Alternative Werkstoffe in der Luft- und Raumfahrttechnik. Zur Zukunft von Aluminiumlegierungen

Inhalt

Einführung zu Aluminium und Aluminiumlegierungen in der Luftfahrt
Einführung und Zielsetzung
Allgemeine Informationen zu Aluminium und Aluminiumlegierungen
Aluminiumlegierungen für die Luftfahrt und deren Eigenschaften

Anwendung von Aluminiumlegierungen in der Luftfahrt
Anwendungsbereiche in Modernen Passagierflugzeugen
Anwendung in Zeppelinen

Infragestellung der Existenz von Aluminiumlegierungen in der zukünftigen Luftfahrt trotz neuer Rohstoffe
Aktuelle Lage
Alternative Rohstoffe welche das Potenzial besitzen Aluminiumlegierungen in der Luftfahrt zu ersetzen
Gegenüberstellung der Eigenschaften der Alternativen Rohstoffe
Fazit

Literaturverzeichnis

Einführung zu Aluminium und Aluminiumlegierungen in der Luftfahrt

Einführung und Zielsetzung

In dieser Seminararbeit werden verschiedenste Aluminiumlegierungen, welche in der Luft und Raumfahrt eingesetzt werden dargestellt, und mit alternativen Rohstoffen auf Vor- und Nachteile verglichen. Es werden also auch Rohstoffe wie beispielsweise CFK dargestellt, welche ein Potenzial besitzen, traditionelle Aluminiumlegierungen zu ersetzen. Diese Rohstoffe werden auf Eigenschaften wie Beispielsweise Zugfestigkeit, Dehnbarkeit sowie elektrische Leitfähigkeit überprüft, um am Ende dieser Arbeit eine wichtige Erkenntnis zu schließen. Ziel dieser Seminararbeit ist nämlich herauszufinden, ob die heutigen Aluminiumlegierungen trotz alternativer bzw. neuere Rohstoffe weiterhin eingesetzt werden. Um natürlich diese Frage beantworten zu können ist zu klären was Aluminiumlegierungen sind und welche entscheidenden Eigenschaften sie besitzen damit sie eventuell weiterhin die dominierenden Rohstoffe in der zukünftigen Luft- und Raumfahrtindustrie bleiben. Deshalb ist es auch sinnvoll einen Blick in die Anfänge der Aluminiumlegierungen zu werfen um genauer zu verstehen wieso diese weiterhin besonders in der heutigen Luftfahrt eingesetzt werden und eventuell trotz Konkurrenz weiterhin erhalten bleiben. Sowohl mit dem Luftschiff LZ26 von Graf Zeppelin als auch mit dem Ganzmetallflugzeug dem Junkers J3 konnten Aluminiumlegierungen beweisen wie leicht und doch sehr beanspruchbar sie sind. Das bei beiden Luftfahrzeugen verwendete Metall, Duraluminium überzeugte damals durch seine „hohe Zugfestigkeit bei niedrigem Gewicht.“^[1] Aufgrund dieser Eigenschaften werden bis heute noch sehr ähnliche Legierungen wie Duraluminium in der modernen Luft- und Raumfahrt eingesetzt. Mit der Entwicklung von Duraluminium wurde sozusagen eine neue Ära in der Luft- und Raumfahrt eröffnet. Heutzutage werden unterschiedliche Aluminiumlegierungen in unterschiedlichen Flugzeugkomponenten verwendet, um bestimmte Eigenschaften an bestimmten Teilen zu erreichen. Im Allgemeinen kann man sagen, dass Aluminiumlegierungen sowohl in der heutigen Luft als auch in der Raumfahrt unerlässlich sind. Ob dies sich in der Zukunft durch Materialien wie CFK ändern wird ist in dieser folgenden Arbeit zu klären.

Allgemeine Informationen zu Aluminium und Aluminiumlegierungen

Reines Aluminium ist aufgrund seiner zu geringen Festigkeit beispielsweise für den Flugzeugbau unbrauchbar. Jedoch können durch das legieren bestimmter Elemente die Festigkeit deutlich erhöht werden. Hierzu wird zwischen Knetlegierungen, bei dem die plastische Verformbarkeit im Vordergrund steht und Gusslegierungen, bei dem vor allem die Gießbarkeit eine entscheidende Rolle spielt, unterschieden.^[2] Als Hauptlegierungsbestandteile von Aluminiumlegierungen werden Kupfer, Silizium, Magnesium, Zink, Mangan und Lithium verwendet. Die Legierungsbestandteile haben Einfluss auf beispielsweise Festigkeit, Härte, Korrosionsbeständigkeit oder Gießbarkeit.^[3] Die Eigenschaften von Aluminiumlegierungen sind natürlich abhängig von der Legierungsart und dem Legierungszustand. Zusammenfassend lassen sich aber folgende Eigenschaften aufzählen: „günstige mechanische Eigenschaften, chemische Beständigkeit, Witterungs- und Seewasserbeständigkeit, kalt- und warmumformbar nach fast allen üblichen Verfahren, gute Gießbarkeit, gut spanbar, gute Wärme- und elektrische Leitfähigkeit.“^[4]

Aluminiumlegierungen für die Luftfahrt und deren Eigenschaften

Im Allgemeinen müssen Luftfahrtlegierungen eine hohe Festigkeit sowie Steifigkeit aufweisen. Wie schon in den vorherigen Punkten erwähnt können diese Eigenschaften durch bestimmte Legierungsbestandteile in Aluminiumlegierungen erzielt werden. Dazu ist es sinnvoll die Folgende Abbildung anzuschauen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1 Legierungsbestandteile und deren Einfluss (Klaus Engmann, 2000, S.78)

Hier kann man deutlich erkennen das durch kombinieren bestimmter Legierungsbestandteile die Eigenschaften voneinander variieren. Beispielsweise wird durch Hinzufügen von Magnesium oder Mangan eine hohe Festigkeit erreicht. Knetlegierungen wie Al Mg weisen zwar eine hohe Festigkeit aus, sind jedoch nicht aushärtbar, was beispielsweise bei den meisten Flugzeugkomponenten problematisch sein könnte. Durch das Aushärten erhält man nämlich eine zusätzliche „Festigkeitssteigerung“.^[5] Häufig verwendet man in der Luftfahrt deshalb Legierungen wie AlZnMgCu, da sie die höchste Festigkeit aufweisen und zudem noch aushärtbar sind. Es ist also sinnvoll zu überprüfen welchen Witterungsverhältnissen und Kräften bestimmte Flugzeugkomponente ausgesetzt sind, um anschließend die passende Legierung mit den nötigen Legierungsbestandteilen zu erstellen.

Anwendung von Aluminiumlegierungen in der Luftfahrt

Anwendungsbereiche in Modernen Passagierflugzeugen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2 Luftfahrtlegierungen mit Verwendungszweck und Behandlungsart (Friedrich Ostermann, 2014, S.54)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3 Luftfahrtlegierungen mit Verwendungszweck und Behandlungsart (Friedrich Ostermann, 2014, S.54)

Damit Aluminiumlegierungen in Flugzeugen verwendet werden können müssen meistens bestimmte Eigenschaften wie Festigkeit oder Korrosionsbeständigkeit erhöht bzw. verbessert werden. Um Eigenschaften der Aluminiumlegierungen verbessern zu können, kann eine Wärmebehandlung durchgeführt werden. Zu den Wärmebehandlungsverfahren gehören: Aushärten, Weichglühen, Entspannungsglühen Homogenisierungsglühen Rekristallisationsglühen. Je nach Anwendungsbereich im Flugzeug werden unterschiedliche behandlungsverfahren eingesetzt um damit die nötigen Eigenschaften zu erreichen. Beispielsweise wird im Flugzeugbau und allgemein auch in der Luftfahrt in erster Linie Aluminiumlegierungen verwendet, die hohe Festigkeiten und Steifigkeiten aufweisen. Bei bestimmter Prozentualer Zusammensetzung der Legierungsbestandteile können mittels aushärten die Festigkeit deutlich erhöht werden.^[6] Meistens müssen aber Flugzeugkomponente außer der hohen Zugfestigkeit zusätzliche Eigenschaften wie, die Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion und interkristalline Korrosion, aufweisen. Deshalb können manche Aluminiumlegierungen nur in bestimmten Zuständen verwendet werden.^[7] In der nebenstehenden Tabelle erkennt man einige Aluminiumlegierungen samt Verwendungszweck und Behandlungsart bzw. Zustand. Schauen wir uns beispielsweise die ersten beiden AlCu4Mg1 Legierungen an stellen wir unterschiedliche Zustände Fest. Wie schon erwähnt können für bestimmte Anwendungen die Legierungen nur in bestimmten zuständen verwendet werden. Diese Zustände geben Auskunft auf die Behandlungsart der Legierung. Dank dieser großen Vielfalt von Behandlungsarten und, Legierungsbestandteilen haben, wie auch in der Abbildung zu sehen ist, können Aluminiumlegierungen in verschiedensten Komponenten der Flugzeuge vorkommen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass nicht nur die Zusammensetzung der Legierung wichtig für den Anwendungsbereich ist, sondern auch die Behandlungsart der Legierung auf jeden Fall berücksichtig werden muss, um in bestimmten Komponenten bestimmte Eigenschaften des Materials gezielt zu ändern und zu verbessern.

Anwendung in Zeppelinen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4 Zeppelingerippe von Hindenburg aus Duraluminium (Marshall Luitgard, 2008, S.115)

Aufgrund der hohen Festigkeit werden auch in Zeppelinen verschiedenste Aluminiumlegierungen verwendet. Wie schon in den vorherigen Punkten erwähnt braucht man im Bereich der Luftfahrt Werkstoffe, welche hohe Festigkeiten aufweisen, weshalb auch in Zeppelinen Aluminiumlegierungen bevorzugt werden. Vor allem im Trägergerüst wird das Leichtmetall als Hauptwerkstoff eingesetzt. Da Heutzutage Zeppeline bzw. Luftschiffe, im Vergleich zu Passagierflugzeugen in der Luftfahrt weniger intensiv genutzt werden, ist es sinnvoll einen Blick in die Vergangenheit zu werfen, denn das wohl einer der größten Luftschiffe entstand 1936: die Hindenburg. Als Trägergerüst wurde in der Hindenburg Duraluminium verwendet, da sie, ähnlich wie die heutigen Aluminiumlegierungen, eine hohe Zugfestigkeit bei einem niedrigen Gewicht aufweist.

[...]

^[1] Luitgard Marschall, Aluminium: Metall der Moderne. Stoffgeschichten 4 (München: Oekom-Verl., 2008), S.108.

^[2] Vgl. Catrin Kammer, Aluminium-Taschenbuch, 17., vollst. überarb. Aufl. Praxis Werkstoffe (Berlin: Beuth, 2014), S.12.

^[3] Vgl. Klaus Engmann, Hrsg., Technologie des Flugzeuges, 2., erw. Aufl. (Alsbach/Bergstr.: Leuchtturm-Verl./LTV Press, 2000), S.77-S.78.

^[4] Ebd., S.75.

^[5] Engmann, Technologie des Flugzeuges, S.79.

^[6] Vgl. Engmann, Technologie des Flugzeuges, S. 79.

^[7] Vgl. Friedrich Ostermann, Anwendungstechnologie Aluminium (Berlin/Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2014). http://gbv.eblib.com/patron/FullRecord.aspx?p=3109820, S. 53.