Die Flugzeugunglücke Ende 2024 haben weltweit Besorgnis über die Flugsicherheit ausgelöst. Als Fachleute in der Luft- und Raumfahrt ist die Gewährleistung der Qualitätskontrolle unsere Hauptaufgabe. Die Sicherheit in der Luftfahrt hängt vom Betriebsmanagement und von den Fertigungsprozessen der Komponenten ab. Dieser Artikel befasst sich mit den kritischen Oberflächenbehandlungstechnologien, die bei der Herstellung von Luft- und Raumfahrtkomponenten zum Einsatz kommen, und deckt zwei Kernbereiche ab: Oxidationsbehandlung und Korrosionsschutzbeschichtungen. Er erörtert deren Bedeutung für den Schutz von Aluminiumlegierungen vor verschiedenen Formen der Korrosion, um die Sicherheit und Effektivität von Luft- und Raumfahrtkomponenten zu gewährleisten.

I. Einführung in die Oberflächenbehandlung in der Luft- und Raumfahrt

1. Die Bedeutung der Oberflächenbehandlung in der Luft- und Raumfahrttechnik

Die Oberflächenbehandlung ist ein Eckpfeiler der Luft- und Raumfahrttechnik, der für die Haltbarkeit, Sicherheit und Leistung von Luft- und Raumfahrtkomponenten entscheidend ist. Aluminiumlegierungen, die für ihr geringes Gewicht und ihre hohen Festigkeitseigenschaften bekannt sind, werden in der Luft- und Raumfahrtindustrie häufig verwendet, sind jedoch mit erheblichen korrosionsbedingten Problemen konfrontiert, darunter Lochfraß und Spannungsrisskorrosion. Die Luft- und Raumfahrtindustrie verlässt sich in hohem Maße auf diese Technologien, um Flugzeugkomponenten vor den rauen Umgebungsbedingungen zu schützen, die während des Fluges auftreten. Zu diesen Bedingungen gehören extreme Temperaturen, hohe Luftfeuchtigkeit und erhebliche mechanische Belastungen, die zu Korrosion, Verschleiß und Ermüdung führen können. Durch das Aufbringen einer Schutzschicht auf die Bauteiloberfläche verbessern Oberflächenbehandlungstechnologien die Korrosionsbeständigkeit und erhalten die strukturelle Integrität von Luft- und Raumfahrtbauteilen, so dass diese den harten Bedingungen des Flugs standhalten können.

2. Kurzer Überblick über die Korrosionsbeständigkeit und ihre Bedeutung in der Luft- und Raumfahrt

Korrosionsbeständigkeit ist ein wesentliches Merkmal von Bauteilen für die Luft- und Raumfahrt, das sich direkt auf ihre Sicherheit und Betriebsleistung auswirkt. Aluminiumlegierungen, die für ihr geringes Gewicht und ihre Festigkeit bekannt sind, sind besonders anfällig für verschiedene Formen der Korrosion, so dass Technologien zur Oberflächenbehandlung für ihren Schutz entscheidend sind. Korrosion kann die strukturelle Integrität von Bauteilen beeinträchtigen, was zu katastrophalen Ausfällen führen kann. Um dem entgegenzuwirken, setzen die Ingenieure der Luft- und Raumfahrtindustrie verschiedene Oberflächenbehandlungsverfahren ein, die die Korrosionsbeständigkeit von Flugzeugkomponenten erhöhen sollen. Techniken wie Eloxieren, Galvanisieren und Wärmedämmschichten werden üblicherweise eingesetzt, um eine Schutzschicht auf die Oberfläche aufzubringen, die Korrosion verhindert und die Lebensdauer der Komponenten verlängert. Diese Maßnahmen sind für die Aufrechterhaltung der Zuverlässigkeit und Sicherheit von Flugzeugen im Einsatz unerlässlich.

3. Historischer Kontext der Oberflächenbehandlungstechnologien

Die Entwicklung der Oberflächenbehandlungstechnologien in der Luft- und Raumfahrt hat eine lange Geschichte, die bis in die Anfänge der Luftfahrt zurückreicht. Ursprünglich waren diese Behandlungen rudimentär und dienten in erster Linie dazu, den notwendigen Korrosionsschutz zu gewährleisten. Mit der Weiterentwicklung der Luft- und Raumfahrtindustrie wurden jedoch auch die Oberflächenbehandlungsverfahren immer ausgefeilter. Heute setzen die Ingenieure der Luft- und Raumfahrt modernste Techniken ein, die eine überlegene Korrosionsbeständigkeit, Verschleißfestigkeit und Wärmeschutz bieten. Diese Fortschritte haben maßgeblich zur Verbesserung der Sicherheit und Leistung von Flugzeugkomponenten beigetragen und spiegeln das Engagement der Branche für kontinuierliche Verbesserung und Innovation wider.

II. Technologien zur Behandlung durch Oberflächenoxidation

III. Metallveredelung in der Luft- und Raumfahrt und Technologien zur Oberflächenoxidation

Technologien zur Metallveredelung und Oberflächenoxidation in der Luft- und Raumfahrt sind von zentraler Bedeutung für die Verbesserung der Leistung und Langlebigkeit von Luft- und Raumfahrtkomponenten. Diese Technologien umfassen die Anwendung spezieller Beschichtungen und Oberflächenbehandlungen zum Schutz vor Korrosion, Verschleiß und Umweltschäden. Durch den Einsatz dieser fortschrittlichen Techniken können Luft- und Raumfahrtingenieure sicherstellen, dass Komponenten ihre strukturelle Integrität und Funktionalität auch unter den anspruchsvollsten Bedingungen beibehalten.

Oberflächenoxidationsbehandlungen wie Eloxieren und Chromsäure erzeugen eine robuste Schutzschicht auf Metalloberflächen. Das Eloxieren wird beispielsweise häufig für Aluminiumbauteile verwendet und bildet eine dauerhafte Aluminiumoxidschicht, die die Korrosionsbeständigkeit und die Verschleißeigenschaften erheblich verbessert. In ähnlicher Weise ist die Chromsäurebehandlung für Magnesiumlegierungen unverzichtbar, da sie eine schützende Chromatschicht bildet, die vor Umweltbelastungen schützt.

Diese Metallveredelungsverfahren werden sorgfältig kontrolliert, um die strengen Industrienormen zu erfüllen und sicherzustellen, dass jedes Bauteil den optimalen Schutz erhält. Durch die Integration dieser Technologien in den Fertigungsprozess kann die Luft- und Raumfahrtindustrie zuverlässige Komponenten herstellen, die den rauen Umgebungsbedingungen während des Flugs standhalten.

I. Metallveredelung in der Luft- und Raumfahrt und Technologien zur Oberflächenbehandlung durch Oxidation

1. Eloxalverfahren

Grundsatz: Ein elektrolytisches Verfahren, bei dem eine Oxidschicht auf Metalloberflächen erzeugt wird, die vor allem bei Aluminiumlegierungen zur Bildung einer Tonerdebeschichtung verwendet wird.

Prozessablauf:

• Vor-Behandlung: Entfettung, Reinigung und saures Beizen, um ein sauberes Substrat zu gewährleisten.
• Eloxieren: In einem elektrolytischen Bad fungiert das Bauteil als Anode und Blei/Graphit als Kathode. Zu den wichtigsten Parametern gehören die Zusammensetzung des Elektrolyts (Schwefel-/Chromsäure), die Spannung (10-20 V), die Stromdichte (1-3 A/dm²) und die Zeit (20-60 Minuten).
• Nach der Behandlung:
• Reinigung: Entfernung von Elektrolytresten.
• Versiegeln: Füllen von Mikroporen mit kochendem Wasser, Nickelsalzen oder Silikatlösungen zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit (Salzsprühtest ≥500 Stunden), der Verschleißfestigkeit (Härte HV300-500) und der Isolierung (Durchschlagsspannung >200V).

Normen:

• MIL-A-8625 (Aluminium allgemein)
• AMS2470 (Chromsäure-Eloxierung)
• AMS2472 (Schwefelsäureanodisierung mit Färbung)

2. Chromsäure-Behandlung

Grundsatz: Als Teil eines umfassenden Metallveredelungsprozesses besteht das Prinzip darin, durch chemische Reaktionen eine schützende Chromatschicht zu bilden, insbesondere für Magnesiumlegierungen (Mangangehalt < 1,5%).

Eigenschaften:

• Geeignet für Guss-/Schmiedeteile mit einer Schichtdicke von 0,5-3μm.
• Salzsprühnebelbeständigkeit: 72 Stunden (unversiegelt) bis 300 Stunden (versiegelt).

Beschränkungen: Die behandelte Oberfläche ist spröde und sollte nicht weiter mechanisch bearbeitet werden.

3. Elektrolytische Behandlung

Grundsatz: Die Oberflächenpassivierung durch elektrischen Strom in Elektrolyten ist eines der wichtigsten Verfahren der Metallveredelung und entspricht der Norm AMS2476.

Anwendungen: Komponenten aus Magnesiumlegierung, Verbesserung:

• Korrosionsbeständigkeit (Salzsprühtest ≥500 Stunden)
• Lackhaftung (Gitterschnitttest ≥4B)
• Verschleißfestigkeit (Taber-Abrieb < 50mg/1000 Zyklen)

Hinweis: Die elektrolytische Beschichtung hat eine hohe Rauheit (Ra >1,6μm) und erfordert eine Harzversiegelung oder einen Anstrich.

4. Schwarz-Oxid-Beschichtung

Grundsatz: Erzeugt eine Fe₃O₄-Oxidschicht (0,5-1,5μm dick) auf Kohlenstoff-/Legierungsstahloberflächen.

Eigenschaften:

• Hohe Ölabsorption (Ölrückhaltung >90%)
• Leichte Korrosionsbeständigkeit (24 Stunden neutraler Salzsprühnebel ohne Rotrost)
• Temperaturbeständigkeit ≤150℃ (kompatibel mit Schmiermitteln)

Typische Anwendungen: Zahnräder, Lager und andere in Öl getauchte Teile, die der Norm AMS2485 entsprechen und eine hervorragende Metalloberfläche gewährleisten.

IV. Technologien für Korrosionsschutzbeschichtungen

Korrosionsschutzbeschichtungen sind ein wesentlicher Bestandteil der Luft- und Raumfahrttechnik. Sie stellen eine wichtige Verteidigungslinie gegen Korrosion und umweltbedingte Beeinträchtigungen dar. Diese Beschichtungen bilden eine Barriere, die Bauteile der Luft- und Raumfahrt vor den korrosiven Auswirkungen von Feuchtigkeit, Chemikalien und anderen Umweltbelastungen schützt und so ihre Lebensdauer verlängert und ihre Leistungsfähigkeit erhält.

Die Zinkchromat-Grundierung ist eine der am häufigsten verwendeten Korrosionsschutzbeschichtungen in der Luft- und Raumfahrtindustrie. Sie ist besonders wirksam bei der Verhinderung galvanischer Korrosion, die auftritt, wenn verschiedene Metalle miteinander in Kontakt kommen. Die Grundierung bietet eine ausgezeichnete Haftung und schnelle Trocknungseigenschaften und sorgt für einen Schmiereffekt, der die Reibung und den Verschleiß der Bauteile verringert.

Phosphatbeschichtungen sind eine weitere wichtige Korrosionsschutztechnologie, die in der Luft- und Raumfahrt zum Einsatz kommt. Diese Beschichtungen bilden eine poröse Schicht auf der Oberfläche von Stahlteilen, die die Lackhaftung verbessert und die mechanische Belastung verringert. Durch die Verbesserung der Oberflächeneigenschaften der Bauteile tragen Phosphatbeschichtungen zu ihrer allgemeinen Haltbarkeit und Leistung bei.

Durch die Anwendung dieser fortschrittlichen Korrosionsschutzbeschichtungen können Luft- und Raumfahrtingenieure sicherstellen, dass die Komponenten auch in den schwierigsten Umgebungen geschützt und funktionsfähig bleiben.

II. Technologien für Korrosionsschutzbeschichtungen

1. Zinkchromat-Grundierung

Funktion: Die Zinkchromat-Grundierung ist für die Metallveredelung in der Luft- und Raumfahrt von entscheidender Bedeutung, da sie galvanische Korrosion verhindert (Metallkontakt mit einem Potenzialunterschied von >0,25 V).

Vorteile:

• Einkomponentige Alkydbasis, schnell trocknend (Oberflächentrocknung < 30 Minuten)
• Ausgezeichnete Haftung (Gitterschnitttest 5B)
• Temperaturbeständigkeit bis zu 200℃, mit Schmiereigenschaften (40% Reduzierung des Reibungskoeffizienten)

Standard: Serie TT-P-1757, geeignet für die Vorbeschichtung von Bolzen aus Magnesiumlegierungen.

2. Phosphatierte Beschichtungsgrundlage

Prozess: Eintauchen in Zinkphosphatlösung (85℃, pH 2,5-3,5) für 10-20 Minuten.

Auswirkungen:

• Bildet eine poröse Zinkphosphatschicht (1-5μm dick)
• Reduziert den Oberflächenreibungskoeffizienten auf 0,1-0,15
• Reduziert die mechanische Belastung und verbessert die Lackhaftung (Abziehfestigkeit >5MPa)

Standard: AMS2480, geeignet für Stahlteile unter 300℃.

3. Lack-Decklack-Systeme

Klassifizierung und Eigenschaften:

Prozess-Anforderungen:

• Oberflächenrauhigkeit des Substrats Ra ≤0,8μm (Stahlteile müssen bis zur Qualität Sa2,5 sandgestrahlt werden)
• Mehrschichtige Beschichtung (Grundierung 20-30μm + Deckschicht 50-80μm)

V. Aufkommende Technologien zur Oberflächenbehandlung

Neue Technologien zur Oberflächenbehandlung stehen an der Spitze der Innovation in der Luft- und Raumfahrttechnik. Sie bieten einen verbesserten Korrosionsschutz und eine längere Lebensdauer für Luft- und Raumfahrtkomponenten. Diese Spitzentechnologien nutzen fortschrittliche Materialien und Techniken, um überlegene Leistung und reduzierte Wartungskosten zu bieten und den sich entwickelnden Anforderungen der Industrie gerecht zu werden.

1. Laserstrahl-Auftragschweißen: Verfahren und Anwendungen

Das Laserstrahl-Auftragschweißen ist eine revolutionäre Technologie zur Oberflächenbehandlung, bei der mit einem Hochleistungslaserstrahl eine Schutzschicht auf die Oberfläche von Bauteilen aufgeschmolzen wird. Bei diesem Verfahren entsteht eine metallurgisch gebundene Beschichtung mit außergewöhnlicher Korrosionsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit. In der Luft- und Raumfahrttechnik erhöht das Laserstrahl-Auftragschweißen die Haltbarkeit kritischer Bauteile wie Turbinenschaufeln und Fahrwerke, die extremen mechanischen Belastungen und Umweltbedingungen ausgesetzt sind.

Die Präzision und Kontrolle, die das Laserstrahl-Auftragschweißen bietet, machen es ideal für Anwendungen, bei denen herkömmliche Beschichtungsmethoden versagen könnten. Durch die Bereitstellung einer robusten Schutzschicht trägt das Laserstrahl-Auftragschweißen dazu bei, die Lebensdauer von Bauteilen in der Luft- und Raumfahrt zu verlängern und sicherzustellen, dass sie den Strapazen des Flugs standhalten können.

3. Nanotechnologie: Rolle beim Korrosionsschutz und der Oberflächenbehandlung

Die Nanotechnologie verändert die Landschaft der Oberflächenbehandlungstechnologien in der Luft- und Raumfahrttechnik. Ingenieure können mithilfe von Nanomaterialien fortschrittliche Beschichtungen mit beispiellosem Korrosionsschutz und Haltbarkeit entwickeln. Diese Nanobeschichtungen sind so konzipiert, dass sie eine gleichmäßige und fehlerfreie Schutzschicht bilden, die die Leistung von Luft- und Raumfahrtkomponenten erheblich verbessert.

Die Anwendung der Nanotechnologie bei der Oberflächenbehandlung ermöglicht die Herstellung von Beschichtungen mit einzigartigen Eigenschaften, wie z. B. Selbstheilungsfähigkeiten und erhöhte Widerstandsfähigkeit gegen Umweltbelastungen. Diese Innovationen verbessern die Langlebigkeit von Bauteilen und senken die Wartungskosten, was sie zu einer wertvollen Ergänzung des Arsenals an Oberflächenbehandlungstechnologien für die Luft- und Raumfahrtindustrie macht.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die kontinuierliche Entwicklung neuer Oberflächenbehandlungstechnologien, wie z. B. Laserauftragschweißen und Nanotechnologie, die Luft- und Raumfahrtindustrie zu einer hervorragenden Zuverlässigkeit und Effizienz führt. Durch die Nutzung dieser Fortschritte können Fachleute der Luft- und Raumfahrtindustrie sicherstellen, dass Komponenten geschützt bleiben und selbst unter den anspruchsvollsten Bedingungen optimal funktionieren.

III. Zentrale Gestaltungsrichtlinien

1. Reihenfolge der Prozesse: Zu den wichtigsten Konstruktionsrichtlinien für Werkstoffe und Bauteile in der Luft- und Raumfahrt gehören der Prozessablauf, die Kontrolle der Schichtdicke und die Kompatibilitätsprüfung. Das Schweißen/Bearbeiten muss vor der Oberflächenbehandlung erfolgen, um eine Beschädigung der Schutzschichten zu vermeiden.
2. Kontrolle der Beschichtungsdicke: Muss in den Zeichnungen angegeben werden (z. B. Eloxalschicht 10-25μm).
3. Kompatibilitätstests: Beschichtungssysteme müssen kombinierte 2000-Stunden-Umwelttests (Feuchtigkeit + Salznebel + UV) bestehen.

Schlussfolgerung

Oberflächenbehandlungsverfahren sind für die Sicherheit in der Luftfahrt und verschiedene Anwendungen in der Raumfahrt von entscheidender Bedeutung. Vom Eloxieren bis hin zu Verbundstoffbeschichtungen muss jedes Verfahren strenge Normen einhalten. Mit den zunehmenden Umweltvorschriften (z. B. Ersatz von sechswertigem Chrom) werden umweltfreundliche Oberflächenbehandlungsverfahren in Zukunft in den Mittelpunkt der Entwicklung rücken. Fachleute aus der Luft- und Raumfahrt müssen weiterhin Innovationen entwickeln, um die Zuverlässigkeit von Komponenten zu verbessern und die Sicherheit jedes Fluges zu gewährleisten.