Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben eine neue Metall-Legierung mit bislang unerreichten Eigenschaften entwickelt. Es handelt sich um eine sogenannte Refraktärmetall-Legierung aus Chrom, Molybdän und Silizium, die große Hitze aushält und gleichzeitig oxidationsbeständig ist. Der Werkstoff hat das Potenzial, künftige Flugzeugtriebwerke sparsamer zu machen.
Sogenannte Refraktärmetalle, wie Wolfram, Molybdän und Chrom, sind äußerst hitzeresistent und schmelzen erst ab etwa 2000 Grad Celsius. Damit wären sie prädestiniert für einen Einsatz in den heißen Bereichen (Hochdruckverdichter, Brennkammer und Turbine) von Flugzeugtriebwerken. Allerdings sind sie bei Raumtemperatur spröde und beginnen bei Sauerstoffkontakt schon ab 600 bis 700 Grad Celsius so stark zu oxidieren, dass sie innerhalb kürzester Zeit komplett versagen.
Höhere Temperaturen, höhere Effizienz
Deshalb setzen Triebwerkshersteller seit Jahrzehnten auf hochtemperatur- und korrosionsbeständige Superlegierungen auf der Basis von Nickel. Ein Beispiel sind Inconel-Legierungen. "Die vorhandenen Superlegierungen kombinieren verschiedene metallische Elemente, um mehrere Eigenschaften zu vereinen. Sie sind bei Raumtemperatur verformbar, bei hohen Temperaturen fest und oxidationsbeständig", sagt Professor Martin Heilmaier vom Institut für Angewandte Materialien – Werkstoffkunde des KIT. "Allerdings – und hier liegt der Haken – nur bei Betriebstemperaturen, also in einem Bereich, in dem sie sicher eingesetzt werden können, bis maximal 1100 Grad Celsius. Das ist zu wenig, um das volle Potenzial für mehr Effizienz in Turbinen oder anderen Hochtemperaturanwendungen auszuschöpfen. Denn in Verbrennungsprozessen steigt der Wirkungsgrad mit der Temperatur."
Die Forscher um Heilmaier haben nun Chrom, Molybdän und Silizium neu kombiniert, und eine Legierung mit außergewöhnlichen Eigenschaften entwickelt. "Sie ist bei Raumtemperatur verformbar, schmilzt erst bei etwa 2000 Grad Celsius und oxidiert – im Gegensatz zu bislang bekannten Refraktärlegierungen – selbst im kritischen Temperaturbereich nur langsam. Dadurch macht diese Legierung Bauteile für Einsatztemperaturen deutlich höher als 1100 Grad Celsius denkbar. Das Forschungsergebnis hat damit Potenzial für einen echten Technologiesprung", sagt Dr. Alexander Kauffmann, der an dem KIT-Projekt beteiligt war und inzwischen Professor an der Ruhr-Universität Bochum ist. Schon ein Temperaturplus von 100 Grad Celsius in einer Turbine könne den Treibstoffverbrauch um fünf Prozent senken, so Heilmaier.
Allerdings wird es noch dauern, bis der neue Werkstoff auch in der Luftfahrt verwendet werden kann. Denn trotz großer Fortschritte im Bereich der computergestützten Materialentwicklung ist es derzeit noch nicht möglich, die Oxidationsbeständigkeit und Verformbarkeit genau genug für ein konkretes Design neuer Werkstoffe vorherzusagen. "Um die Legierung in der Industrie einzusetzen, sind noch viele Entwicklungsschritte notwendig", bremst auch Heilmaier. Man habe aber in der Grundlagenforschung einen wichtigen Meilenstein erreicht, auf den nun Forschungsgruppen weltweit aufbauen könnten.
