Bauteiloptimierung von dünnwandigen Strukturen für den Hochtemperatureinsatz
Laserschweißnaht an einem hitzebeständigen hochlegierten Cr-Ni-Stahl<br>Abb.: ifw Jena<br>
Zielstellung des Vorhabens ist es, die Lebensdauer von dünnwandigen Hochtemperaturbauteilen wie zum Beispiel Brennkammern in Standheizungen, Komponenten im Abgasstrang oder Reformer für Brennstoffzellenanwendungen durch die Auswahl und Anpassung von Werkstoffen, Fügetechnologie und Beschichtungstechnik zu erhöhen.
Die Belastungen von Werkstoff und Schweißverbindungen sind aufgrund der vorliegenden thermozyklischen Beanspruchung, der herrschenden Temperaturen von über 1000°C und der korrosiven Atmosphäre sehr hoch. Diese komplexe Aufgabenstellung wird durch die drei Forschungspartner Zentrum für Brennstoffzellen Technik GmbH (ZBT), Günter-Köhler-Institut für Fügetechnik und Werkstoffprüfung Jena GmbH (ifw Jena) und dem Dechema Forschungsinstitut (DFI) bearbeitet.
Die Vorstellung und Diskussion des Projektes und der vorliegenden Forschungsergebnisse erfolgte mit den beteiligten Industrievertretern ThyssenKrupp VDM, Baxi Innotec GmbH, Vaillant GmbH und InnCoa GmbH im Rahmen der ersten Arbeitskreissitzung.
Das DFI stellte die Vorgehensweise bei der Herstellung, Charakterisierung und Optimierung der selbst entwickelten Diffusionsschichten auf Basis von Aluminium, unter der Zugabe von Nickel und Aktivelementen (Y, Hf und Ce) vor. Diese wurden auf den Grundwerkstoff X10NiCrAlTi32-20 (1.4958) im Pulverpackverfahren appliziert. Die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Beschichtungssysteme sollen zukünftig an die des austenitischen Werkstoffes angepasst werden.
Am ifw Jena wird die Fügetechnologie für die spezifischen Werkstoff- und Prozessbedingungen entwickelt. Hierbei sollen das Laserstrahlschweißen mit und ohne Zusatzwerkstoff, sowie das MSG-Schweißen mit wärmereduziertem Kurzlichtbogen untersucht werden. Im ersten Schritt wurden alle vorliegenden Grundwerkstoffe (X15CrNiSi 25-20, X10NiCrAlTi32-20 und NiCr25FeAlY) in Bezug auf die chemische Zusammensetzung und die mechanischen Eigenschaften entsprechend qualifiziert. Des Weiteren wurden erste Vorversuche zum Laserschweißen und MSG-Schweißen vorgestellt.
Das ZBT stellte die Möglichkeiten der Multiphysik-Simulation von Hochtemperaturbauteilen vor. Es wird angestrebt, aufgrund von gemessenen, ort- und zeitabhängigen Temperaturdaten thermomechanische Spannungen sichtbar zu machen und so örtliche und zeitliche Belastungsspitzen aufzuzeigen. In einem ersten Schritt wurden hierzu bereits Simulationsmodelle für Reformer in Brennstoffzellenanwendungen erfolgreich entwickelt.
Das Forschungsvorhaben „Bauteiloptimierung von dünnwandigen Strukturen für den Hochtemperatureinsatz“ (IGF16881BG) wird über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen Otto von Guericke e. V. (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und –entwicklung (IGF) vom Bundesministerium Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
Kontaktadressen:
T. Ebersbach
Günter-Köhler-Institut für Fügetechnik und Werkstoffprüfung GmbH
Otto-Schott-Straße 13
07745 Jena
Abteilung Fügetechnik
Tel.: 03641/204146
Mail: tebersbach@ifw-jena.de
Internet: http://www.ifw-jena.de
A. Naji
Dechema Forschungsinstitut
Theodor-Heuss-Allee 25
60486 Frankfurt am Main
Tel.: 069/7564362
Mail: naji@dechema.de
Internet: http://www.dechema.de
O. Pasdag
Zentrum für Brennstoffzellen Technik GmbH
Carl-Benz-Straße 201
47057 Duisburg
Abteilung Gasprozesstechnik
Tel.: 0203/75982211
Mail: o.pasdag@zbt-duisburg.de
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