Analysis of the interaction between hydrogen-based combustion systems, hightemperaturematerials and laser-based additive manufacturing (H2MAT3D)

氢基燃烧系统、高温材料和激光增材制造之间的相互作用分析 (H2MAT3D)

基本信息

项目摘要

The efficiency of modern hydrogen-based combustion systems depends heavily on the flame-solid interactions since both the thermo-kinetic field inside the flame and the heat loss via the solid material strongly affect the flame stability. Furthermore, realization of novel geometrically complex burner designs can only be accomplished using additive manufacturing (AM) techniques. In H2MAT3D, the interaction between hydrogen-based combustion systems and additively manufactured materials is investigated experimentally and numerically. This will allow to bridge the gap between the design of AM burners and the process-material interaction in the combustion process. In order to achieve this, high-temperature resistant materials that are also processable by AM, in particular Laser Powder Bed Fusion (LPBF), are identified via thermodynamics-based alloy selection parting from Ni-base superalloys and produced via Extreme High-Speed Laser Application (EHLA), which enables a high-throughput alloy development. This work is supported by microstructure simulations that will contribute information factors influencing the high-temperature strength, degradation behavior and crack formation during additive manufacturing. The produced samples are studied in hydrogen combustion experiments and characterized pre- and post-operando to reveal degradation mechanisms. The experimental work on combustion is complemented by combustion simulations which aim to understand the influence of the material on the flame due to heat conductivity and surface reactions. The fundamental understanding gained in H2MAT3D will be used to harmonize the AM process conditions and high-temperature materials to yield combustion processes with enhanced efficiency. The results of this proposed research can be used for additive manufactured combustion systems in which tailored alloys and complex geometries help to increase the efficiency and to decrease the environmental impact of combustion processes.
现代氢基燃烧系统的效率在很大程度上取决于火焰-固体相互作用,因为火焰内的热动力场和通过固体材料的热损失强烈影响火焰稳定性。此外,新颖的几何形状复杂的燃烧器设计的实现只能使用增材制造(AM)技术来完成。在H2 MAT 3D中,对氢基燃烧系统与增材制造材料之间的相互作用进行了实验和数值研究。这将允许弥合AM燃烧器的设计与燃烧过程中的过程-材料相互作用之间的差距。为了实现这一目标,也可通过AM加工的耐高温材料,特别是激光粉末床熔合(LPBF),通过镍基高温合金的镍基合金选择分离来确定,并通过极高速激光应用(EHLA)生产,这使得高产量合金开发成为可能。这项工作得到了微观结构模拟的支持,微观结构模拟将有助于影响增材制造过程中高温强度、降解行为和裂纹形成的信息因素。所产生的样品在氢燃烧实验中进行了研究,并在操作前和操作后进行了表征,以揭示降解机制。燃烧实验工作通过燃烧模拟得到补充,燃烧模拟旨在了解材料因导热性和表面反应对火焰的影响。在H2 MAT 3D中获得的基本理解将用于协调AM工艺条件和高温材料,以产生具有更高效率的燃烧过程。这项研究的结果可用于增材制造的燃烧系统,其中定制的合金和复杂的几何形状有助于提高效率并减少燃烧过程对环境的影响。

项目成果

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