Effizientere Turbinen
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Die Evolution der Gasturbinen ist eng mit der Entwicklung von Nickellegierungen verbunden von John MilneNickel Magazine, März 2007 --Ein typisches Flugzeugtriebwerk von heute enthält ca. 1,8 Tonnen Nickellegierung einschließlich einer langen Liste maßgeschneideter Legierungen auf Nickelbasis, um spezielle Anforderungen zu erfüllen. Die Nutzungsdauer eines modernen kommerziellen Flugzeugtriebwerkes beträgt zwischen den gründlichen Überholungsarbeiten ca. 20.000 Betriebsstunden, verglichen zu nur 5 Std. für Prototypen in den späten 1940er Jahren. Vor 60 Jahren begannen Deutschland und England mit Gasturbinen zu experimentieren, die als Antriebskraftquelle für Flugzeuge dienen sollten. Das Ansauggebläse der Turbine komprimierte Luft und führte es in eine Brennkammer, wo die Verbrennung des flüssigen Treibstoffs das heiße Gas zur Ausdehnung brachte; diese Expansion trieb die Turbine im heißen Gasbereich und das Ansauggebläse an. Die heutigen Gasturbinen funktionieren in ähnlicher Weise. Die Nutzungsdauer der frühen Gasturbinen war auf 5 Stunden begrenzt, da die damaligen Stahllegierungen den hohen Temperaturen (950 – 1100 Grad C) in der Brennkammer des Triebwerkes nicht standhalten konnten. Das Triebwerk funktionierte, aber seine praktische Anwendung innerhalb des heißen Gasbereichs war durch die Korrosion der damals verfügbaren Werkstoffe beschränkt. Damit Gasturbinen den heutigen Stand punkto Zuverläßigkeit und Effizienz erreichen konnten, waren verbesserte Legierungen Voraussetzung. Durch seine inhärente Festigkeit, seinen Korrosionswiderstand und Fähigkeit sich mit anderen Metallen zu legieren, wurde Nickel zum Grundmetall der Wahl bei der Entwicklung besserer Legierungen für Flugzeugtriebwerke. Metallurgen in den 1940er und 1950er Jahren waren sich durchaus bewusst, dass Nickel-Chrom- und Nickel-Chrom-Kobaltlegierungen dauerhafter und korrosions-und oxidationsbeständiger waren als die damals gängigen Edelstahl Rostfrei Legierungen. Diese Nickel-Chrom- und Kobaltlegierungen waren geeignet, die Lebensdauer der Gasturbinen erheblich zu erhöhen. Frühe Legierungen, wie z.B. N06600 (mit einem Nickelgehalt von 72%) ermutigten Metallurgen effizientere und dauerhaftere Legierungen für Flugzeugtriebwerke zu entwickeln. Haben die Entwicklung von nickelhaltigen Legierungen und deren Nachfolgeverfahrenstechnologien für geschmiedete und gegossene Produkte ein Plateau erreicht? Die Effizienz einer Gasturbine ist abhängig von dem Temperaturunterschied zwischen Luftansaugung, Außenluft und Brennkammer. Je heißer die Brennkammer, desto größer ist der Energieertrag aus dem Treibstoff. Daher benötigt man Legierungen, die den heißen Brennkammertemperaturen besser standhalten. Die Fortschritte der metallurgischen Industrie ermöglichten die Entwicklung neuer Legierungen, um diese Anforderungen zu erfüllen. Meistens handelt es sich um nickelhaltige Legierungen mit Zusätzen von Chrom und anderen Elementen um Festigkeit und Oxidations- und Korrosionswiderstand bei hohen Temperaturen zu verbessern. Die Entwicklung von Legierungen entstand ähnlich wie die der Gasturbine in drei Etappen. Zuerst wurden Legierungen durch erhöhte Beigaben von Nickel und Chrom in Knet- und auch in Gusslegierungen sowie auch durch den Einsatz von Vakuumschmelzverfahren zur Reduzierung der schädlichen Oxide verbessert. Danach erwägten Wissenschaftler angereicherte Legierungsrezepturen. Zur besseren Temperaturbeständigkeit folgten als nächste Stufe statt Nickel, Chrom oder Kobalt Legierungsbeigaben anderer Elemente. Im besonderen führten der Zusatz von Wolfram, Vanadium, Molybdän und Niobium zur Kreation komplexer Legierungen mit bis zu 12 verschiedenenen Metallelementen. Unter den entstandenen Legierungen befand sich N06102 (mit einem Nickelgehalt von 68%) mit sehr guten Eigenschaften für den Einsatz bei Flugzeugtriebwerken. Verbesserungen von Vakkumschmelzverfahren erlaubten die Kreation solcher komplexer Legierungen während Reinheitsgrad und Homogenität der Mikrostrukturen gewahrt blieben. Darauf folgte die Anwendung von Beschichtungen, wie Aluminide (z.B. CoAl oder NiAl), die zur besseren Oxidations- oder Korrosionsbeständigkeit auf die Basislegierung aufgetragen wurden. In der dritten Entwicklungsstufe beschäftigte man sich mit Gusslegierungskomponenten, wie z.B. den Turbinenlaufschaufeln des heißen Bereichs, die als Schwachstelle die während der Erstarrung des geschmolzenen Metalls entstandenen Abscheidungen einiger Elemente an der Korngrenze zeigten. Dieses Problem wurde durch die Entwicklung neuer Gussverfahren für die Turbinenlaufschaufeln des heißen Bereichs behoben. Ausrichtbare Erstarrung und Monokristallguss erlaubten z.B. für die Gasturbinen höhere Betriebstemperaturen, die eine verbesserte Brennstoffeffizienz ermöglichen. Heutzutage erwartet man weitere metallurgische Vervollkommnung, die die Gasturbinen in die nächste Generation bringen werden. Diese Verbesserungen werden sich auf die fortschreitende Entwicklung von nickelhaltigen Legierungen stützen. John Milne ist ein Berater des Nickel Institute. FOTOS: Rolls-Royce
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