Mechanische Eigenschaften von Höchstleistungswerkstoffen für Hochtemperaturwärmeübertrager und Pkw-Abgasanlagen

Eckardt, Thomas; Beck, Tilmann

doi:999910344841

Mechanische Eigenschaften von Höchstleistungswerkstoffen für Hochtemperaturwärmeübertrager und Pkw-Abgasanlagen = Mechanical properties of high performance materials for high temperature heat exchangers and automobile exhaust systems

Eckardt, Thomas

2014

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Thomas Eckardt

ImpressumAachen 2014

Umfang126 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2013

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Beck, Tilmann (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2013-07-04

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-49728
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/228809/files/4972.pdf

Einrichtungen

Lehr- und Forschungsgebiet für Hochtemperatur-Werkstoffmechanik / Allgemeine Mechanik (FZ Jülich) (N.N.) (418420)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Wärmetauscher (Genormte SW) ; Abgasanlage (Genormte SW) ; Hochtemperatur (Genormte SW) ; Mechanik (Genormte SW) ; Kriechen (Genormte SW) ; Thermische Ermüdung (Genormte SW) ; Ferritischer Stahl (Genormte SW) ; Laves-Phase (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; thermomechanische Ermüdung (frei) ; high temperature ferritic steel (frei) ; thermomechanical fatique (frei) ; creep (frei) ; laves phase (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Diese Arbeit entstand im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Verbundprojekts „Entwicklung von Höchstleistungswerkstoffen für Hochtemperaturwärmeübertrager und Pkw-Abgasanlagen – Ferrit 950“ am Forschungszentrum Jülich. In der Automobilindustrie führt der Bau kompakterer, leistungsstärkerer Motoren zur Erhöhung der Abgastemperatur, wodurch Pkw-Abgasanlagen höheren Belastungen ausgesetzt sind. Aktuell eingesetzte chromoxidbildende, ferritische Werkstoffe weisen im Temperaturbereich von 900-1000°C nur noch unzureichende Festigkeiten auf. In Festoxidbrennstoffzellen-(SOFC-) Systemen werden zur Vorwärmung der Prozessgase Hochtemperaturwärmeübertrager eingesetzt. Chromoxidbildende Werkstoffe weisen hohe Chrom-Abdampfung auf, was zu verstärkter Alterung der Kathode der SOFC führen kann. Aktuell eingesetzte, aluminiumoxidbildende Werkstoffe zeigen dagegen eine geringe Hochtemperaturfestigkeit. Das Ziel der Arbeit war die Entwicklung je eines neuen, ferritischen Werkstoffes mit erhöhter Festigkeit bei 900-1000°C für die Anwendung in Pkw Abgasanlagen mit Cr2O3-Schichtbildung und für die Anwendung in Hochtemperaturwärmeübertragern mit Al2O3-Schichtbildung auf Basis des Werkstoffs Crofer 22 H. Die Festigkeitssteigerung sollte durch Mischkristall- und Ausscheidungsverfestigung mittels Laves-Phasen mit erhöhter Auflösungstemperatur erreicht werden. Im Teilprojekt des Forschungszentrums Jülich - IEK-2 standen die experimentelle Ermittlung der Hochtemperaturwerkstoffeigenschaften sowie die flankierende mikrostrukturelle Analyse im Mittelpunkt. Kennwerte wie Warmfestigkeit, Kurzzeitkriechfestigkeit bis 1000 h, die zeitliche Entwicklung verfestigender Ausscheidungen bei Maximaltemperaturen von 900-1000°C sowie das Werkstoffverhalten bei thermisch/mechanischer Ermüdungsbelastung durch niederfrequente Temperaturzyklen (Start-Stopp-Vorgänge) wurden ermittelt. Durch die Erhöhung der Auflösungstemperatur der Laves-Phase konnte die kurzzeitige Stabilität der Ausscheidungen im Korn und die Langzeitstabilität der Kornstruktur - über die Ausscheidung der Laves-Phase an Korngrenzen- bei Temperaturen über 900°C verbessert werden. Werkstoffe für die Anwendung in Hochtemperaturwärmeübertragern zeigen im Vergleich zum Werkstoff Crofer 22 H durch Zulegieren von Al eine Halbierung der Ausscheidungsanzahl. In Werkstoffen mit hohen C- und N- und geringen Ti- und Al- Gehalten wurden geringe Mengen der Phase Fe3Nb3X mit im Vergleich zu Laves-Phasen höherer Hochtemperaturstabilität detektiert. Trotz der geringeren Menge an Laves-Phasen führt dynamische Reckalterung über Al-Atome in diesen Werkstoffen im Vergleich zum Standardwerkstoff X6CrAl18-4 bei Maximaltemperatur zu einer starken Erhöhung der Warmfestigkeit und Kurzzeitkriechfestigkeit sowie zu einer starken Erhöhung der thermomechanischen Ermüdungsfestigkeit. Aufgrund erhöhter Ausscheidungsanzahl weisen Werkstoffe für die Anwendung in Pkw Abgasanlagen im Vergleich zum Standardwerkstoff 1.4509 bei Maximaltemperatur eine erhöhte Warmfestigkeit, Kurzzeitkriechfestigkeit und thermomechanische Ermüdungsfestigkeit auf.

This work was performed at Forschungszentrum Jülich, IEK-2, within the joint research project “Development of high performance materials for high temperature heat exchangers and automobile exhaust systems – Ferrit 950“, funded by the German federal ministry of education and research. The production of compact, powerful and efficient internal combustion engines leads to an increase of temperatures and mechanical loads in the exhaust system. Currently used chromia forming materials don’t show sufficient strength in the temperature range of 900-1000°C. In Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) systems high temperature heat exchangers are used to pre-heat the process gases. Chromia forming materials show high chromium evaporation, which could lead to accelerated ageing of the SOFC cathode. On the other hand, current alumina forming materials show relatively low high temperature strength. The aim of this work was the development of both, a new chromia forming ferritic material with increased strength at 900-1000°C for the use in automotive exhaust systems and an alumina forming ferrite for the use in high temperature heat exchangers on the basis of the material Crofer 22 H. The increase of strength ought to be achieved by solid solution and precipitation strengthening by Laves phases with enhanced dissolution temperature. Main focus of the subproject of Forschungszentrum Jülich - IEK2 was the experimental investigation of the high temperature material properties as well as accompanying microstructural investigation. High temperature strength, short time creep strength up to 1000 hours, the evolution of precipitates at temperatures of 900-1000°C as well as the thermomechanical fatigue behavior were investigated. By increasing the dissolution temperature of the Laves phase an increase in short time stability of precipitation structure and long term stability of the grain structure could be achieved at temperatures up to 950°C. Due to the addition of aluminum the materials for the use in high temperature heat exchangers show a reduction of the number of precipitates of around 50% in comparison to Crofer 22 H. In materials with high carbon and nitrogen as well as low titanium and aluminum contents, small amounts of the Fe3Nb3X phase have been detected. In comparison to the Laves phase this phase exhibited better high temperature stability. Because of dynamic strain ageing, caused by Al atoms, the Al-added materials show superior high temperature strength and creep strength as well as a very strong increase of the thermomechanical fatigue strength compared to the standard material X6CrAl18-4 at maximum temperature - in spite of the lower amount of Laves phase. Because of a higher number of precipitates the new chromia forming materials for the use in automotive exhaust systems show an increase in high temperature strength, short time creep strength and thermomechanical fatigue strength in comparison to the standard material 1.4509.

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