Keramische Turbolader

Der Verbrennungsmotor in Hubkolbenbauweise stellt derzeit durch die Summe seiner Eigenschaften das dominierende Antriebsaggregat für Individual- und Güterverkehr dar. Auch mittelfristig und unter Berücksichtigung neuer Technologien, wie Brennstoffzellentechnik oder Hybridkonzepte, wird diese herausragende Position bestehen bleiben. Entsprechend dieser Schlüsselposition ist die Weiterentwicklung des Verbrennungsmotors hinsichtlich Umweltbelastung, Effizienz und Kosten von gesamtwirtschaftlichem Interesse.

Bei allen derzeit am Markt eingesetzten Abgasturboladern werden Turbinenräder aus einer hochwarmfesten Stahl- bzw. Nickelbasislegierung eingesetzt. Der Einsatz alternativer Werkstoffe ist bisher aus Gründen mangelnder Temperaturbeständigkeit und/oder fehlender Fügeverfahren zur Verbindung des Turbinenrades mit der Welle nicht bzw. nicht entsprechend kostengünstig möglich gewesen. So konnte für das bisher als alternativer Werkstoff für Turbinenräder favorisierte Titanaluminid trotz intensiver Forschung in den vergangenen zehn Jahren keine zufriedenstellende Temperaturbeständigkeit erreicht werden. Es ist anzunehmen, dass auch durch eine metallurgische Weiterentwicklung zukünftig das erforderliche Maß nicht erreichbar ist.

In diesem Zusammenhang arbeitet das Fraunhofer IKTS im Rahmen verschiedener Kooperationen an der Entwicklung von keramischen Turboladern. Diese Arbeiten umfassen sowohl die Werkstoff- als auch die Technologieentwicklung.

 

Werkstoffentwicklung

 

Als Ausgangsmaterialien wurden einphasige Si3N4-Werkstoffe und Kompositwerkstoffe mit SiC, MoSi2 oder TiN ausgewählt, deren Hochtemperaturpotenzial durch Optimierung der Sinterhilfsmittel erhöht werden soll. Hierzu werden ein Standardsystem mit Y2O3 und Al2O3 sowie Al-freie Additive mit Y2O3 oder den Seltenen Erden untersucht. Entscheidend für die Eignung der Werkstoffe ist ein entsprechendes Niveau aller für die Anwendung als Turbolader notwendigen Eigenschaften. Dies umfasst sowohl die Raumtemperatureigenschaften (Schadenstoleranz, Zuverlässigkeit) als auch das Verhalten der Werkstoffe bei Temperaturen bis 1200 °C. Dabei müssen auch die Langzeitstabilität und die Oxidations- und Korrosionsstabilität der Si3N4-Werkstoffe Beachtung finden. Folgende Anforderungen werden an den neuen Werkstoff gestellt:

Raumtemperatureigenschaften:

  • Festigkeit σ > 800 MPa, Weibull > 20
  • Bruchzähigkeit KIc > 7 MPa√m (SEVNB, r < 10 µm)

Hochtemperatureigenschaften:

  • Festigkeit 1200 °C σ > 500 MPa
  • Kriechen 1200 °C ε < 5 x 10-6 h-1

Oxidationsverhalten (Langzeittests bei 1000 und 1200 °C; 1000 h):

  • Mechanische Eigenschaften (Festigkeit) nach Langzeitoxidation σ > 500 MPa

Korrosives Verhalten (1200 °C, 100 m/s, 0,25 atm Wasserdampfpartialdruck):

  • Mechanische Eigenschaften (Festigkeit) nach Heißgastest σ > 500 MPa

 

Technologieentwicklung

 

Hierbei liegt der Schwerpunkt auf der Entwicklung einer kompletten keramischen Fertigungstechnologie über eine Formgebung durch Spritzgießen, wobei die prinzipiellen Gesichtspunkte zur Serienfähigkeit für eine spätere Produktion berücksichtigt werden. Die Arbeiten umfassen:

  • Feedstockherstellung (Auswahl von geeigneten Binderkomponenten, Homogenisierung und Dispergierung der einzelnen Komponenten)
  • Spritzgusssimualtion und Werkzeugauslegung
  • Spritzgießen (Variation von Prozessparametern wie Nachdruck, Vakuum)
  • Entbindern (Schutzgasentbinderung unter N2 bis 600 °C)
  • Sintern (Gasdrucksintern bei 1800 °C)
  • Zerstörungsfreie Prüfung (Röntgen-Computertomographie und 3D-Koordinatenmesstechnik)
  • Prototypenbau (Fügen keramischer Bauteile durch Aktivlöten)

Mit den Ergebnissen des Projekts können durch die effizientere Nutzung der Abgasenergie sowie die Reduktion der Reibung neuartige Motoren mit einem erheblich gesteigerten Wirkungsgrad des Energiewandlungsprozesses bei gleichzeitiger erhöhter Umweltfreundlichkeit (Kraftstoffeinsparung verbunden mit einer verringerten CO2-Emmission) entwickelt werden.