Derzeit konkurrieren viele Technologien und Kom-ponenten in den Märkten für bemannte 3D-Luft-fahrsysteme. Der Bereich der unbemannten Sys-teme ist ausgereifter, aber auch hier gibt es eine Fülle an möglichen stofflichen Konfigurationen.
Der Einfluss von Rohstoffpreisen oder -engpäs-sen auf das Design von eVTOL-Luftfahrzeugen scheint im Vergleich zur Realisierung der Funk-tionalität derzeit von untergeordneter Bedeutung zu sein.
Zum Recycling und zur Ressourceneffizienz von eVTOL-Luftfahrzeugen liegen keine aussage-kräftigen Informationen vor. Der Verlust an unbe-mannten eVTOL-Luftfahrzeugen durch Absturz dürfte eine wichtige Lücke im Materialkreislauf sein, während die Sicherheitsanforderungen an bemannte Systeme Abstürze minimieren dürften.
Die im Vergleich zu Flugzeugen geringen spezi-fischen Materialmengen und die Verwendung von Verbundmaterialien erschweren das Recycling.
3.1.6 Superlegierungen
3.1.6.1 Technologiebeschreibung
Als Superlegierungen werden Werkstoffe kom-plexer Zusammensetzung für Hochtemperaturan-wendungen bezeichnet. Zumeist sind dies Nickel-, Kobalt- oder Eisen-Basislegierungen, welchen eine Vielzahl weiterer Legierungselemente in Tei-len auch in höheren Konzentrationen hinzugefügt wird. Als wichtige Legierungsbestandteile sind insbesondere Platin, Chrom, Molybdän, Wolfram, Rhenium, Ruthenium, Tantal, Niob, Aluminium, Titan, Mangan, Zirkonium, Kohlenstoff und Bor zu nennen. Superlegierungen sind zumeist zun-der- und hochwarmfest. Im Gegensatz zu ande-ren Legierungen sind Superlegierungen darauf
ausgelegt, auch bei hohen Temperaturen eine hohe Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Kriech-festigkeit sowie Oberflächenstabilität zu besitzen.
Dadurch erweitert sich der Anwendungsbereich der Superlegierungen gegenüber beispielsweise Stählen. Ihre Herstellung kann sowohl schmelz-metallurgisch, als auch pulvermetallurgisch erfol-gen.
Die Güte eines thermodynamischen Kreisprozes-ses, wie er in Verbrennungsmotoren, Turbinen und Triebwerken technisch realisiert wird, wird durch den Carnot-Wirkungsgrad charakterisiert:
(1) ηC = 1 – __ TTE0
ηC: Carnot-Wirkungsgrad T0: Austrittstemperatur TE: Eintrittstemperatur
Die Gleichung zeigt, der Wirkungsgrad der Arbeitsmaschine ist umso besser, je niedriger die Austrittstemperatur T0 und je höher die Ein-trittstemperatur TE des Prozesses ist. Da sich die Austrittstemperatur in der Regel nicht unter die Umgebungstemperatur absenken lässt, bleibt für die Wirkungsgradverbesserung nur die Erhöhung der Eintrittstemperatur. Die Werkstoffentwicklung trachtet deshalb danach, die Warmfestigkeit der Werkstoffe zu steigern. Die heute verwendeten, auf Kohlenstoff basierenden Brennstoffe Öl, Gas, Kohle und Biomasse setzen bei der Verbrennung CO2 frei. Die Verbesserung des Wirkungsgrads und damit die Reduzierung des Brennstoffver-brauchs ist deshalb immer ein Beitrag zum Klima-schutz.
Die Einsatzgrenze hochwarmfester Stähle liegt bei etwa 850 °C. Mit ferritischen rostfreien Stäh-len lassen sich Einsatztemperaturen bis 1.350 °C erreichen; die Festigkeit ist bei diesen Tempera-turen allerdings gering. Diese Stähle sind somit zwar hitzebeständig (korrosionshemmend), aber nicht warmfest (d. h. ohne gute mechanische Eigenschaften). Bei höheren Anforderungen an die Festigkeit wird auf Superlegierungen und Ver-bundwerkstoffe aus Keramik und Metallen (Cer-mets) zurückgegriffen. Die Arbeitstemperaturen warmfester Superlegierungen auf Nickelbasis in Gasturbinen erreichen heute 1.230 °C.
Um eine wirtschaftlich attraktive Standzeit der Bauteile zu erreichen, werden an warmfeste
Werkstoffe neben hoher Festigkeit weitere Anfor-derungen gestellt. Darunter die Beständigkeit gegen Oxidation, Korrosion, Abrasion und eine geringe Kriechneigung. Für Werkstoffe, wel-che diese anspruchsvollen Anforderungen bei hohen Arbeitstemperaturen erfüllen, hat sich die Bezeichnung „Superlegierung“ eingebürgert.
Hochtemperatur-Anwendungen sind in zahlrei-chen Sektoren, Prozessen und Produkten von großer wirtschaftlicher Bedeutung. Bei Triebwer-ken für die Luft- und Raumfahrt, stationären Gas- und Dampfturbinen, Diesel- und Ottomotoren für Kraftfahrzeuge, Heizkesseln für die Gebäudehei-zung, in der Eisen- und Stahlindustrie, der Nicht-eisenmetallerzeugung, der Metallverarbeitung und -bearbeitung, der chemischen und petroche-mischen Industrie, beim Erschmelzen von Glas-produkten und beim Brennen von Zement und Kalk, um einige zu nennen. Abb. 3.11 gibt den Bedarf von Superlegierungen nach den beschrie-benen Sektoren an.
3.1.6.2 Rohstoffinhalt
Als gängige Superlegierungen werden im Fol-genden Nickel- sowie Kobaltbasislegierungen beschrieben. Als weitere
Hochtemperaturwerk-stoffe werden zudem Titanlegierungen und Cer-mets angegeben.
Nickelbasislegierungen
Es gibt eine große Zahl von hochwarmfesten Superlegierungen. Die wirtschaftlich bedeutsams-ten sind die Nickelbasislegierungen. Sie wurden ursprünglich für Düsentriebwerke entwickelt, um deren Leistung (Schub) und Brennstoffverbrauch zu verbessern. Die Lauf- und Leitschaufeln der Gasturbine dieser Triebwerke erreichen Spit-zentemperaturen von über 1.000 °C. Sie werden heute aus Nickelbasis-Superlegierungen gefertigt, ebenso wie der Turbinenrotor, die Brennkammern und die Auslasseinheit mit dem Strahlrohr.
Abb. 3.12 zeigt ein Strahltriebwerk älterer Bau-art, bei dem die wesentlichen Komponenten gut erkennbar sind. Heute werden Mantelstromtrieb-werke verwendet, mit getrennten koaxialen Wel-len für die Verdichter- und Turbinenstufe.
Superlegierungen sind aus der Luft- und Raum-fahrt in viele andere Anwendungen vorgedrungen.
Beispiele sind Abgasventile in Verbrennungsmo-toren, Komponenten von Autoabgaskatalysato-ren, Hochtemperaturfedern, Schmiedewerkzeuge, Bohrwerkzeuge bei der Erdöl- und Erdgasför-derung und Wärmetauscher. Markennamen für Nickelbasis-Superlegierungen sind Inconelâ, Incoloyâ, Hastelloyâ, Nimomicâ, Waspaloyâ, Croniferâ, Nicroferâ. Die Zusammensetzung von Nickelbasislegierungen ist in Tab. 3.20 als ein Durchschnitt üblicher Legierungen gegeben.
Der hohe Chromanteil sorgt für die Korrosions- und Zunderbeständigkeit (Oxidation), wirkt sich jedoch negativ auf die Kriechfestigkeit des Werk-stoffs aus (strAssburg 2019). Molybdän, Wolfram und Kobalt werden zur Erhöhung der Festigkeit zulegiert. Titan und Aluminium behindern durch die Bildung intermetallischer Phasen das Krie-chen des Werkstoffs. Auch kleine Mengen an Cer, Hafnium, Zirkonium und Yttrium werden als Kor-rosionsinhibitoren verwendet (dubbel 1983). Rhe-nium, ein Metall mit dem zweithöchsten Schmelz-punkt nach Wolfram, wird in Anteilen von 3 – 6 % für bestimmte hoch belastete Bauteile, bspw.
in Strahltriebwerken, als Legierungsbestandteil zugesetzt (Konter 2012). bedder & bAylis (2013)
Abb. 3.11: Superlegierungen nach letzter Verwendung 2012 (Quelle: Eigene Darstellung nach beddeR & bayliS 2013)
Nickelbasislegierungen verbraucht werden, wes-halb kontinuierlich versucht wird, Rhenium einzu-sparen.
Kobaltbasislegierungen
Eine weitere Gruppe von Superlegierungen sind die Kobaltbasislegierungen. Sie zeichnen sich durch eine hohe Verschleißfestigkeit aus und deren Beständigkeit gegen Abrieb und Korrosion geht auch bei höheren Temperaturen nicht verlo-ren. Die Zeitstandfestigkeit ist jedoch niedriger zu bewerten als bei den Nickelbasislegierungen. Die Zeitstandfestigkeit ist jene Zugspannung, die bei einem Werkstoff auf einer bestimmten Temperatur (bspw. 600 °C) über eine bestimmte Beanspru-chungszeit (bspw. 10.000 Stunden) zum Bruch führt. Die Zeitstandfestigkeit bestimmt die zuläs-sige Betriebsdauer eines Bauteils.
Ein Hauptlegierungsbestandteil der Kobaltbasisle-gierungen ist Chrom. Je nach Anwendung werden Molybdän, Wolfram, Nickel und andere Metalle zulegiert. Ihre Anwendung sind Bauteile, die hohen Verschleißbelastungen ausgesetzt sind, beispielsweise Schneidwerkzeuge, Laufschienen von Kettensägen, Auskleidungen von Waffenläu-fen und Gleitpaarungen von künstlichen Gelen-ken. Tab. 3.21 gibt die durchschnittliche Zusam-mensetzung üblicher Kobaltbasislegierungen an.
Kompressor für die Druckkabine
Zentrifugalverdichter, direkt
von der Turbine angetrieben Stator der Turbine
Kompressor für das Pneumatik-System
Triebwerks-Lufteinlass
Flansch für den nicht
montierten Startermotor Kraftstoffzuleitungen zu den Kraftstoffdüsen in den Brennkammern
16 Brennkammern, die um das Triebwerk angeordnet sind
Hauptwelle, die Turbine und Verdichter verbindet Turbinenkonus Strahlrohr Flansch um das Strahlrohr.
Versorgt die Kabine mit Warmluft
Abb. 3.12: Strahltriebwerk (Quelle: Ian Dunster, Wikimedia, CC BY-SA 3.0)
Tab. 3.20: Durchschnittliche Zusammen-setzung von Nickelbasis-Super-legierungen (Quelle: euROpeaN COm
-miSSiON 2020a; euROpeaN COmmiSSiON
2020b)
Legierungselement Gewichtsanteil [%]
Nickel 57
Chrom 17
Kobalt 10
Eisen 1,4
Molybdän 3
Aluminium 1,7
Titan 1,6
Niob 1,3
Kohlenstoff 0,07
Titanlegierungen
Die Nutzung von Titanlegierungen begann um 1950 und damit 50 Jahre nach den ersten Ver-suchen mit Nickel- und Kobaltbasislegierungen.
Ursprünglich auf die Luft- und Raumfahrtindust-rie beschränkt ist Titan aufgrund seines nicht zu übertreffenden Verhältnisses von Festigkeit zu Gewicht in unzählige Anwendungen vorgedrun-gen. Heute stehen hochwarmfeste, korrosions-beständige Titanlegierungen für Arbeitstempe-raturen bis 600 °C zur Verfügung (sibuM et al.
2017). Sie erreichen damit beinahe die Einsatz-grenze hochwarmfester Stähle. Tab. 3.22 zeigt die Zusammensetzung der Titanlegierung IMI 829 für Hochtemperatur-Technologien. Als weitere Legie-rungselemente in spezifischen Anwendungen werden Kupfer, Mangan, Vanadium und andere verwendet.
Cermets
Ein weiterer Werkstoff für warmfeste und ver-schleißfeste Werkstoffe sind Cermets. Das sind Metall-Keramik-Verbünde, bei denen in eine Metallphase keramische Stoffe oder Karbide ein-gelagert werden, beispielsweise Wolframkarbid in Kobalt, Titankarbid in Nickel, Aluminiumoxid (Al2O3) in Chrom oder Thoriumoxid (ThO2) in Wolfram. Durch die Nutzung von Metall als Bin-demittel wird die Sprödigkeit behoben, die für reine Keramiken typisch ist. Cermets werden als Hartmetalle in Schneidwerkzeugen für Metall und Stein genutzt, für Hochtemperatur-Anwendungen wie Thermoelement-Schutzröhren, als Kathoden in Elektronenstrahlröhren und als Gleitkugel in Kugelschreibern, um einige zu nennen. Ihre Her-stellung erfolgt pulvermetallurgisch.
3.1.6.3 Foresight Industrielle Nutzung
Die Nutzung von Nickel-Chrom-Legierungen geht auf den Beginn des 20. Jahrhunderts zurück. Ihre Nutzung hat seither stetig zugenommen und in jüngerer Zeit durch die Bestrebungen, mit Ener-gieeffizienz und Leichtbau zum Klimaschutz bei-zutragen und die stark steigenden Kosten für Brenn- und Treibstoffe aufzufangen, neue Impulse erhalten. Anwendungen von Superlegierungen wurden in den vorhergehenden Abschnitten dis-kutiert. Sie sind äußerst vielfältig und entziehen sich einer quantitativen Abschätzung des men-genmäßigen Umfangs der heutigen und künftigen Nutzung. Auch die Welthandelsstatistik der Ver-einten Nationen (UN COMTRADE) liefert keine verwertbaren Informationen für eine Abschätzung des globalen Bedarfs an Superlegierungen.
Superlegierungen vereinen mehrere vorteil-hafte Eigenscvorteil-haften, auf die bereits hingewiesen wurde. Ihre Anwendung führt zum Teil zu enor-men Verbesserungen in der Produktentwicklung.
Tab. 3.21: Durchschnittliche Zusammen-setzung von Kobaltbasis-Super-legierungen (Quelle: dONaldSON &
beyeRSmaNN 2012)
Legierungselement Gewichtsanteil [%]
Kobalt 55
Chrom 21,5
Molybdän 0,4
Wolfram 8,4
Eisen 2,6
Nickel 8,3
Tantal 1,7
Niob 0,4
Titan 0,5
Bor < 0,4
Zirkonium 0,1
Kohlenstoff < 0,85
Tab. 3.22: Zusammensetzung einer warm festen Titanlegierung (Quelle: meetham 2012)
Legierungselement Gewichtsanteil [%]
Titan 86,45
Aluminium 5,50
Zinn 3,50
Zirkonium 3,00
Niob 1,00
Silizium 0,30
Molybdän 0,25
Nach G. W. Meetham, von Rolls-Royce plc, UK, konnte z. B. an einem Strahltriebwerk durch den Einsatz einer Hochtemperatur-Titan-Legierung im Vergleich zum Werkstoff Stahl der Treibstoff-verbrauch um 13 % und das Gewicht um 18 % gesenkt sowie der Schub um 42 % gesteigert werden (MeethAM 2012). Bei Dieselmotoren hält die gleiche Quelle durch die Nutzung von Hoch-temperatur-Keramiken eine Steigerung des Wir-kungsgrads von 38 auf 65 % für möglich (Meet
-hAM 2012).
Die Werkstoffentwicklung von Superlegierungen ist noch keineswegs abgeschlossen, was sich auch daran zeigt, dass die Anzahl an Patenten zu Superlegierungen zwischen 2015 und 2019 kontinuierlich um 24 % zunahm (Frost & sulli
-VAn 2020b). Der Fokus vergangener Forschungs-arbeiten verschob sich innerhalb der letzten fünf Jahre in Richtung Nickel-Basislegierungen, zu welchen ein signifikant steigendes Interesse beobachtet werden kann, wohingegen die Anzahl der Forschungsarbeiten zu Kobalt- bzw. Eisen-Basislegierungen rückläufig war (Frost & sulli
-VAn 2020b). Neben der Weiterentwicklung neuer Legierungen wird auch die Bearbeitung von Bau-teilen aus Superlegierungen tiefergehend unter-sucht, da sich diese aufgrund der hohen Hitze-beständigkeit und Festigkeit häufig als schwierig erweist. Dabei stehen insbesondere Verfahren zur mechanischen Weiterverarbeitung (thellAPuttA
et al. 2017) und zum Schweißen von Superlegie-rungen (sAshAnK et al. 2020) im Fokus.
Durch das Vordringen von Superlegierungen gehen insbesondere Nachfrageimpulse auf Nickel, Chrom, Kobalt und Titan aus. Abb. 3.13 zeigt, dass sich die Zusammensetzung der Superlegierungen über die Zeit maßgeblich wei-terentwickelt. Ein Hemmnis für das Wachstum von Superlegierungen stellt die immer komple-xere Werkstoffzusammensetzung dar. Um den steigenden Anforderungen bezüglich mechani-scher Eigenschaften und Korrosionsbeständig-keit gerecht zu werden, steigen die Anteile teurer Elemente wie Rhenium oder Ruthenium, sodass die Kosten für Superlegierungen steigen (Frost &
sulliVAn 2020b).
20 18 16 14 12 10
Gewichts-%
8 6 4 2
01955 1960
Herkömmlicher Guß 1. Generation Einkristalline
Turbinen
2. Generation 3. Generation 4. Generation
1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005
Cr Ta + W Ti Re Co Mo Al Ru
Abb. 3.13: Materialentwicklung im Strahltriebwerksbau (Quelle: verändert nach CliFtON 2013)
3.1.6.4 Foresight Rohstoffbedarf
Für 2018 wird von NETL (2019) ein weltweiter Bedarf von 287 Kilotonnen Nickelbasis-Super-legierungen angegeben. Nach bedder & bAylis
(2013) sind 95 % der eingesetzten Superlegierun-gen auch NickelbasislegierunSuperlegierun-gen. Innerhalb des gebildeten Rohstoffbedarfsszenario wird davon ausgegangen, dass die übrigen 5 % Kobaltbasis-legierungen sind, da EisenbasisKobaltbasis-legierungen unter den Superlegierungen eher selten sind. Somit ergibt sich ein Bedarf von 15 Kilotonnen Kobalt-basislegierungen in 2018.
Über die durchschnittlichen Zusammensetzungen der Superlegierungen auf Nickel- bzw. Kobaltba-sis, welche in Tab. 3.20 und Tab. 3.21 gegeben sind, kann der Bedarf an den jeweiligen Legie-rungselementen für 2018 berechnet werden. Die-ser ist in Tab. 3.23 gegeben und wird der Metall-produktion desselben Jahres gegenübergestellt.
Um das Wachstum des Marktes für Superlegie-rungen abzuschätzen, wird zwischen den Anwen-dungsgebieten der Superlegierungen
unterschie-den, wie diese in Abb. 3.11 gegeben sind. Die Verwendung von Superlegierungen für Luft- und Raumfahrt wird als konstant zu der Anzahl pro-duzierter Flugzeuge angenommen, wie diese im Kapitel 3.1.3 beschrieben ist. Die Verwendung in den weiteren Anwendungsfeldern wird als kons-tant wachsend mit dem BIP nach den einzelnen Szenarien angesehen.
Die Rohstoffzusammensetzung der Superlegie-rungen wird über den betrachteten Zeitraum als konstant angenommen, kann sich in der Reali-tät jedoch durch neue Legierungsbestandteile und -zusammensetzungen verändern. Mit dem angenommenen Wachstum ergibt sich für 2040 ein abgeschätzter Bedarf von knapp 520 bis 720 Kilotonnen Superlegierungen. Daraus ergibt sich die Rohstoffbedarfsvorschau, welche in Tab.
3.23 gegeben wird. Der Rohstoffbedarf erweist sich im Szenario SSP5 als besonders kritisch, da innerhalb diesem vom größten Wachstum im Flugzeugbau ausgegangen wird. Bei Kobalt bei-spielsweise ergibt sich im SSP5-Szenario für das Jahr 2040 ein kritischer Bedarf von ca. 70 % der Jahresproduktion von 2018. Demgegenüber steht
Tab. 3.23: Globale Produktion (BGR 2021) und ermittelte Rohstoffbedarfe für Superlegierungen in t Rohstoff Produktion 2018 Bedarf 2018
Bedarfsvorschau 2040 NachhaltigkeitSSP1 SSP2
Mittelweg SSP5 Fossiler Pfad
Nickel 2.189.313 (R) 164.000 301.000 283.000 392.000
Chrom 27.000.000 (B) 52.000 95.000 89.000 124.000
Kobalt 126.019 (R) 37.000 68.000 63.000 88.000
Niob 68.200 (B) 4.000 6.900 6.500 9.000
Eisen 1.520.000.000 (B) 4.000 8.100 7.600 10.500
Molybdän 265.582 (B) 9.000 16.000 15.000 21.000
Aluminium 63.756.032 (R) 5.000 8.900 8.400 11.600
Titan 260.548 (R) 5.000 8.500 8.000 11.100
Wolfram 77.080 (B) 1.300 2.300 2.200 3.000
Tantal 1.832 (B) 260 470 440 610
Bor N/A1 60 110 100 140
Zirkonium 1.256.3622 (B) 20 28 26 36
B: Bergwerksförderung (t Inh.) R: Raffinadeproduktion (t Inh.)
1 Keine aussagekräftigen Daten verfügbar, da länderbezogene Produktionsdaten auf unterschiedlichen Bor-Produkten/
Bor-Inhalten basieren
2 Produktion Zirkoniumminerale
jedoch der Trend zu mehr Nickelbasislegierungen statt Kobaltbasislegierungen, welcher innerhalb des Szenarios nicht weiter berücksichtigt wer-den konnte. Jedoch wird Kobalt auch für Nickel-basislegierungen mit einem Massenanteil von bis zu 20 % eingesetzt (strAssburg 2019). Des Weiteren sind im SSP5-Szenario hohe Bedarfe von Nickel und Tantal zu berücksichtigen, welche 18 % bzw. 33 % der derzeitigen Produktion ent-sprechen. Geringere Einflüsse wird es auch auf den Markt von Niob (13 % der Produktion von 2018) und Molybdän (8 % der Produktion von 2018) geben. Für die Szenarien SSP1 und SSP2 ergeben sich jeweils niedrigere Rohstoffbedarfe, wobei trotz einer höheren Anzahl in der Flugzeug-produktion wegen des niedriger angenommenen Wirtschaftswachstums das Szenario SSP2 am niedrigsten liegt.
In den oben beschriebenen Annahmen wird von einer gleichbleibenden Zusammensetzung der Superlegierungen ausgegangen. In Zukunft könn-ten jedoch zusätzlich bis zu 4 % Rhenium und 5 % Ruthenium den Nickelbasisgelierungen zulegiert werden (Frost & sulliVAn 2020b). Es zeigt sich in Tab. 3.24, dass in dem SSP5-Szenario bis 2040 58 % der derzeitigen weltweiten Rheniumpro-duktion für Superlegierungen eingesetzt werden könnte, sodass bei einem Durchsetzen dieser Legierung mit einem signifikanten Einfluss auf den Rhenium-Markt zu rechnen wäre. Sogar noch kritischer ist die Bedarfsvorschau von Ruthenium, bei welcher der geschätzte Bedarf für Superlegie-rungen in dem SSP5-Szenario 2040 bei 109 % der Bergwerksförderung von 2018 liegt. In allen drei Szenarien wird mit einem erheblichen Ein-fluss auf die Märkte von Rhenium und insbeson-dere Ruthenium gerechnet.
3.1.6.5 Recycling, Ressourcen
effizienz und Substitution
Da Superlegierungen, wie oben dargestellt, u. a.
in großen Turbinen eingesetzt werden und ihre Zusammensetzung in Teilen bekannt ist, können diese effizient für das Recycling gesammelt wer-den. Die komplexe Zusammensetzung und Ver-änderung der Legierungsbestandteile, welche in Abb. 3.13 dargestellt ist, stellen jedoch eine große technische und folglich auch wirtschaftliche Herausforderung für das Recycling von Super-legierungen dar. Dennoch sind der hohe Roh-stoffpreis und die knappe Verfügbarkeit einiger Legierungsbestandteile der Superlegierungen Treiber für das Recycling. Neben dem Wieder-einschmelzen gemeinsam mit Primärmaterial zur Produktion neuer Superlegierungen existieren auch pyro- und hydrometallurgische Prozesse zur Gewinnung der einzelnen Metalle der Superlegie-rung (sriVAstAVA et al. 2014). Besonders knappe Metalle wie Ruthenium und Rhenium könnten in Zukunft substituiert werden.