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Patent Searching and Data


Title:
CMC MOULDED BODY HAVING A SURFACE COMPRISING GLASS CERAMIC, AND METHOD FOR PRODUCTION THEREOF
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/115266
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a moulded body such as, for example, a turbine component of a gas turbine and/or a component of an exhaust gas tract, which are made at least in part of CMC, that is to say ceramic matrix composite, and/or a CMC/metal hybrid, and have a new surface which is improved in particular with regard to stability thereof. The invention relates in particular to improving the adhesion of coatings to a CMC surface, and to a method of production for improved adhesion of a coating - which is, for example, resistant to thermal loads - on a CMC surface. The invention offers, for the first time, a possibility of specifying how the surface of CMC - for example, for roughening - can be made mechanically less sensitive, stabilised and/or reinforced. For this purpose, a glass ceramic is worked into the surface of the CMCs and/or applied thereto. In a particularly preferred embodiment, a glass ceramic slip is sintered together with and in combination with a CMC green body.

Inventors:
LAMPENSCHERF STEFAN (DE)
Application Number:
PCT/EP2018/083314
Publication Date:
June 20, 2019
Filing Date:
December 03, 2018
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AG (DE)
International Classes:
C04B41/85; C04B41/86; C04B41/89; F01D5/28
Foreign References:
DE102014106560B32015-07-30
US20100129673A12010-05-27
US20140261080A12014-09-18
DE102017210819A12018-12-27
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Claims:
Patentansprüche

1. Formkörper aus einem keramischen Kompositmaterial CMC oder aus einem CMC-Metall-Hybridmaterial , wobei die CMC-Oberflache zumindest teilweise Glaskeramik umfasst.

2. Formkörper nach Anspruch 1, der eine Turbinenkomponente und/oder ein Bauteil eines Abgasstrangs ist.

3. Formkörper nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Glaskeramik zumindest zum Teil als Schicht auf der Oberfläche des Formkörpers vorliegt.

4. Formkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine teilweise keramische Mischphasenbildung und/oder eine chemi sche Bindung zwischen der CMC-Keramik-Matrix, den CMC- Verstärkungsfasern einerseits und/oder der Glas-Keramik ande rerseits vorliegen.

5. Formkörper nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei auf der Oberfläche des Formkörpers eine thermisch belastbare TBC-Schicht angeordnet ist.

6. Formkörper nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Glaskeramik so gewählt ist, dass ihr thermischer Ausdeh nungskoeffizient an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des CMC Materials angeglichen ist.

7. Formkörper nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Glaskeramik ein Disilikat umfasst.

8. Formkörper nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Glaskeramik ein Disilikat mit einem Yttrium und/oder ei nem Yttrium-Aluminium-Granat umfasst.

9. Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers aus einem ke ramischen Matrix Komposit CMC, bei dem in einem - ersten Verfahrensschritt ein grüner CMC-Formkörper her gestellt wird,

- in einem zweiten Verfahrensschritt und vor einer Erwär mung und/oder Versinterung des CMC-Formkörpers zur Aus bildung einer Glas-keramischen Oberfläche ein Glaskera mischer Schlicker auf die Oberfläche des grünen CMC- Formkörpers aufgebracht wird und

- in einem dritten Verfahrensschritt der CMC-Formkörper mit einer Oberfläche aus Glaskeramischem Schlicker zum CMC-Formkörper mit Glaskeramischer Oberfläche oder Glas keramischen Anteilen an Oberfläche kombiniert gesintert wird .

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der grüne CMC-Formkörper ein Stapel aus CMC-Prepreg-Laminatlagen ist.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei in einem weiteren Verfahrensschritt die Glas-keramische Oberflä che des Formkörpers oder die zumindest Glaskeramische Anteile umfassende Oberfläche aufgeraut wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem durch Sandstrahlen und/oder mittels Laserbehandlung die Oberfläche aufgeraut wird .

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis

12, bei dem in einem nachfolgenden Verfahrensschritt die Oberfläche des Formkörpers mit einer thermischen

Barriereschicht - TBC - beschichtet wird.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis

13, bei dem die TBC-Schicht mittels Atmospheric Plasma

Spraying - APS - erzeugt wird.

Description:
Beschreibung

CMC-FORMKÖRPER MIT GLASKERAMIK UMFASSENDER OBERFLÄCHE, SOWIE

HERSTELLUNGSVERFAHREN DAZU

Die Erfindung betrifft einen Formkörper wie beispielsweise eine Turbinenkomponente einer Gasturbine und/oder ein Bauteil eines Abgasstrangs, die zumindest teilweise aus CMC, also Ceramic-Matrix-Composite - und/oder aus einem CMC-Metall- Hybrid aufgebaut sind und eine neue, insbesondere hinsicht lich ihrer Stabilität verbesserte, Oberfläche aufweisen. Ins besondere betrifft die Erfindung dabei die Verbesserung der Haftung von Beschichtungen auf einer CMC-Oberfläche sowie ein Herstellungsverfahren zur verbesserten Haftung einer - bei spielsweise thermisch belastbaren - Beschichtung auf einer CMC-Oberfläche .

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 nur wenig substanzielle Steigerung noch möglich.

Dagegen ist die Technik der CMCs, insbesondere der Faser verstärkten CMCs eine Alternative und kann allein oder in Kombination mit Superlegierungen, als so genannte CMC-Metall- Hybrid-Formkörper, zur Schaffung neuartiger Formkörper wie Turbinenkomponenten und/oder Bauteile in einem Abgasstrang eingesetzt werden. In der Kombination mit Legierungen, insbe sondere der genannten Superlegierungen, oder auch anderen Me tallen spricht man dann von einem Hybridmaterial aus CMC und Metall .

Trotz der verbesserten Eigenschaften gegenüber den reinen Me tallen, wie erhöhter Oxidations-Beständigkeit und/oder gerin gerer Dichte der CMCs, die eine Steigerung der Betriebstempe- ratur und eine Reduzierung der Kühlluft der daraus herge stellten Formkörper erlauben, gibt es auch bei den CMCs limi tierende Faktoren, wie beispielsweise das Kornwachstum inner halb der keramischen Matrix.

Die CMC-Material-Oberflache an sich erlaubt daher keine unbe grenzten Steigerungen der thermischen Effizienz. So werden thermisch belastbare Beschichtungen, insbesondere so genannte TBC (Thermal-Barrier-Coating) -Beschichtungen auf CMCs notwen dig .

Als CMCs werden insbesondere die Siliziumcarbid- und/oder Oxide-CMCs, also auf Metallcarbiden und/oder Metalloxiden ba sierende CMC-Materialien eingesetzt, da diese eine erhöhte Beständigkeit gegenüber beispielsweise Korrosion und/oder Oxidation auf.

So ist es auch angebracht, ähnlich wie bei den, hier bei spielsweise als Formkörper genannten Turbinenkomponenten, die komplett aus Superlegierung gemacht sind, bei den CMC- Superlegierungs-Hybridlösungen und/oder auch bei ganz aus CMC gemachten Formkörpern, Beschichtungen, insbesondere thermisch wirksame Barriere-Beschichtungen wie die so genannten Thermal Barrier Coatings - so genannte TBC - Beschichtungen - aufzu bringen .

Beispielsweise wird eine TBC auf einer CMC Oberfläche über ein Sprühverfahren, beispielsweise als Atmospheric Plasma Spraying APS- Beschichtung, aufgebracht. Damit die aufge- sprühte und/oder über Plasma hergestellte Beschichtung jedoch gut haftet, wird vorzugsweise die an sich sehr glatte Ober fläche des CMCs oder CMC-Hybridmaterials noch vorbereitet, beispielsweise aufgeraut. Dabei kommen auch mechanisch an spruchsvolle Aufrauhungsmethoden, wie beispielsweise Sand strahlen oder Laserbestrahlung zum Einsatz. Diese jedoch kön nen auch Schäden der CMC-Oberfläche hervorrufen, die sich dann beispielsweise in Rissbildung mit den entsprechenden ma teriellen Nachteilen bei der Heißgasanwendung äußern. Daher wird nach dem Stand der Technik eine CMC-Oberflache nur wenig bis ungenügend vor dem Aufbringen einer thermisch belastbaren Beschichtung aufgeraut, so dass die Haftung der Beschichtung oft nicht ausreichend ist.

Es sind verschiedene Ansätze bekannt, wie die Haftung der Be schichtungen auf den CMCs optimiert wird ohne die CMC- Oberflache zu stark durch Aufrauen zu beschädigen. Aus der DE 102017210819 ist ein Formkörper bekannt, bei dem in zumindest einer Oberflächen-nahen Lage eines CMC-Laminats ein oder meh rere Bruchfestigkeits-Additive wie beispielsweise Partikel aus Zirkoniumdioxid -Zr02 -, Siliziumdioxid - S1O2-, Magnesi umdioxid - MgÜ2 -, Yttrium- Aluminium-Granat -YAG - und/oder Yttriumoxid Y2O3, allein oder in beliebigen Mischungen, ein gearbeitet sind, damit die Stabilität der CMC-Oberfläche ver bessert ist.

Nachteilig daran kann unter Umständen eine gewisse

Versprödung der CMC-Oberfläche sein.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Haftung einer CMC-Oberfläche mit einer thermisch belastbaren Be schichtung zu verbessern, insbesondere eine Verbesserung der Stabilität einer CMC-Oberfläche gegenüber Aufrauhungsmethoden wie Sandstrahlen und/oder Laserbehandlung zu erzielen.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der vorliegenden Er findung, wie er in der Beschreibung und den Ansprüchen offen bart wird, gelöst.

Dementsprechend ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Formkörper aus einem keramischen Kompositmaterial CMC oder aus einem CMC-Metall-Hybridmaterial , wobei die CMC-Oberfläche zumindest teilweise Glaskeramik umfasst.

Außerdem ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Ver fahren zur Herstellung eines Formkörpers aus einem kerami schen Matrix Komposit CMC, bei dem in einem - ersten Verfahrensschritt ein grüner CMC-Formkörper her gestellt wird,

- in einem zweiten Verfahrensschritt und vor einer Erwär mung und/oder Versinterung des CMC-Formkörpers zur Aus bildung einer Glas-keramischen Oberfläche ein Glaskera mischer Schlicker auf die Oberfläche des grünen CMC- Formkörpers aufgebracht wird und

- in einem dritten Verfahrensschritt der CMC-Formkörper mit einer Oberfläche aus Glaskeramischem Schlicker zum CMC-Formkörper mit Glaskeramischer Oberfläche oder Glas keramischen Anteilen an Oberfläche kombiniert gesintert wird .

Allgemeine Erkenntnis der Erfindung ist, dass eine Glas keramische Schicht oder zumindest Glas-keramische Anteile auf der Oberfläche eines CMC-Formkörpers dort quasi eine Schutz schicht ausbilden, die als thermische und mechanische Schutz schicht dient und/oder eine Oberfläche ausbildet, die die Weiterverarbeitung, also beispielsweise Vorbereitung zur Be schichtung mit einer Thermal-Barrier-Coating- (TBC) -Schicht, erleichtert oder erst beschädigungsfrei ermöglicht.

Insbesondere kann durch Aufbringung eines Schlickers aus glaskeramischem Material, der nach Sinterung eine Glaskeramik ausbildet, auf zumindest Teile der Oberfläche eines

ungesinterten CMC-Formkörpers, wie beispielsweise eines Sta pels aus grünen CMC-Prepreg-Lagen, eine Zwischenschicht auf einem Formkörper aus CMC-Material und/oder CMC-Hybridmaterial durch Wärmebehandlung und/oder Sintern erzeugt werden, deren Härt, thermische und/oder mechanische Beständigkeit weit bes ser als die der reinen CMC-Oberfläche ist und/oder eine Auf rauhung vor einem beispielsweise folgenden APS-Verfahren ohne Schaden, oder mit wesentlich weniger Schaden als die reine CMC-Oberfläche, aushält.

So wird hier beispielsweise vorgeschlagen, die Durchführung eines APS-Verfahrens zur Haftverbesserung von TBC-Schichten mit einer vorhergehenden Ausbildung einer zumindest teilwei- sen Glaskeramischen Oberfläche, die mittels Laser oder Strah lenbehandlung aufzurauen ist, zu kombinieren. Besonders vor teilhaft ist dabei, dass weder die keramische Matrix des CMCs, noch die keramischen Fasern des CMCs durch die kombi nierte Versinterung mit dem Glaskeramischen Schlicker beein trächtigt werden.

Zur Herstellung werden im

- ersten Verfahrensschritt beispielsweise CMC-Prepreg- Lagen auf eine Stützstruktur abgelegt, dann werden diese noch ungesinterten und/oder grünen CMC-Lagen im

zweiten Verfahrensschritt mit glaskeramischem Schlicker oberflächlich versehen, beispielsweise bestrichen, be sprüht oder eingetaucht - und im

- dritten Verfahrensschritt dann kombiniert gesintert und bilden entweder mit oder losgelöst von der Stützstruktur den Formkörper.

Eine CMC-Prepreg-Lage umfasst typischerweise eine keramische Matrix, wie einen Schlicker, in der Fasern, die als Einzelfa ser, geflochtene Faser, Fasergewebe und/oder Faserverbunde vorliegen können, eingebettet sind. Beispielsweise handelt es sich um Siliziumcarbid-Keramik basierte oder um so genannte Oxid-Keramik-basierte Matrix- und/oder Fasermaterialien.

Beispielsweise liegt ein CMC auf Basis von Oxid-Keramik- basierten Matrixmaterialien vor. Darin werden - wiederum bei spielsweise - ebenfalls Oxid-Keramik-basierte Fasern, Faser gewebe und/oder Faserverbunde eingebettet. Deren Materialien sind beispielsweise ausgewählt aus der Gruppe folgender Mate rialien: Dotiertes oder undotiertes Aluminiumoxid, Mullit, Yttrium-Aluminium-Granat und/oder mit Zirkoniumoxid dotiertes Aluminiumoxid .

Alle vorgenannten Fasermaterialien können in einer Faser, ei nem Fasergewebe und/oder in einem Faserverbund, wie er vor liegend eingesetzt wird, allein oder in beliebigen Kombinati onen, wie beispielsweise als Aluminiumoxid-Mullit-Faser, vor- liegen. Ebenso können die genannten Materialien allein oder in beliebigen Kombinationen zum Aufbau der Matrix dienen.

Als Glaskeramik wird vorliegend ein mineralisches Material, das - beispielsweise als Schlicker verarbeitet und dann ge sintert - aus einer Glasschmelze durch gesteuerte Kristalli sation herstellbar ist, bezeichnet. Die Verarbeitung des vo rangehenden Schlickers, einer - Lösungsmittelhaltigen, also beispielsweise wässrigen - Aufschlämmung des mineralischen Materials, kann beliebig erfolgen.

Die zähflüssige Masse ist beispielsweise bei Raumtemperatur aufbringbar. Über eine Temperaturbehandlung bis hin zum Sin tern wird dann ein Glas-keramischer Zustand des Materials er reicht, der sich speziell durch seine Härte auszeichnet, wie von den Glaskeramiken im täglichen Gebrauch her bekannt ist. Das glasartige Material ist nach Bildung zumindest teilweise kristallisiert, stabil und schmilzt nicht wieder. Hohe Dauer gebrauchstemperaturen, wie beispielsweise 1200°C und mehr be einträchtigen die Stabilität des glaskeramischen Materials nicht .

Als Beispiele für Glaskeramische Materialien sind unter ande rem viele Arten von Disilikaten bekannt, beispielsweise das MAS-System, wobei MAS für MgO x AI2O3 x nSi02 steht, sowie das analog mit Zinkoxid, ZnÜ2, anstelle des Magnesium-Oxids auf gebaute ZAS, sowie Glaskeramiken aus Lithium-Disilikat und solche mit Phlogopit als Basis. Beispielsweise wird dazu als epitaktischer Keimbildner Zirconium ( IV) -Oxid in Kombination mit Titan ( IV) -Oxid zugesetzt.

Vorteilhafterweise kann als Glaskeramisches Material vorlie gend auch ein mineralisches Material, beispielsweise ein Disilikat, eingesetzt werden, dessen thermischer Ausdehnungs koeffizient an den des Trägersubstrats, also beispielsweise eines CMC-Formkörpers und/oder CMC-Laminatlagenstapels oder eines CMC-Metall-Hybridmaterial-Formkörpers , angeglichen ist. So kann die Glaskeramik mit der CMC-Keramik spannungsfrei, auch bei hohen Dauerbetriebstemperaturen von über 1200 °C, kombiniert werden.

Dafür eignet sich als Glaskeramik beispielsweise ein Yttrium- Aluminium-Granat (YAG) -Disilikat und/oder ein sonstiges Yttrium-Disilikat .

Die Glaskeramik wird bevorzugt, aber nicht ausschließlich, in Form ihres Schlickers, also der breiigen Aufschlämmung, auf den noch grünen, also ungesinterten, CMC-Laminatlagenstapel aufgebracht. Die Schmelze des noch nicht zur Glaskeramik ge sinterten glaskeramischen Materials kann aber auch als Ober fläche und/oder Zwischenschicht auf eine CMC-Oberfläche auf gebracht werden.

Der Glaskeramische Schlicker wird beispielsweise über

Brushing, Spraying, also Bürsten, Wischen, Sprühen, Spritzen oder sonstige Verfahren auf den grünen CMC-Formkörper aufge bracht .

Nach erfolgter Versinterung erhält man einen CMC- Laminatlagenstapel, dessen Oberfläche durch die Glaskeramik temperaturbeständiger, robuster, beispielsweise auch gegen über Aufrauhung und/oder korrosionsbeständiger als die ur sprüngliche reine CMC-Oberfläche ist. In Tests konnte gezeigt werden, dass eine erfindungsgemäß gebildete glaskeramische CMC-Oberfläche auch wesentlich beständiger gegenüber Aufrau hung beispielsweise über Sandstrahlen und/oder mittels Laser behandlung ist, als die unverglaste CMC-Oberfläche .

Die Glaskeramische Oberfläche liegt bevorzugt mit der CMC- Oberfläche kombiniert vor, wenn die Glaskeramik beispielswei se während des gemeinsamen Sinterns zumindest zum Teil mit der CMC-Oberfläche verschmolzen ist. Zumindest liegt nach ge meinsamer Temperaturbehandlung eine gute Haftung zwischen der CMC-Oberfläche und der Glaskeramischen Schicht vor. Bei spielsweise kann es durch die kombinierte Sinterung auch zur Ausbildung von keramischen Mischphasen und/oder kovalenten chemischen Bindungen zwischen der Glaskeramik und der CMC- Oberflache kommen. Die Haftung der Glaskeramischen Schicht auf der Oberfläche des CMCs kann durch Ausbilden von chemi schen Bindungen und/oder durch Ausbildung von keramischen Mischphasen verstärkt sein.

Die Glaskeramische Oberfläche kann beispielsweise auch als Schutz des CMC-Laminatlagenstapels gegenüber Umwelteinflüs sen, wie beispielsweise Wasserdampfkorrosion, dienen.

Eine aufgeraute mit Glaskeramik gemäß der Erfindung versetzte Oberfläche kann mit einer thermischen Barriereschicht, bei spielsweise über APS, beschichtet werden, wobei eine deutlich verbesserte Haftung der thermischen Barriereschicht, insbe sondere gegenüber der reinen nicht aufgerauten CMC-Oberfläche zu beobachten ist.

Gemäß der Erfindung wird die Glaskeramik-Oberfläche zusammen mit dem Sintern des CMC-Laminatlagenstapels durchgeführt, so dass eine gute Anbindung der Glaskeramik an die CMC- Oberflächen durch Verschmelzen während der Sinterung gewähr leistet ist.

Durch die Erfindung wird erstmals eine Möglichkeit angegeben, wie die Oberfläche von CMC - für beispielsweise eine Aufrau hung - mechanisch unempfindlicher gemacht, stabilisiert und/oder verstärkt werden kann. Dazu wird eine Glaskeramik in die Oberfläche des CMCs eingearbeitet und/oder darauf aufge bracht. Besonders bevorzugt ist die Ausführungsform, bei der ein glaskeramischer Schlicker zusammen und kombiniert mit ei nem CMC-Grünkörper gesintert wird.