Nickellegierungen für Luft- und Raumfahrtanwendungen

Warum Nickel? 

Die größte Herausforderung bei der Konstruktion in der Luft- und Raumfahrt, insbesondere im heißen Teil von Gasturbinentriebwerken, ist ein Phänomen, das als “Kriechen” bekannt ist. Kriechen ist die Tendenz eines festen Materials, sich unter dem Einfluss mechanischer Spannungen langsam zu bewegen oder dauerhaft zu verformen.

Nickellegierungen für Luft- und Raumfahrtanwendungen werden ausgewählt, weil sie eine einzigartige Kristallstruktur besitzen (insbesondere die Gamma-Prime-Phase), die dieser Verformung widersteht. Ihr Nutzen geht jedoch über die strukturelle Stabilität hinaus:

• Widerstand gegen thermische Ermüdung: Flugzeugtriebwerke unterliegen schnellen Heiz- und Kühlzyklen. Nickellegierungen überstehen diese Temperaturschocks ohne Rissbildung.

• Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit: In großen Höhen und bei hohen Temperaturen beschleunigt sich die Oxidation. Nickel bildet eine stabile Oxidschicht, die das innere Material vor Beschädigung schützt.

• Hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht: Nickel ist zwar schwerer als Aluminium, aber aufgrund seiner Festigkeit bei extremen Temperaturen ist es für kritische Komponenten gewichtssparend.

Nicht alle Nickellegierungen sind gleich. Im Zusammenhang mit der Luft- und Raumfahrt dominieren einige wenige Sorten die Lieferkette.

1. Inconel 718: Das Arbeitspferd

Es ist unmöglich, über Nickellegierungen für Luft- und Raumfahrtanwendungen ohne Inconel 718 zu erwähnen. Die Legierung 718 macht einen großen Teil der gesamten Superlegierungsproduktion aus und verbindet hohe Festigkeit mit hervorragender Schweißbarkeit.

• Häufige Verwendungen: Scheiben für Strahltriebwerke, Befestigungselemente, Turbinenschaufeln und Komponenten für Flüssigtreibstoffraketenmotoren.

2. Waspaloy: Die Hitze ertragen

Wenn die Betriebsumgebung die Möglichkeiten von Inconel 718 übersteigt (typischerweise über 650°C/1200°F), wenden sich Ingenieure an Waspaloy. Es bewahrt die strukturelle Integrität bei Temperaturen von bis zu 980°C (1800°F).

• Häufige Verwendungen: Turbinenscheiben, Wellen und Ringe in älteren und modernen Gasturbinen.

3. Hastelloy X: Der Oxidationsschutzschild

Neben der Festigkeit ist die Beständigkeit gegen chemische Angriffe in Verbrennungszonen ebenso wichtig. Hastelloy X ist bekannt für seine außergewöhnliche Oxidationsbeständigkeit.

• Häufige Verwendungen: Verbrennungsdosen, Nachbrenner-Komponenten und Auspuffrohre.

Häufig gestellte Fragen (FAQs)

1. Warum werden Nickellegierungen in Triebwerken der Luft- und Raumfahrt gegenüber Titan bevorzugt?

Titan ist zwar leichter und bietet bei niedrigeren Temperaturen ein hervorragendes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, verliert aber oberhalb von 600 °C an struktureller Integrität. Nickellegierungen für Luft- und Raumfahrtanwendungen werden speziell für die “heißen Abschnitte” des Triebwerks (wie die Hochdruckturbine) ausgewählt, da sie ihre Festigkeit beibehalten und bei Temperaturen von über 1.000 °C, bei denen Titan versagen würde, nicht verformt werden.

2. Welches ist die in der Luft- und Raumfahrtindustrie am häufigsten verwendete Nickellegierung?

Inconel 718 gilt weithin als das Arbeitspferd der Branche und macht deutlich mehr Tonnage aus als jede andere Superlegierung. Seine Beliebtheit beruht auf seiner einzigartigen Ausgewogenheit von Hochtemperaturfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und - was besonders wichtig ist - seiner im Vergleich zu anderen Hochleistungswerkstoffen einfachen Schweiß- und Verarbeitungsmöglichkeiten.

3. Was sind die größten Herausforderungen bei der Bearbeitung von Nickel-Luftfahrtlegierungen?

Superlegierungen auf Nickelbasis werden als “schwer schneidbare” Werkstoffe eingestuft. Sie haben eine hohe Tendenz für Kaltverfestigung (sie werden bei der Bearbeitung härter) und eine geringe Wärmeleitfähigkeit, wodurch sich die Wärme an der Kante des Schneidwerkzeugs konzentriert. Die Hersteller müssen spezielle Werkzeuge, starre Aufbauten und optimierte Schnittgeschwindigkeiten verwenden, um die Präzision zu erhalten, ohne das Teil zu beschädigen.

4. Können Nickelsuperlegierungen für Teile der Luft- und Raumfahrt in 3D gedruckt werden?

Ja, die Luft- und Raumfahrtindustrie setzt zunehmend Additive Manufacturing (AM)-Verfahren wie Laser Powder Bed Fusion (LPBF) mit Nickelpulvern ein. Legierungen wie Inconel 718 und Inconel 625 sind hervorragende Kandidaten für AM. Damit lassen sich leichtere Bauteile mit komplexen inneren Gitterstrukturen oder Kühlkanälen herstellen, die mit herkömmlichen Gussverfahren nicht erreicht werden können.

5. Wie verhindern Nickellegierungen Korrosion in großen Höhen?

Düsentriebwerke saugen große Mengen an feuchtigkeits-, salz- und schadstoffhaltiger Luft an. In Verbindung mit extremer Hitze entsteht so eine äußerst korrosive Umgebung. Nickellegierungen für Luft- und Raumfahrtanwendungen bilden bei Erhitzung auf ihrer Oberfläche eine stabile, passive Oxidschicht (häufig Chrom- oder Aluminiumoxid). Dieser “Zunder” wirkt wie eine Barriere, die das darunter liegende Metall vor weiterer Oxidation und Schwefelangriff schützt.