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In der Luft- und Raumfahrtfertigung hat der Einsatz von Hochtemperaturlegierungen die Entwicklung zuverlässigerer und effizienterer Flugzeuge ermöglicht, die die Sicherheit von Besatzung und Passagieren gewährleisten. Hochtemperaturlegierungen haben zudem die Entwicklung kraftstoffsparender Triebwerke gefördert, die die Umweltbelastung durch den Flugverkehr reduzieren. Dieser Artikel beleuchtet verschiedene Hochtemperaturlegierungen, die in der Luft- und Raumfahrtindustrie verwendet werden.
Hochtemperaturlegierungen sind ein entscheidendes Element in der Luft- und Raumfahrtfertigung. Diese Legierungen sind darauf ausgelegt, den extremen Bedingungen während des Flugs standzuhalten, einschließlich hoher Belastungen, Temperaturen und Drücke. Titan- und Nickellegierungen sind die am häufigsten eingesetzten Hochtemperaturlegierungen in der Luft- und Raumfahrt.
Nickellegierung 625 ist eine der meistverwendeten Hochtemperaturlegierungen für verschiedene Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt. Diese Nickel-Chrom-Legierung zeichnet sich durch außergewöhnliche Korrosionsbeständigkeit, hohe Festigkeit und eine gute Verarbeitbarkeit aus.
Nickellegierung 718, Nickellegierung A-286 und Nickellegierung 625 eignen sich für die heißen Bereiche von Strahltriebwerken, da sie sowohl gegenüber Korrosion als auch Oxidation hochresistent sind. Nickellegierung A-286 und Nickellegierung 718 bieten zudem eine hohe Beständigkeit gegenüber Hochtemperaturermüdung, die durch wiederholte Abkühl- und Aufwärmzyklen während des Flugs entsteht.
Titanlegierungen sind ebenfalls häufig genutzte Hochtemperaturlegierungen in der Herstellung von Triebwerkskomponenten und Strukturen von Flugzeugen. Titan Grade 5, das 4 % Vanadium und 6 % Aluminium enthält (Ti 6Al-4V), ist in der Luft- und Raumfahrt weit verbreitet.
Titan ist leicht, weist eine hervorragende Beständigkeit gegen Korrosion sowie hohe Temperaturen auf und eignet sich daher besonders für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, insbesondere für die heißen Bereiche von Strahltriebwerken.
GRCop-84 ist eine auf Kupfer basierende Hochtemperaturlegierung (Kupfer-Chrom-Niob-Legierung) mit verbesserter Oxidationsbeständigkeit, hoher Lebensdauer bei niedrigen Lastzyklen, guter Kriechbeständigkeit und ausgezeichneter Festigkeit bei erhöhten Temperaturen.
Darüber hinaus ist die thermische Ausdehnung von GRCop-84 im Vergleich zu Kupfer und kupferbasierten Niedriglegierungen deutlich geringer. Die Legierung kann in verschiedenen Formen wie Blech, Platte, Stab und Rohr unter Verwendung üblicher Fertigungstechniken wie Biegen und Stanzen hergestellt werden.
GRCop-84-Legierungen lassen sich mittels Elektronenstrahlschweißen, Diffusionsschweißen, Trägheitsschweißen und Rührreibschweißen verbinden. Die Legierung bietet Potenzial für Hochwärmestromanwendungen bis zu 700 °C und wurde speziell für Hauptbrennkammerauskleidungen (MCC) von Raketentriebwerken entwickelt.
In einer Studie, veröffentlicht im Journal Scientific Reports, entwickelten Forscher eine neue MoSiBTiC-Legierung, die die Leistungsfähigkeit von Nickel-Hochtemperaturlegierungen für Luft- und Raumfahrtanwendungen übertrifft.
Die MoSiBTiC-Legierung weist eine hohe Festigkeit unter konstanter Belastung im Temperaturbereich von 1400 °C bis 1600 °C auf, was sie besonders für Strahltriebwerke prädestiniert. Die Legierung ist deutlich stärker als die üblicherweise in den heißen Bereichen von Triebwerken eingesetzten Nickel-basierten Einkristall-Superlegierungen.
Darüber hinaus kann die MoSiBTiC-Legierung extremen Kräften standhalten, ohne sich unter ultrahohen Temperaturen zu verformen, da sie über eine außergewöhnliche Kriechfestigkeit mit günstigen Kriechparametern verfügt.
Der Einsatz von Legierungen mit mehreren kritischen Elementen wird in immer mehr Luft- und Raumfahrtanwendungen notwendig. Allerdings führt die steigende Nachfrage nach kritischen Rohstoffen, bedingt durch deren vielfältige Anwendungen und den Einsatz in High-Tech-Produkten, zu einem höheren Versorgungsrisiko, das die Entwicklung von Lösungen zur Reduzierung des Einsatzes dieser Rohstoffe erforderlich macht.
Eine geeignete Oberflächenbehandlung oder Beschichtung der Legierung kann eine praktikable Lösung sein, um den Verbrauch kritischer Rohstoffe zu senken und gleichzeitig die Lebensdauer von Hochtemperaturlegierungen zu verlängern sowie deren sicheren Betrieb unter extremen Bedingungen wie sehr niedrigen oder hohen Temperaturen, hohen mechanischen Belastungen und Drücken, Korrosion, Strahlung und starken thermischen Schocks sicherzustellen.
So können beispielsweise Beschichtungen auf Nickel- und Titan-basierten Hochtemperaturlegierungen, die in Flugzeugtriebwerken verwendet werden, aufgebracht werden, um Rohstoffe einzusparen. Diese Beschichtungen wirken als Diffusionsbarrieren und verlangsamen die Reaktion zwischen der Legierung und der aggressiven Umgebung.
Thermische Barrierebeschichtungen können beispielsweise auf Nickel-basierte Superlegierungen in den heißen Abschnitten von Triebwerken aufgetragen werden, um diesen Komponenten eine effektive Widerstandsfähigkeit gegenüber extremen Arbeitsbedingungen zu verleihen.
Durch den Einsatz von Wärmedämmschichten und Kühlsystemen kann die Betriebstemperatur des Triebwerks über den Schmelzpunkt der Hochtemperaturlegierungen hinaus erhöht werden, was eine effizientere Brennstoffnutzung ermöglicht.
Typischerweise kann ein Anstieg der Betriebstemperatur um 200 °C zu einer Steigerung der Turbinenwirkungsgrads um 5–6 % führen, was wiederum eine deutliche Verringerung der Stickoxid- und Kohlendioxidemissionen in der Atmosphäre zur Folge hat.
Das Wärmedämmschichtsystem zum Schutz von Nickel-Superlegierungen besteht aus zwei Hauptschichten: einer oxidationsbeständigen Haftschicht wie Diffusionsaluminid oder einer Überzugsschicht aus Nickel/Kobalt-Chrom-Aluminium-Yttrium (MCrAlY) sowie einer keramischen Deckschicht.
Verschiedene Beschichtungsverfahren/Oberflächenbehandlungen können eingesetzt werden, um Titan-Aluminium-basierte Hochtemperaturlegierungen in der Luft- und Raumfahrt vor Oxidation zu schützen. So können Oberflächenbehandlungen wie plasmaelektrolytische Oxidation (PEO), Laser-Schockverfestigung (LSP), Spritzen, Ionenimplantation, Plasmanitrieren und thermische Oxidation die tribologischen Eigenschaften von Titanlegierungen deutlich verbessern.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Hochtemperaturlegierungen für Luft- und Raumfahrtanwendungen, die unter Verwendung kritischer Rohstoffe hergestellt werden, eine zentrale Rolle spielen, indem sie Flugzeugkomponenten ermöglichen, extremen Bedingungen standzuhalten. Durch Beschichtungen und Oberflächenbehandlungen kann die Leistungsfähigkeit dieser Legierungen weiter verbessert und der Verbrauch kritischer Rohstoffe reduziert werden.
