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 Ergebnisse wurden in der renommierten internationalen Fachzeitschrift Acta Materialiaveröffentlicht.
Die vom Forschungsteam erlangten Erkenntnisse liefern wichtige Grundlagen für die Auslegung von robusteren und sicherern Triebwerkskomponenten in der zivilen Luftfahrt; langfristig tragen sie 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 bei 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).
Originalpublikation
Merle et al.: High strain rate persistence of the strength anomaly in the L12 intermetallic compound Ni3Si evidenced by nanoindentation testing; Acta Materialia (2025), Volume 284, 120598, https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120598
- www.uni-kassel.de
Text zum Titelbild: Prof. Dr. Benoit Merle (Bild: Uni Kassel)
