DE102018217059A1

DE102018217059A1 - Multilayer-Keramik für den Einsatz in Gasturbinen

Info

Publication number: DE102018217059A1
Application number: DE102018217059.2A
Authority: DE
Inventors: Alexander Bezold; Benjamin Dermeik; Holger Grote; Marcus Gwenner; Ruth Hammerbacher; Friederike Lange; Hannes Lorenz; Andreas Roosen; Nahum Travitzky; Jochen Zwick; Stanley van Kempen
Original assignee: Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU; Siemens AG
Current assignee: Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU; Siemens AG
Priority date: 2018-10-05
Filing date: 2018-10-05
Publication date: 2020-04-09
Also published as: WO2020069811A1

Abstract

Es wird ein Bauteil für eine Brennkammer einer Gasturbine bereitgestellt, das eine Mehrlagenstruktur als keramischen Folien und/oder Papier aus präkeramischem Material aufweist, wobei der innere und äußere Aufbau des Bauteils an die Maße und Bedingungen in der Gasturbinenbrennkammer gezielt angepasst wird. Es wird weiterhin eine Gasturbinenbrennkammer mit dem Bauteil sowie ein Verfahren zum Herstellen des Bauteils bereitgestellt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauteil für eine Ringbrennkammer einer Gasturbine, das eine mehrlagige keramische Struktur aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen der mehrlagigen keramischen Struktur.
Eine Brennkammer ist ein Behälter, in dem durch Zufuhr eines Oxidators (Sauerstoffträger, meist Luft) und eines oder mehrerer Brennstoffe eine exotherme Reaktion stattfindet. Brennkammern werden beispielsweise in Gasturbinen verwendet. Eine Ringbrennkammer hat einen ringförmigen Brennraum, in dem ein oder mehrere Kraftstoffeinspritzventile angeordnet sind. Dabei unterliegen Brennkammern u.a. hohen thermischen Belastungen. Zum Kühlen der Brennkammerwand kann z.B. Luft verwendet werden, die durch kleine Löcher in der Brennkammerwand eintritt und so einen Kühlfilm bildet. Durch den Einsatz keramischer Hitzeschilde - beispielsweise in Silo- oder Ringbrennkammern, wobei keramische Hitzeschilde dem sogenannten „Hot Wall-Konzept“ entsprechen, kann der Kühlluft-Verbrauch gesenkt und die Effizienz der Gasturbinen erhöht werden. Gleichzeitig können Neuteilkosten bei keramischen Bauteilen gegenüber einer metallischen Variant meist erheblich reduziert werden. Zusätzlich führt eine um ca. 12% erhöhte Lebensdauer der keramischen Hitzeschilde im Vergleich zu den metallischen Bauteilen zu Kostenvorteilen im Service bzw. einer erhöhten Verfügbarkeit der Gasturbinen für den Betreiber.
Der Ersatz weiterer metallischer Bauteile in der Brennkammer durch keramische Bauteile wird zu einer weiteren Kühllufteinsparung und einer weiter erhöhten Lebensdauer der entsprechenden Komponenten führen. In derzeit eingesetzten Ringbrennkammern ist es besonders auf Grund des begrenzten Bauraums der verbleibenden metallischen Komponenten, z.B. von Einlaufschalenplatten, nicht möglich, diese durch monolithische Keramik-Standardbauteile zu ersetzen. Für den Ersatz durch keramische Bauteile kommen prinzipiell folgende metallische Komponenten der Gasturbine in Frage:

a. Einlaufschalenplatten
b. Brennereinsätze
c. Ringsegment
d. Baskets und Transitions im PCS Verbrennungssystem
e. Weitere Brennerkomponenten, beispielsweise Düsen oder andere metallische Komponenten mit begrenztem Bauraum.

Diese Aufgabe wird durch ein Bauteil mit den Merkmalen von Anspruch 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 16 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, den Figuren und den Ausführungsbeispielen. Die Ausführungsformen der Erfindung sind in vorteilhafter Weise miteinander kombinierbar.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Bauteil für eine Brennkammer einer Gasturbine, das eine einem Brennkammergehäuse der Brennkammer zugewandte Kaltgasseite, eine dem Heißgaspfad der Brennkammer zugewandten Heißgasseite und einen die Kaltgasseite und die Heißgasseite verbindenden Kern aufweist, wobei die Heißgasseite, die Kaltgasseite und der Kern des Bauteils jeweils mindestens eine ein keramisches Material umfassende Materiallage aufweisen.
Das Verwenden sogenannter „layered structures“ ermöglicht es vorteilhaft, keramische Bauteile mit anforderungsgerechten Eigenschaften der jeweiligen Position in der Brennkammer zu konzipieren und bereitzustellen. Solche „layered structures“ lassen sich als Mehrlagenstruktur bezeichnen. Diese Strukturen können über die sogenannte keramische Mehrlagentechnik, die auf gegossenen Folien und/oder präkeramischen Papieren basiert, hergestellt werden. Beide Verfahren für sich und auch deren Kombination sind völlig neu für den Einsatz in Gasturbinen. Die mittels keramischer Mehrlagentechnik hergestellten Bauteile zeichnen sich durch eine flexible Anordnung von Einzellagen aus (auch als Hybridlaminate bezeichnet). Weiterhin sind bei der Anordnung unterschiedliche Werkstoffe in einer Ebene möglich, z.B. durch den Einsatz von präkeramischen Papierstreifen. Die hergestellten Bauteile sind im Wesentlichen delaminations- und defektfrei. Die Brennkammern, für die das Bauteil vorgesehen ist, sind besonders Ringbrennkammern, Rohrbrennkammern (engl. can-type) oder Rohr-Ringbrennkammern.
Weiterhin können gezielt Bauteileigenschaften optimiert werden. Dies wird besonders durch schwache und/oder starke Grenzflächen ermöglicht, die eine gezielte Absorption der Rissenergie ermöglichen. Weiterhin können Bauteileigenschaften durch eine gezielte Einstellung der Mikrostruktur und durch eine gezielte Einstellung der Eigenspannungen optimiert werden. Zudem können in den erfindungsgemäßen Bauteilen bestimmte geometrische Anforderungen (Radien, Stufen u.ä.) realisiert werden.
Die Erfindung ist daher vorteilhaft, weil im Vergleich zu herkömmlichen Bauteilen von Ringbrennkammern weitere Kühlluft eingespart wird und die Bauteile günstiger in Bezug auf Herstellungs-, Service und Produktkosten sind. Weiterhin zeichnen sich die erfindungsgemäßen Bauteile durch eine höhere Maschinenverfügbarkeit und geringeren Ausschussrate als herkömmliche Bauteile aus.
Das erfindungsgemäße Bauteil besteht bevorzugt überwiegend, besonders bevorzugt vollständig aus keramischem Material. Dadurch lassen sich die oben beschriebenen, durch das keramische Material bewirkten Vorteile besonders effektiv erreichen. Vorzugsweise umfasst das Bauteil mindestens eine Materiallage aus einer oxidischen Keramik und/oder mindestens eine Materiallage aus einer nichtoxidischen Keramik.
Besonders bevorzugt wird das erfindungsgemäße Bauteil eingesetzt als Einlaufschalenplatten, Brennereinsätze, Liner, Ringsegmente und Düsen sowie Liner für Baskets und Transitions in CAN- Verbrennungssystemen (Rohrbrennkammern). Die besagten Bauteile sind im Vergleich zu herkömmlichen metallischen Bauteilen aus Metall resistenter gegen Korrosion und Erosion. Die Betriebstemperaturen der neuen keramischen Bauteile sind bis zu 1973 K hoch. Es ist zum Schutz vor Heißgaskorrosion besonders vorteilhaft, wenn die Einlaufschalenplatten dichte Aluminiumoxidschichten oder Yttrium-Aluminium Granat-Schichten (YAG-Schichten) an ihrer Bauteiloberfläche aufweisen.
Vorzugsweise weist bei dem erfindungsgemäßen Bauteil die mindestens eine Schicht der Heißgasseite andere Materialeigenschaften auf als die mindestens eine Schicht des Kerns. In den jeweiligen Bauteilbereichen werden dabei Materialien eingesetzt, die mit ihrem Eigenschaftsprofil den lokalen Anforderungen am besten gerecht werden, d.h. den entsprechenden thermischen, chemischen und/oder mechanischen Betriebslasten. Die Bauteiloberfläche in der Brennkammeratmosphäre ist besonders anspruchsvollen thermischen Belastungen ausgesetzt. Der Kern dient besonders der Wärmedämmung und/oder der Beständigkeit gegen Thermoschock, Kriechermüdung und Risswachstum. Die mindestens eine Schicht der Kaltgasseite dient beispielsweise der Wärmedämmung und/oder optimiert die Fügestelle zur Wand der Brennkammer.
Dabei wird für die mindestens eine Schicht der Heißgasseite vorteilhafterweise erosions- und korrosionsbeständiges Material verwendet. Deshalb ist es besonders bevorzugt, wenn das Material der Heißgasseite kein Silizium aufweist, also aus einem Silizium-freien keramischen Werkstoff bereitgestellt wird. Weiterhin ist es besonders bevorzugt, wenn das Material der mindestens einen Schicht der Heißgasseite Al₂O₃ oder YAG aufweist.
Weiterhin können mithilfe der Mehrlagentechnologie vorteilhaft thermische Ausdehnungsgradienten in Mehrschichtstrukturen erzeugt werden. Die Integration eines thermischen Ausdehnungsgradienten verringert vorteilhafterweise Spannungen und Verformungen des Bauteils unter Beanspruchung durch einen Temperaturgradienten. Hierbei sind thermische Ausdehnungsunterschiede bis 4.2e^-6 K^-1 zwischen aneinandergrenzenden Schichten möglich. Vorteilhaft ist ein Material im Oberflächenbereich des erfindungsgemäßen Bauteils, d.h. an der Heißgasseite (und der Kaltgasseite), das eine kleinere thermische Ausdehnung hat, als die Materialien im Kern. Dies wird z.B. durch Verwenden von Werkstoffen mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten für die einzelnen Schichten ermöglicht, wobei das Material an der Heißgasseite einen kleineren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als das Material des Kerns. So kann zum Beispiel eine Schicht MgAl₂O₄ im Kernangeordnet werden. Ein Werkstoff aus diesem Material hat einen verhältnismäßig hohen Ausdehnungskoeffizienten (α = 8.80e^-6 K^-1) im Vergleich zu Al₂O₃ (α = 8.00e^-6 K^-1). Diese beispielhafte Art der Anordnung ermöglicht vorteilhaft ein gezieltes Einbringen von Druck-Eigenspannungen, zur Erhöhung der Bruchzähigkeit, sowie der thermischen und mechanischen Lasttoleranzen der Mehrschichtstruktur.
Bevorzugt weist das Material im Oberflächenbereich des erfindungsgemäßen Bauteils, d.h. an der Heißgasseite (und der Kaltgasseite), eine niedrigere Sinterschwindung auf als das Material des Kerns. Die Ausnutzung eines unterschiedlichen Sinterverhaltens von Einzelschichten ermöglicht ebenfalls ein gezieltes Einbringen von Druck-Eigenspannungen, zur Erhöhung der Bruchzähigkeit, sowie der thermischen und mechanischen Lasttoleranzen der Mehrschichtstruktur. Die Sinterschwindungsdifferenz wird durch die Verwendung von Schichten mit unterschiedlichen Korngrößenverteilungen erreicht und kann mit der Mehrlagentechnologie zwischen 0% und 21% variiert werden. Nicht nur die absolute Sinterschwindung, sondern auch die Sinterrate der Schichten als Funktion des Sinterprofils, welche ebenfalls von der Korngrößenverteilung abhängt, beeinflusst die Eigenspannungen. Dadurch können Druckspannungen in Schichten, die eine höhere absolute Sinterschwindung aufweisen als der angrenzenden Schicht, erzeugt werden. Über die örtliche Verteilung der Druckspannungen kann das Schädigungsverhalten der Mehrschichtstruktur gesteuert werden. So führen Druckspannungen an der Außenseite einer Mehrschichtstruktur zu einen erhöhten Lasttoleranz, während Druckspannungen im Inneren dahingegen eine erhöhte Schädigungstoleranz bewirken. Die maximale Differenz zwischen der relativen freien Sinterschwindung soll nicht mehr als 6,5% betragen.
Vorzugsweise weist das Material der mindestens einen Schicht an der Kaltgasseite eine höhere Dichte auf als die anderen Schichten. Dichte Werkstoffe haben eine inhärente Thermoschockempfindlichkeit, die bei der Anwendung in Bereichen mit wechselnden Temperaturen zu schnell wachsender Schädigung führt. Durch die Anwendung dichter Werkstoffe im kalten Bereich des Bauteils erfahren die Werkstoffe geringere zeitliche Temperaturunterschiede, verleihen dem Bauteil aber noch ausreichende mechanische Eigenschaften und eignen sich somit als Fügestelle.
Vorzugsweise werden für das erfindungsgemäße Bauteil poröse homogene und/oder heterogene Werkstoffe verwendet. Durch die Werkstoffe wird die Schädigungstoleranz auf der Gefüge-Ebene erhöht. Mehrlagenstrukturen verfügen über eine Schädigungstoleranz, die sich durch gezielte Bearbeitung der Grenzflächen erreichen lässt. Rissablenkungs- und Rissabsorptionsmechanismen lassen sich durch eine geeigneten Werkstoffselektion und Schichtanordnung gezielt einsetzen. Rissabsorption in Poren, Zusammenwachsen von Rissen, Rissumlenkung durch Steifigkeitsunterschiede zwischen Körnern unterschiedlicher Phasen und einer hohen Anzahl an bereits vorliegenden Rissfronten erlauben diesen Werkstoffen verhältnismäßig große Mengen an elastisch gespeicherter Energie abzubauen indem neue Oberflächen gebildet werden. Zur Integration der energieabbauenden Mechanismen sollten monolithische Werkstoffe eine sphärische Porosität von mindestens 37% aufweisen. Durch Verwendung einer anderen Porenmorphologie oder Porenverteilung kann die benötigte Porosität wesentlich verringert werden. Heterogene Werkstoffe sollten aus einem Zwei- oder Mehrphasengemisch bestehen, in denen ein Steifigkeits- und/oder ein thermischer Ausdehnungsunterschied vorliegt, bzw. sollten schwache Grenzflächen zwischen den Phasen vorliegen. Auch kann eine Kombination von Porosität und Heterogenität angewandt werden. Außerdem können in heterogenen Gefügen Phasen hinzugefügt werden, die die Thermoschockbeständigkeit des Werkstoffs, durch eine Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit der Schicht, erhöhen. Die Phasen können auch eine grobe Kornmorphologie aufweisen, die als Hindernis für Risse wirkt bzw. diese umlenkt und somit Energie entzieht, und damit auch vorteilhaft die Thermoschockbeständigkeit des Werkstoffs erhöht.
Vorzugsweise weist das erfindungsgemäße Bauteil eine Kombination von eher steifen und/oder vergleichsweise weniger steifen Schichten auf. Die Steife einer Schicht ist eine Funktion ihrer Elastizität, beschreibt also den Widerstand der Schichten gegen elastische Verformung durch mechanische Kräfte oder Momente. Weiterhin weisen die Schichten vorzugsweise eine unterschiedliche Schichtdicke auf. Weiterhin weisen die Schichten vorzugsweise eine Druck-Eigenspannung auf. Die besagten Eigenschaften erhöhen das Gesamtpotential der Schädigungstoleranzen des mehrlagigen Bauteils im Vergleich zu monolithischen Strukturen.
Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Bauteil durch ein Verfahren zur keramischen Mehrlagentechnik unter Verwendung einer keramischen Grünfolie und/oder präkeramischem Papier hergestellt.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Brennkammer für eine Gasturbine mit einem erfindungsgemäßen Bauteil. Die Brennkammern sind besonders Ringbrennkammern, Rohrbrennkammern (engl. can-type) oder Rohr-Ringbrennkammern.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Bauteils, umfassend die Schritte:

- Herstellen von keramischen Folien und/oder Papier aus einem präkeramischen Material,
- Aufeinanderschichten einer bestimmten Anzahl von Lagen, die jeweils aus einer keramischen Folie und/oder Papier aus einem präkeramischen Material bestehen,
- gezieltes Verformen der gebildeten Mehrlagenstruktur,
- Nachbearbeitung.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechen im Wesentlichen den Vorteilen des erfindungsgemäßen Bauteils.
Das Verfahren ist besonders vorteilhaft, weil das gezielte Verformen des Bauteils während der Herstellung die Eigenspannung, die durch das unterschiedliche Schwindungs- und thermischen Ausdehnungsverhalten der Einzelschichten bewirkt werden, ausnutzt, um eine makroskopische Verformung des Bauteils zu bewirken, und ermöglichen damit eine Minimierung der nötigen Nachbearbeitung. Dies funktioniert sowohl für symmetrische Mehrlagenstrukturen, die nur orthotrope Verformungen aufweisen, als auch für asymmetrische Strukturen die zusätzlich, durch Ausnutzung von thermischen Ausdehnungsdifferenzen und das anisotrope Sinterschwindungsverhalten der Einzelschichten, einzeln oder doppelt gekrümmt hergestellt werden können.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist im Wesentlichen eine keramische Mehrlagentechnik, basierend auf keramischen Grünfolien und/oder präkeramischen Papieren. Die Kombination der für feuerfeste Werkstoffe vergleichsweise dünnen Ausgangsprodukte, die zu Mehrlagenbauteilen verarbeitet werden, ermöglicht das Bereitstellen von Bauteilen auf Keramikbasis, die herkömmlicherweise auf metallischer Basis bereitgestellt werden.
Im Folgenden werden allgemeine Ausführungsformen des Verfahrens erläutert.
Die keramische Folientechnik weist im Wesentlichen folgende Schritte auf:

- Pulveraufbereitung zum Schlicker,
- Foliengießen und Trocknung,
- Zuschneiden, Stapeln und Laminieren,
- Binderausbrand und Sintern,
- Nachbearbeitung.

Bei der keramischen Folientechnik wird zuerst ein Pulver zum Schlicker aufbereitet. Dabei sind Kornfraktionen von 100 nm bis 3 mm möglich (typischerweise 4 Fraktionen: d50: 1 µm bis 3 µm, d50: 12 µm bis 20 µm, d50: 400 µm bis 500 µm; d50: 850 µm bis 950 µm) Kornfraktionen bestimmen das Packungsverhalten und die Sinteraktivität (z.B. zur Bindung einer groben Kornphase durch eine feinkörnige Matrix) und damit insgesamt Beeinflussung der Eigenschaften. Es können Fasern verwendet werden. Die Fasern weisen folgende Geometrie auf: Länge > 1 mm und Durchmesser 2 µm bis 4 µm. Die Eigenschaften der Fasern, wie z.B. Zähigkeit, können beeinflusst werden. Es sind alle denkbaren Morphologien der Ausgangsstoffe möglich.
Bei der keramischen Folientechnik können auch alle Materialien miteinander gemischt werden. Es ist eine Mischung verschiedener Kornfraktionen möglich (typischerweise: mono- bis tetramodal). Dies dient z.B. der Erhöhung der Packungsdichte und der Ausbildung eines Einlagerungsgefüges. Die Material- und Kornfraktionsmischung kann auch miteinander kombiniert werden. Das Mischen erfolgt mittels Mühlen und Mischern, z.B. Eirichmischer, Attritor, Kugelmühlen, Gefäßen auf Walzen, Taumelmischer und Überkopfmischer. Es können Mahlkugeln und - tonnen verschiedener Größen (Kugel: 1 mm bis 10 mm, Tonnen: 5 mm bis 20 mm Höhe) und verschiedener Materialien (z.B. Al₂O₃, stab. ZrO2) verwendet werden. Die Mahlkörpergröße wird an die Feinheit der zu mischenden Pulverfraktionen angepasst.
Bei der keramischen Folientechnik werden organische Hilfsstoff verwendet. Als Lösemittel werden Wasser, Ethanol, MEK, Hexan, Toloul, Isopropanol oder azeotrope Mischungen aus den vorher genannten Lösemitteln (Gehalt von 33 Vol% bis 55 Vol%) verwendet. Der Dispergator hat eine elektrische, sterische oder elektrosterische Wirkung (Gehalt von 0.01 Massen% bis 3 Massen% bezogen auf 100 Massen% der eingewogenen Pulver, typischerweise 0.5 Massen% bis 3 Massen%). Es sind verschiedene Binder möglich, z.B. Polyvinylbutyral, Polyvinylalkohol, Polyvinylacetat, Polymethylmethacrylat und Methylcellulose, PVP, Acrylate u.a. Die Binder haben einen Gehalt von 5 Massen% bis 12 Massen% bezogen auf 100 Massen% der eingewogenen Pulver. Typische molare Massen der Binder liegen um 40.000 g/mol bis 100.000 g/mol. Die Binder dienen zum Einstellen der Viskosität (5 Pas bis 20 Pas) und rheologisches Verhalten der Schlicker (scherverdünnendes Verhalten ohne thixotropes Verhalten, Einstellung der Festigkeit und Flexibilität der Grünfolien sowie deren Laminierverhalten). Es sind weiterhin verschiedene Weichmacher möglich, z.B. Benzoatester, Wachse, Dioctylphthalat, Dibuthylphthalat, Benzylbutylphthalat, Alkylbenzylphthalat und Polyethylenglykol. Die Weichmacher haben einen Gehalt von 5 bis 12 Massen% bezogen auf 100 Massen% der eingewogenen Pulver). Die Weichmacher dienen zum Einstellen der Festigkeit und Flexibilität der Grünfolien und damit deren Verarbeitbarkeit (besonders in Bezug auf ein Herabsetzen der Glastemperatur des Binders, um niedrige Verarbeitungstemperaturen beim Laminieren zu erreichen) .
Bei einem diskontinuierlichen Gießen werden 50 ml bis 3 1 zugeführt. Bei einem kontinuierliches Gießen wird kontinuierlich Schlicker zugeführt, solange es notwendig ist.
Die keramischen Folien werden dann gegossen und getrocknet. Der Schlicker wird bei ausreichend kleiner Pulvergröße (<45 µm) abgesiebt. Dabei der die verwendeten Mahlkörper, Agglomerate oder nicht aufgelöster Organikbestandteile abgeschieden (Maschengröße: 10 µm bis 500 µm). Der Schlicker wird unter Verwenden von Eirichmischer, Rotationsverdampfer (Unterdruck: 180 mbar bis 250 mbar, 30 rpm bis 120 rpm, 20 min bis 45 min), Thinky Mixer, Vakuumschrank oder Verwendung von Entschäumern entgast. Wesentlich ist, dass der Schlicker vergießbar ist (Viskositäten 5 Pas bis 20 Pas). Die Folienbreite wird zwischen 20 cm und 110 cm gewählt. Die Folienlänge wird zwischen 1 m und 10 m gewählt, sofern die Folie nicht kontinuierlich ist. Es werden unterschiedlicher Rakeltechniken verwendet, z.B. Ein-/Doppelkammergießschuh, Abstreifrakel, Einstellbare oder feste Rakel/Gießschneiden. Die Ziehgeschwindigkeit beträgt von 0.1 m/min bis zu 10 m/min. Es können unterschiedliche Trocknungsmethoden verwendet werden: erwärmte Luft, gesättigte Lösemittelatmosphäre, Gegenstromverfahren, Umluft, IR, Mikrowelle und/oder temperierte Unterlagen. Es können verschiedene Trägerfolien verwendet werden (z.B. Stahlband, silikonisierte PET-Folie, unbeschichtete PET-Folie, ...) .
Die keramischen Folien werden dann zugeschnitten, gestapelt und laminiert. Das Zuschneiden und Bearbeiten erfolgt mittels Heißschneide, Tafelschere, Laser, Messerschneiden, Wasserstrahlschneider, Sägen, Bandsäge, Fräse, Stanzen (Zuschnittdimensionen 10 × 10 mm² bis 200 × 200 mm²). Die Oberflächengüte kann durch Aufrauen oder Perforation geändert werden. Es sind korrugierte Strukturen möglich (z.B. Wellpappenstrukturen). Es ist eine Materialintegration innerhalb einer Ebene möglich (Inlays und Außenbereiche aus unterschiedlichen Folien, Streifen aus verschiedenen Materialien, Schaffung von Hohlräumen).
Das Stapeln erfolgt mit oder ohne Hilfe von Pins, Matrizen und oder Ausrichtungsmarken. Dann erfolge eine Thermokompression bei Bedingungen von 30 MPa bis 50 MPa, 333 K bis 373 K, 10 min bis 90 min, Verwendung von Matrizen (Dimensionen: 30 × 40 mm² bis 200 × 200 mm²). Die Matrizen können selber schon Krümmungen, Radien und Anfasungen zur Einstellung bestimmter Geometrien aufweisen. Eine Kaltniederdrucklamination erfolgt bei < 5 MPa, Raumtemperatur, mit doppelseitigen Klebefolien ohne oder mit Backbone (Backbonedicken 45 µm bis 250 µm), wahlweise mit oder ohne Matrize. Ein Kleben kann mit wässrigem oder lösemittelbasiertem Flüssigkleber erfolgen, ohne oder mit Keramikpartikelfüllung, wahlweise mit oder ohne Matrize. Die Lamination ist mit Hilfe von Schlickern möglich (diese Schlicker entsprechen in der Zusammensetzung den Gießschlickern). Kaltniederdrucklamination und Thermokompression oder Kleben und Thermokompression können kombiniert werden. Es sind weiterhin generative Verfahren verwendbar (z.B. laminated object manufacturing).
Binderausbrand und Sintern erfolgen mittels dichter oder poröser (vor allem für eine bessere Entgasung) Brennhilfsmittel werden aus Al₂O₃, MgO, stab. ZrO₂ oder Anamullit (5 × 50 × 50 mm³ bis zu 50 × 1000 × 1000 mm³) bereitgestellt. Al₂O₃, Mullit oder ZrO₂ werden als Trennsand verwendet; dies dient dem Herabsetzen der Reibung zwischen Sintergut und Brennhilfsmittel. Der Sinteraufbau wird gegenüber Heizelementen gemuffelt, um eine gleichmäßige Temperaturverteilung zu erreichen. Die Lage der Bauteile kann variieren: liegend, stehend, gestützt, ungestützt, mit oder ohne Last, mit oder ohne stützendem Pulverbett, mit Lücke zwischen den Bauteilen oder Kante an Kante. Der Schritt erfolgt unter einer oxidierenden Atmosphäre, auch eine reduzierende oder Schutzgasatmosphäre sind möglich, ebenso Sintern unter Vakuum. Es sind Kammeröfen, Rohröfen und Tunnelöfen nutzbar, sowie Schutzgasöfen. Die Entbinderung wird an die Zersetzungstemperaturen der Organik angepasst (Heizraten von 0,25 K/min bis 3 K/min, Haltezeiten bei Temperaturen zwischen 473 K bis 873 K, Haltezeiten von 60 min bis 120 min). Das Sintern erfolgt bei Temperaturen von 1873 K bis 2073 K, Haltezeiten von 120 min bis 600 min und Heizraten von 1 K/min bis 10 K/min. Das Abkühlen erfolgt bei Kühlraten von 1 K/min bis 10 K/min. Es ist eine passive oder aktive Abkühlung möglich.
Die Nachbearbeitung umfasst verschiedene Tätigkeiten, z.B. Zuschneiden (Bandsäge, Kreissäge, Lowspeed-Säge, Wasserstrahlschneide, Lasern, ...), Fräsen und Schleifen (Erreichen des Endformates, Planparallelität, Kanten und Eckenbearbeitung) .
Die Veränderungen bzw. Variationen der o.g. Parameter des Verfahrens beeinflussen das Verarbeitungsverhalten sowie die Eigenschaften der Grünfolien, der Laminate und der gesinterten Bauteile. An den gesinterten Bauteilen sind folgende Eigenschaftsbereiche erzielbar bzw. können die im Folgenden genannten Eigenschaften variiert werden: die Sinterschwindung zwischen 0 und 21%, die Porosität zwischen 0 und 45%, die Wärmeleitfähigkeit zwischen 7 W/(m·K) und 35 W/(m·K), das Elastizitätsmodul zwischen 20 GPa und 400 GPa, die Festigkeit zwischen 8 MPa und 350 MPa, die Bruchzähigkeit (K_I,c), die Permeabilität, der thermische Ausdehnungskoeffizient zwischen 5 · 10^-6 1/K und 19 · 10^-6 1/K, das Korrosions- und Erosionsverhalten, die thermische Ermüdung, das Kriechverhalten, das Emissionsverhalten, das Verhalten unter Temperaturwechselbelastung und Thermoschock, und anisotropes Verhalten in und senkrecht zur Gießrichtung und in der Dicke. In Laminaten können noch die Grenzflächenfestigkeit und eingebrachte Eigenspannungen variiert werden.
Die Papiertechnologie weist im Wesentlichen folgende Schritte auf:

- Aufbereitung einer Papiersuspension,
- Herstellung des Papiers,
- Kalandrieren,
- Beschichtung,
- Zuschneiden, Stapeln und Laminieren,
- Binderausbrand und Sintern,
- Nachbearbeitung.

Für die Aufbereitung der Papiersuspension wird ein keramisches Pulver bereitgestellt (d50: 500 nm bis 5 µm). Es können auch keramische Fasern verwendet werden (Durchmesser 2 µm bis 4 µm, Länge > 1 mm). Es sind alle denkbaren Geometrien der Ausganswerkstoff möglich, wobei sphärische bevorzugt sind. Es können alle verwendbaren Materialien miteinander gemischt werden. Organische Hilfsstoffe umfassen Zellstofffasern: Länge: 0,5 mm bis 2,5 mm; Durchmesser: 15 µm, anionische und kationische Stärken, Latex und Retentionsmittel wie Polyethylenimin.
Zur Papierherstellung wird zuerst eine Pulpensuspension homogenisiert. Die Reihenfolge der Zugabeschritte ist wesentlich. Es ist eine kontinuierliche und diskontinuierliche Papierherstellung möglich. Die Dicke der hergestellten Papierlage beträgt zwischen 200 µm und 1000 µm, die Breite zwischen 25 cm und 50 cm. Die Bandgeschwindigkeiten liegen zwischen 1 m/min bis 3 m/min. Dann werden die hergestellten Papiere getrocknet.
Zum Kalandrieren ist eine Befeuchtung einstellbar. Es können verschiedene Walzentypen verwendet werden, glatt, geriffelt, aus Stahl oder Kunststoff. Die Temperatur der Walzen beträgt zwischen 293 K bis 513 K. Der Liniendruck beträgt zwischen 50 kN/m und 400 kN/m. Die Walzengeschwindigkeit beträgt zwischen 0,5 m/min und 5 m/min.
Das Ziel der Beschichtung ist die Herstellung von Mehrlagenstrukturen und eine Oberflächenversiegelung. Die Dicke der Beschichtung beträgt zwischen 10 µm und 100 µm. Die Beschichtung erfolgt mittels keramischer Suspension basierend auf Wasser, keramischem Pulver und organischem Kleber (Polyvinylacetat). Das Beschichten erfolgt durch Rakeln oder Aufstrichanlage.
Das Zuschneiden erfolgt mechanisch, durch Laserzuschnitt, Stanzen oder Wasserstrahl. Stapeln und Laminieren erfolgen wie oben für die keramischen Folien beschrieben. Binderausbrand und Sintern erfolgen ebenfalls wie oben für die keramischen Folien beschrieben.
Die Nachbearbeitung erfolgt u.a. durch Zuschneiden mittels Bandsäge, Kreissäge, Lowspeedsäge, Wasserstrahlschneide, durch Fräsen und Schleifen (Erreichen des Endformates, Planparallelität, Kanten und Eckenbearbeitung).
An den gesinterten Bauteilen sind folgende Eigenschaftsbereiche erzielbar bzw. können die im Folgenden genannten Eigenschaften variiert werden: die Sinterschwindung zwischen 8 und 30%, die Porosität zwischen 20% und 75%, die Wärmeleitfähigkeit zwischen 2 W/(m·K) und 12 W/(m·K), das Elastizitätsmodul zwischen 10 GPa und 245 GPa, die Festigkeit zwischen 5 Pa und 70 MPa, die Bruchzähigkeit (K_I,c), die Permeabilität, der thermische Ausdehnungskoeffizient zwischen 0,5 · 10^-6 1/K und 9 · 10^-6 1/K, das Korrosions- und Erosionsverhalten, die thermische Ermüdung, das Kriechverhalten, das Emissionsverhalten, das Verhalten unter Temperaturwechselbelastung und Thermoschock, und anisotropes Verhalten in und senkrecht zur Gießrichtung und in der Dicke. In Laminaten können noch die Grenzflächenfestigkeit und eingebrachte Eigenspannungen variiert werden.
Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen

1 eine Darstellung einer herkömmlichen Ringbrennkammer.
2 eine Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauteils.
3 ein Fließdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Eine Ringbrennkammer 1 einer Gasturbine weist gemäß der Darstellung von 1 eine Außenschale 2 auf, die einen die Brennkammer 1 bildenden Hohlraum 3 umschließt. Die Brennkammer 1 weist in 1 exemplarisch einen Brenner 4 auf, der im oberen Teil der Brennkammer 1 angeordnet ist; in der Brennkammer können mehrere Brenner angeordnet sein. Der Brenner 4 weist gemäß 1 einen Zugang für Kraftstoff 5 sowie zwei Zugänge für einen Oxidationsträger 6, z.B. verdichtete Luft. In der Einlassöffnung 7 werden der zugeleitete Kraftstoff und die Luft vermischt. Der Hohlraum 3 ist für die Verbrennung des gebildeten Kraftstoff-Luft-Gemischs vorgesehen.
Durch den Auslass 8 gelangen die heißen Verbrennungsgase in einen Turbinenraum der Gasturbine (nicht gezeigt).
Der Hohlraum 3 ist mit keramischen Hitzeschilden 9 ausgestattet. Die Hitzeschilde der letzten Reihe vor dem Auslass 8 werden als Einlaufplatten 10 bezeichnet. Die Einlaufplatten 10 sind herkömmlicherweise metallisch aufgebaut. Gemäß der Erfindung werden keramische Einlaufplatten 10 für die Ringbrennkammer 1 bereitgestellt.
In 2 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäß aufgebauten Einlaufschalenplatte 10 dargestellt. Die Einlaufplattenschale 10 ist in eine zum Hohlraum 3 gerichteten Heißgasseite 11, einen an die Heißgasseite 11 anschließenden Kern 12 und eine zur Außenschale 2 gerichteten Kaltgasseite 3 gegliedert. Die Heißgasseite 11 und die Kaltgasseite 13 weisen jeweils eine Lage 15 auf. Der Kern weist eine Anzahl von 17 Lagen 15 auf (in 2 sind zur Veranschaulichung weniger Lagen des Kerns dargestellt). Die Anzahl der Lagen in den einzelnen Bereichen kann alternativ auch eine andere sein. Die Lagen 15 werden aus gegossenen keramischen Folien oder präkeramischem Papier bereitgestellt. Die Einlaufschalenplatte 10 weist eine Dicke von bis zu 16 mm auf.
Das Material der Lage der Heißgasseite 11 ist Al₂O₃. Die Lage der Heißgasseite 11 hat einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 8.0e^-6 K^-1. Die eine Lage der Heißgasseite 11 weist eine Dicke von 2790 µm auf. Die Partikelgrößenverteilung beträgt 15% Feinkorn (1 µm bis 3 µm) und 85% Grobkorn (1 µm bis 45 µm). Die Lage weist eine Porosität von 34,2% auf. Die freie Sinterschwindung beträgt 4,7%, das Elastizitätsmodul 83,2 GPa und die Festigkeit 33,0 MPa.
Der Werkstoff der Lagen des Kerns 12 ist Al₂O₃. Als Material kann z.B. auch MgAl₂O₄ und/oder ein Mischung von Al₂O₃ und MgAl₂O₄ verwendet werden. Die Lagen des Kerns 12 haben einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 8.80e^-6 K^-1. Die Dicken der die einzelnen Lagen bildenden Folien betragen jeweils 620 µm. Die Partikelgrößenverteilung beträgt 15% Feinkorn (1 µm bis 3 µm) und 85% Grobkorn (1 µm bis 45 µm). Die Lagen weisen eine Porosität von 21,1% auf. Die freie Sinterschwindung beträgt 10,7%, das Elastizitätsmodul 131,6 GPa und die Festigkeit 97,5 MPa.
Der Werkstoff der Lage der Kaltgasseite 13 ist Al₂O₃. Die Lage der Kaltgasseite 13 hat einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 8.0e^-6 K^-1. Die eine Lage der Kaltgasseite 13 weist eine Dicke von 2390 µm auf. Die Partikelgrößenverteilung beträgt 45% Feinkorn (1 µm bis 3 µm) und 55% Grobkorn (1 µm bis 45 µm). Die Lage weist eine Porosität von 22,5% auf. Die freie Sinterschwindung beträgt 8,9%, das Elastizitätsmodul 352,5 GPa und die Festigkeit 71,0 MPa.
In einem Verfahren gemäß 3 zum Herstellen eines Bauteils gemäß 2 werden in einem ersten Schritt S1 keramische Folien und/oder Papier aus einem präkeramischen Material hergestellt. Sind im Folgenden konkret benannte Stoffe und Geräte mit Herkunftsverweis angegeben, ist klar, dass der Fachmann natürlich adäquate Stoffe und Geräte verwenden kann.
Zum Herstellen von keramischen Folien und/oder Papier wird dabei ein Schlickeransatz bereitgestellt, der dann zu Folien und/oder Papier gegossen wird. Für ein herzustellendes Bauteil aus zwei verschiedenen Folien wird für jede Folie jeweils ein Schlickeransatz bereitgestellt. Als Mischgefäß wird eine 1l-Polyethylen-Flasche verwendet. Als Mahlkugeln werden sechs 15 mm hohe Mahltonnen, zwölf 10 mm hohe Mahltonnen und Mahlkugeln mit einem Durchmesser von 3 mm verwendet, die alle aus Al₂O₃ bestehen. Es wird ein Schlickeransatz von 600 ml hergestellt.
Für die erste Folie werden dabei zwei verschiedene Al₂O₃-Pulver verwendet (60 Vol% von d₅₀: 1 µm bis 3 µm und 40 Vol%, d₅₀: 12 µm bis 20 µm). Für die zweiten Folie werden ebenfalls zwei verschiedene Al₂O₃-Pulver verwendet (30 Vol% von d₅₀: 1 µm bis 3 µm und 70 Vol%, d₅₀: 12 µm bis 20 µm).
Als Lösemittel wird ein 44,59 Vol% azeotropes Gemisch aus Ethanol und Toluol verwendet (68 Massen% Ethanol, 32 Massen% Toluol). Als Dispergator wird Hypermer™ (Croda Inc., Edison, USA) zu ein 1 Massen% bezogen auf 100 Massen% der eingewogenen Pulver verwendet. Als Binder wird PVB 98 (Solutia Inc., St. Louis, USA) zu einem 5 Massen% bezogen auf 100 Massen% der eingewogenen Pulver verwendet. Als Weichmacher wird Santicizer® (Ferro, Antwerpen, Belgien) zu einem 5 Massen% bezogen auf 100 Massen% der eingewogenen Pulver verwendet. Die Dispergierung und Homogenisierung erfolgt für 24 h in einem Taumelmischer.
Zum Gießen der Folien werden beide Schlicker mittels eines Siebes einer Maschenweite von 500 µm abgesiebt. Beide Schlicker werden für 30 min bei 230 mbar und 60 rpm entgast. Zum Gießen wird ein Doppelkammergießschuh verwendet. Der Gießspalt beträgt bei beiden Schlickern 1500 µm (Gießschneide), und die Gießgeschwindigkeit 1800 mm/min. Als Trägerfolie wird eine silikonisierte Polyethylenterephthalat-Folie verwendet. Die Viskosität der ersten Folie beträgt 11,3 Pas bei einer Scherrate von 20 s-1; die Viskosität der zweiten Folie beträgt 9,4 Pas bei einer Scherrate von 20 s-1. Dann werden die Folien in gesättigter Lösemittelatmosphäre für 24 h getrocknet. Die Foliendicke beider Folien beträgt etwa 600 µm.
Die hergestellten Grünfolien werden in einem zweiten Schritt S2 des Verfahrens gemäß 3 zugeschnitten und gestapelt. Der Zuschnitt beider Folien erfolgt mit einer Heißschneide auf das Format 40 × 40 mm². Die Zuschnitte werden in einer Stahlmatrize mit Messingstempeln mit dem Aufbau Folie 2/Folie 1/Folie 2 gestapelt. Es werden so viele Folien gestapelt, wie für das Bauteil erforderlich sind.
In einem dritten Schritt S3 wird die Mehrlagenstruktur entsprechend der gewünschten Zielstruktur gezielt verformt. Die Folien werden über Thermokompression laminiert (353 K, 42 MPa, 15 min). Es werden dabei Matrizen verwendet, die geometrische Merkmale aufweisen, die bereits zum Einstellen bestimmter Merkmale des zu fertigenden Bauteils geeignet sind. Für das gezielte Verformen werden auch unterschiedliche Schwindungs- und thermische Ausdehnungsverhalten der Einzelschichten gesteuert, die zu Eigenspannungen führen, die zu genutzt werden, um eine makroskopische Verformung des Bauteils zu bewirken.
Das Sintern der Laminate erfolgt in einer oxidierenden Atmosphäre. Als Brennhilfsmittel werden dichte Al₂O₃-Platten ohne Trennsand verwendet, mit kompletter Muffelung der Proben. Es werden Kammeröfen verwendet.
Zur Entbinderung werden die Laminate von Raumtemperatur bei 1 K/min auf 423 K erwärmt, dann von 423 K auf 523 K mit 0,25 K/min erwärmt und für 2h bei dieser Temperatur gehalten, dann von 523 K auf 693 K mit 0,25 K/min erwärmt und für 2h bei dieser Temperatur gehalten, dann von 693 K auf 773 K mit 0,25 K/min erwärmt und für 2h bei dieser Temperatur gehalten, und dann von 773 K auf Raumtemperatur mit 3 K/min abgekühlt.
Zum Sintern werden die Laminate von Raumtemperatur auf 1323 K mit 3 K/min erwärmt und für 1 h bei dieser Temperatur gehalten, dann von 1323 K auf 1973 K mit 3 K/min erwärmt und für 5 h bei dieser Temperatur gehalten, und dann von 1973 K auf Raumtemperatur mit 3 K/min.
In einem vierten Schritt S4 wird das hergestellte Bauteil nachbearbeitet, so dass es in einer Ringbrennkammer gemäß 1 verwendet werden kann. Dieser Schritt umfasst vor allem ein Zuschneiden, Fräsen und Schleifen des Bauteils.
Die hergestellten Laminate weisen eine Gründicke von 1575 µm und eine Gründichte (geometrische Dichte nach EN 623-2 und 993-1) von 74,6 %TD auf. Die Sinterdicke beträgt 1436 µm und die Sinterdichte (Immersionsmessung nach EN 623-2 und 993-1) 77,2 %TD. Die Sinterschwindung beträgt lateral 7,0% in Gießrichtung und 7,6% senkrecht zur Gießrichtung sowie 8,8% vertikal. Das E-Modul (über US-Laufzeit nach DIN EN 843-2 und DIN EN ISO 12680-2 ermittelt) beträgt 200 GPa in Gießrichtung und 198 GPa senkrecht zur Gießrichtung. Die charakteristische Festigkeit (über Likelihood aus Doppelringbiegeversuchen) beträgt 101,4 MPa und das Weibullmodul (über Likelihood aus Doppelringbiegeversuchen) 5,4.
Alternativ kann ein Laminat aus einer Kombination von keramischen Folien und Papier aus präkeramischem Material ebenfalls folientechnologisch hergestellt werden. Dazu wird für Folie und Papier jeweils ein Schlickeransatz bereitgestellt. Für die Folie wird als Mischgefäß eine 1l-Polyethylen-Flasche verwendet. Als Mahlkugeln werden sechs 15 mm hohe Mahltonnen, zwölf 10 mm hohe Mahltonnen und Mahlkugeln mit einem Durchmesser von 3 mm verwendet, die alle aus Al₂O₃ bestehen. Es wird ein Schlickeransatz von 600 ml hergestellt.
Für die Folie werden dabei zwei verschiedene Al₂O₃-Pulver verwendet (15 Vol% von d₅₀: 1 µm bis 3 µm und 85 Vol%, d₅₀: 12 µm bis 20µm). Als Lösemittel wird ein 44,8 Vol% azeotropes Gemisch aus Ethanol und Toluol verwendet (68 Massen% Ethanol, 32 Massen% Toluol). Als Dispergator wird Hypermer™ (Croda Inc., Edison, USA) zu ein 1 Massen% bezogen auf 100 Massen% der eingewogenen Pulver verwendet. Als Binder wird PVB 98 (Solutia Inc., St. Louis, USA) zu einem 5 Massen% bezogen auf 100 Massen% der eingewogenen Pulver verwendet. Als Weichmacher wird Santicizer® (Ferro, Antwerpen, Belgien) zu einem 5 Massen% bezogen auf 100 Massen% der eingewogenen Pulver verwendet. Die Dispergierung und Homogenisierung erfolgt für 24 h in einem Taumelmischer.
Für das Papier wird Al₂O₃-Pulver (d50: 0,8 um) und/oder Al₂O₃-Fasern (Durchmesser 2 µm - 4 µm, Länge > 1 mm) verwendet. Als Lösemittel wird Wasser verwendet. Als Additive werden Additive werden Kartoffelstärke, Nychem® (Emerald Performance Materials, Acron, OH, USA) und/oder Polymin® (BASF, Ludwigshafen, Deutschland) verwendet.
Zum Gießen der Folie wird der Schlicker mittels eines Siebes einer Maschenweite von 500 µm abgesiebt. Der Schlicker wird für 30 min bei 230 mbar und 60 rpm entgast. Zum Gießen wird ein Doppelkammergießschuh verwendet. Der Gießspalt beträgt 2500 µm (Gießschneide), und die Gießgeschwindigkeit 3000 mm/min. Als Trägerfolie wird eine silikonisierte Polyethylenterephthalat-Folie verwendet. Die Viskosität der ersten Folie beträgt 10,8 Pas bei einer Scherrate von 20 s-1; die Viskosität der zweiten Folie beträgt 9,4 Pas bei einer Scherrate von 20 s-1. Dann werden die Folien in gesättigter Lösemittelatmosphäre für 24 h getrocknet. Die Foliendicke beider Folien beträgt etwa 1100 µm.
Für das Herstellen des Papiers wird ein dynamischer Blattbildner verwendet. Die Trommelgeschwindigkeit beträgt 1200 U/min. Die Pulpensuspension wird auf ein Sieb aufgesprüht. Das Papier wird bei 383 K für 15 min getrocknet. Dann wird das Papier mit einer Adhäsivschicht beschichtet und anschließend bei 323 K getrocknet.
In Schritt S2 werden Folie und Papier zugeschnitten und gestapelt. Folie und Papier werden auf das Format 40 × 40 mm² zugeschnitten. Das Zuschneiden der Folien erfolgt mittels einer Heißschneide, das des Papiers mit einer Papierschneide. Die Zuschnitte werden dann in einer Stahlmatrize mit Messingstempeln mit dem Aufbau Folie/Papier/Folie gestapelt. Es werden so viele Folien gestapelt, wie für das Bauteil erforderlich sind.
In einem dritten Schritt S3 wird die Mehrlagenstruktur entsprechend der gewünschten Zielstruktur gezielt verformt. Das Verformen geschieht dabei u.a. während der Lamination. Es wird über Thermokompression (353 K, 42 MPa, 15 min) laminiert. Es werden dabei Matrizen verwendet, die geometrische Merkmale aufweisen, die bereits zum Einstellen bestimmter Merkmale des zu fertigenden Bauteils geeignet sind. Für das gezielte Verformen werden auch unterschiedliche Schwindungs- und thermische Ausdehnungsverhalten der Einzelschichten gesteuert, die zu Eigenspannungen führen, die zu genutzt werden, um eine makroskopische Verformung des Bauteils zu bewirken.
Das Sintern der Laminate erfolgt in einer oxidierenden Atmosphäre. Als Brennhilfsmittel werden dichte Al₂O₃-Platten ohne Trennsand verwendet, mit kompletter Muffelung der Proben. Es werden Kammeröfen verwendet.
Zur Entbinderung werden die Laminate von Raumtemperatur bei 1 K/min auf 423 K erwärmt, dann von 423 K auf 523 K mit 0,25 K/min erwärmt und für 2h bei dieser Temperatur gehalten, dann von 523 K auf 693 K mit 0,25 K/min erwärmt und für 2h bei dieser Temperatur gehalten, dann von 693 K auf 773 K mit 0,25 K/min erwärmt und für 2h bei dieser Temperatur gehalten, und dann von 773 K auf Raumtemperatur mit 3 K/min abgekühlt.
Zum Sintern werden die Laminate von Raumtemperatur auf 1323 K mit 3 K/min erwärmt und für 1 h bei dieser Temperatur gehalten, dann von 1323 K auf 1973 K mit 3 K/min erwärmt und für 5 h bei dieser Temperatur gehalten, und dann von 1973 K auf Raumtemperatur mit 3 K/min.
Auch hier erfolgt in einem vierten Schritt S4 ein Nachbearbeiten des hergestellten Bauteils, so dass es in einer Ringbrennkammer gemäß 1 verwendet werden kann. Dieser Schritt umfasst vor allem ein Zuschneiden, Fräsen und Schleifen des Bauteils.
Die hergestellten Laminate weisen eine Gründicke von 2248 µm und eine Gründichte (geometrische Dichte nach EN 623-2 und 993-1) von 69,5 %TD auf. Die Sinterdicke beträgt 2045 µm und die Sinterdichte (Immersionsmessung nach EN 623-2 und 993-1) 78,2 %TD. Die Sinterschwindung beträgt lateral 6,4% in Gießrichtung und 6,6% senkrecht zur Gießrichtung sowie 9,0% vertikal.
Das E-Modul (über US-Laufzeit nach DIN EN 843-2 und DIN EN ISO 12680-2 ermittelt) beträgt 175 GPa in Gießrichtung und 169 GPa senkrecht zur Gießrichtung.
Zum Herstellen reiner Papierlaminate werden die wie beschrieben hergestellten Papiere laminiert.
Für einen Fachmann naheliegende Abwandlungen und Änderungen der Erfindung fallen unter den Schutzumfang der Patentansprüche.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN 843-2 [0063, 0076]
DIN EN ISO 12680-2 [0063, 0076]

Claims

Bauteil (10) für eine Brennkammer (1) einer Gasturbine, das eine einem Brennkammergehäuse (2) der Brennkammer zugewandte Kaltgasseite (13), eine dem Heißgaspfad der Brennkammer zugewandten Heißgasseite (11) und einen die Kaltgasseite (13) und die Heißgasseite (11) verbindenden Kern (12) aufweist, wobei die Heißgasseite (11), die Kaltgasseite (13) und der Kern (12) des Bauteils jeweils mindestens eine ein keramisches Material umfassende Materiallage (15) aufweisen.
Bauteil (10) nach Anspruch 1, bei dem das Bauteil (10) überwiegend aus keramischem Material besteht.
Bauteil (10) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Bauteil vollständig aus keramischem Material besteht.
Bauteil (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das Bauteil mindestens eine Materiallage (15) aus einer oxidischen Keramik und/oder mindestens eine Materiallage aus einer nichtoxidischen Keramik umfasst.
Bauteil (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, ausgewählt aus der Gruppe umfassend Einlaufschalenplatten (10), Brennereinsätze, Ringsegmente und Düsen sowie Liner für Baskets und Transitions in CAN-Verbrennungssystemen.
Bauteil (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die mindestens eine Schicht der Heißgasseite (11) andere Materialeigenschaften aufweist als die mindestens eine Schicht des Kerns (12).
Bauteil (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das Material der mindestens einen Schicht der Heißgasseite (11) Al₂O₃ aufweist.
Bauteil (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die mindestens eine Schicht der Heißgasseite (11) einen Si-freien keramischen Werkstoff aufweist.
Bauteil (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das Material der mindestens einen Schicht der Heißgasseite (11) einen niedrigeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als das Material der mindestens einen Schicht des Kerns (12).
Bauteil (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das Material der Heißgasseite (11) und der Kaltgasseite (13) eine niedrigere Sinterschwindung aufweist als das Material des Kerns (12).
Bauteil (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das Material der Schichten poröse und/oder heterogene Werkstoffe umfasst.
Bauteil (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das Material der mindestens einen Schicht an der Kaltgasseite (13) eine höhere Dichte aufweist als die anderen Schichten.
Bauteil (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Schichten in einer Kombination von eher steifen und/oder vergleichsweise weniger steifen Schichten angeordnet sind.
Bauteil (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, das durch ein Verfahren zur keramischen Mehrlagentechnik unter Verwendung einer keramischen Grünfolie und/oder präkeramischem Papier hergestellt wird.
Brennkammer (1) einer Gasturbine mit einem Bauteil (10) nach einem der Ansprüche 1-14.
Verfahren zum Herstellen eines Bauteils (10) nach einem der Ansprüche 1-14, umfassend die Schritte: - Herstellen von keramischen Folien und/oder Papier aus einem präkeramischen Material, - Aufeinanderschichten einer bestimmten Anzahl von Lagen (15), die jeweils aus einer keramischen Folie und/oder Papier aus einem präkeramischen Material bestehen, - gezieltes Verformen der gebildeten Mehrlagenstruktur, - Nachbearbeitung.