Hitze? Kein Problem: Diese Legierung bleibt stabil, wo andere versagen
Neue Metall-Legierung aus Chrom, Molybdän und Silizium hält 2 000 °C stand und könnte Turbinen deutlich effizienter machen.
Legierungsherstellung mittels Lichtbogenschmelzen im Materialsyntheselabor des Instituts für Angewandte Materialien – Werkstoffkunde.
Foto: Chiara Bellamoli, KIT
Was passiert, wenn selbst härteste Metalle aufgeben? In Flugzeugturbinen oder Kraftwerken herrschen Temperaturen, die für herkömmliche Materialien zu viel sind. Sie verlieren ihre Festigkeit, beginnen zu oxidieren oder verspröden – besonders dann, wenn Sauerstoff ins Spiel kommt. Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) wollten das ändern. Ihr Ziel: ein Material, das bei Raumtemperatur noch formbar ist, bei 2000 °C aber nicht schlappmacht.
Das Ergebnis kann sich sehen lassen: eine völlig neue Metall-Legierung aus Chrom, Molybdän und Silizium. Sie kombiniert Eigenschaften, die bisher als unvereinbar galten – hohe Schmelztemperatur, Stabilität und Oxidationsbeständigkeit.
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Der lange Weg zu stabilen Hochtemperatur-Werkstoffen
Metalle wie Wolfram oder Molybdän gehören zu den sogenannten Refraktärmetallen. Sie schmelzen erst jenseits von 2000 °C und gelten daher als ideale Kandidaten für extreme Bedingungen. Doch ihr größtes Problem ist ihre Sprödigkeit. Schon bei Raumtemperatur brechen sie leicht. Kommt Sauerstoff hinzu, oxidieren sie zwischen 600 und 700 °C so stark, dass sie unbrauchbar werden.
In der Praxis sind solche Materialien deshalb nur in geschlossenen Systemen oder unter Vakuum einsetzbar – etwa in Röntgengeräten. Für Turbinen, die direkt mit Luft und Verbrennungsgasen in Kontakt kommen, sind sie ungeeignet.
Seit Jahrzehnten setzen Ingenieur*innen daher auf sogenannte Superlegierungen auf Nickelbasis. Diese Werkstoffe verbinden Zähigkeit und Oxidationsschutz miteinander. Doch sie haben eine klare Grenze. „Die vorhandenen Superlegierungen kombinieren verschiedene metallische Elemente, um mehrere Eigenschaften zu vereinen. Sie sind bei Raumtemperatur verformbar, bei hohen Temperaturen fest und oxidationsbeständig“, erklärt Professor Martin Heilmaier vom KIT. „Allerdings – und hier liegt der Haken – nur bei Betriebstemperaturen bis maximal 1100 °C.“
Forschung mit Aussicht auf Effizienz
Genau an dieser Stelle setzte Heilmaiers Arbeitsgruppe an. Gemeinsam mit Kolleg*innen im Graduiertenkolleg „Materials Compounds from Composite Materials for Applications in Extreme Conditions“ (MatCom-ComMat) entwickelten sie eine neue Legierung, die diese Temperaturgrenze sprengen könnte.
Chrom, Molybdän und Silizium bilden dabei die Basis. Heraus kam eine Verbindung, die sich bei Raumtemperatur biegen lässt, aber erst bei rund 2000 °C schmilzt – und selbst im kritischen Bereich kaum oxidiert. „Dadurch macht diese Legierung Bauteile für Einsatztemperaturen deutlich höher als 1100 °C denkbar“, sagt Dr. Alexander Kauffmann, ehemals KIT, heute an der Ruhr-Universität Bochum tätig.
Das klingt nach einem echten Fortschritt, vor allem, weil die Verformbarkeit und Oxidationsbeständigkeit bisher kaum gemeinsam erreichbar waren. Computermodelle halfen dabei nur bedingt, wie Kauffmann einräumt: „Trotz großer Fortschritte im Bereich der computergestützten Materialentwicklung können diese Eigenschaften derzeit noch nicht in ausreichendem Maße vorhergesagt werden.“
Mehr Hitze, weniger Verbrauch
Was bedeutet das für die Praxis? Eine Menge. Schon ein Temperaturplus von 100 °C kann in einer Turbine den Brennstoffverbrauch um etwa 5 % senken, erklärt Heilmaier. Das ist besonders relevant für die Luftfahrt, in der jedes eingesparte Kilogramm Kerosin zählt. Elektrisch betriebene Langstreckenflugzeuge liegen weiterhin in weiter Ferne – also bleibt die Effizienzfrage entscheidend.
Auch stationäre Gasturbinen könnten profitieren. Höhere Einsatztemperaturen bedeuten mehr Wirkungsgrad und damit weniger CO₂-Ausstoß. Die neue Legierung könnte also helfen, fossile Brennstoffe besser zu nutzen, ohne sofort auf alternative Antriebe angewiesen zu sein.
Vom Labor zur Turbine
Bis zur industriellen Anwendung ist es aber noch ein weiter Weg. Noch müssen Herstellungsprozesse angepasst, Materialverhalten getestet und Langzeitdaten gesammelt werden. Heilmaier betont: „Um die Legierung in der Industrie einzusetzen, sind noch viele Entwicklungsschritte notwendig. Wir haben aber mit unserer Entdeckung in der Grundlagenforschung einen wichtigen Meilenstein erreicht.“
Genau solche Grundlagenforschung sei entscheidend, um künftige Technologien vorzubereiten – ob in der Energieerzeugung oder im Flugzeugbau. Kauffmann ergänzt: „Darauf können nun Forschungsgruppen weltweit aufbauen.“
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