Neue Hartlotlegierungen verbessern die Wärmebarriere im heißen Bereich von Strahltriebwerken

Von Herausgeber | 8. November 2013

VonTom Sandin, Morgan Advanced Materials Wesgo, Produktmanager für Metalllöten

Als Reaktion auf den Fokus der Luft- und Raumfahrtindustrie auf höhere Leistung und niedrigere Kosten haben Materialwissenschaftler und Hersteller von Keramikkomponenten neue Materialien und Prozesse entwickelt, die Motoren immer heißer laufen lassen.

Bei Gasturbinentriebwerken wird eine große Menge Luft aus dem Kompressor zum Kühlen der Turbinenleitschaufeln und -schaufeln verwendet. Die benötigte Luftmenge wird durch die Turbinentemperatur und die zu kühlenden Materialien bestimmt. Wenn die Turbinenmaterialien weniger Kühlung benötigen oder aus Materialien hergestellt werden können, die höheren Temperaturen standhalten, stünde mehr Luft für den Antrieb zur Verfügung. Daher ist die Erhöhung der Temperaturkapazität der Turbine der Schlüssel zur Verbesserung der Motoreffizienz. Allerdings werden Motoren mit steigender Verarbeitungstemperatur heißer, und diese erhöhte Hitze führt tendenziell zur Zersetzung von Metallen.

In Turbinen werden vorgesinterte Vorformlinge (PSPs) zur Reparatur von Leitschaufeln verwendet, die aufgrund übermäßiger Hitze und Verschleiß kaputt gehen. PSPs, bei denen eine kleine Menge Hartlot mit dem Grundmetall vermischt ist, werden hauptsächlich im Turbinenbereich zur Reparatur von Schaufelrissen und Verschleißbereichen verwendet. Da die Temperaturen in diesen Zonen weiter steigen, werden neue Materialien und Technologien entwickelt, um eine bessere Wärmebarriere zu schaffen. Es wird erwartet, dass diese Entwicklungen die Kosten für Wartung, Reparatur und Überholung (MRO) deutlich senken werden. Beispiele hierfür sind die Entwicklung fortschrittlicher Hartlotlegierungen, der Einsatz von Keramik bei Hochtemperatur-Metall-Keramik-Komponenten und die Einführung des Aktivlötens, das die direkte Verbindung von Metall mit Keramik ohne Metallisierung ermöglicht.

Hartlötlegierungen werden in einer Vielzahl von Triebwerkskomponenten für Militärflugzeuge und kommerzielle Luft- und Raumfahrt verwendet. Es werden Güten entwickelt, die Keramik direkt mit Metall oder anderen Materialien verbinden. Die Legierungszusammensetzungen variieren und umfassen solche, die für den funktionalen Einsatz bei Hochtemperaturanwendungen (750–850 °C) konzipiert sind.

Die Legierungen werden so ausgewählt, dass sie den spezifischen Betriebstemperaturbedingungen sowie den Anforderungen aller zu verbindenden Komponenten entsprechen. Beispiele hierfür sind Legierungen, die in neuen heißen Abschnitten von Turbinen verwendet werden, und das Hartlöten von Siliziumnitridkeramik auf neue Superlegierungs-Motorteile. Tabelle 1 gibt einen Überblick über die verfügbaren Lotlegierungen mit Angabe des Motorteils, in dem sie verwendet werden, und des Komponenten-/Grundmaterials.

Die meisten modernen Verkehrsflugzeuge verwenden Turbofan-Triebwerke wegen ihres hohen Schubs und der guten Treibstoffeffizienz. Ein Turbofan erhält einen Teil seines Schubs vom Kern und einen Teil vom Fan. Die einströmende Luft wird vom Motoreinlass erfasst. Ein Teil der einströmenden Luft strömt durch den Ventilator und weiter in den Kernverdichter und dann in den Brenner, wo sie mit Brennstoff vermischt wird und eine Verbrennung stattfindet. Die heißen Abgase strömen durch die Kern- und Fanturbinen und dann aus der Düse. Der Rest der einströmenden Luft strömt durch den Lüfter und umgeht den Motor, ähnlich wie Luft durch einen Propeller. Die Luft, die durch den Ventilator strömt, hat eine leicht erhöhte Geschwindigkeit.

Dieses Diagramm eines typischen Turbofan-Triebwerks zeigt die häufigsten Einsatzorte von Legierungen, einschließlich derjenigen, die für den „kalten Abschnitt“ (Lufteinlass und Kompressor) und den „heißen Abschnitt“ (Turbine und Brennkammer) des Triebwerks verwendet werden.

Abbildung 1 ist ein Diagramm eines typischen Turbofan-Triebwerks, das die häufigsten Einsatzorte von Legierungen zeigt, einschließlich derjenigen, die für den „kalten Abschnitt“ (Lufteinlass und Kompressor) und seinen „heißen Abschnitt“ (Turbine und Brennkammer) des Triebwerks verwendet werden.

Der Wesgo Metals-Standort von Morgan Advanced Materials in Hayward, Kalifornien, produziert mehr als 15 Hartlotlegierungen für den Einsatz im Kompressorbereich. Nioro® wird auf Inconel X750 oder 718 verwendet, um die Lösungsglühtemperatur ohne übermäßiges Kornwachstum zu erreichen, das bei Legierungen auf Nickelbasis auftritt. Nioro® ist eine hochreine Gold-Nickel-Legierung zum Vakuumlöten. Nickellotlegierungen werden beim Hartlöten von Verdichter- und Turbinenabschnitten verwendet. In Folienform kann es zum Hartlöten von Waben- und Metalldichtungsstreifen verwendet werden.

Im Statorbereich eines Turbofan-Triebwerks saugt der Stator die kalte Luft an, umgeht das Triebwerk und erzeugt so den zusätzlichen Schub. Der Stator spielt auch eine Rolle bei der Reduzierung von Turbulenzen, sodass das Auf- und Abrollen der Luft minimiert wird.

In Turbofan-Kraftstoffsystemen werden Gold-Nickel und Platin-Gold-Nickel zum Hartlöten der Rohre und Düsen des Kraftstoffsystems verwendet. Die Brennstoffdüse, die sich dort befindet, wo die erste und zweite Verbrennungsstufe stattfinden, sieht eine beträchtliche Wärmemenge. Duktilität in den Lötverbindungen ist erforderlich, um die Ausdehnung und Vibration im Verbrennungsabschnitt zu unterstützen. Gold- und Platin-Lötlegierungen weisen außerdem einen hervorragenden Kontrast in der Lötverbindung auf, was den Einsatz von Röntgentechnologie zur Überprüfung der Integrität der Lötverbindung ermöglicht. Darüber hinaus weisen diese Legierungen eine gute Korrosionsbeständigkeit auf. In diesem Bereich haben Motorenhersteller großes Interesse an Materialien bekundet, die extremen Temperaturen standhalten, bei denen herkömmliche Superlegierungen versagen.

Ein Bereich von zunehmendem Interesse ist das aktive Metalllöten, das es ermöglicht, Metall ohne Metallisierung direkt mit Keramik zu verbinden, wodurch mehrere Schritte im Verbindungsprozess entfallen und eine extrem starke, hermetische Abdichtung entsteht, die höhere Betriebstemperaturen erreichen kann. Zu den Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt gehören Düsen für Luft- und Raumfahrt- und Industrieturbinentriebwerke, neue Turbinenleitschaufelsysteme und Triebwerkssensorkomponenten.

Aktives Metalllöten kann mit jeder Kombination aus Keramik, Kohlenstoff, Graphit, Metallen und Diamant durchgeführt werden. Aktivlotlegierungen (ABAs) werden für Motorsensoren verwendet, die Metall-Keramik-Streifen zur Überwachung der Motorfunktionen verwenden. Das Löten erfolgt mit einem Hochtemperatur-ABA, sodass der Sensor im Betrieb Temperaturen von 1000 °C (1830 °F) standhalten kann.

Aktives Metalllöten erleichtert das Verbinden einiger Materialien und Komponenten, was bisher noch nie möglich war, und ist besonders bei Militär- und Luft- und Raumfahrtanwendungen von Vorteil.

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