Flugzeugbau einst, heute und morgen. Dr. Thomas Gartner Werkstoffe und Verfahren Triebwerksüberholung

Transkript

1 Flugzeugbau einst, heute und morgen Werkstoffe und Verfahren Triebwerksüberholung

2 Inhalt Anforderungen an Luftfahrtwerkstoffe - Struktur und Triebwerke Entwicklung und Stand der Technik Neue Luftfahrtwerkstoffe in der Forschung Seite 2

3 Anforderungen an Luftfahrtwerkstoffe - Flugzeugstruktur - Geringes Gewicht Hohe Festigkeit und Steifigkeit Preis und Verfügbarkeit Gleiche thermische Ausdehnung (Einsatz von -60 C bis +80 C) Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit Seite 3

4 Geschichte der Luftfahrtwerkstoffe Erster erfolgreicher motorisierter Flug (Gebrüder Wright) Der Flyer I hatte einen mit Stoff bespannten Rahmen aus Fichte und Esche 1900 wurde ein Verfahren zur Gewinnung von Aluminium entdeckt - die Elektrolyse 1909 wurde die erste Legierung für die Luftfahrt entwickelt: Duralin (Aluminium legiert mit Kupfer, Magnesium und Mangan) Hochlegiertes Aluminium ist bis heute ein sehr bedeutender Strukturwerkstoff Kupfer als Legierungselement steigert zwar die Festigkeit, senkt jedoch Korrosionsbeständigkeit, deswegen Alclad, Oberflächenbeschichtung aus reinem Aluminium Das erste Ganzmetallflugzeug wurde 1914 vorgestellt: Junkers J1 Seite 4

5 Geschichte der Luftfahrtwerkstoffe - Materialeinsatz A340 und Boeing erfolgte der erste Einsatz von Faserverbundwerkstoffen im Flugzeugbau: 2% der Struktur der Boeing 707 A340 Boeing 777 Titan 7% Sonstige 2% Stahl 8% Faserverbundwerkstoffe 13% Titan 9% Sonstige 1% Stahl 8% Faserverbundwerkstoffe 14% Aluminium 70% Aluminium 68% Seite 5 Quelle: Aluminium in der Luftfahrt

6 Einsatz Faserverbundwerkstoffe im A380 Ailerons Floor Beams for Upper Deck Rear Pressure Bulkhead Section 19.1 ~20% CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastic) Vertical Tail Plane Wing Nose Horizontal Tail Plane Section 19 Radardome Center wing box Landing Gear Doors Seite 6 Wing Ribs Quelle: EADS

7 Einsatz Faserverbundwerkstoffe im Dreamliner Seite 7

8 Anforderungen an Werkstoffe im Triebwerk Hohe Warmfestigkeit (Einsatztemperatur bis 1300 C) Kriechverhalten Hoher Korrosionswiderstand Geringes Gewicht bewegte Massen Dauerfestigkeit Preis und Verfügbarkeit Seite 8

9 Triebwerk: Schnittzeichnung und Temperaturverlauf HPT LPT Fan: Umgebungstemperatur Verdichter: C Brennkammer: 1300 C Turbine: C Titanlegierungen Ni/Co-Basis Superlegierungen Seite 9

10 Geschichte der Werkstoffe im Triebwerk - Entwicklung von Titanlegierungen Erste Entdeckung von Titanium durch den Amateurgeologen William Gregor, erste Benennung: Gregorite 1795 entdeckte der Chemiker M.H. Klaproth unabhängig von Gregor das Element erneut und nannte es Titanium Erster Einsatz von Titanlegierungen in militärischen Triebwerken Ab 1950: Verstärkter Einsatz von Titanlegierungen für Hochleistungs- Jet-Triebwerke (F100-Super Sabre und Lockheed A-12) Seite 10

11 Geschichte der Werkstoffe im Triebwerk - Entwicklung von Ni/Co-Superlegierungen (1) Entwicklung von Edelstahl (13% Chrom-Anteil) 1925 Entwicklung von 18/8 Edelstahl (18% Cr, 8% Ni, 0,2% C) - Ca Entdeckung der Temperaturbeständigkeit von 18/8 - Erster Einsatz als Werkstoff für Triebwerke im 2. Weltkrieg - Kriechfest nur bis 400 C Seit 1940 Entwicklungen von Ni-Superlegierungen - Kriech- und Spannungsrissfestigkeit bei Temperaturen über 800 C - Hohe thermo-mechanische Ermüdungsfestigkeit - Hochtemperatur-Korrosionsbeständigkeit - Chemische Zusammensetzung bis zu 12 verschiedene Legierungselemente - Einsatz sehr teurer Elemente, z.b. W, Ta, Re, Seite 11

12 Neue Luftfahrtwerkstoffe in der Forschung - Allgemeine Ziele - Gewicht reduzieren Schneeballeffekt : weniger Gewicht/Bauteil kleinere tragende Struktur möglich doppelte Gewichtsersparnis kleinere Triebwerke möglich Wirkungsgradsteigerung (Reduktion des Treibstoffverbrauches) CO 2 reduzieren Erhöhung der Lebensdauer und der Zuverlässigkeit spart Ressourcen und Wartungskosten Seite 12

13 Neue Luftfahrtwerkstoffe in der Forschung - Spezifische Festigkeit eingesetzter und neuer Werkstoffe - Seite 13 Quelle: MTU

14 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Seite 14