Abheben auf der richtigen Schmierspur

31. Mai 2011, 19:37
posten

Metallforscher aus Leoben entwickeln mit der US-Luftwaffe extrem belastbare Beschichtungen

Dayton, Ohio, ist in Europa vor allem für eines bekannt: das Daytoner Friedensabkommen, das 1995 den Bosnienkrieg beendete. Die Verhandlungen fanden auf der Wright-Patterson Airforce Base statt, benannt unter anderem nach den Gebrüdern Wright, die hier viele ihrer Flugversuche durchführten. Heute ist der Stützpunkt führend in der Entwicklung von Kriegstechnologien in der Luft. Das dort ansässige Air Force Research Laboratory (AFRL) ist das wichtigste Forschungszentrum für Waffensysteme und Grundlagenforschung der US-Luftwaffe.

Um mit der europäischen Scientific Community Kontakt zu halten, fördert das AFRL transatlantische Forschungskooperationen. Ein solches Projekt ist an der Montanuniversität Leoben gelandet, genauer gesagt beim Department Metallkunde und Werkstoffprüfung. Gemeinsam mit Materialwissenschaftern von der Wright-Patterson Airforce Base entwickelten Leobener Forscher eine Beschichtung, die sich extremen Bedingungen anpassen kann.

Die Fahrwerke von Militärflugzeugen, die von Flugzeugträgern starten bzw. darauf landen, sind etwa solchen übermäßigen Beanspruchungen ausgesetzt: Beim abrupten Abbremsen und rasanten Beschleunigen wird das Material enorm belastet - und schnell verschlissen. "Bei solchen Manövern wird gewöhnlich der Schmierstoff aus den Gleitlagern herausgedrückt, und es kommt lokal zu einem direkten Kontakt zwischen den Flächen der beiden Lagerteile", erläutert Christian Mitterer, Projektleiter von der Montan-Uni Leoben. "Dadurch wird es so heiß, dass das Material schmilzt - wenn auch nur im Nanometerbereich. Diese feinen Schädigungen führen irgendwann zum Ausfall des Lagers."

Hauchdünne Schmierschicht

Seit Jahren tüfteln die steirischen Metallforscher bereits an Schichten, die in solchen Situationen beständiger sind. Als aussichtsreicher Kandidat hat sich dabei das Element Vanadium herausgestellt. Wie der Diplomand Oliver Jantschner im Laufe des Projekts zeigen konnte, ist es in der Lage, sich chamäleonartig an die jeweiligen Einsatzbedingungen anzupassen: Bei Bedarf kann es einen zusätzlichen Schmierfilm bilden und zugleich die Hitze aus den Reibepunkten nehmen.

"Vanadium ist ein Metall, das relativ leicht oxidiert", schildert Mitterer. "Bei 500 bis 600 Grad bildet sich das sogenannte Vanadiumpentoxid. Und das wiederum schmilzt bei Temperaturen von etwa 650 Grad." Das heißt: Sobald in mikroskopisch kleinen Berührungsflächen im Lager kurzzeitig hohe Temperaturen auftreten, dringt Vanadium an die Oberfläche und wird zu Vanadiumpentoxid, das in der Folge schmilzt und dadurch eine hauchdünne Schmierschicht bildet.

"Das Aufschmelzen benötigt Energie, wodurch Wärme abgeführt wird und die lokale Temperatur sinkt", fügt Mitterer hinzu. "Wir schlagen also zwei Fliegen auf einen Streich." Damit auch der Materialverschleiß im Griff bleibt, wird das Vanadium in eine Matrix aus Zirkonoxid eingelagert. Diese Matrix ist äußerst stabil und hält auch Temperaturen von bis zu 1000 Grad stand.

Das neue Schichtkonzept wurde in zahlreichen Modellversuchen getestet. Die Ergebnisse werden demnächst publiziert, Tests mit Bauteilen sollen folgen. Noch gilt es aber die Beschichtung so zu verfeinern, dass sich das Vanadium nicht bei der ersten Überhitzung verbraucht. "Dazu bauen wir Sperrschichten ein, damit nur ein Teil des Vanadiums an die Oberfläche gelangt", sagt Mitterer. Kein so leichtes Unterfangen, denn schließlich müssen die nanometerdünnen Schichten Atom für Atom in speziellen Anlagen aufgetragen werden und die Teilchen genau an ihren richtigen Platz in der Matrix gelotst werden.

Bis eine solche Beschichtung Flugzeugen ermöglicht, noch stärker zu beschleunigen und noch schneller abzubremsen, könnten jedoch "noch Jahre vergehen", wie Mitterer betont. "Auch wenn im militärischen Bereich die Hürden nicht so groß sind." Momentan wird an einem Nachfolgeprojekt mit den US-Air-Force-Forschern gearbeitet. Daneben beschäftigten sich die Materialforscher in Leoben mit friedlicheren Projekten: Mit Vanadiumpentoxid werden Hochtemperatur-Schmierstoffe entwickelt ebenso wie Beschichtungen für Auto-Kolben, die weniger Reibung verursachen - und dadurch beim Treibstoff- und CO2-Sparen helfen. (Karin Krichmayr/DER STANDARD, Printausgabe, 01.06.2011)

 

  • Verschleißspur unterm Mikroskop: An den erhöhten Stellen (grün-gelb) hat sich Vanadiumpentoxid gebildet, das wie ein Schmierfilm wirkt.
    foto: montan-uni

    Verschleißspur unterm Mikroskop: An den erhöhten Stellen (grün-gelb) hat sich Vanadiumpentoxid gebildet, das wie ein Schmierfilm wirkt.

Share if you care.