KW 47/2019

Hitzeschilde für sparsame Flugzeuge

Mithilfe des Suspensionsspritzens werden Bauteile speziell beschichtet, so dass sie große thermische Belastungen kompensieren können
Mithilfe des Suspensionsspritzens werden Bauteile speziell beschichtet, so dass sie große thermische Belastungen kompensieren können
Rund 1.200 Grad Celsius – eine Temperatur ein Drittel so hoch wie im flüssigen Erdkern – so heiß wird es im Inneren eines Triebwerks, damit ein Flugzeug fliegen kann. Dabei gilt: Je höher die Temperatur, desto effizienter und treibstoffsparender arbeitet die Turbine. Ingenieure suchen daher nach Möglichkeiten, die Hitze noch weiter zu erhöhen. Das limitierende Element sind die Bauteile. Denn deren Materialien vertragen deutlich weniger Hitze und müssen mit speziellen Beschichtungen geschützt werden. Das Dresdner Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS hat nun eine neue Technologie entwickelt, mit der die Bauteile noch schneller und kostengünstiger vor Hitze geschützt werden können.

Damit Bauteile wie Triebwerksschaufeln die extremen Temperaturen aushalten, erhalten sie eine Wärmedämmschicht. Dafür werden seit Jahrzehnten zwei Verfahren eingesetzt, bei denen eine dünne Metall- und eine etwas dickerer Keramikschicht – zusammen bilden sie die sogenannte Wärmedämmschicht – in Pulverform aufgetragen werden. Doch keine der beiden bislang angewendeten Technologien ist perfekt: So erzeugt die Bearbeitung mit Elektronenstrahlverdampfern zwar sehr langlebige Teile, ist jedoch extrem aufwendig und teuer. Und das atmosphärische Plasmaspritzen ist günstig, doch es entstehen weniger belastbare Schichten.

Das beste Schutzschild

Das Fraunhofer-Institut hat eine neue Hitzeschild-Technologie entwickelt. Dabei wird aus Keramikpulver und Wasser oder Alkohol eine Suspension hergestellt, die auf die Flugzeugteile gespritzt wird. Der entscheidende Punkt: Durch die Verwendung einer Suspension anstatt von Pulver können Werkstoffe mit Partikeln so winzig wie ein tausendstel Millimeter eingesetzt werden, die in den bisherigen Verfahren nicht genutzt werden können. Mittels dieser besonders feinen Stoffe können Schichten mit einer besonderen Struktur erzeugt werden, die große thermische Belastungen gut kompensieren können – und dadurch langlebig sind. Hinzu kommt: Das neue Verfahren ist selbst bei großen Bauteilen nicht sehr aufwendig und daher vergleichsweise kostengünstig.

Wie die bisherigen Verfahren auch ermöglicht die neuartige Beschichtung, dass im Triebwerk rund 150 Grad Celsius höhere Temperaturen herrschen können, ohne dass die Bauteile leiden. Die Turbine arbeitet damit effizienter, und das Flugzeug fliegt sparsamer und umweltfreundlicher. Unterm Strich sinkt der Kraftstoffverbrauch.

Schon in Verwendung – und es geht noch weiter

Gemeinsam mit dem Schweizer Anlagenbauer AMT AG hat das Dresdner Fraunhofer-Institut das innovative Verfahren inzwischen in die industrielle Praxis überführt. Erste Hersteller aus der Luftfahrt nutzen es bereits. Die Stabilität und Reproduzierbarkeit des Beschichtungsprozesses wird wesentlich durch die Eigenschaften der Suspension beeinflusst. Neben zum Teil kommerziell verfügbaren Suspensionen werden Suspensionen des Fraunhofer IKTS genutzt, die gezielt für den Prozess entwickelt und im Pilotmaßstab hergestellt werden.

Das Potenzial der Technologie reicht indes weit über die Luftfahrtindustrie hinaus. So kann die in Dresden entwickelte Technologie beispielsweise auch in Maschinen zur Herstellung von Halbleitern und Chips eingesetzt werden und diese besser gegen Korrosion schützen. Die Technologie ist damit eines von vielen Beispielen, wie Innovationen aus der Luftfahrt auch in anderen Industrien für Fortschritte sorgen.

 

Re-live Stream. Early Morning Science mit Fraunhofer Dresden 2019