Hochleistungskeramik für Gasturbinen

Thema

Radialturbinenrotor aus Siliziumnitrid.
Simulierte Temperatur- (unten) und Spannungsverteilung (oben) bei Maximalbelastung.

Rotor für eine Mikrogasturbine zur Stromerzeugung

 

Der Ausbau regenerativer Energien stellt eine der Hauptausrichtungen europäischer Umweltpolitik zur Verringerung des Verbrauchs fossiler Energieträger und zur Minderung von Schadstoffemissionen dar. Dabei kommt der sicheren Energiebereitstellung bei Spitzenlasten wachsende Bedeutung zu. Stationäre Gasturbinen können flexibel hohe Leistungen bereitstellen und sind aufgrund ihres hohen Wirkungsgrads vergleichsweise saubere Wandler fossiler Energien. Mikrogasturbinen eignen sich besonders, um dezentral und unabhängig Energie zu wandeln und können mit einer Kraft-Wärmekopplung neben Elektrizität auch nutzbare Wärme bereitstellen. Die Kernpunkte aktueller Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten bilden die Senkung der Schadstoffemissionen sowie die Minderung des Kraftstoffverbrauchs solcher Turbomaschinen. Dies kann hauptsächlich durch die Steigerung des Wirkungsgrads infolge einer Erhöhung der Arbeitstemperatur oder durch Minimierung der notwendigen Kühlleistung erreicht werden. Mit beiden Maßnahmen sind deutlich höhere Bauteiltemperaturen verbunden, bei denen metallische Werkstoffe an ihre physikalischen Grenzen stoßen. Aus diesem Grund besteht großes Zukunftspotenzial in der Substitution metallischer Komponenten durch keramische Hochleistungswerkstoffe im Heißgasbereich von Gasturbinen. Im Rahmen eines Fraunhofer-Projekts wurde ein Radialturbinenrotor für eine Mikrogasturbine mit 30 kWel aus Siliziumnitrid (Si3N4) entwickelt, der eine  langzeitstabilität bei bis zu 1200 °C und Volllastbetrieb aufweist und mit einem kostengünstigen Verfahren in großen Serien hergestellt werden kann. An diesem Projekt waren die Fraunhofer-Institute IKTS (Werkstoffentwicklung, Formgebung), IPK (Werkzeugherstellung, Bauteilendbearbeitung), SCAI (Simulation, Bauteiloptimierung), IFF (Testbetrieb, Schwachgasuntersuchungen), IWS (Fügetechnik, Beschichtung) beteiligt. Die Hochleistungskeramik Si3N4 eignet sich aufgrund ihrer hervorragenden mechanischen Eigenschaften von Raumtemperatur bis über 1400 °C bestens für bewegte Bauteile und höchste thermomechanische Beanspruchungen. Abhängig von der genauen Materialzusammensetzung, Sinterregime und Nachbehandlung lassen sich bestimmte Eigenschaften besonders beeinflussen. Um diese optimal auf das Beanspruchungsprofil einzustellen und gleichzeitig ein werkstoffgerechtes Bauteildesign zu erreichen, ist eine iterative Abstimmung der Materialeigenschaften mit der Bauteilkonstruktion unumgänglich. Die Abbildung eines realitätsnahen Beanspruchungsprofils mittels simulativer Kopplung der thermischen und (strömungs-) mechanischen Beanspruchung durch das Fraunhofer SCAI bildete die Ausgangssituation für die Werkstoffentwicklung. Anhand dieser Daten wurden konkrete Entwicklungsziele definiert. Die Anpassung des Werkstoffs erfolgt durch gezieltes Design der Korngrenzenphase und führte zu einem Material mit sehr hoher Festigkeit sowie großer Oxidationsbeständigkeit und Ermüdungsfestigkeit bis 1200 °C. Als ein endformnahes Fertigungsverfahren konnte der Keramikspritzguss (Ceramic Injection Molding CIM) zur Herstellung genutzt werden. Mit diesem Verfahren lassen sich große Stückzahlen mit hoher Materialausbeute effizient herstellen.  

Werkstoffkennwerte Radialturbinenrotor
Einsatztemperatur 1200°C
Bruchzähigkeit 6,8 MPa m1/2
Festigkeit ~ 1000 MPa
Ermüdungsfestigkeit bei 1200°C ~ 500 MPa


Dabei wird eine thermoplastische Masse aus keramischen Pulvern und organischen Bindemitteln (Feedstock) bei erhöhter Temperatur und unter hohem Druck in eine Werkzeugkavität gepresst, wobei das Bauteil endkonturnah abgeformt wird. Aufgrund des großen Bauteilvolumens (etwa 148 cm³) bestehen hohe Anforderungen an das Werkzeug und den Feedstock, wobei das Entfernen des Binders die größte Herausforderung darstellte. Die Kombination aus chemischer und thermischer Behandlung des spritzgegossenen Bauteils ermöglichte im Anschluss das Sintern defektfreier Rotoren. Um die technologische Reife des Hochdruckspritzgussverfahrens bewerten zu können, wurden parallel zur Spritzgussentwicklung Rotoren mittels 5-Achs-Simultangrünbearbeitung hergestellt. Nach dem Wuchten erfolgten Schleudertests bei bis zu 20% über der Maximaldrehzahl im Einsatz. Nach leichten konstruktiven Anpassungen der am Fraunhofer IFF angebundenen Turbine Capstone® C30 konnte ein keramischer Rotor eingebaut und erfolgreich bei Maximaldrehzahl (96.000 min-1) getestet werden.

Triebwerksschaufel aus Siliziumnitrid.
Triebwerksschaufel aus Siliziumnitrid.

Turbinenschaufeln für Hubschraubertriebwerk

 

Triebwerke von Flugzeugen und Helikoptern funktionieren nach der gleichen Wirkungsweise wie stationäre Gasturbinen. Die in der Turbinenstufe umgewandelte Energie wird jedoch nicht zur Strombereitstellung, sondern zur Schuberzeugung genutzt. Triebwerke werden stets in axialer Bauweise, das heißt ohne Umlenkung des Gasstromes, produziert. In derartigen Turbinen ist der Rotor in der Regel kein kompaktes Bauteil, sondern ein Ring mit einzeln angebrachten Schaufeln. Innerhalb eines weiteren Projekts wurden keramische Schaufeln für die erste Turbinenstufe eines Hubschraubertriebwerks (Klimov GTD 350) entwickelt und hergestellt. Die  angestrebte Einsatztemperatur des Materials betrug 1400 °C. Ähnlich der Materialentwicklung für den Radialrotor der Mikrogasturbine wurde zunächst in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IPK der thermische und mechanische Belastungszustand der Schaufel mit simulativen Methoden ermittelt und eine keramikgerechte Bauteilgeometrie entworfen. Aufgrund der außerordentlich hohen thermischen Belastung wurde ein Siliziumnitrid-Werkstoff entwickelt, der eine besonders hohe Kriech- und Korrosionsbeständigkeit aufweist.

Die filigrane Schaufel mit Freiformflächen war eine besondere Herausforderung bei der Herstellung durch 5-Achs-Simultanfräsen aus gepressten Keramikhalbzeugen. Die sehr guten mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs wie hohe Festigkeit und Härte führen dazu, dass die Fertigung durch Fräsen und Schleifen aus einem gesinterten Block sehr aufwendig und dadurch unwirtschaftlich ist. Durch die Grünbearbeitung, dem Spanen der Geometrie aus einem ungesinterten Pulverpressling, können Werkzeugverschleiß und Bearbeitungsdauer deutlich minimiert werden. Es konnte gezeigt werden, dass dieses Verfahren die Fertigung derart komplexer Schaufelgeometrien ermöglicht. Nach dem anschließenden Sinterprozess mussten lediglich die Passflächen am Schaufelfuß geschliffen werden. Die so hergestellten Schaufeln wurden durch Mitwirkung der EURO-K GmbH in ein Triebwerk eingebaut und getestet.

Werkstoffkennwerte Triebwerkschaufel
Einsatztemperatur 1400°C
Bruchzähigkeit 6,1 MPa m1/2
Festigkeit ~ 700 MPa
Ermüdungsfestigkeit bei 1200°C ~ 450 MPa