 8YSZ vor, also ein mit 8 Mol% Yttriumoxid stabilisiertes Zirkoniumoxid. Es können aber auch als Zirkonoxid mit davon abweichender insbesondere mit 8 bis 9 Mol% stabilisiertem Yttriumoxid vorliegen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird die Oberfläche des fertig gesinterten CMC-Formkörpers oder CMC-Hybrid-Formkörpers geglättet, beispielsweise mechanisch geglättet.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung liegt die Schutzschicht, die mittels physikalischer Gasphasenabscheidung aufgetragen wurde, in Mirkometerdicke vor, beispielsweise im Bereich von 1 bis 500µm, insbesondere von 10 bis 300µm und besonders bevorzugt im Bereich von 50 bis 250 µm .
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Schutzschicht eine thermische Schutzschicht, auch thermal barrier coating, TBC, genannt.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Schutzschicht eine Schutzschicht gegen Umwelteinflüsse, wobei diese Umwelteinflüsse sich zumindest auch auf das Umfeld während des Betriebs beziehen, auch environmental barrier coating genannt.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der CMC-Formkörper oder der CMC-Teil des CMC-Hybrid-Formkörpers aus einem oxidisch basierten CMC-Material, ein so genannter „Ox-Ox-CMC-Formkörper“, der beispielsweise aus Aluminiumoxid-Fasern oder entsprechenden Aluminium-Oxid-Faserverbunden mit einer Aluminiumoxid- und/oder einer Aluminiumoxid-Mullit-Matrix.
Grundsätzlich kann aber auch die Siliziumcarbid-basierte „SiC“-basierte CMC-Variante vorliegen, dann liegen entsprechende Siliziumcarbid-Fasern vor, die dann in einen Siliziumcarbid-Schlicker, der zur Matrix ausgebrannt wird, eingebettet sind.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die über PVD aufgebrachte Schutzschicht durch eine oder mehrere weitere Schichten, die beispielsweise TBCs oder EBCs oder beides sein können, ergänzt.
Für die Aufbringung im PVD Verfahren eignet sich sowohl eine im WRAP, als auch eine im STACK-Aufbauprinzip erzeugte CMC-Formkörper oder CMC-Hybridformkörper-Oberfläche.
Durch die hier erstmals vorgeschlagene PVD-Beschichtung einer CMC-Oberfläche wird die Bildung einer langzeitbeständigen und effektiven Schutzschicht auf konventionell gefertigten CMC-Formkörpern ermöglicht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102018201555 [0003]
DE 102017222489 [0003]
DE 102017210819 [0007]

Claims

CMC-Formkörper oder ein CMC-Hybrid-Formkörper für Heißgasanwendungen, zumindest eine Schutzschicht ganz oder teilweise auf der Oberfläche aufweisend, wobei diese Schutzschicht über physikalische Gasphasenabscheidung- PVD - erhältlich ist.
CMC-Formkörper oder CMC-Hybrid-Formkörper nach Anspruch 1, bei dem die Schutzschicht eine Keramik ist.
CMC-Formkörper oder CMC-Hybrid-Formkörper nach Anspruch 2, wobei die Schutzschicht eine Keramik ist, die YSZ, mit Yttriumoxid stabilisiertes Zirkoniumoxid, umfasst.
CMC-Formkörper oder CMC-Hybrid-Formkörper nach Anspruch 3, wobei das YSZ mit weiteren Metalloxiden kombiniert vorliegt.
CMC-Formkörper oder CMC-Hybrid-Formkörper nach einem der vorstehenden Ansprüche 3 oder 4, bei dem das YSZ als 8YSZ vorliegt, also als eine Abmischung von ungefähr 8Mol% Yttriumoxid in Zirkoniumoxid.
CMC-Formkörper oder CMC-Hybrid-Formkörper nach einem der vorstehenden Ansprüche, dessen Oberfläche verdichtet ist.
CMC-Formkörper oder CMC-Hybrid-Formkörper nach einem der vorstehenden Ansprüche, dessen Oberfläche mechanisch verstärkt vorliegt.
CMC-Formkörper oder CMC-Hybrid-Formkörper nach Anspruch 4, dessen Oberfläche durch Einbau von YSZ mechanisch verstärkt ist.
CMC-Formkörper oder CMC-Hybrid-Formkörper nach einem der vorstehenden Ansprüche, dessen Oberfläche geglättet ist.
CMC-Formkörper oder CMC-Hybrid-Formkörper nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Dicke der Schutzschicht im Millimeterbereich liegt.
CMC-Formkörper oder CMC-Hybrid-Formkörper nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Schutzschicht durch ein oder mehrere weitere Schutzschichten ergänzt ist.
CMC-Formkörper oder CMC-Hybrid-Formkörper nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die Schutzschicht eine thermische Schutzschicht, eine TBC, ist.
CMC-Formkörper oder CMC-Hybrid-Formkörper nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Schutzschicht eine Schutzschicht gegen Umwelteinflüsse, eine EBC, ist.
CMC-Formkörper oder CMC-Hybrid-Formkörper, bei dem das CMC-Material ein oxidisch basiertes CMC-Material ist.
CMC-Formköper oder CMC-Hybrid-Formkörper, bei dem das CMC-Material ein Siliziumcarbid-basiertes CMC-Material ist.