Werkstoffe für den Flugzeug- und Triebwerksbau

Hauptforderungen an die Werkstoffe moderner Flugzeuge sind Festigkeit und geringe Masse. Unter bestimmten Bedingungen können auch andere Materialeigenschaften Ausschlag gebend sein. Zu diesen Eigenschaften gehören Härte, Zähigkeit, Ermüdungsbeständigkeit, Dauerfestigkeit, Widerstandsfähigkeit gegen Wärme und Korrosion, Verarbeitungsfähigkeit und schließlich wirtschaftliche Merkmale.

Früher hatten weder Holz noch Metall entscheidende Vorteile. Der endgültige Übergang von Holz zum Metall dauerte deshalb lange Zeit. Heute gibt es eine gewisse Konkurrenz zwischen hochfestem Stahl und thermisch bearbeitbaren Aluminiumlegierungen.

Stahl hat die Vorteile eines hohen Elastizitätsmoduls, einer fernen Fließgrenze und großer Zugfestigkeit. Sein Nachteil ist die hohe Dichte, die dreimal so groß wie die von Duraluminium und zehnmal so groß wie die von Sperrholz ist. Stahl muß man also zur vollen Nutzung seiner Vorzüge in dünnsten Querschnitten verwenden. Zur Fertigung von Holmen werden zum Beispiel Stahlbänder mit einer Fließgrenze von 1030 MPa und einer Dicke von 2,5 bis 1,62 mm verwendet. Die Festigkeit von Elementen aus solch dünnen Blechen wird durch die Nutzung gewalzter Bänder und komplizierter Profile gesichert. Die dazu erforderliche Ausrüstung ist äußerst kompliziert.

Die technologischen Prozesse der Stahlherstellung und der Bearbeitung sind Gegenstand ständiger Aufmerksamkeit. Eine der aussichtsreichen Entwicklungen ist die Dispersionshärtung von Stahl zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit. Es hatte sich nämlich herausgestellt, daß die Beständigkeit von unter Spannung stehenden Stählen von der Richtung der Hauptspannung abhängt.

Zusammensetzung hochlegieter Stahl:
Vergütungsstahl nach DIN EN 10083

Stahl	C	Si	Mn	Cr	Mo	S	Sonst.
42CrMo4	0,42	0,25	0,75	1,10	0,22	< 0,035	(Pb)
42CrMoS4	0,42	0,25	0,75	1,10	0,22	0,020 0,035	(Pb)

Verwendung: CrMo-legierter Vergütungsstahl mit einer Festigkeit von 900-1200 N/mm². Für Teile im Automobil- und Flugzeugbau, die hohe Zähigkeit erfordern wie z.B. Achsschenkel, Pleuelstangen, Zahnräder, Ritzel, Bandagen.

Interessant ist auch die Ionenstrahlbearbeitung von Metallen, mit der man die Ermüdungseigenschaften und die Verschleißfestigkeit kohlenstoffarmer Stähle mittels Einlagerung von Stickstoffatomen wesentlich verbessern kann. Außerdem eignet sich das Verfahren zum Korrosionsschutz, indem man z. B. Chrom auf Lageroberflächen aufgebringt.

Auch auf dem Gebiet der Fertigung hochwarmfester Gußlegierungen gibt es Fortschritte. Durch Stabilisierung der chemischen Zusammensetzung und des gesamten Herstellungsprozesses ist es gelungen, die Ermüdungsfestigkeit gegen schwache wechselnde Belastungen und die Genauigkeit der gegossenen Teile bedeutend zu steigern. Für den Triebwerksbau sind Nickellegierungen für die Turbinenschaufeln entwickelt worden, die eine Erhöhung der Turbinentemperatur ermöglichen. Diese Schaufeln werden in einem technologischen Prozeß gewonnen, der eine schnelle gerichtete Kristallisation gewährleistet.

Für die nächste Zukunft planen amerikanische Firmen, hitzebeständige Verdichter- und Turbinenteile aus pulvermetallurgischen Werkstoffen herzustellen. Eine solche Turbinenscheibe z. B. ist bis zu 760° C verwendbar. In der Pulvermetallurgie wird intensiv daran gearbeitet, durch Stanzen und Warmfließpressen Einzelteile mit zeichnungsgenäherten Maßen zu erzeugen, indem reinere Pulver und verbesserte Kontrollverfahren eingesetzt werden.

Aluminiumlegierungen werden zur Herstellung von Teilen der Zelle, der Behäutung und anderer Teile verwendet. Sie haben selbst im Bau von Leichtflugzeugen Holz in starken Maße verdrängt. Die Eigenschaften der Aluminiumlegierungen lassen sich durch die Legierungsbestandteile Kupfer, Mangan, Magnesium, Nickel, Zink, Scandium und Silizium beeinflussen. Ausschlaggebend für den Anteil dieses oder jenes Legierungszusatzes ist, ob die Festigkeit bei normaler oder erhöhter Temperatur, die Verformbarkeit, die leichte Bearbeitbarkeit, die Korrosionsfestigkeit, die Neigung zu plötzlicher Rißbildung, zur Zerstörung durch innere Spannungen oder die Bruchzähigkeit für das zu fertigende Bauteil besonders wichtig sind.

Die Fließfestigkeit der Aluminiumlegierungen wurde durch die Einführung der künstlichen Alterung während der Wärmebearbeitung um 60% gegenüber natürlich gealterten Werkstoffen verbessert. Die dabei einsetzende Herabsetzung der Plastizität hatte nicht die erwarteten negativen Folgen, so daß die künstliche Alterung für gepreßte Halbzeuge, Bleche und Schmiedestücke umfassend angewendet wird. Nachteilig wirkt sich jedoch aus, daß einmal begonnene Korrosion sich an den Korngrenzen schnell ausbreitet. Durch Plattieren der Legierungen mit reinem Aluminium ist jedoch ein dauerhafter Korrosionsschutz kostengünstig möglich.

Die Warmfestigkeit der Aluminiumlegierungen ist für Überschallflugzeuge eine wichtige Eigenschaft. Gestützt auf Erfahrungen aus dem Bau von Kolbenmotoren aus den vierziger Jahren, wurden die geeigneten Legierungen gefunden und werden umfangreich eingesetzt. Einfache Legierungen mit Kupfer, Zink und Magnesium zeigten bei längerem Betrieb die unangenehme und gefährliche Eigenschaft, ohne jegliche äußere Anzeichen und trotz fehlender Belastung Risse zu bilden. Deshalb wurden und werden die Legierungen immer komplizierter. Das wurde auch durch die künstliche Alterung nicht besser. Deshalb wird im modernen Flugzeugbau die tatsächlich zu erwartende Belastung jedes Bauteils sorgfältig ermittelt und simuliert, um den geeignetsten Werkstoff und die beste Technologie seiner Herstellung herauszufinden.

Aluminiumlegierungen mit Kupfer, Zink und Magnesium haben eine hohe Druckfließgrenze; sie sind also für solche Teile besonders geeignet, bei denen Druckbelastungen überwiegen. Wenn hingegen die Teile Zugbelastungen unterliegen, sind Durallegierungen wegen ihrer besseren Beständigkeit gegen Alterung vorteilhafter. Insgesamt bietet die moderne Metallurgie viele Möglichkeiten, die jeweils geeignetste Legierung herzustellen.

Für den Dauerbetrieb und die Zuverlässigkeit von Flugkörpern ist die Ausbreitung beginnender Risse in belasteten Bauteilen besonders wichtig. Viele der herkömmlichen Werkstoffeigenschaften haben nicht, wie ursprünglich angenommen, eine direkte Beziehung zur Rißausbreitung. In langwierigen Erprobungen hat sich gezeigt, daß eine neue Eigenschaft, die "Länge des instabilen Risses", für die Bewertung von Flugzeugwerkstoffen erforderlich ist. Dieser Begriff steht in direktem Zusammenhang mit der Bruchzähigkeit. Diese Erkenntnis und die Beherrschung neuer Alterungsverfahren haben die Anwendbarkeit von Aluminiumlegierungen auch für hochbelastete Bauteile in den letzten Jahren bedeutend verbessert.

Einschränkend wirkt lediglich der Festigkeitsverlust bei großer Erwärmung, wie er für Überschallflugzeuge charakteristisch ist. Für diese Flugzeuge ist die Verwendung von Stahl und Titan zwingend, obwohl dabei Probleme bei der Fertigung der komplizierter geformten Bauteile auftreten.

Titan hatte in den letzten Jahren den größten Einfluß auf den Bau von kosmischen und aerodynamischen Flugkörpern mit hoher Überschallgeschwindigkeit. Dafür sind seine geringe Dichte (4,5 g/cm³ gegenüber Stahl mit 7,9 g/cm³), die hohe Festigkeit und die maximale Betriebstemperatur von 400° C gegenüber Aluminium mit 200° C sowie die hohe Korrosionsbeständigkeit ausschlaggebend. Außerdem läßt sich eine Reihe hochfester Titanlegierungen schweißen. Eine der ersten Titanlegierungen enthielt 6,4% Aluminium und 4% Vanadium. Aus dieser Legierung wurden Rotorscheiben und Verdichterschäufeln hergestellt.

In der Presse wurde über neue Titanlegierungen berichtet, die bei Zimmertemperatur verformbar sind, billiger herzustellen und zu verarbeiten sind und sich durch eine große Homogenität der Eigenschaften auszeichnen. Eine andere Legierung soll auf einer kontinuierlichen Bandwalzstraße in Verbindung mit einer Vakuumglühstrecke erzeugt werden und nach Bearbeitung eine Festigkeit von 1 270 MPa erreichen. Aus Titan werden z.B. die Profilnasen der Tragschrauben einiger Hubschraubertypen der USA gefertigt.

Eine amerikanische Firma stellt Manganlegierungen her, die spanabhebend bearbeitet werden können. Diese Legierungen stellen eine homogene Dispersion verschleißfester Partikel von Aluminiumoxid und Siliziumcarbid im Mangangitter dar.

Für das Jagdflugzeug F-15 wurden Teile aus einer Titanlegierung gefertigt, wobei isothermes Stanzen, superplastische Verformung und pulvermetallurgische Verfahren benutzt werden. Diese Verfahren sichern gegenüber spanabhebenden Verfahren eine bedeutende Kostensenkung und ermöglichen es, komplizierte Formen herzustellen.

Überhaupt werden neuartige technologische Verfahren intensiv entwickelt. Zum Beispiel wurde das isotherme Tiefziehen für die Fertigung von Schaufelblättern von Verdichtem aus Titan und warmfestem Stahl eingeführt. Der Rohling wird in einem Molybdängesenk elektrisch erwärmt, tiefgezogen und anschließend gewalzt. Mit diesem Verfahren soll in einem Arbeitsgang aus einem 6 mm dicken Rohling eine Schaufel mit einer Dicke von 0,9mm und einer Kantenstärke von 0,18mm gefertigt werden. Andere Verfahren sind darauf gerichtet, durch vollständige Ausnutzung des Ausgangsmaterials die Verwendung teurer Speziallegierungen kostengünstig zu gestalten. Dazu gehört auch die Anwendung der Pulvermetallurgie.

Zu den neueren Verfahren gehört auch das Nitrieren von Stahlteilen bei Glimmentladung. Die Einlagerung von Stickstoff in die Oberfläche kohlenstoffarmen Stahls verbessert die Ermüdungsfestigkeit und das Verschleißverhalten. Durch das Nitrieren bei Glimmentladung wird eine hohe Reproduzierbarkeit der Ergebnisse gesichert, die Prozesse laufen doppelt so schnell ab, verbrauchen nur 5% des Gases und belasten die Umwelt kaum. Nicht zu nitrierende Stellen können mit einfachen Mitteln ausgespart werden.

In einigen Laboratorien der USA wird intensiv an der Verwendung des Aluminiumgusses gearbeitet. Durch sorgfältige Steuerung des Gießprozesses ist es z. B. gelungen, Rahmen für die Befestigung des Bugfahrwerkbeins aus einem Guß herzustellen, die in herkömmlicher Bauweise aus über 400 kräfteaufnehmenden und 200 Befestigungsbauteilen bestehen würden.

Manche Firmen verbinden den Schleuderguß von Titan mit dem Modellausschmelzverfahren. Auch mit diesem Verfahren können einbaufertige Teile in einem Arbeitsgang gefertigt werden. Die Beschichtung von Verbindungselementen wird in jüngster Zeit statt mit Kadmium, das im Kontakt mit Aluminium die elektrochemische Korrosion fördert, mit Aluminium vorgenommen. Dazu wird die Ionenausfällung aus der Gasphase benutzt. Zur Beschichtung verschiedener Ausgangsmaterialien wird auch das Plasmaaufdampfen intensiv erforscht und teilweise in der Produktion angewendet. Damit sind auch Schichten aus Keramik und andere amorphe nichtporöse Beschichtungen zu erzielen.

 

In die Technologie des modernen Flugzeugbaus haben Verbundwerkstoffe, Plaste und Keramik Einzug gehalten. Für die Innenauskleidung der Flugkörper wird leichter elastischer Schaumstoff eingesetzt, der feuerhemmend, wärmeisolierend und schalldämmend wirkt.

Polyamide der zweiten Generation haben bis 316 °C eine doppelt so lange Haltbarkeit wie solche der ersten Generation. Im Verbund mit Fasern verschiedener Zusammensetzung und Struktur werden sie für Tragflügelfelder und für andere Teile der Behäutung verwendet. Verbundwerkstoffe machen z. B. 10% der Masse der Zelle des Flugzeugs F-18 und 15% beim «Harrier» aus. Man rechnet mit der Möglichkeit, diesen Anteil bis auf 25% zu steigern. Bevorzugt werden dabei Kombinationen aus Epoxidharz und Kohlenstoffasern, die der jeweiligen Belastung optimal angepaßt werden können.

In diesem Zusammenhang werden auch Verbundwerkstoffe aus Metallen und Kohlenstoffasern untersucht. Man ist der Ansicht, daß hierdurch Werkstoffe hoher Festigkeit und Dauerhaftigkeit bei geringer Masse entstehen werden.

Für ein Überschallflugzeug wurde in den USA die Verwendung von Verbundwerkstoffen gegenüber der Ganzmetallbauweise genauer untersucht. Dabei stellte sich ein komplizierter Zusammenhang zwischen der Auslegung des Flugzeuges und den am besten geeigneten Werkstoffen heraus. Zum Beispiel wurden die Aluminiumstützkerne mehrschichtiger Wabenkonstruktionen mit Erfolg durch Verbundwerkstoffe ersetzt. Dabei ist eine Korrosion der komplizierten Wabenkonstruktion durch eindringende Feuchte praktisch ausgeschlossen. Andererseits wurde eine metallische Beschichtung von Behäutungsteilen zum Schutz vor Blitzschlag und elektrostatischen Entladungen erforderlich. Für die Tragflügel wurden in langen Versuchsreihen die geeignetsten Schichtenstrukturen ermittelt. Dabei waren die zu erwartenden Biegedrehungen ausschlaggebend.

Im Ergebnis dieser Untersuchungen stellte sich heraus, daß der einfache Austausch von Metallbauteilen durch optimierte Verbundwerkstoffteile zu einer Massereduzierung von etwa 13% führte, während die durchgängige Überarbeitung des gesamten Flugzeuges auf Grund der erzielbaren Materialeigenschaften der Verbundwerkstoffe eine Masse Verringerung von 26% erbrachte. Die Kosten der zweiten Version könnten um 25% unter denen einer Ganzmetallkonstruktion liegen, wurde berichtet.

Im Zivilflugzeugbau ist die "Boeing 767" ein Beispiel für den umfassenden Einsatz von Verbundwerkstoffen. Insgesamt wurden durch die gezielte Verwendung von Verbundwerkstoffen bei diesem Flugzeug 565 kg Masse gespart. Gleichzeitig wurde die Wartung weniger aufwendig, und die Kabinenausstattung wurde weit weniger feuergefährlich.

Großbritannien wurden ebenfalls Untersuchungen zur Verwendung von Kohlenstoff faserverstärkten Verbundwerkstoffen durchgeführt. Die Festigkeit gerichteter Kohlenstoffaserverbundwerkstoffe ist in Längsrichtung 2,5- bis 4fach größer als die herkömmlicher Leichtmetallegierungen, so daß sie in Verbindung mit der um 40% geringeren Dichte eine 4- bis 6fache spezifische Festigkeit bei Zug und Dehnung erreichen. Die Dauerfestigkeit der untersuchten Verbundwerkstoffe sei ausreichend und liege bei etwa 65% der statischen Festigkeit, wird betont. Kritisch sei dagegen die Festigkeit gegenüber zyklischer Stauchung, die Richtungsabhängigkeit der verschiedenen chemischen und physikalischen Eigenschaften, die Empfindlichkeit gegenüber Spannungskonzentrationen, die Feuchtigkeitsaufnahme und die noch zu große Variation der Kennwerte.

Da es kaum möglich sei, die im Betrieb auftretenden Spannungsrichtungen genau zu berechnen, sei die Verwendung mehrlagiger Laminate erforderlich, die schwerer als ideale einlagige würden; Spannungskonzentrationen könne man mit dem umfangreichen Einsatz von Klebverbindungen wirksam begegnen, wird hervorgehoben, während man der festigkeitsmindemden Feuchtigkeitsaufnahme durch Aufbringen wasserdampfundurchlässiger Schutzschichten begegnen will. Die Variation der Kennwerte wird durch einen größeren Sicherheitskoeffizienten ausgeglichen.

Insgesamt rechnen Experten damit, daß etwa 40% der Bauteile von Militärflugzeuge aus Verbundwerkstoffen hergestellt werden könnten. Dann würde sich die Masse dieses Flugzeuges gegenüber der Ganzmetallbauweise um etwa 12% vermindern. Diese Massereduzierung könnte zur Vergrößerung der Flugweite oder der Nutzlast ausgenutzt werden oder aber bei gleichen Gefechtseigenschaften zur Verringerung der Abmessungen des Flugzeuges führen.

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Datum der letzten Änderung : Jena, den: 07.04. 2024