Fraunhofer ISC, Zentrum für Hochtemperatur-Leichtbau HTL, BayreuthAbgeschlossenes Förderprojekt
Motivation
Niederdruckturbine
Faserverstärkte Keramiken (Ceramic Matrix Composites, CMC) besitzen das Potenzial, Komponenten aus Nickelbasislegierungen im Bereich der Niederdruckturbine eines Flugtriebwerks zu ersetzen (z.B. Outer Air Seals, Gehäusestrukturen, Statoren). Aufgrund der deutlich niedrigeren Dichte von faserverstärkten Keramiken gegenüber Nickelbasiswerkstoffen ist durch eine Substitution metallischer Komponenten mit CMC-Werkstoffen eine Gewichtsersparnis von bis zu 60 % realisierbar.
Zielsetzung
Arbeitspakete HTL
Im Projekt sollten von kommerziellen oxidischen und nichtoxidischen CMC-Materialien Werkstoffkennwerte, Lebensdauereigenschaften und Leichtbaukonzepte spezifisch für die Auslegung von Triebwerkskomponenten ermittelt werden. Für eine zukünftige Luftfahrtzulassung von faserverstärkten Keramiken wurden gleichermaßen Grundlagen für ein Qualitätssicherungskonzept sowie für eine Zulassungsstrategie erarbeitet.
Ergebnisse
Porenstruktur und Porengrößenverteilung eines CMC-Probekörpers (Untersuchung mittels Computer-Tomographie)
Schadensausbildung bei der mechanischen Belastung unterschiedlicher CMC-Proben durch Dreipunkt-Biegung mit zunehmender Randfaserdehnung ε (Gefügebilder mittels in-situ-Computer-Tomographie)
Kommerziell verfügbare keramische Verbundwerkstoffe (CMC) wurden in Hinblick auf eine spätere Luftfahrtzulassung in definierten Eigenschaftsfeldern bewertet. Sowohl oxidkeramische Verbundwerkstoffe von DLR Köln und Pritzkow Spezialkeramik als auch Siliciumcarbid-faserverstärktes Siliciumcarbid (SiC/SiC) von MT Aerospace und SGL Carbon wurden durch zerstörende und zerstörungsfreie Prüfverfahren evaluiert. Gleichermaßen wurden Methoden zur luftfahrtspezifischen Prüfung von CMC sowie Konzepte zur Güteprüfung und Qualitätssicherung erarbeitet. Im Rahmen der luftfahrtspezifischen Evaluierung der kommerziellen CMC wurden umfangreiche Werkstoffkennwerte ermittelt und in Form einer Datenbank verknüpft. Die Kennwertermittlung konzentrierte sich auf folgende Bereiche:
- Ermittlung mechanischer Kenngrößen der CMC-Materialien bei Raumtemperatur unter statischer sowie dynamischer Last (Ermüdungsversuche bis 20 Mio. Lastzyklen)
- Ermittlung thermischer und mechanischer Kenngrößen der CMC-Werkstoffe im Hochtemperaturbereich bis 1000 °C
- Untersuchung der Auswirkung triebwerksspezifischer Umwelteinflüsse auf die Materialeigenschaften
Projektdaten
| Projektlaufzeit | 01.10.2012 - 31.03.2016 |
| Zuwendungsgeber | Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie |
| Fördersumme | 500.000 Euro |
| Projektpartner | Fraunhofer-Zentrum HTL MTU Aero Engines AG Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt MT Aerospace AG SGL Carbon SE |
| Projektkoordination | MTU Aero Engines AG |
| Projektleitung am HTL | Christian Eckardt |
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