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Abb. 18: Komponente aus Alloy 617.
© Alstom Deutschland AG

Abb. 19: Zeitstandseigenschaften der Nickelbasiswerkstoffe im Vergleich zu warmfesten Stählen.
© Materialprüfungsamt Stuttgart
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Neue Materialien für hohe Temperaturen

Will man in Kraftwerken die Wirkungsgrade weiter steigern, müssen im Dampfkreislauf die Temperaturen auf bis zu 720 °C und die Drücke auf bis zu 350 bar angehoben werden. Dies wird nur mit neuen Werkstoffen möglich sein, die derzeit optimiert und qualifiziert werden.

Für den Einsatzbereich bis 630 °C werden die im Dampferzeuger- und Turbinenbau bewährten Stähle mit 1% und 2% Chrom und die sogenannten martensitischen Stähle mit 9 bis 12% Chrom noch weiterentwickelt. Bei Temperaturen jenseits von 700 °C müssen Nickelbasis-Legierungen eingesetzt werden (Abb. 19). Diese Legierungen bestehen aus dem Hauptbestandteil Nickel und meist einem oder mehreren weiteren Metallen. Sie zeichnen sich durch hohe Festigkeit, gute Zeitstandeigenschaften und Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen aus. Die Festigkeit beziehen sie aus unterschiedlichen Verfestigungsmechanismen, der sogenannten Mischkristallverfestigung (Alloy [dt.: Legierung] 617) und der Ausscheidungsverfestigung (Alloy 263 und 740), die eine spezielle Wärmebehandlung erforderlich macht. Einige der Werkstoffe sind aus anderen Anwendungen bekannt, wie Wärmetauschern und Brennkammern in Gasturbinen.

Ein Einsatz der Werkstoffe in neuen Hocheffizienz-Kraftwerken erfordert jedoch die Anpassung und Qualifizierung, d. h. exakte Bestimmung der Materialeigenschaften unter Betriebsbedingungen. Bauteile für Kraftwerke erfordern neue oder angepasste Herstellungstechnologien, z. B. zur Herstellung von dickwandigen Rohrleitungen und Sammlern (Abb. 18).

Neue Werkstoffe in der Materialprüfung

Werkstoffe aus Nickel-Basislegierungen werden im Rahmen der Energieforschung umfangreich getestet, um die geforderten Eigenschaften zu erreichen und nachzuweisen. Dabei ist der Werkstoff im verarbeiteten Zustand maßgeblich, d. h., eswerden Proben aus den Halbzeugen entnommen und so die Eigenschaften für den tatsächlich im Bauteil vorliegenden Zustand geprüft. Untersuchtwerden u. a. die Verarbeitbarkeit und Schweißbarkeit, um Komponenten herstellen zu können, sowie eine hohe Zeitstandfestigkeit, ausreichende Zähigkeit und gute bruchmechanische Eigenschaften. Dies ist notwendig, um Gebrauchstauglichkeit, Sicherheit und Integrität der Bauteile für bis zu 200.000 Betriebsstunden zu gewährleisten. Für verschiedene, derzeit in der Erprobung befindliche Legierungen liegen Nachweise zur Herstellbarkeit sowie Kennwerte, Auslegungsdaten und Werkstoffbeschreibungen für die notwendigen analytischen und numerischen Berechnungen vor. Weiterhin sind für die Beurteilung der Langzeitstabilität Kenntnisse über die Mikrostruktur der Werkstoffe notwendig, die durch elektronenmikroskopische Untersuchungen gewonnen werden.

Im Kraftwerksbereich wurden bisher überwiegend gut schweißbare Werkstoffe eingesetzt, für die langjährige Praxiserfahrungen auch unter schwierigen Bedingungen vorliegen. Bauteile aus Nickellegierungen, insbesondere mit größeren Wandstärken, zu schweißen, ist noch anspruchsvoller. Da Schweißarbeiten auch bei der Montage auf der Baustelle durchgeführt werden, muss der Schweißprozess entsprechend optimiert und festgelegt sein. Im Turbinenbau sind hierbei besondere Anforderungen an die notwendigen Schweißverbindungen zwischen Nickelbasis- Werkstoffen und Stählen zu stellen, da die Herstellung eines kompletten Rotors oder Gehäuses aus Nickelbasis- Werkstoff technisch nicht möglich ist.

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