Harter Rand – zäher Kern

Dampfturbinen sind das Rückgrat der Energieversorgung. Von ihrer Zuverlässigkeit und Lebensdauer hängt die Sicherheit der Stromversorgung ab. Während des Betriebs sind sie enormen Belastungen ausgesetzt. Insbesondere die sehr großen Turbinenschaufeln im Niederdruckteil von Dampfturbinen werden doppelt beansprucht: Einerseits durch hohe statische und zyklische mechanische Belastungen.

Andererseits sorgen winzige Wassertröpfchen für intensiven Verschleiß. Die Tröpfchen kondensieren aus dem Dampf aus, treffen mit hoher Geschwindigkeit auf die Eintrittskanten der Turbinenschaufeln und zerstören diese. „Um diesem Beanspruchungsmix länger zu widerstehen, sind zähharte Gefügezustände nötig, die bei hohen Festigkeiten noch ausrechend plastisch verformbar sind“, erklärt Prof. Dr. Berndt Brenner vom Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden. Besonders hoch beanspruchte Schaufeln werden deshalb aus ausscheidungshärtbaren Stählen gefertigt. Ein Verfahren um die Randschicht zu härten, gab es für diese Werkstoffklasse jedoch bisher noch nicht.

Um diesem Dilemma abzuhelfen, entwickelte das Dresdner Team im Auftrag von Siemens Power Generation Mülheim ein neuartiges Randschichthärtungsverfahren. In den ersten zwei Arbeitsgängen wird durch eine komplette Lösungsglühung der gesamten Turbinenschaufel und einer anschließenden Aushärtung bei sehr hohen Temperaturen ein überalterter, weicher und ausreichend zäher Gefügezustand eingestellt. Im dritten Schritt wird die Eintrittskante der Schaufel, also nur die verschleißbeanspruchte Zone, noch einmal mit dem Laser bei höheren Temperaturen lösungsgeglüht und abgeschreckt. Anschließend wird die gesamte Turbinenschaufel erneut Ausscheidungs gehärtet, allerdings bei einer viel niedrigeren Temperatur. So wird nur die Randschicht hart, der Kern bleibt zäh. „Der damit verbundene Härteanstieg vermindert den Verschleiß im Kavitationsverschleißtest um etwa den Faktor drei. Damit können wir die Lebensdauer der Turbinenschaufel erhöhen“, kommentiert Frank Tietz vom IWS.

Inzwischen hat das Verfahren seine industrielle Feuertaufe überstanden und bewährt sich in 23 großen Dampfturbinen in Kraftwerken in Deutschland, Europa und dem Nahen und Fernen Osten. Für ihre Entwicklungen zum „Randschichtaushärten durch lokales Erzeugen von nanoskaligen Ausscheidungen – ein neues Verfahren zum Verschleißschutz von ausscheidungshärtbaren Werkstoffen“ erhalten Prof. Dr. Berndt Brenner und Dipl.-Ing. Frank Tietz einen Joseph-von-Fraunhofer-Preis 2006.

Ansprechpartner:
Prof. Berndt Brenner
Telefon: 03 51 / 25 83-2 07
Fax: 03 51 / 25 83-2 07
berndt.brenner@iws.fraunhofer.de
Dipl.Ing. Frank Tietz
Telefon: 03 51 / 25 83-2 03
Fax: 03 51 / 25 83-2 07
frank.tietz@iws.fraunhofer.de