Abschlussbericht zum Projekt kokoMag - Entwicklung und Bewertung eines korrosionsgeschützten, nichtbrennbaren kohlenstoff-faserverstärkten Magnesium-Werkstoffs für die Anwendung in der Luftfahrt

Abstract

Im Bereich der Mobilität ist in den letzten Jahren die kraftstoff- bzw. energieeffiziente Fortbewegung ein essenzieller Aspekt geworden. Deutschland hat sich verpflichtet, für das Pariser Klimaschutzabkommen seine Treibhausgasemissionen bis 2050 um 55 % zu verringern. Ein besonderer Fokus liegt dabei auf der Luftfahrtindustrie, da dort trotz der kontinuierlich steigenden Passagierzahlen eine Verringerung des Gesamtausstoßes von Kohlenstoffdioxidemissionen erzielt werden muss. Zur Realisierung dieser Ziele sind weiterentwickelte und neuartige Leichtbaukomponenten ein wichtiger Baustein. Zur Verbesserung des Leichtbaugrads kann entweder die Streckgrenze bisher eingesetzter Werkstoffe erhöht werden oder eine Substitution durch Werkstoffe mit geringerer Dichte erfolgen. Dafür sind sowohl Faserverbundwerkstoffe als auch Leichtmetalle, die jeweils individuelle Vor- und Nachteile aufweisen, prädestiniert. Mit faserverstärkten Leichtmetallen, sogenannten Metal Matrix Composites (MMC), können die Vorteile der jeweiligen Werkstoffklassen sogar kombiniert werden. Die Matrix von MMC besteht aus einem Leichtmetall, welches die Kohlenstofffasern umgibt, gegen Umwelteinflüsse schützt und z.B. das Ausknicken bei Druckbeanspruchung verhindert. Magnesium kommt als Matrixwerkstoff eine besondere Bedeutung zu, da durch dichtespezifische Steifigkeiten und Festigkeiten hohe Leichtbaugrade möglich sind und nicht ausgeschöpfte Potentiale für neue Leichtbauanwendungen bestehen. Die Fasern verleihen dem Leichtmetall unter anderem eine höhere Zugfestigkeit und eine höhere Steifigkeit. Bereits in den 30er Jahren wurden erste Strukturen für den Fahrzeug- und Flugzeugbau aus Magnesiumlegierungen hergestellt. Während des Zweiten Weltkrieges stieg die Produktion von 39.000 t auf 209.000 t an. Nach dem Krieg wurde bevorzugt Aluminium aufgrund höherer Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und der einfacheren Verarbeitung eingesetzt, sodass vordergründig die Erforschung von Aluminiumwerkstoffen erfolgte. Magnesium verlor zunächst in Industrie und Wissenschaft an Relevanz. In den 1990er Jahren wurde die Forschung an endlosfaserverstärktem Magnesium von Öttinger vorangetrieben. Bereits 1996 zeigte sich in seinem Fortschrittsbericht, welche Potentiale bei endlosfaserverstärktem Magnesium für zukünftige Anwendungen möglich sind. Trotz der guten mechanischen Eigenschaften ist der Einsatz von magnesiumbasierten MMC aufgrund hoher sicherheitstechnischer Anforderungen bei der Herstellung sowie der Brand- und Korrosionsneigung im Luftfahrtbereich bisher ausgeblieben. Diese Herausforderungen führten zur Entwicklung einer neuen Magnesiumlegierung unter der Bezeichnung ECO-AZ91. Dabei wird mittels Calciumoxid (CaO) eine luftundurchlässige Schicht auf der Oberfläche gebildet und die Oxidation des geschmolzenen Magnesiums mit dem Luftsauerstoff unterbunden. Brandtests der Federal Aviation Administration (FAA) zeigten, dass die neuartige Magnesiumlegierung für den Einsatz in der Luftfahrt geeignet ist. Zudem wird bei dem Gussprozess die Anwendung von stark umweltschädlichen und toxischen Schutzgasen, wie Schwefelhexafluorid (SF6) oder Schwefeldioxid (SO2) reduziert. Die Verringerung von Schutzgas während des Herstellungsprozesses und die verbesserten Brandeigenschaften sind wichtige Punkte für den Einsatz in der Luftfahrt und einer günstigeren industriellen Verarbeitung. Dahingehend wird die Eignung der ECO-AZ91-Legierung als Matrixmaterial für zukünftige Metal Matrix Composite-Anwendungen im Luftfahrtbereich im Projekt kokoMag näher untersucht. Datei-Upload durch TIB