TU Graz/ Forschung/ Fields of Expertise/

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.

Wenn Werkstoffe kriechen

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.

Kriechprozesse verstehen

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.

Teilmodelle zusammenführen

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.

Bildquelle Surya Yadav – TU Graz

Die Abbildung  zeigt die Darstellung der Verformung (strain) im Laufe der Zeit (time) während einer Kriechverformung am Beispiel des Stahls P92 unter einer Belastung von 92 MPa (Mega-Pascal) und einer Temperatur von 650°C. Die schnelle Verformungsrate zu Beginn sinkt durch Versetzungsverfestigung und erreicht nach ca. 2.000 Stunden einen stationären Zustand. Nach etwa einem Jahr beschleunigt die Verformung durch zunehmende Schädigung (cavity) im Material. Ausscheidungen wie Karbide und Nitride wirken der Verformung entgegen. Simulationen können die Kriechverformung mit sehr wenigen Parametern bereits abbilden und parallel die Mikrostrukturentwicklung beschreiben.

Bildquelle: Langhammer - TU Graz
Cecilia Poletti, Projektleiterin

Materialforschung zählt heute zu den Zukunftsfeldern im Hochtechnologiebereich. Gefragt sind verbesserte und zuverlässige Werkstoffe. Mit unserer Forschungsarbeit versuchen wir das unerwünschte Kriechen von Werkstoffen zu verstehen und zu verhindern.

Bildquelle Bernhard Sonderegger – TU Graz

Cecilia Poletti, Projektleiterin und Surya Yadav, Projektmitarbeiter analysieren die Untersuchungen zum Kriechen von Werkstoffen.

Bildquelle Institut für Werkstoffkunde (IWS) – TU Graz

Das Team vom Institut für Werkstoffkunde und Schweißtechnik (IWS) der TU Graz, das zusammen die Buchstaben IWS geformt hat.

Kontakt

Institut für Werkstoffkunde und Schweißtechnik
Kopernikusgasse 24/I
8010 Graz
http://iws.tugraz.at

Bernhard SONDEREGGER
Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn.
Arbeitsgruppenleiter
Tel.: +43 316 873 1677
bernhard.sondereggernoSpam@tugraz.at

Cecilia POLETTI
Assoc.Prof. Dr.techn.
Teamleiterin
Tel.:
+43 316 873 1676
cecilia.polettinoSpam@tugraz.at

Bildquelle: TU Graz/IWS

Zusammenarbeit macht erfolgreich

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.

Kooperierende Forschungseinrichtungen

  • Akademie der Wissenschaften der Tschechischen Republik 
  • Dänemarks Technische Universität (DTU)
  • Engineering Academy of Armenia (EAA)
  • Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik (IWM), Deutschland
  • Georgische Technische Universität (STU)
  • IPP-Centre, Ukraine
  • Nationale Technische Universität der Ukraine (IPP)
  • RWE Power AG, Deutschland
  • Saarschmiede GmbH Freiformschmiede, Deutschland
  • Technische Hochschule Chalmers (CTH), Schweden