Aktuelles Förderprojekt

Leichtbaustrukturen aus SiC/SiC-Keramik: Schlüsselkomponenten für Gasturbinen der nächsten Generation (CMC-Engine)

Motivation

Spannungssimulation eines SiC/SiC-Bauteils: Spannungszustand [90°,-/+45,0°] vor der interlaminaren Schädigung
© Fraunhofer IWM
Spannungssimulation eines SiC/SiC-Bauteils: Spannungszustand [90°,-/+45,0°] vor der interlaminaren Schädigung

Für Gasturbinen der nächsten Generation sind eine Wirkungsgradsteigerung, Reduktion von Emissionen sowie Senkung des Treibstoffverbrauchs erforderlich. Der Einsatz von Metalllegierungen ist mit Kühlkonzepten und Beschichtungen technisch ausgereizt. Ceramic Matrix Composites (CMC) auf Basis von hochsteifen SiC-Keramikfasern sind als alternative Konstruktionswerkstoffe prinzipiell geeignet, da sie hochtemperaturfest, leicht, schadenstolerant und thermoschockresistent sind. Die Herstellprozesse für SiC/SiC-CMC sind jedoch noch nicht stabil und außerdem teuer. Auch sind Produkte nicht frei am Markt verfügbar. Aus diesen Gründen soll ein Gesamtprozess von der Fraunhofer Allianz ADVANCER entwickelt werden, der zu reproduzierbaren Werkstoffeigenschaften und prototypischen Bauteilen führt.

Zielsetzung

Textile Flechtstruktur als drapierbare Faserpreform aus hochsteifen Fasern
© Fraunhofer-Zentrum HTL
Textile Flechtstruktur als drapierbare Faserpreform aus hochsteifen Fasern

Hauptziel ist die Entwicklung von SiC/SiC-CMC für den Gasturbineneinsatz, Thermoprozessanlagen und die Reaktortechnik mit Potenzial für ein Up-scaling der gesamten Fertigungskette. Durch das Projekt soll von Fraunhofer eine Alleinstellung beim Bauteil- und Mikrostrukturdesign sowie bei der Hochtemperaturprüfung erreicht werden. Folgende Werkstoffeigenschaften sollen erreicht werden:

  • Hochtemperatur-Festigkeit > 300 MPa
  • Restfestigkeit > 80 % nach 500 h unter Einsatzbedingungen bei 1200°C
  • Dehnung > 0,5 % nach 500 h unter Einsatzbedingungen bei 1200°C

Lösungsweg

Mechanische Kennwertermittlung im normgerechten 4-Punkt-Langbiegeversuch nach ASTM1341-14
© Fraunhofer-Zentrum HTL
Mechanische Kennwertermittlung im normgerechten 4-Punkt-Langbiegeversuch nach ASTM1341-14
  • Simulation eines faser- und lastgerechten Designs für CMC-Prototypen
  • Herstellung einer funktionellen Faserbeschichtung
  • Neuentwicklung lastgerechter 2,5-3d Faserpreformen in Endkontur
  • Optimierung der Infiltrationsverfahren PIP und LSI
  • Erarbeitung einer effizienten Bearbeitungstechnologie
  • Applikation einer korrosionsbeständigen Bauteilbeschichtung
  • Erarbeiten von Prüfmethoden für reale Belastungsfälle
  • Normgerechte Ermittlung von Werkstoffkennwerten

Projektdaten

Projektlaufzeit 01.01.2017 - 30.06.2020
Zuwendungsgeber Fraunhofer interne Projektmittel:
Marktorientierte Strategische Vorlaufforschung (MAVO)
Fördersumme 3.000.000 Euro
Projektpartner Fraunhofer-Zentrum HTL
Fraunhofer IKTS
Fraunhofer IPK
Fraunhofer IWM
Projektkoordination Fraunhofer-Zentrum HTL
Projektleitung am HTL Dr. Jens Schmidt