CMC Komponente mit gestapelten Schichten CMC steht für „ceramic matrix composites" und kann in das

Deutsche mit „Verbundwerkstoffe mit einer keramischen Matrix" oder „Keramische Faserverbundwerkstoffe" übersetzt werden.

Keramische Faserverbundwerkstoffe sind eine Werkstoffklasse innerhalb der Gruppe der Verbundwerkstoffe. Sie sind charak ^¬ terisiert durch keramische Fasern, die in einen

Keramikwerkstoff eingebettet sind und ihn dadurch mechanisch verstärken . Matrix und Fasern können im Prinzip aus allen bekannten keramischen Werkstoffen bestehen (oxidisch und nicht-oxidisch) , wobei in diesem Zusammenhang auch Kohlenstoff als keramischer Werkstoff behandelt wird. Die Erfindung betrifft ein thermisch und/oder mechanisch belastetes Bauteil, insbesondere ein Turbinenbestandteil, bei ^¬ spielsweise eine Leitschaufel oder eine Laufschaufei , die ei ^¬ ne Aufeinanderfolge von Schichten aufweist. Die Erfindung be ^¬ trifft ebenso eine entsprechende Verwendung.

Herkömmlicherweise werden für Komponenten oder Bestandteile des Heißgaspfades von Gasturbinen Nickel-Basis- Superlegierungen mit zusätzlichen Schutzummantelungen verwendet. Vor dem Hintergrund der langjährigen Geschichte der bisherigen Forschungs- und Entwicklungsbemühungen und den erreichten Fortschritten der vergangenen Jahre erscheint es als fraglich, ob die Temperaturbeständigkeit dieser Nickel-Basis- Superlegierungen noch signifikant verbessert werden kann. Weiterhin sind keramische Verbundmaterialien bekannt, wie es beispielsweise die keramischen Faserverbundwerkstoffe sind, die durch ihre verbesserte Temperaturbeständigkeit, kleinere Dichte und besseren Oxidationswiderstand eine alternative Ma- teriallösung zu den Nickel-Basis-Superlegierungen darstellen. Der begrenzte Risswiderstand und die begrenzte Schadenstole ^¬ ranz von keramischen Materialien kann wesentlich durch die Faserverstärkung verbessert werden. Die mechanische Belast- barkeit von herkömmlicher Weise verwendeten Ox-Ox-CMC-

Bestandteilen ist allerdings infolge von Versprödung der Fasern (insbesondere aufgrund Kornwachstum) , Versintern der Matrix und Reaktionen von Matrix und/oder Faser mit der Umgebungsatmosphäre (z.B. Wasserdampfkorrosion) bei hohen Tem- peraturen begrenzt. Folglich ist die Verwendung von herkömmlichen Ox-Ox-CMC-Komponenten in Gasturbinen auf stationäre Komponente bzw. Bestandteile mit einer moderaten thermischen und/oder mechanischen Belastung begrenzt.

Zur Überwindung dieser Beschränkungen wurden bereits hybride Entwurfskonzepte vorgeschlagen, die gestapelte Ox-Ox-CMC- Laminate verwenden, die durch einen zusätzlichen Metallkern verstärkt sind. Dies ermöglicht die Vergrößerung der erlaub ^¬ ten Betriebstemperatur der Ox-Ox-CMC-Bestandteile, da diese die wesentliche strukturelle Last nicht tragen, aber zu einem wirksamen thermischen Schutz beitragen. Jedoch gibt es weiterhin eine maximal mögliche Temperatur für die Ox-Ox-CMC- Bestandteile, um die erforderliche strukturelle Integrität zu gewährleisten. Dies verursacht Entwurfsrandbedingungen und mögliche Zuverlässigkeitsaufgaben in Bereichen, wo eine Kühlluftzufuhr schwierig ist, und zwar beispielsweise im Bereich einer Hinterkante einer Leitschaufel.

Es ist Aufgabe ein strukturelles Materialsystem mit einer ausreichenden mechanischen Stabilität, beispielsweise hinsichtlich Kriechfestigkeit, Bruchfestigkeit, Schadentoleranz, sowie einer wesentlich höheren Temperaturfestigkeit und einer Beständigkeit gegen Umwelteinflüssen unter Betriebsbedingungen für Turbinenbestandteile bereitzustellen. Es soll ein thermischer Wirkungsgrad für eine Leistungsbereitstellung von Turbinensystemen mittels Vergrößerung einer Betriebstemperatur und/oder mittels einer Verkleinerung einer zur Bereitstellung einer sicheren strukturellen Stabilität von ther- misch belasteten Bestandteilen erforderlichen Kühlluftmenge vergrößert werden.

Die Aufgabe wird durch ein Turbinenbestandteil gemäß dem Hauptanspruch und eine entsprechende Verwendung gemäß dem Ne ^¬ benanspruch gelöst.

Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Turbinenbestandteil, ins ^¬ besondere eine Leitschaufel oder eine Laufschaufei , vorge ^¬ schlagen, das eine Aufeinanderfolge von Laminaten oder

Schichten aufweist, die aus unterschiedlichen keramischen Faser-Verbundwerkstoff-Zusammensetzungen je Schicht bestehen.

Es wird damit vorgeschlagen, ein herkömmliches Ox-Ox-CMC- gestapeltes Laminat-Konzept weiterzuentwickeln, und zwar der ^¬ art, dass eine Gesamttemperaturstabilität sowie eine struktu ^¬ relle Stabilität im Vergleich zum Stand der Technik verbes ^¬ sert werden. Es erfolgt eine vorteilhafte Kombination von verschiedenen CMC-Materialien, um herkömmliche Leistungsfähigkeitseinschränkungen von Turbinenkomponenten beruhend auf dem gestapelten Laminat-CMC-Konzept zu überwinden.

Es wird vorgeschlagen, die Temperatur und mechanische Last- Beständigkeit von gestapelten Laminat-CMC-Komponenten mittels Verwendung von CMC-Schichten mit unterschiedlicher Zusammensetzung im Vergleich zum Stand der Technik zu verbessern.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung können die unterschiedlichen Schichten aus SauerstoffVerbindungen oder aus Nicht-SauerstoffVerbindungen bestehen .

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die aus SauerstoffVerbindungen bestehenden Schichten Ox-Ox-CMC- Schichten sein. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die aus Nicht-SauerstoffVerbindungen bestehenden Schichten SiC- SiC-CMC-Schichten sein. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Dicken der jeweiligen Schichten zum Standhalten einer thermischen und einer mechanischen Beanspruchung ausgewählt sein.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Reihenfolge der keramischen Faser-Verbundwerkstoff-Zusammensetzungen der Schichten zum Standhalten einer thermischen und einer mechanischen Beanspruchung ausgewählt sein.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Schichten und/oder die Reihenfolgen mittels Simulation von Wärmeflüssen und/oder mechanischen Kräften ausgewählt sein.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Schichten abwechselnd aus zwei unterschiedlichen keramischen Faser-Verbundwerkstoff-Zusammensetzungen bestehen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Dicken der Schichten gleich sein. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Schichten als Laminate erzeugt sein.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Schichten ein einen aufgeteilten Metallkern aufweisendes La- minat-Profil mit einer Hinterkante ausbilden.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen:

Figur 1 ein Ausführungsbeispiel eines herkömmlichen Turbi nenbestandteils ; Figur 2 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Turbinenbestandteils .

Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines herkömmlichen Turbinenbestandteils I. Ein Beispiel eines herkömmlichen Kom- ponentendesignkonzeptes , das auf einem Stapel von laminierten Ox-Ox-CMC-Komponenten beruht. Die Temperatur und die mechanische Standhaltungsfähigkeit bzw. Leistungsfähigkeit einer ge ^¬ stapelten Laminat-CMC-Komponente beruht in erster Linie auf einer Ox-Ox-CMC-Komponente, insbesondere infolge von Körner ^¬ wachstum und Reaktionen mit der Matrix und/oder der Umgebung bei großer Temperatur. Entsprechend sind verbesserte ... zum Schutz vor thermischen Einflüssen oder Umwelteinflüssen erforderlich. Ebenso ist eine ausreichende Kühlluftzufuhr über einen Metallkern M erforderlich. Jedoch ist die Leistungsfähigkeit und die Stabilität des Ummantelungssystems ebenso wie die Kühlluftzufuhr begrenzt.

Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Turbinenbestandteils I. Figur 2 zeigt ein Beispiel einer

Leitschaufel oder einer Laufschaufel L in Ausgestaltung eines Laminat-Profils für eine Turbine, insbesondere Gasturbine. Das Laminat-Profil ist als ein gestapelter und laminierter CMC-Flügel mit wechselnden CMC-Materialschichten geschaffen. Diese Materialschichten weisen einerseits Ox-Ox-Bestandteile und andererseits SiC-SiC-Material auf. Die SiC-SiC-CMC- Schichten weisen eine im Vergleich zum Stand der Technik größere Temperaturbeständigkeit, und zwar um 100 K größer auf. Dies bewirkt eine Vergrößerung der gesamten strukturellen In- tegrität des gestapelten und laminierten CMC- Turbinenbestandteils I. Dieses Turbinenbestandteil I ist hier die Laufschaufel L, die einen Stapel von Schichten S auf ^¬ weist. Aufgrund der abwechselnden SchichtZusammensetzungen ist es möglich, die strukturelle Integrität insbesondere von schwer zu kühlenden Bereichen der Laufschaufel L, beispielsweise im Bereich einer Hinterkante H zu gewährleisten. Die Dicken der verschiedenen CMC-Schichten, die hier Oxid- oder Nicht-Oxid-Schichten sind, sowie die Stapelfolge sind die Schlüsselgeometrie- und Design-Parameter zur Einstellung von thermischen Eigenschaften, insbesondere hinsichtlich eines Wärmeflusses, zur Vermeidung von thermischen Fehlanpassungen und der strukturellen Stabilität des laminierten CMC-Stapels. Zur Bereitstellung einer optimalen CMC- Schichtdickenverteilung und einer Stapelreihenfolge werden Wärmeübergangs- und thermo-mechanische Belastungssimulationen vorgeschlagen .

Die Kombination von Ox-Ox-CMC-Schichten, die aufgrund deren kleiner thermischer Leitfähigkeit einen wirksamen thermischen Schutz ausbilden, und von SiC-SiC-CMC-Schichten mit einer großen thermischen Stabilität, in Verbindung mit einer Auswahl von Dicken und Stapelreihenfolgen ermöglicht eine wesentlich verbesserte Temperaturbeständigkeit und eine vergrö ^¬ ßerte strukturelle Integrität von gestapelten und laminierten CMC-Bestandteilen .

Die Erfindung betrifft eine CMC-Komponente, insbesondere ein Turbinenbestandteil, insbesondere eine Leitschaufel oder Laufschaufei , aufweisend eine Aufeinanderfolge von Laminat ^¬ artigen Schichten, wobei die Schichten aus zueinander unterschiedlichen keramischen Faserverbundwerkstoff- Zusammensetzungen bestehen.

Ein Laminat ist ein Produkt, das insbesondere aus zwei oder mehreren flächig miteinander verklebten Schichten besteht.