Welche Legierungsmaterialien werden für Luft- und Raumfahrttriebwerke benötigt?

Der Entwicklungsstand von Luft- und Raumfahrttriebwerken ist ein konzentrierter Ausdruck der umfassenden nationalen Stärke, der industriellen Grundlage sowie des wissenschaftlichen und technologischen Niveaus eines Landes. Ihre Forschung und Entwicklung vereint die fortschrittlichsten Technologien und industriellen Errungenschaften der modernen Industrie. Dieser Artikel gibt Ihnen einen Einblick in die in Luft- und Raumfahrttriebwerken verwendeten Materialien.

1. Aluminiumlegierung
Aluminiumlegierungen bieten herausragende Vorteile wie einen hohen spezifischen Modul und eine hohe spezifische Festigkeit, gute Korrosionsbeständigkeit, gute Verarbeitbarkeit und geringe Kosten. Daher gelten sie als besonders wichtig für die Luft- und Raumfahrtindustrie.
Hauptanwendungsbereiche: Triebwerksraum, Kabinenstruktur, tragende Wandpaneele, Träger, Instrumentenmontagerahmen, Kraftstofftanks usw.

2. Titanlegierung
Im Vergleich zu Metallwerkstoffen wie Aluminium, Magnesium und Stahl bietet Titanlegierung eine hohe spezifische Festigkeit, gute Korrosionsbeständigkeit, gute Ermüdungsfestigkeit, eine geringe Wärmeleitfähigkeit und einen kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Sie kann langfristig bei Temperaturen unter 350~450℃ eingesetzt werden und ist bei niedrigen Temperaturen bis -196℃ verwendbar.
Hauptanwendungsbereiche: Verdichterschaufeln, Gehäuse, Triebwerksräume und Wärmedämmplatten von Flugzeugtriebwerken usw.

3. Ultrahochfester Stahl
Ultrahochfester Stahl verfügt über eine hohe Zugfestigkeit und ausreichende Zähigkeit sowie über gute Schweißbarkeit und Umformbarkeit.
Hauptanwendungsbereiche: Gehäuse von Luft- und Raumfahrttriebwerken, Triebwerksdüsen, Lager und Getriebezahnräder.
4. Magnesiumlegierung
Magnesiumlegierungen sind die leichtesten metallischen Konstruktionswerkstoffe. Sie zeichnen sich durch eine geringe Dichte, hohe spezifische Festigkeit, hohe Erdbebenbeständigkeit und die Fähigkeit aus, großen Stoßbelastungen standzuhalten.
Hauptanwendungsbereiche: Gehäuse von Luft- und Raumfahrttriebwerken, Getriebe usw.
Verbundwerkstoffe
Die rasante Entwicklung von Luft- und Raumfahrttriebwerken, insbesondere die zunehmend strengeren Anforderungen an Temperatur und Gewicht, kann mit den kontinuierlich verbesserten herkömmlichen Werkstoffen nicht mehr erfüllt werden. Stattdessen ist eine neue Werkstoffwissenschaft erforderlich, die ein neues System eröffnet: Verbundwerkstoffe. Je nach den Eigenschaften des jeweiligen Verbundwerkstoffs können diese in unterschiedlichen Triebwerksteilen eingesetzt werden.

1. Metallmatrix-Verbundwerkstoffe
Metallmatrix-Verbundwerkstoffe bezeichnen hauptsächlich Verbundwerkstoffe mit Leichtmetallen wie Al und Mg als Matrix. In der Luft- und Raumfahrt werden sie hauptsächlich als Ersatz für leichtes, aber giftiges Beryllium eingesetzt. Diese Werkstoffart verfügt über hervorragende Quereigenschaften, einen geringen Verbrauch und eine ausgezeichnete Verarbeitbarkeit. Sie ist in vielen Anwendungsbereichen zum kommerziell attraktivsten Werkstoff geworden und wurde im Ausland bereits kommerzialisiert.
Hauptanwendungsbereich: geeignet für Bauteile im Mitteltemperaturbereich des Triebwerks.
Mit der rasanten Entwicklung von Wissenschaft und Technologie haben einige Spitzenwissenschaften und -technologien große Fortschritte gemacht, wodurch höhere Anforderungen an die Werkstoffleistung gestellt wurden. Herkömmliche Einzelwerkstoffe reichen zur Erfüllung des tatsächlichen Produktionsbedarfs bei Weitem nicht aus. In diesem Umfeld entstanden Verbundwerkstoffe.
Als Beispiel kann die Anwendung von Verbundwerkstoffen in Flugzeugtriebwerken dienen. Obwohl herkömmliche Werkstoffe für Flugzeugtriebwerke (Nickellegierungen und Titanlegierungen) noch weiterentwickelt werden können, ist ihr Entwicklungsspielraum begrenzt, und die strengeren Temperatur- und Gewichtsanforderungen künftiger Flugzeugtriebwerke lassen sich nur schwer erfüllen. Heute wird die Leistung von Flugzeugtriebwerken kontinuierlich verbessert, während ihr Gewicht im Vergleich zur Vergangenheit erheblich reduziert wurde. Neben neuartigen Strukturen wie integralen Schaufeln, integralen Schaufelringen, Hohlschaufeln und gegenläufigen Turbinen wird fortschrittlichen Werkstoffen mit hoher spezifischer Festigkeit, geringer Dichte, hoher Steifigkeit und hoher Temperaturbeständigkeit größere Aufmerksamkeit geschenkt. Heute sind harzbasierte Verbundwerkstoffe, Metallmatrix-Verbundwerkstoffe, Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe und C/C-Verbundwerkstoffe aufgrund ihrer hervorragenden Tieftemperatureigenschaften zu Kandidaten für Fans und Verdichter von Flugzeugtriebwerken geworden.

Fortschrittliche Verbundwerkstoffe für Flugzeugtriebwerke

Fan-Gehäuse
Im Vergleich zu herkömmlichen Fan-Gehäusen aus Titanlegierung kann ein aus harzbasierten Verbundwerkstoffen gefertigtes Fan-Gehäuse das Gewicht und die Entwicklungskosten des Triebwerks reduzieren und gleichzeitig alle Funktionen erfüllen sowie den statischen und aerodynamischen Belastungen des gesamten Triebwerks standhalten.
Das F404-Triebwerk von GE wurde zunächst von einem Fan-Gehäuse aus Titanlegierung auf ein Verbundwerkstoff-Fan-Gehäuse aus PMR15 umgestellt, wodurch das Gewicht um 30 % und die Kosten um 30 % gesenkt werden konnten. Später setzte GE diese Technologie auch bei Triebwerken wie dem Schubsteigerungstriebwerk F414 und dem GenX-Triebwerk ein.
Die F191- und F135-Triebwerke von Pratt & Whitney in den USA sowie das M88-Triebwerk von Snecma in Frankreich verwenden ebenfalls Fan-Gehäuse aus harzbasierten Verbundwerkstoffen. Die Auswirkungen auf Gewichts- und Kostensenkung sind sehr deutlich.

Leitschaufeln
Im Vergleich zu Leitschaufeln aus Titanlegierung können Leitschaufeln aus harzbasierten Verbundwerkstoffen das Gewicht um 50 % und die Kosten um mehr als 50 % reduzieren. Gleichzeitig kann durch die Optimierung der Faserausrichtung die Eigenfrequenz der Verbund-Leitschaufeln angepasst werden, wodurch der zulässige mechanische und aerodynamische Auslegungsraum vergrößert wird.
Die Fan-Leitschaufeln der Triebwerke PW4084 und PW4168 von Pratt & Whitney bestehen aus dem harzbasierten Verbundwerkstoff PR500. Beim PW4084-Triebwerk mit einem Durchmesser von 3,04 Metern wurden das Gewicht um 39 % und die Kosten um 38 % reduziert. Das deutsche Unternehmen MTU verwendet PMC-Verbundwerkstoffe in den Einlaufleitschaufeln sowie in den verstellbaren Leitschaufeln der ersten oder zweiten Stufe des schnelllaufenden Niederdruckverdichters des PW8000-Triebwerks. Die Widerstandsfähigkeit dieser Schaufeln gegenüber äußeren Beschädigungen, ihre Vibrations- und Korrosionsbeständigkeit sowie ihre strukturelle Integrität wurden verifiziert.

Laufschaufeln
Die geringe Dichte und hohe Festigkeit von Verbundwerkstoffen können nicht nur das Gewicht reduzieren, sondern ermöglichen auch 3D-aerodynamische Formen für Laufschaufeln, beispielsweise gepfeilte und bogenförmige Schaufeln. Neben den geringeren Herstellungskosten weisen Verbund-Laufschaufeln bei Schaufelverlusten außerdem zerstörungsfreie Eigenschaften auf, wodurch die Anforderungen an das Containment reduziert werden.
Der Einsatz von Verbundwerkstoffen für Fanschaufeln kann nicht nur das Gewicht der Schaufeln selbst deutlich reduzieren, sondern auch das Gewicht ihres Containmentsystems, der Scheibe und des gesamten Rotorsystems. Sie zeichnen sich durch geringe Kosten, gute Vibrationsbeständigkeit und hohe Schadensresistenz aus. Derzeit verwenden die Triebwerke GenX und GE90-115B von GE Fanschaufeln aus hochdurchsatzfähigen gekrümmten Verbundwerkstoffen und organische Fan-Gehäuse. Außerdem ist geplant, Verbund-Hohlschaufeln für Fans mit hohem Druckverhältnis weiter zu untersuchen.

Metallmatrix-Verbundwerkstoffe
Im Vergleich zu harzbasierten Verbundwerkstoffen weisen Metallmatrix-Verbundwerkstoffe eine gute Zähigkeit auf, nehmen keine Feuchtigkeit auf und halten relativ hohen Temperaturen stand. Zu den Verstärkungsfasern von Metallmatrix-Verbundwerkstoffen gehören Metallfasern wie Edelstahl, Wolfram, Benzol, Nickel und Nickel-Aluminium-Intermetallverbindungen sowie Keramikfasern wie Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Kohlenstoff, Bor, Siliziumkarbid und Titanborid.

Zu den Matrixwerkstoffen von Metallmatrix-Verbundwerkstoffen gehören Aluminium, Aluminiumlegierungen, Magnesium, Titan und Titanlegierungen, hitzebeständige Legierungen sowie Kobaltlegierungen. Gegenwärtig sind Verbundwerkstoffe auf Basis von Aluminium-Kohlenstoff-Legierungen, Titan und Eisen die wichtigsten Optionen. So können beispielsweise Verbundwerkstoffe auf Basis von Titanlegierungen, die mit Siliziumkarbidfasern verstärkt sind, zur Herstellung von Verdichterschaufeln eingesetzt werden. Mit Kohlenstoff- oder Aluminiumoxidfasern verstärkte Verbundwerkstoffe mit einer Matrix aus Magnesium oder Magnesiumlegierungen können zur Herstellung von Turbofanschaufeln verwendet werden. Ein weiteres Beispiel sind nickelbasierte Legierungsmatrix-Verbundwerkstoffe, die mit Nickel-Chrom-Aluminium-Iridium-Fasern verstärkt sind und zur Herstellung von Dichtungselementen für Turbinen und Verdichter eingesetzt werden können.

GE hat im Rahmen eines Programms zur Überprüfung gemeinsamer Technologien für Triebwerke Niederdruckwellen aus Verbundwerkstoffen auf Titanbasis untersucht. Ihr Gewicht ist 30 % geringer als das von Inco-Legierungen, ihre Steifigkeit 40 % höher als die von Titanlegierungen, und ihre Lebensdauer sowie Dauerfestigkeit sind verbessert. Wenn das F110-Triebwerk eine solche Verbundwelle verwenden würde, könnte das Gewicht um 68 kg reduziert werden. In naher Zukunft werden Metallverbundwerkstoffe Nickel- und Titanlegierungen ersetzen und zu den wichtigsten Werkstoffen künftiger Flugzeugtriebwerke werden.

Neue hochfeste und zähe Titanlegierungen/Titan-Aluminium-Legierungen/umformbare Hochtemperaturlegierungen und Verbundwerkstoffe
Titanlegierungen und Titan-Aluminium-Legierungen (TiAl) werden entsprechend dem Bedarf an leichteren Triebwerken kontinuierlich weiterentwickelt. Die derzeitige maximale Betriebstemperatur von Titanlegierungen beträgt 600-650℃, während der Betriebstemperaturbereich von TiAl-Legierungen bei 650-950℃ liegt. Ihre ausgeprägte Sprödigkeit bei Raumtemperatur und Kerbempfindlichkeit beschränken sie jedoch auf einen teilweisen Ersatz für Hochtemperaturlegierungen oder Einkristalllegierungen. Da außerdem die Betriebstemperatur in den einzelnen Triebwerksbereichen steigt, müssen neue umformbare Hochtemperaturlegierungen entwickelt werden, die eine höhere Hitzebeständigkeit und Zähigkeit aufweisen.
Seit den 1980er-Jahren entwickelt mein Land eigenständig Hochtemperatur-Titanlegierungen. Derzeit beherrscht es Schlüsseltechnologien wie Legierungszusammensetzung, Gefüge, Steuerung und Optimierung der Eigenschaftsabstimmung. Das Niveau von Forschung und Anwendung hat im Wesentlichen mit dem internationalen fortgeschrittenen Niveau gleichgezogen. Die Gleichmäßigkeit der Gefügeeigenschaften muss jedoch weiter verbessert und das Potenzial der Legierungen weiter erschlossen werden. Bei TiAl-Legierungen wurden wichtige Durchbrüche bei Schlüsseltechnologien wie Werkstoffdesign, Herstellungsverfahren, Gefügeoptimierung und -steuerung sowie der Verbesserung der plastischen Zähigkeit erzielt. Eine Reihe repräsentativer Legierungen wurde entwickelt. Dennoch müssen Technologien wie die Abstimmung von Hochfestigkeit und Zähigkeit im Gefüge sowie das Anwendungsdesign von Werkstoffen mit geringer plastischer Zähigkeit weiter erforscht werden, um ihre Einsatzmöglichkeiten zu erweitern. Mit der Weiterentwicklung der Legierungsdesignmethoden sowie der Gieß- und Schmiedeausrüstung und -verfahren wurden verschiedene neue umformbare Hochtemperaturlegierungen erfolgreich angewendet. Mit zunehmendem Legierungsgrad ist jedoch die Schwierigkeit der Gieß- und Warmumformprozesse stark gestiegen. Technische Engpässe wie das Umschmelzen und Raffinieren großformatiger Gussblöcke sowie eine gleichmäßige Umformung müssen überwunden werden, um ein gleichmäßiges und stabiles Gefüge sowie stabile Eigenschaften zu erreichen, eine umfassende Balance zwischen Leistung, Effizienz und Kosten herzustellen, Forschung und Entwicklung sowie Anwendung zu beschleunigen und die Grundlage für die eigenständige Forschung und Entwicklung umformbarer Hochtemperaturlegierungen mit höherer Leistung in der Zukunft zu schaffen.
Derzeit hat die Anwendung der integralen Schaufelscheibenstruktur im Kaltendrotor die Auslegungsgrenze erreicht. Der integrale Schaufelring hingegen vereint fortschrittliche Struktur und Werkstoffe, verfügt über hervorragende Gesamteigenschaften, ermöglicht eine Gewichtsreduzierung und ist die wegweisende Wahl für den Leichtbaurotor der nächsten Triebwerksgeneration. Die Anwendung von Verbundwerkstoffen mit SiC-Faserverstärkung auf Titanbasis (Ti-MMC), TiAl-Basis (TiAl-MMC) und Nickelbasis (Ni-MMC) nimmt rasch zu. MTU und Rolls-Royce haben integrale Schaufelringe aus Ti-MMC (wie in Abbildung 1 dargestellt), Turbinenwellen und weitere Prüfkörper hergestellt und bewertet, wobei deutliche Gewichtseinsparungen erzielt wurden. Prognosen zufolge wird Ti-MMC etwa 30 % der in künftigen Triebwerken verwendeten Werkstoffe ausmachen, während TiAl-MMC etwa 15 % ausmachen wird.
Seit den 1990er-Jahren entwickelt mein Land Ti-MMC und seine Komponenten. Bis heute wurden nacheinander Durchbrüche bei Schlüsseltechnologien wie der Massenproduktion von Hochleistungs-SiC-Monofilamentfasern, der Herstellung hochwertiger Vorläuferdrähte und der Bauteilumformung erzielt. Außerdem wurde eine integrierte Fertigungstechnologie für integrale Ti-MMC-Schaufelringe entwickelt. Dennoch müssen Forschungen zu Technologien wie der Formsteuerung des verstärkten Ringkerns und der Regulierung von Eigenspannungen intensiviert werden, um die Vorteile von Ti-MMC vollständig auszuschöpfen.

Neue Einkristalllegierungen und Pulverlegierungen
Mit steigender Temperatur vor der Turbine entwickelte sich der Werkstoff der Turbinenschaufeln von umgeformten und gegossenen Hochtemperaturlegierungen zu gerichtet erstarrten und einkristallinen Hochtemperaturlegierungen. Der Werkstoff der Turbinenscheiben entwickelte sich von Vergütungsstahl und umgeformten Hochtemperaturlegierungen zu Pulver-Hochtemperaturlegierungen. In den vergangenen fünfzig bis sechzig Jahren ist die Temperatur vor der Turbine um etwa 600 K gestiegen, wobei Werkstoffe und Gießverfahren 30 % bis 40 % dazu beigetragen haben. Seit Pratt & Whitney die weltweit erste Einkristalllegierung PW1480 erfunden hat, hat die Industrie mehrere Generationen von Einkristalllegierungen auf Nickelbasis und Nickel-Aluminium-Basis (Ni3Al) erfolgreich entwickelt. China gehört zu den Ländern der Welt, die Einkristalllegierungen früh erforscht haben, und viele Güten wurden schrittweise angewendet. Mit der Entwicklung der Triebwerke sind die derzeitigen Einkristalllegierungen jedoch durch Temperaturbeständigkeit und Gießverarbeitbarkeit begrenzt, und ihre Anwendung hat die Grenze erreicht. Daher besteht dringender Bedarf an neuen Einkristalllegierungen mit höherer anfänglicher Schmelztemperatur, besserem Gefüge und besseren Eigenschaften, guter Gieß- und Schweißverarbeitbarkeit sowie vertretbaren Kosten.
Seit die USA Anfang der 1960er-Jahre bei der Entwicklung von Pulver-Hochtemperaturlegierungen führend waren und diese erfolgreich für Turbinenscheiben einsetzten, haben Pulverlegierung-Turbinenscheiben in mehreren Triebwerken zig Millionen Stunden sicheren Betriebs angesammelt. Pulverlegierungen sind damit zum bevorzugten Werkstoff für Turbinenscheiben fortschrittlicher Flugzeugtriebwerke geworden. Die Industrie hat hochentwickelte Pulverlegierungen mit höheren Einsatztemperaturen und besseren Gesamteigenschaften entwickelt. Außerdem wurden entsprechend den unterschiedlichen Leistungsschwerpunkten der einzelnen Bereiche der Turbinenscheibe Turbinenscheiben mit Doppelperformance/Doppellegerung und Doppelspeichen entwickelt. Mein Land hat erfolgreich Pulverlegierungen der ersten und zweiten Generation entwickelt und entwickelt derzeit Pulverlegierungen der dritten und vierten Generation. Mit der Entwicklung der Triebwerke sind jedoch weiterhin eingehende Forschungen zu hochwertigen Pulvern, zur Herstellung von Turbinenscheiben mit Doppelperformance/Doppellegerung/Doppelspeichen sowie zu kostengünstigen Verfahren erforderlich.

Leichte, hochfeste, hochtemperaturbeständige strategische und revolutionäre fortschrittliche Werkstoffe und Verfahren sind die wegweisende Wahl für fortschrittliche Luft- und Raumfahrttriebwerke der Zukunft. Wir sollten uns weiterhin auf grundlegende Engpässe, industrielle Anwendungen, Ressourceninvestitionen und die Integrität beider Ketten konzentrieren, die Nachfrage als Antrieb stärken, die Gesamtsteuerung der Industrie stärken, die Systemplanung stärken, die kollaborative Integration stärken und zentralisierte Investitionen stärken, um einen Weg der Unabhängigkeit, Eigenständigkeit und eigenständigen Weiterentwicklung bei Triebwerkswerkstoffen und -verfahren mit chinesischen Besonderheiten einzuschlagen.