09.10.2013

Leobener Know-how für neue umweltfreundliche Flugzeugtriebwerke

Die Anforderungen an die Flugzeuge der nächsten Generation sind enorm: Die Maschinen sollen leiser, spritsparender und wesentlich umweltschonender werden. Ein am Department Metallkunde und Werkstoffprüfung der Montanuniversität Leoben in der Arbeitsgruppe von Univ.-Prof. Dr. Helmut Clemens und Ass.-Prof. Dr. Svea Mayer entwickeltes Werkstoffsystem trägt nun dazu bei, dass dieses anspruchsvolle wissenschaftlich-technische Ziel erreicht wird. Das maßgeschneiderte Material wird sich schon bald im Airbus A320neo im Einsatz beweisen.

Triebwerk der neuen Generation (MTU)

„Der neue Werkstoff zählt zur Klasse der intermetallischen Titanaluminide (TiAl), ist also eine auf atomarer Ebene abgestimmte Verbindung mehrerer Metalle“, erklärt Prof. Clemens. Die Anteile der Titan- und Aluminiumatome werden in einem ganz bestimmten Verhältnis eingestellt. „So entsteht eine sogenannte intermetallische Verbindung mit einer geordneten Kristallstruktur“, so der Leobener Werkstoffwissenschaftler weiter. „Jedes Atom sitzt auf einem ganz bestimmten Platz.

Das ist das Kennzeichen der Titanaluminide und verantwortlich für seine besonderen Eigenschaften.“
Weltweit suchen Triebwerkshersteller nach Möglichkeiten, die Effizienz ihrer Antriebsaggregate zu erhöhen, und haben dabei TiAl im Blick. Doch bisher war dieser innovative Leichtbau-Werkstoff kaum umform- und bearbeitbar, da er ein sprödes Materialverhalten zeigt. Das hat sich, dank der interdisziplinären Forschungsarbeiten des führenden deutschen Triebwerkherstellers MTU Aero Engines, gemeinsam mit den Wissenschaftlern der Montanuniversität Leoben, Materiallieferanten, einer Schmiedefirma und weiteren Spezialisten, geändert. Ergebnis ist das sogenannte Getriebefan (GTF™) des US-Luftfahrtunternehmens Pratt & Whitney, einem Partner der MTU. Die ersten Flugzeuge, die mit diesen besonders umweltfreundlichen und sparsamen Triebwerken ausgerüstet sind, sollen im letzten Quartal des Jahres 2015 abheben.

„Die Titanaluminide stoßen derzeit als erfolgreichste Alternative in die Domäne der schweren Nickellegierungen vor“, betont Dr. Jörg Eßlinger, Leiter Werkstofftechnik bei der MTU. Das Gewicht des neuen TiAl-Werkstoffs beträgt nur die Hälfte der bisher verwendeten Nickel-Basislegierungen, weist bis ca. 800 Grad Celsius aber vergleichbare Eigenschaften auf.

An der Montanuniversität wurde das Legierungskonzept des neuen Werkstoffs aus der Taufe gehoben. Im Rahmen grundlegender Forschungsprogramme konnten die Werkstoffwissenschaftler auch das schwierigste Rätsel lösen, nämlich wie man TiAl in Schaufelform bringt. „Der Werkstoff ist sehr schwer umformbar“, sagt Clemens. Gießen geht nicht, da man damit nicht die für den GTF-Antrieb gewünschten mechanischen Eigenschaften erreicht. Also konzentrierte man sich auf das Schmieden. Doch auch das ist alles andere als profan, denn der Werkstoff ist auf konventionellen Schmiedeaggregaten kaum umformbar. Durch Anwendung neuer theoretischer Entwicklungskonzepte sowie den Einsatz modernster experimenteller Untersuchungsmethoden konnte schließlich erforscht werden, welche Phasenzusammensetzung am besten zum Umformen geeignet ist. „Durch thermodynamische Berechnungen wurde ausgelotet, in welchem Temperaturbereich und mit welcher Phasenkonfiguration geschmiedet werden kann“, erklärt Clemens. „Der Schmiedeprozess kann nun auf konventionellen Umformmaschinen durchgeführt werden – das ist die eigentliche Revolution.“ Um den Werkstoff die geeigneten mechanischen Eigenschaften mitzugeben, wurden mit den Partnern spezielle Wärmebehandlungen entwickelt, die diese vielversprechende Werkstoffklasse nun „Ready for Take-off“ machen.

Weitere Informationen:
Univ. Prof. Helmut Clemens
E-Mail: helmut.clemens(at)unileoben.ac.at
Tel.: +43 3842/402-4200, Mobil: +43 650 402 4201