Mechanische und mikrostrukturelle Auswirkungen von Hochdruckwasserstoff bis zu 1000 bar und 300°C auf hochfeste austenitische Stähle mit unterschiedlicher Austenitstabilität

• Antragsteller: Professor Dr. Peter Felfer, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 537479235

In den kommenden Jahrzehnten wird Wasserstoff eine Schlüsselrolle in Energiesystemen spielen. Druckwasserstoff bei 70 MPa (700 bar) bietet eine attraktive Energiedichte von 4752 kJ/l, wobei der Wasserstoff in der Reinheit bleibt, die z. B. für den Betrieb von Brennstoffzellen erforderlich ist. Aufgrund des derzeit mangelnden Verständnisses der Verformungs- und Versagensmechanismen werden kaltverformte austenitische Stähle, die für Hochdruck-Wasserstoff in Tanks, Ventilen und Rohrleitungskomponenten verwendet werden, nicht in vollem Umfang genutzt. Hier ist die Menge der teuren austenitstabilisierenden Elemente kritisch. Daher ist es wichtig, die Wechselwirkung von Wasserstoff mit wasserstoffbeständigen Werkstoffen zu verstehen. Dies ist eine Herausforderung, da diese Hochdruckbedingungen bei Temperaturen geschaffen werden müssen, die eine Diffusion des Wasserstoffs in das kfz Material mit niedrigen Diffusionskonstanten ermöglichen. In Vorarbeiten hat die Gruppe des Antragstellers bereits herausgefunden, dass der Einfluss von Wasserstoff auf die Austenitstabilität den Verlust der Duktilität durch Wasserstoff in metastabilen austenitischen Stählen mit einer Festigkeit von 1400 MPa bewirkt. In diesem Projekt werden wir mehrere innovative Ansätze nutzen, die in der Gruppe des Antragstellers entwickelt und aufgebaut wurden, um die Auswirkungen von Wasserstoff auf das Verformungsverhalten austenitischer Stähle mit unterschiedlicher Austenitstabilität von der makroskopischen bis hinunter zur atomaren Skala aufzuzeigen. Wir haben eine Hochdruck-Wasserstoffanlage aufgebaut, die 100 MPa (1000 bar) und 300 °C erreichen kann, um eine thermodynamisch definierte Wasserstoffkonzentration in den Proben zu erzeugen. Damit werden wir Proben aus kaltverformten austenitischen Stählen mit unterschiedlicher Austenitstabilität mit Wasserstoff beladen und anschließend unter Zugbeanspruchung verformen. Dies wird mit einer skalenübergreifenden Charakterisierung kombiniert, bei der wir EBSD zur Untersuchung der Gefügeentwicklung, TEM zur Abbildung der entstehenden Kristalldefekte und eine spezielle Titan-Atomsonde zur Messung der Wasserstoffkonzentration und der Wechselwirkungen mit Kristalldefekten einsetzen werden. Diese Atomsonde ist derzeit das einzige Instrument weltweit, das dabei ohne Tracer auskommt, was es für Hochdruckexperimente praktikabel macht. Darüber hinaus werden die relativen Wasserstoffmengen an bestimmten Kristalldefekten mit einem neu entwickelten System für thermische Desorptionsspektroskopie ermittelt, das über das gleiche Vakuumsystem wie die Titan-Atomsonde verfügt. Die Ergebnisse dieses Projekts werden wesentliche Einblicke in das Verhalten von hochfesten metastabilen austenitischen Stählen unter Wasserstoffbedingungen liefern. Diese Erkenntnisse werden zur sicheren und effizienten Verwendung dieser Werkstoffe in Wasserstoffsystemen beitragen und so die breitere Einführung erneuerbarer Energien und die Reduzierung von Treibhausgasen unterstützen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen