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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.
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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.
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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 CMC-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 CMC-Formkörper aus Hybridmaterial, der CMC-Teilelemente und Metall-Teilelemente umfasst.
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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-Teilen oder CMC-Formkörper gesintert. Die Anordnung der CMC-Laminatlagen zueinander ist dabei eine kritischer Punkt und es wird ständig an einer optimalen Anordnung der CMC-Laminatlagen zueinander, also an Aufbaukonzepten für die Komponenten, sei es für Turbinen und/oder für Elemente eines Abgasstrangs, geforscht.
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Eine bekannte Turbinenkomponente umfasst beispielsweise ein Laminat aus CMC-Laminatlagen, 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 herumgewickelt. In beiden Fällen werden nach erfolgter Trocknung und/oder Temperung der Prepreg-Lagen diese mit oder ohne Stützstruktur gesintert.
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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.
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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-Formkörper eine anisotrope Festigkeit.
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Beim Wickel-Aufbaukonzept werden die CMC-Lagen schichtweise parallel zur Außenkontur des fertigen CMC-Formkörpers aufgebaut und beim Stack-Aufbaukonzept liegen die einzelnen Lagen in der Regel senkrecht zur Außenkontur des fertigen CMC-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.
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Aus der
DE 10 2018 200222.3 , noch unveröffentlicht, ist eine neue Kombination von CMC-Laminatlagen zum Aufbau eines CMC-Formkörpers bekannt. Dort wird erstmals ein Wrap, beispielsweise einen Kühlkanal bildend, als Kern zum Aufbau eines Stacks, mehrere Laminatlagen aufeinander umfassend, genutzt. Dadurch ergeben sich viele überragende Eigenschaften, wie z.B. Robustheit gegen thermische und mechanische Belastung, hohe Flexibilität bei der Gestaltung der Bauteilform, Beschichtbarkeit für benötigte thermische und Korrosionsschutzschichten, kostengünstige und zumindest teil-automatisierbare Herstellung.
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Nachteilig an dem dort vorgeschlagenen Baukonzept ist lediglich noch eine gewisse Instabilität bezüglich Festigkeit und Steifigkeit in der Stapelrichtung des Stacks, also in „Dickenrichtung“. Dadurch besteht im Stack möglicherweise die Gefahr der Delamination und Rissbildung. Dies ist besonders problematisch besonders spitz zulaufenden Ecken eines CMC-Formkörpers wie an der Trailing edge, der Austrittskante einer Leit- oder Laufschaufel.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und einen CMC-Formkörper oder einen CMC-Hybrid-Formkörper sowie ein Herstellungsverfahren zur Herstellung eines CMC-Formkörpers oder CMC-Hybrid-Formkörpers zur Verfügung zu stellen, dass eine erhöhte Festigkeit und/oder Steifigkeit in Stapelrichtung zeigt.
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Die Lösung der Aufgabe wird durch die vorliegende Erfindung, wie sie in der Beschreibung, der Figur und den Ansprüchen offenbart wird, beschrieben.
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Dementsprechend ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein CMC-Formkörper oder CMC-Hybrid-Formkörper, eine Kombination aus zumindest einem gewickelten -WRAP-CMC-Teil und zumindest einem gestapelten -STACK-CMC-Teil aus einzelnen Laminatlagen umfassend, bei dem 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, dadurch gekennzeichnet, dass der gestapelte STACK-CMC-Teil ein stützendes Formteil umfasst, das zumindest zwei oder mehr Lagen des STACK-CMC-Teils in Stapelrichtung durchdringt.
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Allgemeine Erkenntnis der Erfindung ist es, dass durch Einführung eines stützenden Formteils, das als Einlegeteil oder „Insert“ den STACK-CMC-Teil entlang der Stapelrichtung fixiert, die Steifigkeit des gesamten Formkörpers gesteigert werden kann. Dies ist insbesondere wichtig an den Stellen des CMC-Formkörpers oder CMC-Hybrid-Formkörpers, die aufgrund eines limitierten Bauraums, wie beispielsweise an der „Trailing Edge“ der Austrittskante einer Leit- oder Laufschaufel. Dort besteht auch die Gefahr der Delamination, die ebenfalls durch einen Einbau eines stützenden Formteils abgemildert wird. Zudem kann der CMC-Formkörper oder CMC-Hybrid-Formkörper nach dem genannten Stand der Technik im Bereich der Kühlkanäle, also im Bereich des inneren WRAP-CMC-Teils, zu ungenügender Steifigkeit kommen, so dass auch hier der Einsatz eines stützenden Formteils sinnvoll ist.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem stützenden Formteil um ein massives, also komplett fest-aufgebautes, stützendes Formteil.
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Als „massiv“ wird ein stützendes Formteil vorliegend bezeichnet, wenn es nicht nur an der Oberfläche, sondern „durch und durch“ aus festem und/oder steifem Material besteht, also grundsätzlich keine Hohlräume hat, sondern maximal feine, materialbedingte Poren aufweist.
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Beispiele dafür sind, neben einem stützenden Formteil aus einem STACK und/oder einem WRAP aus CMC-Laminatlagen, beispielsweise ein Metall, eine metallische Legierung, eine massive und/oder monolithische Keramik, ein faserverstärkter Werkstoff und/oder ein Gießkern.
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Beispielsweise wird als stützendes Formteil ein CMC-Element eingesetzt, das mit dem CMC-Formkörper oder dem CMC-Hybrid-Formkörper, insbesondere dessen STACK-CMC-Teils, über eine keramische Verbindungs-Technologie verbunden ist. Insbesondere vorteilhaft ist dabei, dass das stützende Formteil mit dem CMC-Formkörper einen materialschlüssigen Verbund bildet.
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Darüber hinaus ist insbesondere vorteilhaft, wenn das stützende Formteil mit dem CMC-Formkörper oder CMC-Hybrid-Formkörper einen formschlüssigen Verbund bildet.
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Besonders bevorzugt ist die Ausführungsform, bei der das stützende Formteil mit dem CMC-Formkörper oder CMC-Hybrid-Formkörper einen material- und formschlüssigen Verbund bildet.
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Als „keramische Technologien zur Verbindung“ werden dabei insbesondere materialschlüssige Verbunde aus CMC-Formkörper oder CMC-Hybrid-Formkörper und stützendem Formteil bezeichnet, die über beispielsweise Glas, Zement und/oder Schlicker gebildet ist.
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Als „Schlicker“ wird vorliegend insbesondere eine wässrige Suspension mineralischer Pulver, die durchaus auch organische Lösungsmittel-Anteil haben kann, bezeichnet, in die beispielsweise zur Bildung einer CMC-Laminatlage eine Faser, Endlosfaser, ein Gewebe und/oder ein Faserverbund aus keramischer Faser eingelegt werden. Nach erfolgter Trocknung zur Prepreglaminatlage und Sinterung zum CMC-Formkörper oder CMC-Teil, bildet der Schlicker dann die keramische Matrix.
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Die Verbindung zum STACK-CMC-Teil metallischer Kerne wird über Formschluss erreicht und damit die stabilisierende Wirkung für den CMC-Formkörper oder CMC-Hybrid-Formkörper erzielt.
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Vorliegend wird als „CMC-Formkörper“ oder „CMC-Hybrid-Formkörper“ ein aus CMC-Laminatlagen mit oder ohne zusätzliche metallische Bestandteile aufgebautes dreidimensionales Gebilde verstanden, das innenliegend zumindest ein im WRAP-Aufbaukonzept hergestelltes CMC-Teil umgeben von zumindest einem im STACK-Aufbaukonzept realisierten CMC-Teil aufweist. Diese CMC-Formkörper oder CMC-Hybrid-Formkörper sind aus der
DE 10 2018 200222.3 bekannt.
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Vorliegend wird als „stützendes Formteil“ im Gegensatz dazu ein dreidimensionales Gebilde bezeichnet, das nicht notwendigerweise aus CMC-Laminatlagen allein oder in Kombination aufgebaut ist, sondern beispielsweise auch einfach nur aus Metall, monolithischer Keramik oder ähnlichem besteht, das aber zumindest zwei Lagen des STACK-CMC-Teils eines CMC-Formkörpers oder CMC-Hybrid-Formkörpers, wie oben beschrieben, durchdringt, also beispielsweise durchstößt.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform ist das stützende Formteil auch aus einem keramischen Material, beispielsweise auch aus einem faserverstärkten Keramikwerkstoff, CMC, allerdings massiv- im Gegensatz zu dem WRAP-CMC-Teil des Formkörpers und mit Laminatlagen, die grundsätzlich quer zum STACK-CMC-Teil-Stapel liegen.
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Für den gesamten CMC-Formkörper oder CMC-Hybrid-Formkörper gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird zunächst der Aufbau eines innenliegenden, 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.
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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.
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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.
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Auf diese Weise wird ein sehr robuster CMC-Formkörper oder CMC-Hybrid-Formkörper erzeugt, der zumindest drei Teile aufweist, ein WRAP-CMC-Teil, ein STACK-CMC-Teil und schließlich zumindest ein stützendes Formteil, das im STACK-CMC-Teil in Stapelrichtung zumindest zwei oder mehrere Lagen durchdringt und damit sowohl einer Delamination als auch einer Deformation, beispielsweise durch Verdrehen, des STACK-CMC-Teils im Betrieb entgegenwirkt.
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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 so kombiniert werden, dass der CMC-Teil im WRAP-Aufbau innen liegt und der CMC-Teil im STACK-Aufbau das innenliegende WRAP-CMC-Teil zumindest teilweise umgibt, wobei in einem weiteren Prozessschritt in den Verbund aus zumindest einem WRAP-CMC-Teil und einem STACK-CMC-Teil noch ein stützendes Formteil eingebaut wird.
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Der Einbau des stützenden Formteils erfolgt je nach Material des stützenden Formteils entweder noch vor Trocknung zum Grünkörper oder Prepreg, oder nach der Trocknung zum Grünkörper/Prepreg bei 500 bis 600 °C oder schließlich, beispielsweise im Fall eines metallischen stützenden Formteils nach erfolgter Sinterung bei bis zu 1200°C.
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Im Folgenden wird die Erfindung noch anhand einer Figur, die eine beispielhafte Ausführungsform zeigt, näher erläutert:
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Die Figur zeigt ein Beispiel für einen CMC-Formkörper 1 in Form einer Leitschaufel. Zu erkennen ist ein innenliegendes WRAP-CMC-Teil 2 und ein weiteres innenliegendes WRAP-CMC-Teil 4, die beide beispielsweise Kühlkanäle bilden. Diese beiden WRAP-CMC-Teile liegen innerhalb eines STACK-CMC-Teils 3. Das „dicke“ Ende des CMC-Formkörpers 1 bildet bei der Leitschaufel die so genannte Eintrittskante 7, auch „leading edge“ genannt, wohingegen das „dünne“ Ende des CMC-Formkörpers 1 die so genannte Austrittskante 6, auch „trailing edge“ genannt, bildet.
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Bei der Austrittskante 6 sind die Voraussetzungen, ein stützendes Formteil zu integrieren, vorhanden. Es handelt sich um einen Teil des CMC-Formkörpers, der aus STACK-CMC-Teil besteht, geringen Bauraum aufweist, aber dafür hohen Belastungen thermomechanischer Natur im Betrieb ausgesetzt ist. Hier besteht sowohl die Gefahr der Delamination, weil die Kante im Betrieb ganz passgenau in das Gehäuse (nicht gezeigt) eingearbeitet wird als auch die Gefahr der Deformation, beispielsweise durch Verdrehung, weil der CMC-Formkörper 1 an dieser Austrittskante 6 besonders spitz zuläuft. Hier ist ein stützendes Formteil 5 nach der Erfindung besonders vorteilhaft einsetzbar. Durch die eigene Massivität des stützenden Formteils 5 in Stapelrichtung des Laminatlagenstapels des STACK-CMC-Teils 3 bewirkt es eine erhöhte Steifigkeit des CMC-Formkörpers 1 an der Austrittskante 6. Durch die Durchdringung mehrerer Laminatlagen des STACK-CMC-Teils 3 in Stapelrichtung wirkt es zudem einer Delamination entgegen. Damit wird die Gefahr der Rissbildung und/oder der Delamination des STACK-CMC-Teils 3 vor allem im Bereich der Trailing Edge 6 reduziert. Zudem wird die Gefahr der lokalen Deformation an der Austrittskante 6 reduziert. Die Trailing Edge kann in der metallischen Shroud gelagert werden.
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Schließlich kann, wenn das stützende Formteil 5 aus einem wärmeleitfähigen Material, beispielsweise aus Metall oder einem Material mit explizit gesteigerter Wärmeleitfähigkeit, wie beispielsweise einem gefüllten Metall und/oder einer gefüllten Keramik, gefertigt ist, das stützende Formteil 5 zur Wärmeabfuhr und Kühlung eingesetzt werden. Dabei kann das stützende Formteil 5 aus einem Material hergestellt sein, dem beispielsweise besonders wärmeleitfähige Füllstoffe zugesetzt sind.
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Durch die Erfindung wird erstmals das Konzept des WRAPSTACK-Laminatlagen-Aufbaus erweitert, indem vorgeschlagen wird, an besonders belasteten und/oder gefährdeten Stellen des CMC-Formkörpers oder CMC-Hybrid-Formkörpers innerhalb des STACK-CMC-Teils ein massives stützendes Formteil vorzusehen, das sowohl der Delamination als auch Deformation des äußeren STACK-CMC-Teils entgegenwirkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018200222 [0009, 0024]
