Fraunhofer-Institut für Großstrukturen in der Produktionstechnik IGPQualifizierung von GJS-Werkstoffen und thermisch gespritzter Korrosionsschutzsysteme für den Unterwassereinsatz unter Ermüdungsbeanspruchung
Meereskraftwerke stellen eine vielversprechende, aktuell jedoch wenige genutzte Möglichkeit zur Ergänzung der etablierten regenerativen Energieerzeugungsmöglichkeiten dar. Vor allem deutsche Hersteller haben in den letzten Jahren unterschiedlichen Konzepte und Produkte entwickelt, vgl. Abbildung 1. Für den Bau entsprechender Anlagen wird häufig auf die Verwendung von Sphärogusswerkstoffen gesetzt. Aufgrund des direkten Kontakts der ermüdungsbeanspruchten Bauteile zum Meerwasser und diesbezüglich konservativer Auslegungsvorschriften müssen im Rahmen der Anlagendimensionierung jedoch teilweise sehr unvorteilhafte Annahmen getroffen werden, so dass aktuelle Anlagenkonzepte mit verhältnismäßig hohen Herstellungskosten einhergehen.
Problemstellung
Aufgrund guter mechanischer Eigenschaften und vergleichsweise geringer Materialkosten wird in sämtlichen Komponenten innerhalb der Maschinenträger, aber auch für dynamisch hochbelastete Bauteile wie Blattlager, Naben, Lagergehäuse, Frontplatten oder Propellerflügel überwiegend Sphäroguss GJS-400 bis GJS-600 eingesetzt. Wegen des direkten Kontakts mit Meerwasser werden die entsprechenden Gussbauteile meist mit organischen Beschichtungen versiegelt und/oder mit Opferanoden geschützt. Da diese Methoden langfristigen jedoch keinen vollständigen Korrosionsschutz garantieren können, ist eine freie Korrosion an den Bauteilen nicht ausgeschlossen. Diese muss im Rahmen der Auslegung bei der Ermüdungsbewertung berücksichtigt werden, was häufig zu unwirtschaftlichen Konstruktionen mit hohen Wandstärken und Bauteilgewichten führt.
Zielstellung und Lösungsweg
Das Projekt verfolgt das Ziel, eine versuchsgestützte Datengrundlage für die Bemessung von Sphärogusswerkstoffen in korrosiver Meerwasserumgebung und unter dynamischer Belastung zu schaffen sowie moderne thermische Beschichtungstechnologien für lange Bauteillebensdauern auch unter korrosiver Beanspruchung zu etablieren. Erste Untersuchungen deuten darauf hin, dass die regulativ vorgeschriebene Ermüdungsfestigkeitsreduktion zu konservativ ist und dass lichtbogengespritzte Schichten auch auf Gusseisen aufgebracht werden können, ohne die Ermüdungsfestigkeit maßgeblich negativ zu beeinflussen. Auf dieser Grundlage werden im Projekt verschiedene, typische thermisch gespritzte Korrosionsschutzschichten wie z.B. Al oder Zn auf ihre Beschichtungseigenschaften untersucht sowie die Auswirkung der Beschichtungen auf die Ermüdungsfestigkeit entsprechend beschichteter Gusswerkstoffe experimentell untersucht.
Nutzen
Durch die experimentelle Ermittlung von Bemessungswerten für ermüdungsbeanspruchte Gusswerkstoffe unter Korrosionsbeeinflussung können unter Wasser eingesetzte Anlagenkomponenten wirtschaftlicher dimensioniert werden. Bei Nachweis eines ausreichend langlebigen Schichtsystems können Anwender die neuen Möglichkeiten des Korrosionsschutzes nutzen, um Bauteile und Komponenten mit geringerer Masse zu bemessen und z.B. Meereskraftwerke kostengünstiger anzubieten. Die Erkenntnisse zur Korrosionsbemessung sowie zu den Schichtsystemen sind zudem nicht nur auf Meereskraftwerke begrenzt. Aktuell fehlt in sämtlichen technischen Bereichen eine gesicherte Datengrundlage für die Ermüdungsbemessung unter Wasser genutzter Gussbauteile. Unternehmen, die thermisch gespritzte Schichten aufbringen, profitieren ebenso von den Projektergebnissen wie Ingenieurbüros, welche Bemessung und Design verantworten. Die beteiligten Gießereien profitieren von neuen nachgewiesenen Einsatzgebieten für Werkstoffe, die sie proaktiv vermarkten und in neue Produktentwicklungen integrieren können.