Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe fliegen im LEAP-Triebwerk

4. Januar 2017

von Dawn Levy, Oak Ridge National Laboratory

Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe (CMC) bestehen aus beschichteten Keramikfasern, die von einer Keramikmatrix umgeben sind. Sie sind robust, leicht und halten Temperaturen von 300–400 Grad F heißer stand als Metalllegierungen. Wenn bestimmte Komponenten aus CMCs anstelle von Metalllegierungen hergestellt würden, könnten die Turbinentriebwerke von Flugzeugen und Kraftwerken bei höheren Temperaturen effizienter arbeiten, Kraftstoffe vollständiger verbrennen und weniger Schadstoffe ausstoßen.

Vor einem Vierteljahrhundert startete das US-Energieministerium ein Programm unter der Leitung des Oak Ridge National Laboratory des DOE, um die Entwicklung von CMC-Materialien in den USA zu unterstützen. Im Jahr 2016 wurde LEAP, ein neues Flugzeugtriebwerk, das erste weit verbreitete CMC-haltige Produkt. CFM International, ein 50/50-Joint Venture von Safran und GE, stellt LEAP her.

Das Triebwerk verfügt über eine CMC-Komponente, ein Turbinengehäuse, das seine heißeste Zone auskleidet, sodass es bei bis zu 2400 F betrieben werden kann. Das CMC benötigt weniger Kühlluft als Superlegierungen auf Nickelbasis und ist Teil einer Reihe von Technologien, die zu 15 beitragen Prozent Kraftstoffeinsparungen für LEAP gegenüber seinem Vorgänger, dem CFM 56-Motor.

Die Vorverkäufe an Fluggesellschaften, die ihre Treibstoffkosten senken wollen, sind atemberaubend: 140 Milliarden US-Dollar zum Listenpreis für mehr als 11.000 Triebwerke. Im August startete das erste LEAP-Triebwerk den kommerziellen Flugbetrieb im Airbus A320neo. Weitere LEAP-Triebwerke werden 2017 auf der Boeing 737 MAX fliegen.

„Die im DOE-Programm entwickelten Materialien bildeten die Grundlage für das Material, das jetzt in Flugzeugtriebwerken verwendet wird“, sagte Krishan Luthra, der 25 Jahre lang die Entwicklung von CMCs bei GE Global Research leitete.

Das CMC von GE besteht aus Siliziumkarbid-Keramikfasern (SiC), die Silizium und Kohlenstoff in gleichen Mengen enthalten und mit einem proprietären Material beschichtet sind, das Bornitrid enthält. Die beschichteten Fasern werden zu einer „Vorform“ geformt, die in SiC mit 10–15 Prozent Silizium eingebettet wird.

Rick Lowden vom ORNL leistete in den 1980er Jahren grundlegende Arbeit, die den Weg für DOE-Programme ebnete. Der Schlüssel lag in der Beschichtung der Keramikfasern.

„Ein Keramikmatrix-Verbundwerkstoff unterscheidet sich von fast allen anderen Verbundwerkstoffen, weil die Matrix aus Keramik und die Faser aus Keramik besteht“, sagte Lowden. Typischerweise ergäbe die Kombination zweier spröder Materialien ein sprödes Material, sagte er. Durch die Veränderung der Bindung zwischen Faser und Matrix wirkt das Material jedoch eher wie ein Stück Holz. Risse breiten sich nicht aus der sie umgebenden Matrix in die Fasern aus. Die Fasern halten das Material zusammen und tragen die Last, während sie sich langsam aus der Matrix ziehen, was für zusätzliche Zähigkeit sorgt.

Das Continuous Fiber Ceramic Composite (CFCC)-Programm des DOE lief von 1992 bis 2002 und unterstützte die industrielle Entwicklung von CMCs durch AlliedSignal, Alzeta, Amercom, Babcock und Wilcox, Dow Chemical, Dow Corning, DuPont-Lanxide Composites, GE und Textron. Das Budget betrug durchschnittlich 10 Millionen US-Dollar pro Jahr, die Kosten wurden von der Industrie geteilt.

CFCC finanzierte Unternehmen zur Herstellung von Verbundwerkstoffen sowie nationale Labore und Universitäten zur Charakterisierung der Eigenschaften der Materialien. Die Bemühungen wurden durch ORNL koordiniert und finanziert. Lowden verfasste den Programmplan zusammen mit Scott Richland vom DOE und Mike Karnitz vom ORNL und leitete gemeinsam mit Karren More, Pete Tortorelli und Edgar Lara-Curzio vom ORNL sowie Bill Ellingson vom Argonne National Laboratory die Unterstützung der Unternehmen. Die US Advanced Ceramics Association vertrat die Industrie, indem sie den Kongress über die Vorteile von CMCs informierte.

„Wir haben uns verschiedene Fasern, verschiedene Grenzflächenbeschichtungen und verschiedene Matrizen angesehen“, sagte More über die Rolle von ORNL. „Wir waren daran beteiligt, die Abbaumechanismen zu verstehen und die vielversprechenderen Verbundwerkstoffe sowie kostengünstige Techniken zu deren Herstellung auszuwählen.“

Lowden fügte hinzu: „Wir arbeiteten auf das gemeinsame Ziel hin, Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe in industrielle Anwendungen zu bringen, darunter Hochdruckwärmetauscher, landgestützte Turbinen, Aufkohlungsöfen und Strahlungsbrenner.“

Das CFCC-Projekt von GE bestand darin, CMCs für industrielle Gasturbinentriebwerke zu entwickeln, die Strom erzeugen. (GE stellt sowohl Energie- als auch Antriebsturbinen her.) Ein Folgeprogramm des DOE lief 2005 und finanzierte die vielversprechendsten CFCC-Unternehmen, um Materialien und Komponenten weiterzuentwickeln und sie, wenn möglich, in Anwendungen zu testen. Die Gesamtfinanzierung belief sich auf etwa 15 Millionen US-Dollar, wobei die Kostenbeteiligung der Industrie bei nahezu 50 Prozent lag. GE hat im Rahmen des Programms ein CMC-Gehäuse in einer 170-Megawatt-Industriegasturbine im Feldtest getestet. Insgesamt investierte GE danach 1,5 Milliarden US-Dollar, um die Technologie zu kommerzialisieren.

„Startkapital ist für Technologien mit hohem Risiko und hohem Gewinn von entscheidender Bedeutung“, sagte Luthra. „Materialentwicklung ist eine langfristige Aktivität und Oak Ridge hat die Grundlagenforschung enorm unterstützt.“

Als Beweis für den Erfolg verwies Luthra auf die neuen CMC-Fabriken und Arbeitsplätze heute. Im Jahr 2002 erwarb GE eine CMC-Anlage in Newark, Delaware, die erheblich gewachsen ist. Im Jahr 2014 wurde in Asheville, North Carolina, eine neue GE-Anlage zur Herstellung von Gehäusekomponenten eröffnet. Darüber hinaus baut GE zwei benachbarte Fabriken in Huntsville, Alabama – die erste, um die Faserproduktion hochzufahren, und die zweite, um Fasern zu beschichten und Bänder für die Verarbeitung zu Komponenten herzustellen. Bei Vollausbau werden die Standorte Asheville und Huntsville voraussichtlich 640 High-Tech-Arbeitsplätze schaffen.

Im Jahr 2019 wird GE ein Triebwerk, GE9X, mit fünf CMC-Teilen produzieren – zwei Brennkammerauskleidungen, zwei Düsen, ein Gehäuse. Der Vorverkauf beträgt zu Listenpreisen für 700 Motoren etwa 29 Milliarden US-Dollar.

Lange bevor Keramikfasern Keramikverbundstoffe verstärkten, beschichteten ORNL-Forscher Kernbrennstoff mit Kohlenstoff und SiC, um die Radioaktivität in tristrukturell-isotropen (TRISO) Brennstoffpartikeln einzuschließen. Bei Experimenten in den 70er Jahren erkannte Jack Lackey vom ORNL, dass das Verfahren geändert werden könnte, um keramische Verbundwerkstoffe schneller herzustellen. Mit Unterstützung des Fossil Energy Materials Program des DOE entwickelte seine Gruppe ein Verfahren, um genau das zu erreichen.

„Man nimmt einen faserigen Vorformling, legt ihn in einen Ofen und dampft Feststoffe auf und um die Fasern herum auf“, erklärte Lowden, der Lackeys Techniker war. Um das gesamte Objekt gleichmäßig zu beschichten, muss der Abscheidungsprozess extrem langsam sein – die Verarbeitung eines Teils von einem halben Zoll kann sechs Monate dauern.

Das ORNL-Team stellte jedoch fest, dass das Auflegen einer Fasermatte auf eine Kühlplatte, das Erhitzen der Oberseite und das Drücken von Gasen durch die Matte den Prozess von Monaten auf Stunden beschleunigte. „Da haben wir uns mit Keramikmatrix-Verbundwerkstoffen beschäftigt“, sagte Lowden. ORNL lieferte jahrelang CMCs an Forscher, die CMCs für verschiedene Anwendungen evaluierten.

Heute produziert GE CMCs mithilfe eines Schmelzinfiltrationsverfahrens in Massenproduktion. Die Produktionskapazität wird skaliert, um bis 2020 jährlich 36.000 Mantelsegmente in perfekter Qualität herzustellen. (Jeder LEAP-Motor benötigt 18 Mantelsegmente.)

Während der CFCC-Jahre war der größte Erfolg des Programms eine Industriegasturbine, die 1999 im Werk Malden Mills in Massachusetts in Betrieb genommen wurde. Die Turbine war mit einer CMC-Brennkammerauskleidung ausgestattet – entwickelt von Solar Turbines unter Mitwirkung von Forschern am ORNL, Argonne und United Technologies , BF Goodrich und DuPont-Lanxide Composites – die dazu beigetragen haben, den Wirkungsgrad der Turbine zu verbessern. Damals sagte Energieminister Bill Richardson, das Kraftwerk Malden Mills habe „die niedrigsten Emissionen aller industrialisierten Wärme- und Strom-Kopplungsanlagen in den Vereinigten Staaten“.

Seit CFCC hat GE CMCs mehr als 2 Millionen Stunden lang getestet, darunter 40.000 Stunden in Industriegasturbinen. Jim Vartuli vom CMC-Programm von GE sagte, dass die Unterstützung des DOE für große Industriegasturbinen bei der Beschaffung dieser ersten Demonstratoren GE zuversichtlich gemacht habe, dass die Keramik hohen Temperaturen und Belastungen in Turbinen über lange Zeiträume standhalten könne.

„GE ist das einzige Unternehmen der Welt, das sowohl große Industriegasturbinen als auch Flugzeugtriebwerke betreibt, und dies eröffnet viele Möglichkeiten für die gemeinsame Entwicklung fortschrittlicher Technologie. Dies ist ein Beispiel für den ‚GE Store‘ – den Transfer von Technologie und Wissen.“ zwischen GE-Unternehmen", erklärte Vartuli. „Der Erfolg der Turbinentests hat unser Luftfahrtunternehmen davon überzeugt, dass CMCs auch für Flugzeugtriebwerke erfolgreich sein würden.“

CFCC-Unternehmen brachten die von ihnen hergestellten Materialien zur zerstörungsfreien Bewertung zu den nationalen Laboratorien des DOE in Argonne und zur mikrostrukturellen Charakterisierung sowie Spannungs- und Oxidationstests nach Oak Ridge. „Diese Partnerschaft unterstreicht den Wert der nationalen Labore“, sagte More. „Wir leisten grundlegende und umfassende Arbeit, um das Verhalten von Materialien zu verstehen. Wir stellen notwendige Informationen bereit, um der Community bei der Entscheidungsfindung darüber zu helfen, wohin sie gehen und wie sie vorgehen soll.“ Neue Erkenntnisse darüber, wie Materialien abgebaut werden, halfen der Industrie, Verbesserungen zu beschleunigen und Herstellungsprozesse zu optimieren.

Die Forschung am ORNL reichte von der Entwicklung von Umweltbarrierebeschichtungen durch Allen Haynes, die die Lebensdauer der darunter liegenden Materialien um das Fünffache verlängern könnten, bis hin zur zerstörungsfreien Bildgebung von Materialien mit Wärmekameras durch Ralph Dinwiddie. Im Argonne National Laboratory leitete Bill Ellingson die Entwicklung umfassenderer zerstörungsfreier Prüfmethoden, um die sichere weitere Verwendung von Komponenten durch Überwachung der Materialverschlechterung nach Nutzungsintervallen sicherzustellen. Ohne die Komponenten zu beschädigen, zeigten die Inspektionen, wie Materialien im Laufe der Zeit in einer Umgebung reagierten. Gemeinsam mit ORNL-Forschern entwickelten Argonne-Wissenschaftler mehrere zerstörungsfreie Inspektionstechnologien, die maßgeblich zur Bestimmung der Komponentenleistung beitrugen.

Pete Tortorelli und HT Lin vom ORNL haben Materialien in Klimakammern belastet, um herauszufinden, wo sie versagen können. Die Laborkollegen Jim Keiser und Irv Federer setzten Proben in „Keiser-Rigs“, die die Bedingungen in Turbinen simulierten, korrosiven Gasen, Temperaturen von bis zu 2550 F und Drücken von bis zu 500 psi aus. Diese wurden auch von More, Tortorelli und Keiser verwendet, um Schutzbeschichtungen abzuschirmen, die in Verbrennungsumgebungen benötigt werden.

Mittlerweile sind mehr Strukturen aus beanspruchten Materialien charakterisiert. „Karren More trat als unsere Mikroskopikerin auf die Bühne, und das hat unsere Welt verändert“, erinnert sich Lowden. „Mit der Transmissionselektronenmikroskopie zu sehen, was passierte, und zu verstehen, was auf dieser Ebene geschah, war unglaublich.“ Aufgrund seiner großen Infrastruktur hatte GE Zugriff auf einige Techniken im eigenen Haus. „Aber wir haben von Karren unschätzbare Hilfe bei den Faserbeschichtungen bekommen“, sagte Luthra. „Es hat uns geholfen, die Faserbeschichtungen schneller zu entwickeln.“

Die frühen Erkenntnisse des ORNL ermutigten die Industrie, auf Kohlenstoff als Faserbeschichtung zu verzichten. Kohlenstoff oxidiert, verwandelt sich in Kohlenmonoxid und Kohlendioxid und verflüchtigt sich, wodurch die Beschichtung dünner wird. Die ORNL-Ingenieure empfahlen stattdessen oxidationsbeständiges Bornitrid.

Darüber hinaus modellierte und testete Edgar Lara-Curzio die mechanische Leistung von CMC-Materialien unter verschiedenen Belastungsbedingungen und ihre Beständigkeit gegen Ermüdung, Kriechen und Bruch im Hochtemperatur-Materiallabor des ORNL. In Zusammenarbeit mit Matt Ferber und Chun-Hway Hsueh implementierte er experimentelle und analytische Methoden zur Charakterisierung der Mikromechanik von Faser-Matrix-Grenzflächen. „Diese Messungen waren wichtig, um die chemische Bindung zwischen Fasern und Matrix, die von den Fasern erfahrenen Eigenspannungen und die Reibung zwischen den Fasern und der Matrix beim Fasergleiten zu quantifizieren“, sagte Lara-Curzio und wies darauf hin, dass CMCs vor allem deshalb robust sind, weil Grenzflächenbeschichtungen das Gleiten der Fasern ermöglichen Risse in der Brückenmatrix. Er und Hsueh lieferten wichtige Informationen darüber, wie eine einzelne Faser in einer Keramikmatrix gleitet. Anschließend quantifizierten Lara-Curzio, Ferber und Lowden den Einfluss der Dicke der Faserbeschichtungen auf das Gleiten und entdeckten einen Wert, der die mechanischen Eigenschaften optimierte. Unternehmen haben diese Korrelation weitgehend übernommen, um ihre Verbundwerkstoffe zu optimieren.

Heute träumt Luthra bei GE davon, CMCs überall dort einzusetzen, wo der Motor heiß wird – Schaufeln, Düsen, Laufbuchsen. Um diese Vision zu verwirklichen, muss die Community viele technologische Berge erklimmen. Einer davon ist die Entwicklung von Herstellungsverfahren, die im Gegensatz zur Schmelzinfiltration kein überschüssiges Silizium produzieren, das sich verflüchtigen und Risse in der Matrix bilden kann.

„Jedes Jahrzehnt haben wir die Hitze, die Metalle ertragen können, um etwa 50 Grad erhöht“, bemerkte Luthra. Heutzutage kann CMC-Material bis zu 2.400 °F aushalten, aber Luthra möchte, dass die nächste Generation 2.700 °F erreicht. „Das wird genauso herausfordernd sein wie die Entwicklung des ersten Keramikverbundwerkstoffs“, sagte er.

Um diese Herausforderungen hervorzuheben, erstellt die US Advanced Ceramics Association einen branchenorientierten Fahrplan für die Entwicklung von 2700 F CMCs für fortschrittliche Gasturbinen. Dieser Fahrplan wird den Kongress über die Erfolge der 2400 F CMCs informieren, Investitionen in die Entwicklung der 2700 F CMCs fördern und den Beitrag der CMCs zur Schaffung gut bezahlter US-amerikanischer Fertigungsarbeitsplätze, zur nationalen Sicherheit und zur Umwelt hervorheben. Die Roadmap von USACA unterstützt die Ergebnisse einer aktuellen Studie der National Academy of Sciences, die zu dem Schluss kommt, dass Investitionen in Gasturbinenmaterialien und -beschichtungen hohe Priorität haben sollten und dass 2700 F CMCs den Kühlbedarf in Motoren drastisch reduzieren oder ganz eliminieren, die Effizienz steigern und das Gewicht verringern könnten. Die nationalen Labore des DOE könnten erneut aufgefordert werden, bei der Entdeckung leistungsstarker Materialien und Prozesse zu helfen, die bei höheren Temperaturen und noch extremeren Umgebungen funktionieren können.

Zukünftige CMCs müssen je nach Anwendung auf vier Zeitskalen Extremen standhalten: 1 Stunde oder weniger heiße Zeit für Trägerraketen; Tage für unfalltolerante Brennstoffe (z. B. wenn in einem Kernkraftwerk ein Kühlsystem ausfällt); Tausende von Stunden beträgt die Betriebsdauer von Flugzeugturbinen; und über 30.000 Stunden für Industriegasturbinen zur Stromerzeugung.

Eine landgestützte Gasturbine zur Stromerzeugung könne anspruchsvoller sein als eine Flugzeugtriebwerksanwendung, da sie viel länger bei hohen Temperaturen betrieben werde, sagte Luthra. Fortschritte bei der nächsten Generation von 2700-F-Materialien würden bahnbrechende Verbesserungen bei Effizienz und Emissionen ermöglichen, die die Stromkosten senken könnten.

Schließlich ist der Himmel möglicherweise nicht die Grenze.

Mehr Informationen:Forschung zu Antriebs- und Energiesystemen für Verkehrsflugzeuge zur Reduzierung globaler Kohlenstoffemissionen: www.nap.edu/read/23490/chapter/1

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