Faser­keramik für Luft­fahrt­antriebe

Leicht, stabil, temperatur­beständig – keramische Faser­verbund­werk­stoffe sind ein ideales Material für den Trieb­werks­bau. Der neue Werk­stoff hat Potenzial, Gewicht zu sparen, die Ver­brennung zu optimieren und die Effizienz zu steigern.

09.2018 | Autorin: Monika Weiner

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Monika Weiner arbeitet seit 1985 als Wissenschafts­journalistin. Die Diplomgeologin interessiert sich vor allem für neue Entwicklungen in Forschung und Technik sowie deren gesellschaftliche Auswirkungen.

Der Porsche 911 GT2 hat sie, der Ferrari 488 GTB eben­falls und auch der Lamborghini Aventador: leichte Brems­scheiben aus faser­verstärkter Keramik. Die Scheiben rosten nicht, ver­schleißen nicht und beginnen selbst dann nicht zu glühen, wenn der Fahrer bei 300 Stunden­kilo­metern eine Voll­bremsung macht.

Was sich im Auto­mobil­bau bewährt hat, soll jetzt auch die Luft­fahrt voran­bringen. „Faser­verstärkte Keramik erlaubt deutliche Gewichts­ein­sparungen. Allein das geringe Gewicht macht das Material enorm attraktiv für den Trieb­werks­bau“, sagt Dr. Bertram Kopperger, Leiter Faser­ver­bund­werk­stoffe bei der MTU Aero Engines. „Ein weiterer Plus­punkt ist die hohe Tem­pe­ratur­beständig­keit. Diese ermöglicht uns die Ent­wicklung neuer, leistungs­fähiger und effizienter Antriebe mit Material­tem­pera­turen bis zu 1.400 Grad.“ Faser­ver­stärkte Keramiken – Englisch Ceramic Matrix Composites, kurz CMCs – brauchen weniger Kühlung als Metalle, wodurch Luft, die bisher komprimiert und durch Kühl­kanäle geleitet wurde, für den Vor­trieb zur Ver­fügung steht, was den Wirkungs­grad eines Trieb­werks steigert. Kopperger sieht in dem neuen Material einen Beitrag zum Erreichen der Flightpath 2050-Ziele der Europäischen Kommission, die die MTU in ihrer Claire-Initiative abbildet. Die Abkürzung steht für Clean Air Engine. Mit Claire strebt die MTU bis 2050 eine Reduktion des Kraft­stoff­ver­brauchs um 40 Prozent verglichen mit dem V2500-Trieb­werk an.

„Keramische Fasern, die in eine keramische Matrix eingebettet sind – sogenannte CMC – beseitigen die Sprödigkeit her­kömmlicher Keramiken und können damit in hoch­be­lasteten Konstruktionen wie Flug­gas­turbinen ein­gesetzt werden. Im Ver­gleich zu metal­lischen Werk­stoffen vertragen sie jedoch wesent­lich höhere Tempera­turen, so dass der Wirkungs­grad der Turbinen erhöht werden kann.“

Dr. Friedrich Raether, Leiter des Fraunhofer-Zentrums für Hoch­temperatur-Leichtbau HTL in Bayreuth

Achtmal dünner als ein menschliches Haar

Um den Stoff, aus dem die Träume der Trieb­werks­ent­wickler sind, einsetzen zu können, wird er durch Keramik­fasern verstärkt, die ihm zudem eine ausreichende Robust­heit verschaffen. Diese Fasern sind achtmal dünner als ein menschliches Haar und zeichnen sich durch extrem hohe Bruch­festig­keit aus. Auch die Keramik-Matrix, in die sie ein­gebettet werden, ist fest und kaum ver­form­bar. Er­staunlicher­weise entsteht durch die Kombi­nation von zwei keramischen Kompo­nenten ein Material, das Be­las­tungen gut standhält. Zwar entstehen im Werk­stoff kleine Risse. Diese können sich jedoch nicht aus­breiten, weil sie an den vielen dünnen Fasern umgelenkt werden und dadurch ihre Energie zum Wachsen verlieren. Der Schlüssel zu diesem Ver­halten liegt im Über­gang von Fasern zu Matrix, der soge­nannten Grenz­fläche, wo es zu Wechsel­wirkungen kommt, die richtig „ein­gestellt“ sein müssen, wie die Werk­stoff­fach­leute sagen.

„Weil keramische Fasern, die in eine Matrix einge­bettet sind, nicht die Sprödig­keit her­kömm­licher Keramiken haben, können sie in hoch­belasteten Kons­truktionen wie Flug­gas­turbinen ein­gesetzt werden“, resümiert Dr. Friedrich Raether, Leiter des Fraunhofer-Zentrums für Hoch­temperatur-Leichtbau HTL in Bayreuth.

„Die Herstellung der CMCs ist aller­dings noch immer eine große Her­aus­forderung“, erklärt Katrin Schönfeld, die am Fraunhofer-Institut für Keramische Systeme und Technologien und Systeme IKTS in Dresden neue faser­ver­stärkte Keramiken auch für die Luft­fahrt ent­wickelt. „Mit Metallen hat der Mensch jahr­tausende­lange Er­fahrung, die Be­arbeitung ist in allen Details aus­ge­tüftelt. Bei CMCs stehen wir noch ganz am Anfang: Neue Pro­duktions­ver­fahren müssen erarbeitet und optimiert werden; es gilt her­aus­zu­finden, welchen Belas­tungen die Werk­stoffe stand­halten und sie dann in die Praxis zu über­führen.“

Keramischer Faser­ver­bund­werk­stoff

Ein Faser­ver­bund­werk­stoff besteht aus zwei Haupt­kom­ponenten: einem bettenden Material („Matrix“) sowie darin eingelegten Fasern. Durch Wechsel­wirkungen an der Grenz­fläche zwischen den beiden Kom­ponenten hat der Verbund­werk­stoff eine deutlich höhere Schadens­toleranz als die Ein­zel­kom­ponenten. Die Fasern lassen sich je nach Bean­spruchung ausrichten und im Volumen­anteil anpassen. Dadurch sind maß­ge­schneiderte Bau­teil­eigen­schaften einstell­bar.

Heraus­forderung Her­stellung

Schon die Einbettung der Fasern in eine keramische Matrix ist eine Kunst. Dafür wird etwa ein Grund­gerüst aus Fasern mit einer zunächst flüs­sigen Schmelze um­mantelt, die dann fest wird. Das kann man sich ähnlich wie beim Ein­gießen von Stahl­trägern in Beton vorstellen. Diese Methode heißt Flüssig­phasen-Infiltration. Für einen Ver­bund­werk­stoff, der gut genug für einen Einsatz in einem Trieb­werk ist, muss dieser Vorgang mehrfach wieder­holt werden. Oder das Faser­gerüst wird in einem Reaktor durch eine Infiltration aus der Gas­phase mit der Matrix um­hüllt (Chemical Vapor Infiltration). Bei diesem Ver­fahren wächst die Keramik­matrix Atom­lage für Atom­lage um die Fasern herum. Das dauert aller­dings: Die Her­stellung eines Bau­teils kann Monate in Anspruch nehmen.

Entscheidend für die Eigen­schaften des fertigen Werk­stücks ist die Chemie der Zutaten: Ummantelt man Aluminiumoxid-Fasern mit einer Aluminiumoxid-Matrix, entsteht oxidische Faser­keramik, von den Ent­wicklern auch als Ox/Ox bezeichnet. Sie ist äußerst stabil, weil ihr weder Sauer­stoff noch aggressive Chemikalien etwas anhaben können. Dieses „Weiße CMC“ lässt sich ver­gleichs­weise kosten­günstig herstellen, hält jedoch nur Tempera­turen von 1.200 Grad stand. Hitze­resistenter – bis 1.400 Grad – und fester ist nicht­oxidisches, „Schwarzes CMC “. Es besteht aus Siliziumcarbid-Fasern in einer Siliziumcarbid-Matrix, kurz SiC/SiC. Da diese Kombi­nation nicht aus­reichend kor­rosions­be­ständig ist, wenn Sauer­stoff durch die Ober­fläche ein­dringt, müssen die Bau­teile zusätz­lich mit einer Schutz­schicht, dem Environmental Barrier Coating, versehen werden. Die Her­stellung ist daher auf­wändiger und teurer.

„Für den Bau von Turbinen ist sowohl Weißes als auch Schwarzes CMC geeignet. Welches Material ein­gesetzt wird, hängt ab von den Um­gebungs­be­dingungen“, erläutert Kopperger. „Besonders tempera­tur­resistente und gegen­über mechanischen Be­las­tungen wider­stands­fähigere, nicht-oxidische SiC/SiC-Materialen benötigt man beispiels­weise für Schaufeln. Gas­führende Gehäuse­teile hingegen können auch aus oxidischem CMC gefertigt werden.“

(strich:Hitzetest) Hier wird ein Ent­wicklungs­teil aus oxidischem CMC bei bis zu 1.100 Grad Celsius im Ofen getestet, um die Einsatz­möglich­keiten des Materials unter extremen Bedingungen zu unter­suchen. Fahren Sie über das Bild für eine größere Ansicht

Hitzetest Hier wird ein Ent­wicklungs­teil aus oxidischem CMC bei bis zu 1.100 Grad Celsius im Ofen getestet, um die Einsatz­möglich­keiten des Materials unter extremen Bedingungen zu unter­suchen.

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Hitzetest Hier wird ein Ent­wicklungs­teil aus oxidischem CMC bei bis zu 1.100 Grad Celsius im Ofen getestet, um die Einsatz­möglich­keiten des Materials unter extremen Bedingungen zu unter­suchen.

(strich:Forschung für die Luft­fahrt) Die Teile werden nach Tests genau geprüft, um zu ver­stehen wie die Her­stellungs­pro­zesse weiter optimiert werden können. Fahren Sie über das Bild für eine größere Ansicht

Forschung für die Luft­fahrt Die Teile werden nach Tests genau geprüft, um zu ver­stehen wie die Her­stellungs­pro­zesse weiter optimiert werden können.

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Forschung für die Luft­fahrt Die Teile werden nach Tests genau geprüft, um zu ver­stehen wie die Her­stellungs­pro­zesse weiter optimiert werden können.

(strich:Hauch­dünn) Die Keramik­fasern – hier in 1.000-facher Ver­größerung - sind achtmal dünner als mensch­liches Haar. Durch die Ver­stärkung der Matrix mit den Fasern erhöht sich die Bruch­festig­keit, sodass das Material im Trieb­werks­bau eingesetzt werden kann. Fahren Sie über das Bild für eine größere Ansicht

Hauch­dünn Die Keramik­fasern – hier in 1.000-facher Ver­größerung - sind achtmal dünner als mensch­liches Haar. Durch die Ver­stärkung der Matrix mit den Fasern erhöht sich die Bruch­festig­keit, sodass das Material im Trieb­werks­bau eingesetzt werden kann.

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Hauch­dünn Die Keramik­fasern – hier in 1.000-facher Ver­größerung - sind achtmal dünner als mensch­liches Haar. Durch die Ver­stärkung der Matrix mit den Fasern erhöht sich die Bruch­festig­keit, sodass das Material im Trieb­werks­bau eingesetzt werden kann.

(strich:Besondere Eigen­schaften) Weißes CMC kann zwar nicht bei derart hohen Tempera­turen ein­gesetzt werden wie schwarzes, (SiC/SiC) CMC, es muss jedoch auch bei hohen Tempera­turen nicht gegen Sauer­stoff geschützt werden. Fahren Sie über das Bild für eine größere Ansicht

Besondere Eigen­schaften Weißes CMC kann zwar nicht bei derart hohen Tempera­turen ein­gesetzt werden wie schwarzes, (SiC/SiC) CMC, es muss jedoch auch bei hohen Tempera­turen nicht gegen Sauer­stoff geschützt werden.

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Besondere Eigen­schaften Weißes CMC kann zwar nicht bei derart hohen Tempera­turen ein­gesetzt werden wie schwarzes, (SiC/SiC) CMC, es muss jedoch auch bei hohen Tempera­turen nicht gegen Sauer­stoff geschützt werden.

Einsatz im Antrieb

Die ersten CMC-Bauteile haben sich im Trieb­werks­bau schon bewährt. CFM setzt Dichtungs­ringe aus SiC/SiC ein. Das GE9X-Trieb­werk von GE Aviation wird eben­falls mit Bau­teilen aus faser­ver­stärkter Keramik aus­gestattet. Und Boeing hat am Trent 1000 von Rolls-Royce eine Acoustic Exhaust Nozzle aus CMC getestet, die die Lärm­ent­wicklung reduzieren soll.

Die MTU will die neuen Werk­stoffe erstmals bei der Weiter­ent­wicklung der heutigen Ge­triebefan-Antriebe nutzen. Bewegliche und statische Turbinen­schaufeln sowie Gehäuse­teile sollen aus faser­verstärkter Keramik gefertigt werden. „Die Werk­stoffe dafür gibt es nicht von der Stange. Wir erarbeiten daher zusammen mit unseren Ko­operations­partnern in Industrie und Forschung neue Materialien“, berichtet Kopperger. Mit von der Partie sind unter anderem die Unter­nehmen BJS Ceramics in Gersthofen und die Schunk Group in Heuchel­heim bei Gießen, das DLR in Stuttgart, das Fraunhofer-Zentrum für Hoch­temperatur-Leichtbau HTL in Bayreuth sowie das Fraunhofer-Institut für Keramische Systeme und Technologien und Systeme IKTS in Dresden.

„Unser Ziel ist es, die Kompetenz zur Auslegung von ge­eigneten Trieb­werks­komponenten bei der MTU auf­zu­bauen und eine zugängliche Liefer­kette zur Her­stellung der Komponenten zu etablieren“, erklärt Kopperger.

Entwicklung im EU-Projekt

Wichtige Erfahrungen konnten die MTU-Ingenieure bereits im EU-Technologie­projekt Clean Sky sammeln. In der ersten Phase wurden Schutz­schicht­segmente für die Innen­aus­kleidung von Gehäusen gefertigt und getestet. Derzeit arbeiten die Projekt­partner an den Bau­teilen für die Flowpath-Hardware. Besonders interes­sant seien Design und Her­stellung für das Demonstrator-Trieb­werk sowie der Test­lauf, da man hier die Bereit­stellung der Hardware nach Luft­fahrt­regeln und die Wechsel­wirkung zwischen keramischen und metal­lischen Bau­teilen unter­suchen könne, berichtet Kopperger: „Metalle dehnen sich, wenn sie erhitzt werden, erheblich stärker aus als Keramik. Dies kann konstruktive Lösungen erfordern, auf die wir vor­bereitet sein müssen, wenn wir immer mehr Metall­bau­teile durch Faser­keramik ersetzen wollen.“

Ein be­acht­licher Anteil der Turbinen­komponenten könnten in Zukunft aus CMCs gefertigt werden. Ist das wirtschaft­lich? Noch kosten Bau­teile aus faser­ver­stärkter Keramik deutlich mehr als solche aus Metall. „Doch der Preis wird sinken, wenn die Materialien und die Bau­teil­fertigung in Groß­serie gehen“, davon ist Kopperger über­zeugt. Und: „Der reduzierte Treib­stoff­ver­brauch durch den besseren Wirkungs­grad wird die Mehr­kosten für die faser­ver­stärkten Keramik­bau­teile recht­fertigen.“

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