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Struktur von Flugzeugturbinenmaterial analysiert

15.03.2000 - (idw) Friedrich-Schiller-Universität Jena

Projekt Jenaer Werkstoffwissenschaftler dringt auf atomare Ebene vor

Jena (15.03.00) Der Aufbau von Flugzeugturbinen ist ziemlich gut, daher sind Unfälle wegen Materialfehlern der Turbinenschaufeln eher unwahrscheinlich. "Die Oxidationsschutzschicht der untersuchten Turbinenschaufel hat von der Mikrostruktur her sehr gute Eigenschaften", urteilt Prof. Dr. Uwe Glatzel. Das Team des Werkstoffwissenschaftlers von der Friedrich-Schiller-Universität Jena hat gerade ein Projekt für die Motoren- und Turbinen-Union München (MTU) beendet, bei dem die Mikrostruktur der Aluminiumbeschichtungen von Turbinenschaufeln analysiert wurde.

Die untersuchte Flugzeugturbine besitzt 18 Scheiben, auf denen sich jeweils etwa 120 Turbinenschaufeln befinden. Jede dieser hochkomplexen Schaufeln kostet bis zu 6.000 Mark, da die Herstellung dieses einkristallinen Werkstoffs sehr aufwendig ist. Es dauert rund 30 Stunden bis die innen hohlen, etwa 10 cm hohen Schaufeln im Ofen gegossen und mit einer Schutzschicht, bei der Aluminium in den Werkstoff eindringt, überzogen sind.

Dabei sind die Werkstoffe in diesem Bereich extremen Belastungen unterworfen. "Die Gastemperaturen liegen zur Zeit bei ca. 1.400°C, die durch raffinierte Kühlung auf ca. 1.100°C gesenkt werden. Die Spannungen auf Grund des Eigengewichts der Schaufeln entsprechen den Kräften, die ein Mittelklassewagen verursacht, der auf einer Fläche von ca. einem Quadratzentimeter aufgehängt ist", veranschaulicht Prof. Glatzel. "Um die Effektivität der Flugturbinen zu erhöhen muss versucht werden, die Einsatztemperatur immer höher zu schrauben", weist der Jenaer Werkstoff-Experte auf die Anforderungen.

Um die erhofften Fortschritte zu erzielen, muss die Material-Struktur der Turbine exakt bekannt sein. Hier ist es vor allem Silke Wöllmer aus Glatzels Team gemeinsam mit Kollegen von der Universität Stanford gelungen, die Struktur weiter aufzuklären. Unter einer extrem dünnen Oxidhaut, so die bisherige Meinung, liegen zwei dickere Schichten. Die Oxidhaut wird automatisch an der Oberfläche erzeugt. Als Schutzmechanismus des Werkstoffs ist sie sehr wichtig, "man verhindert nicht die Oxidation, sondern erzeugt sie", erklärt Uwe Glatzel. Allerdings verbraucht sich die darunter liegende Schicht beim Betrieb und nutzt sich ab. Eine externe Nachbearbeitung der Schaufeln ist regelmäßig notwendig und wird von den Firmen auch durchgeführt.

Die Jenaer Materialwissenschaftler führten Strukturanalysen auf atomarem Niveau durch. Diese zeigten, dass die Schaufel mehr Schichten mit vielfältigeren Strukturen aufweist als bisher angenommen. Die aufwendigen Untersuchungen waren nur Dank modernster Großgeräte, wie dem in Jena vorhandenen Transmissionselektronenmikroskop, möglich. Durch die Schichtenanalyse konnte auch das Spannungsverhalten der Schaufeln ermittelt werden. Im Ergebnis zeigten die Jenaer Experten, wie der Schichtaufbau aussehen sollte, um erwünschte Druckspannungen zu erzeugen und negative Zugspannungen zu vermeiden. Es ist nun Aufgabe der Industrie, die Materialstruktur entsprechend zu verbessern, indem die Herstellungsbedingungen nach den Jenaer Erfahrungen verändert werden.

Dass die Industrie von den Jenaer Untersuchungen überzeugt ist, zeigt auch eine jüngst vereinbarte neue Zusammenarbeit. Nun geht es in Glatzels Team darum, wie der Abrieb der äußeren Oxidationsschicht reduziert werden kann und welche Strukturveränderungen dafür notwendig sind.

Ansprechpartner:

Prof. Dr.-Ing. Uwe Glatzel
Technisches Institut der Universität Jena
Löbdergraben 32
07743 Jena
Tel.: 03641/947790
Fax: 03641/947792
E-Mail: uwe.glatzel@uni-jena.de


Friedrich-Schiller-Universität
Referat Öffentlichkeitsarbeit
Axel Burchardt M. A.
Fürstengraben 1
07743 Jena
Tel.: 03641/931041
Fax: 03641/931042
E-Mail: hab@sokrates.verwaltung.uni-jena.de
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