Revolutionäre Legierung des KIT: Zukunft der Luftfahrt ist hitzebeständig!

Revolutionäre Legierung des KIT: Zukunft der Luftfahrt ist hitzebeständig!

Ein Forschungsteam des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) hat eine neuartige Refraktärmetall-Legierung entwickelt, die vielversprechende Eigenschaften für Anwendungen bei extremen Temperaturen bietet. Die Legierung, die aus Chrom, Molybdän und Silizium besteht, zeigt sich bei Raumtemperatur verformbar und bleibt bis etwa 2.000 Grad Celsius stabil. Auch die Oxidationsbeständigkeit gehört zu den hervorstechenden Eigenschaften dieser neuen Materialklasse. Diese Entdeckung, die in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht wurde, markiert einen wichtigen Fortschritt in der Grundlagenforschung. Hochtemperaturbeständige Werkstoffe sind besonders für den Einsatz in Flugzeugtriebwerken, Gasturbinen und Röntgengeräten von Bedeutung.

Bisherige Refraktärmetalle weisen bei Raumtemperatur Sprödigkeit auf und oxidieren bei Temperaturen zwischen 600 und 700 Grad Celsius. Aktuell sind Nickel-Superlegierungen im Einsatz, die Temperaturschwankungen nur bis zu maximal 1.100 Grad Celsius standhalten. Die neue Legierung des KIT könnte es hingegen ermöglichen, Bauteile für Temperaturen über 1.100 Grad Celsius zu fertigen, was eine Erhöhung der Betriebstemperaturen in Turbinen ermöglicht, um den Brennstoffverbrauch um rund 5 % zu senken. Diese Entwicklung hat nicht nur technische Relevanz, sondern trägt auch zur Reduktion des CO₂-Ausstoßes in der Luftfahrt und bei stationären Gasturbinen bei.

Herausforderungen und Verbesserungspotenziale

Trotz der Fortschritte im Bereich der Hochtemperaturlegierungen gibt es noch Herausforderungen zu bewältigen. Ein zentrales Problem stellt die Oxidationsbeständigkeit dar, insbesondere bei Temperaturen zwischen 600 °C und 800 °C, wo das Risiko von „Pesting“ besteht. Ab 1.000 °C bildet sich jedoch eine schützende Borosilikatschicht, die das Material vor Oxidation schützt. Die Forschung zu refraktärmetallbasierten Mo-Si-B-Legierungen zeigt, dass sie vielversprechende Alternativen zu Nickel-Basis-Superlegierungen darstellen, insbesondere wenn es um die Erfüllung von Anforderungen der Luft- und Raumfahrtindustrie an mechanische Eigenschaften und Oxidationsbeständigkeit geht, wie Forschung Sachsen-Anhalt feststellt.

Um die Leistungsfähigkeiten dieser neuen Legierungen weiter zu verbessern, sind umfassende Entwicklungs- und Optimierungsprozesse notwendig. Dazu gehört die Etablierung einer pulvermetallurgischen Herstellungsroute, die das mechanische Legieren als Grundlage nutzt. Aktuelle Projekte konzentrieren sich auf die Entwicklung von Mo-40V-9Si-8B-Werkstoffen mit einer geeigneten Beschichtung, um die mechanischen Eigenschaften und die Oxidationsbeständigkeit dieser Materialien zu überprüfen.

Zukunftsaussichten

Ein weiteres Ziel der Forschung ist die Entwicklung metallischer Legierungen, die extremen Bedingungen standhalten können, einschließlich hoher Temperaturen, hoher Drücke und korrosiven Medien. Dabei sind Cr-Basislegierungen zu beachten, die vorteilhafte physikalische und mechanische Eigenschaften aufweisen. Die Verwendung von Labyrinth-Waben-Dichtungen zur Abdichtung zwischen Rotor und Stator ist zudem ein Ansatz, um Luftstromleckagen zu minimieren und den Wirkungsgrad von Flugturbinen zu steigern, was wiederum zur Reduzierung von Kohlendioxidausstoß beiträgt, wie Metalle Uni Bayreuth beschreibt.

Insgesamt stellt die Entwicklung dieser neuen Refraktärmetall-Legierungen einen bedeutenden Fortschritt dar, der sowohl industrielle als auch umwelttechnische Implikationen hat. Langfristig könnten diese Materialien eine entscheidende Rolle in der Luft- und Raumfahrt sowie in anderen Branchen spielen, in denen hohe Temperaturen und anspruchsvolle Bedingungen herrschen.