Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM
Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM

HyLife: Ein Physik-basiertes Werkzeug zur Lebensdauerprognose für Strukturwerkstoffe im Kontakt mit Wasserstoff

Laufendes Forschungsprojekt

Das Projekt HyLife zielt darauf ab, ein Physik-basiertes Lebensdauerprognosewerkzeug für Materialien im Kontakt mit Wasserstoff zu entwickeln. Durch innovative Testmethoden und Materialmodelle soll die Lebensdauer von Komponenten unter Wasserstoffeinfluss zuverlässig vorhergesagt und somit entscheidend zur Sicherheit und Effizienz von Infrastrukturen der Wasserstoffwirtschaft beigetragen werden.

Projektbeschreibung

Die Verwendung von Wasserstoff als Energieträger der Zukunft erfordert widerstandsfähige und langlebige Strukturwerkstoffe, insbesondere für die Speicherung und den Transport von Wasserstoffgas. Viele Metallwerkstoffe sind jedoch anfällig für Wasserstoffversprödung, was die Integrität und Lebensdauer von Bauteilen drastisch verringern kann. Aktuell müssen Komponenten für den Einsatz unter Druckwasserstoff deshalb entweder sehr konservativ entworfen oder zeitaufwändigen und kostspieligen mechanischen Ermüdungs- und Bruchtests unterzogen werden.

HyLife ist ein gemeinsames Projekt des National Institute of Standards and Technology (NIST) und des Fraunhofer IWM. Es zielt auf die Entwicklung von weniger konservativen Entwurfsrichtlinien für Komponenten, die unter Druckwasserstoff betrieben werden. Dazu werden zwei Ansätze verfolgt:

1. Untersuchungen an Mikroproben: Mikroproben werden genutzt, um detaillierte bruchmechanische Materialkenndaten aus verschiedenen Bereichen um Schweißverbindungen, insbesondere der Wärmeeinflusszone in Stahlproben, zu erfassen. Ziel ist es, eine Kombination von Mikroproben-Experimenten zu identifizieren, mit der die Leistungsfähigkeit von Schweißverbindungen in Stählen unter Wasserstoffeinfluss zuverlässig beurteilbar wird. Ein zentraler Bestandteil des Projekts ist ein neues Messsystem, das die bisher schwer zugängliche Kohäsion an Korngrenzen im Gefüge kartiert, um den Zustand des Materials in Wasserstoff zu bewerten.

2. Physik-basiertes Lebensdauerprognosemodell: Es wird ein Modell entwickelt, das zuverlässige Lebensdauerprognosen auf Basis der Mikrostruktur des Materials und einiger physikalischer Materialkennwerte ermöglicht. Dieses Modell wird dazu beitragen, kostspielige bruchmechanische Tests einzusparen und neue Materialien mit Mikrostrukturen, die auf Wasserstoffbeständigkeit optimiert sind, zu entwickeln.

Ausgehend von den Projektergebnissen werden das NIST und das Fraunhofer IWM die bestehenden Normen ASME B31.12 und ISO 11114-4 für Werkstoffe in Wasserstoff aktualisieren, womit erhebliche Kosteneinsparungen für die Industrie erwartet werden. Zudem wird eine Datenbank für kommerziell relevante Materialkenndaten aufgebaut, die eine leicht zugängliche Quelle für Ermüdungsdaten werden soll. Kooperationen mit der Industrie stellen sicher, dass die Daten und Modelle für Werkstoffe im Kontakt mit Wasserstoff den realen Anforderungen entsprechen.

Teilvorhaben Fraunhofer IWM

Der Forschungsfokus des Fraunhofer IWM liegt auf der skalenübergreifenden Bestimmung von Schädigungsprozessen und der Entwicklung von Simulationsmodellen zur Lebensdauerprognose:

  • Bruchmechanik von Schweißverbindungen in Stählen: Mikrostrukturelle Charakterisierung ausgewählter Schweißnähte in Stahlproben (Schwerpunkt: Wärmeeinflusszonen); Ermüdungsrisswachstumsratentests und Bruchzähigkeitstests in Wasserstoff-Druckgas und Luft an mikroskaligen, geometrisch optimierten, werkstofftechnisch typischen Stahlproben.
  • Messung der Dekohäsion von mechanisch belasteten Korngrenzen: Herstellung von Zweikristall-Mikroproben mit definierter Kornmissorientierung und nur einer Korngrenze; Zugversuche in Luft und Wasserstoffgas inkl. optischer Abbildung der Probenoberfläche für Digitale Bildkorrelation und Verformungsverlaufsdarstellung.
  • Kartierung von Korngrenzen-Separationsenergien und Physik-basiertes Modell für Korngrenzen-Dekohäsion: Verwendung von hinsichtlich physikalischer Mechanismen informierten KI-Modellen zur Erstellung genauer Vorhersagen von funktionalen Korngrenzen-Dekohäsionsverläufen auf der Grundlage spärlicher Mikroprobenahmedaten aus dem komplexen, fünfdimensionalen bi-kristallographischen Raum der geometrischen Kornmissorientierung; Parametrisierung von Finite-Elemente-Modellen zur Lebensdauerabschätzung anhand der maschinell erlernten Korngrenzen-Energielandschaft; Bewertung der Modelle anhand ihrer Fähigkeit, reale Ermüdungs- und Bruchvorgänge an Schweißnähten in Referenzmaterialien und Stählen vorherzusagen.
  • Entwicklung eines Lebensdauerprognosemodells: Implementierung eines phänomenologischen Modells für Schweißverbindungen in Stahlwerkstoffen, welches deren Lebensdauer unter Wasserstoffeinfluss vorhersagt.
  • Mitarbeit an der Weiterentwicklung von Normen und Standards: Qualifizierung von Mikroproben als zusätzliche Standardproben für nationale (DIN) und internationale Normen (ASME, ISO).

 

Transfer der Projektergebnisse in FuE-Leistungen des Fraunhofer IWM

  • Lebensdauerprognose und Integritätsbewertung: Durchführung von Tests und Simulationen zur Vorhersage der Lebensdauer und zur Beurteilung der Integrität von Werkstoffen und Bauteilen im Wasserstoffbetrieb.
  • Materialoptimierung: Unterstützung bei der Entwicklung und Optimierung von Materialien hinsichtlich höherer Widerstandsfähigkeit gegenüber Wasserstoffversprödung.
  • Unterstützung bei der Umsetzung und Einhaltung von Normen und Standards im Zusammenhang mit FuE-Projekten zu sicheren Wasserstoffinfrastrukturen.