Upload
phungthu
View
221
Download
3
Embed Size (px)
Citation preview
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
r St
rahl
rude
r
WH
IPO
X fü
r O
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