Erfahrungen in der Vorbereitung zur Kleinserien-Fertigung und Qualitätssicherung von Reibringen aus C/C-SiC

Kurzfassung

Ursprünglich wurden faserkeramische Verbundwerkstoffe (C/C-SiC) für Hitzeschutzsysteme von Raumfahrzeugen entwickelt, bei denen hohe massenspezifische Steifigkeiten und Temperaturstandfestigkeiten erforderlich sind. Aufgrund ihrer Hitze- und Erosionsbeständigkeit in Kombination mit erhöhter Schadenstoleranz fanden sie auch schnell Einsatz in Friktionsanwendungen, wie z.B. Pkw-Bremsscheiben sowie Reibbelägen im Maschinenbau und bei Hochgeschwindigkeitsaufzügen. Zudem sind diese Werkstoffe für Kurzzeitanwendungen im Heißgasbereich (z.B.: Raketenmotor) von zunehmenden Interesse. Hergestellt werden diese Werkstoffe im Flüssigsilicierverfahren (LSI-Prozess), der sich durch einen zeit- und kostenattraktiven dreistufigen Prozess auszeichnet und vom DLR Stuttgart entwickelt wurde. Dabei werden relativ dichte (offene Porosität < 2 %) ohne Nachverdichtungsschritte erreicht. Zunächst wird über gängige Methoden ein faserverstärktes Kunststoffbauteil erzeugt, das dann via Pyrolyse in einen porösen C/C-Vorkörper überführt wird. Schließlich erfolgt im dritten Schritt die Schmelzinfiltration des Vorkörpers mit flüssigem Silicium und Reaktion zum „dichten“ C/C-SiC-Bauteil. In diesem Beitrag wird über die Erfahrungen zur Herstellung und prozessbegleitende Qualitätssicherung von Reibringen in der Vorbereitung einer Kleinserie berichtet. Die Herstellung erfolgte zunächst an Plattenmaterial bis zum C/C-Zustand. Die Reibringe wurden durch mechanische Bearbeitung aus C/C-SiC-Rohlingen herausgearbeitet, die durch Silicierung von via Wasserstrahlschneiden erzeugten C/C-Rohlingen hergestellt wurden. Zur Werkstoff- und Bauteilcharakterisierung in den unterschiedlichen Werkstoffstadien kamen verschiedene Methoden, wie die Ermittlung der Porosität und Dichte nach Archimedes sowie der Bauteilgeometrie und Biegefestigkeit als auch zerstörungsfreie Prüfmethoden mittels luftgekoppelter Ultraschallverfahren und Computertomographie (CT) zum Einsatz. Dabei konnten verschiedene Korrelationen der Ergebnisse untereinander in den unterschiedlichen Werkstoffstadien aufgezeigt werden. Darüber hinaus können erste Aussagen über potenzielle Ausschusskriterien in einer möglichen Serienproduktion gemacht werden.