Entwicklung, Herstellung und Test einer keramischen Schubkammer für ein Geltriebwerk

Kurzfassung

Faserkeramische Verbundwerkstoffe (C/C-SiC) wurden ursprünglich für Hitzeschutzsysteme von Raumfahrzeugen entwickelt, bei denen hohe massenspezifische Steifigkeiten und Temperaturstand-festigkeiten erforderlich sind. Aufgrund ihrer Hitze- und Erosionsbeständigkeit in Kombination mit er-höhter Schadenstoleranz erweiterte sich das Einsatzspektrum schnell auf Friktionsanwendungen, wie z.B. Pkw-Bremsscheiben sowie Reibbelägen im Maschinenbau und bei Hochgeschwindigkeitsaufzü-gen. 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 Werkstoffe (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 Schmelzinfiltra¬tion des Vorkörpers mit flüssigem Silicium und Reaktion zum „dichten“ C/C-SiC-Bauteil, das die Vo¬raussetzung für die Heißgasführung schafft. In diesem Beitrag wird über die Entwicklung und Herstellung sowie den Test einer keramischen Schubkammer an einem Geltriebwerk bei MBDA-D berichtet. Die dazu erforderliche Werkstoffent-wicklung via Nasswickelverfahren und Untersuchungen zum Einfluss des Wickelwinkels auf die mechanischen Eigenschaften erfolgten zunächst an Plattenmaterial und zylind¬rischen Rohren. Darauf aufbauend wurde ein der Geometrie angepasster Lagenaufbau für die Schub¬kammer entwickelt. Nach dem Wickeln des Vorkörpers (Faserpreform) und der Härtung auf dem Wickelkern wurden die Bauteile auf speziellen Kernen pyrolysiert und anschließend via Silicierung in C/C-SiC-Bauteile konvertiert. Zur Werkstoff- und Bauteilcharakterisierung in den unterschiedlichen Werkstoffstadien kamen ver-schiedene Methoden, wie die Ermittlung der Porosität und Dichte nach Archimedes sowie der Berst-druck- und Zugfestigkeit als auch zerstörungsfreie Prüfmethoden Computertomographie (CT) zum Einsatz. Dabei konnten der Einfluss des Wickelwinkels auf die mechanischen Eigenschaften aufge-zeigt werden. Abschließend wird über die Ergebnisse der Raketenmotortests der keramischen Schub-kammer am Geltriebwerk der MBDA-D berichtet.