Beschichtung von Faserwerkstoffen

Partnerfirma: Schunk Kohlenstofftechnik GmbH

Vergleichbar zur aktuellen Situation in der Automobilbranche fordern Politik und Betreibergesellschaften von Flugzeugflotten stetig effizientere Triebwerke und geringere Emissionen. So sehen die Leitlinien des europäischen Strategiedokuments „Flightpath 2050“ eine Reduzierung der CO₂ -Emissionen pro Passagierkilometer von 75 % bis 2050 vor.

Dieses hoch gesteckte Ziel kann nur mit deutlich effizienteren Triebwerken erreicht werden.

Auch die Kunden der Flugzeugbauer messen der Effizienz der Triebwerke immer größere Bedeutung bei. Neben den Personalkosten und den Investitionen für die Anschaffung neuer Flugzeuge sind die Betriebs- und Brennstoffkosten die größten Kostenfaktoren für die Fluggesellschaften.

Der Wunsch nach immer effizienteren Triebwerken führt zu einem harten Innovationswettbewerb in der Branche.

Trotz der marktbeherrschenden Stellung der Triebwerkshersteller GE Aviation, Pratt & Whitney (beide USA) und des Triebwerkherstellers Rolls-Royce (UK) konnte sich die deutsche Triebwerksindustrie in der Vergangenheit mit einer vergleichsweise hohen Innovationsfähigkeit im globalen Wettbewerb, vor allem als Modulhersteller, behaupten.

Die Triebwerkseffizienz kann durch höhere Verbrennungstemperaturen gesteigert werden. Dabei kommen bisher verwendete Materialien an die Belastungsgrenze. Es müssen alternative Werkstoffe mit höherer Temperaturbelastbarkeit entwickelt werden.

Im Hochtemperaturbereich von Triebwerken und Gasturbinen werden derzeit vorwiegend Nickelbasislegierungen eingesetzt, die als bereits sehr weit entwickelte Werkstoffe gelten. Durch die Entwicklung einer Reihe verschiedener Legierungszusammensetzungen und Fertigungsprozesse konnte die Warmfestigkeit dieser Werkstoffe in inkrementellen Schritten über die letzten Dekaden bis auf ca. 1.100°C gesteigert werden.

Zusammen mit dem Fortschritt im Bereich der keramischen Wärmedämmschichten wurden dadurch immer höhere Wirkungsgrade erzielt. Als fortschrittliche Alternative zu Nickelbasislegierungen kommen aufgrund ihrer höheren Temperaturbeständigkeit, auch bezüglich Thermoschocks und wechselnden Temperaturbelastungen, vor allem keramische Verbundwerkstoffe (CMC: Ceramic Matrix Composites) in Frage. Durch den Wechsel auf CMC ist ein „Temperatur-Quantensprung“ bei den Verbrennungstemperaturen von ca. 150-200 K möglich. Ein weiterer Vorteil der CMC-Werkstoffe liegt in der deutlich geringeren Dichte (etwa 2-3 g/cm³) im Vergleich zu Nickelbasislegierungen (etwa 8 g/cm³), was für die Anwendung von CMC in Flugzeugtriebwerken einen zusätzlichen Vorteil birgt. Die höhere Temperaturfestigkeit der CMC-Materialien bzw. der geringere Kühlluftbedarf und die somit höhere Maschineneffizienz lässt sich am Markt allerdings nur realisieren, wenn gleichzeitig ein wirtschaftlicher Betrieb gegeben ist. Dafür ist es zwingend notwendig, die Langzeitstabilität der CMC-Materialien deutlich zu steigern – von einigen hundert Stunden auf >15.000 h unter realen Einsatzbedingungen. Neben der Triebwerksindustrie hat das Thema CMCs in den letzten Jahren auch bei der Entwicklung hocheffizienter, stationärer Gasturbinen für die Energieerzeugung an Bedeutung gewonnen.

Am Markt ist der Stromerzeugungs-Wirkungsgrad zu einem wichtigen Differenzierungsmerkmal zwischen den einzelnen Anbietern geworden, was die Notwendigkeit für disruptive Entwicklungsschritte, wie den Übergang von Nickelbasislegierungen zu CMCs, erhöht. Neben geringerer Brennstoffkosten ist das höhere Wirkungsgradpotenzial auch hinsichtlich der vermiedenen CO₂-Emissionen von hoher gesellschaftlicher Relevanz.

Damit eine hohe Lebensdauer und die geforderte Schadenstoleranz erreicht werden kann, müssen die keramischen Fasern vor der Weiterverarbeitung zum Verbundwerkstoff mit einer keramischen Beschichtung versehen werden. Dieser Schritt stellt den technologischen Schlüssel zu einem hochwertigen Werkstoff dar und lässt sich aktuell in Europa nicht finden. Einzig die beiden amerikanischen Triebwerkshersteller besitzen derzeit die Technologie, Siliziumcarbidfasern kontinuierlich mit einer funktionellen Schicht zu überziehen. Es besteht die Gefahr, dass Deutschland und Europa im Triebwerksbereich bei dieser Frage zurückfallen. Das ist eine Situation, die es unbedingt zu vermeiden gilt. Diese Schlüsseltechnologie zur Herstellung von siliziumcarbidfaserverstärkten Keramiken sollen in Zusammenarbeit von JLU und Schunk Kohlenstofftechnik im Rahmen des im EFRE-Innovationslabors für Hochleistungswerkstoffe realisiert werden.

Informationen über das Piloprojekt: mail to Maximilian von-Roeder