DIETRICH JENS (DE)
HOLLINGSWORTH PETER STUART (DE)
KREUZIGER SVEN (DE)
| DE102012017502A1 | 2013-12-05 | |||
| US20170341990A1 | 2017-11-30 | |||
| DE102014207789A1 | 2015-10-29 |
CHWA S O ET AL: "The influence of surface roughness of sprayed zirconia coatings on laser treatment", SURFACE AND COATINGS TECHNOLOGY, vol. 148, 1 November 2001 (2001-11-01), pages 88 - 95, XP055487789
S. COSTIL ET AL: "Influence of the Surface State on the Adherence of the Coating: Case of an Alumina Coating Plasma Sprayed on SiC Composites", JOURNAL OF THERMAL SPRAY TECHNOLOGY., vol. 20, no. 1-2, 17 September 2010 (2010-09-17), US, pages 68 - 75, XP055368035, ISSN: 1059-9630, DOI: 10.1007/s11666-010-9553-5
| Patentansprüche 1. Keramische Oberfläche (1), insbesondere eines CMC-Substrats (2), die umgeschmolzen wurde und dadurch rauer ausgebildet ist als vor der Umschmelzung, und insbesondere fraktal oder blumenkohlartig ausgebildet ist . 2. Keramische Oberfläche nach Anspruch 1, die sich kreuzende Stege (4, 7, ...) mit dadurch umschlosse¬ nen Vertiefungen (10) aufweist. 3. Keramische Oberfläche nach Anspruch 2, bei der die Vertiefungen (10) eckig, insbesondere quadratisch und/oder rechteckig und/oder drei- eckförmig sind. 4. Keramische Oberfläche nach Anspruch 2 oder 3, bei der die Vertiefungen (10) rund, insbesondere kreisförmig und/oder ovalförmig ausgebildet sind . 5. Keramische Oberfläche nach einem oder beiden der Ansprü- che 2 oder 3, bei der die Dicke der Stege (4, 7) gleich ist. 6. Keramische Oberfläche nach einem mehreren der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, bei der die Dicke der Stege (4, 7) unterschiedlich ist. Keramische Oberfläche nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, bei der die umschlossene Vertiefung (10) zwischen den Ste¬ gen (4, 7, ...) eine größeren Oberflächenrauheit aufweist als die Stirnseite der Stege (4, 7) . Keramische Oberfläche nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 5 oder 6, bei der auch die Stirnseiten (16) der Stege (4, 7, ...) eben falls erzeugte Vertiefungen (13) zur Erhöhung der Oberflächenrauheit aufweisen. CMC-Bauteil, mit einer keramischen Oberfläche (1) eines CMC-Substrats (2) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8. 10. CMC-Bauteil nach Anspruch 9, bei dem die keramische Oberfläche (1) des CMC-Substrats zu¬ mindest eine keramische Beschichtung auf der Oberfläche (1) aufweist . 11. Keramisches Bauteil nach einem oder beiden der Ansprüche 9 oder 10, bei dem das CMC-Substrat ein SiC/SiC-CMC mit SiC-Fasern darstellt . 2. Bauteil nach einem oder beiden der Ansprüche 9 oder 10, bei dem das CMC-Substrat eine keramische Matrix aus Alumi¬ niumoxid und Aluminiumoxidfasern und/oder Aluminiumoxid- /Mullite darstellt. 13. Keramisches Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprü¬ che 10, 11 oder 12, bei dem die keramische Beschichtung eine Zirkonoxidbe- schichtung darstellt. 14. Verfahren zur Herstellung einer Oberfläche (1) nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 oder 8, bei dem zur Herstellung der Vertiefungen (10) Material ab- getragen wird. 15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem eine Oberfläche, insbesondere innerhalb der herzustellenden Vertiefung (10), umgeschmolzen wird. |
Herstellung
Die Erfindung betrifft eine keramische Oberfläche, CMC-Bau ¬ teil und Verfahren zur Herstellung.
CMC-Bauteile (Ceramic Matrix Composits) weisen eine kerami ¬ sche Matrix mit darin eingebetteten keramischen Fasern auf, die die mechanische Festigkeit ergeben. Bekannt sind Sili- cium-Karbid-Keramiken mit Silicium-Karbid-Fasern . CMC-Bauteile bestehen aus mehreren CMC-Lagern.
Solche Bauteile werden aufgrund der Temperaturbeständigkeit oft im Turbinenbau wie Dampfturbinen, Gasturbinen oder Flug zeugtriebwerke eingesetzt.
Nichtsdestotrotz sollen diese CMC-Komponenten geschützt wer den durch weitere keramische Schichten, was immer eine gute Anbindung der keramischen Schicht (TBC) an das Substrat erfordert .
Die Aufgabe besteht darin, eine gute Anbindung der TBC an das CMC-Substrat zu erzielen.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine strukturierte Oberfläche gemäß Anspruch 1. In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden kön ¬ nen, um weitere Vorteile zu erzielen.
Zuerst wird die oberste CMC-Lage mittels eines Pico-Lasers bearbeitet, um eine verbesserte Mikrostruktur zu erzielen.
Das Umschmelzen der obersten CMC-Lage führt zu einer verbesserten Festigkeit. Die erste CMC-Lage sowie stellt auch eine verbesserte Oberflächenstruktur für die Anwendung einer keramischen TBC dar. Durch das Umschmelzen wird eine besonders raue, blumenkohlartige Oberfläche erzeugt, die ebenfalls vor ¬ teilhaft ist für die Anbindung einer keramischen Schicht obendrauf.
Der Hauptvorteil dieser Idee besteht in der Verbesserung der Beschichtbarkeit von CMC-Oberflächen sowie die Verbesserung der Festigkeit der ersten CMC-Lage. Die Neubildung der CMC- Oberfläche ermöglicht es andere mechanische Ausrauprozesse wie Sandstrahlen zu vermeiden, welches oft zu Schädigungen führt .
Das Umschmelzen der ersten CMC-Lage führt zu einer höheren Festigkeit des CMC an sich und zu einer verbesserten Anbindung einer TBC.
Solche CMC können als Schaufelmaterial verwendet werden, die dann für Turbinen mit höheren Einlasstemperaturen und damit mit höherer Turbineneffizienz verwendet werden können.
Es zeigen Figur 1, 2 und 3 Ausführungsbeispiele der Erfin ¬ dung . Die Beschreibung und die Figuren stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
Figur 1 zeigt eine raue keramische Oberfläche 1, die durch Umschmelzen einer Keramik, insbesondere eines keramischen CMC x s entstanden ist.
Sie hat eine blumenkohlartige Oberfläche 2, also eine frak- tale Oberfläche.
Diese Rauheit führt zur besseren Anhaftung einer TBC und/oder keramischen Anbindungsschicht . In Figur 2 ist eine strukturierte Oberfläche 1 gezeigt, die sich kreuzende Stege 4, 7 aufweist.
Die sich kreuzenden Stege 4, 7 entstanden insbesondere dadurch, dass in dem Bereich zwischen den Stegen 4, 7 Material entfernt wurde.
Das Material wird vorzugsweise durch einen Laser, insbeson ¬ dere durch einen Pico-Laser entfernt, insbesondere gleichzei ¬ tig durch das Umschmelzen.
Die umschlossene Vertiefung 10 zwischen den sich kreuzenden Stegen 4, 7 kann dreieckförmig, quadratisch, rechteckig sein oder jede andere Form aufweisen. Somit müssen die Stege 4, 7 auch nicht immer gleich dick sein bzw. die Strukturierung muss sich nicht über die gesamte Oberfläche 1 erstrecken.
Weiterhin kann die Vertiefung 10 zwischen den Stegen 4, 7 noch dadurch bearbeitet werden, dass sie eine zusätzliche Rauheit wie eine blumenkohlartige Oberfläche aufweist, insbe ¬ sondere durch Umschmelzung .
Zuerst wird die oberste CMC-Lage mittels eines Pico-Lasers bearbeitet, um eine verbesserte Mikrostruktur zu erzielen.
Das Schmelzen der obersten CMC-Lage führt zu einer verbesser- ten Festigkeit. Die erste CMC-Lage sowie stellt auch eine verbesserte Oberflächenstruktur für die Anwendung einer keramischen TBC dar. Durch das Umschmelzen wird eine besonders raue blumenkohlartige Oberfläche erzeugt, die ebenfalls vor ¬ teilhaft ist für die Anbindung einer keramischen Schicht obendrauf.
Der Hauptvorteil dieser Idee besteht in der Verbesserung der Beschichtbarkeit von CMC-Oberflächen sowie die Verbesserung der Festigkeit der ersten CMC-Lage. Die Neubildung der CMC- Oberfläche ermöglicht es andere mechanische Ausrauprozesse wie Sandstrahlen zu vermeiden, welches nur zu Schädigungen führt . Das Umschmelzen der ersten CMC-Lage führt zu einer höheren Festigkeit des CMC an sich und zu einer verbesserten Anbin- dung der TBC . Sowohl die Bildung von Stegen 4, 7 als auch die rauere Oberfläche zwischen den Stegen 4, 7 führt zu einer besseren An- haftung einer folgenden keramischen Beschichtung.
Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem auch auf den Stirnseiten 16 der Stege 4, 7 Vertiefungen 13 eingebracht wurden oder allgemein eine raue Oberfläche erzeugt wurde . Somit bildet jede Kontaktfläche mit einer folgenden kerami ¬ schen Beschichtung TBC eine höhere Oberflächenrauheit.
Die TBC auf der Oberfläche 1 weist insbesondere Zirkonoxid auf, teilstabilisiert oder vollstabilisiert, mit oder ohne keramische Anbindungsschicht .
Vorzugsweise wird sie durch HVOF-Plasmaspritzen aufgebracht.