Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWMWasserstoff versprödet Metalle, teilweise auch bei hohen Temperaturen, wie sie in Gasturbinen, Kompressoren, Elektrolyseuren oder Wärmetauschern auftreten. Bisherige Autoklav-Prüfungen sind teuer, aufwendig und stoßen ab 300 °C an ihre Grenzen. Das Fraunhofer IWM entwickelt gemeinsam mit Partnern eine kostengünstige Hohlprobentechnik, mit der sich Werkstoffkennwerte unter H2-Einfluss bis 900 °C schneller, günstiger und für neue Temperaturbereiche ermitteln lassen.
Effiziente Prüfstrategie zur Untersuchung des mikrostrukturabhängigen Werkstoffverhaltens unter Wasserstoffeinfluss bei erhöhten Temperaturen
Laufendes Forschungsprojekt
Projektbeschreibung
Marktbedarf und Herausforderungen
Die Wasserstoffwirtschaft erfordert Bauteile, die bei hohen Temperaturen sicher mit Wasserstoff in Kontakt stehen können, etwa in Elektrolyseuren, H2-Gasturbinen oder Brennstoffzellen. Wasserstoffversprödung kann dabei zu plötzlichem oder frühzeitigem Bauteilversagen führen. Bisherige Prüfmethoden (Autoklaventechnik) sind teuer, zeitaufwendig, nur an wenigen Instituten verfügbar und auf ca. 300 °C technisch limitiert. Besonders KMU können sich solche Prüfprogramme kaum leisten, was eine erhebliche Innovationshürde darstellt.
Lösungsansatz des Projekts
Das Projekt entwickelt und validiert die Hohlprobenprüftechnik– erstmals systematisch bei erhöhten Temperaturen (bis 900 °C) und für verschiedene Versuchstypen (Zug, LCF, TMF) als kostengünstige Alternative zur Autoklaventechnik. Ergänzend wird die Methode der Wasserstoffvorbeladung mit anschließender Prüfung an Luft untersucht. Getestet werden industrierelevante Nickelbasiswerkstoffe jeweils konventionell und additiv gefertigt sowie austenitische Stähle, , um eine breit anwendbare, normungsfähige Prüfstrategie abzuleiten.
Beitrag zur Bewältigung der Herausforderungen
Durch den Systemvergleich von Autoklav-, Hohlproben- und Vorbeladungsmethode entsteht eine validierte, deutlich günstigere und schnellere Prüfstrategie (Zielwerte: Halbierung der Kosten, Verdreifachung des Probendurchsatzes), die zudem Temperaturbereiche jenseits der Autoklav-Grenzen abdeckt. Damit erhalten Unternehmen, insbesondere KMU, Zugang zu belastbaren Werkstoffdaten und einer praktikablen Prüfmethodik für die sichere Auslegung wasserstoffbeanspruchter Hochtemperaturbauteile.
Die Arbeitspakete des Fraunhofer IWM:
Das Fraunhofer IWM fertigt Hohl- und Vollproben aus den Nickelbasiswerkstoffen Alloy 718, Alloy 625 und Hastelloy X (konventionell und additiv gefertigt) und ermittelt zunächst Referenzkennwerte (Zug- und LCF-Versuche) ohne Wasserstoffeinfluss. Im Kernarbeitspaket führt das IWM Zug-, LCF- und TMF-Versuche unter Wasserstoff-Innendruck (100 bar) mittels der am Institut entwickelten Hohlprobentechnik bei Temperaturen bis 900 °C durch. Ergänzend werden Versuche an vorbeladenen Proben unter H2-Innendruck durchgeführt, um Effekte einer Wasserstoffsättigung zu bewerten. Am Ende stehen ein validierter Hochtemperatur-Hohlprobenprüfstand, umfangreiche Werkstoffkennwerte (Zug-, Ermüdungs- und Kriechermüdungsdaten) unter H2-Einfluss für Nickelbasiswerkstoffe sowie ein direkter Methodenvergleich zur Autoklaventechnik zur Verfügung, als Beitrag zur gemeinsam abgeleiteten, normungsfähigen Prüfstrategie.
Auf der Grundlage der Projektergebnisse kann das Fraunhofer IWM Industrieunternehmen folgende Forschungs- und Entwicklungsleistungen anbieten:
Hochtemperatur-Hohlprobenprüfung unter Wasserstoff
Ermittlung von Zug-, Ermüdungs- und TMF-Kennwerten bei bis zu 900 °C unter H2-Innendruck. Damit werden Temperaturbereiche abgedeckt, die mit Autoklaven nicht erreichbar sind.
Kostengünstiges Werkstoffscreening unter H2-Einfluss
Schnelle, effiziente Bewertung der Wasserstoffanfälligkeit neuer oder bestehender Legierungen.
Werkstoffdatenbereitstellung für Nickelbasislegierungen
Belastbare Kennwerte (HEE-Index, LRF) für Alloy 718, Hastelloy X, Alloy 625 u. a. zur unmittelbaren Nutzung für die Bauteilauslegung von Turbinen, Kompressoren, Elektrolyseuren und Wärmetauschern.
Bewertung additiv gefertigter Bauteile unter H2-Einfluss
Untersuchung des Wasserstoffverhaltens von PBF-LB/M-gefertigten Komponenten.
Beratung zur Prüfstrategie und Normungskonformität
Empfehlung effizienter Prüfkombinationen (Dehnraten, Haltezeiten, Vorbeladung) basierend auf der entwickelten, normungsfähigen Methodik.
