Fraunhofer ISC, Zentrum für Hochtemperatur-Leichtbau HTL, BayreuthAbgeschlossenes Förderprojekt
Motivation
Klassische dichte Leinwandgewebe-Struktur (a) sowie auf SiC-Fasern angepasstes 8-bindiges Atlasgewebe mit faserschonender Reduktion von Faserumlenkungen (b)
Neue CMC-Werkstoffe können zur Steigerung des Wirkungsgrades von Gasturbinen bei gleichzeitiger Reduktion des Bauteilgewichts beitragen. So lässt sich mit Hilfe hoch-temperaturstabiler und langzeitbeständiger CMC-Werkstoffe der Kreisprozess zu höheren Betriebstemperaturen optimieren, ohne dass zusätzliche Kühlluft erforderlich ist. Hiermit werden die Zielsetzungen für einen umweltschonenden Flugverkehr gemäß der europäischen F&I-Strategie Flightpath 2050 aktiv unterstützt. Das Projekt soll dazu beitragen, Verfahren zur Herstellung von SiC/SiC-CMC zu entwickeln. Mit diesem CMC soll der heute in metallischer Bauweise realisierbare Temperaturbereich um > 100 K erhöht werden.
Zielsetzung
Zeitliche und inhaltliche Zuordnung der Hauptaktivitäten
- Mehrskaliges, probalistisches Auslegeverfahren für CMC
- Funktionelle Faserbeschichtung
- Entwicklung lastgerechter 2,5 D-Faserpreformen
- Verarbeitung neuartiger SiC-Fasern
- Homogene und dichte SiC-Matrix mittels Flüssigsilizierung
- Effiziente Bearbeitungstechnologie für Features und Funktionsflächen
Ergebnisse
EDX-Spektren einer nicht-beschichteten SiC-Faser (oben) und einer mit 5-fach BN-beschichteten SiC-Faser (unten). HNS ist die Abkürzung für die SiC-Faser „Hi Nicalon Typ S“.
Aus Serie 3 hergestellter 20 cm Minikomposit MK4 mit intakten SiC-Faserquerschnitten, LIMI Querschnitt mit 100-facher Vergrößerung.
Vollständig erhaltene SiC-Fasern, eingebettet in einer SiSiC-Matrix in 200 mm langem Minikomposit MK5 aus Serie 3. LIMI-Bild, 1000-fache Vergrößerung.
Faser- und Bauteilbeschichtung
- Nasschemische Faser- und Bauteilbeschichtung: BN/SiC Doppelbeschichtung auf HN-Typ S SiC Fasern
- BN als kristalline hexagonale Modifikation; frei von Sauerstoff, Schichtdicke 120 nm bei 5-fachem Schichtauftrag
- SiC-Lagen über Polysilan-Polycarbosilan-Copolymer
Schichtdicken 60 ± 20 nm bei 8-fachem Schichtauftrag
Preform- und Matrixherstellung
- Entwicklung einer lastgerechten 2,5 D-Faserpreform vom Typ SiC-F3 aus Modifikation eines kommerziellen Gewebes
- Rovingdicke in der silizierten Preform mit ca. 0,11 mm um 27 % geringer; Rovingbreite mit ca. 1,27 mm größer, dafür um 25 % größer als kommerzielle Variante -> erleichterter Matrixaufbau aufgrund kürzerer Infiltrationswege
Herstellung Minikomposite
- Erstmals erfolgreiche Herstellung von mechanisch prüfbaren, 20 cm langen, silizierten SiC/SiC Minikompositen
- Durch eine intelligente Prozessführung und angepasste Faserbeschichtung bei der Flüssigsilizierung bleiben die SiC Fasern vor einem Angriff der Siliziumschmelze geschützt
- Die Rauigkeit der Minikomposite wurde erheblich verbessert: Während die Oberflächen der kommerziell silizierten CMC (Bremsscheiben) eine maximale Rautiefe Rmax von 75 µm zeigen, weist die Oberfläche der Minikomposite einen Rmax-Wert von 6 µm auf
Projektdaten
| Projektlaufzeit | 01.11.2018 - 31.12.2021 |
| Zuwendungsgeber | Bundesministerium für Bildung und Forschung |
| Fördersumme HTL | 200.000 Euro |
| Projektpartner | Fraunhofer-Zentrum HTL Fraunhofer IKTS Fraunhofer IPK Fraunhofer IWM MTU Aero Engines AG Schunk GmbH & Co. KG Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt BJS Ceramics GmbH T-ZfP |
| Projektkoordination | MTU Aero Engines AG |
| Projektleitung am HTL | Dr. Alexander Konschak |
