Wofür werden Superlegierungen üblicherweise verwendet?
Was sind Hochtemperaturlegierungen?
Superlegierungen sind eine Gruppe von Metallen, die eine bessere Kriech-, Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit als herkömmliche Legierungen aufweisen und gleichzeitig auch bei hohen Temperaturen hervorragende mechanische Eigenschaften beibehalten. Sie fungieren gewissermaßen als Hochleistungslegierungen.
Superlegierungen, die häufig in Komponenten von Gasturbinentriebwerken in der Luft- und Raumfahrtindustrie verwendet werden, basieren auf Nickel, Kobalt oder Eisen und bieten weitaus bessere Eigenschaften als herkömmliche Stahl- oder Aluminiumlegierungen.
Während die meisten herkömmlichen Legierungen auf Eisenbasis bei 400 Grad Celsius deutlich an Materialfestigkeit verlieren (Aluminiumlegierungen sogar noch niedriger), zeigen viele Superlegierungen tatsächlich einen Festigkeitszuwachs zwischen 750 und 900 Grad Celsius.
Warum sind sie wichtig?
Pro Pfund sind Superlegierungen teurer als Stahl, Aluminium oder Edelstahl; Sie sind auch komplexer zu bearbeiten und in die gewünschte Form zu bringen. Warum werden sie in bestimmten Anwendungen so häufig eingesetzt?
Kriechfestigkeit
Kriechen ist eine Materialversagensart, bei der sich eine Komponente bei Spannungswerten deutlich unterhalb ihrer endgültigen Zugfestigkeit verformt.
Als es zum ersten Mal entdeckt wurde, war viel über Zugfestigkeit, Spannung/Dehnung und Ermüdung bekannt, aber dieses neue Phänomen schien der traditionellen Metallurgie zu trotzen.
Nach umfangreichen Tests und Analysen wurde festgestellt, dass eine langfristige (wenn auch relativ geringe) Belastung des Teils zu einem sogenannten „Kaltfluss“ führen kann, bei dem sich das Teil unter der Hälfte seiner UTS plastisch verformt. Weitere Informationen zum Kriechen finden Sie in unserem Artikel.
Es wurde außerdem festgestellt, dass Wärme aus jeder Quelle das Kriechen beschleunigt. Dies ist ein potenziell katastrophales Problem für Komponenten in Strahltriebwerken.
Superlegierungen ermöglichen es Teilen wie Turbinenschaufeln, unter extremen Zentripetalkräften und Hitze zu arbeiten und dabei ihre Festigkeit und vor allem ihre Form beizubehalten.
Langzeittests von nicht kriechfesten Materialien vor dem Einsatz von Superlegierungen führten zu interessanten Ergebnissen: Turbinenschaufeln verlängerten sich bei der Drehung und verursachten so Störungen im Triebwerksgehäuse.
Hohe Temperaturbeständigkeit
Bei Anwendungen wie Luft- und Raumfahrtmotoren und Gasturbinen ist eine hohe Temperaturbeständigkeit ein Muss.
Superlegierungen funktionieren nicht nur gut bei hohen Temperaturen, in manchen Fällen erhöht sich auch die UTS des Materials, was höhere Betriebsspannungen oder eine geringere Masse ermöglicht. Beide Punkte kommen der Luftfahrtindustrie zugute.
Da Superlegierungen eine bessere Hitzebeständigkeit als herkömmliche Legierungen aufweisen, wurden viele Verbesserungen bei der Konstruktion von Strahlturbinentriebwerken vorgenommen.
Strahlturbinen können einen so hohen Schub erzeugen, weil sie die Ansaugluft und den Treibstoff verdichten; Je höher die Verdichtung, desto mehr Leistung erzeugt der Motor. Mit zunehmendem Druck und zunehmender Verbrennungsgeschwindigkeit steigt auch die erzeugte Wärmemenge.
Glücklicherweise ermöglicht die Hitze- und Kriechbeständigkeit von Superlegierungen höhere Verbrennungsdrücke, was zu einem deutlich höheren Wirkungsgrad führt. Wie viele? Allein in den USA, wo im Jahr 2019 mehr als 760 Milliarden Passagierflugmeilen zurückgelegt wurden, können kleine Effizienzsteigerungen zu erheblichen Treibstoffeinsparungen führen.
