WO2019179702A1 - Verfahren zur herstellung eines keramischen faserverstärkten-matrixwerkstoff-cmc-formkörpers mit kühlkanälen, sowie entsprechender formkörper - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines keramischen faserverstärkten-matrixwerkstoff-cmc-formkörpers mit kühlkanälen, sowie entsprechender formkörper Download PDF

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    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Definitions

  • the invention relates to a method for the production of cooling channels in ceramic fiber-reinforced matrix material CMC moldings as well as a ke produced by the process Ke ramischen fiber-reinforced matrix material CMC molding with cooling channels.
  • Ceramic fiber reinforced composite materials internationally called Ceramic Matrix Composites - CMCs - show very good thermo-mechanical properties at high temperatures and also high damage tolerance, high mechanical strength at temperatures up to 1200 ° C. In addition, they also show excellent high-temperature oxidation resistance and can therefore be used in turbines, especially hot gas turbines, in burners of any kind and / or form elements of a gas branch.
  • oxidic CMCs ie ceramic fiber-reinforced shaped bodies based on oxidic materials
  • silicon-carbidic CMCs ie fiber-reinforced shaped bodies based on silicon carbide
  • the moldings are used reinforced in applications with strong Tem peraturbelastung, is an active cooling of the moldings, especially in fiber-reinforced matrix material CMC moldings with large wall thickness, so for example with a thickness greater than about 5mm, in particular greater about 6 mm required.
  • Active cooling usually takes place via air cooling in special cooling structures, inter alia with cooling holes and / or cooling channels.
  • long cooling channels for example, those with a length up to 20 cm and a Diameter smaller than 3mm, used in the hottest zones of construction parts, such as in the wing trailing edges, the so-called trailing edges -TE- gas turbine blades and / or on the bottom surfaces on the hot gas side in the ring segments in hot gas turbines, and in Share appropriate construction of an exhaust system.
  • the cooling channels are conventionally produced in finished sintered CMCs via ultrasonic assisted mechanical drilling.
  • Very expensive drills with special hard material coating are used for this purpose. Nevertheless, it is technically difficult to produce on the one hand channels with a good geometric tolerance and straightness and on the other hand to avoid damage such as cracks in the CMC molding.
  • Object of the present invention is therefore to overcome the above ge called disadvantages of the prior art and to provide a method for producing the cooling channels available, which is inexpensive to implement.
  • the object of the invention and the object of the present invention is therefore a method for producing cooling channels in ceramic fiber-reinforced matrix material CMC molded bodies, comprising the following method steps: Production of prepreg CMC layers by wetting / impregnating / infiltrating ceramic fibers and / or tissue of ceramic fibers with slip
  • the subject of the invention is a molded body made of CMC with long cooling channels, obtainable by the above-described ne method.
  • the bores of the prepreg CMC layers are dimensionally stable when the prepreg CMC layers are stabilized after lay-up as a laminate stack by a so-called hard tooling tool.
  • the holes are made through the respective hardware tools along prefabricated guides of the hardware tools.
  • CMCs there is also a possibility for automating the cooling channel production with CMCs.
  • tubes in particular those made of metal or a metal alloy, because these are both stable to drying, crizspielswei se also under elevated pressure, as in the autoclave method, maintaining their shape unchanged and on the other hand because the metallic tubes are inert to the slurry and wet prepreg CMC laminate ply stack so they are easy to remove.
  • metals such as aluminum or steel have proved to be a useful material for reusable wildcards.
  • the prepreg CMC layers are preferably deposited in a hard tool which already has prepared guide openings for the bores.
  • a hard tool can be a negative form of a shaped article to be produced.
  • the individual prepreg CMC layers are then deposited in the hard tool so that a prepreg CMC laminate layer stack is formed.
  • a hardtool can also have a cover, that is to say an upper end, which also provides that the latter then closes the hardtool.
  • a lid of a hard tool can be screwed onto the lower part. It is particularly advantageous if the bores of the wet prepreg CMC laminate layer stack follow it when it is in the screwed hard tool.
  • the hard tool can also have a curved shape, for example, for the production of ring segments. After drilling the resulting holes are gesi chert by placeholders, which may be Chen as described above, for example, metal.
  • the invention describes a way to produce long and thin cooling channels in ceramic fiber reinforced matrix material CMC moldings by drilling with conventional tools.
  • the hole is simply made prior to solidification of the CMC molding in the state of wet prepreg CMC laminate ply stack and stabilized by introducing as the removable placeholders for drying and / or sintering.
  • the invention relates to a method for the production of cooling channels in ceramic fiber-reinforced matrix material CMC moldings as well as a ke produced by the process Ke ramischen fiber-reinforced matrix material CMC molding with cooling channels.
  • the cooling channels are generated in the wet green body by drilling with conventional drills and then stabilized by placeholders that are removed again after sintering at the latest.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Kühlkanälen in keramischen Faserverstärkten-Matrixwerkstoff-CMC- Formkörpern sowie einen nach dem Verfahren hergestellten keramischen Faserverstärkten-Matrixwerkstoff-CMC-Formkörper mit Kühlkanälen. Die Kühlkanäle werden im nassen Grünkörper durch Bohrungen mit herkömmlichen Bohrern erzeugt und daraufhin durch Platzhalter, die spätestens nach dem Sintern wieder entfernt sind, stabilisiert.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Herstellung eines keramischen Faserverstärkten- Matrixwerkstoff-CMC-Formkörpers mit Kühlkanälen sowie ent sprechender Formkörper
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Kühl kanälen in keramischen Faserverstärkten-Matrixwerkstoff-CMC- Formkörpern sowie einen nach dem Verfahren hergestellten ke ramischen Faserverstärkten-Matrixwerkstoff-CMC-Formkörper mit Kühlkanälen .
Keramische faserverstärkte Kompositmaterialien, international Ceramic Matrix Composites - CMCs - genannt, zeigen sehr gute thermo-mechanische Eigenschaften bei hohen Temperaturen und auch hohe Schadenstoleranz , hohe mechanische Festigkeit bei Temperaturen bis 1200°C. Daneben zeigen sie auch ausgezeich nete Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit und können daher in Turbinen, insbesondere auch Heißgasturbinen, in Brennern jeglicher Art eingesetzt werden und/oder Elemente eines Ab gasstrangs bilden.
Es werden sowohl oxidische CMCs, also keramische faserver stärkte Formkörper auf oxidischer Materialbasis als auch Si- lizium-carbidische CMCs, also faserverstärkte Formkörper auf Siliziumcarbid-Basis entwickelt.
Da die Formkörper verstärkt bei Anwendungen mit starker Tem peraturbelastung eingesetzt werden, ist eine aktive Kühlung der Formkörper, insbesondere bei Faserverstärkten-Matrix- werkstoff-CMC-Formkörpern mit großer Wandstärke, also bei spielsweise mit einer Dicke größer ungefähr 5mm, insbesondere größer circa 6 mm erforderlich.
Die aktive Kühlung erfolgt üblicherweise über Luftkühlung in speziellen Kühlstrukturen unter anderem mit Kühllöchern und/ oder Kühlkanälen. So werden beispielsweise lange Kühlkanäle, beispielsweise solche mit einer Länge bis zu 20 cm und einem Durchmesser kleiner als 3mm, in den heißesten Zonen der Bau teile gebraucht, wie z.B. in den Flügel-Hinterkanten, den so genannten Trailing Edges -TE- bei Gasturbinenschaufeln und/ oder auf den Bodenflächen auf der Heißgasseite bei den Ring segmenten bei Heißgasturbinen, sowie in entsprechenden Bau teilen eines Abgasstrangs.
Die Erzeugung derartiger Kühlkanäle bei den Bauteilen aus CMCs ist bisher sehr aufwändig und kostenintensiv.
Die Kühlkanäle werden herkömmlich in fertiggesinterten CMCs über Ultraschall-unterstütztes mechanisches Bohren erzeugt. Die Erzeugung von langen Kühlkanälen wie beschrieben von ei ner Länge bis zu 25 cm, bevorzugt bis zu 20 cm mit kleinen Durchmessern also beispielsweise mit Durchmessern von kleiner 3mm, bevorzugt kleiner 2 mm, insbesondere kleiner 1,8 mm, stellt dabei eine große technische Herausforderung dar. Es werden sehr teure Bohrer mit spezieller Hartstoff-Beschich- tung dafür eingesetzt. Trotzdem ist es technisch oft schwie rig einerseits Kanäle mit einer guten Geometrietoleranz und Geradlinigkeit zu erzeugen und andererseits Schädigungen wie Risse des CMC-Formkörpers zu vermeiden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, die oben ge nannten Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ein Verfahren zur Erzeugung der Kühlkanäle zur Verfügung zu stellen, das kostengünstig realisierbar ist.
Diese Aufgabe wird vorliegend durch den Gegenstand der Erfin dung, wie er in der Beschreibung und den Ansprüchen offenbart ist, gelöst.
Die Lösung der Aufgabe und der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher ein Verfahren zur Erzeugung von Kühlkanä len in keramischen Faserverstärkten-Matrixwerkstoff-CMC-Form- körpern, folgende Verfahrensschritte umfassend: - Erzeugung von Prepreg-CMC-Lagen durch Benetzen/Impräg- nieren/Infiltrieren von keramischen Fasern und/oder Ge webe aus keramischen Fasern mit Schlicker
- Stapeln der keramischen Prepreg-CMC-Lagen zur Herstel lung des Grünkörpers zur Bildung eines Prepreg-CMC- Laminatlagen-Stapels
- Bohren der Kühlkanäle in den ungesinterten Grünkörper
- Stabilisierung der gebildeten Kühlkanäle durch Einführen von Platzhaltern in den Grünkörper,
- Trocknen des Grünkörpers und
- Sintern der getrockneten Grünkörper, wobei die Platzhal ter entweder durch das Trocknen und/oder Sintern sich auflösen, zersetzen und/oder sonst wie entweichen oder durch Herausnehmen nach dem Trocknen und/oder nach dem Sintern entfernt werden.
Außerdem ist Gegenstand der Erfindung ein Formkörper aus CMC mit langen Kühlkanälen, erhältlich durch das oben beschriebe ne Verfahren.
Allgemeine Erkenntnis der Erfindung ist es, dass Kühlstruktu ren über Bohrungen mit herkömmlichen Werkzeugen zwar nicht im fertigen CMC-Formkörper erzeugbar sind, wohl aber in dessen Vorläufer, den nassen Prepreg-CMC-Lagen.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden die Bohrungen der Prepreg-CMC-Lagen formstabil durchgeführt, wenn die Prepreg-CMC-Lagen nach dem Lay-up als Laminatstapel durch ein so genanntes Hard-Tooling-Werkzeug stabilisiert sind .
Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn die Bohrungen durch die jeweiligen Hardtools hindurch entlang vorgefertigter Führungen der Hardtools erfolgen. Da mit ergibt sich auch eine Möglichkeit zur Automatisierung der Kühlkanal-Herstellung bei CMCs . Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden als Platzhalter beispielsweise Röhrchen, insbesondere solche aus Metall oder einer Metalllegierung eingesetzt, weil diese einerseits stabil sind gegenüber der Trocknung, beispielswei se auch unter erhöhtem Druck, wie im Autoklaven-Verfahren, ihre Form unverändert beibehalten und andererseits weil die metallischen Röhren inert sind gegenüber dem Schlicker und dem nassen Prepreg-CMC-Laminatlagen-Stapel , so dass sie sich leicht wieder entfernen lassen.
Insbesondere haben sich dabei Metalle wie Aluminium oder Stahl als brauchbares Material für wieder herausnehmbare Platzhalter erwiesen.
Als besonders vorteilhaft hat sich dabei auch gemäß der Er findung gezeigt, dass durch die Bohrungen der nassen CMC- Prepregs zwar Schäden am CMC-Material entstehen aber diese zum anderen durch das Trocknen und/oder das Sintern wieder repariert, also geheilt, werden.
Bevorzugt werden die Prepreg-CMC-Lagen in einem Hardtool, das bereits vorbereitete Führungsöffnungen für die Bohrungen hat, abgelegt .
Ein Hardtool kann eine Negativ-Form eines herzustellenden Formkörpers sein. In das Hardtool werden dann die einzelnen Prepreg-CMC-Lagen abgelegt, damit ein Prepreg-CMC-Laminat- lagen-Stapel gebildet wird. Beispielsweise kann ein Hardtool auch über einen Deckel, also einen oberen Abschluss, verfü gen, wobei auch vorgesehen ist, dass dieser dann das Hardtool verschließt .
Beispielsweise kann ein Deckel eines Hardtools auf den Unter teil angeschraubt werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Bohrungen des nassen Prepreg-CMC-Laminatlagen-Stapels er folgen, wenn er im zugeschraubten Hardtool ist. Das Hardtool kann beispielsweise für die Herstellung von Ringsegmenten auch eine gebogene Form haben. Nach der Bohrung werden die entstandenen Bohrlöcher durch Platzhalter gesi chert, die wie oben beschrieben, beispielsweise Metallröhr chen sein können.
Die Erfindung beschreibt eine Möglichkeit, lange und dünne Kühlkanäle in keramischen Faserverstärkten-Matrixwerkstoff- CMC-Formkörper durch Bohren mit herkömmlichen Werkzeugen zu erzeugen. Dazu wird einfach vor der Verfestigung des CMC- Formkörpers, im Zustand der nassen Prepreg-CMC-Laminatlagen- Stapel die Bohrung vorgenommen und durch Einbringen von wie der entfernbaren Platzhaltern für die Trocknung und/oder das Sintern stabilisiert.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Kühl kanälen in keramischen Faserverstärkten-Matrixwerkstoff-CMC- Formkörpern sowie einen nach dem Verfahren hergestellten ke ramischen Faserverstärkten-Matrixwerkstoff-CMC-Formkörper mit Kühlkanälen. Die Kühlkanäle werden im nassen Grünkörper durch Bohrungen mit herkömmlichen Bohrern erzeugt und daraufhin durch Platzhalter, die spätestens nach dem Sintern wieder entfernt sind, stabilisiert.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Erzeugung von Kühlkanälen in keramischen Fa- serverstärkten-Matrixwerkstoff-CMC-Formkörpern, folgende Ver fahrensschritte umfassend:
- Erzeugung von Prepreg-CMC-Lagen durch Benetzen/Impräg- nieren/Infiltrieren von keramischen Fasern und/oder Ge webe aus keramischen Fasern mit Schlicker
- Stapeln der keramischen Prepreg-CMC-Lagen zur Herstel lung des Grünkörpers zur Bildung eines Prepreg-CMC- Laminatlagen-Stapels
- Bohren der Kühlkanäle in den ungesinterten Grünkörper
- Stabilisierung der gebildeten Kühlkanäle durch Einführen von Platzhaltern in den Grünkörper,
- Trocknen des Grünkörpers und
- Sintern der getrockneten Grünkörper, wobei die Platzhal ter entweder durch das Trocknen und/oder Sintern sich auflösen, zersetzen und/oder sonst wie entweichen oder durch Herausnehmen nach dem Trocknen und/oder nach dem Sintern entfernt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei nach dem Trocknen des Grünkörpers und vor dem Sintern ein Verfahrensschritt zur Herausnahme der Platzhalter geschaltet wird.
3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei Kühlkanäle in einer Länge von bis zu 35 cm gebohrt und stabi lisiert werden.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei Kühlkanäle in einer Länge von bis zu 25 cm gebohrt und stabi lisiert werden.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei Kühlkanäle in einer Länge von bis zu 20cm gebohrt und stabi lisiert werden.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei Kühlkanäle mit einem Durchmesser von bis zu 5mm gebohrt wer den .
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei Kühlkanäle mit einem Durchmesser von bis zu 3 mm gebohrt wer den .
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei Kühlkanäle mit einem Durchmesser von bis zu 2 mm gebohrt wer den .
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei als Platzhalter Röhrchen eingesetzt werden.
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei als Platzhalter metallische Röhrchen eingesetzt werden.
11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Bohrungen vor dem Trocknen des Prepreg-CMC-Laminatlagen- Stapels in einem Hardtool erfolgen.
12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Bohrungen des Prepreg-CMC-Laminatlagen-Stapels , der durch eine Hardtool stabilisiert ist, das zumindest eine Führungs öffnung für zumindest eine Bohrung hat.
13. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Bohrungen in einem geschlossenen Hardtool erfolgen.
14. Formkörper aus CMC, erhältlich durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13.
15. Formkörper aus CMC, erhältlich durch Trocknen und Sintern von Prepreg-CMC-Laminatlagen-Stapel , der über 20cm lange Kühlkanäle hat.
PCT/EP2019/053764 2018-03-23 2019-02-15 Verfahren zur herstellung eines keramischen faserverstärkten-matrixwerkstoff-cmc-formkörpers mit kühlkanälen, sowie entsprechender formkörper WO2019179702A1 (de)

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