Neue Werkstoffe für Verdichterschaufeln

Abstract

Rotierende Bauteile von Flugtriebwerken unterliegen hohen Anforderungen sowohl an die Werkstoffausnutzung als auch an die Zuverlässigkeit. Dies führt zu einem Spagat zwischen einer Bauteilauslegung bis an die Grenzen der Werkstofffestigkeit und der Zuverlässigkeit der verwendeten Werkstoffkennwerte. Numerische Verfahren erlauben zwar eine sehr genaue optimierte Auslegung hoch belasteter Bauteile, entsprechend verfügbare Werkstoffdaten sind jedoch die Grundvoraussetzung. Da weitere Leistungs- und Effizienzsteigerungen im Flugtriebwerksbau der Unterstützung neuer Werkstoffe bedürfen, sind diese zunächst exakt zu charakterisieren. Siliziumkarbidfaser-verstärkte Titanlegierungen sind Werkstoffe mit äußerst hohem Potential für zukünftige Flugtriebwerke. Sie weisen hohe spezifische Festigkeiten und Steifigkeiten auf, jedoch muss aufgrund der reduzierten Duktilität das Verhalten unter Impact-Belastungen und hohen Dehnraten näher untersucht werden. Hierzu wurden Zugproben mit unterschiedlichen Dehnraten geprüft und Impact-Versuche auf einseitig eingespannte Biegeproben durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Versuche werden verwendet, um Materialmodelle entwickeln und Bauteilauslegungen näher am Limit durchführen zu können. In diesem Beitrag werden die Versuchsdurchführung und -ergebnisse, die Materialmodelle und die Relevanz bei der Auslegung von Verdichterschaufeln dargestellt. Zum Einen ist die begrenzte Duktilität der faserverstärkten Titanlegierungen zu berücksichtigen und zum Anderen kann eine unter sehr hohen Dehnraten erhöhte Festigkeit für die Auslegung der Schaufeln auf Fremdkörpereinschlag als zusätzliches Potential genutzt werden. Die Arbeiten wurden in einem Kooperationsprojekt zwischen MTU und DLR durchgeführt. Bei MTU wurden die Impactversuche und die dynamische Schaufelauslegung durchgeführt, während am DLR die Proben gefertigt und die Schaufeln statisch ausgelegt wurden. Die dynamischen Zugversuche wurden im Unterauftrag des DLR an der TU Chemnitz durchgeführt.