Die CMC-Werkstoffe des DLR und ihre …€¦ · 2,9 Mio€ Budget Oxidische CMC ... Nach Test....

Die CMC-Werkstoffe des DLR und ihre EinsatzmöglichkeitenFaserkeramik Kolloquium 2008

Stuttgart, 04.11.2008

Bernhard Heidenreich, Jürgen GöringDLR Stuttgart, Institut für Bauweisen- und Konstruktionsforschung

DLR Köln, Institut für Werkstoffforschung

Inhalt

• CMC-Aktivitäten im DLR

• Die Keramikwerkstoffe des DLR

• Eigenschaften der C/C-SiC Werkstoffe

• Anwendungsbereiche

• Zukünftige Forschungsschwerpunkte

Institut für Bauweisen- und Kostruktionsforschung

Stuttgart

Institut für WerkstoffforschungKöln/Porz

75 Mitarbeiter7,3 Mio€ Budget

Nicht-oxidische

CMC

71 Mitarbeiter7,5 Mio€ Budget

27 Mitarbeiter2,9 Mio€ Budget

OxidischeCMC

14 Mitarbeiter1,5 Mio€ Budget

Direktor: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Heinz Voggenreiter

WPX Faserkeramik GmbH

Keramische Werkstoffe des DLR

Biomorphe SiSiC-Werkstoffe

CMC Oxidische

•WHIPOXFaser: Al2O3 , MullitMatrix: Al2O3 MullitSIS

•OXIPOL Al2O3/SiOC, PIP

•C/C–SiC, C/C-X

•SiC/SiC, X/SiC

LSI, PIP

SiSiC

LSI

200 µm

200 µm

Nichtoxidische 500 µm

Werkstoffeigenschaften

+T max.+ +

OxidischWHIPOX, OXIPOL

NichtoxidischC/C-SiC, SiC/SiC

+Elektromagnetische Transparenz Elektrische Isolation

-+ +Oxidation / Korrosion0

-Wärmeleitung+-Härte / Verschleißfestigkeit+ +0Mechanische Stabilität+

Biom. SiSiCCMC

++Porosität / Dichtigkeit-

++Festigkeit / Steifigkeit0

- -Thermoschockbeständigkeit++

- -Schadenstoleranz+

- -Bruchverhalten+

Beispiel: Induktionsofen

Heizer (C/C-SIC)- elektr. Leitfähig

Mantel (Ox/Ox)- Elektrischer Isolator- Wärmedämmung- elektomag. Transparenz

Induktionsspule

Geschlossene Prozesskette

Versuchsmuster QS / Bauteilqualifizierung

Werkstoff- und Prozess-

entwicklung

Konstruktion und Auslegung

Vertrieb

Service

Vorserie

KundeNeue CMC-AnwendungenProdukte

Serienproduktion

Technologietransfer•WPX Faserkeramik GmbH•Industriepartner

F&E

Anwendung

DLR

Kunde

Engineer. Prod. entw. Serienf. ServiceWPX GmbH

Vertrieb

Engineer. ProTyp

„learning by doing“

WPX Faserkeramik GmbH schließt die Kette zwischen F&E und Anwender

Herstellung nichtoxidischer Keramiken via LSI

C-Faser, Precursor

CFKRTM, Autoklav, Pressen,

Wickeln

Holzwerkstoffe(MDF, DLR-HWS)

Pressen

Holzpulver, Precursor,C-Faser, C-Pulver

PyrolyseC/C, C

T max. = 1650°C, N2

SilicierungSi + C SiCT max.= 1650°C

Vakuum

C/C – SiC

BiomorphesSiSiC

200 µm

Si

C

SiC

SiSiC

C/C

FügungVerbinden der Einzelteile

Zwischenbearbeitung

C/C

Thermoschock-beständigkeit

Schadenstoleranz

Verschleiß-Beständigkeit

Geringe Dichte( ca. 2 g/cm³)

Innerer Oxidationschutz

Geringe Wärmedehnung

Eigenschaften der C/C-SiC-Werkstoffe

Einstellbare Werkstoffeigenschaften

C-faserverstärktes C/C-SiC:• Projektil durchschlägt Panzerung• Kleiner Schadensbereich (Ø < 30 mm)

Hohe Schadenstoleranz Potenzial für Schutz gegen Mehrfachbeschuss

Unverstärktes SiSiC:• Projektil gestoppt• Kachel vollständig zerstört

Keine Schadenstoleranz Schutz gegen Einfachbeschuss

Schadenstoleranz von Keramiken

Beschusstests• 7.62 x 51 AP• vP = 850 m/s• Kachelgröße

100 x 100 mm²

C/C-SiCKurzfaserverstärkt

BiomorphesSiSiC

Schadenstoleranz von CMC-Werkstoffen

Thermoschockbeständigkeit von CMC und unverstärkten Keramiken

C/C-SiCvor

Test

Biom.SiSiC

C/C-SiCProbentests im Raketentriebwerk

• T Abgasstrahl > 1700 °C

• v Abgasstrahl ≤ 2200 m/s

• T Probe ≤ 1400 °C

• t 7 s

Nach Test

Verschleißbeständigkeit und geringe Dichte

7,85 7,25

2,711,9

0

2

4

6

8

ST GG Al C/C-SiC

Dic

hte

[g/c

m3 ]

10,2

1,5

26,8 25,6

0

10

20

30Ve

rsch

leiß

[g]

Verschleiß nach300 Bremsungenmit Serienbelägen

Grauguß C/C - SiC

Bremsscheibe

Bremsbelag

Bremssscheibe

Innerer Oxidationsschutz von C/C-SiC Werkstoffen

0

20

40

60

80

100

120

C/C

C/C-SiC

C/C-SiC + CVD-SiC

C/C-SiC + CVD-SiC/Glas

Biomorphes SiSiCWHIPOX

Mas

senv

erlu

st %

Auslagerung: 900 °C / 3h / Luft

Geringe Wärmeausdehnung

8

2,531,9

1,5

0

2

4

6

8

Invar Zerodur C/C-SiC CFK

Dic

hte

[g/c

m3]

XB

XDVariationsparameter

Ausgangswerkstoffe• Faserart• Faserhalbzeug• Faserorientierung• Precursor• Siliciumart

Prozesse• Prozesszeiten• Grafitierungsgrad• Phasenanteile• Schutzschichten

Einstellbare Werkstoffeigenschaften

Maßgeschneiderte C/C-SiC Werkstoffe

FestigkeitSteifigkeit

WärmeausdehnungWärmeleitfähigkeit Härte / Verschleiß

OxidationKosten

SF

XG

UD

Thermoschock-beständigkeit

Schadenstoleranz

Abrasions- und Erosionsbeständigkeit

Geringe Dichte( ca. 2 g/cm³)

Innerer Oxidationschutz

Geringe Wärmedehnung

Eigenschaften der C/C-SiC-Werkstoffe

Einstellbare Werkstoffeigenschaften

EXPRESS-CETEX1995

C/C-SiC Thermalschutzstrukturen

20051986 2000

X-382001

Foton2005

Wer

ksto

ff-un

d Pr

ozes

sent

wic

klun

g

Hythex1993

1995

Shefex 1 2005

Shefex 2 2011

Expert2008 (2010)

SHEFEX - Sharp Edge Flight Experiment

C/C-SiC Struktur im Bereich der höchsten Temperatur- und Thermoschockbelastung (T max. = 2.200 K an der Spitze und an den Kanten)

Facettiertes CMC Thermalschutzkonzept auf der Basis kostengünstiger, ebener Platten mit thermisch entkoppelter Krafteinleitungen.

WHIPOX Struktur• Heißes Telemetriefenster für die

Datenübertragung während des Wiedereintritts

• Maximale Temperaturbelastung:

1200 °C (wiederverwendbar) bis 1500 °C (kurzzeitig)

DatenMasse ca. 50 kgØ 900mm x 450 mmSuborbitale MissionMax. Machzahl 7

C/C-SiC Teleskoprohr für Terrasar-X

Extrem schnelle Datenübertragung über Laserkommunikationsterminal (LCT)

• Satellit Satellit: ≤ 1Gbps (20.000 km)

• Satellit Boden: ≤ 5 Gbps (≤ 950 km)

Vorteile C/C-SiC Teleskoprohr:

• Thermische Stabilität (α = 0 ± 0,1x10-6 K-1)passive Athermalisierung (–35 - +55 °C)

• Hohe Steifigkeit / Geringe Masse hohe Präzision

• Nicht spröde Leichtbaustrukturen

• Kein Ausgasen / Quellen Langzeitstabilität

Zeiss Optroniks

C/C-SiC Teleskoprohr(∅ 150; d = 2 mm)

Courtesy GE and Pratt & Whitney, 1999

Steigerung der Turbineneintrittstemperatur 1.700 K ⇒ 1.900 - 2.000 K (p ca. 50 bar)

Problem: Steigerung von T Verbrennung ↑↑ (2.500 – 2.600 K) NOx ↑↑

Lösungsansatz: Magere Verbrennung ⇒ T Verbrennung ↓ 2.200 K, homogenes Luft / Kraftstoffgemisch

Problem: Mehr Primärluft für den Brenner erforderlich d.h. der Kühlluftanteil in der Brennkammer von 40-50% der verfügbaren Verdichterluft muss auf ca. 20% reduziert werden.⇒ Wandtemperatur in Brennkammer steigt.⇒ Mit metallischen Brennkammerauskleidungen (Tmax. = 1050°C) schwierig realisierbar.

Lösungsansatz:Brennkammerauskleidung aus Faserkeramik (Tmax ≥ 1300°C)

Effizienzsteigerung von Triebwerken durch hochtemperaturfeste CMC Werkstoffe

Werkstoffe

• CMC sind thermoschock- und thermowechselbeständig, nicht spröde sowie versagenstolerant.

• Hohe Anforderungen an Langzeit Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit derzeit nur mit oxidischen CMC erreichbar.

• Nichtoxidische CMC bieten Vorteile (T max., σ, λ) Entwicklung neuer Werkstoffe (SiC/SiC, SiBNC/SiC) und Schutzschichten wird vorangetrieben.

Befestigungskonzepte

• Keramikgerechte Anbindung der heißen keramischen Komponenten an die kühlere metallische Tragstruktur

Entwicklung von CMC Brennkammerschindeln

Keramikgerechtes Kühlkonzept:

• Kühlsystem für oxidische CMC mit extrem niedriger Wärmeleitfähigkeit

1990 1994

GrundlagenforschungDLR, KKS

2001

Entwicklung von Friktionsbauteilen

1998

Not-Aus BremseFeldtests (Mayr)

SGL

Brembo

Porsche / SGL

Schindler

Messring

Serienanwendungen

2004

PkW

Crash-Schlitten

Aufzüge

“ICE”- Bremse(Matech)

Anforderungen

vmax 10 – 17 m/s (36 - 60 km/h)

mmax 5 – 20 to

aSoll 0.2 – 1 gpmax 20 – 50 MPaTmax ca. 1200 °C

C/C-SiCReibbeläge

C/C-SiC Reibbeläge für Hochgeschwindigkeitsaufzüge

Burj Dubai (Otis)

C/C-SiC Reibbeläge• Gradierter Werkstoff• Temperatur- und

Thermoschockbeständig• Hohe Druckfestigkeit• Kein Verschleiß p, µ = konstant

Produktentwicklung• Grundlagen (seit 1990)• Entwicklungsprojekte mit

Schindler (1999 – 2004)• TT (2002 – 2004) an FCT

Ingenieurkeramik GmbH• Serie ab 2004

Bremszange

φ Sic = 40 %

φ Sic = 60 %

φ Sic = 60 %

Hochporöse Strukturen fürPorenbrenner

HT-Wärmeübertrager für die Kraftwerkstechnik

Keramische Strukturen für die Energietechnik

Biomorphe SiSiC Keramiken für Leichtbaupanzerung und hochsteife Strukturen

Vorteile biomorpher SiSiC Keramik:• Endkonturnahe Fertigung• Kostengünstige Materialien• Niedrige Prozesstemperaturen

Ziel: Multi hit Schutzsysteme

Stoppwirkung

Kleiner Schadensbereich

Ziel: Komplexe Strukturen

TRL für DLR Keramikwerkstoffe

Quelle: NASAC

/C-S

iCfü

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fenb

au

C/C

-SiC

für

TPS

Bio

m. S

iSiC

• Hochtemperatur- und oxidationsbeständige CMC auf der Basis von keramischen Fasern (SiC, SiBNC)

• Hochsteife und –feste C/C-SiC Werkstoffe

• Komplexe Strukturen aus biomorphen SiSiC Werkstoffen

• Neue NDT-Methoden (Computertomograph)

• Werkstoff- und Bauteilsimulation (Effects of Defects)

Schwerpunkte der Entwicklungsarbeiten