Projekt FeAl-GuD

"Prozessentwicklung zur Herstellung von FeAl-Komponenten für Gas-und-Dampf-Kombikraftwerke (GuD)"

Motivation

Zur Steigerung des Wirkungsgrades und der Kosteneffizienz von Gas- und Dampfturbinen bieten sich verschiedene Möglichkeiten. Die Erhöhung des Wirkungsgrades kann durch eine Anhebung der Betriebstemperaturen ermöglicht werden. Dies erfordert einen Werkstoff, der für die höheren Einsatztemperaturen  und damit verbundenen höheren thermischen Belastungen geeignet ist. Gleichzeitig sollen durch die Werkstoffsubstitution die Kosten für die Herstellung und den Werkstoff nicht oder nur geringfügig anwachsen. Daher wird ein Werkstoffsystem gesucht, das einerseits eine gute Hochtemperaturbeständigkeit aufweist und sich andererseits bei Raumtemperatur gut bearbeiten lässt. Durch die entsprechende Wahl der Legierungselemente und den Verzicht von aufwändigen und kostenintensiven Behandlungen wie heiß-isostatisches-pressen (HIP) sollen die Kosten, der derzeit verwendeten Legierungen nicht übersteigen. Im Detail wird das System der intermetallischen Eisenaluminide untersucht.

Projektziele

Ziel dieser Projektarbeit ist die Entwicklung und Herstellung von Komponenten aus hochtemperaturfesten Eisenaluminiden für den Einsatz in Gas- und Dampf-Kombikraftwerken. Im Vordergrund der Werkstoffentwicklung stehen hierbei die Balance aus Bearbeitbarkeit bei Raumtemperatur und Hochtemperarturfestigkeit. Der Fokus liegt dabei für das Kompetenzzentrum Leichtbau der Hochschule Landshut in der Untersuchung der mechanischen Werkstoffeigenschaften. Ein besonderes Augenmerk soll auf die Ermüdungseigenschaften im LCF und TMF gelegt werden.

Projektinhalte

Im Rahmen des Projekts wird eine FeAl-Legierung entwickelt, die sowohl gute Kriecheigenschaften als auch eine gute Bearbeitbarkeit bei Raumtemperatur aufweist. Eine Hauptaufgabe besteht in der Verfeinerung des Gefüges zur Erhöhung der Raumtemperaturduktilität. Allerdings darf dabei die Kriechbeständigkeit nicht vernachlässigt werden. Es muss ein Kompromiss aus Bearbeitbarkeit bei Raumtemperatur und Hochtemperaturfestigkeit gefunden werden. Dies wird durch die Einbringung von verschiedenen Kornfeinungsmitteln realisiert. Die Aufgabe besteht im ersten Projektabschnitt die Eigenschaften diverser Kornfeinungsmittel an zwei verschiedenen Legierungen zu verifizieren. Dazu werden neben einer Analyse der Gefüge und der Korngröße die Korrosionseigenschaften und mechanischen Eigenschaften untersucht. Des Weiteren werden verschiedene Wärmebehandlungszustände analysiert. Im Detail werden Zugversuche bei Raumtemperatur und hohen Temperaturen, sowie Kriechversuche mit Dehnraten bis zu 10^-9 s^-1 am LLK durchgeführt. Die Legierung mit den besten Eigenschaften wird im nächsten Schritt weiter untersucht. Zu den linearen Versuchen kommen noch zyklische Versuche in Form von Ermüdungsversuchen im LCF- und TMF-Bereich. Parallel dazu werden die Korrosions- und Schweißeigenschaften sowie das Verhalten als Turbinenwerkstoff mittels FEM- und CFD-Simulationen untersucht. Das Projekt gipfelt in der Herstellung von Demonstratorbauteilen, die in realitätsnahen Versuchen getestet werden.

Projektpartner

An diesem Projekt sind folgende Firmen und Institute beteiligt:

Die Firma Otto Junker GmbH ist als Gießerei für die Legierungsentwicklung und die Untersuchung der Schweißbarkeit zuständig.

Der Lehrstuhl für Korrosion und Korrosionsschutz der RWTH Aachen analysiert das Korrosionsverhalten der gewählten Legierungen.

Die Firma B&B-Agema GmbH entwickelt im Rahmen des Projekts eine für FeAl angepasste Schaufelgeometrie für Dampf- und Gaskraftwerke und validiert diese in FEM- und CFD-Simulationen.

Als Projektleiter fungiert Access e.V. Dabei handelt es sich um eine Auskopplung der RWTH Aachen, die als eigenständiges Forschungszentrum arbeitet. Zu den Aufgaben von Access eV im Projekt gehören der Guß und die Untersuchung der Legierungen.

Daten & Fakten

ProjektnameProzessentwicklung zur Herstellung von FeAl-Komponenten für Gas-und-Dampf-Kombikraftwerke (GuD)
ProjektkürzelFeAl-GuD
TechnologiefeldWerkstoffentwicklung, intermetallische Legierungen, Hochtemperaturfestigkeit, mechanische Eigenschaften, Ermüdung, Kriechen
Projektlaufzeit3 Jahre (05.2017 bis 04.2020)
Fördersumme380.968 EUR
Förderprogramm6. Energieforschungsprogramm „Forschung für eine umweltschonende, zuverlässige und bezahlbare Energieversorgung“ (BMWi)
ProjektträgerJülich (PTJ)
Wissenschaftlicher Mitarbeiter / Technische ProjektleitungM.Eng. Eva Kollmannsberger
GesamtprojektleitungProf. Dr.-Ing. Holger Saage