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C - Programmergebnisse
C.1.1 Werkstoffsysteme für Kraftwerke
Der Schwerpunkt der Forschungsarbeiten lag 2004 in Übereinstimmung mit dem begutachteten
Programm auf der Entwicklung neuer Wärmedämm- und Korrosionsschutzschichten für stationäre
Gasturbinen sowie der Lebensdauermodellierung beschichteter Nickelbasislegierungen unter
betriebsrelevanten Bedingungen. Weitere Schwerpunkte bildeten die Untersuchung ferritischer und
austenitischer Hochtemperaturwerkstoffe für ihre Eignung in fortgeschrittenen
Hochtemperaturdampfkraftwerken sowie die Heißgasreinigung für neue Kombiprozesse auf Kohle -
und Biomassebasis.
Die Empfehlung der Gutachter, für CO2-Abtrenntechnologien geeignete Membranen zu entwickeln,
wurde mit Beginn 2004 durch die Einrichtung eines Projektteams und den Aufbau geeigneter
Herstellungs- und Testeinrichtungen in Angriff genommen.
• Auf dem Gebiet der Beschichtungstechnik durch thermisches Spritzen wurde das
Prozessverständnis durch Einsatz neuer Diagnosetools zur Erfassung der
Teilchengeschwindigkeit und -temperatur erheblich verbessert und damit die Grundlagen zur
Modellierung des mikrostrukturellen Schichtaufbaus erarbeitet. Diese Diagnosetools liefern
nicht nur ein besseres Verständnis über die Wechselwirkung von Pulverteilchen mit dem
Plasma und der daraus resultierenden Temperatur- und Geschwindigkeitsverteilung, sondern
auch eine wesentliche Basis für die Entwicklung von Online - Monitoring und -
Regelungssystemen für industrielle thermische Spritzverfahren, die eine reproduzierbare
Schichtdickenverteilung mit definierter Mikrostruktur in der industriellen Praxis ermöglichen.
• Deutliche Fortschritte konnten bei der Herstellung keramischer Wärmedämmschichten ( > 0,5
mm ) erzielt werden, die durch Einführung von Segmentierungsrissen während des
Plasmaspritzprozesses eine erhöhte Dehnungstoleranz aufweisen. Darüber hinaus wurden
auch dünne segmentierte Schichten entwickelt, die eine hervorragende Temperaturstabilität
besitzen.
• Die Untersuchungen zum Thermoschockverhalten von Doppelllagenschichtsystemen
bestehend aus einer unteren Lage von yttriumstabilisiertem Zirkondioxid in Kombination mit
einer deutlich höheren Temperaturen ausgesetzten Toplage bestehend aus Lanthanzirkonat
wurden intensiv in 2004 durchgeführt. Umfangreiche Untersuchungen im Vergleich mit
kommerziell eingesetzten Schichtsystemen zeigen, dass durch Verwendung derartiger
Schichtsysteme die obere Einsatztemperatur keramischer Wärmedämmschichten um ca. 100
°C angehoben werden kann.
• Die im Betrieb auftretenden Spannungen und Dehnungen keramikbeschichteter
Nickelbasislegierungen können durch die Messung physikalisch- mechanischer Eigenschaften
von Wärmedämmschicht, Korrosionsschutzschicht und Grundwerkstoff mit Hilfe von Finite-
Element- Methoden genauer vorhergesagt werden. Hierzu wurden neuartige Messmethoden
entwickelt und implementiert, die erstmalig die Ermittlung der physikalisch-mechanischen
Eigenschaften von realen Schichten ermöglichen. Dadurch können numerische
Simulationsrechnungen erheblich verfeinert werden. Durch die Implementierung der
temperaturabhängigen Zeitgesetze für die Oxidation von Korrosionsschutzschichten kann nun
die zeitliche Entwicklung der Spannungen in Schichtverbunden mit höherer Genauigkeit
modelliert werden. Ziel ist es, die Schädigungsentwicklung und das Versagen der
Wärmedämmschichten zuverlässig vorherzusagen.
• Wasserdampfhaltige Atmosphären beschleunigen die Oxidationsgeschwindigkeit von 9-12
%Cr- Stählen sowie austenitischen Werkstoffen für Anwendungen in Dampfkraftwerken. Für
eine Reihe von ferritischen Werkstoffen konnten in 2004 die oberen Einsatztemperaturen in
Abhängigkeit vom Chromgehalt und der Betriebstemperatur bestimmt werden. Hier zeigt sich,
dass der kritische Chromgehalt für die Ausbildung einer langsam wachsenden schützenden
Oxidschicht, entgegen dem Stand der Literatur, sehr wohl vom Chromgehalt abhängig ist: Mit
steigender Temperatur nimmt der kritische Chromgehalt von 13,5 % bei 550 °C auf etwa 11,5
% bei 650 °C ab, was für die Auslegung von Wärmetauschern, Kesselwänden und
Dampfturbinenkomponenten von erheblicher Bedeutung ist und unmittelbar in die
Konstruktion neuer Anlagen einfließen wird. Für höhere Betriebstemperaturen als 620 °C sind
austenitische Werkstoffe für Wärmetauscher und Heißdampfleitungen erforderlich. Die
durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass Werkstoffe mit Chromgehalten < 20 % unter
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