Wasserstoff Kampf der Wasserstoffversprödung: So wird hochfester Stahl H2-fit

Redakteur: Dominik Stephan

Rohstoff, Energieträger und stofflicher Stromspeicher: Wasserstoff soll es richten. Doch bevor das kleinste Atom groß rauskommt, müssen Anlagenbauer und Konstrukteure das Problem der Wasserstoffversprödung lösen. Ein internationales Team mit deutscher Beteiligung will eine der zentralen Herausforderungen für eine H2-Infrasruktur gelöst haben - die Rissbildung in hochfesten Stählen.

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Chemische Heterogenität innerhalb der Mikrostruktur führt zu einer verbesserten Beständigkeit gegen wasserstoffinduzierte Rissbildung und unterdrückt damit ein wasserstoffinduziertes vorzeitiges Materialversagen
Chemische Heterogenität innerhalb der Mikrostruktur führt zu einer verbesserten Beständigkeit gegen wasserstoffinduzierte Rissbildung und unterdrückt damit ein wasserstoffinduziertes vorzeitiges Materialversagen
(Bild: IDW/Die Abbildung wurde reproduziert aus B. Sun et al, Nat. Mater. 2021)

Wasserstoff – das kleinste aller Atome soll zum zentralen Baustein einer klimaneutralen Wirtschaft werden. Doch das leichte Gas macht es den Konstrukteurinnen und Konstrukteuren schwer: Die Wasserstoffversprödung von hochfesten Legierungen ist zu einem der Hauptprobleme geworden, die die Realisierung der Wasserstoffwirtschaft behindern. Derartige Materialien werden in der Automobil- und Luftfahrtindustrie genauso benötigt wie in Rohren, Ventilen, Tanks und Leitungen, die zur Speicherung und zum Transport von Wasserstoff eingesetzt werden. Damit stellt die Nutzung von Wasserstoff als Energieträger sehr hohe Anforderungen an die Sicherheitstechnik und Betriebsfestigkeit von Bauteilen, da bereits geringe Wasserstoff-Anteile mit Umgebungsluft zu einer Versprödung von Werkstoffen führen können. Damit steigen die Anforderungen an Werkstoffe und Bauteile, die korrosiven Umgebungsbedingungen, wie Wasserstoff, biogenen oder synthetischen Kraftstoffen, ausgesetzt sind.

Jetzt wollen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Eisenforschung (MPIE), der Tsinghua University China und der Norwegian University of Science and Technology einen Weg gefunden haben, wasserstoffinduzierte Risse in hochfesten Stählen zu stoppen, wie eine Veröffentlichung in der Nature Materials zeigt. „Stähle machen 90 Prozent des weltweiten Marktes für Metalllegierungen aus und hochfeste Stähle können besonders anfällig für Wasserstoffversprödung sein. Deshalb war es unser Ziel, eine kostengünstige, skalierbare Strategie zu finden, um hochfeste Stähle unter Beibehaltung ihrer mechanischen Leistungsfähigkeit widerstandsfähiger gegen Wasserstoff zu machen.“, erklärt Dr. Binhan Sun, Postdoktorand, Themenleiter für Wasserstoffversprödung in Hochleistungslegierungen am MPIE und Erstautor der Publikation. Die Wissenschaftler implementierten manganreiche Bereiche in die Mikrostruktur des Stahls, um Risse abzustumpfen und Wasserstoff darin einzufangen und so die Rissausbreitung zu stoppen.

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Für übliche Stahlsorten und Legierungen geeignet

„Wir haben unsere Methode mit hochfesten Manganstählen getestet, in denen wir eine extrem hohe Anzahldichte von manganreichen Pufferzonen erzeugt haben. Diese Pufferzonen stellen Sackgassen für Risse dar, indem sie scharfe Risse abstumpfen. Dadurch wird der Stahl doppelt so widerstandsfähig gegen Wasserstoff wie herkömmliche chemisch homogene Stähle, unabhängig davon, wann und wie Wasserstoff in das Material eingedrungen ist“, erklärt Dr. Dirk Ponge, Leiter der MPIE-Gruppe „Mechanism-based Alloy Design“, der das Forschungsprojekt betreut.

Die vorgestellte Methode lässt sich prinzipiell auf über zehn etablierte Stahlsorten anwenden: Mögliche Anwendungen sehen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auch für andere Legierungssysteme (z.B. mehrphasige Titanlegierungen), die fest, duktil und wasserstoffbeständig sein sollen. Bevor jedoch das Spektrum der Legierungen erweitert wird, wollen die Forscherinnen nun verschiedene Methoden finden, um Pufferzonen mit chemischer Heterogenität innerhalb des Gefüges präzise zu erzeugen. Diese verschiedenen Methoden könnten den Effekt der Rissbeständigkeit weiter verstärken und besser zu den etablierten industriellen Verarbeitungsrouten passen.

Doch auch anderswo steht das leichte Gas und seine Herausforderungen im Mittelpunkt des Interesses: So werden etwa am Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF mittels individueller und variabler Analysekonzepte Untersuchungen unter Druckwasserstoff durchgeführt. Damit können relevante Schädigungsmechanismen identifiziert und Kennwerte zur Modellbildung und zur Ableitung von geeigneten Bemessungskonzepten für wasserstoff-beaufschlagte Bauteile ermittelt werden, erklären die Entwicklerinnen und Entwickler.

Wasserstoff setzt Materialien stark zu

Denn korrosive Umgebungsmedien können zu einer starken Reduzierung der Schwingfestigkeit sowohl im Zeit- als auch im Langzeitfestigkeitsbereich führen. Zur Bewertung der Einflüsse unterschiedlicher Werkstoff-Medien-Paarungen stehen am Fraunhofer LBF individuelle und variable experimentelle Analysekonzepte zur Verfügung. Die Analyse umfasst die Ermittlung des quasi-statischen sowie zyklischen Werkstoffverhaltens unter konstanten und variablen Belastungsamplituden von Werkstoffproben sowie Bauteilen, auch unter realitätsnahen Umgebungsbedingungen. Anhand der Untersuchungen werden die jeweilig wirksamen Schädigungsmechanismen und darüber hinaus auch das Werkstoffverhalten unter Medieneinfluss ermittelt, welche anschließend in Konzepte zur Berücksichtigung von schwingfestigkeitsmindernden Umgebungsbedingungen einfließen.

Zur Bewertung einer möglichen wasserstoffbedingten Anfälligkeit unterschiedlicher Werkstoffe, ist es zwingend notwendig einsatzabhängig deren quasi-statisches und zyklisches Werkstoffverhalten beschreiben zu können. Nur hiermit kann ausgeschlossen werden, dass aufgrund von Unkenntnis ein frühzeitiges Versagen von Bauteilen und Systemkomponenten auftritt, was möglicherweise zu fatalen Folgen für den Nutzer führen könnte. Die Untersuchung des quasi-statischen und zyklischen Werkstoffverhaltens unter dem Medium Wasserstoff, erfolgt am LBF mit speziellen Versuchseinrichtungen zur Durchführung von kraft- und dehnungsgeregelten Versuchen unter Druckwasserstoff mit Gasdrücken von 10 bis 50 bar. "Mithilfe unserer individuellen Analyse- und Versuchskonzepte lassen sich Werkstoffe und Bauteile für die Wasserstoffwirtschaft zuverlässig hinsichtlich ihrer Beanspruchbarkeit und Lebensdauer bewerten", so Dr. Christoph Bleicher, Leiter der Gruppe Qualifizierung gegossener Komponenten im Institut.

Werkstoffqualifizierung für den H2-Einsatz

In einem DFG-Forschungsprojekt wurde der Einfluss von Druckwasserstoff auf das zyklische Werkstoffverhalten des Edelstahls 1.4521 (X2CrMoTi18-2) untersucht. Dazu wurden dehnungsgeregelte Versuche unter 50 bar Druckwasserstoffbeaufschlagung durchgeführt. Der Vergleich der Versuchsergebnisse in Form einer Dehnungswöhlerlinie bei Versuchsdurchführung unter Luft (schwarz), zeigt im Vergleich zu den Ergebnissen unter Druckwasserstoff (blau), dass der schwingfestigkeitsreduzierende Einfluss des Wasserstoffs insbesondere im Kurzzeitfestigkeitsbereich, bzw. bei großen Dehnungsamplituden εa,t, zum Tragen kommt. Der Vergleich der Lebensdauer für eine Totaldehnungsamplitude von εa,t = 0.8 % ergibt eine Reduktion der Anrissschwingspielzahl um den Faktor 20.

Die Auswertung der ermittelten Wechselverformungskurven verdeutlicht, dass das Versagen unter dem Medium Druckwasserstoff im Vergleich zum Versuch an Luft eher unvermittelt und ohne eine ausgeprägte Anrissphase auftritt. Ohne einen erkennbaren Einbruch der Spannung kommt es zum schlagartigen Versagen der Werkstoffprobe bei deutlich geringerer Lebensdauer. Diese Änderung der Materialeigenschaften, insbesondere die Erhöhung der Sprödigkeit, wird durch das Eindringen und die Einlagerung von Wasserstoff in dem Metallgitter verursacht, was als Wasserstoffversprödung bezeichnet wird.

Mehr Informationen gibt diese Webseite: Minderung der zyklischen Beanspruchbarkeit durch den Einfluss von Wasserstoff - Fraunhofer LBF

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