Analyse der Wechselwirkungen zwischen wasserstoffbasierten Verbrennungssystemen, Hochtemperaturmaterialien und laserbasierter Additiver Fertigung (H2MAT3D)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Haase; Professor Dr. Ulrich Maas; Professor Dr.-Ing. Johannes Henrich Schleifenbaum
• Fachliche Zuordnung: Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren ; Computergestütztes Werkstoffdesign und Simulation von Werkstoffverhalten von atomistischer bis mikroskopischer Skala ; Technische Thermodynamik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 523879740

Die Effizienz moderner wasserstoffbasierter Verbrennungssysteme hängt stark von den Wechselwirkungen zwischen Flamme und Festkörper ab, da sowohl das thermokinetische Feld in der Flamme als auch der Wärmeverlust über den Festkörper die Flammenstabilität stark beeinflussen. Darüber hinaus ist die Realisierung neuartiger geometrisch komplexer Brennerdesigns nur mit additiven Fertigungsverfahren (AM) möglich. In H2MAT3D wird die Wechselwirkung zwischen wasserstoffbasierten Verbrennungssystemen und additiv gefertigten Materialien experimentell und numerisch untersucht. Damit kann die Lücke zwischen dem Design von AM-Brennern und der Prozess-Material-Wechselwirkung im Verbrennungsprozess geschlossen werden. Um dies zu erreichen, werden hochtemperaturbeständige Werkstoffe, die auch durch AM, insbesondere Laser Powder Bed Fusion (LPBF), verarbeitbar sind, durch thermodynamisch basierte Legierungsselektion aus Ni-Basis-Superlegierungen identifiziert und mittels Extreme High-Speed Laser Application (EHLA) hergestellt, welches eine Legierungsentwicklung im Hochdurchsatzverfahren ermöglicht. Diese Arbeit wird durch Mikrostruktursimulationen unterstützt, die Informationen über Faktoren liefern, die die Hochtemperaturfestigkeit, das Degradationsverhalten und die Rissbildung während der additiven Fertigung beeinflussen. Die hergestellten Proben werden in Wasserstoffverbrennungsexperimenten untersucht und prae- sowie post-operando charakterisiert, um Degradationsmechanismen aufzudecken. Die experimentellen Arbeiten zur Verbrennung werden durch Verbrennungssimulationen ergänzt, die darauf abzielen, den Einfluss des Materials auf die Flamme aufgrund von Wärmeleitfähigkeit und Oberflächenreaktionen zu verstehen. Das in H2MAT3D gewonnene grundlegende Verständnis wird genutzt, um die AM-Prozessbedingungen und die Hochtemperaturmaterialien aufeinander abzustimmen, um Verbrennungsprozesse mit verbesserter Effizienz zu erzielen. Die Ergebnisse dieses Forschungsvorhabens können für additiv gefertigte Verbrennungssysteme genutzt werden, bei denen maßgeschneiderte Legierungen und komplexe Geometrien dazu beitragen, die Effizienz zu steigern und die Umweltauswirkungen von Verbrennungsprozessen zu verringern.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2419: Ein Beitrag zur Realisierung der Energiewende: Optimierung thermochemischer Energiewandlungsprozesse zur flexiblen Nutzung wasserstoffbasierter erneuerbarer Brennstoffe durch additive Fertigungsverfahren