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Institut für Energie- und Klimaforschung

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Hochtemperaturbruchmechanikprüfung an einer CT-ProbeHochtemperaturbruchmechanikprüfung an einer CT-Probe

Um bei begrenzten Ressourcen und zunehmenden Anforderungen an Umweltverträglichkeit und Nachhaltigkeit eine zuverlässige Energieversorgung für stationäre und mobile Anwendungen zu ökonomisch vertretbaren Kosten sicherzustellen, sind neben der verstärkten Konzentration auf regenerative Energieträger der Ersatz älterer konventioneller Kraftwerke durch hocheffiziente Kohle- und Gaskraftwerke neuester Technologie sowie innovative Energieversorgungskonzepte für die Fahrzeugtechnik unerlässlich. Sowohl für Energiewandlungssysteme im Einkreisbetrieb (z.B. Dampf- oder Gasturbinenkraftwerke und Verbrennungsmotoren) als auch in Mehrkreissystemen (z.B. Gas- und Dampfturbinen-Kombikraftwerke) können höhere thermische Wirkungsgrade und damit geringere CO2-Emissionen nur durch eine weitere Steigerung der Prozesstemperaturen und -drücke erreicht werden. Für die technische Umsetzung muss das Potential vorhandener Werkstoffe, z. B. für Verdichter, Turbinen, Brennkammern und Dampferzeuger optimal ausgenutzt werden und es ist eine kontinuierliche Weiter- und Neuentwicklung metallischer und keramischer Werkstoffe für die thermisch und mechanisch höchstbelasteten Komponenten erforderlich.

Neben verbesserten Grundwerkstoffen können metallische Oxidationsschutz- und keramische Wärmedämmschichten in Verbindung mit geeigneten Kühlverfahren erheblich zur Steigerung der Prozesstemperatur beitragen. Insbesondere bei der Werkstoffneuentwicklung ist darauf zu achten, dass die erarbeiteten Lösungen nicht nur technisch umsetzbar, sondern auch ökonomisch sinnvoll und im Langzeitbetrieb zuverlässig sind. Eine wichtige Möglichkeit zur Verringerung von CO2-Emmissionen ist die Kombination konventioneller Kraftwerkstechnik mit CO2-Abtrennung und Speicherung. Für die Umsetzung dieses Konzepts mit akzeptablen Wirkungsgradeinbußen bietet sich das Oxyfuel-Verfahren an, bei dem vor der eigentlichen Verbrennung der Sauerstoff aus der Verbrennungsluft abgetrennt werden muss. Dies kann mittels elektronen-ionenleitender keramischer Membranen erfolgen. Um hinreichend hohe Durchsätze zu erreichen, werden diese bei Temperaturen um 800°C und hohen Druckdifferenzen betrieben. Neben einer effizienten Funktionalität und hohen chemischen Stabilität ist daher das mechanische Verhalten dieser Materialien bei hohen Temperaturen wesentlich für die Prozessentwicklung und technische Umsetzung. Weiterhin sind Hochtemperatur-Brennstoffzellen (Solid Oxide Fuel Cells - SOFCs) eine erfolgversprechende Alternative für die Stromerzeugung in kleinen bis mittleren hochflexiblen Einheiten. Die thermomechanischen Beanspruchungen in den hierfür eingesetzten Metall-Keramik-Verbunden stellen eine wesentliche Herausforderung für die Werkstoff- und Bauteilentwicklung dar.

Thermisch-mechanische Ermüdung an WärmedämmschichtenThermisch-mechanische Ermüdung an Wärmedämmschichten

Wichtigste Voraussetzung einer systematischen Werkstoffentwicklung ist das fundierte Verständnis der Zusammenhänge zwischen chemischer Zusammensetzung, Mikrostruktur und mechanischen Eigenschaften sowie deren Langzeitstabilität bei praxisrelevanten Beanspruchungen Um die optimale Ausnutzung und damit den wirtschaftlichen Einsatz dieser meist teuren Höchstleistungswerkstoffe sicherzustellen, müssen einerseits zuverlässige Werkstoffkennwerte unter praxisnahen Beanspruchungen (z.B. Langzeit-Kriechbeanspruchung, bruchmechanisches Verhalten, Kriechen und Ermüdung in anwendungsrelevanten Umgebungsbedingungen sowie thermomechanische Ermüdung) bestimmt und den Verwendern zur Verfügung gestellt werden. Andererseits müssen Modelle zur Lebensdauervorhersage unter den komplexen Beanspruchungen erarbeitet werden, um ökonomisch unsinnige Überdimensionierungen zu vermeiden und gleichzeitig bestmögliche Zuverlässigkeit im Langzeitbetrieb zu erreichen.

Die Forschungsarbeiten der Abteilung „Werkstoffmechanik“ umfassen vor diesem Hintergrund:

  • Erforschung von Festigkeit und Versagenswahrscheinlichkeit sowie mechanischer Langzeitstabilität keramischer Sauerstofftransport-Membranmaterialien
  • Mechanische Charakterisierung und Schädigungsanalyse von Hochtemperaturbrennstoffzellenwerkstoffen und -komponenten
  • Analyse der thermoschockrelevanten mechanischen Eigenschaften kohlenstofffreier bzw. -reduzierter Feuerfestkeramiken
  • Experimentelle Analyse und Modellierung des Schädigungs- und Lebensdauerverhaltens metallischer Oxidationsschutz- und keramischer Wärmedämmschichtsysteme bei isothermen, thermozyklischen und thermomechanischen Ermüdungsbelastungen
  • Mechanische Charakterisierung und Erforschung der Haftungsmechanismen in Metall-Keramik-Reaktivlötverbindungen
  • Mechanische Charakterisierung (Zeitstandverhalten, isotherme bzw. thermomechanische Ermüdung) und Weiterentwicklung höchstwarmfester ferritischer Stähle für den Einsatz in SOFCs, Abgassystemen und Dampferzeugern
  • Ermüdungsverhalten von Dampfturbinenstählen bei extrem hohen Zykluszahlen

Dieses breite fachliche Portfolio wird durch folgende drei Arbeitsgruppen der Abteilung abgedeckt:

Materialermüdung (Dr. B.Kuhn)

Keramische Werkstoffe und Wärmedämmschichten (Dr. J. Malzbender)

Zeitstandverhalten (Dr. B. Kuhn)

Laborbereich


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