Warum schmelzen Düsentriebwerke nicht?

Die Brennkammer eines modernen Turbofans wie des GE9X oder des Rolls-Royce Trent XWB liefert Gas an die erste Turbinenstufe mit Temperaturen um 1.600 °C, mit Spitzenwerten die noch höher liegen. Die Schaufeln dieser Stufe werden aus nickelbasierten Superlegierungen gegossen, deren Schmelzpunkt bei etwa 1.300-1.350 °C liegt und die schon deutlich darunter an Festigkeit verlieren. Auf dem Papier müsste die Schaufel innerhalb von Sekunden versagen. Das tut sie nicht, weil die Konstruktion sicherstellt, dass das Metall die Gastemperatur nie zu spüren bekommt. Drei Schutzschichten wirken zusammen: innere Kühlung, eine keramische Beschichtung und eine Kristallstruktur, die gewählt wurde, um Verformung unter Last zu widerstehen.

Jede Hochdruckturbinenschaufel ist hohl, mit einem schlangenförmigen Netz von Kanälen, die hineingegossen sind. Luft, die dem Verdichter bei etwa 650 °C entnommen wird, kalt im Vergleich, wird durch diese Kanäle gepumpt und tritt dann durch Hunderte lasergebohrter Löcher aus, jedes nur einen Bruchteil eines Millimeters breit, an der Vorderkante und den Oberflächen der Schaufel. Diese Luft breitet sich zu einem dünnen Film aus, der an der Oberfläche haftet und sie vom Verbrennungsgas isoliert. Zwischen 15 und 25 % des Luftstroms des Verdichters werden auf diese Weise verwendet, ein erheblicher Verlust, den die Konstrukteure akzeptieren, weil jedes zusätzliche 50 °C an Turbineneintrittstemperatur messbare Gewinne bei Schub und Effizienz bringt. Über der Schaufel liegt eine thermische Schutzschicht, typischerweise yttriumstabilisiertes Zirkonoxid, eine Keramik von wenigen hundert Mikrometern Dicke, aufgebracht durch Plasmaspritzen oder Gasphasenabscheidung; sie senkt die Metalltemperatur um weitere 100-150 °C. Darunter bildet eine aluminiumreiche Haftschicht einen Schutzoxid gegen Korrosion.

Selbst gekühlt läuft die Schaufel bei etwa 1.000 °C, während sie sich mit mehr als 10.000 U/min dreht und eine Fliehkraftbelastung trägt, die mehreren Tonnen entspricht, die an ihrer Spitze hängen. Gewöhnliches Gussmetall kriecht unter diesen Bedingungen, dehnt sich entlang der Korngrenzen, bis es versagt. Seit den 1980er Jahren werden Schaufeln als Einkristalle in Öfen mit gerichteter Erstarrung gezüchtet, wodurch Korngrenzen vollständig entfallen und höhere Temperaturen und längere Lebensdauern möglich werden. Der nächste Schritt sind keramische Matrixverbundwerkstoffe, Siliziumkarbidfasern in einer Siliziumkarbidmatrix, die ein Drittel des Gewichts einer Superlegierung haben und etwa 1.300 °C ohne Kühlung vertragen; GE führte sie in den Dichtringen und Düsen der Triebwerke LEAP und GE9X ein. Die Brennkammerauskleidung und die Leitschaufeln der Düse sind ähnlichen Belastungen ausgesetzt und verwenden ähnliche Kühlung, weshalb ein laufendes Triebwerk sichtbar durch seinen Auslass glühen kann, während die Verkleidung direkt daneben kühl genug bleibt, um sie zu berühren.