WO2019137765A1 - Cmc-formkörper, sowie herstellungsverfahren dazu - Google Patents

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WO2019137765A1
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Stefan Lampenscherf
Steffen Walter
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • F05D2300/603—Composites; e.g. fibre-reinforced
    • F05D2300/6033—Ceramic matrix composites [CMC]

Definitions

  • the invention relates to a shaped body such as a turbine component, in particular a guide or blade of a gas turbine and / or a component of a gas from the strand, at least partially from CMC, so - ceramic matrix composite - and / or a CMC metal Hybrid, is built on and a new, especially in terms of me chanical, thermo-mechanical and / or thermal Stability improved, realized design concept.
  • a turbine component in particular a guide or blade of a gas turbine and / or a component of a gas from the strand, at least partially from CMC, so - ceramic matrix composite - and / or a CMC metal Hybrid, is built on and a new, especially in terms of me chanical, thermo-mechanical and / or thermal Stability improved, realized design concept.
  • moldings such as turbine blades, for example for stationary gas turbines, are made of nickel-based superalloys with additional protective coatings, e.g. TBC coatings used.
  • additional protective coatings e.g. TBC coatings used.
  • the technique of component assembly with CMCs is an alternative Al alone and / or in combination with Railelemen of metals and in particular of superalloys, as so-called CMC-metal hybrid moldings, to create new like moldings such as turbine components and / or components in an exhaust system still profitable, so leading to substanti ellen increases, can be used.
  • CMC-metal hybrid moldings to create new like moldings such as turbine components and / or components in an exhaust system still profitable, so leading to substanti ellen increases.
  • alloys in particular of the abovementioned Su alloys, or else other metals, this is then referred to as a shaped body of hybrid material comprising CMC subelements and metal subelements.
  • a CMC subelement comprises a fiber, a fiber composite, a woven fabric and / or a three-dimensional composite of reinforcing fibers, in particular of ceramic Reinforcing fibers embedded in a ceramic matrix.
  • prepreg layers are usually laminated together and then sintered ge to the ceramic CMC molding ge.
  • the arrangement of the CMC layers to each other is ei ne critical point and it is constantly on an optimal arrangement of the CMC layers to each other, so to design concepts for the components, be it for turbines and / or Elemen te an exhaust line, researched.
  • a known turbine component includes, for example, a laminate of CMC layers based on CMCs of oxide and / or
  • the laminates are deposited as a prepreg layers on the one hand in a so-called stack design concept on a metal core and / or on a support structure or stacked.
  • the prepreg layers are wound around a core or support structure. In both cases, after drying and / or heat treatment, the prepreg layers are sintered with or without support structure.
  • Such manufactured CMC moldings for turbine components and / or components of an exhaust line are then in principle suitable, exposed to extremely high thermal, thermomechanical and mechanical loads. However, they should also be suitable for the formation of an effective component cooling GE and / or have a surface sufficient for a ge suitable adhesion of a TBC layer to be applied de hardness for pretreatment by roughening has. These two points, the formation of the cooling structure within the component on the one hand and the surface condition on the other hand still make problems according to the conventional design concepts. In addition, conventionally constructed CMC moldings exhibit anisotropic strength.
  • the CMC layers are built up in layers parallel to the outer contour of the finished molded body and in the stack construction concept, the individual layers are usually perpendicular to the outer contour of the finished molded body, both structural concepts advantages and disadvantages with respect to mechanical, thermomechanical and / or thermal capacity.
  • each of the low in terlaminare strength of a CMC partial element may adversely affect the thermo-mechanical strength and / or the Oberflä chenhärte the finished molded body.
  • Object of the present invention is therefore to provide a design concept for CMC moldings, which shows over the prior art, an improved mechanical, thermo-mechanical and / or thermal resistance.
  • the subject of the invention is a
  • CMC molding or CMC hybrid molding comprising a combination of at least one wound -WRAP and at least one stacked -STACK CMC part comprising individual laminate layers,
  • first CMC part is at least partially surrounded by an external, implemented in the stack design concept second CMC part, so that a material-locking composite of the at least two surrounding CMC parts results, the Both CMC parts by having CMC laminate layers of the first and the second CMC part at least partially oriented transversely to each other, reinforce each other.
  • the subject of the present invention is a Ver drive for producing a CMC molding or a CMC hybrid molding, wherein in a first process step, two CMC parts, a first CMC part in the wrap design concept and a second CMC part in the stack -Avembauher made who the, which are then combined with each other in a subsequent process step to form a material-bonded composite.
  • At least a first and a second CMC part are connected so that a positive connection results.
  • an internal CMC part produced by way of example via a wrap construction concept will take place by lamination on a core structure.
  • the water is optionally combined with one or more further wrap CMC parts with one or more outlying CMC part (s) in the stack design concept.
  • the contact surfaces between the individual CMC layers and / or between CMC parts can be combined with the matrix used for a CMC prepreg layer and / or via a glass ceramic or a mixture of the matrix material and a glass ceramic
  • the ceramic matrix can have a gradually increasing proportion of glass ceramic within a stack or within a winding.
  • the matrix of the upper or uppermost layer of one or more CMC parts can be modified by the addition of glass ceramic constituents such that an increased hardness results on the glass-ceramic constituent parts of the body.
  • the CMC parts which are manufactured in the wrap design concept, give the CMC molded body torsional and / or torsional stability, whereas the CMC parts realized in the stack design concept have a surface with excellent hardness, which is used for coatings respectively pretreatment Aufbrin tion of coatings is well suited.
  • the two connected CMC parts by a matrix or a Mi mixture of matrix and glass ceramic, in which the two zueinan of the transverse CMC parts at least partially, insbesonde re at least partially at the contact surfaces, embedded ,
  • a CMC laminate layer is a so-called "ply" which can be obtained by submitting and / or dipping or similar. wetting and / or impregnation of a Verstärkungsfa ser template in a ceramic slurry and subsequent drying and sintering can be produced.
  • wrap design concept in which a CMC part is built up layer by layer with the CMC layers parallel to the outer contour of the guide vane, it is also possible to produce complicated components, for example guide vane components, by means of corresponding shaping tools, but by means of the parallel Component surface oriented weak matrix layers with low interlaminar strength also result in considerable disadvantages.
  • impact, rub-in, and / or high thermomechanical stress can cause damage to the outer layer and, in the worst case, delamination, and the wrap-build concept typically can not provide a protective layer with required adhesion because the outermost layer does not pretreat accordingly without damage and / or roughen.
  • a CMC part for example, a barrel or vane - roughened well superficial on the stack construction concept and is very robust to thermo-mechanical stress and / or impact.
  • the reinforcing fibers are basically arranged transversely to the outer contour and therefore compared to a surface treatment, for example, to prepare a protective coating, very robust and are not sensitive.
  • a CMC part can not transfer tensile forces in the vertical direction as per the stack design concept and entails the risk of hot gas leakage due to possible cracks between the CMC laminate layers. As a result of the cracks, hot gas can enter the interior of the component and damage existing metallic parts and / or other structures there.
  • the two structural concepts of wrap and stack are combined in such a way that the outer contour of the CMC shaped body is well suited for subsequent processing. Layering can be prepared and at the same time results in a Torsionsfestig speed of the CMC molding by the core produced in the wrap design concept.
  • the at least two CMC parts are interconnected by a high temperature resistant ceramic matrix.
  • the at least two CMC parts are connected by a, a glass ceramic comprehensive high temperature resistant ceramic matrix.
  • the layers in particular the laminate layers of the at least two, a CMC parts produced according to the wrap construction concept and a stack construction concept, lie transversely to each other.
  • they are approximately at right angles to each other, which of course also turned off on the respective herzustel sirloin moldings and deviating geometries can be rea lome.
  • the orientation of the position of the one CMC part is similar to the interlaminar weakness of the layers of the other CMC part approximately and / or approximately to an isotropic strength in the CMC molding.
  • At least two CMC parts, a CMC part made according to the stack construction concept and a wrap construction concept according to the wrap construction concept form a material-bonded composite in the molded body.
  • a material-bonded composite in the molded body For example, inside one, two or more produced by the wrap design concept CMC parts with one, two or multiple CMC parts made according to the stack design concept. There is no parity it is necessary, as evidenced by the embodiment shown in the figures.
  • the new combined design concept with internal wrap-laminated and external stack-laminated CMC part offers, for example, the following advantages:
  • the specific roughness and characteristics of the machined CMC surface of an outer CMC part is part of a stack laminated CMC part and thus allows a very good adhesion of, for example, via APS, ie thermally sprayed th, protective layers such as TBC and / or EBC because It shows high stability over roughening techniques.
  • the CMC molded body is not only present as a material-bonded composite, but also as a positive-locking composite.
  • a "form-fitting" composite in the present case is a composite be distinguished in which no on the outer contour of the CMC molding Projection of one of the at least two mutual amplification combined CMC parts is present.
  • FIG. 1 shows a CMC part of a CMC molding or of a CMC hybrid molding which is realized according to the stack construction concept.
  • FIG. 2 shows a CMC part of a CMC molding or of a CMC hybrid molding which is realized according to the wrap construction concept
  • FIG. 3 shows a CMC molding which is a moving blade and comprises the two CMC parts known from FIGS. 1 and 2.
  • FIG. 1 shows a stack 2 of individual CMC laminate layers 1a to 1f which are stacked on one another.
  • the layers have Publ openings 3a and 3b.
  • the layers la to lf according to the stack design concept are perpendicular to the outer contour of the component, the rotor blade.
  • FIG. 2 shows two separate, wound CMC parts 4 and 5, which are manufactured according to the wrap design concept. These CMC parts are designed to fit into the openings 3a and 3b of the stack 2 of CMC laminate sheets shown in FIG.
  • the CMC parts 4 and 5 are thus as "internal Ker ne" of a composite of the CMC parts of Figures 1 and 2 translated form-fitting composite or molded body suitable.
  • FIG. 3 shows the form-fitting composite 6 of the three CMC parts from FIGS. 1 and 2, the one stacked CMC part and the two CMC parts produced according to the wrap construction concept.
  • a rotor blade 6 is provided which has two openings 7a and 7b, for example, as cooling channels serve and / or in the possibly still metallic structures for forming a CMC (hybrid) shaped body can be introduced.
  • the metallic or non-metallic structures built up in an opening can be constructed, for example, by means of additive manufacturing processes and / or include flexible cooling systems.
  • a CMC molded body or a CMC hybrid molded body is presented for the first time, the a composite of CMC parts, with an inner, in the wrap design concept hergestell th, CMC part and an outer, in the stack design concept rea larra Part includes.

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Abstract

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

Description

Beschreibung
CMC-Formkörper, sowie Herstellungsverfahren dazu
Die Erfindung betrifft einen Formkörper wie beispielsweise eine Turbinenkomponente, insbesondere auch eine Leit- oder Laufschaufel einer Gasturbine und/oder ein Bauteil eines Ab gasstrangs, das zumindest teilweise aus CMC, also - Ceramic- Matrix-Composite - und/oder aus einem CMC-Metall-Hybrid, auf gebaut ist und ein neues, insbesondere hinsichtlich der me chanischen, thermomechanischen und/oder thermischen Stabili tät verbessertes, Aufbaukonzept realisiert.
Bislang werden beispielsweise Formkörper wie Turbinenschau feln, beispielsweise für stationäre Gasturbinen, aus Nickel basierten Superlegierungen mit zusätzlichen Schutz- Beschichtungen, z.B. TBC-Beschichtungen, eingesetzt. Zwar werden die Eigenschaften dieser Materialien ständig weiter entwickelt, jedoch scheint diese Technik ziemlich ausgereizt zu sein und nach allgemeiner Abschätzung der Fachwelt ist nur wenig substanzielle Steigerung noch möglich.
Demgegenüber ist die Technik des Bauteil-Aufbaus mit CMCs, also der Faser-verstärkten keramischen Materialien eine Al ternative, die allein und/oder in Kombination mit Teilelemen ten aus Metallen und insbesondere aus Superlegierungen, als so genannte CMC-Metall-Hybrid-Formkörper, zur Schaffung neu artiger Formkörper wie Turbinenkomponenten und/oder Bauteile in einem Abgasstrang noch gewinnbringend, also zu substanti ellen Steigerungen führend, eingesetzt werden kann. In der Kombination mit Legierungen, insbesondere der genannten Su perlegierungen, oder auch anderen Metallen spricht man dann von einem Formkörper aus Hybridmaterial, der CMC-Teilelemente und Metall-Teilelemente umfasst.
In der Regel umfasst ein CMC-Teilelement eine Faser, einen Faserverbund, ein Gewebe und/oder einen dreidimensionalen Verbund aus Verstärkungsfasern, insbesondere aus keramischen Verstärkungsfasern, der in eine keramische Matrix eingebettet ist. Zur Herstellung werden meistens Prepreg-Lagen aneinander laminiert und nachfolgend zum keramischen CMC-Formkörper ge sintert. Die Anordnung der CMC-Lagen zueinander ist dabei ei ne kritischer Punkt und es wird ständig an einer optimalen Anordnung der CMC-Lagen zueinander, also an Aufbaukonzepten für die Komponenten, sei es für Turbinen und/oder für Elemen te eines Abgasstrangs, geforscht.
Eine bekannte Turbinenkomponente umfasst beispielsweise ein Laminat aus CMC-Lagen, die auf CMCs aus Oxid- und/oder
Siliziumcarbid-Keramik basieren. Die Laminate werden dabei als Prepreg-Lagen zum einen im so genannten Stack- Aufbaukonzept auf einem Metallkern und/oder auf einer Stütz struktur abgelegt oder gestapelt. Alternativ dazu werden im so genannten Wrap-Aufbaukonzept die Prepreg-Lagen um einen Kern oder eine Stützstruktur herum gewickelt. In beiden Fäl len werden nach erfolgter Trocknung und/oder Temperung der Prepreg-Lagen diese mit oder ohne Stützstruktur gesintert.
Insbesondere bei der Herstellung von CMC-basierten Leitschau feln für stationäre Gasturbinen wird bislang entweder das Wrap-, also das Wickel-Aufbaukonzept, oder das Stack-, also das Stapel-Aufbaukonzept, realisiert.
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 ge eignet sein und/oder eine Oberfläche haben, die für eine ge eignete Haftung einer aufzubringenden TBC-Schicht ausreichen de Härte zur Vorbehandlung durch Aufrauen, aufweist. Diese beiden Punkte, die Ausbildung der Kühlstruktur innerhalb des Bauteils einerseits und die Oberflächenbeschaffenheit ande rerseits machen nach den herkömmlichen Aufbaukonzepten immer noch Probleme. Zudem zeigen herkömmlich aufgebaute CMC- Formteile eine anisotrope Festigkeit. Beim Wickel-Aufbaukonzept werden die CMC-Lagen schichtweise parallel zur Außenkontur des fertigen Formkörpers aufgebaut und beim Stack-Aufbaukonzept liegen die einzelnen Lagen in der Regel senkrecht zur Außenkontur des fertigen Formkörpers vor, wobei beide Aufbaukonzepte Vor- und Nachteile bezüglich mechanischer, thermomechanischer und/oder thermischer Belast barkeit haben. Insbesondere kann sich jeweils die geringe in terlaminare Festigkeit eines CMC-Teilelements nachteilig auf die thermo-mechanische Belastbarkeit und/oder die Oberflä chenhärte des fertigen Formkörpers auswirken.
Deshalb besteht weiterhin der Bedarf, ein neues Aufbaukonzept für einen CMC-Formkörper oder einen CMC-Hybridformkörper mit gesteigerter mechanischer, thermomechanischer und/oder ther mischer Belastbarkeit zu schaffen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Aufbau konzept für CMC-Formkörper anzugeben, das gegenüber dem Stand der Technik eine verbesserte mechanische, thermomechanische und/oder thermische Beständigkeit zeigt.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch den Gegenstand wie er in der Beschreibung, den Figuren und den Ansprüchen offenbart wird, gelöst.
Dementsprechend ist Gegenstand der Erfindung ein
CMC-Formkörper oder CMC-Hybrid-Formkörper, eine Kombination aus zumindest einem gewickelten -WRAP- und zumindest einem gestapelten -STACK- CMC-Teil aus einzelnen Laminatlagen um fassend,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein innenliegender, im Wrap-Aufbaukonzept realisierter erster CMC-Teil, von einem außenliegenden, im Stack-Aufbaukonzept realisierten zweiten CMC-Teil zumindest teilweise umgeben ist, so dass ein materialschlüssiger Verbund aus den zumin dest 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.
Außerdem ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Ver fahren 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 wer den, die dann in einem nachfolgenden Verfahrensschritt mitei nander zur Ausbildung eines materialschlüssigen Verbunds kombiniert werden.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden zumindest ein erster und ein zweiter CMC-Teil so verbunden, dass auch ein formschlüssiger Verbund resultiert.
Insbesondere wird dabei der Aufbau eines innenliegenden, bei spielsweise über ein Wrap-Aufbaukonzept hergestellten, CMC- Teils durch Laminieren auf einer Kernstruktur erfolgen. Die ser wird, gegebenenfalls mit einem oder mehreren weiteren Wrap-CMC-Teile (n) mit einem oder mehreren außenliegenden CMC- Teil (en) im Stack-Aufbaukonzept kombiniert.
Die Kontaktflachen 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.
Die keramische Matrix kann dabei innerhalb eines Stapels oder innerhalb einer Wicklung einen graduell steigenden Anteil an Glaskeramik aufweisen. Insbesondere kann die Matrix der obe ren 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 Be standteilen modifizierten Oberflächen des Körpers ergibt.
Auf diese Weise wird ein sehr robuster CMC-Formkörper oder CMC-Hybrid-Formkörper erzeugt, welcher auf vorteilhafte Weise durch die neuartige Kombination die exzellente mechanische Stabilität und/oder Schadenstoleranz von im Wrap- Aufbaukonzept hergestellten CMC-Teilen mit den vorteilhaften Eigenschaften und insbesondere den äußeren Oberflächen von nach dem Stack-Aufbaukonzept hergestellten CMC-Teilen, ver bindet .
Die CMC-Teile, die im Wrap-Aufbaukonzept hergestellt sind, verleihen dem CMC-Formkörper Torsions- und/oder Verwindungs stabilität, wohingegen die im Stack-Aufbaukonzept realisier ten CMC-Teile eine Oberfläche mit ausgezeichneter Härte, die für Beschichtungen respektive der Vorbehandlung zur Aufbrin gung von Beschichtungen gut geeignet ist.
Allgemeine Erkenntnis der Erfindung ist es, dass eine Kombi nation der beiden Aufbaukonzepte, zumindest eines inneren und gewickelten CMC-Teils und zumindest eines äußeren und gesta pelten CMC-Teils die mechanische, thermomechanische und/oder thermische Belastbarkeit eines so erzeugten CMC-Formkörpers oder CMC-Hybrid-Formkörpers drastisch erhöhen. Die Verstär kung der beiden Teile gleicht deren Instabilitäten, insbeson dere bei der Herstellung von Turbinenkomponenten, wie Schau feln, aus. Insbesondere hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die zumindest zwei CMC-Teile dabei durch eine gemeinsame Matrix oder Mischung aus Matrix und Glaskeramik verbunden vorliegen, so dass ein Verbund mit hoher Festigkeit resul tiert .
Deshalb sind nach einer vorteilhaften Ausführungsform die beiden verbundenen CMC-Teile durch eine Matrix oder einer Mi schung aus Matrix und Glaskeramik, in die die beiden zueinan der quer stehenden CMC-Teile zumindest teilweise, insbesonde re zumindest teilweise an den Kontaktflächen, eingebettet sind, verbunden.
Als CMC-Laminatlage wird vorliegend ein so genanntes „Ply" bezeichnet, das durch Vorlage und/oder Eintauchen oder ähnli- che Benetzungs- und/oder Imprägnierung einer Verstärkungsfa ser-Vorlage in einen keramischen Schlicker und nachfolgendes Trocknen und Sintern herstellbar ist.
Beim Wrap-Aufbaukonzept, bei dem ein CMC-Teil schichtweise mit den CMC-Lagen parallel zur Außenkontur der Leitschaufel aufgebaut wird, lassen sich mit Hilfe entsprechender Form werkzeuge auch komplizierte Bauteile, beispielsweise Leit- schaufel-Komponenten, hersteilen, aber durch die parallel zur Bauteiloberfläche orientierten schwachen Matrixschichten mit geringer interlaminarer Festigkeit ergeben sich dabei auch erhebliche Nachteile. Beispielsweise kann durch Einschlag, „rub-in" und/oder hohe thermomechanische Belastung eine Be schädigung der äußeren Lage und im schlechtesten Fall eine Delamination erfolgen. Zudem kann beim Wrap-Aufbaukonzept in der Regel keine Schutzschicht mit erforderlicher Haftung auf gebracht werden, weil die äußerste Lage sich nicht entspre chend ohne Schäden vorbehandeln und/oder aufrauen lässt.
Demgegenüber lässt sich ein CMC-Teil - beispielsweise einer Lauf-oder Leitschaufel - nach dem Stack-Aufbaukonzept gut oberflächlich aufrauen und zeigt sich gegenüber thermo mechanische Beanspruchung und/oder Einschlag sehr robust. Dies insbesondere deshalb weil die Verstärkungsfasern dabei grundsätzlich quer zur Außenkontur angeordnet sind und daher gegenüber einer Oberflächenbehandlung, beispielsweise zur Vorbereitung einer Schutzbeschichtung, sehr robust und unemp findlich sind. Allerdings kann ein CMC-Teil nach dem Stack- Aufbaukonzept in senkrechter Richtung weniger gut Zugkräfte übertragen und birgt die Gefahr von Heißgasleckage durch eventuell entstehende Risse zwischen den CMC-Laminatlagen . Durch die Risse kann Heißgas in das Innere des Bauteils ein- treten und dort vorhandene metallische Teile und/oder sonsti ge Strukturen schädigen.
Durch die vorliegende Erfindung werden erstmals die beiden Aufbaukonzepte Wrap und Stack so kombiniert, dass die Außen kontur des CMC-Formkörpers gut für eine nachfolgende Be- Schichtung vorbereitet werden kann und gleichzeitig durch den im Wrap-Aufbaukonzept hergestellten Kern eine Torsionsfestig keit des CMC-Formkörpers resultiert.
Zudem ergibt die Verbindung der jeweiligen CMC-Teile durch eine gemeinsame bettende Matrix, die beide CMC-Teilelemente zusammenführt eine besondere Betriebsstabilität des CMC- Formkörpers gegenüber Rissen. . So entsteht im CMC-Formkörper eine 3-dimensionale CMC-Struktur mit isotroper Festigkeit in alle drei Raumrichtungen.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die zumindest zwei CMC-Teile durch eine hochtemperaturbestän dige keramische Matrix miteinander verbunden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfin dung sind die zumindest zwei CMC-Teile durch eine, eine Glas keramik umfassende hochtemperaturbeständige keramische Matrix verbunden .
Die Lagen, insbesondere die Laminatlagen der zumindest zwei, eine nach dem Wrap-Aufbaukonzept und eine nach dem Stack- Aufbaukonzept hergestellten, CMC-Teile liegen quer zueinan der. Vorteilhafterweise liegen sie ungefähr im rechten Winkel zueinander, wobei hier natürlich auf den jeweils herzustel lenden Formkörper abgestellt auch abweichende Geometrien rea lisiert werden können. Entscheidend ist dabei, dass die Ori entierung der Lage des einen CMC-Teils die interlaminare Schwäche der Lagen des anderen CMC-Teils annähernd und/oder ungefähr zu einer isotropen Festigkeit im CMC-Formkörper aus gleicht .
Im Formkörper bilden zumindest zwei CMC-Teile, ein nach dem Stack-Aufbaukonzept und ein nach dem Wrap-Aufbaukonzept her gestelltes CMC-Teil einen materialschlüssigen Verbund. Bei spielsweise können innen ein, zwei oder mehrere nach dem Wrap-Aufbaukonzept hergestellte CMC-Teile mit einem, zwei oder mehreren nach dem Stack-Aufbaukonzept hergestellten CMC- Teilen verbunden werden. Da ist keinesfalls eine Parität er forderlich, wie auch das in den Figuren gezeigte Ausführungs beispiel belegt.
Als „materialschlüssiger" Verbund wird vorliegend bezeichnet, dass innerhalb des Verbundes keine Hohlräume und/oder Luft einschlüsse vorgesehen sind.
Das neue kombinierte Aufbaukonzept mit innenliegendem Wrap- laminierten und außenliegendem Stack-laminierten CMC-Teil bietet beispielsweise folgende Vorteile:
Die spezifische Rauheit und Charakteristik der bearbeiteten CMC-Oberfläche eines äußeren CMC-Teils ist Teil eines Stack laminierten CMC-Teils und erlaubt damit eine sehr gute Haf tung von beispielsweise über APS, also thermisch aufgespritz ten, Schutzschichten, wie TBC und/oder EBC weil es gegenüber Aufrau-Techniken hohe Stabilität zeigt.
Durch das Vorliegen eines inneren, nach dem Wrap- Aufbaukonzept aufgebauten, CMC-Teils können Schäden durch Risse und/oder Heißgaseintritt an noch weiter innen im Form körper liegenden - beispielsweise metallischen - Teilen ver mieden oder vermindert werden.
Durch das Aufbauen einer 3-dimensionalen CMC-Struktur wird eine hohe Festigkeit, Schadenstoleranz und insbesondere auch Verwindungssteifigkeit eines so hergestellten Formkörpers er zeugt .
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform liegt der CMC- Formkörper nicht nur als materialschlüssiger Verbund, sondern auch als formschlüssiger Verbund vor.
Als „formschlüssiger" Verbund wird vorliegend ein Verbund be zeichnet, in dem an der Außenkontur des CMC-Formkörpers kein Überstand eines der zumindest zwei zur gegenseitigen Verstär kung kombinierten CMC-Teile vorhanden ist.
Im Folgenden wird die Erfindung noch anhand eines Beispiels, das eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung zeigt, näher erläutert:
Figur 1 zeigt ein CMC-Teil eines CMC-Formkörpers oder eines CMC-Hybrid-Formkörpers , das nach dem Stack-Aufbaukonzept rea lisiert ist.
Figur 2 zeigt ein CMC-Teil eines CMC-Formkörpers oder eines CMC-Hybrid-Formkörpers, das nach dem Wrap-Aufbaukonzept rea lisiert ist und
Figur 3 schließlich zeigt einen CMC-Formkörper, der eine Laufschaufel ist und die beiden, aus den Figuren 1 und 2 be kannten, CMC-Teile umfasst.
Figur 1 zeigt einen Stapel 2 einzelner CMC-Laminatlagen la bis lf, die aufeinander gestapelt sind. Die Lagen weisen Öff nungen 3a und 3b auf. Die Lagen la bis lf nach dem Stack- Aufbaukonzept liegen senkrecht zur Außenkontur des Bauteils, der Laufschaufei .
Figur 2 zeigt zwei separate, gewickelte CMC-Teile 4 und 5, die nach dem Wrap-Aufbaukonzept hergestellt sind. Diese CMC- Teile sind so konzipiert, dass sie in die Öffnungen 3a und 3b des in Figur 1 gezeigten Stapels 2 aus CMC-Laminatlagen pas sen. Die CMC-Teile 4 und 5 sind somit als „innenliegende Ker ne" eines aus den CMC-Teilen der Figuren 1 und 2 zusammenge setzten formschlüssigen Verbunds oder Formkörpers geeignet.
Figur 3 zeigt den formschlüssigen Verbund 6 der drei CMC- Teile aus den Figuren 1 und 2, des einen gestapelten CMC- Teils und der zwei nach dem Wrap-Aufbaukonzept hergestellten CMC-Teile. So wird eine Laufschaufei 6 geschaffen, die zwei Öffnungen 7a und 7b hat, die beispielsweise als Kühlkanäle dienen und/oder in die eventuell noch metallische Strukturen zur Ausbildung eines CMC- (Hybrid) -Formkörpers eingebracht werden können. Die in einer Öffnung aufgebauten metallischen oder nichtmetallischen Strukturen können beispielsweise über generative Fertigungsverfahren aufgebaut werden und/oder fi ligrane Kühlsysteme umfassen.
Durch die Erfindung wird erstmals ein CMC-Formkörper oder ein CMC-Hybrid-Formkörper vorgestellt, der einen Verbund aus CMC- Teilen, mit einem inneren, im Wrap-Aufbaukonzept hergestell ten, CMC-Teil und einen äußeren, im Stack-Aufbaukonzept rea lisierten Teil umfasst.

Claims

Patentansprüche
1. CMC-Formkörper oder CMC-Hybrid-Formkörper, eine Kombinati on aus zumindest einem gewickelten und zumindest einem gesta pelten CMC-Teil, jeweils aus CMC-Laminatlagen, umfassend, dadurch gekennzeichnet, dass
ein innenliegender, im Wrap-Aufbaukonzept realisierter erster CMC-Teil, von einem außenliegenden, im Stack-Aufbaukonzept realisierten zweiten CMC-Teil zumindest teilweise umgeben ist, so dass ein materialschlüssiger Verbund aus den zumin dest 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.
2. CMC-Formkörper oder CMC-Hybrid-Formkörper nach Anspruch 1, wobei der materialschlüssige Verbund mittels einer gemeinsa men Matrix, in der die quer zueinander stehenden Laminatlagen zumindest teilweise eingebettet sind, realisiert ist.
3. CMC-Formkörper oder CMC-Hybrid-Formkörper nach Anspruch 1 oder 2, wobei der materialschlüssige Verbund mittels einer gemeinsamen Matrix, die Glaskeramik-Bestandteile umfasst, in der die beiden quer zueinander stehenden Laminatlagen zumin dest teilweise eingebettet sind, realisiert ist.
4. CMC-Formkörper oder CMC-Hybrid-Formkörper nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der materialschlüssige Verbund mittels einer gemeinsamen Matrix mit Glaskeramik- Bestandteilen, in der die beiden quer zueinander stehenden Laminatlagen zumindest teilweise, an ihren Kontaktflachen, eingebettet sind, realisiert ist.
5. CMC-Formkörper oder CMC-Hybrid-Formkörper nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Verbund mittels eines ent sprechenden Einbrands, der die beiden quer zueinander stehen den Laminatlagen zumindest teilweise an den Kontaktflachen verbindet, realisiert ist.
6. CMC-Formkörper oder CMC-Hybrid-Formkörper nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zumindest zwei quer zuei nander stehenden Laminatlagen des Verbunds ungefähr einen rechten Winkel bilden.
7. CMC-Formkörper oder CMC-Hybrid-Formkörper nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Verbund auch formschlüssig ist .
8. Verfahren zur Herstellung eines CMC-Formkörpers oder eines CMC-Hybrid-Formkörpers , wobei in einem ersten Verfahrens schritt 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 Verfah rensschritt miteinander zur Ausbildung eines materialschlüs sigen Verbunds kombiniert werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Kombination der bei den CMC-Teile einen form- und materialschlüssigen Verbund ergibt .
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei zumin dest zwei innere und erste CMC-Teile im Wrap-Aufbaukonzept mit einemaußenliegenden, zweiten CMC-Teil im Stack- Aufbaukonzept kombiniert werden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei zumin dest ein Teil einer Kontaktflache zwischen zwei CMC-Teilen, die einen Verbund nach einem der Ansprüche 1 bis 7 bilden, in eine hochtemperaturbeständige keramische Matrix eingebettet wird .
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei zumin dest ein Teil einer Kontaktflache zwischen zwei CMC-Teilen, die einen Verbund nach einem der Ansprüche 1 bis 7 bilden, in eine Glas-keramische Matrix eingebettet wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei zumin dest ein Teil einer Kontaktflache zwischen zwei CMC-Teilen, die einen Verbund nach einem der Ansprüche 1 bis 7 bilden, mit einem Einbrand versehen wird.
14. Turbinenkomponente, die einen CMC-Formkörper oder einen CMC-Hybrid-Formkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 7 um fasst .
15. Komponente eines Abgasstrangs, die einen CMC-Formkörper oder einen CMC-Hybrid-Formkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 7 umfasst.
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