HT-Life PLUS

Lebensdauerbewertungsverfahren für korrosiv, thermisch und mechanisch beanspruchte Bauteile bis 1200 °C

Kurzbeschreibung

Bauteile aus Hochtemperaturknet- und -gusslegierungen werden derzeit im Brennerbau für Haushaltsheizkessel und im industriellen Ofen- und Apparatebau bei Anwendungstemperaturen bis 1000 °C eingesetzt. Bedingt durch die Notwendigkeit, höhere Energieeffizienz zu erzielen, werden in Zukunft die im Brennerbau und in den Industrieöfen eingesetzten Werkstoffe zunehmend Temperaturen von über 1000 °C standhalten müssen. Bei diesen hohen Temperaturen laufen bei mechanisch belasteten metallischen Bauteilen zeitabhängige Verformungsvorgänge mit Anrissbildung ab, die man unter dem Begriff des „Kriechens“ zusammenfasst. Je nach Höhe der anliegenden Last führen die Verformungen nach kürzerer oder längerer Zeit zum Bruch. Bei wechselnder Last sind die Zeiten bis zum Bruch kürzer als bei konstanter Last. Man spricht in diesem Fall von einer „Ermüdung“ des Werkstoffs. Bei hohen Temperaturen reagieren Werkstoffe außerdem mit der Umgebungsatmosphäre, was zu einer Beeinträchtigung der Werkstoffeigenschaften bis zur finalen Schädigung führen kann.

 

Arbeitsziele des Projekts

Ziel des Forschungsvorhabens war es, ein Verfahren zu entwickeln, das die Abschätzung der Lebensdauer von Bauteilen im Hochtemperatureinsatz erlaubt, unter Berücksichtigung des zeitlichen Fortschreitens der Verformung und der Anrissbildung und des in komplexer Wechselwirkung überlagerten Korrosionsangriffs. Das Verfahren soll den Brenner- und industriellen Ofenbau bei der Auslegung von Hochtemperaturbauteilen unterstützen.

Die Aufgabenstellung umfasste die Erarbeitung von experimentellen Materialdaten zum Kriech- und Ermüdungsverhalten und zur Hochtemperaturkorrosion aktueller Legierungen und die Einarbeitung dieser Daten in Werkstoffdatenblättern. In die Untersuchungen wurden die Knetlegierung Alloy 602 und die Gusslegierung G-NiCr25Fe10Al einbezogen. Beide Werkstoffe wurden für den Einsatz bei Temperaturen bis 1200 °C entwickelt. Schließlich wurde auf der Grundlage der Datenbasis ein rechnergestütztes Verfahren entwickelt, das eine Berechnung der zeitabhängigen Verformung eines Bauteils, sowie des überlagerten Hochtemperaturkorrosionsfortschritts und damit die Abschätzung der Lebensdauer des Bauteils ermöglichte. Vorgesehen war die beispielhafte Anwendung auf die Durchbiegung metallischer Strahlheizrohre für die Ofenbeheizung und die Anrissbildung bei Ofenrollen.

 

Die Perspektiven

Die Partner des Projekts aus dem Brenner- und Industrieofenbau können das Lebensdauerbewertungsverfahren nach Abschluss des Forschungsvorhabens für die Auslegung ihrer Produkte direkt einsetzen. Das Verfahren wird noch bestehende Optimierungspotenziale bei den Werkstoffen erschließen. Dadurch wird ein Beitrag zur Ressourcenschonung und zur Bereitstellung hochwertiger Produkte geleistet, der im Standort Deutschland nachhaltig Arbeitsplätze sichert. Insbesondere ist eine Erweiterung der Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Industrieofenbauer auf den europäischen und weltweiten Märkten durch verbesserte Produkte und Erkenntnisgewinn möglich.

Die aus den experimentellen Arbeiten abzuleitenden Daten haben Referenzcharakter. Damit wurde eine Datenbasis nicht nur für die im Vorhaben entwickelte, sondern auch für jede zukünftige weiterführende Modellbeschreibung geschaffen. Die im Vorhaben erarbeiteten Werkstoffdatenblätter wurden einer breiten Öffentlichkeit zur Verfügung gestellt. Den Forschungsstellen eröffneten sich durch die wissenschaftliche Arbeit an dieser Thematik weitere zukünftige industrienahe Forschungsthemen.

 

Projektpartner Forschung

  • Technische Universität Darmstadt, Fachgebiet und Institut für Werkstoffkunde
    Projektschwerpunkte: Ermittlung der mechanisch-technologischen Werkstoffdaten in Langzeit-Kriech- und Ermüdungsversuchen, Modellentwicklung und Simulation
  • OWI Oel-Waerme-Institut GmbH, Herzogenrath
    Projektschwerpunkte: Ermittlung der Korrosionsdaten in Korrosionsversuchen, Modellentwicklung und Simulation
  • RWTH Aachen, Gemeinschaftslabor für Elektronenmikroskopie
    Projektschwerpunkte: Gefügeanalytische Werkstoffcharakterisierung zu Korrosion und Schädigung

 

Projektpartner Industrie

  • Linn High Therm GmbH
    Projektschwerpunkte: Ermittlung von Daten und Verifizierung der Berechnungen für Ofenmuffeln
  • FERROMAN GmbH
    Projektschwerpunkte: Unterstützung beim Aufbau des Strahlrohrversuchsstandes (Strahlrohr), Verifizierung der Berechnungen für I-Strahlrohre
  • WS Wärmeprozesstechnik GmbH
    Projektschwerpunkte: Unterstützung beim Aufbau des Strahlrohrversuchsstandes (Brenner), Verifizierung der Berechnungen für I-Strahlrohre
  • IBS Industrie-Brenner-Systeme GmbH
    Projektschwerpunkte: Unterstützung beim Aufbau des Strahlrohrversuchstandes (Brenner, Strahlrohr), Verifizierung der Berechnungen für I-Strahlrohr
  • MEKU Energie Systeme GmbH & Co. KG
    Projektschwerpunkte: Flammrohrfertigung, Aufbau des Brennerversuchsstandes, Verifizierung der Berechnungen für Flammrohre
  • TAZ GmbH
    Projektschwerpunkte: Mikroanalytische Werkstoffdaten zur Korrosion
  • EBNER Industrieofenbau Gesellschaft mbH
    Projektschwerpunkte: Verfahren zur zerstörungsfreien Werkstoffcharakterisierung
  • Schmidt + Clemens GmbH + Co. KG
    Projektschwerpunkte: Hochtemperaturlegierungen für die Versuche, Bewertung der Werkstoffeigenschaften, Einbindung der Daten in Werkstoffdatenblätter
  • ThyssenKrupp VDM GmbH
    Projektschwerpunkte: Hochtemperaturlegierungen für die Versuche, Bewertung der Werkstoffeigenschaften, Einbindung der Daten in Werkstoffdatenblätter

 

Projektförderung

Gefördert wurde das Verbundprojekt aus dem Programm „Förderung von innovativen Netzwerken“ (InnoNet) des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie.

 

Projektlaufzeit

Dezember 2008 bis November 2011

 

Ansprechpartner

Dr. rer. nat. Helen Ackermann
Tel.: 02407/ 9518-140
E-Mail: H.Ackermann@owi-aachen.de