Dank eines neuen Werkstoffs heben Flugzeuge künftig leichter ab. 15 Jahre lang haben Wissenschaftler am GKSS-Forschungszentrum in Geesthacht bei Hamburg an einer Legierung aus Titan und Aluminium gearbeitet, die im Vergleich zu gängigen Materialien wenig wiegt und auch starker Hitze trotzt. Jetzt macht sich der hohe Einsatz bezahlt.
Montage einer Flugzeugturbine bei Rolls-Royce: Der Hersteller von Triebwerken hat die erste Lizenz für Titanaluminid erworben. Foto: dpa
HAMBURG. Rolls-Royce in Dahlewitz bei Berlin hat die erste Lizenz für das Titanaluminid der GKSS-Forscher erworben. Neben General Electric und Pratt & Whitney zählt der britische Konzern zu den drei weltweit größten Herstellern von Flugzeugturbinen.
Für die Geesthachter Werkstoff-Experten kommt die Vereinbarung mit Rolls-Royce einem Ritterschlag gleich. Kaum eine Industrie stellt so hohe Anforderungen an Werkstoffe wie der Flugzeugbau. Zwar schien die Mischung aus Titan und Aluminium prädestiniert für die Branche: Das Material ist nur halb so schwer wie Nickel oder Eisen, gleichzeitig aber ausgesprochen stabil. Doch es erwies sich als spröde - bei Temperaturen von mehr als 700 Grad Celsius war es mit der Festigkeit vorbei.
Jahrelang tüftelten Wissenschaftler in Deutschland, Japan oder den USA vergeblich an einer besseren Rezeptur für Titanaluminid - und wandten sich schließlich anderen Werkstoffen zu. Allein die GKSS-Experten hielten durch. "Die Entwicklung einer perfekten Legierung braucht Zeit", sagt Michael Oehring, zuständiger Abteilungsleiter in Geesthacht. Nicht nur das Mischungsverhältnis der chemischen Elemente bestimmt die Materialeigenschaften. Unter dem Mikroskop lassen sich Körner und Unregelmäßigkeiten erkennen, und dieses sogenannte Gefüge hängt auch von der Verarbeitung ab.
Mehr als 100 Legierungen mit verschiedenen Titan- und Aluminium-Mischungen hat die norddeutsche Arbeitsgruppe untersucht und bearbeitet. Die Wissenschaftler kooperierten dabei zwar bereits mit Rolls-Royce - doch ein industrieller Einsatz des Materials beim Turbinenbau war zunächst nicht möglich. "Lange reagierte das Titanaluminid zu empfindlich", sagt Dan Roth-Fagaraseanu, Werkstoffspezialist bei Rolls-Royce. "Seine Qualität schwankte zu stark."
Herkömmliche Titanaluminide besitzen meist gröbere Gefüge mit größeren Körnern, an denen sich Spannungen aufstauen. Das Material ist spröde und kann zerspringen. Als optimal erwies sich nun eine Variante mit einem Zusatz von Niob, Bor und Molybdän. Dank des Niobs bilden sich feinere Gefügebestandteile als gewöhnlich. Spannungen, die durch Kräfte von außen erzeugt werden, können leichter von Korn zu Korn übertragen werden.
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Rolls-Royce will das Material zunächst für die Schaufelräder im Hochdruckverdichter einsetzen. Das ist jenes Triebwerksteil, das die angesaugte Luft komprimiert und in die Brennkammer jagt. Ein solcher Verdichter besteht aus etwa zehn Schaufelkränzen, den Stufen. Die vorderen sind bereits aus leichtem Titan gebaut. Die hinteren aber sitzen zu nahe an der Brennkammer und werden aus schweren hitzeresistenten Nickellegierungen gefertigt.
Hier kommt künftig Titanaluminid zum Einsatz, denn es ist leichter als Nickel und hitzebeständiger als Titan. Pro Stufe rechnet Roth-Fagaraseanu mit einer Gewichtsersparnis von über einem Kilogramm. Bei einem Triebwerksgewicht von vier Tonnen erscheint das gering. Doch Fluggesellschaften sind froh über jedes eingesparte Kilo. "Und leichtere Schaufeln ziehen weitere Gewichtsreduktionen nach sich", sagt Roth-Fagaraseanu. "Die Fliehkräfte verringern sich, die gesamte Konstruktion kann leichter ausgelegt werden."
Auch für Teile des Turbinengehäuses will Rolls-Royce nun Titanaluminid nutzen. Derzeit testet das Unternehmen erste Schaufelräder aus dem Material auf einem Prüfstand des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt in Stuttgart. Wann sie in Serie gehen, ist jedoch noch offen.
Nach den Erfolgen im Flugzeugbau könnte Titanaluminid weitere Branchen erobern. Das Material findet sich bereits in Formel-1-Boliden. Und der Fahrzeughersteller Mitsubishi verbaut eine Legierung in einer exklusiven Fahrzeug-Serie - für Turboladerräder im Modell Lancer Evolution. Das Potenzial ist deutlich größer. Wo hitzebeständiges, leichtes Material gefragt ist, könnte Titanaluminid bald der Werkstoff der Wahl sein. Der Geesthachter Forscher Oehring hat schon diverse Anfragen erhalten - unter anderem von Maschinenbau-Unternehmen.
