Hochleistungskeramik: Vorteile, Herausforderungen und industrielle Anwendungen

Trotz langsamer großflächiger Einführung finden Hochleistungskeramik und Keramik-Matrix-Verbundwerkstoffe (CMC) ihren Platz in wichtigen Luftfahrt- und Militäranwendungen.

Heutige Keramik hat einen langen Weg seit den Öfen der Antike zurückgelegt. Keramik reicht 24.000 Jahre zurück. Ihre Anwendung entwickelt sich jedoch weiter, besonders für Hochleistungs-Militär- und Verkehrsflugtriebwerke, Raketen, Raumfahrzeuge und in Komponententeilen und anderen Anwendungen einschließlich „hoher Härte für Panzer- und Verschleißkomponenten oder hoher Temperaturbeständigkeit für feuerfeste Anwendungen“, laut Machine Design.

Ob als Strukturkeramik oder als Teil von Keramik-Matrix-Verbundwerkstoffen – der vielseitige Werkstoff hilft Herstellern, die Kraftstoffeffizienz in Strahlturbinen zu steigern und den Kühlbedarf im Vergleich zu herkömmlichen Triebwerken zu reduzieren. GE Aviation behauptet beispielsweise, seine CMCs seien zwei Drittel leichter als Metall und verfügten über eine 20 Prozent höhere Temperaturfähigkeit.

„[H]ochleistungskeramik, die nach der Entdeckung des Bayer-Verfahrens zur Bauxitveredelung 1887 aufkam, weist überlegene mechanische, thermische und elektronische Eigenschaften im Vergleich zu traditioneller Keramik auf“, schreiben Anthony Vicari und Anthony Schiavo von Lux Research in einem Artikel für MachineDesign.

Mehrere der größten Branchenakteure haben die Vorteile von Keramik im Luftfahrtdesign erkannt. Von General Electric über United Technologies, Safran, Boeing bis Rolls-Royce – seit den frühen 1980er Jahren wurden mehr als 8.000 Patente für Luftfahrtdesign mit Keramik erteilt, laut American Machinist.

Hochleistungskeramik & Keramik-Matrix-Verbundwerkstoffe: Das Gute mit dem Schlechten nehmen

Trotz der Vorteile bedeutet das nicht, dass Keramik das Nonplusultra für Luftfahrtdesign-Materialien ist. Wie Hersteller feststellten, hat Keramik Herausforderungen in der Bearbeitung und bei den Kosten.

Keramik besitzt eine Fülle wärmeisolierender Eigenschaften, was sie zu einem effektiven Werkzeug bei den hohen Temperaturen in Flugzeugturbinen macht. Sie sind auch extrem leicht und nicht korrosiv, widerstehen Kontakt mit Strahlkraftstoff und ermöglichen höhere Geschwindigkeiten und erweiterte Reichweiten im Weltraum. Doch Formgebung und Verarbeitung können langsam und mühsam sein.

„[W]enn Keramik versagt, tut sie dies plötzlich und katastrophal, nicht graduell wie Metalle“, bemerkt Lux Research. „Das ist nicht die einzige Einschränkung: Strukturkeramik hat extrem hohe Temperaturbeständigkeit, was bedeutet, dass sie durch langsame und energieintensive Festkörperverfahren verarbeitet werden muss. Zudem macht die hohe Härte nach der Dichtung das Bearbeiten von Keramik zur Form eine große Herausforderung.“

Um katastrophales Versagen zu verhindern, wird Faserverstärkung eingesetzt, um die „Rissausbreitung durch die Matrix und das Tragen von Lasten nach Beginn des Materialversagens zu kontrollieren“, so Lux Research, was CMCs ermöglicht, „graduell zu versagen, mehr wie das duktile Versagen von Metall.“

Keramik kann schwierig zu bearbeiten sein, aber nicht unmöglich

Hersteller wissen, dass der Einsatz von Keramik im Luftfahrtdesign ein sicherer Weg ist, das Gewicht ihrer Flugzeuge zu reduzieren und dabei ein langlebiges Material zu nutzen.

„Dieselben Eigenschaften, die Festigkeit und Temperaturbeständigkeit erhöhen, machen die Bearbeitung auch schwieriger“, schreibt Don Graham, Manager für Bildung und technische Dienstleistungen bei Seco Tools, in einem Artikel für Manufacturing Engineering. Die Schwierigkeit tritt während der Endbearbeitung oder des Schleifens auf, so Graham, wo die Oberflächenintegrität der Keramik beeinträchtigt wird, wenn falsch geschnitten wird. Die Gefahr einer Beeinträchtigung steigt weiter bei hoher Spanabtragsrate.

„Aufgrund der spröden Natur, hoher Härte, Kriechwiderstand und hoher Festigkeit sind konventionelle Bearbeitungsmethoden wie Drehen, Fräsen und Bohren bei Hochleistungskeramik schwer gut durchzuführen, wegen Rissen, spröden Brüchen und Kantenausbrüchen“, erklären Alexander Gorin und M. Mohan Reddy in ihrer Arbeit „Advanced Ceramics: Some Challenges and Solutions in Machining by Conventional Methods“.

Die Schwierigkeit der Bearbeitung mit Keramik kann nicht vollständig eliminiert werden, aber Werkstätten haben Wege gefunden, die Herausforderungen durch richtige Werkzeugwahl abzumildern, so Graham. Werkzeuge mit scharfen Schneidkanten und positiven Spanwinkeln reduzieren Schneidkräfte, während Schneidplatten mit feinkörnigen Substraten gut für abrasive Schneidbedingungen geeignet sind.

„Faserverstärkung hat Sprödigkeitsbedenken weitgehend überwunden, aber die Bearbeitbarkeit leidet unter der geringen Wärmeleitfähigkeit, hoher Härte und Abrasivität von CMCs“, schreibt Graham. „Zusätzlich zu traditionellen Bearbeitungsmethoden experimentieren Hersteller mit alternativen Wegen zur Bearbeitung von CMC-Teilen wie Wasserstrahl, Erodieren, laserunterstützter Bearbeitung, Schleifen und dem Einsatz von PCBN-beschickten Werkzeugen.“

Wenn Keramik falsch bearbeitet wird, verliert die Struktur ihre Festigkeit

Wenn ein Keramikstück falsch bearbeitet wird, nimmt die Festigkeit der Struktur selbst stark ab. Wenn Sandwich-Verbundmaterial mit rauen, ungleichmäßigen oder verformten Kanten geschnitten wird, verliert die gesamte Struktur einen erheblichen Teil ihrer Steifigkeit.

„Sandwich-Verbundmaterial, das ungleichmäßig geschnitten oder verformt wird, verliert seine Festigkeit, ähnlich wie das Knicken von Wellpappe deren Steifigkeit zerstört“, schreibt Graham. „Für die Endbearbeitung müssen Werkstätten Hochgeschwindigkeits-Schaftfräser einsetzen, die speziell für solche Sandwich-Verbundwerkstoffe entwickelt wurden.“

Bei der Bearbeitung mit Keramik im Luftfahrtdesign ist es entscheidend, jegliche Art von Biegung oder Ausfransen zu vermeiden. Die Lösung, so Graham, ist der Einsatz einer Schneidmaschine mit hochscharfen Kanten und schnellen Schnittgeschwindigkeiten.

Keramik ist kostspielig, aber die Innovationen sind vorteilhaft

Bei so starkem Fokus auf einen starken, effizienten Schnitt bei der Keramikbearbeitung ist es kein Wunder, dass viele Werkstätten bis zu 80 Prozent ihrer Gesamtkosten für die Erhaltung der Integrität ihrer keramikbasierten Strukturen aufwenden, laut der Gorin/Reddy-Arbeit. Natürlich kann dies ein Problem bei der Budgethaltung oder beim Versuch darstellen, Mittel für andere Aspekte der Arbeit bereitzustellen.

„[D]esigner, die die überlegenen mechanischen Eigenschaften von CMCs nutzen wollen, müssen für das Privileg bezahlen“, bemerkt Lux Research im MachineDesign-Artikel. „Die kostengünstigsten Graphit/Kohlefaser-CMCs kosten etwa 30 $/lb für einfache Formen, was durch Bearbeitung dramatisch steigt. Siliziumkarbid-Matrix/Siliziumkarbid-Faser-CMCs für Hochtemperaturanwendungen erfordern hochreine Fasern, mit Preisen ab über 4.000 $/lb, was zu Vorformpreisen von über 9.000 $/lb führt.“

Experten merken an, dass die Keramikadoption langsam war und oft durch Subventionen und Anreize staatlicher Finanzierung gestützt wurde. Damit sie wirklich durchstartet, müssen die Kosten sinken. Lux Research weist darauf hin, dass „Technologien, die die Kosten von Zwischenprodukten wie Fasern senken, neue Märkte erschließen können, und Verarbeitungsfortschritte CMC-Teile zuverlässiger machen können, was die Qualifizierung erleichtert.“

Hat Ihre Werkstatt schon mit Keramik gearbeitet? Wenn ja, welchen Herausforderungen sind Sie und Ihr Team begegnet? Lassen Sie es uns wissen!