Burn-through of a Novel Coal Gasification Burner
-
A. Neidel
Abstract
A novel tip of a fuel gasification burner, designed-to-SLM (Selective Laser Melting) and made by SLM, was introduced by the client. This component failed prematurely by cracking at the cooled tip. The metallurgical cause of the failure was overheating due to blocked cooling passages, probably as a result of contaminated cooling water, leading to corrosion in the non-stainless piping systems upstream of the burner. Corrosion products, mainly iron oxides, spalled off said non-stainless components, causing blockages in the intricate cooling cavities of the AM-built burner tip. This lead to excessive thermal overload, reaching the melting temperature of the alloy at the burner tip. As a result, the subject burner tip failed by TMF cracking. Neither manufacturing nor design flaws were identified in the course of this failure investigation. It is speculated that the subject component will perform well if cooled properly. The root cause of the failure is the operation of the cooling water system of the subject burner that allowed loose corrosion products to form and to enter the burner tip.
Kurzfassung
Eine neuartiger, für eine Fertigung durch Selektives Laserschmelzen (Selective Laser Melting, SLM) konzipierter und mittels SLM gefertigter Kopf eines Kohlevergasungsbrenners wurde vom Kunden eingeführt. Durch eine Rissbildung am gekühlten Kopf kam es zum vorzeitigen Ausfall des Bauteils. Die metallurgische Fehlerursache war Überhitzung durch Verstopfung von Kühlkanälen, die wahrscheinlich auf verunreinigtes Kühlwasser zurückzuführen ist, das in einem dem Brenner vorgeschalteten Bereich zu Korrosion im nicht rostfreien Rohrleistungssystem führte. Korrosionsprodukte, im Wesentlichen Eisenoxide, platzten von den nicht rostfreien Komponenten ab und führten in den komplexen Kühlhohlräumen des durch Additive Fertigung (Additive Manufacturing, AM) hergestellten Brennerkopfes zu Verstopfungen. Hierdurch kam es zu übermäßiger thermischer Überlastung, im Laufe derer die Schmelztemperatur der Legierung am Brennerkopf erreicht wurde. In der Folge kam es zum Versagen des entsprechenden Brennerkopfes aufgrund von Rissbildung durch thermomechanische Ermüdung (Thermo-Mechanical Fatigue, TMF). Im Zuge dieser Schadensuntersuchung konnten weder Herstellungs- noch Konstruktionsfehler gefunden werden. Es wird gemutmaßt, dass das entsprechende Bauteil bei ordnungsgemäßer Kühlung normal arbeitet. Die Grundursache für das Versagen liegt im Betrieb des Kühlwassersystems des entsprechenden Brenners, bei dem sich lose Korrosionsprodukte bilden und in den Brennerkopf gelangen konnten.
References / Literatur
[1] Kruth, J.P.; Badrossamay, M.; Yasa, E.; Deckers, J.; Thijs, L.; Van Humbeeck, J.: Part and material properties in selective laser melting of metals. 16th International Symposium on Electromachining (ISEM VI)Suche in Google Scholar
[2] Levy, G.N.; Schindel, R.; Kruth, J.P.: Rapid manufacturing and rapid tooling with layer manufacturing (LM) technologies, state of the art and future perspectives. CRIP Annals, 52/22003, 583–60910.1016/S0007-8506(07)60206-6Suche in Google Scholar
[3] Hopkinson, N.; Dickens, P.: Rapid prototyping for direct manufacture. Rapid Prototyping Journal, 7/42001, 197–20210.1108/EUM0000000005753Suche in Google Scholar
[4] Kruth, J.P.; Levy, G.; Klocke, F.; Childs, T.H.C.: Consolidation phenomena in laser and powder-bed based layered manufacturing. CRIP Annals, 56/22007, 730–75910.1016/j.cirp.2007.10.004Suche in Google Scholar
[5] D2P Direct to Product: Herstellung von Funktionsprototypen und Werkzeugen mit serienidentischen Eigenschaften durch Selective Laser Melting. Ergebnisbericht zum Verbundvorhaben der Firmen und Institute Braun, Fraunhofer ILT, Trumpf, Heidelberg, Dresden2012Suche in Google Scholar
[6] van Elsen, M.; Al-Bender, F.; Kruth, J.P.: Application of dimensional analysis to selective laser melting. Rapid Prototyping Journal14/12008, 15–2210.1108/13552540810841526Suche in Google Scholar
[7] Brodin, H.; Andersson, O.; Johansson, S.: Mechanical Behaviour and Microstructure Correlation in a Selective Laser Melted Superalloy. Proceedings of ASME Turbo Expo 2013: Turbine Technical Conference and Exposition, June 3–7, 2013, San Antonio, Texas, USA10.1115/GT2013-95878Suche in Google Scholar
[8] Hennig, L.: Entwicklung des Strahlschmelzgefüges durch geeignete Wärmebehandlungen. Zwischenbericht Dissertation, Berlin 27.03.2013Suche in Google Scholar
[9] Ramos, J.A.; Murphy, J.; Lappo, K.; Wood, K.; Bourell, D.L.; Beaman, J.J.: Single-layer Deposits of Nickel Base Superalloy by means of Selective Laser Melting. Laboratory for Freeform Fabrication, The University of Texas at Austin, TX 78712, USA, 211–223Suche in Google Scholar
[10] Küsters, Y.: HT of SLM processed material. Siemens AG, internal meeting, November 29, 2012Suche in Google Scholar
[11] Fischer, B.; Cagliyan, E.; Ullrich, T.: Metallurgical Failure Investigation of Cracked Laser Sintered Y-pipe Used in HR3 Burner Rig Test Service. Siemens AG, Internal Report GT BLN QM/2013/0327, June 22, 2013Suche in Google Scholar
[12] Zaeh, M.F.; Branner, G.: Investigations on residual stresses and deformations in Selective Laser Melting (SLM). Institute for Machine Tools and Industrial Management (iwb), Garching, Germany2012Suche in Google Scholar
[13] Bassoli, E. et al.: Investigation into the failure of Inconel exhaust collector produced by laser consolidation. Eng. Fail. Anal. (2013)10.1016/j.engfailanal.2013.03.025Suche in Google Scholar
[14] Fleischer, T.: Brennerbegutachtung. Internal protocol, Freiberg, March 31, 2015Suche in Google Scholar
[15] Neidel, A. (Hrsg.): Handbuch Metallschäden. 2. Auflage, Carl HanserVerlag München Wien2015Suche in Google Scholar
[16] Cieslak, M.J.; Knorovsky, G.A.; Headley, T.J.; RomigJr., A.D.: The Solidification Metallurgy of Alloy 718 and Other Nb-Containing Superalloys. Sandia National Laboratories, Albuquerque, New Mexico 87185. In: Superalloy 718-Metallurgy and Applications, Edited by E.A.Loria. The Minerals, Metals & Materials Society, 198Suche in Google Scholar
© 2020, Carl Hanser Verlag, München
Artikel in diesem Heft
- Contents/Inhalt
- Contents
- Editorial
- Editorial
- Technical Contributions/Fachbeiträge
- Microstructural and Phase Analysis of an Additively Manufactured Intermetallic TiAl Alloy using Metallographic Techniques and High-Energy X-Rays
- 3-Dimensional Imaging of Macroscopic Defects in Aluminum Alloys: Image Reconstruction in 3D using Milling and Optical Microscopy
- Generation of a Uniformly Coarse Two-Phase Microstructure in a Hypereutectic Ag-Si Alloy
- Burn-through of a Novel Coal Gasification Burner
- Meeting Diary/Veranstaltungskalender
- Meeting Diary
Artikel in diesem Heft
- Contents/Inhalt
- Contents
- Editorial
- Editorial
- Technical Contributions/Fachbeiträge
- Microstructural and Phase Analysis of an Additively Manufactured Intermetallic TiAl Alloy using Metallographic Techniques and High-Energy X-Rays
- 3-Dimensional Imaging of Macroscopic Defects in Aluminum Alloys: Image Reconstruction in 3D using Milling and Optical Microscopy
- Generation of a Uniformly Coarse Two-Phase Microstructure in a Hypereutectic Ag-Si Alloy
- Burn-through of a Novel Coal Gasification Burner
- Meeting Diary/Veranstaltungskalender
- Meeting Diary
