Markttrends Luftfahrt: Neue Werkstoffe für Präzisionsbauteile & Triebwerke

Wandel in der Luftfahrtwerkstofflandschaft

Ein typischer moderner Strahl besteht nur noch zu ca. 20 % aus reinem Aluminium. Nicht-kritische Strukturteile – Verkleidungen, Kabineninnenausstattung – bestehen zunehmend aus noch leichteren CFK (Carbonfaserverstärkte Kunststoffe) und Sandwich-Honigwabenstrukturen. Gleichzeitig steigt bei Triebwerksteilen und kritischen Präzisionsbauteilen der Bedarf an geringerem Gewicht und höherer Temperaturbeständigkeit für bessere Kraftstoffeffizienz – neue oder früher schwer zerspanbare Metalle rücken in den Werkstoffmix der Luftfahrt.

Luftfahrt – eine einzigartige Industrie

Die Luftfahrtfertigung unterscheidet sich grundlegend von anderen Massenproduktionsbranchen, besonders im Triebwerksbau. Das Triebwerk ist das komplexeste Bauteil eines Flugzeugs, enthält die meisten Einzelteile und bestimmt letztlich den Treibstoffverbrauch. Der Aufkommen von Magerbrenn-Triebwerken mit Temperaturpotenzialen bis 3.800 °F (2.100 °C) hat die Nachfrage nach neuen Werkstoffen erhöht. Da aktuelle Superlegierungen bei ca. 1.850 °C (3.360 °F) schmelzen, ist die Suche nach höher temperaturbeständigen Materialien eine zentrale Herausforderung.

Um diese Temperaturanforderungen zu erfüllen, kommen nun Hitzebeständige Superlegierungen (HRSA) zum Einsatz: Titanlegierungen, Nickelbasislegierungen und nicht-metallische Verbundwerkstoffe wie Keramiken. Diese Materialien sind schwerer zerspanbar als traditionelles Aluminium – was historisch kürzere Standzeiten und geringere Prozesssicherheit bedeutet.

Hinzu kommt ein hohes Prozessrisiko: Bei 35.000 ft Reiseflughöhe sind Fehlertoleranzen nicht existent; Toleranzen in der Luftfahrt sind präziser als in fast jeder anderen Branche. Diese Präzision kostet Zeit – längere Bearbeitungszeiten pro Bauteil machen Ausschuss bei Berücksichtigung des Zeitinvestments relativ teuer. Zudem bestehen Luftfahrtaufträge oft aus kleinen Losgrößen und langen Lieferzeiten, was Planung für Produktivität, Durchsatz und Rentabilität erschwert.

Anders als in fast jeder anderen Industrie (außer Öl & Gas mit ähnlichen Temperatur-, Druck- und Korrosionsanforderungen) beeinflussen die Werkstoffe direkt das Bauteildesign. Design for Manufacturability (DFM) – die Ingenieurskunst, Bauteile unter ausgewogener Betrachtung von Funktion und Fertigbarkeit zu gestalten – wird in der Luftfahrtkomponentenentwicklung immer stärker angewendet. Bauteile müssen bestimmte Lasten und Temperaturen standhalten, und manche Materialien erlauben nur begrenzte Belastungen. Material- und Bauteildesign treiben sich gegenseitig, nicht sequenziell. Diese Wechselwirkung ist besonders wichtig bei der Erforschung von Werkstoffen der nächsten Generation. Aus all diesen Gründen unterscheiden sich Luftfahrthersteller fundamental voneinander – kein Wunder, dass ihr Werkstoffspektrum einzigartig ist.

Neue Werkstofflandschaft

Standard-Luftfahrt-Aluminium (6061, 7050, 7075) und klassische Luftfahrtmetalle (Nickel 718, Titan 6Al4V, Edelstahl 15-5PH) werden weiterhin eingesetzt. Doch sie weichen zunehmend neuen Legierungen, die Kosten und Effizienz verbessern. Klarstellung: Diese „neuen“ Metalle sind nicht immer neu – manche existieren seit Jahrzehnten. Sie sind neu in der praktischen Fertigungsanwendung, weil Maschinen, Werkzeugtechnologie und Beschichtungen nun fortgeschritten genug sind, um schwer zerspanbare Legierungen zu beherrschen.

Obwohl der Aluminiumanteil in Flugzeugen sinkt, verschwindet er nicht komplett. Tatsächlich kehrt Aluminium zurück, wo der Wechsel zu CFK zu teuer oder unwirksam war. Doch dieses Aluminium ist nicht mehr das von früher. Beispiel: Titan-Aluminide (TiAl) und Lithium-Aluminium (Al-Li), seit den 1970ern bekannt, gewinnen erst seit der Jahrtausendwende in der Luftfahrt an Bedeutung.

Wie Nickelbasislegierungen in ihren Hitzebeständigkeitseigenschaften behält TiAl Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit bis 600 °C (1.112 °F). Aber TiAl ist leichter zerspanbar und zeigt ähnliche Zerspanbarkeitseigenschaften wie Alpha-Beta-Titan (z. B. Ti6Al4V). Entscheidender Vorteil: TiAl kann das Schub-Gewichts-Verhältnis in Triebwerken verbessern, da es nur halb so dicht ist wie Nickelbasislegierungen. Beispiel: Sowohl Niederdruck-Turbinenschaufeln als auch Hochdruckverdichterschaufeln, traditionell aus dichten Nickelbasis-Superlegierungen, werden nun aus TiAl-Legierungen gefertigt. General Electric war Pionier und nutzt TiAl-Niederdruckturbinen-schaufeln im GEnx-Triebwerk – dem ersten großtechnischen Einsatz in einem kommerziellen Strahltriebwerk (Boeing 787 Dreamliner).

Ein weiteres Aluminium-Comeback: Leichtes Al-Li, speziell entwickelt zur Verbesserung der Eigenschaften von 7050 und 7075. Lithiumzugabe erhöht Festigkeit bei geringerer Dichte und Gewicht – zwei Treiber der Luftfahrtwerkstoffentwicklung. Hohe Festigkeit, niedrige Dichte, hohe Steifigkeit, Schadens toleranz, Korrosionsbeständigkeit und gute Schweißbarkeit machen Al-Li-Legierungen zur besseren Wahl als klassisches Aluminium in kommerziellen Rumpfstrukturen. Aktuell nutzt Airbus AA2050, Alcoa AA2090 T83 und 2099 T8E67. Die Legierung findet sich auch in Treibstoff- und Oxidatortanks der SpaceX Falcon 9 Raketen und umfangreich in NASA-Raketen- und Shuttle-Projekten.

Titan 5553 (Ti-5553) ist ein weiterer relativ neuer Werkstoff in der Luftfahrt mit hoher Festigkeit, geringem Gewicht und guter Korrosionsbeständigkeit. Hauptstrukturkomponenten, die stärker und leichter sein müssen als bisher verwendete Edelstahllegierungen, sind ideale Anwendungen. Als „Triple 5-3“ bekannt, war es extrem schwer zerspanbar – bis vor kurzem. Umfangreiche F&E hat die praktische Zerspanbarkeit ermöglicht; Triple 5-3 zeigt nun sehr vorhersehbares Zerspanverhalten, ähnlich wie traditionellere Titanlegierungen (Ti6Al4V). Unterschiedliche Werkstoffe erfordern angepasste Schnittdaten für vergleichbare Standzeiten. Mit korrekten Parametern ist Triple 5-3 gut beherrschbar. Der Schlüssel: etwas geringere Schnittgeschwindigkeiten und Optimierung von Werkzeugbahn und Kühlung für eine gute Balance zwischen Standzeit und Prozesssicherheit.

Bei Bauteilen, bei denen Rohfestigkeit im Vordergrund steht und Leichtbau sekundär ist (Befestigungselemente, Fahrwerkszylinder, Wellen), bietet Ferrium S53 Legierungsstahl mechanische Eigenschaften, die konventionellen ultrahochfesten Stählen (300M, SAE 4340) entsprechen oder übertreffen, mit dem Zusatzvorteil gesamter Korrosionsbeständigkeit. Dies kann Cadmiumbeschichtung und nachgelagerte Prozesse überflüssig machen.

Verbundwerkstoffe auf dem Vormarsch

Composite-Materialien machen einen wachsenden Anteil des Luftfahrtwerkstoffkuchens aus. Sie reduzieren Gewicht und Treibstoffverbrauch bei guter Handhabbarkeit, Auslegbarkeit, Formbarkeit und Reparierbarkeit. Einst nur für leichte Strukturbauteile oder Kabinenkomponenten gedacht, reicht das Spektrum heute bis zu echten Funktionsbauteilen: Flügel- und Rumpfaußenhaut, Triebwerkskomponenten, Fahrwerk.

Wichtig: Composite-Elemente lassen sich in komplexe Formen bringen, die bei Metallbauteilen Zerspanen und Fügen erfordern würden. Vorgeformte Composite-Bauteile sind nicht nur leicht und fest, sondern reduzieren auch die Zahl schwerer Befestigungselemente und Fügstellen – potenzielle Ausfallpunkte – am Flugzeug. Damit treiben Verbundwerkstoffe den globalen Trend zur Reduzierung der Bauteilanzahl in Gesamtbaugruppen voran, indem Einteilkonzepte (One-Piece-Designs) genutzt werden.

Weiterführende Informationen

• Zerspanung von Bauteilen für die Luftfahrtindustrie
• Wie werden Präzisionsteile gefertigt?