Abgeschlossenes Förderprojekt

Keramik im Triebwerk (KerTWK)

Motivation

Fluggasturbine mit charakteristischen Bauteilen
© MTU Aero Engines AG
Fluggasturbine mit charakteristischen Bauteilen

Für ein umweltfreundlicheres Luftfahrtsystem ist es erforderlich, die Effizienz von Fluggastriebwerken weiter zu steigern. Dies kann durch eine Verbesserung des Wirkungsgrades und durch die Verringerung des Turbinengewichts gelingen. Gegenwärtig werden metallische Superlegierungen eingesetzt, deren technische Möglichkeiten jedoch ausgereizt sind. Keramische Verbundwerkstoffe (Ceramic Matrix Composites = CMC) besitzen nicht nur ein geringeres Gewicht, sondern haben auch das Potenzial, bei höheren Temperaturen eingesetzt werden zu können, was zu höheren Wirkungsgraden führt.

Zielsetzung

BN Beschichtung auf SiC-Fasern vom Typ SA3
© Fraunhofer-Institut IKTS
BN Beschichtung auf SiC-Fasern vom Typ SA3

Im Projekt soll ein mit Siliziumcarbidfasern verstärkter Siliziumcarbidwerkstoff (SiC/SiC) entwickelt werden, der den Anforderungen für den Einsatz in einer Fluggasturbine gerecht wird. Aus diesem neuartigen Werkstoff soll ein Demonstratorbauteil gefertigt werden, das alle erforderlichen Merkmale im Hinblick auf Festigkeit, Bauteilkomplexität und Heißgasbeständigkeit aufweist. In Kooperation mit der Fraunhofer-Allianz ADVANCER soll schwerpunktmäßig ein reproduzierbares Herstellverfahren in einer geschlossenen Prozesskette entwickelt werden, mit welchem sich CMC-Bauteile für den Endanwender MTU produzieren lassen.

Ergebnisse

Herstellung von SiC-Faserpreformen für die Silizierversuche-Grünkörper 100x100 mm²
© Fraunhofer-Zentrum HTL
Herstellung von SiC-Faserpreformen für die Silizierversuche-Grünkörper 100x100 mm²

Im Verlauf der Projektbearbeitung stellte sich heraus, dass das Beherrschen der Faserbeschichtung und Silizierung der Schlüssel für eine erfolgreiche Entwicklung sind, sodass dem HTL eine Schlüsselrolle im Projekt zukam. Zu den wesentlichen Ergebnissen am HTL zählen die Weiterentwicklung der Schlicker LSI-Route – einem schonenden Silizierverfahren von beschichteten SiC-Fasern. Über Minikomposituntersuchungen konnte dabei gleichzeitig eine drastische Einsparung von Entwicklungszeiten und -kosten erreicht werden. Auch durch den Einsatz der ThermoOptischen Messanlage TOM_ac, in der u. a. eine dynamische Tauchsilizierung getestet wurde, zeigte sich, dass niedrige Siliziertemperaturen, eine reduzierte Haltezeit und die Verwendung von mit Bor dotiertem Silizium (eutektische Schmelze) eine verbesserte LSI-Prozessierung ermöglichen. Durch ein Bündel an Maßnahmen können Beschichtungen und SiC-Fasern nun besser vor dem Siliziumangriff geschützt werden. Im Bereich der nasschemischen Beschichtung wurden kristalline BN-Schichten abgeschieden, die in Proben, die nach der PIP-Route hergestellt wurden, zur einer erhöhten Schadenstoleranz führen und wesentlich kostengünstiger hergestellt werden können als entsprechende CVD-Beschichtungen.

Projektdaten

Projektlaufzeit 01.11.2017 - 31.12.2021
Förderung Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
Fördersumme HTL 891.300 Euro
Projektpartner Fraunhofer-Zentrum HTL
Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS
Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK
Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V.
FAG AG
MTU Aero Engines AG
Schunk GmbH & Co. KG
Projektkoordination MTU Aero Engines AG
Projektleitung am HTL Dr. Alexander Konschak