Abgeschlossenes Förderprojekt

Qualitätssicherungskonzept und Definition der Randbedingungen zur Zulassung von Bauteilen aus faserverstärkter Keramik (CMC-COAS)

Motivation

Niederdruckturbine
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
© Fraunhofer-Zentrum HTL
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

Poren, struktur, CMC, CT
© Fraunhofer-Zentrum HTL
Porenstruktur und Porengrößenverteilung eines CMC-Probekörpers (Untersuchung mittels Computer-Tomographie)
Schadensausbildung, mechanisch, CMC, Dreipunkt, Randfaserdehnung, in-situ
© Fraunhofer-Zentrum HTL
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