MTU entwickelt neuen Leichtbaustoff für Turbinenschaufeln

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TiAl ist deutlich kriechfester als Titanlegierungen

Bestechende Eigenschaften Intermetallische Werkstoffe auf Basis von TiAl werden seit vielen Jahren für den Einsatz in Flugzeugtriebwerken diskutiert – aufgrund ihrer Eigenschaften: TiAl ist eine Legierung mit keramischen und metallischen Charakteristiken. Es hat eine erheblich geringere Dichte als die heute eingesetzten Nickellegierungen bei nahezu vergleichbaren mechanischen Eigenschaften, einen hohen Schmelzpunkt und ist deutlich kriechfester als Titanlegierungen. Diese Eigenschaften basieren auf der spezifischen Legierungszusammensetzung und der Anwendung mehrstufiger Wärmebehandlungen, die eigens entwickelt wurden.

Turbinenschaufeln aus TiAl sind nur halb so schwer wie solche aus Nickellegierungen bei gleicher Zuverlässigkeit und Lebensdauer. Der hohe Aluminiumgehalt macht den Werkstoff zudem oxidations- und korrosionsbeständig. Das prädestiniert ihn für Anwendungen unter extremen Bedingungen – hohen Temperaturen und Drücken – wie sie in einer schnelllaufenden Niederdruckturbine herrschen. „Seit wir an dieser einzigartigen Niederdruckturbine für den Getriebefan arbeiten, sind Titanaluminide im Gespräch“, erinnert sich Dr. Wilfried Smarsly, Fachreferent für neue Werkstoffe bei der MTU.

Reduzierte Fliehkräfte dank TiAl-Schaufeln

Titanaluminide eröffnen neue Design-Horizonte, denn auch andere Triebwerkskomponenten können leichter gebaut werden: An den sonst massiven Turbinenscheiben und -wellen aus schweren Nickellegierungen treten dank des Einsatzes von TiAl-Schaufeln reduzierte Fliehkräfte auf. Die Folge: Auch die Scheiben können sehr viel leichter gebaut werden. Jede Gewichtsreduzierung wirkt sich senkend auf Kraftstoffverbrauch und CO2-Emissionen aus.

Die größte Hürde für den Einsatz des Leichtbau-Werkstoffs im Zukunftsantrieb Getriebefan war das Beherrschen der Verarbeitbarkeit: TiAl ist kaum umformbar. Das Schmieden von Turbinenschaufeln mit herkömmlichen und preisgünstigen Methoden war bislang nicht möglich. „Durch thermodynamische Berechnungen wurde ausgelotet, in welchem Temperaturbereich und mit welcher Phasenkonfiguration geschmiedet werden kann“, erläutert Prof. Dr. Helmut Clemens. Der Leiter des Department Metallkunde und Werkstoffprüfung der Montanuniversität Leoben in Österreich und Forschungspartner der MTU wurde für seine Entwicklungsleistung im vergangenen Jahr in Japan mit dem Honda-Preis ausgezeichnet. Clemens: „Mit der entwickelten TiAl-Legierung kann der Schmiedeprozess nun auf konventionellen Umformmaschinen durchgeführt werden – das ist der eigentliche Clou.“

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