Kasseler Forschungsergebnisse verbessern Einsatz von Materialien in Triebwerken
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Kasseler Forschungsergebnisse verbessern Einsatzfähigkeit von Hochleistungsmaterialien in Triebwerken
Ein Forschungsteam der Universität Kassel hat neue Erkenntnisse zur Sicherheit von Hochleistungswerkstoffen gewonnen, die in Flugzeugtriebwerken eingesetzt werden. Die Ergebnisse zeigen, dass nickelbasierte Materialien auch unter schockartigen mechanischen Belastungen und hohen Temperaturen ihre außergewöhnliche Festigkeit beibehalten.
Die Forschung liefert wichtige Grundlagen für die Auslegung robusterer und sicherer Triebwerkskomponenten in der zivilen Luftfahrt und trägt langfristig zur weiteren Verbesserung der Flugsicherheit bei.
Die Studie wurde von Prof. Dr. Benoit Merle vom Institut für Werkstofftechnik (Fachgebiet Mechanisches Verhalten von Werkstoffen) der Universität Kassel geleitet. Untersucht wurde eine intermetallische Phase (Ni₃Si), die als Modellmaterial für sogenannte Nickelbasis-Superlegierungen dient, die in Flugzeugtriebwerken eingesetzt werden.
Ein besonderes Merkmal dieser Materialien ist die sogenannte Fließspannungsanomalie: Anders als gewöhnliche Metalle werden sie bei steigenden Temperaturen zunächst fester. Dieser Effekt ist für die mechanische Zuverlässigkeit von Triebwerken entscheidend, da sie aus Effizienzgründen bei extrem hohen Temperaturen (> 1000°C) betrieben werden, die bei klassischen Metallen zur Aufweichung führen würden.
Bisher war jedoch unklar, ob dieser zentrale Mechanismus auch bei schockartigen Belastungen erhalten bleibt, wie sie beispielsweise bei Vogelschlägen, Trümmeraufprall oder harten Landungen auftreten können. Mithilfe neuartiger Nanoindentierungs-Experimente – einer Methode, bei der mechanische Eigenschaften im Nanometerbereich gemessen werden – konnte das Kasseler Team zeigen, dass die Fließspannungsanomalie auch bei hohen Belastungsgeschwindigkeiten bestehen bleibt und sich sogar bis in höhere Temperaturbereiche ausdehnt. Dass diese Erkenntnis nun gesichert ist, verbessert die Einsatzmöglichkeiten dieser Materialien in Triebwerken.
Die Arbeiten entstanden in Zusammenarbeit mit Prof. George M. Pharr aus der Texas A&M University (USA), einem international führenden und hochzitierten Experten auf dem Gebiet der Nanomechanik der Werkstoffe. Das Projekt wurde durch den European Research Council (ERC) im Rahmen des EU-Forschungsprogramms Horizon 2020 gefördert (Grant Agreement Nr. 949626).
Die Ergebnisse wurden in der renommierten internationalen Fachzeitschrift Acta Materialia veröffentlicht: Merle et al.: „High strain rate persistence of the strength anomaly in the L12 intermetallic compound Ni3Si evidenced by nanoindentation testing“ (2025)
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120598
Was heißt das zusammengefasst?
- Anders als gewöhnliche Metalle werden Nickelbasis-Superlegierungen bei steigenden Temperaturen zunächst fester.
- Bisher war jedoch unklar, ob dieser zentrale Mechanismus auch bei schockartigen Belastungen erhalten bleibt.
- Das Kasseler Forschungsteam hat gezeigt, dass die Fließspannungsanomalie auch bei hohen Belastungsgeschwindigkeiten trägt.
- Diese Erkenntnis verbessert die Einsatzmöglichkeiten dieser Materialien in Triebwerken.
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