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EcoForge - Leittechnologie für Morgen: Ressourceneffiziente Prozessketten für Hochleistungsbauteile, Teilprojekt 6: Kontrollierte Abkühlung von Bauteilen aus der Schmiedewärme

Motivation: Durch die Einstellung des Werkstoffgefüges direkt aus der Schmiedehitze sind ressourcen- und energieeffiziente Prozessketten in der Umformindustrie realisierbar. Eine gezielte Temperatur-Zeit-Führung der Bauteile in der Wärmebehandlung ermöglicht es, die Werkstoffgefüge zu optimieren und die Prozesskette in der Produktion hochbeanspruchter Schmiedebauteile zu verkürzen und somit einen Vorsprung in der Entwicklung zu erlangen. Zielsetzung: - Verkürzung der Prozesskette - Einstellen des Werkstoffgefüges durch kontrollierte Zeit-Temperatur-Umwandlungsverläufe - Abkühlen aus der Schmiedewärme - Integration einer sicheren und energieeffizienten Prozessführung. Lösungsweg: Der Lösungsweg baut auf experimentellen und simulativen Untersuchungen adaptierter Abkühlprozesse auf. Der Temperatur-Zeit-Verlauf im Wärmebehandlungsprozess kann in drei Hauptbereiche unterteilt werden: - zügiges Abkühlen auf Bainitisierungstemperatur TB1 - isothermes Halten während der Bainitisierung TB2 - geregeltes Abkühlen aus der Bainitisierung TB3. Kontinuierliches ZTU-Diagramm eines HDB-Stahls mit möglicher Abkühlkurve. TB 1: zügiges Abkühlen auf Bainit - TBS. Die Wärmebehandlung der Schmiedebauteile erfolgt über eine kontrollierte Düsenfeldabschreckung. Düsenfeldabschreckung: Jets und Sprays. TB 2: isothermes Halten auf Bainitisierungstemperatur. Über einen Heißgasprozess ist ein isothermes Halten der Bauteile auf Bainittemperatur möglich. TB3: geregelte Abkühlung auf RT. Die Abkühlung auf RT erfolgt wiederum mittels Düsenfeldabschreckung.

Erweiterung von Modellkonzepten für technisch kontrollierte Kalziumkarbonatausfällung unter besonderer Berücksichtigung mehrerer antreibender Prozesse, des Temperatureinflusses und der Zweiphasenströmung

Fluidspeicherung im Untergrund ist ein wichtiger Bestandteil der Bemühungen zur Eindämmung des Klimawandels (Speicherung von CO2) oder für Energiespeicherung um die Schwankungen durch die wechselnde, unvorhersehbare Produktion erneuerbarer Energierzeugung auszugleichen. Diese Fluide können jedoch durch undichte Brunnen oder beschädigte Deckschichten austreten. Die technisch kontrollierte Kalziumkarbonatausfällung ist von unseren Partnern an der Montana State University erfolgreich in Feldversuchen angewandt worden, solche Leckagen zu beheben. Die Anwendbarkeit einer bestimmten Methode von induzierter Kalziumkarbonatausfällung (ICP) wird hauptsächlich durch die Tiefe der Leckage und dem lokalen geothermalen Gradienten bestimmt. Mikrobiell induzierte Kalziumkarbonatausfällung (MICP) ist auf die Aktivität lebender bakterieller Zellen angewiesen, welche auf einen niedrigen Temperaturbereich beschränkt ist, der meist nur im flacheren Untergrund, in zur Speicherung von CH4 oder Erdgas geeigneten Tiefen gegeben ist, aber in geeigneten Reservoiren für die Speicherung von CO2 meist überschritten wird. Deswegen sollten weitere Möglichkeiten, Kalziumkarbonatausfällung durch Enzyme (EICP) oder thermische Prozesse (TICP) zu induzieren, entwickelt und in Feldversuchen erprobt werden. Das Hauptziel dieses Projekts ist es, das bestehende numerische Modell für MICP zu verallgemeinern um ein allgemeingültiges Modell zu erhalten, welches auch für EICP und TICP sowie Kombinationen der Prozesse verwendet werden kann. Dafür müssen zunächst alle für EICP und TICP relevanten Prozesse und deren Interaktionen identifiziert werden, um das Modellkonzepte zu formulieren. Für EICP und TICP sind nicht-isotherme Modelle besonders wichtig, da für beide die zentrale Harnstoffhydrolysereaktion stark temperaturabhängig ist. Dafür muss die temperaturabhängig der physikalischen Eigenschaften und der biogeochemischen Reaktionen sowie der Transport der inneren Energie quantifiziert und parameterisiert werden. Die Implementierung des Modells im Open-Source Simulator DuMuX (www.dumux.org) wird auf dem vorhandenen Modell für MICP aufbauen. Ein zweiter Teil des Projekts ist die Verbesserung des ICP Modells unter besonderer Berücksichtigung anwendungsrelevanter Prozesse, wie zum Beispiel der Auswirkung von ICP auf die Zweiphasenströmungseigenschaften. Diese Auswirkung ist bis jetzt noch nicht im bestehenden Modell berücksichtigt. Vor allem aufgrund der Anwendung von ICP zur Reduktion von Gasleckagen im Untergrund sollte das Modell die Auswirkung von ICP auf die Zweiphasenströmungseigenschaften jedoch berücksichtigen, da die Erhöhung des Eindringdrucks für das Gas auf Werte über den Reservoirdruck für eine ausreichende Abdichtung ausreicht.

GIS-gestütze Ermittlung der Veränderung des Lebensraumes gefährdeter Wildtierarten

Die Wildtierarten Birkhuhn, Schneehuhn sowie Gams- und Steinwild haben sich im Laufe ihrer Evolution perfekt an das Leben in alpinen Lagen, hauptsächlich über der Waldgrenze, angepasst und sind somit Teil dieses sehr empfindlichen Ökosystems. Unter Annahme des Ansteigens der Waldgrenze aufgrund Klimaerwärmung verringert sich der Lebensraum dieser Wildtierarten massiv. Als Grundlage für die Ermittlung der Veränderungen wurde die Temperaturentwicklung der vergangenen 50 Jahre genauer betrachtet sowie das Klimamodell MM5 für eine Abschätzung der zukünftigen Erwärmung herangezogen. Die Temperaturentwicklung in den vergangenen 50 Jahren zeigt für die ersten zwei Dekaden sogar eine Abkühlung, seit 1970 aber einen starken Anstieg. Das Klimamodell prognostiziert für die nächsten 50 Jahre eine Erwärmung von ca. 2,2 C für das Untersuchungsgebiet in den Niederen Tauern. Das Baumwachstum ist sehr stark von der Temperatur abhängig und eine hohe Korrelation zwischen der Wachstumsgrenze von Bäumen und der 10 C Juli-Isotherme wurde nachgewiesen. Das Klimamodell MM5 zeigt für die nächsten 50 Jahre einen prognostizierten Anstieg der Isothermen um ca. 450 Höhenmeter. Prognostizierte Temperaturveränderungen hängen jedoch sehr stark vom verwendeten Klimamodell ab. Über die Geschwindigkeit, mit der sich die Waldgrenze zur temperaturbedingten Wachstumsgrenze hin bewegt, kann keine Aussage getroffen werden und wäre Gegenstand zukünftiger Forschungsarbeiten. Weiters übt die Bewirtschaftung durch den Menschen einen sehr großen Einfluss auf den Verlauf der Waldgrenze aus. Daher ist noch nicht absehbar, wie diese sich verändern wird. Die aktuellen Lebensräume wurden nach einem wissensbasierten Habitatmodell mit Hilfe eines Geografischen Informationssystems (GIS) erstellt. Unter der Annahme, dass die zukünftige Waldgrenze die Höhe der berechneten Isotherme für die Dekade 2040-2050 erreicht, führt diese Verschiebung zu einem dramatischen Verlust an Lebensraum.

Skalierung von Sorptionsisothermen und physikochemischen Bodeneigenschaften zur Quantifizierung der feldskaligen Variabilität der Retardation reaktiver Stoffe in Böden

Die adsorptive Bindung reaktiver Stoffe steuert deren Mobilität und Auswaschungsgefährdung in Böden und wird meist durch Sorptionsisothermen quantifiziert. Diese werden an punktuell entnommenen Bodenproben gemessen und weisen meist eine große Variabilität auf. Aufgrund dieser Variabilität können viele Fragestellungen auf der Feldskala nur unzuverlässig beantwortet werden. Ziel des Projekts ist es, eine wesentlich verbesserte Methodik für das upscaling der adsorptiven Bindung reaktiver Stoffe am Beispiel ausgewählter Schwermetalle zu entwickeln. Die Methodik beruht auf der Berechnung von Skalierungsfaktoren, die den linearen Variabilitätsanteil der Sorption erfassen. Kernhypothesen des Antrags sind, dass diese Skalierungsfaktoren für Sorptionsisothermen verschiedener Schwermetalle eng korreliert sind und dass sie weiterhin eng mit physikochemischen Bodeneigenschaften (Kationenoder Anionenaustauschkapazität) korrelieren. Daraus resultiert als wesentliche Innovation, dass nur wenige Messungen zur lokalen Stoffadsorption und zu physikochemischen Bodeneigenschaften erforderlich sind, um feldskalige Aussagen zur Schwermetallbindung und -mobilität machen zu können. Die Entwicklung der Methodik sowie die Prüfung ihrer Anwendungsmöglichkeiten und Grenzen sollen für eine Auswahl verbreiteter Böden durchgeführt werden.

Effekt der H2-Verbrennung auf die thermozyklische Beständigkeit von Wärmedämmschichten im Bereich des Heißgastrakts von Gasturbinen, Teilvorhaben: H2-Beständigkeit bei thermozyklischer Beanspruchung

Projekt TG: TOUGH - In-Situ Experiment: THMC-gekoppelte Prozesse in geklüfteten, geothermalen Systemen bei nicht-isothermer Fluidzirkulation

MOEWE, Hoch Effiziente RTM Produktion für Nachhaltige Großkomponenten

Effekt der H2-Verbrennung auf die thermozyklische Beständigkeit von Wärmedämmschichten im Bereich des Heißgastrakts von Gasturbinen, Teilvorhaben: H2-Beständigkeit bei isothermer Beanspruchung

EcoForge - Leittechnologie für Morgen: Ressourceneffiziente Prozessketten für Hochleistungsbauteile, Teilprojekt 3: Untersuchung der Lauwarmumformbarkeit geschmiedeter und gezielt aus der Schmiedehitze wärmebehandelter Werkstücke

Problemstellung: Bei der Herstellung von typischen Serienteilen von Kraftfahrzeugen wie z.B. Achsschenkeln oder Getriebewellen durch Verfahren der Massivumformung und anschließendem Zerspanen entfallen ca. 40-70 Prozent der gesamten Stückkosten auf die mechanische Nachbearbeitung. Oben angedeutetes Potential liegt gerade bei heutzutage immer stärker nachgefragten Hochleistungsbauteilen zum einen in der technologischen Verbesserung spanabhebender Fertigungsverfahren selbst und zum anderen in der Minimierung der kostenintensiven Zerspanung. Die Kombination aus Warm- und Kaltformgebung ist in modernen Schmiedebetrieben bereits Stand der Technik und ermöglicht die Herstellung technisch anspruchsvoller Bauteile mit geringer spanender Nacharbeit. Es sind Bauteile mit verbesserten Maß- und Formgenauigkeiten als durch alleinige Warmumformung herstellbar. Durch die Kaltumformung lassen sich darüber hinaus weitere funktionelle Bauteileigenschaften verbessern, die gerade heutzutage Gegenstand zahlreicher Forschungsarbeiten sind. Die Verfahrensgrenze einer dem Schmiedeprozess nachgeschalteten Kaltumformung wird häufig durch die mechanischen Werkzeugbelastungen aufgrund der hohen und durch Entwicklung neuartiger Stahlgüten immer höher werdenden Werkstofffestigkeiten festgelegt. In modernen Schmiedeprozessketten findet aus energetischen und damit wirtschaftlichen und ökologischen Gesichtspunkten eine Wärmebehandlung zur Einstellung bestimmter Werkstoffeigenschaften direkt aus der Schmiedehitze statt. Die letzte Wärmebehandlungsstufe entspricht bei modernen Legierungskonzepten einer isothermen Haltestufe zur ferritisch-perlitischen oder auch bainitischen Gefügeumwandlung. Neueste Entwicklungen auf dem Gebiet der Sensorik ermöglichen eine intelligente thermomechanische Prozessführung aus Schmieden und definierter Wärmebehandlung direkt aus der Schmiedehitze, wie sie im Rahmen der AiF-Leittechnologie 'Schmieden 2020 - Ressourceneffiziente Prozessketten für Hochleistungsbauteile' entwickelt werden soll. Die ganzheitliche Prozessbetrachtung zeigt, dass in thermomechanisch behandelten Werkstücken nicht nur gezielt funktionelles Gebrauchsgefüge, sondern auch auf eine weitere Verarbeitung (z.B. durch Umformung) technologisch optimierte Verarbeitungsgefüge eingestellt werden könnten. Es fehlt jedoch an wissenschaftlichen Erkenntnissen über günstige Gefügezustände für eine anschließende Kaltumformung oder eine Lauwarmumformung aus der Schmiedehitze im technologischen und funktionellen Sinn. Dies gilt erst recht für mikrolegierte ausscheidungshärtende ferritisch-perlitische und hochfeste duktile bainitische Hochleistungsstähle. Das Potential der Lauwarmumformung im Temperaturbereich zwischen Kaltumformung und industrieller Halbwarmumformung typischer Fließpressstähle an sich, konnte durch neuere Forschungsarbeiten am Institut für Umformtechnik (IFU) der Universität Stuttgart bereits aufgezeigt werden. usw.

Waermespeicherung in Metallhydriden

Die Eigenschaft bestimmter Metalle, Wasserstoff chemisch als Hydrid zu binden stellt eine Alternative zu der Gas- und Fluessigspeicherung dar. Bei der Bildung des Metallhydrides werden Wasserstoffmolekuele gespalten und Wasserstoffatome an Zwischengitterplaetzen geeigneter Metalllegierungen eingebaut. Die Wasserstoff-Metall-Reaktion setzt in Abhaengigkeit des eingesetzten Metalls Bildungswaerme bis zu 30 Prozent des unteren Heizwertes von Wasserstoff frei. Im Verlauf der Rueckreaktion kann aufgrund der Hydridzersetzung Wasserstoff abgegeben und Waerme verlustlos gespeichert werden. Die Bildung von Hydriden als Funktion von Druck, Temperatur und Wasserstoffkonzentration im Metall wird in Konzentrations-Druck-Isothermen erfasst. Die Umwandlung von Metall in Metallhydrid findet unter konstantem Wasserstoffdruck bei gleichbleibender Temperatur statt. Schwerpunktmaessig werden Magnesiumhydride, Hydride der 3 d-Uebergangsmetallreihe und Hydride auf Basis der seltenen Erden im Hinblick auf ihr thermodynamisches Verhalten, ihre Reaktionskinetik, ihre Waermeleitfaehigkeit, ihrer Speicher- und Zyklisierungsstabilitaet untersucht. Hierbei hat sich herausgestellt, dass Metallhydride technisch sinnvoll und wirtschaftlich einsetzbar sind, wenn die Reaktion der Metalle mit Wasserstoff nicht allein zur Wasserstoffspeicherung dient, sondern zusaetzliche Funktionen mit den Systemen erfuellt werden koennen. Die Waermetoenung empfiehlt Hydride nicht nur als Wasserstoff-, sondern auch als Waermespeicher. Die Kombination zweier Hydridspeicher auf unterschiedlichem Temperaturniveau kann als Waermepumpsystem funktionieren. Zur Zeit steht die Entwicklung verfahrenstechnischer Simulationsprogramme im Vordergrund, die es erlauben, die gemessenen thermodynamischen Daten als Basis fuer die Voraussagen des Betriebsverhaltens grosstechnischer Energiespeicher zu treffen.

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