Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWMRadialverdichterräder aus der Aluminiumlegierung 2618A sind Standard in Abgasturboladern. Neue wasserstoffbasierte Antriebe erzeugen jedoch deutlich mehr Wasserdampf und aggressivere Kondensate als klassische Verbrennungsmotoren. Ob die bewährte Legierung diesen neuen Belastungen standhält, war bislang unbekannt. Das Fraunhofer IWM untersucht gemeinsam mit der BAM Spannungsrisskorrosion und die Wechselwirkung mit Ermüdung – und schafft damit die Datenbasis, die Hersteller für den sicheren Einsatz in Brennstoffzellen- und H2-Motoranwendungen benötigen.
Absicherung der Betriebsfestigkeit eines Aluminium-Rotorwerkstoffs zur Aufladung wasserstoffbasierter Energiewandlungssysteme – Einfluss von Feuchtigkeit und korrosiven Kondensaten
Laufendes Forschungsprojekt
Projektbeschreibung
Marktbedarf und Herausforderungen
Die Umstellung auf wasserstoffbasierte Antriebe wie PEM-Brennstoffzellen sowie Motoren mit Wasserstoff- oder Ammoniakverbrennung, verändert die Betriebsumgebung von Radialverdichterrädern grundlegend: deutlich höhere Wasserdampfgehalte und teils säurehaltige Kondensate treffen auf die etablierte Aluminiumlegierung 2618A. Ob dies zu Spannungsrisskorrosion oder Wasserstoffversprödung führt, ist bislang wissenschaftlich nicht untersucht. Dies birgt ein erhebliches Risiko für Hersteller, die diese bewährte, alternativlose Legierung weiter einsetzen möchten.
Lösungsansatz des Projekts
Das Fraunhofer IWM und die BAM charakterisieren systematisch das Korrosions- und Spannungsrisskorrosionsverhalten von 2618A unter anwendungsnahen Bedingungen: elektrochemische Untersuchungen, Kurzzeit- und Langzeit-SpRK-Versuche sowie LCF-Ermüdungsversuche in Wasserdampf- und Wasserstoffatmosphäre. Ergänzt wird dies durch mikroskopische Analysen (AFM, Fraktographie) zur Aufklärung der Schädigungsmechanismen sowie Bauteilversuche an realen Verdichterrädern.
Beitrag zur Bewältigung der Herausforderungen
Am Ende steht erstmals eine belastbare Datenbasis zum Nasskorrosions- und SpRK-Verhalten von 2618A unter betriebsähnlichen, wasserstoffrelevanten Bedingungen zur Verfügung. Hersteller können damit fundiert einschätzen, ob und unter welchen Bedingungen die Legierung weiterhin einsetzbar ist – ein direkter Beitrag zur sicheren und wirtschaftlichen Auslegung von Turbokomponenten für die Wasserstoffwirtschaft.
Die Arbeitspakete des Fraunhofer IWM:
Das Fraunhofer IWM übernimmt die Kurzzeitprüfung der SpRK-Empfindlichkeit angerissener Proben unter konstanter Auslenkung sowie Zugversuche mit langsamer Dehngeschwindigkeit als Screening-Methode zur SpRK-Anfälligkeit in Wasserdampf und Referenzkondensat. Kernstück ist die langzeitige SpRK-Prüfung (>10.000 h) an glatten und angerissenen Proben unter definiertem Wasserdampfpartialdruck bei 90 °C und 150 °C, einschließlich möglicher Schwellwertbestimmung. Ergänzend untersucht das Fraunhofer IWM die Wechselwirkung von LCF-Belastung und Nasskorrosion an gekerbten Proben, bei denen die Ermüdungszyklierung durch Nasskorrosionsphasen unterbrochen wird. Am Ende liegen vor: belastbare SpRK-Kennwerte für verschiedene Werkstoffzustände (T61, überaltert, ggf. T7x), ein aufgeklärtes Schädigungsbild aus fraktographischen Untersuchungen sowie eine Bewertung der Wechselwirkung von Ermüdung und Korrosionsangriff – direkt nutzbar für die Bauteilauslegung.
Auf der Grundlage der Projektergebnisse kann das Fraunhofer IWM Industrieunternehmen folgende Forschungs- und Entwicklungsleistungen anbieten:
Spannungsrisskorrosionsprüfung unter betriebsähnlichen Medien
Langzeit- und Kurzzeitprüfung der SpRK-Anfälligkeit von Aluminiumlegierungen in Wasserdampf und Kondensaten für realistische Lebensdauerabschätzungen für neue Einsatzumgebungen.
Screeningtests mit langsamer Dehngeschwindigkeit
Schnelle Bewertung der Umgebungsempfindlichkeit von Werkstoffen innerhalb weniger Tage.
Bewertung der Wechselwirkung von Ermüdung und Korrosion
Untersuchung, wie Mikrorissbildung und Nasskorrosion sich gegenseitig verstärken, um praxisnahe Erkenntnisse für die Auslegung und den Betrieb zyklisch belasteter Bauteile zu bekommen.
Werkstoffdatenbereitstellung für Aluminium-Rotorwerkstoffe
Belastbare Kennwerte zu 2618A unter Wasserstoff- und Wasserdampfeinfluss für die Auslegung von Turboladern und Brennstoffzellen-Komponenten.
Fraktographische und mikrostrukturelle Schadensanalyse
Untersuchung von Bruchflächen zur Aufklärung von Versagensmechanismen.
Beratung zur Werkstoffauswahl für wasserstoffbasierte Anwendungen
Fundierte Einschätzung, ob und unter welchen Bedingungen bestehende Aluminiumlegierungen weiter einsetzbar sind, um Entwicklungsrisiken bei der Umstellung auf grüne Antriebe zu reduzieren.
