News | April 25, 2024

Mehr Hafnium! Materialforschung entdeckt neue potenzielle Turbinen-Superlegierung

Abhebende Weltraumrakete vor einem Hintergrund aus blauem Himmel und Sonne. Elemente dieses Bildes wurden von der NASA zur Verfügung gestellt

Im Weltraum kann es sehr kalt sein. Gleichzeitig entstehen in Raketentriebwerken Temperaturen von mehreren 1000 Grad Celsius. Auch die Schaufeln von Flugzeugturbinen werden sehr heiß, zudem sind sie durch die einströmende Luft hohen physischen Belastungen ausgesetzt. Amerikanische Wissenschaftler haben jetzt eine Legierung entdeckt, die wie bisher kein Material sowohl Hitze und Kälte als auch mechanischen Kräften widersteht.

Zäher als kryogener Stahl

Turbinenlegierungen sind in der Regel Legierungen aus einem Hauptmetall, das mit geringen Mengen anderer Elemente wie Rhenium oder Hafnium gemischt wird. Solche Materialien halten hohe Temperaturen aus, sind allerdings spröde und haben nur einen geringen Riss-Widerstand. Hier ist den Forschenden mit ihrer neuen Legierung ein beindruckender Durchbruch gelungen: Ihre in etwa gleichen Teilen aus Niob, Tantal, Titan und Hafnium bestehende Legierung ist ganze 25-mal zäher als bisher verwendete Materialien. Damit ist das Metall sogar zäher als kryogener, also mit Kälte gehärteter Stahl. Dabei blieb die Legierung sowohl bei größter Hitze als auch niedrigsten Temperaturen stets stabil.

Knickbänder schützen vor Rissen

Legierungen, bei denen die metallischen Elemente in ungefähr gleicher Menge gemischt sind, nennt man refraktäre metallische Einphasen-Legierungen (RMEA). Frühere Studien gingen davon aus, dass so genannte Knickbänder, Störungen in der kristallinen Struktur dieser Legierungen, dazu führen würden, dass das Material erweicht und dadurch leichter verformbar wird. Tatsächlich stellte sich aber heraus, dass die Knickbänder die Atomstruktur der RMEAs vor Rissen schützen. Dadurch weist das Material eine außerordentlich hohe Bruchzähigkeit auf.

Mehr Hafnium für Höchstleistungen

Der hohe Hafnium-Anteil dieses Materials macht es sicherlich für den gewöhnlichen Flugverkehr zu teuer. In Bereichen, in denen es auf Höchstleistungen ankommt, etwa der Raumfahrt und der Verteidigungsindustrie, wird es aber sicher zum Einsatz kommen, sobald es die die Marktreife erreicht hat. Auf jeden Fall prognostiziert die Materialwissenschaft eine vielversprechende Zukunft für das Metall Hafnium.

Weitere News