5 Werkstofftechnik
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Konventionelle und innovative Hochtemperaturwerkstoffe sind im technischen Betrieb einer Vielzahl an Belastungen ausgesetzt. Neben mechanischen Beanspruchungen stellt die chemische Belastung durch das Vorhandensein von aggressiven und korrosiven Medien (SO2, CO2, O2, H2O…) bei hoher Temperatur einen Schlüsselfaktor dar, der die Langlebigkeit der Materialien im Einsatz beeinflusst. Neben konventionellen, mikroskopischen Analyseverfahren bieten röntgenbasierte Techniken Möglichkeiten, die Grenzflächenreaktionen zwischen dem Werkstoff und den Medien während der chemischen Belastung (in situ) zu untersuchen. Neuartige Einblicke in die zugrunde liegenden Prozesse der Schädigungsmechanismen werden anhand von klassischen ferritischen Legierungen beschrieben. Das Verständnis von Schlüsselfaktoren zur Induzierung eines Schutzmechanismus ist insbesondere für die Entwicklung von neuartigen Materialklassen wie Hochentropie- und chemisch komplexe Legierungen notwendig. Erste Einblicke in Schädigungsmechanismen durch Gaskorrosion dieser innovativen Materialsysteme werden vorgestellt.
Mit der Initiative MaterialDigital fördert das BMBF seit dem letzten Jahr ein wichtiges Instrument zur Digitalisierung der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik in Deutschland. In der ersten Phase dieser Initiative wird seit Juli 2019 die Plattform MaterialDigital von einem Konsortium aufgestellt. Ziel dieser Plattform ist der Aufbau eines virtuellen Materialdatenraums, um zusammen mit allen Interessenten die Systematisierung des Umgangs mit Werkstoffdaten voranzutreiben. In einer zweiten Phase werden akademische F&E-Projekte voraussichtlich Anfang 2021 gefördert. In jedem dieser Projekte wird an einer konkreten Fragestellung das Themenfeld „Digitalisierung der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik“ adressiert und multidisziplinär bearbeitet. In einer dritten Phase werden im Rahmen industriegeführter vorwettbewerblicher Verbundprojekte mit der gleichen Zielsetzung gefördert.
Im Rahmen der DGM/DVM AG Fraktographie wird an der BAM eine fraktographische online-Datenbank aufgebaut. Während von metallischen Werkstoffen viele Beispiele vorliegen, die auch gut verstanden sind, sind die Brüche von Kunststoffen bislang weniger prominent vertreten. Eine teils ungeklärte Frage ist, in welcher Form sich an Kunststoffen klassische Schwingbrüche nachweisen lassen, wie sie von metallischen Werkstoffen bekannt sind. Der Vortrag zeigt einige Beispiele im Detail und stellt diese zur Diskussion.
Ferritic-austenitic chromia-forming alloys are frequently used as boiler tubes and heat exchanger materials for fossil-,biomass, and co-fired power plants. In all applied environments several strongly corrosive gaseous species such as CO2, SO2, SO3, H2O, O2 exist, causing materials degradation by high-temperature corrosion. The elucidation of degradation mechanisms introduced by multiple gases is challenging due to the presence of different oxidizing agents contributing to the competing reactions for oxidation, sulfurization or carburization. The degradation processes can be divided into initial stages, a transitional stage and the further proceeding steady-state oxidation reaction. Especially the long-term steady-state oxidation and further materials’ life-time are strongly dependent on the initial stages. The adsorption and absorption of the reactive species at the alloy surface and the growing oxide in the initial reaction is further influenced by dissociation and re-reactions of the gas phase molecules. To understand these mechanisms from a fundamental point of view in more detail, dedicated experiments and advanced characterization techniques on various length scale need to be applied. Real-time approaches using highly energetic synchrotron X-ray diffraction showed a high potential to enlighten competitively mechanisms by following the corrosion reactions in-situ in the environment they occur. Despite various other thin film characterization techniques, time of flight secondary ion mass spectroscopy (ToF-SIMS) is a powerful tool to visualize light atoms or labeled isotopes enabling the Differentiation between different oxidizing species. It was especially shown to be applicable in challenging atmospheres containing KCl deposits or in CO/CO2/O2 environments. The present study analyses the competing oxidation/sulfidation process in a humid atmosphere on two ferritic alloys with 2 and 9 % in weight chromium by in situ energy dispersive X-ray diffraction (EDXRD) and comparative tube furnace exposure using S16O2 and H2 18O atmosphere.
The high-temperature corrosion behaviors of the equimolar CrCoNi medium- and CrMnFeCoNi high-entropy alloy were studied in a gas atmosphere consisting of a volumetric mixture of 10% H2O, 2% O2, 0.5% SO2, and 87.5% Ar at 800 °C for up to 96 h. Both alloys were initially single-phase fcc structured and showed a mean grain size of ~50 µm and a homogeneous chemical composition. The oxide layer thickness of the Cantor alloy CrMnFeCoNi increased linearly with exposure time while it remained constant at ~1 µm for CrCoNi. A Cr2O3 layer and minor amounts of (Co,Ni)Cr2O4 developed on CrCoNi while three layers were detected on the Cantor alloy. These layers were a thin and continuous chromium rich oxide layer at the oxide/alloy interface, a dense (Mn,Cr)3O4 layer in the center and a thick and porous layer of Mn3O4 and MnSO4 at the gas/oxide interface. Additionally, a few metal sulfides were observed in the CrMnFeCoNi matrix. These results were found to be in reasonable agreement with thermodynamic calculations.
The high-entropy alloy (HEA) CrMnFeCoNi and the medium-entropy alloy (MEA) CrCoNi with a face-centered cubic (fcc) structure have excellent mechanical properties and are considered for high-temperature applications. Both materials were exposed under several oxidized atmospheres in a wide temperature range/regime. Mn-oxide (Mn3O4, Mn2O3) was mainly formed on the HEA and Cr2O3 on the MEA. The fast diffusion of manganese prevents the formation of a continuous chromia layer on CrMnFeCoNi in Ar-O2, Ar-H2O and Ar-SO2 at 800°C.
The Cantor alloy and his ternary subsystem CrCoNi were exposed in Ar-O2-H2O-SO2 at 800°C up to 96 h to clarify their oxidation behavior in a mixed atmosphere. The oxidized samples were analyzed by weight measurement, scanning electron microscopy (SEM), and X-ray diffraction analysis (XRD). It was found that mass gain of all samples increased with increasing exposure time. The oxidation rate of the Cantor alloy is significantly higher than that of the ternary alloy system.
Die Bereitstellung von zuverlässigen Werkstoffdaten stand für die Werkstoffprüfung seit dem 19. Jahrhundert in zentraler Stelle. Mit der zunehmender Digitalisierung unserer Gesellschaft gewinnt das Datenmanagement insbesondere im Hinblick auf die Modellierungs- und Simulationsaktivitäten an Bedeutung.
In unserem Beitrag beschreiben wir die gegenwärtigen Aktivitäten in Deutschland – insbesondere die NFDI-MatWerk und die BMBF-Initiative MaterialDigital – sowie in Europa und Übersee. Abschließend heben wir die Auswirkungen auf die technische und akademische Aus- und Weiterbildung.
Latente Wärmspeicher auf der Basis von NaCl-KCl-MgCl2 Mischungen stellen eine kostengünstige Option für die Energiespeicherung von Prozesswärme dar. Der Beitrag gibt einen Überblick über die materialwissenschaftlichen Herausforderungen im System Salz-Legierung, welche gelöst werden müssen, um diese Speichertechnologie industriell zu etablieren.
In diesem Beitrag werden am Beispiel von Gasturbinen Verfahren zur Charakterisierung des werkstoff-mechanischen Verhaltens sowie der Gefügeentwicklung von Bauteilen für Anwendungen bei hohen Temperaturen aufgezeigt. Gasturbinen sind technisch gesehen sehr interessante Systeme, die in der Energietechnik und in der Luftfahrt von hoher wirtschaftlicher Relevanz sind. Seit Jahrzehnten gelten Gasturbinen als klassische Innovationstreiber, für ihre Entwicklung wurden bereits maßgebliche Erneuerungen im Bereich der Aerodynamik und der Werkstofftechnik hervorgebracht.