25/10/2018 - Neue Titan- und Aluminiumlegierungen reduzieren das Gewicht von Flugmotoren um 25 Prozent

Menéame

In der Luft- und Raumfahrtindustrie wird nicht nur eine höhere Effizienz der Motoren angestrebt, sondern auch Reduktion die CO2-Emissionen und Kraftstoffverbrauch, was durch die Verringerung des Gewichts von Flugmotoren erreicht werden kann. "Diese Gewichtsreduktion ist der Schlüssel zur Entwicklung innovativer, hochtemperaturresistenter leichter Materialien, die die derzeit verwendeten Materialien ersetzen können," sagt er. Leire Usategui Frias Forscherin der UPV/EHU. "Die Titan-Aluminiumlegierungen (TiAl) weisen ein großes Potenzial auf, um diesen Anforderungen gerecht zu werden," fügt er hinzu.

Bislang waren die Nickel-Basis Superlegierungen das Hauptmaterial bei der Herstellung von Turbinenalben in Flugzeugen, da sie die hohen mechanischen und thermischen Belastungen tragen können, denen sie unter Betriebsbedingungen ausgesetzt sind. Ein Nachteil dieser Superlegierungen ist ihre hohe Dichte, die in den TiAl auf fast die Hälfte reduziert wird. "Abgesehen davon, dass TiAl-Garnen leichter sind, sind die wichtigsten Vorteile einer guten Oxidations-, Überhitzungs- und vor allem Fluenzenbeständigkeit (eine Verformung, die stattfindet, wenn die Materialien unter hoher Temperatur arbeiten und um jeden Preis vermieden werden müssen)," erklärt Dr. Usategui. Die Forscherin der UPV/EHU weist darauf hin, dass "die TiAl- Legierungen die beste Alternative zur Ersetzung der bisher in den Turbinen eingesetzten Motoren sind, da sie das Gewicht der Motoren um 20 bis 30 % verringern würden, was zu einer deutlichen Steigerung der Leistung des Motors und einer höheren Kraftstoffeffizienz führen würde."

Neue TiAl-Legierungen

Um die Erhöhung der Betriebstemperatur von Luftfahrtkomponenten, diese Arbeit untersucht die Auswirkungen der Aufnahme verschiedener chemischer Elemente in TiAl-legierungen zur Entwicklung verbesserte wettbewerbsfähige Materialien. "Eine der wichtigsten und aktuellsten Legierungen, abgesehen von den wichtigsten chemischen Elementen (Titan und Aluminium), hat einen ausgewogenen Niob- und Molybdängehalt sowie geringe Mengen an Silizium und Kohlenstoff," erklärt die Autorin der Arbeit.

Es ist eine hohe strukturelle Stabilität und ein gutes Flußfestigkeitsverhalten erforderlich, damit diese neuen Legierungen den Anforderungen der Luftfahrttechnik entsprechen. Diese Eigenschaften werden durch Diffusions- und Verformungsprozesse kontrolliert, weshalb es entscheidend ist, die atomaren Mechanismen zu identifizieren, die diese Prozesse steuern. "Wir haben zum Beispiel festgestellt, dass das Vorhandensein von Kohlenstoff die Verbreitungsprozesse verzögert," so Leire Usategui Frias. "Wir sprechen - fügt die Forscherin hinzu - von Bewegungen auf atomarer Ebene, die nicht leicht zu erkennen oder zu analysieren sind, aber bei dieser Arbeit haben wir es geschafft, mit einer komplexen experimentellen Technik namens mechanische Spektroskopie erfolgreich zu studieren. Wir haben auch geprüft, wie sich das Material bei verschiedenen Temperaturen verhält, d. h. was mit dem Motor des Flugzeugs geschehen würde, wenn es warm wird. Diese Informationen sind unbedingt erforderlich, um die Zuverlässigkeit und Effizienz der mit diesem Material produzierten Labs zu gewährleisten, sowohl unter Flugbedingungen als auch unter Ruhebedingungen," so Dr. Usategui.

"Die Ergebnisse haben es ermöglicht, die Auswirkungen des Zusatzes von Molybdän, Niob, Kohlenstoff und Silizium auf TiAl- Legierungen zu erkennen und festzustellen, wann und wie diese chemischen Elemente verbreitet werden. Dieses Wissen ist unerlässlich, um die Verbreitungsprozesse verzögern zu können, wodurch die Verformung verzögert und die Temperaturen erhöht würden, an denen diese Legierungen arbeiten könnten," erklärt UPV/EHU Forscherin. "Darüber hinaus hat uns das mechanische und thermische Verhalten, das in einer der untersuchten Legierungen, einer Legierung mit Nanolaminar-Mikrostruktur, gemessen wurde, dazu geführt, dass wir sie in den kommenden Jahren als feste Kandidatin für die Verwendung in den Turbinen der Flugzeuge identifiziert haben."

Weitere Informationen

Diese Untersuchung wurde im Rahmen der Dissertation von Leire Usategui Frías (Vitoria-Gasteiz, 1984) durchgeführt.TiAl intermetallics for aerospace applications: atomic relaxation processes, microstructure and mechanical properties at high temperature' und geleitet von José María San Juan Nuñez, Professor für Physik Metallurgie der UPV/EHU. Die Dissertation hat sich in der Fakultät für Wissenschaft und Technologie der UPV/EHU in Zusammenarbeit mit der Universität Montanuniversität Leoben (Österreich).

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