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Einsatz nichtoxidischer Verbundwerkstoffe in Antriebssystemen Dietmar Koch Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt Institut für Bauweisen- und Konstruktionsforschung Stuttgart Keramische Verbundstrukturen [email protected]

www.DLR.de • Folie 1 > Einsatz nichtoxidischer Verbundwerkstoffe in Antriebssystemen > Dietmar Koch > 3.12.2013


CompositeWorld Nov. 2013 340 people 170 000 sqft facility CMC for LEAP Engine, Airline service in 2016

Flugrevue Okt. 2013

CFM (a partnership between GE and Snecma of France), tests the composite fan blades for the new LEAP (Leading Edge Aviation Propulsion) engine. They’re mounted to one of the company’s older engines From MIT Technology Review, May 2013

http://www.geaviation.com/

http://www.snecma.com/?lang=en


CompositeWorld Nov. 2013 340 people 170 000 sqft facility CMC for LEAP Engine, Airline service in 2016

Flugrevue Okt. 2013

CFM (a partnership between GE and Snecma of France), tests the composite fan blades for the new LEAP (Leading Edge Aviation Propulsion) engine. They’re mounted to one of the company’s older engines From MIT Technology Review, May 2013

from CompositeWorld

http://www.geaviation.com/

http://www.snecma.com/?lang=en

Vorreiter cfm (GE, Snecma): LEAP-X

www.DLR.de • Folie 4

Entwicklung von SiC/SiC (PIP, MI) als Ersatz für Nickel-Superlegierungen Kooperation NGS Advanced Fibers (Nippon Carbon, GE Aviation, Snecma) Etwa 5 bis 10 Jahre Vorsprung 66% Gewichtsersparnis 20% höhere thermische Belastungsfähigkeit (bis 1300°C) Zyklische Beständigkeit Komplexe Bauweise Gewichtsreduktion, Steigerung des Wirkungsgrads, Verringerung der Emissionen, Reduzierung des Kühlluftbedarfs ab 2030 Wärmetauscher ABER: extrem hoher Fertigungsaufwand und Qualitätssicherungsaufwand

> Einsatz nichtoxidischer Verbundwerkstoffe in Antriebssystemen > Dietmar Koch > 3.12.2013

http://leehamnews.files.wordpress.com/2012/02/leap_3.jpg

Erwartungen an Einsatz von CMC in Triebwerken

SiC CMCs can withstand temperatures greater than 1300°C

reduced weight (one-third the weight of nickel superalloys) for greater fuel efficiency

CMC components have greater durability and heat resistance and, therefore, require less cooling air than the nickel -based superalloys that currently dominate gas turbines and jet engines.

GE: temperature capability has increased 10°C per decade, with the introduction of CMCs, material temperature capability by 66°C in this decade alone.

Siemens, Alstom, Rolls-Royce, General Electric (GE), Snecma (SPS), Pratt&Whitney, Solar Turbines, Mitsubishi HMI

große Förderprogramme v.a. in USA (Dept.of Energy) und China, aber (noch) nicht in Deutschland


Pratt&Whitney, Flugrevue 11/2013

Materialentwicklung Ox/Ox CMC NOx/NOx CMC

Design Kühlung CMC-gerechte Konstruktion


Berechnung Mech. Eigenschaften Temperatuverteilung

Lebensdauer Qualifikation Transfer metallischer Auslegung


Materialentwicklung Ox/Ox CMC NOx/NOx CMC

Design Kühlung CMC-gerechte Konstruktion

CMC exhaust nozzle molded for Boeing Research & Technology from COI

GE, 2007

Gerendas et al., Proceedings of the ASME Turbo Expo 2013, GT2013- 94679 Ceramic-metallic attachment system


Berechnung Mech. Eigenschaften Temperatuverteilung

Lebensdauer Qualifikation Transfer metallischer Auslegung

Sikorski, MTU, AK Verstärkung 10/2011

Gerendas et al., Proceedings of the ASME Turbo Expo 2013, GT2013- 94679 FE analysis temperatures and principal stresses

T [K]

uz=0

zr

θ

uz=0ux=0.59 mm

T=878 K

T=733 K

ΔP=2.06 bar

MNMX

X

YZ

MAR 28 201209:14:42

P=1 =5E=1XF (AVG)S=SOLU =.001906 =.001262 =1.61469

MNMX

X

YZ

MAR 28 201209:14:42

P=1 =5E=1XF (AVG)S=SOLU =.001906 =.001262 =1.61469

.001262.5

11.1

1.21.3

1.41.5

1.61469

Allowable stress Critical stress

.001262.5

11.1

1.21.3

1.41.5

1.61469

Allowable stress Critical stress

Notwendige Entwicklungen

Entwicklung neuer nichtoxidischer Materialien SiC-Fasern Oxidationsstabilere Matrixsysteme, modifizierte Herstellverfahren

Langzeitstabile Faserbeschichtung mit geringer Anbindung Passivierende Oxidation (self healing) Rissstopper dichte Matrix

Oxidationsschutzsysteme für Bauteile

Untersuchung und Bewertung der Korrosions- und Langzeitstabilität unter realistischen bzw. realitätsnahen Bedingungen

Neue Berechnungsverfahren zur Auslegung und Lebensdauervorhersage


www.DLR.de • Folie 9

Trapp, SGL, AK Verstärkung 03/2010

> Einsatz nichtoxidischer Verbundwerkstoffe in Antriebssystemen > Dietmar Koch > 3.12.2013


Trapp, SGL, AK Verstärkung 03/2010

Herstellung nichtoxidischer CMC C, SiC Fasern in C, SiC, SiC(N) Matrix

Polymerinfiltration und Pyrolyse (PIP)

Flüssigsilizierung (LSI)

Kombi-Prozess (PIP+LSI, CVI+LSI)

Chemische Gasphaseninfiltration

(CVI) Fokus am DLR Stuttgart

Preform (z.B. Gewebe, Wickelstrukturen)

Faserbeschichtung wenn nötig

Infiltration (z.B. RTM) mit C-Precursor

Pyrolyse (Schutzgas) Kohlenstoffmatrix

Endbearbeitung

Silizierung (Schutzgas, T>1420°C, Si+CSiC) Stöchiometrische SiC-Matrix

Preform (z.B. Gewebe, Wickelstrukturen)

Faserbeschichtung

Infiltration (z.B. RTM) mit Si-Precursor (z.B. Polysilazane)

Pyrolyse (Schutzgas, T~1000°C,

z.B. Polysilazan SiCN-Matrix)

Endbearbeitung

3-6 mal zur Reduzierung der Porosität

PIP LSI

Zwischenbearbeitung und Fügung

> Einsatz nichtoxidischer Verbundwerkstoffe in Antriebssystemen > Dietmar Koch > 3.12.2013 www.DLR.de • Folie 11

Precursor Additive Fasern Silizium-Granulat

Flüssigsilizierung Liquid Silicon Infiltration (LSI)

CFRP

CFRP (Formgebung) Pyrolyse Silizierung RTM, Autoklav, Filament- Winding, Warmpressen T < 250 °C

T > 900 °C Schutzgas Matrixschwindung

Si + C → SiC (Matrix) T > 1500 °C Vakuum

C/C C/C-SiC


Benchmark? HiPerCompTM, GE, Corman and Luthra in Handbook of Ceramic Composites, 2005:

Self healing effect


High Gas Velocity Oxygen Fuel Test (HVOF)

- Brennkammer-typische Bedingungen

- Brennkammer-ähnliche Verbrennungsprodukte, Chemismus, Temperatur, Gasgeschwindigkeit

- Testbedingungen in einem Temperaturbereich von 1000oC bis zu 2050oC

- HVOF-Flamme mit Kerosin/Sauerstoff

EADS-IW Ottobrunn

nach Schmidt-Wimmer, Astrium, AK Verstärkung 03/2012


Hot gas corrosion test equipment, IKTS

Hot gas composition pH2O = 0,25 atm pN2 = 0,63 atm pO2 = 0,07 atm pCO2 = 0,05 atm

Al2O3 Fiber Composite sample holder

Test condition Temperature 1450 °C, Flow speed 100 m/s, Pressure 1 atm High water vapor pressure

CMC-ring

bending bar


Klemm, IKTS, AK Verstärkung 03/2012

Hot gas corrosion of ceramic materials


Klemm, IKTS, AK Verstärkung 03/2012

Auslegungskonzept Design / Berechnung Fertigung ZfP: Röntgen/ CT

Quelle: ESA

Berechnung des Bauteils mit Fertigungsfehlern:

-Defektinformation aus ZfP: Auflösung

-Werkstoffkenngrößen aus mechanischer Prüfung: Mixed Mode Delamination + HT

-FE-Modellierung: Mixed Mode 3D + vertikale CZE

-Übertragung auf Fügeflächen

Delamination


Hofmann, DLR, PhD, 2013

CVI SiC/SiC, MT-A (MT-Aerospace)

Whipox Ox/Ox (DLR) LSI C/C-SiC (DLR)

Vielfalt keramischer Faserverbundwerkstoffe

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.70

50

100

150

200

250

300

350

400Tensile TestC/C, LPI

+45°/ -45°

0°/ 90°

Stre

ss /

MPa

Strain / %0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.70

50

100

150

200

250

300

350

400

Tensile TestSiC/SiC, CVI

+45°/ -45°

0°/ 90°

Stre

ss /

MPa

Strain / %

Weak Matrix Composites WMC Weak Interphase Composites WIC

K. Tushtev et al. J. Mater.Res., 2006


0

10

20

30

40

50

60

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

Displacement / mm

Nor

mal

ized

Loa

d / N

/mm

18

19

20

21

22

FEAExp.Standard

FEA

0

10

20

30

40

50

60

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

Displacement / mm

Nor

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ized

Loa

d / N

/mm

18

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FEAExp.Standard

FEA

Berechnung und Validierung

LoadLoadLoad

Versagen im Experiment

Kraft-Weg-Verlauf aus FEA und Exp.

19

20

21

22

18

19

20

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22

18

19

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22

18

Standard Biegefestigkeit = 164 MPa

Versagen im FE-Modell

Last


Hofmann, DLR, PhD, 2013

Prinzipien der Meso-/Makro-Modellierung


Offene Fragen – Zukünftige Herausforderungen

Mikromodellierung Einfluss der Prozessparamerter auf

Mikrostruktur und resultierende thermomechanische Eigenschaften

Mikrostrukturelle Degradation von Faser, Matrix, Grenzfläche durch Oxidation, Korrosion und resultierender Einfluss auf makroskopische Eigenschaften

Probabilistischer Ansatz Lebensdauervorhersage Effects of Defects Berücksichtigung realer

Lastbedingungen (Last, Temperatur, Gaszusammensetzung)




M.J. Benzakein (GE Aircraft Engine, 2006): “Key to Success is Strong Cooperation Between Academia, Industry, and Government Agencies”

Danksagung Abteilung Keramische Verbundstrukturen, insbesondere Enrico Daenicke, Martin Frieß, Severin Hofmann, Bernd Mainzer Miklos Gerendas (RR), Stephan Schmidt-Wimmer (Astrium), Hagen Klemm (IKTS) DLR, BMBF, DFG, EU


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