Bislang lassen sich Ermüdungslebensdauern von Bauteilen in Wasserstoffatmosphäre nur mit großen Unsicherheiten abschätzen. „Für valide Lebensdauervorhersagen müssen viele Einflussfaktoren berücksichtigt werden: Wasserstoffdruck, Gasreinheit, Temperatur, Material- und Oberflächenbedingungen, mechanische Belastung“, teilt das Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik (IWM) mit. „Allerdings lässt sich deren Zusammenwirken nicht in einem Versuch experimentell darstellen, was zum hohen Entwicklungsaufwand beiträgt, da viele Versuche nötig sind.“
Hinzu komme, dass im Werkstoff, nicht zuletzt wasserstoffinduziert, zeitgleich unterschiedliche Degradations- und Schädigungsprozesse ablaufen, die zu Materialermüdung führen und Lebensdauer kosten. „Je besser und vor allem, je vollständiger diese Prozesse beschrieben und simuliert werden können, umso besser können die Leistungsgrenzen der Werkstoffe ausgeschöpft und die Bauteilsicherheit eingestellt werden.“
Herkömmliche Modelle unterschätzen die Lebensdauer
Klassische bruchmechanische Berechnungen fallen laut Fraunhofer IWM häufig zu konservativ aus und liefern zu geringe Lebensdauern. Das erschwert die Entwicklung wasserstoffbetriebener Turbinen, deren Nachfrage sowohl im Kraftwerksbereich als auch im Flugzeugbau wächst.
Daher hat das IWM ein neues Simulationsmodell zur Vorhersage der Ermüdungslebensdauer von Bauteilen in Wasserstoffatmosphäre vorgestellt. Nach Angaben der Forscher handelt es sich um das erste anrissbasierte Lebensdauermodell, das den Einfluss von Wasserstoff auf das sogenannte Low Cycle Fatigue (LCF) – die Kurzzeitfestigkeit – physikalisch begründet abbildet. Das Modell soll insbesondere für die Auslegung von Wasserstoffturbinen und -triebwerken zum Einsatz kommen.
Winzige Risse entscheiden über 90 Prozent der Lebensdauer
Die Entstehung und das Wachstum kurzer Risse von etwa 20 Mikrometern bis zum technischen Anriss von rund einem Millimeter machen nach Angaben des Instituts bis zu 90 Prozent der tatsächlichen Bauteillebensdauer aus. Wasserstoff kann das Risswachstum dabei um den Faktor 100 und mehr erhöhen. Dieser Einfluss ließ sich bisher nicht auf Basis physikalischer Grundlagen abbilden, weshalb Bauteile mit hohen Sicherheitsfaktoren ausgelegt werden mussten.
Das neue Modell beschreibt das wasserstoffbeeinflusste Kurzrisswachstum auf Basis der elastisch-plastischen Bruchmechanik. Als zentraler Schädigungsmechanismus wird der HELP-Effekt (Hydrogen Enhanced Localized Plasticity) berücksichtigt: Wasserstoff, der zur Rissspitze gelangt, besetzt dort Versetzungen im Metallgitter und erhöht so die lokale Plastizität, was das Risswachstum beschleunigt. Bei Temperaturen über 400 Grad Celsius fließt ergänzend die Sauerstoffdiffusion entlang von Korngrenzen als zusätzlicher Schädigungsbeitrag ein.
Vom Prüfstand in die Simulation: Weniger Versuche für Turbinenhersteller
Das Modell kann ein breites Spektrum an Einflussfaktoren berücksichtigen, darunter Temperatur, Wasserstoffdruck, Belastungsfrequenz und mechanische Lastschwingbreite. „Komponenten, die in Wasserstoffatmosphären eingesetzt werden, sind einer Vielzahl unterschiedlicher Betriebsbedingungen ausgesetzt, die sich aus Kombinationen von Wasserstoffdruck, Temperatur und wechselnden Belastungszyklen zusammensetzen. Es ist in der Regel nicht machbar, jedes mögliche Szenario experimentell abzudecken. Unser Simulationsmodell ist in der Lage, diese Komplexität mathematisch zu erfassen und die Lebensdauer selbst unter extremen Betriebsbedingungen zuverlässig abzuschätzen“, erklärt Fabien Ebling, Projektleiter am Fraunhofer IWM.
Als Eingangsdaten benötigt das Modell nach Angaben des Instituts sowohl temperaturabhängige zyklische Materialeigenschaften wie E-Modul, Fließgrenze und Verfestigungsexponent als auch wasserstoffspezifische Größen wie Diffusionsgeschwindigkeit, Wasserstofflöslichkeit und Wasserstoffbindungsenergie. Diese ließen sich mit wenigen Versuchen experimentell bestimmen oder aus der Literatur ableiten.
Zielmärkte: Gasturbinen, H2-motoren, Flugzeugtriebwerke, Kompressoren und H2-Infrastruktur
Andere Wasserstoffschädigungsmechanismen wie HEDE (wasserstoffunterstützte Dekohäsion), Drucktheorie oder Hydridphasenbildung bildet das Modell laut Ebling bisher nicht ab, kann aber bei Bedarf ergänzt werden. Da es auf physikalischen Zusammenhängen beruht, lasse es sich mit wenigen experimentellen Daten auch auf andere Werkstoffe übertragen. Erste Ergebnisse zeigen laut Fraunhofer IWM, dass die Übertragung von kubisch flächenzentrierten auf kubisch raumzentrierte Werkstoffe funktioniert.
Kalibrierung und Validierung erfolgen am Fraunhofer IWM über Prüfkapazitäten im Temperaturbereich von minus 196 bis 1.000 Grad Celsius mit Hohlproben und bis zu 1.000 bar Wasserstoffdruck im Autoklavenprüfstand. Als Zielmärkte nennt das Institut Anwendungen mit zyklisch hochbeanspruchten Bauteilen in Wasserstoffumgebung, etwa Gasturbinen, Wasserstoffmotoren, Flugzeugtriebwerke, Kompressoren und Wasserstoffinfrastruktur.
Die Forschungsergebnisse entstanden im Rahmen der vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE) geförderten Projekte AdHyBau und AdHyBau2, die sich mit Hybridbauweisen für Hochleistungselektromotoren und der Entwicklung eines zulassungsfähigen wasserstoff-elektrischen Antriebssystems für Flugzeuge befassen.
