Die Brandenburgische Technische Universität (BTU) Cottbus ist als einzige deutsche Hochschule in der Lage, Partikelstrahlen zum Beschichten geometrisch komplizierter Oberflächen unter Vakuumbedingungen auch um Kurven und Kanten herumzuschicken. Sie verfügt dazu seit Ende vergangenen Jahres über eine der weltweit modernsten Vakuum-Beschichtungsanlagen.

VON ROLF BARTONEK
Derzeit wird in einem Projekt daran gearbeitet, die Schaufelräder von Flugzeug-Triebwerken durch einen geeigneten Überzug haltbarer gegen Abrieb zu machen.
Ein Sandsturm ist so ziemlich das Unangenehmste, was Reisenden in Wüstenregionen passieren kann. Die winzigen Sandkörner dringen in Mund, Nase, Ohren und Augen ein, "rasieren" die Haut und bleiben in der Kleidung hängen. Was den Menschen peinigt, bekommt der Technik schlecht. Von der amerikanischen Luftwaffe sei bekannt, das zum Beispiel Hubschrauber-Triebwerke, die gewöhnlich Tausende Betriebsstunden halten, bei Einsätzen in einer Wüste schon nach wenigen Stunden defekt waren, sagt Prof. Dr. Christoph Leyens vom BTU-Lehrstuhl Metallkunde und Werkstofftechnik."Die Helikopter wirbeln den Sand hoch, der Sog zieht ihn ins Triebwerk." Aber auch normale Passagier-Jets verzeichnen an den rotierenden Triebwerksteilen, den Schaufeln, einen erhöhten Verschleiß, wenn sie Flughäfen in Wüstennähe ansteuern. Darüber hinaus gibt es in großen Höhen ebenfalls regelrechte Sandwolken, die um die Erde treiben. Die Wege dieser fliegenden Sandströme seien sogar kartiert, berichtet Leyens. Er spricht vom "Sandsturm im Triebwerk", der zur Erosion der Turbinenschaufeln führt.

 
Anwender Rolls-Royce
Die Hersteller arbeiten daran, diese aus harten Titanlegierungen bestehenden Bauteile durch eine superfeste Oberflächenbeschichtung noch haltbarer zu machen. Das Cottbuser Projekt soll speziell dem Triebwerksbauer Rolls-Royce Deutschland, der im brandenburgischen Dahlewitz (Teltow-Fläming) ein Werk betreibt, zugute kommen. Dabei sind zwei Probleme zu lösen. Das Erste betrifft die Zusammensetzung der aufzubringenden Beschichtung. Härter als Titanlegierungen sind spezielle Keramiken. Aber eine hauchdünne Keramikschicht auf einer Turbinenschaufel würde im Hagel aufprallender Sandkörner bald platzen. Sie ist im Verbund mit Titan nicht elastisch genug. Deshalb arbeiten die Forscher an Oberflächen-Überzügen, die aus 30 bis 40 Schichten bestehen. Dabei wechseln sich Keramik und ein "weiches Metall", zu dem keine näheren Angaben gemacht werden, immer ab. 15 bis 20 Keramikschichten sind also eingebettet in ebenso viele Weichmetallschichten. Und der ganze Verbund haftet hauchdünn in der Stärke von nicht einmal halben Menschenhaar auf der Titanschaufel-Oberfläche.
Die optimalen Stärken der Keramik- und Weichmetallschichten zu finden, das ist vor allem eine Aufgabe für den Mexikaner Dr. Arturo Flores Renteria, der in Morelia (Mexiko) studiere, in Aachen promovierte und nun an der BTU Cottbus an seiner Habilitationsschrift arbeitet.
Leyens und Flores Renteria müssen aber noch ein zweites Problem lösen. Es geht darum, die Schichten wirklich überall auf den Schaufelrädern gleichmäßig aufzutragen. Herkömmliche Anlagen, die mit Vakuum arbeiten, können das Beschichtungsmaterial nur im geraden Strahl auftragen. Die Partikel können nicht "um die Ecke" fliegen. Eine Turbinenschaufel mit ihren geometrischen Rundungen müsste daher beim Beschichten immer in den Strahl gedreht werden. Früher wäre das gegangen, weil die Schaufeln noch einzeln hergestellt und dann ins Rad gesteckt wurden. Inzwischen sind die Hersteller aber dazu übergegangen, Schaufeln und Rad rationeller aus einem Stück zu fertigen. Solche Schaufeln sind natürlich nicht mehr drehbar. Im Turbinenrad verdecken sie sich zudem teilweise gegenseitig. Ein gerade laufender Beschichtungsstrahl würde daher nicht alle Oberflächen erreichen.
Die neue Cottbuser Beschichtungsanlage realisiert aber ein in Schweden und England entwickeltes Verfahren, bei dem die Partikel auch um Kurven gelenkt werden können. Sie arbeitet mit elektrisch geladenen Partikeln: Ionen. Wird nun an das Schaufelrad - oder ein anderes Werkstück - eine Spannung angelegt, so formt sich ein elektrisches Feld, das exakt der Geometrie folgt. Dieses Feld lenkt die Partikel auf sämtliche Flächen, also auch die verdeckten. Die Oberflächenveredelung mit 30 bis 40 sich abwechselnden Keramik- und Weichmetallschichten auf geometrisch komplizierten Körpern "ist noch nicht Stand der Technik", betont Leyens. Bis zum Jahresende soll an der Cottbuser Universität das Verfahren für Triebwerk-Schaufelräder entwickelt werden. 2008 sind die Praxistests geplant. Und schon in wenigen Jahren könnten die Flugzeugtriebwerke den Sandstümen viel besser trotzen.

Hintergrund

Das BTU-Beschichtungsprojekt wird mit 100.000 Euro aus einem Hochschul-Innovationsprogramm des Landes Brandenburg gefördert.
Die Lebensdauer von Produkten, deren Oberflächen unter Vakuum hauchdünn beschichtet wurden, erhöht sich um das Fünf- bis Zehnfache. Dem Laien bekannt sind die mit Titannitrid beschichteten goldfarbenen Bohrer. Auch Hochleistungsventile in vielen Oberklasse-Autos werden beschichtet.
Für Flugzeugtriebwerke bildet neben Sand auch Salz ein Problem. Denn auch Salzkörner, die im Winter zum Freihalten der Start- und Landepisten gestreut werden, haben erodierende Wirkung.

[Lausitzer Rundschau/Elbe-Elster-Rundschau vom 02.10.2007;
Internet:  www.lr-online.de/wirtschaft/LR-Wirtschaft;art1067,1793590]