Metall wie neu: Forscher wollen die Alterung von Turbinenschaufeln rückgängig machen

Einige Tausend Flüge haben sie bereits hinter sich. Dabei mussten sie extremer Hitze und gewaltigen Fliehkräften standhalten. Doch irgendwann ist Schluss: Turbinenschaufeln der ersten Stufe werden nach Angaben der Ruhr-Universität Bochum in der Regel nach rund 5000 Flugmissionen ausgetauscht. Das entspricht etwa drei bis sechs Jahren Einsatzzeit.

Das Problem: Die Bauteile bestehen aus besonders hochwertigen und aufwendig hergestellten Werkstoffen. Könnte man sie länger nutzen, ließen sich Rohstoffe und Energie sparen. Genau daran arbeitet ein Forschungsteam der Ruhr-Universität Bochum. Im Projekt „Second_Life“ untersuchen die Wissenschaftler, ob sich die Schäden im Inneren der Schaufeln mit Hitze und hohem Druck rückgängig machen lassen.

Warum selbst besonders widerstandsfähige Turbinenschaufeln altern

Turbinenschaufeln direkt hinter der Brennkammer gehören zu den am stärksten beanspruchten Bauteilen eines Flugzeugtriebwerks. Sie werden von heißen Gasen angeströmt und drehen sich mit hoher Geschwindigkeit. Die Gastemperaturen liegen dabei teilweise deutlich über 1000 °C. Damit das Metall nicht überhitzt, werden die Schaufeln gekühlt und mit schützenden Beschichtungen versehen.

Doch Hitze ist nur ein Teil des Problems. Hinzu kommen enorme Fliehkräfte, die ständig am Material ziehen. Deshalb bestehen die Schaufeln aus speziellen Nickelbasis-Superlegierungen.

Ihre Besonderheit liegt im Inneren: Während gewöhnliche Metalle aus vielen unterschiedlich ausgerichteten Kristallkörnern bestehen, wird bei diesen Schaufeln ein einziger durchgehender Kristall erzeugt. Dadurch fehlen die Korngrenzen, die bei hohen Temperaturen Schwachstellen bilden können. Trotzdem hinterlässt der jahrelange Einsatz Spuren.

„Die Schaufeln werden im Betrieb der Turbine bei hoher Temperatur durch die rotationsbedingten Fliehkräfte auf Zug belastet und durch die sogenannte Kriechermüdung geschädigt“, erklärt Professor Sebastian Weber vom Lehrstuhl Werkstofftechnik der Ruhr-Universität Bochum in einer Pressemitteilung vom 21. Oktober 2026.

Was dabei passiert, ist zunächst kaum vorstellbar: Selbst hochfeste Metalle können sich unter dauerhafter Belastung bei hohen Temperaturen langsam verformen. Fachleute sprechen von Kriechen. Wechselnde Belastungen verstärken die Schädigung zusätzlich.

Im Inneren des Werkstoffs entstehen winzige Hohlräume, sogenannte Kriechporen. Außerdem verändert sich die Mikrostruktur der Legierung. Dazu gehören fein verteilte Ausscheidungen, die maßgeblich zur Festigkeit bei hohen Temperaturen beitragen. Mit der Zeit verliert das Material dadurch einen Teil seiner ursprünglichen Widerstandsfähigkeit.

Hitze und Hochdruck sollen die Schäden rückgängig machen

Die Bochumer Forschenden wollen die Schaufeln nicht einschmelzen und neu herstellen. Stattdessen sollen sie eine besondere Wärmebehandlung durchlaufen.

„Die Wiederherstellung der Mikrostruktur und der mechanischen Eigenschaften soll durch heiß-isostatisches Pressen, kurz HIP, erfolgen“, erklärt Forschungsgruppenleiter Louis Becker in derselben Pressemitteilung.

Das Verfahren ist in der Werkstofftechnik bereits bekannt. Bauteile werden dafür in eine Druckkammer gebracht und bei hohen Temperaturen einem gleichmäßig wirkenden Gasdruck ausgesetzt.

Die Kombination aus Hitze und Druck kann geschlossene Poren im Metall verkleinern oder vollständig schließen. Durch die gezielte Wärmebehandlung und anschließende Abkühlung lässt sich außerdem die Mikrostruktur beeinflussen.

Bei gebrauchten Turbinenschaufeln ist das besonders anspruchsvoll. Die Forschenden müssen geeignete Temperaturen, Drücke und Abkühlbedingungen finden. Einerseits sollen Schäden beseitigt und die für die Festigkeit wichtigen Strukturen wiederhergestellt werden. Andererseits muss das Material seinen einkristallinen Aufbau behalten.

Dabei geht es nicht um die Reparatur beliebiger Schäden. Größere Risse oder starke Oberflächenschäden lassen sich durch das Schließen mikroskopischer Poren nicht einfach beseitigen.

„Ziel ist es, den Neuzustand wiederherzustellen, sodass die Schaufeln nach erneuter Beschichtung mit einer wärmedämmenden Schutzschicht wieder verwendet werden können“, sagt Becker.

Die Beschichtung reduziert die thermische Belastung des metallischen Grundwerkstoffs. Auch an solchen Schutzschichten wird geforscht. So haben Wissenschaftler eine Beschichtung entwickelt, die kleinere Risse bei 800 °C selbstständig schließen kann. Im Bochumer Projekt geht es dagegen um die Regeneration des Metalls selbst.

Ob die Schaufeln wieder so belastbar werden, müssen Tests zeigen

Das Forschungsvorhaben „Second_Life“ läuft seit August 2026 und ist auf drei Jahre angelegt. Neben der Ruhr-Universität Bochum beteiligen sich das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) sowie Lufthansa Technik, Aalberts Surface Technologies und Otto Fuchs.

Zunächst werden am DLR Werkstoffproben unter hohen Temperaturen und mechanischer Belastung gezielt geschädigt. Die Bedingungen sollen möglichst nah an denen im späteren Triebwerksbetrieb liegen.

Anschließend untersuchen die Bochumer Forschenden, mit welchen Parametern sich die geschädigte Mikrostruktur durch heißisostatisches Pressen regenerieren lässt. Danach folgen mechanische Tests.

Sie müssen zeigen, ob die behandelten Proben tatsächlich wieder die erforderliche Festigkeit und Widerstandsfähigkeit erreichen. Denn geschlossene Poren allein bedeuten noch nicht, dass das Material dieselben Eigenschaften wie vor seinem ersten Einsatz besitzt.

Noch ist nicht nachgewiesen, dass sich auf diese Weise vollständige Turbinenschaufeln für einen erneuten Flugbetrieb qualifizieren lassen.

Warum sich die Wiederverwendung lohnen könnte

Einkristalline Turbinenschaufeln sind teuer und aufwendig herzustellen. Ihre Nickelbasis-Superlegierungen enthalten neben Nickel weitere Legierungselemente, deren Gewinnung und Verarbeitung Ressourcen beanspruchen.

Die Wiederverwendung könnte den Bedarf an neuen Bauteilen verringern. Wie viel Energie und Material dadurch tatsächlich eingespart würden, hängt allerdings auch vom Aufwand für die Regeneration, die erneute Beschichtung und die anschließenden Prüfungen ab.

„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“, erklärt Weber.

Das Bochumer Projekt konzentriert sich damit auf eine bislang offene technische Frage: Lassen sich die Schäden nach jahrelangem Hochtemperatureinsatz so weit beseitigen, dass eine gebrauchte Turbinenschaufel erneut die mechanischen Anforderungen erfüllt? Die geplanten Versuche sollen darauf eine Antwort liefern.

Quellen

• Ruhr-Universität Bochum: Ein zweites Leben für Turbinenschaufeln in Flugzeugturbinen – Pressemitteilung vom 21. Oktober 2026. Primärquelle für das Projekt, die Projektpartner und sämtliche verwendeten Originalzitate.
• ingenieur.de: Wenn die Turbine sich selbst repariert – Beitrag vom 13. August 2026. Hintergrund zu selbstheilenden keramischen Schutzschichten.
• ingenieur.de: Dieser Werkstoff könnte Flugzeugtriebwerke deutlich leistungsfähiger machen – Beitrag vom 18. Juni 2026. Hintergrund zur Entwicklung hochfester Werkstoffe für Triebwerke.