Turbinenschaufeln im Flugzeugturbinen müssen extreme Belastungen aushalten und daher häufig ausgetauscht werden. Ein neues Verfahren soll sie verjüngen.
Werkstoffforschung
Ein zweites Leben für Turbinenschaufeln in Flugzeugturbinen
Verjüngen statt Erneuern: Nach einer druckunterstützen Wärmebehandlung sollen Turbinenschaufeln für Flugzeugturbinen wieder sein wie neu.
Jahre des Einsatzes bei Temperaturen über 1.000 Grad Celsius und extremen mechanischen Belastungen hinterlassen Spuren in Flugzeugturbinen und den darin verbauten Turbinenschaufeln. Im Betrieb verändert sich ihre Mikrostruktur, und im Werkstoff bilden sich Poren als lokale Defekte. Turbinenschaufeln der ersten Stufe werden daher in der Regel nach etwa 5.000 Flugmissionen – etwa drei bis sechs Jahren – ausgetauscht. Ein Bochumer Forschungsteam untersucht, ob sich die Schaufeln stattdessen verjüngen und erneut einsetzen lassen. So ließen sich Energie und Rohstoffe, insbesondere von kritischen Elementen, einsparen. An dem Verfahren arbeiten die Forschenden um Prof. Dr. Sebastian Weber und Dr. Louis Becker vom Lehrstuhl Werkstofftechnik der Ruhr-Universität Bochum im Verbundprojekt „Second_Life“. Das Projekt wird seit August 2026 für drei Jahre im Luftfahrtforschungsprogramm LuFo Klima VII-1 des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie gefördert.
Die Mikrostruktur in den Ausgangszustand zurückführen
Turbinenschaufeln der ersten Stufe werden wegen der hohen Belastungen aus einkristallinen Nickelbasis-Superlegierungen gefertigt. Die Atome sind in ihrem Inneren in einem durchgehenden Kristallgitter angeordnet, sodass es keine Korngrenzen gibt, die bei hohen Temperaturen Schwachstellen darstellen würden. Trotzdem werden die Schaufeln mit der Zeit geschädigt: „Die Schaufeln werden im Betrieb der Turbine bei hoher Temperatur durch die rotationsbedingten Fliehkräfte auf Zug belastet und durch die sogenannte Kriechermüdung geschädigt“, beschreibt Sebastian Weber. Die dabei entstehenden mikrostrukturellen Schädigungen begrenzen ihre Einsatzdauer.
Das Forschungsteam will die Bauteile einer Verjüngungskur unterziehen. „Die Wiederherstellung der Mikrostruktur und der mechanischen Eigenschaften soll durch heiß-isostatisches Pressen, kurz HIP, erfolgen“, erklärt Forschungsgruppenleiter Louis Becker. Dabei werden die Turbinen unter einem isostatischen Gasdruck erwärmt und dann schnell wieder abgekühlt. So sollen Schädigungen wie Kriechporen ausheilen und zugleich die Einkristallinität erhalten bleiben. „Ziel ist es, den Neuzustand wiederherzustellen, sodass die Schaufeln nach erneuter Beschichtung mit einer wärmedämmenden Schutzschicht wieder verwendet werden können“, so der Forscher.
Nachhaltigkeit in der Luftfahrt
Am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt werden zunächst definierte Kriech-Ermüdungsschädigungen unter betriebsnahen Hochtemperaturbedingungen erzeugt. Am Lehrstuhl Werkstofftechnik der Ruhr-Universität Bochum werden anschließend geeignete HIP-Prozessparameter entwickelt und die Veränderungen der Mikrostruktur untersucht. Erfolgreich behandelte Proben wollen die Forschenden erneut mechanisch prüfen, um nachzuweisen, ob neben der Mikrostruktur auch die mechanische Leistungsfähigkeit wiederhergestellt werden kann. „Durch eine Verlängerung der Lebensdauer von Turbinenschaufeln können wir sowohl den Bedarf an neu gefertigten Komponenten als auch den damit verbundenen Energie- und Rohstoffeinsatz senken“, so Sebastian Weber.
