Fest, hitzebeständig und trotzdem leicht

Um Triebwerksturbinen von Flugzeugen zu verbessern und deren Kraftstoffverbrauch zu reduzieren, müssen die einzelnen Komponenten Gewicht verlieren. In einem BMBF-Projekt gelang die Markteinführung einer neuen Werkstoffklasse, die sowohl leicht ist als auch hohen Temperaturen standhält.

Anlass und Ziele des Projektes

Die Entwicklung des Werkstoffs Titanaluminid in Deutschland ist eine Erfolgsgeschichte, die schon vor vielen Jahren begann. Diese metallische Verbindung aus Titan und Aluminium ist hitzebeständig, sehr fest und relativ leicht. Daraus gefertigte Flugzeug-Triebwerke sind leichter und arbeiten effizienter. Aufgrund des aufwendigen Herstellverfahrens und der damit hohen Fertigungskosten kam Titanalumid bislang aber nur in ausgewählten Hochleistungssegmenten, wie dem Formel 1 Rennsport, zum Zuge. Dieses Problem sollte mit dem im Jahr 2009 gestarteten Projekt „Beta-TiAl – Hochwarmfeste intermetallische beta-gamma Titanaluminide mit verbesserter Prozessierbarkeit“ überwunden werden. Ziel war es, robuste Titanaluminid-Legierungen herzustellen, die sich ausschließlich auf Basis von konventionellen Technologien der Titanindustrie kostengünstig produzieren und zu Bauteilen verarbeiten lassen.

Was wurde durch das Projekt erreicht?

Den Forschungspartnern gelang es, einen Prozess zu entwickeln, mit dem sich großvolumige Bauteile, wie zum Beispiel Turbinenschaufeln oder Turboladerrotoren, aus Titanaluminiden herstellen lassen. Die Produktionskosten konnten auf ein Niveau gesenkt werden, das den Einsatz in neuen, effizienzsteigernden Triebwerken für die zivile Luftfahrt rechtfertigt. Inzwischen werden die hinteren Stufen der Niederdruckturbine von drei neuen Triebwerksfamilien für Mittel- und Langstreckenflugzeuge der Firmen Airbus und Boeing mit Titanaluminid-Turbinenschaufeln betrieben. Dadurch wird der spezifische Treibstoffverbrauch um etwa 15 Prozent reduziert. Insbesondere die mittelständische GfE Metalle und Materialien GmbH aus Nürnberg hat sich als internationaler Lieferant von Titanaluminiden bei allen großen Triebwerksherstellern qualifizieren können. Der MTU Aero Engines GmbH gelang mit der neuen Werkstoffklasse der Durchbruch bei der Realisierung einer völlig neuen Triebwerksgeneration. Die entwickelte schnell laufende Niederdruckturbine wird im neuen Airbus A320neo eingesetzt. Die erfolgreiche Markteinführung von Titanaluminiden in der Niederdruckturbine von zivilen Flugzeugtriebwerken wird der neuen Werkstoffklasse auch in anderen Bereichen zum kommerziellen Durchbruch verhelfen.