Neue Hochtemperaturlegierung
Die thermische Energieerzeugung wird für eine lange Zeit in Betrieb bleiben, aber maximaler Wirkungsgrad erfordert höchstmögliche Temperaturen. Hohe Temperaturen bedeuten einen beschleunigten Metallabbau, dem mit neuen Stahllegierungen begegnet werden kann. Das von der EU finanzierte Projekt Z-ULTRA (Z phase strengthened steels for ultra-supercritical power plants) hat eine derartige Legierung entwickelt. Legierungen, die früher für diesen Zweck verwendet wurden, enthielten 9 % Chrom, das eine thermische Grenze von 615 ºC aufwies, nach deren Überschreitung diese Legierungen korrodierten. Die neue Legierung enthält 12 % Chrom, was durch die Ausnutzung anstelle der Eliminierung der ansonsten unerwünschten Z-Phase erreicht wird. Die Studie musste chemische Zusammensetzungen und Wärmebehandlungen finden, die zur kontrollierten Keimbildung fein verteilter Z-Phasen-Partikel führen. Das Team erarbeitete sieben neue Prüflegierungen. Die Kriechfestigkeit der Legierungen war um 30 % besser als bei den bisher besten Stählen mit 9 % Chrom. Auch die Oxidationsbeständigkeit war ausgezeichnet. Die Forscher stellten fest, dass dank der vom Projekt entwickelten Werkzeuge weitere Verbesserungen der Kriechfestigkeit möglich waren. Beispielsweise unterstützte die Multiskalenmodellierungs-Toolbox die Entwicklung von Z-Phasen-verstärkten Legierungen durch detaillierte Darlegung von Wegen zur Z-Phasen-Bildung. Die Forscher entwickelten außerdem neue Schweißverfahren für die neuen Stähle. Es wurden keine Risse oder andere Fehler aufgespürt. Das Konsortium vergrößerte den Produktionsprozesses auf das Schmieden von 12 Tonnen und Schweißungen großer Abschnitte. Erneut wurden keine ernsthaften Risse nachgewiesen. Das resultierende Material zeigte eine ausgezeichnete Schlagzähigkeit, obgleich die Fließspannung im Zusammenhang mit Turbinenrotoranwendungen niedriger als erwartet war. Die Forscher installierten in zwei ukrainischen Kraftwerken Demonstrationsrohre in Kesseln. Die Gruppe bewertete die Korrosionsbeständigkeitseigenschaften der Legierungen, wobei sich bestätigte, dass die Oxidationsrate sehr langsam und die Oxidschicht dünn und homogen war. Auf der Rauchgasseite der Rohroberfläche waren die Korrosionsschichten wesentlich dicker. Die Korrosionseigenschaften waren bis zu 647 °C vertretbar. Die Korrosions- und Hitzebeständigkeitseigenschaften der neuen Chromlegierungen des Z-ULTRA-Projekts erwiesen sich als tauglich für den Einsatz in Hochtemperatur-Wärmekraftwerken. Die Resultate bedeuten einen effizienteren Betrieb derartiger Anlagen sowie reduzierte Kohlendioxidemissionen.
Schlüsselbegriffe
Hochtemperaturlegierung, Kraftwerke, Chrom, Z-ULTRA, Z-Phase
