Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Additive Fertigung von Bauteilen für kohlenstoffreiche Hochtemperaturumgebungen unter Verwendung von Coking und Metal Dusting unterdrückenden, katalytisch inhibierenden Grundwerkstoffen

Bei vielen Anwendungen im Hochtemperaturbereich kommt es zu Korrosionserscheinungen aufgrund der Prozessgase. Eine besonders aggressive Form der Hochtemperaturkorrosion in kohlenstoffhaltigen Gasen ist das Metal Dusting, welches vor allem bei der Trockenreformierung, in Direktreformern oder in Brennstoffzellen auftritt. Der Angriff ist gekennzeichnet durch einen hohen Kohlenstoffeintrag in den Werkstoff sowie durch lokal und extrem schnellwachsende Bauteilschäden. Davon betroffen sind oft kleine Bauteilbereiche besonders im Downstreamingbereich oder in Wärmetauschern. Insbesondere im Bereich der Anlageninstandsetzung sind viele KMUs tätig, die gemeinsam mit Herstellern additiv gefertigter Bauteile direkt von den Ergebnissen profitieren könnten, und somit einen weltweiten Vorsprung hinsichtlich der Möglichkeit schnelle Lösungen anzubieten, hätten. Relevante Branchen sind somit die Industriemontagefirmen, Anlagenbauer, Werkstoffentwickler, aber auch Firmen die technisch-wissenschaftliche Beratung zu Werkstofffragen anbieten (überwiegend KMU).

Das Forschungsziel des vorliegenden Projekts ist die systematische Erarbeitung eines Legierungskonzepts für kupferhaltige Hochtemperaturwerkstoffe für Metal Dusting-Anwendungen mittels additiver Fertigung. Kupfer unterdrückt die Kohlenstoffabscheidung katalytisch und verhindert eine Oberflächenreaktion mit dem CO-haltigen Synthesegas, wodurch das Material geschützt wird. Durch das erweiterte Verständnis von additiv gefertigten Bauteilen hinsichtlich des Verhaltens unter Metal Dusting Bedingungen sollen Ersatzteile und kleinere Bauteile mit Funktionsintegration zur Verfügung gestellt werden, die die Ausfallzeiten von Anlagen deutlich verkürzen und zeitgleich die Lebensdauer von Komponenten nach dem Austausch erhöhen.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Projekts wurde die additive Fertigung von Ni-Cu Legierungen sowie insbesondere der Legierung Monel 400 untersucht und ein Einsatz dieses Werkstoffs in Metall Dusting verursachenden Umgebungen geprüft. Für die additive Fertigung des Monel 400 konnte ein Prozessfenster evaluiert werden, in dem dichte Proben gefertigt wurden. Im Vergleich zum konventionell hergestellten Monel 400 wurden in etwa gleiche Festigkeiten, allerdings verringerte Gleichmaß- und Bruchdehnungen sowie schlechtere Kriecheigenschaften erreicht. Die Beständigkeit bei zyklischer Beanspruchung war höher. Diese Unterschiede konnten in weiteren Untersuchungen durch Wärmebehandlungen und heißisostatisches Pressen vermieden bzw. vermindert werden. Der Prozess erwies sich innerhalb des Prozessfensters als robust. Durch die Verwendung eines Modells zur Festigkeitsberechnung konnten der Einfluss der Fertigungsroute auf die erhöhte Versetzungsdichte zurückgeführt werden. Auf Basis dieser Untersuchungen und Berechnungen ist nicht nur die additive Fertigung komplexer Bauteile möglich, sondern auch die Vorhersage ihrer mechanischen Eigenschaften.

Die Metall Dusting Eigenschaften der Legierung Monel 400 wurde im Vergleich zu binären Ni-Cu Werkstoffen untersucht. Hierbei fiel die Beständigkeit des Monel 400 geringer aus und es konnte ein deutlicher Einfluss der Mischkristallverfestiger Mangan und Eisen aufgezeigt werden. Der Einfluss der Temperatur, Oberflächenbehandlung und additive Fertigung wurde untersucht. Die letzteren beiden hatten nur einen geringen Einfluss für den Monel 400 und in Summe konnte ein tiefgreifendes Verständnis des Metall Dustings der kommerziellen Ni-Cu Legierung erlangt werden. Der Einfluss der Oberflächenbehandlung zudem wurde für die Werkstoffe 699XA und HR-235 untersucht und fiel höher aus. Die additive Fertigung hatte auch für den Werkstoff 699XA nur einen geringen Einfluss, sodass additive Fertigung für Metall Dusting Umgebungen ein großes Potential bietet.