Werkstoff­entwicklung für die Luftfahrt

Bei der Suche nach neuen Materialien ist das Potenzial noch lange nicht ausgeschöpft, sagt Prof. Dr. Carolin Körner, Leiterin des Lehrstuhls für Werkstoffkunde und Technologie der Metalle an der Universität Erlangen-Nürnberg. Leichter, stabiler und besser durch neue Legierungen und innovative Prozesse sind die Ziele – speziell für Anwendungen in der Luftfahrt.

11.2015 | Autorin: Eleonore Fähling

Autorin:
Eleonore Fähling ist Chefredakteurin des AEROREPORT und seit mehr als 15 Jahren verantwortlich für die Mitarbeiterzeitung der MTU Aero Engines.

Frau Professor Körner, Sie beschäftigen sich damit, wie schweres stabiles Metall leicht werden kann. Werden wir in zwanzig Jahren Turbinen­schaufeln aus Metall­schaum haben?

Prof. Dr. Carolin Körner: Die Antwort auf diese Frage ist ein klares Jein. Metall­schaum ist tat­säch­lich geschäumtes Metall, also porös und leicht. Wegen seiner mechanischen Eigen­schaften eignet sich dieser Werk­stoff jedoch nicht, um daraus komplette Tur­bi­nen­schaufeln zu fertigen. Denkbar sind jedoch lokal poröse Schaufeln, etwa mit zel­lu­larer Struktur im Inneren als Wärme­tauscher oder mit poröser Ober­fläche zur Ef­fu­si­ons­kühl­ung statt der heute üblichen Kühlung durch Kühl­luft­bohr­ungen. Nein also zu Schau­feln aus Schaum, aber ja, Sie können die Konzepte aus der Ent­wicklung von Leicht­bau­metal­len auch im Trieb­werks­bau nutzen.

Was begrenzt generell die Einsatz­möglich­keiten von Werk­stoffen im Triebwerks- und Flugzeugbau?

Körner: Materialien sind bei der Ent­wicklung von neuen Flug­zeugen und vor allem An­trieben für die Luft­fahrt zur Schlüs­sel­tech­no­lo­gie geworden. Für die Weiter­ent­wick­lung von Werk­stoffen für Luft­fahrt­an­triebe gibt es unter­schied­liche Rich­tungen: Bauteile mit inte­grierter Funk­tio­nalität, also etwa Ba­uteile mit porösen Strukturen, die Weiter­ent­wick­lung von bewährten Legierungen oder den Ein­satz neuer Werk­stoffe wie inter­me­tal­lische Ver­bin­dungen, die in ihren Eigen­schaften zwischen denen der Metalle und Keramiken stehen.

Denn damit Trieb­werke ef­fi­zien­ter werden, muss etwa die Tur­bi­ne schneller laufen, müssen die darin verwendeten Materialien immer höhere me­cha­nische und ther­mische Be­las­tungen aus­halten. Dafür eignen sich Ver­bunde und inter­me­tal­lische Le­gie­rungen, die jedoch schwierig her­zu­stellen und zu verarbeiten sind. Sie stellen ganz neue An­for­der­ungen an die Fer­ti­gungs­tech­nik: Wie gieße oder schmie­de ich eine Schau­fel aus einer inter­me­tal­lischen Le­gie­rung wie Titan­alu­minid, wie verbinde ich sie mit der Schei­be? Generell ist der Schmelz­punkt die phy­si­ka­lische Ober­grenze für den Einsatz eines Materials. Für die Ver­wen­dung in der Industrie kommt dazu noch die Fer­ti­gung, die sehr auf­wändig und teuer sein kann und damit auch be­grenz­end wirkt.

Welche Einsatzmöglichkeiten sehen Sie generell für Leichtbaumetalle und warum brauchen wir sie?

Körner: Leichtbau ist überall da wichtig, wo Ressourcen geschont, Treib­stoff­ver­brauch und Emissionen reduziert werden sollen. Vorbild ist die Natur: Knochen bei­spiels­weise sind Leicht­bau­teile, mit einer kompakten Auß­en­haut und einem zel­lu­la­ren, also ge­schäum­ten Kern. Das verleiht dem Knochen Leich­tig­keit, gleich­zeitig Sta­bi­li­tät und gute Dämp­fungs­ei­gen­schaf­ten. Diese Prin­zi­pien versuchen wir auf den Metall­bau zu über­tra­gen. Denn ein Problem im Einsatz von leich­teren Materialien sind der Verlust an Stei­fi­gkeit und die damit ein­her­ge­henden Schwing­ungen und Ge­räusche. Man muss also die Kon­struk­ti­on ver­steifen und gleich­zeitig dämpfen, das Material muss mehrere Funk­tio­nen erfüllen. Bei Metall­schaum etwa haben wir diese Multi­funk­tio­na­li­tät, er bietet Stei­fig­keit, hohe Dämp­fung, hohe En­ergie­ab­sorp­tion und gute Durch­ström­bar­keit. Durch die Ein­bett­ung von Piezo­ele­men­ten kann das Metall­bau­teil sogar aktiv werden. Piezo­ele­men­te können bei­spiels­weise Schwing­ungen auf­bring­en. Ein An­wen­dungs­be­reich in der Luft­fahrt dafür könnte am Flug­zeug­flü­gel sein: Statt heute mit hy­drau­lisch ge­steu­erten be­weg­lich­en Klap­pen könnte man den Flügel über in den Werk­stoff ein­ge­bet­tete Ak­tu­a­tor­en direkt bewegen. Daran wird bereits geforscht.

„Was wir in Zukunft machen, ist kombinatorische Material­entwicklung: Wir suchen basierend auf thermodynamischen Modellen mit Hilfe von numerischen Algorithmen in diesem Raum beinahe unendlich vieler Möglichkeiten nach vielversprechenden Verbindungen und untersuchen und bewerten dann gezielt nur diese.“

Professor Dr. Carolin Körner, Leiterin des Lehrstuhls für Werkstoffkunde und Technologie an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

Wir können Metalle wie Kristalle züchten, wir stellen inter­metallische Verbindungen her, wir können Metall­bauteile im 3D-Drucker herstellen – wo sind die Inno­vations­grenzen in der Metall­werk­stoff­entwicklung?

Körner: Die Entwicklung von Legierungen ist eine uralte Geschichte, was soll da noch groß kommen? Tat­säch­lich stehen wir jedoch erst am Anfang, denn der Raum der Ent­wick­lungs­mög­lich­kei­ten ist vielleicht fünf­zig­di­men­sio­nal. Bislang haben wir davon nur winzige Be­reiche untersucht. Wahr­schein­lich schon seit Jahr­tau­senden haben wir nach dem immer gleichen Prinzip gearbeitet: Man nehme ein Grund­ele­ment, zum Beispiel Alu­minium, Eisen oder Nickel, und füge weitere Zusätze in unter­schied­lichen Verhält­nissen hinzu. Die ent­stehenden neuen Le­gie­rung­en werden getestet und em­pirisch bewertet. Schon bei den Nickel­basis­le­gie­rung­en, die vor allem im mo­dernen Flug­trieb­werks­bau eingesetzt werden, ist man von dieser Methode ab­ge­kom­men. Was wir jetzt machen, ist kom­bi­na­to­rische Material­ent­wick­lung: Wir suchen ba­sie­rend auf ther­mo­dy­na­mischen Modellen mit Hilfe von nu­me­risch­en Algo­rithmen in diesem Raum beinahe unendlich vieler Mög­lich­keiten nach viel­ver­sprech­enden Ver­bin­dungen und unter­su­chen und bewerten dann gezielt nur diese. Das ist viel ef­fi­zien­ter als die bisherige empirische Methode.

Glossar

Homogenität Der Begriff beschreibt in diesem Zusammenhang die Gleichmäßigkeit der Verteilung von Atomen und Molekülen beispielsweise in einer Legierung. Durch die schnelle Erstarrung erhöht sich die Homogenität in additiv gefertigten Werkstücken deutlich gegenüber der in gegossenen Werkstücken.

Verteilung von Rhenium in einer Legierung (CMSX-4), links: in einem gegossenen Werkstück, in der Mitte: in einem additiv gefertigten Werkstück, rechts: additiv gefertigt mit vier Minuten Wärmebehandlung.

Intermetallische Verbindung Homogene Verbindung aus zwei oder mehr Metallen, die im Unterschied zur Legierung Gitterstrukturen zeigt, die sich von denen ihrer Bestandteile unterscheiden. Intermetallische Verbindungen sind wegen der besonders starken Bindung zwischen den ungleichartigen Atomen meist härter, spröder, kriech- und temperaturbeständiger als die ursprünglichen Metalle, aber auch mit bisher gängigen Fertigungsverfahren schwer zu verarbeiten. Chemisch gesehen stehen Intermetalle zwischen Metallen und Keramiken.

Metallschaum Oberbegriff für aufgeschäumte metallische Werkstoffe. Metallschaum weist eine geringe Dichte und geringes Gewicht, jedoch eine hohe Struktursteifigkeit und -festigkeit auf. Metallschaum wird beispielsweise in Schienenfahrzeugen als Crashabsorber eingesetzt oder für die Schwingungsdämpfung in Werkzeugmaschinen.

Im Druckguss gegossenes Aluminiumbauteil mit geschäumtem Kern.

Warum kommen wir nicht mit den Legierungen aus, die wir schon haben?

Körner: Das so genannte 3D-Drucken bei­spiels­weise, also die Additive Fertigung von Bauteilen Schicht für Schicht mittels Laser- oder Elek­tro­nen­strahl aus Metall­pulver, stellt uns vor ganz neue Probleme und Chancen. Ein Vorteil der Additiven Fertigung ist das schnelle Erstarren des Metalls, wodurch eine bisher nie gekannte Homo­geni­tät der Le­gie­rung erreicht wird. Wir brauchen nun Le­gie­rung­en, die dieses Potenzial nutzen. Wir können damit Ent­mi­schungs­vor­gänge umgehen, die bei den her­kömm­lichen Guss­me­tho­den zwangs­läufig entstehen. Die In­homo­geni­täten in einer ge­gos­senen Schaufel können ein paar hundert Mikro­meter betragen, die Schaufel muss anschließend meh­re­re Stunden wärme­behandelt werden. Bei der Additiven Fer­ti­gung re­du­zieren sich die In­homo­geni­täten auf wenige Mikro­meter, die Wärme­be­hand­lung dauert Sekunden.

Welchen Anforderungen müssen künftige Werk­stoffe in der Luft­fahrt­industrie genügen?

Körner: Sie müssen immer leichter und zugleich immer stabiler werden. Vor allem die An­for­der­ungen an die Kriech­be­stän­dig­keit, die Oxi­da­ti­ons­be­stän­dig­keit und das Ge­wicht werden weiter steigen. Zugleich werden die An­for­der­ungen an die Fer­ti­gungs­ver­fahren zu­neh­men. Titan­alu­mi­nide bei­spiels­weise sind sehr leicht, tem­peratur- und kriech­beständig, aber sehr schwer zu verarbeiten, sowohl beim Guss oder Schmie­den als auch beim Abtragen. Da braucht es eventuell neue Verfahren.

„Es gibt immer ein Wechselspiel zwischen Konstruktion und Werkstoff.“

Professor Dr. Carolin Körner, Leiterin des Lehrstuhls für Werkstoffkunde und Technologie an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

Welche Fertigungsverfahren zur Herstellung von Metallbauteilen werden wir in den nächsten Jahren anwenden? Welche werden sie ersetzen?

Körner: Im Moment erlebt die Additive Fertigung einen regel­rechten Boom. Ich glaube aber, dass eine gewisse Ernüchterung folgen wird, denn dass etwas machbar ist, heißt noch lange nicht, dass es auch wirtschaftlich machbar ist, ganz abgesehen von tech­ni­schen Gren­zen, von denen wir vielleicht noch nichts wissen. Additive Fertigung eröffnet uns neue Möglichkeiten der Kon­struk­tion, die wir erst kennen­lernen müssen. Haben wir bislang Bauteile oder Werk­stücke fer­ti­gungs­gerecht konstruiert, so können wir künftig an­wen­dungs­ge­recht kon­struieren (siehe "Additive Fertigung: Schicht für Schicht"). Im Zuge dessen werden außerdem Op­ti­mie­rungs­me­tho­den an Bedeutung gewinnen, bei­spiels­weise rech­ner­ische Ver­bes­serungen von Bau­teil­geo­metrien unter Be­las­tung, die so genannte To­po­lo­gie­op­ti­mie­rung. Ich glaube jedoch nicht, dass die Additive Fertigung eine andere Fer­ti­gungs­me­tho­de kom­plett ersetzen wird. Wenn Sie ein Bau­teil gießen können, dann gießen Sie es, Guss ist immer noch viel kosten­günstiger.

Warum ist Innovation bei den Werkstoffen so wichtig – sind die Ent­wick­lungs­mög­lich­keiten in der Konstruktion ausgereizt?

Körner: Es gibt immer ein Wechsel­spiel zwischen Kon­struk­tion und Werk­stoff. Wenn ich die kon­struk­tiven Mög­lich­keiten voll aus­schöpfe, komme ich an die phy­si­ka­lischen Be­las­tungs­gren­zen der Werk­stoffe. Wenn ich bei­spiels­weise bei einem Ver­bren­nungs­mo­tor die Ver­bren­nung im Kol­ben strö­mungs­me­cha­nisch op­ti­miere, die To­po­lo­gie des Kolbens also so verbessere, dass er ef­fi­zien­ter arbeitet, entstehen im Kol­ben in der Regel höhere Drücke und Tem­pe­ra­tur­en, für die ich dann sehr wahr­schein­lich wieder andere Werk­stoffe brauche.

Kann die Werkstoffentwicklung eventuell auch Ersatz für seltene Metalle finden, die heute im Flugzeugbau verwendet werden?

Körner: Das hoffen wir, zum Beispiel für Scandium, das die Fes­tig­keit von Alu­mi­ni­um­le­gie­rung­en er­heb­lich er­höht, das aber auch extrem teuer ist. Wegen ihrer wirk­samen Ei­gen­schafts­än­de­rungen in anderen Ma­te­ri­al­ien und Le­gier­ungen, die schon bei Zu­satz sehr kleiner Mengen auftreten, haben seltene Erden an Be­deu­tung ge­won­nen, und man sucht sys­te­ma­tisch nach Al­ter­na­tiven, die ähn­liche Ei­ge­nschaf­ten aufweisen. Rhenium etwa erhöht die Kriech­be­stän­dig­keit in Nickel­basis­le­gie­rungen er­heb­lich, ist aber eben­falls sehr teuer und nur begrenzt be­ziehungs­weise bei we­nigen An­bie­tern ver­fügbar. Derzeit wird untersucht, ob und wie es bei­spiels­weise durch Wolfram ersetzt werden kann. Wenn die Not da ist, etwas anderes zu finden, dann findet man in der Regel auch etwas.

Professor Dr.
Carolin Körner

Professor Dr. Caroline Körner Leiterin des Lehrstuhls für Werkstoffkunde und Technologie an der Friedrich-Alexander- Universität Erlangen-Nürnberg.

Professor Dr. Carolin Körner hat an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) theo­re­tische Physik stu­diert. Promoviert hat sie 1997 an der tech­ni­schen Fa­kul­tät der FAU bei Professor H.W. Bergmann über die Wechsel­wir­kung ultra­kurzer Laser­pulse mit Metallen. Sie hat sich 2007 mit einer Arbeit zu Her­stel­lung und Si­mu­la­tion von Leicht­metall­schäumen für Material­wis­sen­schaften habi­litiert.

Seit 2011 leitet sie den Lehrstuhl Werk­stoff­kunde und Tech­no­lo­gie der Metalle an der FAU. Darüber hinaus leitet sie eine Arbeits­gruppe am Zentral­institut für Neue Materialien und Prozess­technik (ZMP) in Fürth und bei der Neue Materialien Fürth GmbH (NMF). Ihre Arbeits­schwer­punkte sind Additive Fertigung, Leicht­metall­gießen, zellulare Werk­stoffe, Ver­bund­werk­stoffe und Prozess­simu­lation. Seit Jahren arbeitet sie außerdem in der Werk­stoff­ent­wick­lung eng mit der MTU Aero Engines zusammen.

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