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Institut für Energie- und Klimaforschung

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Ferritische Höchstleistungsstähle für den Dampfkraftwerksbau

Mit der nächsten Generation von Dampfkraftwerken sollen thermische Wirkungsgrade von 42 bis 45% verwirklicht werden.

Vergleich je einer Kriechkurve eines konventionellen 9-12% Cr-Stahls und eines lavesphasenverstärkten Stahls bei identischen VersuchsbedingungenVergleich je einer Kriechkurve eines konventionellen 9-12% Cr-Stahls und eines lavesphasenverstärkten Stahls bei identischen Versuchsbedingungen

Um die hierfür erforderlichen geschmiedeten Läuferkomponenten, gezogenen, schleudergegossenen oder längsnahtgeschweißten Rohrleitungen sowie gegossenen Turbinenschaufeln realisieren zu können, sind Strukturwerkstoffe mit ausreichender Kriech- und Dampfoxidationsbeständigkeit erforderlich, die einen zuverlässigen Langzeitein- einsatz bei Temperaturen bis 650°C gewährleisten. Mit diesen Anforderungen wird die Einsatzgrenze der für derartige Anwendungen üblichen martensitischen 9 bis 12% Cr- Stähle überschritten. Um zu vermeiden, dass bei großen Strukturbauteilen auf teure und bezüglich des thermomechanischen Verhaltens (thermischer Ausdehnungskoeffizient) unvorteilhafte austenitische Stähle oder Ni-Basislegierungen übergegangen werden muss, werden ferritische Stähle mit innovativen Verfestigungsmechanismen über Zulegieren von Bor oder Lavesphasenhärtung entwickelt. Die Arbeiten des IEK-2 konzentrieren sich hierbei auf die Zusammenhänge zwischen der Mikrostruktur und der Langzeitstabilität von Festigkeit, Duktilität, Kriech- und Ermüdungsverhalten, der bruchmechanischen Eigenschaften sowie auf die Beständigkeit gegen Dampfoxidation. Zur Optimierung der Korrosionsbeständigkeit werden Schutzschichtsysteme untersucht.

Für die fernere Zukunft wird eine weitere Erhöhung der Dampftemperatur auf 700°C angestrebt, wodurch im Dampfkraftwerksprozess thermische Wirkungsgrade von bis zu 50%, im Gas- und Dampf-Kombizyklus von über 65% zu erreichen sind. Die hierfür erforderlichen Dampferzeuger und Hochdruckturbinen müssen zumindest in ihren thermisch höchstbelasteten Bereichen aus austenitischen Stählen und aus Ni-Basis-Legierungen gefertigt werden.

Die Abteilung "Metallische Strukturwerkstoffe" des IEF-2 wirkt an der Ertüchtigung solcher Werkstoffe in Hinblick auf deren mikrostrukturelle Stabilität, Langzeitkriech- Kriechbeständigkeit und bruchmechanisches Verhalten, auch unter praxisrelevan- ten Umgebungsatmosphären, mit.


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