Im Projekt Z-Ultra wurde ein 12-Tonnen-Schmiedestück als Demonstrator hergestellt. (© Saarstahl)
Als wichtigster Industriewerkstoff ist Stahl mit mehr als 2500 Sorten hoch spezialisiert für unterschiedliche Anwendungen. Kleinste Änderungen der Zusammensetzung können das Materialgefüge auf atomarer Skala ändern und das Materialverhalten »im Großen« verbessern. Das Konsortium des EU- Projekts Z-Ultra unter Leitung des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik IWM entwickelte neue 12%-Chrom-Stähle für Hochtemperaturanwendungen, die bis zu 30% fester als herkömmliche 9%-Chrom-Stähle sind und im Kraftwerk längere Zeit höhere Temperaturen und Drücke aushalten. Atomistische Simulationsmethoden unterstützten hierbei die Stahl-Entwickler dabei, die Legierungen zielgerichtet zu entwickeln.
Höhere Betriebstemperaturen in Gas- und Kohlekraftwerken bedeuten höhere Wirkungsgrade und damit weniger CO2-Ausstoß pro Kilowattstunde Strom. Der Temperaturerhöhung sind jedoch von Natur aus Grenzen gesetzt. Die in Kraftwerken eingesetzten Werkstoffe, in der Regel Stähle, verlieren mit steigender Temperatur ihre Festigkeit und halten den in Turbinen und Rohrleitungen herrschenden Belastungen nicht mehr stand. Zudem nimmt die Korrosion mit steigender Temperatur deutlich zu. Generationen von Ingenieurinnen und Ingenieuren arbeiteten deshalb an der weiteren Verbesserung der Stähle, sodass mit den heutigen 9%-Chrom-Stählen Betriebstemperaturen von 615 °C möglich sind gegenüber maximal 300 °C vor 100 Jahren.
Mehr Chrom im Stahl hat Vor- und Nachteile
Um die Betriebstemperatur weiter zu steigern, ist ein höherer Chromgehalt im Stahl erforderlich. Das Element Chrom hat die angenehme Eigenschaft, eine schützende Chromoxidschicht auf der Stahloberfläche zu bilden und das umso wirkungsvoller, je höher der Chromgehalt ist. Der dadurch verbesserte Korrosionsschutz erlaubt nicht nur höhere Temperaturen, sondern auch den Einsatz biologischer Abfälle und anderer erneuerbarer Brennstoffe, deren Verbrennungsprodukte sehr aggressiv sein können. »Nun gibt es aber leider einen Pferdefuß, der die Nutzung höherer Chromgehalte bisher verhindert hat: Die bemerkenswerte Festigkeit der derzeit besten warmfesten Stähle beruht nämlich auf fein verteilten Nitrid-Teilchen«, erklärt Prof. Dr. Hermann Riedel, Projektleiter am Fraunhofer IWM. Chromatome können bei den Betriebstemperaturen in diese Teilchen einwandern und sie damit in die sogenannte Z-Phase umwandeln. Auf Kosten der feinen Nitride entstehen dann grobe Z-Phasenteilchen, die für die Festigkeit nutzlos sind. »In den derzeitigen 9%-Chromstählen dauert diese unerwünschte Umwandlung Jahrzehnte, während sie bei 12% Chromgehalt schon in einem Jahr zu einem nicht tolerierbaren Festigkeitsabfall führt«, so Riedel. Deshalb seien die 12%-Chromstähle bisher nicht in Kraftwerken einsetzbar, da diese ja für eine Lebensdauer von mehr als zehn Jahre ausgelegt werden.
Der Trick: Z-Phase als Stabilisator nutzen
»Wir haben uns im Projekt Z-Ultra das Ziel gesetzt, die grobkörnige, spröde Z-Phase in ihrem Wachstum so zu beeinflussen, dass sie nicht mehr schädlich ist, sondern den Stahl im Gegenteil stabiler macht«, erklärt Riedel. »Wir haben Legierungszusammensetzungen und Herstellungsverfahren gesucht und gefunden, welche die Z-Phase ganz fein im Stahl verteilt – das führt zu einer langfristig stabilen Teilchenstruktur«, so der Physiker. Die besten der sieben im Projekt neu entwickelten Legierungen sind rund 30 % fester als die herkömmlichen 9%-Chromstähle, haben eine 10 Mal höhere Lebensdauer unter gleichen Belastungsbedingungen und ihre Korrosionsfestigkeit ist erheblich besser.
Rohre aus den neuen Werkstoffen wurden unter Bedingungen getestet, die denen im Überhitzer eines Kraftwerks-Wärmetauschers nahe kommen: heißer Wasserdampf im Inneren und korrosive Verbrennungsgase und Aschepartikel an der Außenseite. Die Versuche zeigten, dass das Korrosionsverhalten der Werkstoffe bis 647 °C immer noch sehr gut war. Die schützenden Oxidschichten waren gleichmäßig gewachsen – auf der Außenseite dicker als auf der Innenseite. Einige Rohre wurden auch im echten Kraftwerksbetrieb getestet. Sie wurden inzwischen entnommen, untersucht und erneut für Langzeittests in ein Kohlekraftwerk eingesetzt.
Schritte bei der Z-Phasenbildung: Einzelne Chrom-Atome (Cr) aus der Eisenmatrix (Fe) (links) diffundieren in Metallnitridteilchen hinein, bilden flache Cluster (Mitte) und diese wachsen zu periodischen Schichten (rechts). (© Fraunhofer IWM)
»Um die Praxistauglichkeit zu zeigen, hat der beteiligte Stahlhersteller ein großes, zwölf Tonnen schweres Schmiedestück angefertigt, denn nicht allein die chemische Zusammensetzung des Stahls ist für die Werkstoffeigenschaften verantwortlich, sondern auch der Herstellungsprozess, insbesondere die Wärmebehandlung«, erläutert Riedel. Schließlich ist es wichtig, dass die herausragenden Materialeigenschaften beim Schweißen der Rohrleitungen und anderer Kraftwerksteile erhalten bleiben. Ein Schwerpunkt im Projekt war deshalb die Entwicklung von geeigneten Schweißverfahren, bis hin zu Ringen aus dem großen Schmiedeteil als Modell für geschweißte Turbinenrotoren.
Simulations-Tools für zielgerichtete Legierungsentwicklung
Bei der Entwicklung der genauen Zusammensetzung der neuen Stähle und den Parametern für den Schmiedeprozess ließen sich die Stahlentwickler kontinuierlich von atomistischen Simulationen leiten. Um die Materialentwicklung durch den Einsatz numerischer Simulationsmethoden zu beschleunigen, untersuchten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Fraunhofer IWM mit atomistischen und thermodynamischen Simulationen Fragen wie »Auf welche Weise bildet sich die Z-Phase?« oder »Was passiert während der Herstellung und später im Betrieb auf atomarer Skala?« Sie untersuchten gezielt das Verhalten und den Einfluss der unterschiedlichen Legierungsbestandteile und optimierten die atomare Zusammensetzung der Legierung mit ihren Ergebnissen. So lässt sich zum Beispiel sagen, bei welchem Gehalt an Kohlenstoff, Stickstoff, Niob oder Tantal der Prozess der Z-Phasenumwandlung am schnellsten oder am langsamsten vonstattengeht. Atomistische Simulationen trugen so maßgeblich dazu bei, die einzelnen Schritte in diesem komplexen Umwandlungsprozess zu identifizieren und deren gegenseitige Abhängigkeiten und Beeinflussung zu verstehen.
An dem EU-geförderten Projekt Z-Ultra beteiligten sich unter der Leitung des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik IWM sechs weitere Forschungsinstitute sowie je ein Stahlhersteller, ein Kraftwerksbetreiber und eine Ingenieur-Beratungsfirma aus der EU und aus den östlichen Partnerländern Ukraine, Georgien und Armenien.
Hintergrundbox:
Stahl ist der ideale Werkstoff für Bauteile in Hochtemperaturanwendungen bis zu 600 °C, wie sie in Kraftwerken oder in der chemischen Industrie auftreten können. In den 1980er Jahren brachte die Entwicklung der 9%-Chromstähle einen großen Fortschritt, mit denen die Anwendungstemperatur von 540 auf 615 °C gesteigert werden konnte. Bei diesen Temperaturen halten Bauteile aus 9%-Chromstahl etwa 20 bis 30 Jahre. Inzwischen wurden 12%-Chromstähle entwickelt, die zwar höhere Temperaturen aushalten, die jedoch bisher eine geringere Bauteillebensdauer aufweisen. Um diese neuen Stähle für Industrieanwendungen zu qualifizieren, wurde das EU-Projekt Z-Ultra gestartet.
Die 12%-Chromstähle sind interessant, da die thermische Stromerzeugung aus fossilen Brennstoffen voraussichtlich noch für viele Jahre ein wichtiger Teil der Stromerzeugung sein wird: Sie wird die Schwankungen in der Stromerzeugung der erneuerbaren Energien im Stromnetz ausgleichen. Für wirtschaftlich aufstrebende Länder innerhalb und außerhalb der EU ist zudem zu erwarten, dass die Anzahl von Kohle- und Gaskraftwerken ansteigen wird. Umso wichtiger ist es, deren Wirkungsgrad zu erhöhen, damit der Verbrauch der fossilen Brennstoffe sowie der CO2-Ausstoß möglichst gering bleiben.
Weitere Informationen: www.iwm.fraunhofer.de
