Optimierung des phenolharzbasierten LSI-Verfahrens zur Herstellung von SiC/SiC-Werkstoffen für Turbinenanwendungen

Kurzfassung

Um die Effizienz von Flugtriebwerken zu verbessern, werden SiC/SiC-Werkstoffe für die Anwendung im Heißgasbereich von Hochdruckturbinen weiterentwickelt. Für die Herstellung wurde das Flüssigsilizierverfahren (LSI, liquid silicon infiltration) verwendet. Zum Schutz der Fasern wurde eine Faserbeschichtung bestehend aus BN, SiC und pyrolytischem Kohlenstoff (pyC) über die chemische Gasphaseninfiltration aufgebracht. Dabei wurden gestapelte Gewebelagen in einem Batch-Prozess beschichtet. Anschließend wurde ein Phenolharz mittels Resin Transfer Moulding in die Preformen infiltriert. Dieses diente nach der Pyrolyse als Kohlenstoffquelle für die Bildung der SiC-Matrix während der Schmelzinfiltration. Zur Erhöhung der Zugfestigkeit und Bruchdehnung wurde das Faserbeschichtungssystem über vier Material-Chargen hinweg optimiert. Letztlich ist es gelungen, eine homogene SiC-Schicht mit einer Dicke von 2700 nm auf alle Platten eines Beschichtungs-Batchs aufzubringen. Nach der Silizierung zeigten die Fasern keinerlei Schädigungen durch die Schmelze. Die BN-Schicht hatte eine mittlere Dicke von 350 nm, wobei sich diese über die Plattenhöhe leicht verringerte. Begleitend wurde der Einfluss der Beschichtungsdicken auf die Zugfestigkeit und Bruchdehnung untersucht. Die SiC-Beschichtung muss dicker als 1200 nm sein, weil andernfalls die Zugfestigkeit aufgrund der Faserschädigung massiv sinkt. BN-Schichten, die dünner als 80 nm sind, führen ebenfalls zu Einbußen in der Bruchdehnung und der Zugfestigkeit. Die besten Kennwerte wurden mit BN-Schichten erzielt, die im getesteten Bereich 400 nm dick waren. Die Zugfestigkeit betrug dabei 234 MPa und die Bruchdehnung 0,19 %. Um den Anteil an nicht konvertiertem Kohlenstoff in der Matrix zu eliminieren, wurden neue Entwicklungsansätze getestet. Einer davon erzielte letztlich den gewünschten Effekt und erfüllte die Entwicklungsziele dieser Arbeit. Durch die Verwendung einer neuen Phenolharz-Zusammensetzung, lag der Kohlenstoff nach der Pyrolyse in poröser Form vor. Die Poren waren groß genug, dass die Schmelze eindringen konnte und der gesamte Kohlenstoff zu einer siliziumhaltigen SiC-Matrix (SiSiC) konvertiert werden konnte. Es verblieb kein Restkohlenstoff in der Matrix. Statt dem bisher verwendeten Lösungsmittel Furfurylalkohol, wurde für die neue Phenolharz-Zusammensetzung Ethylenglykol eingesetzt. Ethylenglykol ist ein inertes Lösungsmittel und nimmt nicht an der Aushärtereaktion des Phenolharzes teil. Statt-dessen lag es unter den gewählten Aushärtebedingungen in flüssiger Form vor und wurde in die Polymermatrix eingebaut. Während der anschließenden Temperung und Pyrolyse wurden das Lösungsmittel sowie organische Bestandteile entfernt. Es entstand eine Kohlenstoff-Matrix mit großen und kleinen Poren, welche für die Siliziumschmelze zugänglich waren. Simultan zur Verringerung des Kohlenstoffs stieg der SiC-Anteil in der Matrix, wodurch der E-Modul (378 GPa) und das Proportional Limit Stress (176 MPa) stark erhöht werden konnten. Im letzten Schritt wurde das weiterentwickelte, phenolharzbasierte LSI-Verfahren erstmals auf die Herstellung von dreidimensionalen Turbinenbauteilen übertragen. Drei generische Stator-Schaufeln für eine Hochdruckturbine wurden erfolgreich hergestellt und endbearbeitet.