Metallschmelzen im Parabelflug

Berührungslose Messungen unter Schwerelosigkeit

Moderne gießtechnisch hergestellte Metallegierungen repräsentieren in mehrfacher Hinsicht – bezüglich der Wahl der Zusammensetzungen, des Herstellungsprozesses und des daraus resultieren Materialgefüges – technologisch hochentwickelte Produkte dar. Dies gilt zum Beispiel für Nickel-Basis-Superlegierungen, die als Hochtemperaturwerkstoffe für den Bau von Flugzeugturbinen und von Landturbinen zur Energieerzeugung verwendet werden. Titan-Legierungen, die bei medizinischen Implantaten oder wegen ihres geringen Gewichtes auch als Turbinenwerkstoffe attraktive Anwendungsfelder haben, sowie die verschiedensten Legierungen für Verbrennungsmotoren zählen ebenso dazu. Optimierung der thermischen und mechanischen Belastbarkeit bei gleichzeitiger Gewichtsreduktion ist das zentrale Ziel dieser Materialentwicklungen. Die mit Materialoptimierungen verbundene Erhöhung des Wirkungsgrades resultiert bei Motoren und Turbinen in einer Reduktion des Bedarfs an primären Energieträgern.

Materialdesign und Gießverfahren werden zunehmend unter computergestützter Anwendung numerischer Simulation optimiert. Inzwischen hat diese Methodik einen sehr hohen Grad an Wissenschaftlichkeit erreicht. So ist zum Beispiel die Simulation des Gießprozesses eines Motorblockes bis hin zum resultierenden Gefüge und dessen mechanischen Eigenschaften Teil des US-amerikanischen Supercomputing-Programms. Die Vorteile sind vielfältig und betreffen alle Phasen des Herstellungsprozesses einschließlich der sich daraus ergebenden Materialeigenschaften des Endprodukts. Um aber die Vorteile der rechnerischen Simulation nutzen zu können, bedarf es der Kenntnis der für diese Prozesse relevanten Materialeigenschaften der flüssigen Phase.

Wegen der großen chemischen Reaktivität flüssiger Metalle ist es allerdings sehr schwierig, diese Eigenschaften, wie zum Beispiel die Viskosität und Oberflächenspannung oder die spezifische Wärme und Wärmeleitfähigkeit, mit konventionellen Methoden, wobei die Schmelze in einem Tiegel liegt, zu messen. Einen Zugang bietet die Methode der kontaktlosen Messung an freischwebenden, elektromagnetisch – ähnlich der Magnetschwebebahn – in einen Schwebezustand versetzten Proben, wodurch eine die Resultate beinflussende Kontamination der Probe vermieden werden kann. Hier setzen Experimente an, die von Prof. Dr. Hans-Jörg Fecht, Leiter der Abteilung Werkstoffe der Elektrotechnik der Universität Ulm, und Dr. Rainer K. Wunderlich im Rahmen des Projektes ThermoLab durchgeführt werden. ThermoLab ist ein europäisches Projekt mit beteiligten Gruppen aus vier Ländern. Es wird in Zusammenarbeit mit einer industriellen Nutzergruppe durchgeführt.

Für seine berührungslosen Messungen einer flüssigen Metallphase nutzt ThermoLab die bei Parabelflügen erzeugte Schwerelosigkeit. Parabelflug heißt ein Manöver, bei dem das Flugzeug nach einem 45°-Steigflug vor dem Erreichen des Scheitels der gedachten Parabel die Triebwerke drosselt. Antriebslos treibt es auf den Parabelscheitel zu und geht dann in einen Sturzflug über, der durch Zünden der Triebwerke wieder abgefangen wird. Während der 15-30 Sekunden dauernden antriebslosen Zeit herrscht im Inneren des Flugzeugs Schwerelosigkeit. Fecht und Mitarbeiter haben so die Oberflächenspannung und Viskosität verschiedener industrieller Metallegierungen, z. B. von Titan- und Nickel-Basis-Legierungen, untersuchen können. Unter Schwerelosigkeit ist nur eine geringe elektromagnetische Kraft erforderlich, um die Probe in der Schwebe zu halten. Das begünstigt die Richtigkeit der Messungen, respektive macht sie dank der Abwesenheit turbulenter Strömungen in der Probe überhaupt erst möglich. Durch ein elektromagnetisches Heizfeld aufgeschmolzen, wird die Probe zum Schwingen angeregt. Aus der Frequenz und dem Abklingverhalten der mit einer Hochgeschwindigkeitskamera aufgezeichneten Oberflächenschwingung können die Maße der Viskosität und Oberflächenspannung berechnet werden.

Bei dem bislang letzten Parabelflug im September 2004 wurden zwei verschiedene Stähle, eine Kupfer-Legierung sowie einer Reihe von generischen Nickel-Aluminium-Legierungen gemessen. Die Stähle werden in Zusammenarbeit mit CORUS Research Development & Technology (Niederlande) bzw. SANDVIK Materials Technology (Schweden), die Kupfer-Legierung mit den Wieland-Werken Ulm untersucht. Messungen an den Nickel-Aluminium-Legierungen haben verschiedene Aspekte. Einmal sind die intermetallischen Nickel-Aluminium-Legierungen von wachsendem technologischem Interesse, zum Beispiel für die Herstellung von Katalysatoren. Zum anderen bildet Nickel-Aluminium einen prinzipiellen Bestandteil der komplexeren Nickel-Basis-Superlegierungen. Die Ergebnisse der konzentrationsabhängigen Messungen von Oberflächenspannung und Viskosität bei Nickel-Aluminium werden, so erwarten die Wissenschaftler, die gesamte Klasse der Nickel-Basis-Superlegierungen einer zuverlässigen thermodynamischen Modellierung zugänglich machen, die dann von industriellen Anwendern genutzt werden kann.

Die im September 2004 durchgeführten Parabelflugexperimente waren Teil einer Serie von Versuchen, die bereits im Jahre 2001 mit Messungen an Titan- und Zirkonium-Legierungen begonnen hatten. Die Flüge wurden vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) durchgeführt und von der Europäischen Raumfahrtagentur (ESA) unterstützt.

Kontakt: Dr. Rainer Wunderlich, Tel. 0731-50-26457