Schubgeber im Kreislauf Forscher geben Turbinenschaufeln ein zweites Leben

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Nach rund 5.000 Flugstunden müssen Turbinenschaufeln von Flugzeugtriebwerken aufgrund der hinter sich gebrachten Belastungen ausgetauscht werden – bisher zumindest noch ...

Haben Flugzeugturbinen einige Jahre bei Temperaturen über 1.000 °C und unter extremen mechanischen Belastungen ihren Dienst versehen, hat sich ihre Mikrostruktur zum Nachteil verändert und im Werkstoff bilden sich Poren, die als lokale Defekte fungieren. Turbinenschaufeln der ersten Stufe werden deshalb in der Regel nach etwa 5.000 Flugmissionen – etwa drei bis sechs Jahre Einsatzzeit – ausgetauscht. Ein Team der Ruhr-Universität Bochum untersucht aber nun, ob sich die Schaufeln vielleicht verjüngen und erneut einsetzen lassen. So ließen sich Energie und Rohstoffe – insbesondere von kritischen Materialien – einsparen. An dem Verfahren arbeiten die Forscher um Prof. Dr. Sebastian Weber und Dr. Louis Becker vom Lehrstuhl Werkstofftechnik im Verbundprojekt „Second_Life“. Außer dem Verbundkoordinator an der Ruhr-Universität Bochum (RUB) sind das Institut für Werkstoffforschung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Köln sowie als industrielle Partner Lufthansa Technik, Aalberts Surface Technologies und Otto Fuchs beteiligt. Das Projekt wird seit August 2026 für drei Jahre im Luftfahrtforschungsprogramm „LuFo Klima VII-1“ des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWE) gefördert.

„HIP“-Diät verjüngt abgehalfterte Flugzeugturbinen

Turbinenschaufeln der ersten Stufe werden wegen der hohen Belastungen, denen sie ausgesetzt sind, 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 sein können. Trotzdem werden sie 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“, erklärt Weber. Die mikrostrukturellen Schädigungen begrenzen die Einsatzdauer. Das Team will die Bauteile deshalb einer Verjüngungskur unterziehen. „Die Wiederherstellung der Mikrostruktur und der mechanischen Eigenschaften wollen wir durch heiß-isostatisches Pressen (HIP) schaffen“, erklärt Forschungsgruppenleiter Becker. Dabei werden die Turbinen unter gewissem isostatischem Gasdruck erwärmt und dann schnell wieder abgekühlt. So sollen Schädigungen wie Kriechporen ausheilen und zugleich die Einkristallinität erhalten bleiben. So soll der Neuzustand wieder hergestellt werden, sodass die Schaufeln nach erneuter Beschichtung mit einer wärmedämmenden Schutzschicht wieder einsatzfähig sind.

Ein wichtiger Mosaikstein zur nachhaltigeren Luftfahrt

Am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt werden zunächst definierte Kriech-Ermüdungs-Schädigungen unter betriebsnahen Hochtemperaturbedingungen erzeugt. Und am Lehrstuhl Werkstofftechnik der Ruhr-Universität Bochum werden anschließend geeignete HIP-Prozessparameter entwickelt und die Veränderungen der Mikrostruktur untersucht, wie man dazu weiter erfährt. Erfolgreich behandelte Proben wollen die Forscher dann erneut mechanisch prüfen, um nachzuweisen, ob außer 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“, wie Weber abschließend kommentiert.

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