Die Ermüdungslebensdauer von hochbeanspruchten Bauteilen in Wasserstoffatmosphäre lässt sich bislang nur mit großen Unsicherheiten abschätzen. Klassische bruchmechanische Berechnungen fallen dabei häufig zu konservativ aus und liefern zu geringe Lebensdauern. Forschende des Fraunhofer IWM haben nun erstmals ein Anriss basiertes Lebensdauermodell entwickelt, mit dem die Lebensdauer unter Low Cycle Fatigue (LCF) und Wasserstoffeinfluss physikalisch begründet berechnet werden kann. Damit lassen sich nach Mitteilung des Instituts die Lebensdauer von Bauteilen unter anderem in Wasserstoffturbinen und -triebwerken in frühen Entwicklungsphasen zuverlässig vorhersagen, teure Versuche reduzieren und Sicherheitsfaktoren realistischer gestalten.
Die Nachfrage nach Gasturbinen ist enorm. Im Kraftwerksbereich kompensieren Gasturbinen Fluktuationen bei der erneuerbaren Stromerzeugung, der KI-Boom benötigt dringend Turbinen zur Stromerzeugung und auch im Flugzeugbau wird an effizienteren Triebwerken gearbeitet. Viele Hersteller setzen zunehmend auf wasserstoffbetriebene Turbinen, da die CO2-Emissionen damit drastisch reduziert werden können. Die Entwicklungs- und Qualifizierungsprozesse sind zeit- und kostenintensiv, da sich die Beanspruchung der Bauteile und der eingesetzten Werkstoffe bei der Verbrennung von Wasserstoff verändern und bereits in der Entwicklung die Effizienz gewährleistet und die Lebensdauer abgesichert werden müssen.
Herausforderung Lebensdauervorhersage bei Wasserstofftechnologien
Für valide Lebensdauervorhersagen müssen viele Einflussfaktoren berücksichtigt werden: Wasserstoffdruck, Gasreinheit, Temperatur, Material- und Oberflächenbedingungen, mechanische Belastung. Allerdings lässt sich deren Zusammenwirken nicht in einem Versuch experimentell darstellen, was zum hohen Entwicklungsaufwand beiträgt, da viele Versuche nötig sind. Hinzu kommt, 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.
Die Entstehung und das Wachstum kurzer Risse von circa 20 µm bis zum technischen Anriss von circa 1 mm machen bis zu 90 Prozent der tatsächlichen Bauteillebensdauer aus. Man spricht hier von der sogenannten Kurzzeitfestigkeit (engl.: Low Cycle Fatigue, LCF). Wasserstoff kann das Risswachstum um Faktor 100 und mehr erhöhen. Dieser Einfluss von Wasserstoff auf kurze Risse kann jedoch bislang nicht auf Basis von physikalischen Grundlagen abgebildet werden. Deshalb müssen Bauteile sehr konservativ mit hohen Sicherheitsfaktoren ausgelegt werden.
Ermüdung unter Wasserstoffeinfluss erstmals simulierbar
Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM haben nun ein Simulationsmodell entwickelt, das den Einfluss von Wasserstoff auf das Ermüdungsverhalten erstmals anhand physikalischer Zusammenhänge abbildet. Wie das Institut berichtet, kann dadurch das Modell ein breites Spektrum von Einflussfaktoren wie Temperatur, Wasserstoffdruck, Belastungsfrequenz und mechanische Lastschwingbreite berücksichtigen und die Lebensdauer für hochbeanspruchte Bauteile, beispielsweise in Gasturbinen und Triebwerken, vorhersagen.
Das Modell beschreibt das wasserstoffbeeinflusste Kurzrisswachstum von circa 20 µm bis 1 mm auf Basis der elastisch-plastischen Bruchmechanik. Als zentraler Schädigungsmechanismus wird der HELP-Effekt (engl.: 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 °C wird ergänzend Sauerstoffdiffusion entlang von Korngrenzen als zusätzlicher Schädigungsbeitrag berücksichtigt.
Komponenten, die in Wasserstoffatmosphären eingesetzt werden, sind einer Vielzahl unterschiedlicher Betriebsbedingungen ausgesetzt, die sich aus Kombinationen von Wasserstoffdruck, Temperatur und wechselnden Belastungszyklen zusammensetzen, erklärt Fabien Ebling, Projektleiter am Fraunhofer IWM. Es sei 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.
Das Modell basiert nicht auf Erfahrungswerten, sondern erklärt die physikalische Ursache der Schädigung, das heißt Wasserstoffatome, die Versetzungen im Metallgitter mobilisieren und so das Risswachstum beschleunigen. Damit soll die aufwändige und teure Prüfung von Bauteilen in Wasserstoff-Prüfständen drastisch reduziert werden. Besonders wertvoll ist das Modell in frühen Entwicklungsphasen, wenn Bauteilgeometrien und Betriebskonzepte noch nicht feststehen. So können bereits vor dem ersten Prototypen Parameterstudien durchgeführt, Druckgrenzen definiert oder der Einfluss der Prüffrequenz auf die Schädigung bewertet werden.
Förderung
Die Forschungsergebnisse entstanden im Rahmen der vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE) geförderten Projekte AdHyBau (20M1904E) und AdHyBau2 (20M2202C).
- www.iwm.fraunhofer.de
Text zum Titelbild: Experimentelle Untersuchung der Ermüdungslebensdauer an Hohlproben bei Temperaturen von bis zu 1000 °C und einem Wasserstoffinnendruck von bis zu 250 bar; die Untersuchungsergebnisse dienen der Validierung des am Fraunhofer IWM entwickelten LCF-Lebensdauermodells für hochbeanspruchte Bauteile im Kontakt mit Wasserstoff (Bild: Fraunhofer IWM / Kai Wudtke)
