Thermische Kraftwerke
Neuer Werkstoff für nachhaltigen Turbinenbau

Mit hochtemperaturfesten Legierungen aus Eisen und Aluminium sollen in Zukunft leichtere und kostengünstige Komponenten für Turbinen hergestellt werden.

Thermische Kraftwerke spielen weiterhin eine bedeutende Rolle beim Umbau der Energiesysteme. Sie unterstützen bei Bedarf, wenn Photovoltaik- und Windenergieanlagen witterungsbedingt weniger Strom liefern. Dazu müssen sie schnell angefahren und effizient betrieben werden können. Die damit verbundenen häufigen Starts und Temperaturwechsel belasten die Bauteile. Hier setzt das Forschungsvorhaben Pro-FeAl an. Das Wissenschaftsteam entwickelt Verfahren, um Turbinenkomponenten aus Eisenaluminid-Legierungen für neue effiziente Kraftwerke wirtschaftlich herzustellen und so den Wirkungsgrad der Anlagen zu verbessern.

Eisenaluminid-Legierungen ersetzen ressourcenkritische Elemente wie Nickel oder Chrom

Metalle und deren Legierungen bilden sogenannte Metallgitter. Bei der weiterentwickelten Eisenaluminid-Legierung (FeAl) werden im Metallgitter einzelne Eisenatome durch Aluminium ersetzt. Dadurch verringert sich das Gewicht der Turbinenbauteile gegenüber herkömmlichen Stahllegierungen mit Nickel, die die Industrie momentan für den Bau von Turbinen einsetzt. Die Turbine verbraucht weniger Energie und kann wirtschaftlicher betrieben werden. Trotz des geringeren Gewichts halten Bauteile aus FeAl ebenso viel Kraft stand, wie vergleichbare Bauteile aus Stahl- beziehungsweise Nickel-Legierungen bis circa 700 Grad Celsius.

Eisen und Aluminium zählen zu den metallischen Elementen, die am häufigsten in der Erdkruste vorkommen. Sie sind einfach verfügbar und preiswert. Der Einsatz von Turbinenkomponenten aus FeAl-Legierungen unterstützt den Ersatz von Werkstoffen mit hohen Anteilen ressourcenkritischer Elemente, wie beispielsweise Chrom, Molybdän, Nickel. Zudem ist der Werkstoff einfach herzustellen. Auch die Temperatur-, Korrosions- und Erosionsbeständigkeit entspricht den geforderten Ansprüchen.

Fertigung von Turbinenkomponenten überprüft

Ziel der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ist es, sowohl großvolumige Gussteile als auch Bauteile für Turbinen aus Eisenaluminid herzustellen. Im Rahmen des Projekts Pro-FeAl untersuchen sie das Potential der neu entwickelten Fe-Al-Legierungen und betrachten die drei Fertigungsschritte Gießen, Schmieden und Additives Manufacturing (AM) sowie deren Kombinationen. Die Ergebnisse überprüfen sie direkt am Bauteil. Die Gussroute zeichnet sich dadurch aus, dass der Werkstoff direkt die gewünschte Form erhält. Die Schmiederoute verfolgt einen anderen Weg. Zunächst wird eine sogenannte Urform hergestellt. Diese wird anschließend bearbeitet, um die gewünschte Form zu erlangen. Die additive Fertigung startet mit der Legierung in Pulverform. Diese wird per Laserstrahl oder Elektronenstrahl aufgeschmolzen. Anschließend wird das Bauteil Schicht für Schicht aufgebaut - vergleichbar einem 3D-Drucker.

Die Forscherinnen und Forscher haben neue Erkenntnisse hinsichtlich der Produktionsprozesse, Werkstoffgefüge und Bauteileigenschaften und deren Zusammenhängen gewonnen. Dadurch können Sie den Einsatz von Eisenaluminid-Legierungen für den Bau von Turbinenkomponenten unterstützen und beschleunigen. (mm)