Heißes Eisen

Eine weitere Erhöhung des Wirkungsgrads von Industrie-Gasturbinen setzt Werkstoffe mit erhöhter Festigkeit bei sehr hohen Temperaturen voraus. Jede moderne Industrie hängt stark von der...

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Jede moderne Industrie hängt stark von der Verfügbarkeit ausreichender elektrischer Energie ab. In den nächsten Dekaden wird die Energieumwandlung aus fossilen Brennstoffen (Kohle, Erdöl und Erdgas) weiterhin vorwiegend zur Erzeugung von elektrischem Strom genutzt, weshalb in Zukunft die Bemühungen zur Reduktion der Freisetzung von CO2 – dem wohl gefährlichsten „Treibhaus-Gas“ – weitergehen.Im Rahmen dieser Entwicklung gewinnen große Gasturbinen zur elektrischen Energieerzeugung weltweit an Bedeutung. Vor allem der Verbund großer Gasturbinen mit Dampfturbinen in so genannten Combined-Cycle-Kraftwerken (ICGT) hat sich zu einer auf dem Weltmarkt sehr gefragten Technik entwickelt. So können ICGT-Kraftwerke schon heute bei Nutzung von Erdgas als Brennstoff Gesamtwirkungsgrade bis zu 58% erreichen. Bei den Entwicklungsarbeiten für Gasturbinen ist es gelungen, seit etwa 1980 die Gaseintrittstemperaturen der stationären Industrie-Gasturbinen um etwa 20 K pro Jahr zu erhöhen. Das ging mit einer Wirkungsgradsteigerung von 8 bis 10% einher. Flugzeug-Gasturbinen als Basis für WerkstoffentwicklungenHöhere Arbeitstemperaturen des Arbeitsmediums erfordern jedoch Werkstoffe mit höheren Festigkeitseigenschaften bei hohen Temperaturen, vor allem hinsichtlich der Kriechbeständigkeit. Bei Industrie-Gasturbinen (IGT) war diese Entwicklung erst dann möglich, als es nach und nach gelang, die ursprünglich für Flugzeug-Gasturbinen-Triebwerke entwickelten Werkstoffe zur Herstellung von höchstbelasteten Komponenten in großen Industrie-Gasturbinen (über 150 MW) zu nutzen. Dabei ist stets zu bedenken, dass die thermomechanischen Belastungen in einer stationären Gasturbine gänzlich anders sind als in einer Flugzeug-Gasturbine.In einer Anlage zur Energieerzeugung werden gefordert: eine Gesamtbetriebsdauer von 50 000 bis 100 000 h Dauerbetrieb bei höchsten Arbeitstemperaturen und zeitlich größere Inspektionsintervalle. Die Kriechbelastung einer Turbinenschaufel für stationäre Gasturbinen ist deutlich höher als die eines Flugtriebwerks, bei der die Ermüdungsbelastung größere Bedeutung hat. Hinzu kommt, dass der Brennstoff in Industrie-Gasturbinen deutlich „schmutziger“ sein darf als in einer Fluggasturbine. Das heißt: Es liegen andere Heißgas-Korrosions- und Erosionsvorgänge vor.Der wohl entscheidende Unterschied liegt jedoch in der Dimen-sion der benötigten Komponenten: Bei Industrie-Anwendungen beträgt beispielsweise die Turbinenschaufelblattlänge 200 bis 350 mm und der Turbinenscheibendurchmesser 1000 bis 1500 mm. Das Stückgewicht ist um das Zehnfache höher. Daher war bei der Entwicklung neuer Gasturbinen nicht nur eine „Anpassung“ der Werkstoffe, sondern vor allem die Erarbeitung technisch machbarer Herstellungsverfahren in den letzten Dekaden gefragt. Anhand einiger hoch belasteter Komponenten lassen sich beispielhaft die Entwicklungen für Industrie-Gasturbinen skizzieren (Tabelle).Die thermomechanischen Belastungen in einem Gasturbinenrotor hängen sicherlich von der Art der Rotorkonstruktion ab. So sind die Rotorscheiben entweder durch Schweißen miteinander verbunden oder mit Hilfe von Zugankern zusammengepresst. Inzwischen werden die Scheiben so gekühlt, dass die maximale Werkstofftemperatur 400 °C nicht übersteigt. Demzufolge handelt es sich heute bei den Werkstoffen für die Rotorkomponenten um kriechbeständige Cr-Stähle. Die Entwicklung läuft vorerst auf die Nutzung von neuen Stählen mit 9 bis 12% Cr-Anteil hinaus. Bei Scheibentemperaturen bis 400 °C kann Langzeitintegrität einschließlich Berstsicherheit gewährleistet werden. Für zukünftige große Gasturbinen ist geplant, zunehmend zu höheren Brenngastemperaturen und Druckverhältnissen überzugehen, so dass die Werkstofftemperaturen in den Scheiben 450 °C überschreiten werden. Die Absicherung gegen Bersten erfolgt derzeit durch Auslegung gegen eine Streck- oder Zeitdehngrenze (zum Beispiel gegen (Rp0,2, 10 5 h, T). Auch muss der Randbereich der Scheibe eine sehr hohe Streckgrenze bei Temperaturen von 450 und 600 °C haben. Streckgrenzen von über 800 MPa bei Temperaturen um 500 °C werden durch ausgehärtete Fe-Ni- oder Ni-Basis-Legierungen erreicht. Bei der Auswahl von Werkstoffen für die Anwen-dung in Turbinenscheiben sind die wichtigsten Eigenschaften bei die-sen Arbeitstemperaturen: eine hohe Streckgrenze (oder hohe Werte für Rp0,2, 105h, T), eine ausreichende Zähigkeit (hohe KIC-Werte) und eine sehr hohe Beständigkeit gegen Kriechverformung. Wesentliche Unterschiede in Dimension und BelastungWas liegt näher, als auf solche Werkstoffe zurückzugreifen, die sich als Turbinenscheibenwerkstoffe in Flug-Gasturbinen-Triebwerken seit einigen Jahrzehnten bewährt haben? Doch die Anwendung dieser Werkstoffe, die dabei Temperaturen von 550 bis 650 °C ausgesetzt werden, ist in Industrie-Gasturbinen nicht unproblematisch. Austenitische Fe- oder Fe-Ni-Legierungen müssen eine 10 bis 20% höhere thermische Spannung im Vergleich zu ferritischen Werkstoffen verkraften können und die Schmiedestücke deutlich größere Abmessungen haben. Das heißt: Das Stückgewicht (Freiform geschmiedete Scheiben) ist deutlich höher, bis zu 12 t (Scheibendurchmesser 2300 mm, Dicke 400 mm). Derartige Schmiedestücke wurden aus Werkstoffen wie A286 und Inconel 706 gefertigt.Turbinenscheibenwerkstoffe, die sich wie PM N 18 pulvermetallurgisch herstellen lassen, aber auch solche Legierungen, die wie Udimet 720 Li nur aufgrund einer dreifachen Schmelzbehandlung zu Schmiederohlingen verarbeitet werden können, sind derzeit nicht zur Herstellung großer Turbinenscheiben in stationären Gasturbinen geeignet. Bisher fehlt der Nachweis, dass Herstellungsrouten, Stückgewichte und Abmessungen ] wie sie für stationäre Gasturbinen hoher Leistung erforderlich sind ] überhaupt aus diesen Werkstoffen realisiert werden können. Die dreifache Schmelzbehandlung umfasst die Schritte: Aufschmelzen in Vakuum (VAR), Elektro-Schlacke-Umschmelzen (ESR) und Vakuum-Lichtbogen-Umschmelzen (VAR). Die zukünftige Entwicklung bei Gasturbinenscheiben wird wohl bei der Ertüchtigung von Werkstoffen vom Typ Inconel 706 und möglicherweise von Waspaloy liegen.Hochlegierte Ni-Legierungen benötigen zusätzliche KühlungDer Wirkungsgrad großer stationärer Industriegasturbinen (IGT) zur elektrischen Energieerzeugung sollte 38% (Fernziel 40%) erreichen und eine Leistung von mindestens 150 MW (Ziel 300 MW) haben. Bei Anwendung der Werkstofflösungen von Flug-Gasturbinen für stationäre Industriegasturbinen müssen die unterschiedlichen Auslegungsziele und Dimensionen der Einzelteile berücksichtigt werden. Werkstoffauswahl und Entwicklung geeigneter Verfahren zur Herstellung höchstbelasteter Bauteile einer IGT haben in den letzten Dekaden zu einer Zunahme der Eintrittstemperaturen von rund 20 °K pro Jahr geführt.Für die Turbinenschaufeln werden als Strukturwerkstoffe hochlegierte Ni-Legierungen verwendet. Diese Legierungen bestehen aus hochlegierten Ni-Mischkristallen (y-Phase), die über Ausscheidungen der y´-Phase (etwa Ni3(Al,Ti) ausgehärtet werden. Kennzeichnend für diese Ni-Basis-Superlegierungen sind höchste Festigkeit und Kriechbeständigkeit bei sehr hohen Temperaturen. Diese Eigenschaften sind abhängig vom Gehalt an y´-Ausscheidungen, deren Form und Verteilung. Dennoch reichen die Eigenschaften für die Beherrschung der hohen Brenngastemperaturen nicht aus. Deswegen werden die Turbinenschaufeln zusätzlich mittels sehr komplizierter Verfahren gekühlt. Bild 2 zeigt die Entwicklung der Eintrittstemperaturen über die letzten Jahre.Der Bedarf an höchstkriechbeständigen Turbinenschaufeln aus Ni-Superlegierungen ließ sich nur aufgrund der Entwicklung des Vakuum-Feingießens (verlorene Schale, verlorenes Modell, Wachsausschmelzverfahren) und der darauf aufbauenden Technik der gerichteten Erstarrung befriedigen. Die gerichtete Erstarrung ermöglicht, sehr präzise Turbinenschaufeln mit komplizierten Kühlkonfigurationen zu fertigen. Die Entwicklung reichte über die Verwendung des Werkstoffs IN 738 LC - hergestellt durch Vakuum-Feingießen mit konventioneller Erstarrung (CC) ] und stängelkristalliner Schaufeln zum Beispiel aus IN 792 DS ] gerichtete Erstarrung (DS) ] bis zur Nutzung von einkristallinen Werkstoffen etwa aus CMSX-4 ] gerichtete Erstarrung mit Kornwachstumsselektor bei Erstarrungsbeginn.Höhere Gastemperaturen mit einkristallinen SchaufelnBei einkristallinen Werkstoffen soll die ganze Schaufel nur aus einem Korn bestehen. Kennzeichnend für die Werkstoffentwicklungen waren die Verbesserung der chemischen Zusammensetzungen (zum Beispiel: Anheben des Gesamtgehalts an g´-bildenden Elementen) und der Wärmebehandlung (bessere Homogenisierung der Ausscheidungen). Die einzelnen Schritte dabei waren:- Durch Verwendung stängelkristalliner Schaufeln wurden alle Korngrenzen senkrecht zur Hauptbelastungsrichtung vermieden und somit die Bildung von Kriechschäden an diesen Korngrenzen unterbunden.- Die Nutzung von Einkristallen (Einkornschaufeln) eliminiert alle Korngrenzen quer zu den thermisch bedingten Spannungen über der Wand (Grund: die innere Schaufelkühlung), beseitigt also auch diese Schwachstellen.Aufgrund beider Maßnahmen kann auf Legierungselemente, die der Korngrenzenverfestigung dienen, verzichtet werden. Das steigert den Anteil solcher Legierungselemente, die zu g-Ausscheidungen führen ] mit der Folge: Der Gesamtgehalt an y´-Phasen konnte auf über 70 Vol.-% gesteigert werden. Mit diesen Maßnahmen wurden eine deutlich höhere Kurzzeitfestigkeit und Zeitstandfestigkeit bei Temperaturen über 800 °C erreicht.Einkristalline Turbinenschaufeln aus CMSX-4 bieten die Möglichkeit einer um 80 °C höheren Betriebstemperatur im Vergleich mit Schaufeln aus dem polykristallinen konventionell gegossenen Werkstoff IN 738 LC. Beim Einsatz von einkristallinen Schaufeln aus Superlegierungen ist zu beachten, dass diese Werkstoffe bezüglich einiger physikalischer und mechanischer Eigenschaften sehr stark anisotrop sind.Für technische Anwendungen wird eine <001>-Kristallorientierung bevorzugt ] unter anderem aus folgenden Gründen:- Während der gerichteten Erstarrung wird das Wachstum in <001>-Richtung von Ni-Superlegierungen bevorzugt. Es reicht ein Kornwachstumsselektor als so genannter Starterblock aus, auf Kristallkeime kann verzichtet werden.- Der E-Modul bei <001>-Orientierung ist etwa nur ein Drittel so groß wie zum Beispiel der bei <111>-Orientierung. Das heißt: Die thermisch induzierte Ermüdungsbelastung ist mit dieser Orientierung am geringsten.Nahezu erschöpftes Potenzial trotz hoher StandfesteigkeitDie erste Generation der einkristallinen Ni-Superlegierungen entsprach hinsichtlich der chemischen Zusammensetzung weitgehend den konventionell vergossenen Werkstoffen. Nur konnte bei den einkristallinen Schaufeln auf Legierungselemente wie C, N, Zr, Hf und B verzichtet werden. Bei der zweiten Generation ist der g´-Gehalt angehoben und der Mischkristall zusätzlich mit etwa 3 Gew.-% des Elements Re verfestigt.Die Entwicklungsmöglichkeiten der Superlegierungen für noch höhere Temperaturen sind weitgehend ausgeschöpft, auch wenn für Flug-Gasturbinen-Treibwerke an der Entwicklung der dritten und vierten Generation gearbeitet wird. Die Maßnahmen, die zurzeit untersucht werden, lauten: Anheben des Re-Gehalts auf 5 bis 6 Gew.-%, Zulegieren von 4% Re und 4% Ru (bei Onera, Paris), Zulegieren von 5% Re und 3% Ir (bei NRIM, Tsukuba/Japan)Mit diesen Maßnahmen wird eine Kurzzeitstandfestigkeit (100-h-Zeitstandfestigkeit) von 140 MPa bis zu einer Temperatur von knapp 1100 °C (Metalltemperatur) erreicht. Über das Langzeitverhalten liegen keine Werte vor. Dennoch scheinen schon aus Kostengründen derartige Entwicklungen für Industriegasturbinen nicht gangbar zu sein. Über die Möglichkeiten von keramischen Werkstoffen und Legierungen der intermetallischen Phasen wird in einer der nächsten Ausgaben von „MMMaschinenmarkt“ berichtet.