Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Z-Ultra gebrauchsfertig: Neue Chromstähle für Hochtemperaturanwendungen

21.12.2016

Als wichtigster Industriewerkstoff ist Stahl mit mehr als 2500 Sorten hoch spezialisiert für unterschiedliche Anwendungen. Kleinste Änderungen der Zusammensetzung können das Materialgefüge auf atomarer Skala ändern und das Materialverhalten »im Großen« verbessern. Das Konsortium des EU- Projekts Z-Ultra unter Leitung des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik IWM entwickelte neue 12%-Chrom-Stähle für Hochtemperaturanwendungen, die bis zu 30% fester als herkömmliche 9%-Chrom-Stähle sind und im Kraftwerk längere Zeit höhere Temperaturen und Drücke aushalten. Atomistische Simulationsmethoden unterstützten hierbei die Stahl-Entwickler dabei, die Legierungen zielgerichtet zu entwickeln.

Höhere Betriebstemperaturen in Gas- und Kohlekraftwerken bedeuten höhere Wirkungsgrade und damit weniger CO2-Ausstoß pro Kilowattstunde Strom. Der Temperaturerhöhung sind jedoch von Natur aus Grenzen gesetzt.


Im Projekt Z-Ultra wurde ein 12-Tonnen-Schmiedestück als Demonstrator hergestellt.

Saarstahl


Z-Phasenbildung: Einzelne Chrom-Atome (Cr) aus der Eisenmatrix (Fe) (li.) diffundieren in Metallnitridteilchen hinein, bilden flache Cluster (Mitte) und diese wachsen zu periodischen Schichten (re.).

Fraunhofer IWM

Die in Kraftwerken eingesetzten Werkstoffe, in der Regel Stähle, verlieren mit steigender Temperatur ihre Festigkeit und halten den in Turbinen und Rohrleitungen herrschenden Belastungen nicht mehr stand. Zudem nimmt die Korrosion mit steigender Temperatur deutlich zu. Generationen von Ingenieurinnen und Ingenieuren arbeiteten deshalb an der weiteren Verbesserung der Stähle, sodass mit den heutigen 9%-Chrom-Stählen Betriebstemperaturen von 615 °C möglich sind gegenüber maximal 300 °C vor 100 Jahren.

Mehr Chrom im Stahl hat Vor- und Nachteile

Um die Betriebstemperatur weiter zu steigern, ist ein höherer Chromgehalt im Stahl erforderlich. Das Element Chrom hat die angenehme Eigenschaft, eine schützende Chromoxidschicht auf der Stahloberfläche zu bilden und das umso wirkungsvoller, je höher der Chromgehalt ist. Der dadurch verbesserte Korrosionsschutz erlaubt nicht nur höhere Temperaturen, sondern auch den Einsatz biologischer Abfälle und anderer erneuerbarer Brennstoffe, deren Verbrennungsprodukte sehr aggressiv sein können.

»Nun gibt es aber leider einen Pferdefuß, der die Nutzung höherer Chromgehalte bisher verhindert hat: Die bemerkenswerte Festigkeit der derzeit besten warmfesten Stähle beruht nämlich auf fein verteilten Nitrid-Teilchen«, erklärt Prof. Dr. Hermann Riedel, Projektleiter am Fraunhofer IWM. Chromatome können bei den Betriebstemperaturen in diese Teilchen einwandern und sie damit in die sogenannte Z-Phase umwandeln. Auf Kosten der feinen Nitride entstehen dann grobe Z-Phasenteilchen, die für die Festigkeit nutzlos sind.

»In den derzeitigen 9%-Chromstählen dauert diese unerwünschte Umwandlung Jahrzehnte, während sie bei 12% Chromgehalt schon in einem Jahr zu einem nicht tolerierbaren Festigkeitsabfall führt«, so Riedel. Deshalb seien die 12%-Chromstähle bisher nicht in Kraftwerken einsetzbar, da diese ja für eine Lebensdauer von mehr als zehn Jahre ausgelegt werden.

Der Trick: Z-Phase als Stabilisator nutzen

»Wir haben uns im Projekt Z-Ultra das Ziel gesetzt, die grobkörnige, spröde Z-Phase in ihrem Wachstum so zu beeinflussen, dass sie nicht mehr schädlich ist, sondern den Stahl im Gegenteil stabiler macht«, erklärt Riedel. »Wir haben Legierungszusammensetzungen und Herstellungsverfahren gesucht und gefunden, welche die Z-Phase ganz fein im Stahl verteilt – das führt zu einer langfristig stabilen Teilchenstruktur«, so der Physiker. Die besten der sieben im Projekt neu entwickelten Legierungen sind rund 30 % fester als die herkömmlichen 9%-Chromstähle, haben eine 10 Mal höhere Lebensdauer unter gleichen Belastungsbedingungen und ihre Korrosionsfestigkeit ist erheblich besser.

Rohre aus den neuen Werkstoffen wurden unter Bedingungen getestet, die denen im Überhitzer eines Kraftwerks-Wärmetauschers nahe kommen: heißer Wasserdampf im Inneren und korrosive Verbrennungsgase und Aschepartikel an der Außenseite. Die Versuche zeigten, dass das Korrosionsverhalten der Werkstoffe bis 647 °C immer noch sehr gut war. Die schützenden Oxidschichten waren gleichmäßig gewachsen – auf der Außenseite dicker als auf der Innenseite. Einige Rohre wurden auch im echten Kraftwerksbetrieb getestet. Sie wurden inzwischen entnommen, untersucht und erneut für Langzeittests in ein Kohlekraftwerk eingesetzt.

»Um die Praxistauglichkeit zu zeigen, hat der beteiligte Stahlhersteller ein großes, zwölf Tonnen schweres Schmiedestück angefertigt, denn nicht allein die chemische Zusammensetzung des Stahls ist für die Werkstoffeigenschaften verantwortlich, sondern auch der Herstellungsprozess, insbesondere die Wärmebehandlung«, erläutert Riedel. Schließlich ist es wichtig, dass die herausragenden Materialeigenschaften beim Schweißen der Rohrleitungen und anderer Kraftwerksteile erhalten bleiben. Ein Schwerpunkt im Projekt war deshalb die Entwicklung von geeigneten Schweißverfahren, bis hin zu Ringen aus dem großen Schmiedeteil als Modell für geschweißte Turbinenrotoren.

Simulations-Tools für zielgerichtete Legierungsentwicklung

Bei der Entwicklung der genauen Zusammensetzung der neuen Stähle und den Parametern für den Schmiedeprozess ließen sich die Stahlentwickler kontinuierlich von atomistischen Simulationen leiten. Um die Materialentwicklung durch den Einsatz numerischer Simulationsmethoden zu beschleunigen, untersuchten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Fraunhofer IWM mit atomistischen und thermodynamischen Simulationen Fragen wie »Auf welche Weise bildet sich die Z-Phase?« oder »Was passiert während der Herstellung und später im Betrieb auf atomarer Skala?«

Sie untersuchten gezielt das Verhalten und den Einfluss der unterschiedlichen Legierungsbestandteile und optimierten die atomare Zusammensetzung der Legierung mit ihren Ergebnissen. So lässt sich zum Beispiel sagen, bei welchem Gehalt an Kohlenstoff, Stickstoff, Niob oder Tantal der Prozess der Z-Phasenumwandlung am schnellsten oder am langsamsten vonstattengeht. Atomistische Simulationen trugen so maßgeblich dazu bei, die einzelnen Schritte in diesem komplexen Umwandlungsprozess zu identifizieren und deren gegenseitige Abhängigkeiten und Beeinflussung zu verstehen.

An dem EU-geförderten Projekt Z-Ultra beteiligten sich unter der Leitung des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik IWM sechs weitere Forschungsinstitute sowie je ein Stahlhersteller, ein Kraftwerksbetreiber und eine Ingenieur-Beratungsfirma aus der EU und aus den östlichen Partnerländern Ukraine, Georgien und Armenien.

Hintergrundbox:
Stahl ist der ideale Werkstoff für Bauteile in Hochtemperaturanwendungen bis zu 600 °C, wie sie in Kraftwerken oder in der chemischen Industrie auftreten können. In den 1980er Jahren brachte die Entwicklung der 9%-Chromstähle einen großen Fortschritt, mit denen die Anwendungstemperatur von 540 auf 615 °C gesteigert werden konnte. Bei diesen Temperaturen halten Bauteile aus 9%-Chromstahl etwa 20 bis 30 Jahre. Inzwischen wurden 12%-Chromstähle entwickelt, die zwar höhere Temperaturen aushalten, die jedoch bisher eine geringere Bauteillebensdauer aufweisen. Um diese neuen Stähle für Industrieanwendungen zu qualifizieren, wurde das EU-Projekt Z-Ultra gestartet.

Die 12%-Chromstähle sind interessant, da die thermische Stromerzeugung aus fossilen Brennstoffen voraussichtlich noch für viele Jahre ein wichtiger Teil der Stromerzeugung sein wird: Sie wird die Schwankungen in der Stromerzeugung der erneuerbaren Energien im Stromnetz ausgleichen. Für wirtschaftlich aufstrebende Länder innerhalb und außerhalb der EU ist zudem zu erwarten, dass die Anzahl von Kohle- und Gaskraftwerken ansteigen wird. Umso wichtiger ist es, deren Wirkungsgrad zu erhöhen, damit der Verbrauch der fossilen Brennstoffe sowie der CO2-Ausstoß möglichst gering bleiben.

Kontakt:
Prof. Dr. Hermann Riedel | Telefon +49 761 5142-103 | hermann.riedel@iwm.fraunhofer.de
Dr. Daniel Urban | Telefon +49 761 5142-378 | daniel.urban@iwm.fraunhofer.de

Weitere Informationen:

http://www.iwm.fraunhofer.de/presse-veranstaltungen-publikationen-preise/details... - PM mit druckfähigen Bildern

Katharina Hien | Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Kleine Strukturen – große Wirkung
21.11.2017 | Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS

nachricht Transparente Beschichtung für Alltagsanwendungen
20.11.2017 | Karlsruher Institut für Technologie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Kleine Strukturen – große Wirkung

Innovative Schutzschicht für geringen Verbrauch künftiger Rolls-Royce Flugtriebwerke entwickelt

Gemeinsam mit Rolls-Royce Deutschland hat das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS im Rahmen von zwei Vorhaben aus dem...

Im Focus: Nanoparticles help with malaria diagnosis – new rapid test in development

The WHO reports an estimated 429,000 malaria deaths each year. The disease mostly affects tropical and subtropical regions and in particular the African continent. The Fraunhofer Institute for Silicate Research ISC teamed up with the Fraunhofer Institute for Molecular Biology and Applied Ecology IME and the Institute of Tropical Medicine at the University of Tübingen for a new test method to detect malaria parasites in blood. The idea of the research project “NanoFRET” is to develop a highly sensitive and reliable rapid diagnostic test so that patient treatment can begin as early as possible.

Malaria is caused by parasites transmitted by mosquito bite. The most dangerous form of malaria is malaria tropica. Left untreated, it is fatal in most cases....

Im Focus: Transparente Beschichtung für Alltagsanwendungen

Sport- und Outdoorbekleidung, die Wasser und Schmutz abweist, oder Windschutzscheiben, an denen kein Wasser kondensiert – viele alltägliche Produkte können von stark wasserabweisenden Beschichtungen profitieren. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben Forscher um Dr. Bastian E. Rapp einen Werkstoff für solche Beschichtungen entwickelt, der sowohl transparent als auch abriebfest ist: „Fluoropor“, einen fluorierten Polymerschaum mit durchgehender Nano-/Mikrostruktur. Sie stellen ihn in Nature Scientific Reports vor. (DOI: 10.1038/s41598-017-15287-8)

In der Natur ist das Phänomen vor allem bei Lotuspflanzen bekannt: Wassertropfen perlen von der Blattoberfläche einfach ab. Diesen Lotuseffekt ahmen...

Im Focus: Ultrakalte chemische Prozesse: Physikern gelingt beispiellose Vermessung auf Quantenniveau

Wissenschaftler um den Ulmer Physikprofessor Johannes Hecker Denschlag haben chemische Prozesse mit einer beispiellosen Auflösung auf Quantenniveau vermessen. Bei ihrer wissenschaftlichen Arbeit kombinierten die Forscher Theorie und Experiment und können so erstmals die Produktzustandsverteilung über alle Quantenzustände hinweg - unmittelbar nach der Molekülbildung - nachvollziehen. Die Forscher haben ihre Erkenntnisse in der renommierten Fachzeitschrift "Science" publiziert. Durch die Ergebnisse wird ein tieferes Verständnis zunehmend komplexer chemischer Reaktionen möglich, das zukünftig genutzt werden kann, um Reaktionsprozesse auf Quantenniveau zu steuern.

Einer deutsch-amerikanischen Forschergruppe ist es gelungen, chemische Prozesse mit einer nie dagewesenen Auflösung auf Quantenniveau zu vermessen. Dadurch...

Im Focus: Leoniden 2017: Sternschnuppen im Anflug?

Gemeinsame Pressemitteilung der Vereinigung der Sternfreunde und des Hauses der Astronomie in Heidelberg

Die Sternschnuppen der Leoniden sind in diesem Jahr gut zu beobachten, da kein Mondlicht stört. Experten sagen für die Nächte vom 16. auf den 17. und vom 17....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Tagung widmet sich dem Thema Autonomes Fahren

21.11.2017 | Veranstaltungen

Neues Elektro-Forschungsfahrzeug am Institut für Mikroelektronische Systeme

21.11.2017 | Veranstaltungen

Raumfahrtkolloquium: Technologien für die Raumfahrt von morgen

21.11.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Wasserkühlung für die Erdkruste - Meerwasser dringt deutlich tiefer ein

21.11.2017 | Geowissenschaften

Eine Nano-Uhr mit präzisen Zeigern

21.11.2017 | Physik Astronomie

Zentraler Schalter

21.11.2017 | Biowissenschaften Chemie