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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
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www.DLR.de • Folie 2 > 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
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www.DLR.de • Folie 3 > 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
from CompositeWorld
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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
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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
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Pratt&Whitney, Flugrevue 11/2013
Materialentwicklung Ox/Ox CMC NOx/NOx CMC
Design Kühlung CMC-gerechte Konstruktion
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Berechnung Mech. Eigenschaften Temperatuverteilung
Lebensdauer Qualifikation Transfer metallischer Auslegung
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Pratt&Whitney, Flugrevue 11/2013
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
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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
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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
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www.DLR.de • Folie 9
Trapp, SGL, AK Verstärkung 03/2010
> Einsatz nichtoxidischer Verbundwerkstoffe in Antriebssystemen > Dietmar Koch > 3.12.2013
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Trapp, SGL, AK Verstärkung 03/2010
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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
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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
> Einsatz nichtoxidischer Verbundwerkstoffe in Antriebssystemen > Dietmar Koch > 3.12.2013 www.DLR.de • Folie 12
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Benchmark? HiPerCompTM, GE, Corman and Luthra in Handbook of Ceramic Composites, 2005:
Self healing effect
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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
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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
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Klemm, IKTS, AK Verstärkung 03/2012
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Hot gas corrosion of ceramic materials
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Klemm, IKTS, AK Verstärkung 03/2012
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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
> Einsatz nichtoxidischer Verbundwerkstoffe in Antriebssystemen > Dietmar Koch > 3.12.2013 www.DLR.de • Folie 17
Hofmann, DLR, PhD, 2013
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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
> Einsatz nichtoxidischer Verbundwerkstoffe in Antriebssystemen > Dietmar Koch > 3.12.2013 www.DLR.de • Folie 18
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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
mal
ized
Loa
d / N
/mm
18
19
20
21
22
FEAExp.Standard
FEA
Berechnung und Validierung
LoadLoadLoad
Versagen im Experiment
Kraft-Weg-Verlauf aus FEA und Exp.
19
20
21
22
18
19
20
21
22
18
19
20
21
22
18
Standard Biegefestigkeit = 164 MPa
Versagen im FE-Modell
Last
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Hofmann, DLR, PhD, 2013
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Prinzipien der Meso-/Makro-Modellierung
> Einsatz nichtoxidischer Verbundwerkstoffe in Antriebssystemen > Dietmar Koch > 3.12.2013 www.DLR.de • Folie 20
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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)
> Einsatz nichtoxidischer Verbundwerkstoffe in Antriebssystemen > Dietmar Koch > 3.12.2013 www.DLR.de • Folie 21
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Pratt&Whitney, Flugrevue 11/2013
> Einsatz nichtoxidischer Verbundwerkstoffe in Antriebssystemen > Dietmar Koch > 3.12.2013 www.DLR.de • Folie 22
M.J. Benzakein (GE Aircraft Engine, 2006): “Key to Success is Strong Cooperation Between Academia, Industry, and Government Agencies”
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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
> Einsatz nichtoxidischer Verbundwerkstoffe in Antriebssystemen > Dietmar Koch > 3.12.2013 www.DLR.de • Folie 23