Aktuelles Förderprojekt

CMC-Tragstrukturen im Heißgasbereich von Gasturbinen (TraTurb)

Motivation

 Leinwandgewebe-Struktur SiC-Faser 8-bindiges Atlasgewebe faserschonender Reduktion Faserumlenkung
© Fraunhofer-Zentrum HTL
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
© Fraunhofer-Zentrum HTL
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“.
© Fraunhofer-Zentrum HTL
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.
© Fraunhofer-Zentrum HTL
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.
© Fraunhofer-Zentrum HTL
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-fach Schichtauftrag
  • SiC-Lagen über Polysilan-Polycarbosilan-Copolymer Schichtdicken 60 ± 20 nm bei 8-fach Schichtauftrag

Preform- und Matrixherstellung

  • Entwicklung einer lastgerechten 2,5 D-Faserpreform vom Typ SiC-F3 aus Modifikation eines kommerziellen Gewebes
  • Typ SiC-F3 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: Die Oberflächen der kommerziell silizierten CMC (Bremsscheiben) zeigen eine maximale Rautiefe Rmax von 75µm -> Die Oberfläche der Minikomposite weist einen Rmax-Wert von 6µm 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