Moderne Materialen für effiziente Triebwerke

Die Luftfahrtindustrie wendet sich zunehmend Getriebefan-Triebwerken für effizienteres Fliegen zu. Innovative Materialien mit optimierten mechanischen und physikalischen Eigenschaften werden tiefe Einschnitte in Sachen Treibstoffverbrauch und Schadstoffemissionen ermöglichen.

Getriebefan-Triebwerke können in einigen Bereichen der Turbine, am Triebwerksgehäuse und an der -aufhängung sehr hohe Temperaturen herbeiführen. Das EU-finanzierte Projekt HITNIFO (Development of an advanced design and production process of high temperature Ni-based alloy forgings) wurde ins Leben gerufen, um durch verbesserte Prozesse Hochleistungsmaterialien zu niedrigen Kosten zu produzieren sowie Probleme in Hinsicht auf schlechte Schmiedbarkeit und Schweißbarkeit zu lösen.

Die Projektpartner wählten für das Gehäuse und die Aufhängung vielversprechende Materialien auf Basis von Nickellegierungen zum Einsatz bei hohen Temperaturen aus. Zuerst führten sie Glühversuche zur Untersuchung von Veränderungen der mikrostrukturellen Eigenschaften im Verlauf der Zeit und bei steigender Temperatur durch. Die Versuche ermöglichten außerdem die Ermittlung der wichtigsten Auswirkungen auf mechanischen Eigenschaften wie Streckfestigkeit, Dehnung und Spannungsbruch.

Nach Entwurf und Simulation des geschlossenen Gesenkschmiedens und der Fertigung von Werkzeugen bewerteten die Projektpartner die Auswirkungen des Prozesses auf die Schmiedemikrostruktur und mechanische Eigenschaften. Weitere Aktivitäten waren Fließspannungsmessungen bei sieben verschiedenen Temperaturen und zwei verschiedenen Dehnungsraten sowie die Messung von Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit.

Die Resultate bildeten die Grundlage für Finite-Elemente-Simulationen von Materialeigenspannungen. Insbesondere führten die Projektpartner Simulationen mit verschiedenen Meshdichten durch, um die Restspannungsverteilungen in Bauteilen mit komplexer Geometrie abzuschätzen. Im Folgenden wurden die Simulationen mit experimentellen Resultaten verglichen.

HITNIFO öffnet Wege zur Entwicklung von Triebwerken mit höheren Abgastemperaturen und somit höheren Wirkungsgraden. Der Einsatz optimierter Legierungen auf Nickelbasis sollte eine Verringerung des Triebwerks- und somit Flugzeuggewichts ermöglichen und zu einem verminderten Treibstoffverbrauch führen.