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Patent Searching and Data


Title:
CMC MOULDED PART AND METHOD FOR PRODUCTION THEREOF
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/185394
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a CMC moulded part, in particular a CMC moulded part having means for fastening and/or for installation, in particular for fastening in a curved, bent or cylindrical surroundings and a method for production thereof which is based on the stacking of prepreg CMC layers. For the first time, the invention relates a CMC moulded part which comprises, as an integral component, a projection which can be used as means for fastening, in particular as a fixing rail.

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Inventors:
HÄRDL, Benno (Rosenheimerstr.50, Griesstättt, 83556, DE)
KRISPIN, Michael (Dorfstraße 1b, Vaterstetten, 85591, DE)
PHAM, Gia Khanh (Blumenweg 44, Neubiberg, 85579, DE)
WEIGAND, Maximilian (Gewerbestr. 5, Haag i. OB, 83527, DE)
Application Number:
EP2019/056757
Publication Date:
October 03, 2019
Filing Date:
March 19, 2019
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Werner-von-Siemens-Straße 1, München, 80333, DE)
International Classes:
B32B18/00; F01D5/04
Domestic Patent References:
WO2017025451A12017-02-16
Foreign References:
US20060121265A12006-06-08
Other References:
MATTHIEU LIBEERT: "Carbon Fiber Cover - Part 2", 16 February 2016 (2016-02-16), pages 1, XP054979468, Retrieved from the Internet [retrieved on 20190619]
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Claims:
Patentansprüche

1. CMC-Formteil in Form einer Wanne mit Überstand, zumindest einen CMC-Laminatlagen-Stapel umfassend, der an drei Seiten, die einen Boden, und jeweils zwei Längs- und zwei Quer-Seiten bilden, die sich jeweils gegenüberliegen, eine nach oben hin offene Wanne formt, wobei die Quer- und/oder Längsseiten der Wanne durch Umbiegen einer oder mehrerer CMC-Laminatlagen herstellbar ist und der Boden die Oberfläche eines Trägers in seiner Negativform wiedergibt, auf den der CMC-Laminatlagen- Stapel als Prepreg-CMC-Laminatlagen-Stapel vor dem Trocknen und Sintern abgelegt wurde und die Außenkontur der Wanne nicht den äußeren Umfang aller CMC-Laminatlagen des CMC- Laminatlagen-Stapels begrenzt, sondern eine oder mehrere CMC- Laminatlagen und/oder CMC-Laminatlagen-Streifen des CMC- Laminatlagen-Stapels die Wannen-Außenkontur überragen und damit zumindest auf einer Seite einen Überstand bilden.

2. CMC-Formteil nach Anspruch 1, das einen Überstand in Form einer Befestigungsschiene umfasst.

3. CMC-Formteil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, das einen CMC-Laminatlagen-Stapel umfasst, in den CMC-Laminatlagen und CMC-Laminatlagen-Streifen integriert sind.

4. CMC-Formteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, in dem CMC-Laminatlagen-Streifen den Überstand ganz oder teilweise bilden .

5. CMC-Formteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 4, bei dem eine oder mehrere CMC- Laminatlagen-Streifen in zumindest eine seitliche Wand des CMC-Formteils , das eine Wanne bildet, integriert sind.

6. CMC-Formteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, in dem in einem CMC-Laminatlagen-Stapel alternierend CMC-Laminat lagen und CMC-Laminatlagen-Streifen angeordnet sind.

7. CMC-Formteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem in zumindest einer Ecke der Wanne zumindest ein kleiner CMC-Laminatlagen-Stapel angeordnet ist, der diese Ecke verstärkt .

8. CMC-Formteil nach Anspruch 7, bei dem der kleine CMC- Laminatlagen-Stapel eine längliche Form hat.

9. CMC-Formteil nach einem der Ansprüche 7 oder 8, bei dem der kleine CMC-Laminatlagen-Stapel eine Länge im Bereich von 10 bis 25 mm hat.

10. CMC-Formteil nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem der kleine CMC-Laminatlagen-Stapel eine Breite im Bereich von 1 bis 5 mm hat.

11. CMC-Formteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dessen Boden gekrümmt oder gebogen ist.

12. CMC-Formteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Überstand auf gleicher Ebene wie der Boden angeordnet ist .

13. Verfahren zur Herstellung eines CMC-Formteils in Form einer Wanne mit Überstand, folgende Verfahrensschritte umfassend :

-Herstellen von Prepreg-CMC-Laminatlagen,

-Konfektionieren der Prepreg-CMC-Laminatlagen in CMC- Laminatlagen und CMC-Laminatlagen-Streifen,

- Ablegen der Prepreg-CMC-Laminatlagen und/oder der Prepreg- CMC-Laminatlagen-Streifen in und/oder auf einen festen Träger

- Biegen, Umbiegen und/oder Falzen der Prepreg-CMC- Laminatlagen oder der Prepreg-CMC-Laminatlagen-Streifen zur Ausbildung des Prepreg-CMC-Formteils in Wannenform mit

Überstand

-Trocknen des Prepreg-CMC-Formteils und

- Sintern des Prepreg-CMC-Formteils.

14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem Prepreg-CMC-Laminat- lagen und die Prepreg-CMC-Laminatlagen-Streifen bereichsweise im Prepreg-CMC-Laminatlagen-Stapel abgelegt werden. 15. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, der

Prepreg-CMC-Laminatlagen und Prepreg-CMC-Laminatlagen- Streifen zumindest in einem Bereich alternierend umfasst.

Description:
Beschreibung

CMC-Formteil und Verfahren zur Herstellung dazu

Die Erfindung betrifft ein CMC-Formteil, insbesondere ein CMC-Formteil mit Mittel zur Befestigung und/oder zum Einbau, insbesondere zur Befestigung in einem gekrümmten, gebogenen oder zylindrischen Umfeld und ein Herstellungsverfahren dazu, das auf der Stapelung von Prepreg-CMC-Lagen basiert.

In Turbinen, insbesondere in Heißgasturbinen, sowie in

Brenners und in Abgasanlagen werden Formteile eingesetzt, die hohen thermomechanischen und oxidativen Anforderungen

ausgesetzt sind. Diese Formteile werden oft auch in

grundsätzlich gebogene, insbesondere auch zylindrische

Gehäuse eingebaut. Damit eine lange Betriebsdauer der

Formteile gewährleistet ist, geht man dazu über, diese vermehrt aus Keramik, insbesondere aus Faserverstärkter

Verbundkeramik, so genannten Ceramic Matrix Composites, CMCs, dabei insbesondere aus oxidischen oder auf Siliziumcarbid basierenden CMCs, zu fertigen.

Aus der WO 2017/025451 Al ist ein CMC-Formteil bekannt, die eine Aufeinanderfolge von Laminat-Lagen aufweist, wobei die Laminat-Lagen keramischem Faserverbundwerkstoff umfassen.

Obwohl der Aufbau solcher CMC-Formteile durch Stapelung von Prepreg-CMC-Laminatlagen sehr komplexe geometrische CMC-Form teile zugänglich macht, ist es bislang noch nicht gelungen, geeignete Verbindungsstücke zu konstruieren, die zum Einbau gekrümmter oder gebogener Teilelemente geeignet sind und/oder sich ohne Schwachstellen aneinander fügen zu lassen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein CMC- Formteil zu schaffen, das einen Einbau in ein gebogenes und/oder gekrümmtes Umfeld erlaubt und/oder eine

Zusammenfügung mehrerer Formteile erleichtert. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der vorliegenden Anmeldung wie er in der Beschreibung, den Figuren und den Ansprüchen offenbart wird, gelöst.

Demnach ist Gegenstand der vorliegenden Anmeldung ein CMC- Formteil in Form einer Wanne mit Überstand, zumindest einen CMC-Laminatlagen-Stapel umfassend, der an drei Seiten, die einen Boden, und jeweils zwei Längs- und zwei Quer-Seiten bilden, die sich jeweils gegenüberliegen, eine nach oben hin offene Wanne formt, wobei die Quer- und/oder Längsseiten der Wanne durch Umbiegen einer oder mehrerer CMC-Laminatlagen herstellbar ist und der Boden die Oberfläche eines Trägers in seiner Negativform wiedergibt, auf den der CMC-Laminatlagen- Stapel als Prepreg-CMC-Laminatlagen-Stapel vor dem Trocknen und Sintern abgelegt wurde und die Außenkontur der Wanne nicht den äußeren Umfang aller CMC-Laminatlagen des CMC-Lami- natlagen-Stapels begrenzt, sondern eine oder mehrere CMC-La minatlagen und/oder CMC-Laminatlagen-Streifen des CMC-Lami- natlagen-Stapels die Wannen-Außenkontur überragen und damit zumindest auf einer Seite einen Überstand bilden.

Außerdem ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur

Herstellung eines CMC-Formteils in Form einer Wanne mit

Überstand, folgende Verfahrensschritte umfassend:

-Herstellen von Prepreg-CMC-Laminatlagen,

-Konfektionieren der Prepreg-CMC-Laminatlagen in CMC-Lami natlagen und CMC-Laminatlagen-Streifen,

- Ablegen der Prepreg-CMC-Laminatlagen und/oder der Prepreg- CMC-Laminatlagen-Streifen in und/oder auf einen festen Träger

- Biegen und Falzen der Prepreg-CMC-Laminatlagen oder der Prepreg-CMC-Laminatlagen-Streifen zur Ausbildung des Prepreg- CMC-Formteils in Wannenform mit Überstand

-Trocknen des Prepreg-CMC-Formteils und

- Sintern des Prepreg-CMC-Formteils.

Als „Wanne" wird vorliegend eine Form bezeichnet, die ein nach unten geschlossenes Gefäß bildet, das keinen Deckel hat. Eine Wanne hat deshalb einen Boden, der vier Kanten hat und vorliegend bevorzugt gekrümmt ist, wobei die Krümmung konvex oder konkav sein kann, und dieser Boden schließt an seinen vier Seiten jeweils an eine Seitenwand an, die eine Quer oder eine Längsseite ist. Bevorzugt sind diese Quer- und Längsseiten paarweise gegenüber angeordnet. Das ist die einfachste Form der Wanne, die hier gemeint ist. Es können aber auch viel kompliziertere Wannenformen gemäß der

Erfindung realisiert sein. Zur Ausbildung der Wanne und

Ablage des Prepreg-CMC-Laminatlagen-Stapels und/oder der Prepreg-CMC-Laminat-Streifen kann eine Negativform eingesetzt werden, die beispielsweise kein geschlossenes Gefäß

wiedergibt, sondern Aussparungen aufweist, durch die Prepreg- CMC-Laminatlagen-Teilstücke wie Prepreg-CMC-Laminat-Streifen hindurch gelegt werden können, damit sie eine gute

Verankerung im CMC-Laminatlagen-Stapel erfahren.

Als „Überstand" wird vorliegend ein CMC-Teilstück des CMC- Formteils bezeichnet, dass über die Außenkontur der Wanne hinaus ragt aber integraler Bestandteil des CMC-Formteils ist. Der Überstand stellt ein Mittel zur Verfügung, über das das CMC-Formteil mit einem weiteren CMC-Formteil und/oder einem entsprechenden Mittel zur Befestigung eines Gehäuses verbunden werden kann und damit eine Fixierung des mit

Überstand ausgestatten CMC-Formteils in einer bestimmten Position zu dem weiteren CMC-Formteil und/oder dem Gehäuse stattfindet .

Allgemeine Erkenntnis der Erfindung ist es, dass durch die Verwendung eines oxidbasierten faserverstärkten keramischen Verbundwerkstoffs - eines CMCs - gebogene CMC-Formteile wie Ringsegmente herstellbar sind und somit die Einsatztemperatur und die Effizienz einer damit ausgestatteten Turbine, beispielsweise einer Heißgasturbine, und/oder entsprechender Elemente eines Brenners oder eines Abgasstrangs, erhöht werden kann.

Besonders wurde erkannt, dass durch alternierende Ablage von Prepreg-CMC-Laminatlagen, die den Boden und die Wände, also beispielsweise den Boden und die Längs- und Querseiten bilden, einerseits und stabilisierenden Prepreg-CMC-Laminat- Streifen andererseits, eine optimale Integration eines durch die CMC-Laminat-Streifen zumindest teilweise gebildeten

Überstands in das CMC-Formteil erreicht und/oder die

Entstehung von Rissen sehr effektiv eingedämmt wird.

Es wurde beispielsweise erkannt, dass derartige, bevorzugt in den seitlichen Wänden des die Wanne bildenden CMC-Formteils integrierte Prepreg-CMC-Laminat-Streifen auch die Ausbildung von durchgehenden Stoßstellen der Prepreg-CMC-Laminatlagen eindämmen, die Schwachstellen des resultierenden CMC-Form teils in Form einer Wanne mit Überstand darstellen würden.

Als „Prepreg-CMC-Laminat" wird vorliegend ein mit einem entsprechenden, mineralisches Pulver umfassenden Schlicker imprägniertes oder infiltriertes Gelege aus keramischen

Fasern, keramischen Faserbündel, keramischen Fasergeweben und/oder keramischen Faserverbunden, verstanden. Daraus können Lagen, im Folgenden als CMC-Laminatlagen,

konfektioniert, also geschnitten werden, die entsprechend ihrer Form als Prepreg-CMC-Laminatlagen oder Prepreg-CMC- Laminatlagen-Streifen, kurz auch nur als Prepreg-CMC-Laminat- Streifen, bezeichnet werden.

Diese flächigen Prepreg-CMC-Laminat-Stücke werden auf einen festen Träger abgelegt und bilden dann eine dritte Dimension aus in dem sie einen Prepreg-Laminatlagen-Stapel formen, der Prepreg-CMC-Laminatlagen und/oder Prepreg-CMC-Laminatlagen- Streifen umfasst.

Nach dem Trocknen und gegebenenfalls auch dem Verdichten, beispielsweise in einem Autoklaven, erhält man einen

entsprechenden CMC-Grünkörper, der zum CMC-Formteil gesintert wird .

Zudem wurde erkannt, dass durch die Einbringung von

länglichen Prepreg-CMC-Laminatlagen-Stapel in die noch feuchte Prepreg-CMC-Wanne die Kanten zu verfüllen sind und eine Verdichtung bewirkt wird.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung hat der zumindest eine CMC-Laminatlagen-Stapel , der das CMC-Form- teil in Gestalt einer Wanne bildet, einen gekrümmten oder gebogenen Boden.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform bildet zumindest ein Überstand auf einer Seite der durch den CMC-Laminatlagen- Stapel gebildeten Wanne eine Befestigungsschiene.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform bilden die ersten CMC-Laminatlagen, die in Form ihrer Prepregs abgelegt werden, den Boden der Wanne und den Überstand, auf dem dann die restlichen CMC-Laminatlagen, die durch Umbiegen die

seitlichen Wände der Wanne bilden, abgelegt werden.

Nach einer anderen Ausführungsform bilden CMC-Laminatlagen oder CMC-Laminat-Streifen, die nicht oder nicht nur auf der CMC-Laminatlagen-Stapel-Ebene des Bodens der Wanne sondern beliebig, beispielsweise durchgehend verteilt im CMC-Laminat lagen-Stapel und/oder mittig im CMC-Laminatlagen-Stapel angeordnet sind, den Überstand über die Wannenaußenkontur. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, durch den CMC-Laminat lagen-Stapel auf der den Quer- und Längsseiten der Wanne entgegengesetzten Seite des Bodens Mittel zur Befestigung der Wanne auszubilden.

Eine CMC-Laminatlage des CMC-Laminatlagenstapels kann

beispielsweise durch Knicken, Falzen oder Formen im Zustand der feuchten Prepreg-CMC-Laminatlage in eine vorgegebene Form gebracht werden.

Im feuchten Zustand der Prepreg-CMC-Laminatlage ist diese nicht formstabil und wird auch während des Trocknens und/oder während der Verdichtung durch einen Träger oder ein Tooling stabilisiert. Erst im verdichteten und getrockneten Zustand, als Grünkörper vor oder nach dem Sintern wird der CMC-Lami- natlagen-Stapel formstabil.

Nach einer weiteren Ausführungsform bilden mehrere CMC- Laminatlagen, die in verschiedenen Höhen der Wannen-Seiten- wände angeordnet ist, den Überstand. Dadurch können beliebige Befestigungsmittel und/oder Befestigungsschienen zur

Fixierung der gesinterten Wannen aneinander und/oder an einen Träger wie die Innenwand einer Brennkammer, eines

Gasturbinengehäuses etc. hergestellt werden.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst der CMC-La- minatlagen-Stapel eine Reihe gleicher CMC-Laminatlagen und eine Reihe CMC-Laminatlagen mit jeweils unterschiedlicher Geometrie .

Alternativ oder ergänzend ist vorgesehen, dass eine aus einem CMC-Laminatlagen-Stapel gebildete Wanne auch noch weitere CMC-Elemente, beispielsweise in Form aufgebrachter CMC-Lami- nat-Streifen umfasst. Insbesondere ist vorgesehen, dass CMC- Laminat-Streifen zur Stabilisierung der Wannenform,

beispielsweise an Längs- und/oder Querwänden, vorgesehen sind, die dem CMC-Formkörper weitere Stabilität verleihen.

Beispielsweise bilden die ersten CMC-Laminatlagen einen gekrümmten Boden, auf dem weitere CMC-Laminatlagen, die die Wanne bilden, abgelegt werden. Die ersten CMC-Laminatlagen werden dabei nicht, wie die darauffolgenden zur Ausbildung von Quer- und Längswänden nach oben gebogen, sondern sie bilden den Überstand, der als Befestigungsschiene einsetzbar ist. Der Träger auf dem die feuchten Prepreg-CMC-Laminatlagen abgelegt werden, ist in dem Fall bevorzugt konkav.

Alternativ kann der Aufbau der Wannenform mit Längs- und Querwänden auch umgekehrt also Bottom-up erfolgen, wobei die obersten und letzten CMC-Laminatlagen des CMC-Laminatlagen- Stapels den Überstand über die Wannenform bilden und damit die Befestigungsschiene. Dabei werden die ersten CMC-Lami- natlagen des CMC-Laminatlagen-Stapels auf einem Träger abgelegt, der eine Negativform der Innenseiten der nach einer Seite hin offenen Wanner wiedergibt. Der Träger auf dem die flexiblen, feuchten Prepreg-CMC-Laminatlagen abgelegt werden hat dann bevorzugt eine konvexe Form.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform sind die CMC-Laminat- lagen, die den Überstand bilden, jedenfalls an einem Ende des CMC-Laminatlagen-Stapels angeordnet .

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden als Überstand beispielsweise bis zu 20, bevorzugt bis zu 10 und insbesondere bevorzugt weniger als 10 CMC-Laminatlagen eingesetzt .

Nach einem Beispiel zu Herstellung werden die flexiblen und feuchten Prepreg-CMC-Laminatlagen in eine feste Form als Träger abgelegt. Dabei bilden die ersten abgelegten Prepreg- CMC-Laminatlagen eine endkonturnahe Wannenform ab.

Beispielsweise werden dann für den Aufbau zumindest eines Überstands wie einer Befestigungsschiene Prepreg-CMC-Laminat- Streifen in eine Aussparung der festen Form, die

beispielsweise eine Negativ-Form der Wanne darstellt, abgelegt. So im Prepreg-CMC-Laminatlagen-Stapel verankerte Prepreg-CMC-Laminat-Streifen können beispielsweise über den Rand in der Ausdehnung der Befestigungsschiene hinausragen und durch Umbiegen als noch feuchten und formbaren Prepreg- CMC-Laminat-Streifen in der Wanne noch einen Teil einer

Seitenwand bilden. Diese Form der Verankerung bildet eine besonders stabile Integration einer Befestigungsschiene in dem CMC-Formteil , das beispielsweise ein Ringsegment einer Gasturbine bildet.

Beispielsweise wird die WannenStruktur im Wesentlichen durch alternierende Lagen aus Bodenlage mit integrierten

Wandelementen und einem Boden mit einem zusätzlichen CMC- Laminat-Streifen, der als Wand dient , aufgebaut . Die Anzahl der Lagen ergibt sich aus der benötigten Wandstärke . Für die Festigkeit und Temperaturstabilität eines thermomechanisch und/oder oxidativ stark belasteten CMC-Formteils , wie eines Ringsegments einer Gasturbine, wird bevorzugt die Anzahl und Größe von Hohlräumen minimiert . Insbesondere der Übergang von Boden zu Wand in der Wanne ist hierbei ein kritischer

Bereich, der zur Hohlraumbildung tendiert . Dies liegt auch an den elastischen Eigenschaften des Prepregs-CMC-Laminats , das als Prepreg-CMC-Laminatläge und/oder als Prepreg-CMC- Laminatstreifen eingesetzt wird .

Daher wird vor dem Aufbau der letzten 2 - 5 Lagen am Übergang von Boden zu Wand zumindest ein, hier als „kleiner CMC-Lami- natlagen-Stapel" bezeichneter, Prepreg-CMC-Laminatlagen- Stapel mit einem geringem Querschnitt, beispielsweise mit einem Querschnitt von ca. 1 bis 20 mm * 1 bis 20 mm,

insbesondere von 2 bis 15 mm * 2 bis 15 mm, besonders

bevorzugt von 3 bis 1 Omm * 3 bis 10mm, eingebracht , der im Weiteren Prozessverlauf die Stabilität und/oder die

Verdichtung besonders in diesem kritischen Bereich erhöht . Dieser kleine CMC-Laminatlagen-Stapel ist bevorzugt länglich . Vorteilhafterweise hat er eine Länge im Bereich von 10 bis 25 mm und eine Breite im Bereich von 1 bis 5 mm.

Alternativ oder ergänzend dazu gibt es als eine weitere

Methode zur Verbesserung der Verdichtung die Aufbringung eines faserverstärkten flexiblen Stempels , beispielsweise aus Silikon, der auf die letzte Prepreg-CMC-Laminatläge

aufgebracht wird .

Im weiteren Verlauf wird die feste Form, gefüllt mit den Prepreg-CMC-Laminatlagen, zum Trocknen und Verdichten einem Autoklavierprozess unterzogen .

Nach dem Trocknen wird der Grünkörper zur Herstellung des fertigen CMC-Formteils gesintert. Optional kann auf dem CMC- Formteil eine thermische Schutzschicht angebracht werden. Für die Herstellung von Halterungsvorrichtungen wie

beispielsweise Befestigungsschienen ist auch deren

Integration in den Grundkörper des gekrümmten oder gebogenen CMC-Formteils notwendig.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform wird zumindest eine Befestigungsschiene ganz oder teilweise über Streifen, die in die jeweils an die Befestigungsschiene angrenzende Wand der Wanne durch Umbiegen, wie oben beschrieben, integriert ist, aufgebaut.

Durch die Erfindung wird erstmals ein CMC-Formteil angegeben, das als integralen Bestandteil einen Überstand umfasst, der als Mittel zur Befestigung, insbesondere als

Befestigungsschiene nutzbar ist.