Einsatz nicht-oxidischer keramischer
Faserverbundwerkstoffe in Triebwerken
Bernd Mainzer ▪ 01.12.2015 DLR.de • Chart 1
Bernd Mainzer, Martin Frieß, Dietmar Koch
DLR Stuttgart Institut für Bauweisen und Strukturtechnologie
Keramische Verbundstrukturen
Pfaffenwaldring 38-40
70569 Stuttgart
Motivation – Das GE LEAP und GE9X Triebwerk
Bernd Mainzer ▪ 01.12.2015 DLR.de • Chart 2
CFM International LEAP
Das LEAP Triebwerk
Investitionen für CMC Entwicklung: >1 Mrd. USD
Jedes LEAP hat 18 CMC shrouds
15% Treibstoffeinsparung, verglichen mit dem Vorgänger CFM56-7BE
9500 Bestellungen
Für Airbus A320neo (2016) und Boeing 737MAX (2017)
Das GE9X Triebwerk:
CMCs für Brennkammer- und Hochdruckturbinen-Sektion
700 Bestellungen
Für Boeing 777X (2020)
Warum CMCs?
Höhere Effizienz durch verringerten Kühlluftbedarf
Verringerung des Triebwerkgewichts
Entwicklung von zwei SiC-faserverstärkten CMCs am DLR:
SiC/SiCN über PIP-Verfahren
SiC/SiC über LSI-Verfahren
Polymer Infiltration und Pyrolyse (PIP) am DLR
Bernd Mainzer ▪ 01.12.2015 DLR.de • Chart 3
Nachinfiltrations-
zyklen zur
Verringerung der
Porosität
1. PIP
Zyklus
4. PIP
Zyklus
9. PIP
Zyklus
Mechanische Eigenschaften PIP-SiC/SiCN
Bernd Mainzer ▪ 01.12.2015 DLR.de • Chart 4
Tyranno SA3 mit PyC-Beschichtung SiCPyC/SiCN Komposit SiCLaPO4/SiCN Komposit
Tyranno SA3
Fasern
33% Faser-
volumengehalt
PyC Faser -
beschichtung
2 µm 2 µm 2 µm
HVOF Tests (High Velocity Oxygen Fuel)
Bernd Mainzer ▪ 01.12.2015 DLR.de • Chart 5
EADS Innovation Works
SiCPyC/SiCN
1700 °C, 4h, Kerosinflamme
∆m/m [%]: -3,3%
3 mm
Querschnitt nach Test
500 µm
Flüssigphasensilicierung (LSI) am DLR
Bernd Mainzer ▪ 01.12.2015 DLR.de • Chart 6
Tyranno SA3
Si-Granulat
SiC/SiC Platte 150x90mm Zielsetzungen Stöchiometrische SiC-
Matrix Entwicklung einer
geeigneten Faserbeschichtung
Matrixentwicklung – C-Matrix
Bernd Mainzer ▪ 01.12.2015 DLR.de • Chart 7
SiCm
C
C
PCS+
MF88
MF88 MF27
MF18
C
C
200 nm
200 nm 200 nm
200 nm 2 µm
2 µm 2 µm
2 µm
Vergleich Matrixkonvertierung
Bernd Mainzer ▪ 01.12.2015 DLR.de • Chart 8
SiC-Gehalt der
Matrix und SiC-
Morphologie
über C-
Precursor
steuerbar
2 µm 2 µm 2 µm 2 µm
SiC
Si SiC
Si
SiC SiC
Si
Faserbeschichtungen für LSI-SiC/SiC Komposite
Bernd Mainzer ▪ 01.12.2015 DLR.de • Chart 9
Worst case scenario -> Zerstörte SiC-Faser durch Si-Angriff
Zerstörung der Faser durch Auflösung und Präzipitation an größeren SiC-
Kristalliten außerhalb der Fasern (Ostwald Reifung)
LSI
T>1450°C
Silicium
Aufklärung des Si-Angriffs auf SA3-Faser
Bernd Mainzer ▪ 01.12.2015 DLR.de • Chart 10
Zwischenschicht
HAADF
632 x 516nm
Extrem kohlenstoffreicher Kern in der Faser
Auflösung von Kohlenstoff bei Kontakt mit flüssigem Silicium
In Konsequenz: Schutzbarriere gegen Silicium notwendig
Kelm, Watermeyer, DLR-WF
Al-Map C-Map
Si-Map O-Map
BSiN/SiC Faserbeschichtung
Bernd Mainzer ▪ 01.12.2015 DLR.de • Chart 11
Eine Faserbeschichtung für LSI-SiC/SiC
Komposite benötigt drei Funktionen:
1. Schutz der Faser vor flüssigem Silicium
2. Schwaches Faser/Matrix Interface zur
Schaffung energiedissipierender Effekte
(Rissablenkung, Faser-Pullout) für
gesteigerte Schadenstoleranz
3. Oxidationsresistenz
1. Schicht: B(Si)N
2. Schicht: SiC
SiC
10 µm
Mikrostruktur SiC/SiC Komposit mit BSiN/SiC
Faserbeschichtung
Bernd Mainzer ▪ 01.12.2015 DLR.de • Chart 12
Bruchfläche LSI-SiC/SiC Schliff LSI-SiC/SiC
2 µm 10 µm
Schadenstolerantes Bruchverhalten
offene Porosität < 2 Vol.% durch LSI-Verfahren
Einfluss der Faserbeschichtung auf das Versagensverhalten
Bernd Mainzer ▪ 01.12.2015 DLR.de • Chart 13
10 µm
LSI-SiC/SiC
10 µm
Bruchfläche
LSI-SiC/SiC
ohne Faser-
beschichtung
Bruchfläche
LSI-SiC/SiC mit
CVD-BSiN/SiC
Faser-
beschichtung
PIP LSI
33% Faservolumengehalt
Einfluss der Faserbeschichtung auf das Versagensverhalten
Bernd Mainzer ▪ 01.12.2015 DLR.de • Chart 14
10 µm
Bruchfläche
LSI-SiC/SiC
mit PyC Faser-
beschichtung
10 µm
Bruchfläche
LSI-SiC/SiC mit
CVD-BSiN/SiC
Faser-
beschichtung
LSI-SiC/SiC
PIP LSI
33% Faservolumengehalt
Einfluss der Faserbeschichtung auf das Versagensverhalten
Bernd Mainzer ▪ 01.12.2015 DLR.de • Chart 15
10 µm 10 µm
Bruchfläche
LSI-SiC/SiC mit
dip-coating
BN/SiC Faser-
beschichtung
10 µm
Bruchfläche
LSI-SiC/SiC mit
CVD-BSiN/SiC
Faser-
beschichtung
LSI-SiC/SiC
PIP LSI
33% Faservolumengehalt
Einfluss der Faserbeschichtung auf das Versagensverhalten
Bernd Mainzer ▪ 01.12.2015 DLR.de • Chart 16
Bruchfläche
LSI-SiC/SiC mit
CVD-BSiN/SiC
Faser-
beschichtung
10 µm
Bruchfläche
LSI-SiC/SiC
mit TiB2 Faser-
beschichtung
10 µm
LSI-SiC/SiC
PIP LSI
33% Faservolumengehalt
Einfluss der Faserbeschichtung auf das Versagensverhalten
Bernd Mainzer ▪ 01.12.2015 DLR.de • Chart 17
10 µm
Bruchfläche
LSI-SiC/SiC
mit Y2O3
Faser-
beschichtung
Bruchfläche
LSI-SiC/SiC mit
CVD-BSiN/SiC
Faser-
beschichtung
10 µm
LSI-SiC/SiC
PIP LSI
33% Faservolumengehalt
Einfluss der Faserbeschichtung auf das Versagensverhalten
Bernd Mainzer ▪ 01.12.2015 DLR.de • Chart 18
10 µm
Bruchfläche
LSI-SiC/SiC
mit SiNx Faser-
beschichtung
Bruchfläche
LSI-SiC/SiC mit
CVD-BSiN/SiC
Faser-
beschichtung
10 µm
LSI-SiC/SiC
PIP LSI
33% Faservolumengehalt
Zusammenfassung
Bernd Mainzer ▪ 01.12.2015 DLR.de • Chart 19
Zwei auf SiC-Fasern basierte Verbundwerkstoffe werden am DLR für Anwendungen
im Triebwerk entwickelt:
SiC/SiCN (PIP-Verfahren) und SiC/SiC (LSI-Verfahren)
Der PIP-SiC/SiCN Verbundwerkstoffe zeigt Eignung für Brennkammerbedingungen
Der erste schadenstolerante DLR LSI-SiC/SiC Verbundwerkstoff wurde entwickelt
Ausblick: Entwicklung von EBCs für PIP- und LSI-
Werkstoffe
Bernd Mainzer ▪ 01.12.2015 DLR.de • Chart 20
LPPS – Yttriumsilikat Schicht
100 µm
1 µm
Bildquelle: T. Ullmann
YS/YS2
Bernd Mainzer ▪ 01.12.2015 DLR.de • Chart 21
Vielen Dank für die Aufmerksamkeit
Top Related