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

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. ... mehrDieses 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. Stattdessen 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.

In order to improve the efficiency of aircraft engines, SiC/SiC materials have been further developed for use in the hot gas region of high-pressure turbines. For manufacturing, the liquid silicon infiltration (LSI) process was used. To protect the fibres, a fibre coating consisting of BN, SiC and pyrolytic carbon (pyC) was applied via chemical vapour infiltration. Stacked fabric layers were coated in a batch process. A phenolic resin was then infiltrated into the preforms using resin transfer moulding. After pyrolysis, the resin served as a carbon source for the formation of the SiC matrix during melt infiltration. ... mehr
To increase the tensile strength and fracture strain, the fibre coating system was optimised in four material batches. Ultimately, it was possible to apply a homogeneous SiC layer with a thickness of ≈2700 nm to all plates of a coating batch. After siliconisation, the fibres did not show any damage caused from the melt. The BN layer had an average thickness of ≈350 nm, which decreased slightly over the height of the plates. The influence of the coating thicknesses on the tensile strength and fracture strain was also investigated. The SiC coating must be thicker than 1200 nm, as otherwise the tensile strength decreases massively due to fibre damage. BN coatings that are thinner than 80 nm also lead to lower fracture strain and tensile strength. The best properties were achieved with BN layers of ≈400 nm thickness in the tested area. The tensile strength was 234 MPa and the fracture strain was 0.19 %.
In order to eliminate the proportion of unconverted carbon in the matrix, new development approaches were tested. One of these finally achieved the desired effect and fulfilled the development objectives of this work. By using a new phenolic resin composition, the carbon was of a porous type after pyrolysis. The pores were large enough for the melt to penetrate and all the carbon could be converted into a silicon-containing SiC matrix (SiSiC). No residual carbon remained in the matrix. Instead of the previously used solvent furfuryl alcohol, ethylene glycol was used for the new phenolic resin composition. Ethylene glycol is an inert solvent and does not take part in the curing reaction of the phenolic resin. Instead, it was present in liquid phase under the selected curing conditions and was incorporated into the polymer matrix. During the subsequent heat treatment and pyrolysis, the solvent and organic components were removed. The result was a carbon matrix with large and small pores that were accessible to the silicon melt. Simultaneously with the reduction in carbon, the SiC proportion in the matrix increased. As a result, the Young’s modulus (378 GPa) and the proportional limit stress (176 MPa) were drastically increased.
In the final step, the further developed, phenolic resin-based LSI process was transferred to the manufacturing of three-dimensional turbine components for the first time. Three generic nozzle guide vanes for a high-pressure turbine were successfully manufactured and machined.