Metalle powern Flugzeugbau
Die Weichen für leistungsfähigere und effizientere Konstruktionen im Flugzeug- und Triebwerksbau werden in den Werkstofflabors dieser Welt gestellt. Dort wagt man sich kreativ wie nie daran, den Metallen bisher ungeahnte Fähigkeiten zu entlocken.
Der Hype um CFK (Kohlefaserverstärkte Kunststoffe) hat davon abgelenkt, dass Metalle ihr Potential noch bei weitem nicht ausgereizt haben. In den Blick gerät hier vor allem Aluminium mit den beiden Legierungsklassen Aluminium-Kupfer-Lithium (AlCuLi) und Aluminium-Magnesium-Scandium (AlMgSc). “Bei AlCuLi ist momentan die dritte Generation in Arbeit. Kinderkrankheiten wie Anisotropie der mechanischen Eigenschaften, mangelnde Korrosionsbeständigkeit und mangelnde Schweißbarkeit sind ausgemerzt”, fasst Claudio Dalle Donne, Leiter
Metallische Technologien und Oberflächentechnik bei EADS Innovation Works zusammen.
Die Legierungsklasse AlMgSc hingegen ist bereits auf dem Markt. Sie bringt neben einer guten Laserschweißbarkeit noch die Möglichkeit des Kriechumformens unter Wärme mit, was Fertigungsschritte spart. Außerdem ist diese Legierung extrem korrosionsbeständig.
In den BMWI-Projekten NEMES (Neue metallische Luftfahrtstrukturen) und KOMET, bei dem es um eine kostenoptimierte metallische Rumpfstruktur ging, ermittelten bis Anfang dieses Jahres die Partner Airbus, EADS
Innovation Works, Premium Aerotec, RUAG zusammen mit der DLR, wie speziell mit diesen beiden Aluminiumlegierungen sowie Alulegierungen mit Faserlaminaten Stückkosten, Gewicht und vor allem Durchlaufzeiten drastisch gesenkt werden können.
Magnesium ist bei Flugzeugen schon so lange im Geschäft wie Aluminium, hat aber dank einiger unpraktischer Eigenschaften nicht so gut punkten können. Magnesium hat eine gute mechanische und akustische Dämpfung und wiegt bis zu einem Drittel weniger als Aluminium. Und die angeblich leichte Entflammbarkeit und die schlechten Korrosionseigenschaften sorgten dafür, dass weder Boeing noch Airbus bisher sich groß für Strukturbauteile aus Magnesium erwärmten. “Sitzstrukturen könnten etwa aus Magnesium-Legierungen hergestellt werden. Sie brennen ab 600 °C, aber da sind auch schon Aluminiumlegierungen geschmolzen und aller Kunststoff abgebrannt”, argumentiert Dr. Norbert Hort vom GKSS-Forschungszentrum Geesthacht. Und beim Thema Korrosionsschutz steht man auch nicht mehr am Anfang. So bieten etwa die AIMT AHC Oberflächentechnik GmbH und der Hersteller Keronite keramische Beschichtungen an. Nachteil dieser Schichten: sie können nur auf fertige Bauteile aufgebracht werden.
Und leider ist Magnesium nicht so gut verformbar wie Aluminium. “Bei Aluminium schafft man mit Strangpressen 50 bis 100 m/min, bei Mg-Legierungen in der Regel 4 bis 5m/min. Legierungen, wie sie momentan in Laboren getestet werden, erreichen allerdings schon 40 bis 50 m/min”, so Norbert Hort. Diese schlechte Verformbarkeit verteuert auch die Herstellung der Bleche. So versuchen die Wissenschaftler die Kosten zu drücken, indem sie nicht Barren walzen sondern die Legierung in den Walzspalt gießen.
Momentan gibt es um die 20 Magnesiumlegierungen, die sich aber nur bedingt für den Einsatz im Flugzeugbau eignen. Diesen Mangel versuchte man im EU-Projekt IDEA zu beheben. IDEA steht für Integrated Design and Product Development for the Eco-efficient Production of Low-weight Aeroplane Equipment. Hier wurden in Zusammenarbeit mit unter anderem Firmen wie RWP, Inferta, Technion, Tecos und europäischen Forschungsinstituten Mg-Legierungen für Gußteile im Bereich Flugzeugbau entwickelt.
Ein weiterer Werkstoff der Zukunft ist Titan. Dessen teure Gewinnung schlägt sich unmittelbar im Preis nieder: 100 bis 200 Euro kostet ein Kilogramm Ti-Blech. Titan wiegt etwa halb so viel wie Stahl und braucht schon so harte Gegner wie Königswasser, Fluß- oder Salpetersäure, um zu korrodieren. Es ist selbstpassivierend und gut schweißbar. Aber Titan ist bei Raumtemperatur schwierig zu verarbeiten, denn sein geringer E-Modul sorgt für beachtliche Rückfederung beim Umformen.
Superplastisches Umformen heißt hier das Zauberwort. “Titan ist bei hohen Temperaturen gut umformbar und was vorher aus mehreren schwach geformten Teilen zusammengebaut werden musste kann so integral hergestellt werden”, berichtet Werner Beck Geschäftsführer von FormTech. Das spart Verarbeitungsschritte, reduziert den teuren Abfall und lässt mehr Designfreiheiten zu. Superplastisch umformbar ist Titan bei Temperaturen von 850 bis 930 °C, allerdings unter Schutzgas, denn es bildet bei diesen Temperaturen mit dem Luftsauerstoff eine spröde Oxidschicht, die kostenaufwändig entfernt werden muss und der Wasserstoff der Luft diffundiert durch das Metall und macht es spröder. “Durch die Schutzgasatmosphäre aus Argon und kurze Prozesszeiten lässt sich die Wasser- und Sauerstoffaufnahme nicht ganz eliminieren, die Wasserstoffaufnahme bleibt aber unter der kritischen Grenze und auch die Sauerstoffaufnahme ist deutlich vermindert”, so Werner Beck.
Ti-6-4, die meistgenutzte Titanlegierung im Flugzeugbau, existiert jedoch noch in einer teuereren, feinkörnigen Variante und diese ist schon bei 750 °C superplastisch umformbar. Das spart Energie und die lästige Oxidschicht entsteht erst gar nicht. Das Einsparen der chemischen Abtragung und der geringere Energieverbrauch überkompensieren den erhöhten Materialpreis deutlich. “Im Moment untersuchen wir zusammen mit einem amerikanischen Flugzeughersteller die Werkstoffeigenschaften dieses feinkörnigen Ti-6-4″, berichtet Werner Beck.
Seiner Schätzung nach könnten Bauteile aus diesem Werkstoff in zwei bis vier Jahren auf den Markt kommen. Das superplastische Umformen bringt noch einen entscheidenden Vorteil: man kann auch sehr dünne Bleche bis unter 0,3 mm Dicke verarbeiten, Zerspanen schafft minimal etwa 2,5 mm Wandstärke.
Beim Zerspanen von Titan stören geringe thermische Leitfähigkeit und hohe Wärmekapazität den Wärmeabtransport dramatisch und das Werkzeug absorbiert mehr Wärme als ihm gut tut. Titan neigt deshalb dazu mit dem Werkzeug zu verschweißen und der Verschleiß ist hoch. “Darum muss Titan bei niedrigen Geschwindigkeiten bearbeitet werden, was ein höheres Drehmoment erfordert. Deshalb verlangen die Materialeigenschaften von Titan neue Spindel- und Motorkonzepte”, fasst Rudolf Walter, Leiter Marketing und Business Development bei Fischer Precise zusammen. Und die Entwicklung motorisierter Spindeln mit hohem Drehmoment hat gerade begonnen. “So hat Fischer ein Kühlsystem für die Achse der Motorspindeln entwickelt, bei dem die komplette Achse mit Rotor und Lager über eine Reihe von Kanälen mit Wasser gekühlt werden”, so Rudolf Walter.
Normalerweise vermeidet man die Entstehung intermetallischer Verbindungen, denn die sind in der Regel spröde, schwer formbar und schlecht zu bearbeiten. Aber Titanaluminide halten, im Gegensatz zu Titanlegierungen, Temperaturen bis 800 °C aus, beschichtet sogar noch mehr. Damit werden sie zu ernsthaften Konkurrenten der im Triebwerksbau beliebten Nickel-Basis-Legierungen und die Laufschaufel eines Hochdruckverdichters aus Titanaluminid wäre dazu noch etwa 40 Prozent leichter. Das Team um Dr. Michael Oehringer am GKSS-Forschungszentrum hat eine patentierte Legierung mit Niob, Bor und Molybdän entwickelt. Diese ist ausreichend warmfest und lässt sich wie ein Metall verarbeiten. Rolls-Royce hat bereits eine Lizenz erworben. In einem Verbundprojekt hatte man zusammen mit den Partnern Rolls-Royce, Leistritz Turbinenkomponenten Remscheid, GfE Metalle und Leistritz Turbomaschinen Technik Kompressorlaufschaufeln aus diesem Material entwickelt. “Der Herstellungsprozess von Titanaluminiden ist komplex und das Material ist teuer, mit der richtigen Legierung und einem optimierten Prozess sind die Zielkosten jedoch erreichbar”, weiß Dr. Jörg Esslinger, Leiter Werkstofftechnik bei MTU Aero Engines. Er ist sich sicher, diese Materialklasse in der kommenden Generation der Triebwerke im Serieneinsatz zu finden.
Dr.Barbara Stumpp
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