Projektnummer 266

Kriechverhalten und Lebensdauerbewertung modifizierter 12%-Cr-Stähle III

Aus den Untersuchungsergebnissen, die in den bereits erfolgreich abgeschlossenen Vorgängerprojekten (VGB-Nummern 200 und 233 ) ermittelt wurden, resultiert ein sehr gutes Verständnis der metallphysikalischen Vorgänge in den 9-12% Chromstählen unter Zeitstandbeanspruchung.

Hierzu hat insbesondere die enge Zusammenarbeit mit der Technical University of Denmark (John Hald) und den Unternehmen Elsam/Energi E2 sowie mit den europäischen Projektpartnern im COST522/536 geführt.

Man ist derzeit in der Lage, das Kriechverhalten mit einer guten Genauigkeit auf der Grundlage mikrostruktureller Messgrößen vorherzusagen. Die Größe der Subkörner und der Ausscheidungen wurde mit Hilfe neuer Untersuchungsmethoden wie EFTEM ( E nergy- F iltered T ransmission E lectron M icroscopy) ermittelt. Mit Hilfe thermodynamischer und kinetischer Modellierung wird das Wachstum der Ausscheidungen berechnet.

Zusammengefasst ergibt sich hieraus der folgende derzeitige Kenntnisstand:

1. Die Zeitstandfestigkeit ist eine Funktion der Ausscheidungen und der Subkorngröße, wobei Größe, Verteilung und Langzeitstabilität der festigkeitssteigernden Ausscheidungen die maßgeblichen Faktoren darstellen.
2. Die Subkorngröße variiert nur sehr wenig zwischen den unterschiedlichen Stählen, so dass die Verbesserung der Zeitstandfestigkeit mit Hilfe einer „Optimierung“ des Ausscheidungszustandes erfolgen muss. Hierbei liegt das Hauptaugenmerk auf der Stabilisierung dieses Zustandes über die gesamte geplante Betriebszeit der Bauteile.
3. Untersuchungen mit Hilfe von APFIM ( A tom P robe F ield I on M icroscopy) haben geholfen, den positiven Einfluss von Bor auf die Zeitstandfestigkeit zu erklären. Dies beruht im Wesentlichen auf der Reduzierung der M ₂₃ C ₆ -Karbidvergröberung. Diese Kenntnis wird derzeit in allen neuen Stahlentwicklungen realisiert , wobei die Ermittlung der optimalen Borgehalte Gegenstand der derzeitigen und zukünftigen Untersuchungen ist.
4. Stickstoff bildet mit Vanadium sehr stabile Vanadiumnitride (VN), die den größten Beitrag zur Zeitstandfestigkeit besitzen. Trotzdem zeigen viele der neuen Stähle einen Abfall der Zeitstandfestigkeit nach unterschiedlich langen Zeiten (bis zu 80.000 Bh). Untersuchungen von John Hald haben gezeigt, dass dies mit dem Auftreten einer neuen Ausscheidung, der so genannten Z-Phase, in Verbindung steht. Das Zulegieren von Kobalt in aktuellen Materialentwicklungsprogrammen (z. B. VGB-Nr. 221 " 12CrCoMo “) scheint dieses Problem zu verschärfen. Daher sind weitere Untersuchungen notwendig, um den Bildungsmechanismus der Z-Phase zu verstehen und somit geeignete Gegenmaßnahmen bei der Entwicklung neuer Stähle einleiten zu können. Dies wird der wichtigste Teil des beantragten Vorhabens sein. Weiterhin wird nach alternativen Zusätzen gesucht, die - ähnlich wie das Legierungselement Niob - das Austenit-Kornwachstum während der Wärmebehandlung minimieren.
5. Molybdän- und Wolframzugabe führt zur Bildung von Laves-Phase, die sich im Gegensatz zu M ₂₃ C ₆ und MX erst bei Betriebstemperaturen zwischen 600 und 650 °C bildet. Diese Ausscheidungen tragen zur Zeitstandfestigkeit bei. In dem kupferlegierten Stahl P 122 wurden feine kupferhaltige Ausscheidungen gefunden, die als Keimbildungsstellen für Laves-Phase wirken. Dieser Mechanismus ist bisher in den neuen Versuchsschmelzen des COST-Projektes noch nicht ausgenutzt worden. In diesem Anschlussvorhaben sollen deshalb einige neue kupferhaltige Stähle mit Hilfe von EFTEM charakterisiert und ihr Langzeitverhalten modelliert werden.

Für die zurzeit laufenden Forschungsvorhaben, in denen neue Werkstoffe qualifiziert werden, lassen sich die Ergebnisse dieses Vorhabens zur Werkstoffoptimierung hinsichtlich chemischer Zusammensetzung und Wärmebehandlung sowie zur Festlegung der notwendigen Minimalprüfzeit der Zeitstandversuche heranziehen.

Das Vorhaben wird als Gemeinschaftsprojekt zweier schwedischer Institute durchgeführt:

• Chalmers University of Technology, Göteborg
  Division of Microscopy and Microanalysis
  Department of Experimental Physics
  Projektleiter: Prof. Hans-Olof Andrén
• Royal Institute of Technology, Stockholm
  Division of Physical Metallurgy
  Department of Materials Science and Engineering
  Projektleiter: Prof. John Ågren

Der Fachausschuss " Werkstoffe und Qualitätssicherung " begleitet die Untersuchungen, deren Ergebnisse im Dezember 2007 vorliegen sollen.