Pulvermetallurgie-Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt

Sie haben vielleicht gehört, dass die Pulvermetallurgie (PM) in der Maschinenbauindustrie weit verbreitet ist.

Aber wissen Sie über Pulvermetallurgieanwendungen in der Luft- und Raumfahrt?

PM kann Hochleistungswerkstoffe herstellen und komplexe, endkonturnahe Teile in Massenproduktion herstellen. Genau das ist es, was Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt benötigen.

Pulvermetallurgische Materialien in der Luft- und Raumfahrt

Superlegierungen (Hochleistungslegierungen)

Kennen Sie Superlegierungen? Superlegierungen sind Legierungsmaterialien mit relativ hohen Schmelzpunkten, meist auf Basis von Kobalt oder Nickel. Laut einer Studie der Universität Cambridge können Superlegierungen bei Temperaturen betrieben werden, die etwa dem 0.7-Fachen ihres Schmelzpunkts entsprechen. Daher finden sie breite Anwendung in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Medizin.

Superlegierungen auf Nickelbasis

Nickelbasierte Superlegierungen zählen aus folgenden Gründen zu den wichtigsten Werkstoffen in Flugzeugtriebwerken:

• Hochtemperaturfestigkeit
• Ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit
• Gute Ermüdungsbeständigkeit

Es wird hauptsächlich zur Herstellung von Turbinenscheiben, Turbinenschaufeln usw. verwendet. Durch die Pulvermetallurgie-Technologie können Sie die Reinheit und Gleichmäßigkeit von Nickellegierungen verbessern. Außerdem können Sie den Sauerstoffgehalt und Verunreinigungen reduzieren und die Festigkeit und Zähigkeit von Sinterteilen erhöhen.

Gängige Herstellungsverfahren für nickelbasierte Hochleistungslegierungspulver sind:

• Gaszerstäubung (GA)
• Elektrodeninduktionsschmelzgaszerstäubung (EIGA)
• Plasma-Rotationselektrodenverfahren (PREP)

Beispielsweise eignet sich Inconel 625 ideal für Rohrleitungssysteme und Schubumkehrsysteme von Flugzeugen. INCONEL 718 wird aufgrund seiner einfachen Herstellung, Erschwinglichkeit und guten Eigenschaften in Flüssigtreibstoffraketenkomponenten und Flugzeugtriebwerksteilen verwendet.

Superlegierung auf Kobaltbasis

Kobaltbasierte Superlegierungen sind ein weiteres Material, das häufig in der Luft- und Raumfahrtindustrie verwendet wird. Sie spielen eine wichtige Rolle bei der Herstellung von Turbinentriebwerken, Gasturbinen und anderen Komponenten.

Im Vergleich zu Nickel-basierten Superlegierungen haben Kobalt-basierte Superlegierungen eine höhere Schmelztemperatur, die meist über 1300 °C liegt. Zudem zeichnen sie sich durch eine bessere Korrosionsbeständigkeit und Haltbarkeit bei hohen Temperaturen aus. Daher werden sie in Leitschaufeln von Flugzeugtriebwerken eingesetzt, um Ausfälle bei hohen Temperaturen zu vermeiden.

Die folgende Tabelle zeigt die Anwendung anderer pulvermetallurgischer Superlegierungen in Flugzeugtriebwerken.

Materialmodell	Motor-Modell	Name der Komponente
IN 100	F100-PW-100	Kompressor-Abdeckring Turbinenscheibe Turbinenmantelring Integriert
	F119-PW-100	Schaufelrotor (IBR) für die Stufen 6 bis 9
Rene95	F101-GE-100	Kompressorwelle Hoch-Tief Druckturbinenscheibe
	F101-GE-100	Hochdruckturbinenscheibe
	F404-GE-400	Hochdruckkompressor Festplatten Hoch-Niederdruckturbine Festplatten
	T700-GE-700	Turbinenscheibe
Rene88DT	F101-GE-129	Kompressor-Scheibenturbine Festplatten
	CF6-80E	Hochdruckturbinenscheibe
	CFM56-5C2	Hochdruckturbine Festplatten
	General English	Kompressorscheibe der 9. Stufe
U720	T800 T406	Kompressor der 10. Stufe Festplatten
ME3	GP720	Turbinenscheibe

Titanlegierungen

Titan und Titanlegierungen wie Ti-6Al-4V werden häufig verwendet

in Luft- und Raumfahrtanwendungen aufgrund der folgenden Eigenschaften:

• Hervorragendes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht
• Korrosionsbeständigkeit
• Hohe Temperaturbeständigkeit

Titanlegierungen eignen sich hervorragend zur Herstellung von Kompressorscheiben, Schaufeln und Navigationsinstrumenten in Lüftern und Kompressoren von Flugzeugtriebwerken. Titan kann durch den Ersatz von Stahl das Gewicht des Triebwerks deutlich reduzieren und so das Schub-Gewichts-Verhältnis des Triebwerks verbessern.

Metallmatrix-Verbundwerkstoff (MMC)

MMC ist ein Verbundwerkstoff aus Metall und Keramik.

Al/SiC MMC weist im Vergleich zu herkömmlichen Metallen wie Stahl oder Titan eine höhere spezifische Festigkeit und Steifigkeit auf.

Es weist eine bessere thermische Stabilität auf, was für Hochtemperaturanwendungen von Turbinenschaufeln in Flugzeugen wichtig ist. Darüber hinaus weist MMC eine verbesserte Ermüdungsbeständigkeit auf, wodurch die Ausfallwahrscheinlichkeit von Flugzeugtriebwerken unter zyklischen Belastungsbedingungen verringert wird.

Keramik

Keramische Werkstoffe können als thermische Spritzmaterialien verwendet werden, um den thermischen Schutz von Flugzeugteilen zu gewährleisten

Pulvermetallurgieanwendungen in der Luft- und Raumfahrt

Turbinenschaufeln

Turbinenschaufeln aus Al-SiC MMC senkt den Treibstoffverbrauch von Flugzeugen durch Gewichtsreduzierung. Das spart Kosten und schont die Umwelt.

Darüber hinaus verlängert es aufgrund seiner hervorragenden Ermüdungsbeständigkeit die Lebensdauer von Flugzeugtriebwerken und reduziert wartungsbedingte Ausfallzeiten.

Motorenteile

Brennkammer

In Brennkammern werden häufig PM-Teile verwendet, da sie temperaturbeständig sind und Temperaturwechseln standhalten.

Kraftstoffdüsen

Pulvermetallurgische additive Fertigung (3D-Druck) kann komplexe Kraftstoffdüsen liefern

Laut GE Aerospace wurde durch den Einsatz additiver Fertigung die Anzahl der Teile in den Kraftstoffdüsen verringert und das Gewicht um 25 % gesenkt.

Flugzeugbremsbeläge

Das Herzstück der Flugzeugradbremsvorrichtung ist der Bremsbelag, da während des Landevorgangs die Belastung des Bremsbelags sehr groß ist und auch die momentane Oberflächentemperatur sehr hoch ist.

Pulvermetallurgische Bremsbeläge aus Eisen- oder Kupferpulver als Hauptbestandteil und nichtmetallischen Pulvern für Reibung und Antihaftwirkung erfüllen die oben genannten Anforderungen. Heute verwenden die meisten Militär- und Zivilflugzeuge pulvermetallurgische Bremsbeläge.

Andere pulvermetallurgische Teile für Flugzeugtriebwerke

• Kompressorscheibe (150 ~ 950 mm)
• Dünnwandiger Turbinenkompressor
• Zylinderschaft
• Heißspritzklingen
• Spritzgegossener Blattverstellarm für T-406-Motor
• Turbinengehäuse;
• Leitschaufel für Hubschrauber IN718
• Spritzgegossene Turbinenschaufel

Thermische Spritzbeschichtungen für die Luft- und Raumfahrt

Neben der Erfüllung spezifischer Anforderungen an die Teile ist der Schutz der Beschichtungen von Flugzeugtriebwerken unerlässlich. Diese Beschichtungen verlängern die Lebensdauer wichtiger Triebwerksteile effektiv.

Thermische Spritzpulver werden häufig für Wärmedämmschichten, Dichtungsschichten und verschleißfeste Beschichtungen für Luft- und Raumfahrttriebwerke verwendet.

Zu den üblichen thermischen Spritzpulvern gehören:

• Oxidkeramikpulver (Al2O3, ZrO2, Cr2O3, TiO2)
• Legierungspulver (Al-Ni, Ni-Cr, Ti-Ni, Ni-Cr-Al)
• Metallkeramikpulver (WC-Co, Cr3C2-NiCr)
• Reines Metallpulver (Mo, Al, Cu, Ni, Ti, Ta)

Die Partikelgröße von thermischem Spritzpulver beträgt etwa 15 bis 150µm.

Es hat die folgenden Eigenschaften:

• Enge Partikelgrößenverteilung
• Hohe Sphärizität
• Gute Fließfähigkeit
• Niedriger Gas- und Verunreinigungsgehalt

Hersteller können diese hochpräzisen und reinen Pulver durch pulvermetallurgische Zerstäubungstechnologie herstellen

Vorteile von pulvermetallurgischen Teilen in der Luft- und Raumfahrt

Leichtbaukomponenten

PM kann aus Materialien wie Aluminium, Titan und Al-SiC MMC Leichtbauteile herstellen. Dies kann den Treibstoffverbrauch von Flugzeugen senken.

In der chinesischen Luft- und Raumfahrt kann durch den Einsatz von Titan-Aluminium-Niederdruckturbinenschaufeln das Gewicht von Flugzeugtriebwerken, die etwa 3,000 Kilogramm wiegen, um 30 bis 50 Kilogramm reduziert werden, was den Treibstoffverbrauch erheblich senkt.

Komplexe Geometrien

PM-Techniken wie Pulverspritzguss (PIM) und Heißisostatisches Pressen (HIP) kann komplexe Formen und Geometrien herstellen, die mit herkömmlichen Bearbeitungsmethoden nur schwer oder gar nicht zu erreichen sind.

Hohe Festigkeit und Haltbarkeit

Pulvermetallurgie-Prozess ermöglicht die Herstellung von Materialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften, wie beispielsweise einem hohen Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht und hervorragender Ermüdungsbeständigkeit.

Kostengünstige Produktion

Weniger Materialabfall, geringerer Energieverbrauch und weniger Bearbeitungsschritte.

Hitzebeständigkeit

Mithilfe der Pulvermetallurgie-Technologie können spezielle hochtemperaturbeständige Materialien hergestellt werden, insbesondere die nickelbasierte Hochleistungslegierung der dritten Generation – FGH98.