Z-Ultra – verbesserte und zuverlässige Werkstoffe

Werkstoffe wie Kunststoff oder Metall verformen sich, wenn hohe Temperaturen und mechanische Kräfte auf sie einwirken. Das als „Kriechen“ bezeichnete Phänomen ist insbesondere ein Problem bei Hochtemperaturkomponenten wie Flugzeugturbinen, Heizkessel und Dampfdruckrohre, die sich nach einem längeren Einsatz verformen und nicht mehr funktionstüchtig sind. Forschende im Field of Expertise „Advanced Materials Science” der TU Graz untersuchen Kriechprozesse, um diese zu verstehen und zu beschreiben. Mit diesem Wissen möchten sie die Kriechfestigkeit neu entwickelter Stähle erhöhen. Im Projekt Z-Ultra werden die in der Vergangenheit an der TU Graz entwickelten Teilmodelle zusammengeführt. Damit wird es erstmals möglich, Verformungsgeschwindigkeit und Lebensdauer von Materialien abzuschätzen.

Unter „Kriechen“ versteht man die langsame Verformung eines Werkstoffs, wie Kunststoff oder Metall, durch eine starke Einwirkung von hoher Temperatur und extremen Kräften. Die Verformung aufgrund des Kriechvorgangs bleibt auch nach Einwirkung der Kraft bestehen. Das heißt, es erfolgt eine unumkehrbar plastische Verformung unter mechanischer Belastung bei hohen Temperaturen. Sehr vereinfacht kann man sich das so vorstellen: die Werkstoffe sind wie aus sehr kleinen Würfeln aufgebaut und an deren Ecken befinden sich die Atome. Wenn nun starke Kräfte auf den Werkstoff einwirken, wird der Würfel in Richtung der Kraft länger gezogen. Sind zusätzlich die Temperaturen sehr hoch, so kommt es zwischen den Atomen zu Platzwechseln, und das Material verformt sich plastisch. Kriechen ist insbesondere ein Problem bei Hochtemperaturkomponenten, die sich nach einem langem Einsatz verformen: Flugzeugturbinen, Heizkessel, Dampfdruckrohre. Rohre bekommen Risse, Turbinenschaufeln streifen am Gehäuse und zerbersten.

Für eine gezielte Entwicklung zuverlässiger Komponenten ist es notwendig, den Kriechprozess zu verstehen und zu beschreiben. Die Forschenden möchten die Kriechfestigkeit der neu entwickelten Stähle erhöhen. Sie testen und modellieren Materialien für die Wärmebehandlung und Betriebsbedingungen. Die Verbesserung der Werkstoffe ermöglicht eine höhere Betriebstemperatur und damit indirekt höhere Wirkungsgrade – das Verhältnis von zugeführter und abgegebener Energie wird verbessert. Beispielweise können bei einem Dampfkraftwerk auf diese Weise Ressourcen gespart und der CO₂-Ausstoß verringert werden. Das Projekt Z-Ultra setzt eine lange Reihe von Forschungsprojekten am Institut für Werkstoffkunde und Schweißtechnik der TU Graz fort, die sich mit der Optimierung von kriechfesten Stählen für Dampfkraftwerke beschäftigen.

In der Vergangenheit wurden an der TU Graz schrittweise Teilmodelle erarbeitet, die über eine phänomenologische Beschreibung des Kriechprozesses hinausgingen. Bei der phänomenologischen Beschreibung werden nur makroskopische Größen wie Volumen, Druck und Temperatur berücksichtigt. In die Beschreibung des Materialverhaltens wurde aber auch die Entwicklung von Mikrostrukturkomponenten (Ausscheidungen, Versetzungen, Korngrenzen) miteinbezogen. Im Projekt Z-Ultra werden erstmals die Teilmodelle zusammengeführt und erweitert, sodass praktisch die gesamte Mikrostruktur innerhalb eines einzigen Modells abgebildet werden kann. Es ist somit erstmals möglich, Verformungsgeschwindigkeit und Lebensdauer der Materialien abzuschätzen. Das bei Z-Ultra entwickelte Modell wird in erster Linie dabei helfen, die Lebensdauer von Bauteilen in Wärmekraftwerken abzuschätzen. Das Ergebnis ist aber nicht nur auf diese Bauteile beschränkt, sondern potenziell erweiterbar auf beliebige Kriechprozesse in einer Vielzahl von Werkstoffen.

Um die Forschungsziele zu erreichen, kooperieren Forschende des Bereichs „Z-Ultra“ im Field of Expertise „Advanced Materials Science“ der TU Graz international mit zahlreichen Forschungseinrichtungen.