Entwicklung und Charakterisierung salzkorrosionsresistenter ferritischer Edelstähle zur Anwendung in solarthermischen Kraftwerken

Aarab, Fadoua; Zander, Brita Daniela; Schwaiger, Ruth

doi:43944

Entwicklung und Charakterisierung salzkorrosionsresistenter ferritischer Edelstähle zur Anwendung in solarthermischen Kraftwerken = Development and characterization of salt corrosion resistant ferritic stainless steels for use in solar thermal power plants

Aarab, Fadoua^RWTH*

2024 & 2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Fadoua Aarab, M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2025

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Schwaiger, Ruth (Thesis advisor)^RWTH* ; Zander, Brita Daniela (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-10-15

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-10454
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/996219/files/996219.pdf

Einrichtungen

Projekte

Verbundvorhaben STERN: Steigerung der Kosteneffizienz von Flüssigsalzreceivern; Teilvorhaben: Entwicklung und Qualifizierung von Werkstoffen für Solarreceiver (03EE5048D) (03EE5048D)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
CSP (frei) ; HiperFer (frei) ; Laves-Phase (frei) ; Salzkorrosionsbeständigkeit (frei) ; Solarsalz (frei) ; TES (frei) ; ferritic high-performance steel (frei) ; ferritische Edelstähle (frei) ; salt corrosion resistant (frei) ; solar salt (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung und Charakterisierung von salzkorrosionsbeständigen, voll ferritischen Hochleistungsstählen für die Anwendung in solarthermischen Kraftwerken. Basis der Legierungsentwicklung ist der am Forschungszentrum Jülich (IEK-2) entwickelte ferritische Hochleistungsstahl namens HiperFer (High performance Ferrite), der für seine gute thermomechanische Ermüdungsfestigkeit, Dampfoxidationsbeständigkeit und Kriechfestigkeit bekannt ist. Konzentrierende Solarenergie (CSP) und thermische Energiespeicherung (TES) auf der Grundlage von Salzschmelzen sind immer noch nicht wirtschaftlich tragfähig, wobei die Materialinvestitionskosten einen entscheidenden Posten darstellen. Ferritische rostfreie Stähle sind eine vergleichsweise günstige Werkstoffklasse, die erheblich zur Kostensenkung beitragen kann. Der Zusatz von Aluminium zu ferritischem Stahl kann Selbstpassivierung durch Bildung einer kompakten Al2O3-Deckschicht führen, die im Vergleich zu den Cr2O3-Deckschichten, die sich typischerweise auf teuren Konstruktionslegierungen für CSP und TES bilden, eine deutlich höhere Korrosionsbeständigkeit gegenüber Solarsalz aufweist. Zyklische Salzkorrosionstests unter strömender, synthetischer Luft wurden an ferritischen Versuchslegierungen (17Cr2-14Al0,6-1Nb2,6-4W0,25Si) unter Verwendung von Solarsalz (60 Gew.-% NaNO3 und 40 Gew.-% KNO3) durchgeführt. Der Al-Gehalt wurde variiert, um potenziell negative Auswirkungen auf die Ausscheidung der mechanisch verfestigenden Laves-Phase sowie die Auswirkungen auf die Bildung der Al-Oxid-Deckschicht zu untersuchen. Die W- und Nb-Gehalte der Legierungen wurden erhöht, um ihren Einfluss auf die Ausscheidung der Laves-Phase zu untersuchen. Die Salzkorrosionsexperimente zeigten, dass in neuartigen ferritischen HiperFerSCR (Salt Corrosion Resistant)-Stählen gleichzeitige Selbstpassivierung gegen den Angriff von Salzschmelzen und potenziell hohe mechanische Verfestigung durch Ausscheidung fein verteilter Laves-Phasenpartikel möglich ist. Die mikrostrukturelle Untersuchung zeigte die Bildung einer kompakten, kontinuierlichen Al2O3-Schicht auf der Oberfläche der Modelllegierungen mit Al-Gehalten von mindestens 5 Gew.-%. Durch die Bildung der schützenden Al2O3-Schicht werden niedrige Korrosionsraten erreicht, die vergleichbar mit den Korrosionsraten teurer, aluminiumoxidbildender Ni-Basislegierungen sind. Darüber hinaus wurde eine stabile Verteilung von feinen, verfestigenden Laves-Phasen-Ausscheidungen in der Metallmatrix erreicht, was zu einer Kombination von Salzkorrosionsbeständigkeit und potenziell hoher mechanischer Festigkeit durch eine Kombination von Mischkristall- und Ausscheidungsfestigkeit führt. Die Salzkorrosionsbeständigkeit lässt sich neben der Anpassung der chemischen Zusammensetzung zusätzlich durch eine passende Oberflächenbehandlung optimieren. Es wurde gezeigt, dass eine aufgeraute Oberfläche die Bildung einer schützenden Al2O3-Schicht fördert. Diese Ergebnisse zeigen, dass hochfeste ferritische Legierungen für den Einsatz in CSP/TES-Anwendungen geeignet sind. In Rahmen der Arbeit wurde außerdem die Stabilität der Laves-Phase bei höheren Temperaturen untersucht. Es wurde gezeigt, dass die chemische Zusammensetzung als auch die thermische Vorbehandlung die mechanischen Eigenschaften und die Mikrostruktur insbesondere durch die veränderte Ausscheidung der Laves-Phase beeinflusst wird. Durch die Zugabe von Aluminium bildet sich die Laves-Phase in Form von (Fe,Cr,Al,Si)2(Nb,W). So erfolgt die Verfestigung des ferritischen Legierungskonzepts HiperFerSCR durch Mischkristall- und Ausscheidungsverfestigung. Dementsprechend sind passende Wärmebehandlungsparameter notwendig, um eine optimale Partikelgrößenverteilung zu erreichen. In Anbetracht der Stabilität der Laves-Phase, der Oxidschichtbildung und der erreichten Korrosionsraten, erweist sich die Modellegierung mit einem Al-Gehalt von 5 Gew.-% als vielversprechendes, zukünftiges Einsatzmaterial für CSP/TES-Anwendungen.

The aim of the present work is the development and characterization of salt corrosion resistant, cost-effective steels for application in solar thermal power plants. The base of the alloy development is the fully ferritic high-performance steel called HiperFer (High performance Ferrite) developed at Forschungszentrum Jülich (IEK-2), which is known for its good thermomechanical fatigue strength, steam oxidation resistance and creep resistance. Concentrating solar power (CSP) and thermal energy storage (TES) based on molten salts are still not economically feasible, with material investment costs being a major drawback. Ferritic stainless steels are a comparatively inexpensive class of materials that can contribute significantly to cost reduction. The addition of aluminium to ferritic stainless steel can lead to self-passivation by formation of a compact Al2O3 top layer, which has significantly higher corrosion resistance to solar salt compared to the Cr2O3 top layers that typically form on expensive structural alloys (like austenitic steels and Ni-base alloys) for CSP and TES. Cyclic salt corrosion tests under flowing synthetic air were performed on ferritic experimental alloys (17Cr2-14Al0.6-1Nb2.6-4W0.25Si) using solar salt (60 wt.-% NaNO3 and 40 wt.-% KNO3). The Al content of the steel was varied to investigate potentially hazardous effects on precipitation strengthening Laves phase particles as well as the effect on the formation of protective Al oxide top layers. The W and Nb contents of the alloys were increased to study their influence on the precipitation of the Laves phase. The salt corrosion experiments showed that in novel ferritic HiperFerSCR (Salt Corrosion Resistant) steels, simultaneous self-passivation against molten salt attack and mechanical strengthening by precipitation of fine Laves phase particles are possible. The microstructural investigation revealed the formation of a compact, continuous Al2O3 layer on the surface of the model alloys with Al contents of at least 5 wt.-%. Due to the formation of the protective Al2O3 layer, low corrosion rates comparable to the corrosion rates of expensive, alumina forming Ni-based alloys are achieved. In addition, a stable distribution of fine strengthening Laves phase precipitates in the metal matrix has been achieved, resulting in a combination of salt corrosion resistance and potentially high mechanical strength through a combination of solid solution and precipitation strengthening. In addition to adjusting the chemical composition, salt corrosion resistance can be further optimized by suitable surface treatment. It has been shown that a roughened surface promotes the formation of a protective Al2O3 layer. These results show that high-strength ferritic alloys are promising candidates for use in CSP and TES applications. In this work, the Laves phase evolution at higher temperatures was also investigated. It was shown that the chemical composition as well as the thermal pre-treatment affects the mechanical properties and the microstructure especially by change in Laves phase precipitation. The addition of aluminium leads to incorporation of Al into a (Fe,Cr,Al,Si)2(Nb,W) Laves Phase. Thus, the strengthening of the HiperFerSCR ferritic alloy concept occurs by solid solution and precipitation strengthening mechanisms. Accordingly, suitable heat treatment parameters are necessary to achieve an optimum particle size distribution. Considering the Laves phase stability, oxide film formation and corrosion rates, the model alloy with an Al content of 5 wt. % prove to be a promising future material for CSP and TES applications.

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