Bei 400 °C wird Wasserstoff zur Gefahr für Turbinenlegierungen
Wasserstoff greift Turbinenlegierungen anders an als gedacht. Bei 400 °C kann lokal Methan entstehen und Grenzflächen im Metall schwächen.
Dr. Xizhen Dong, Postdoktorand am MPI-SusMat, untersuchte, wie sich Wasserstoff bei erhöhten Temperaturen auf Superlegierungen auf Nickelbasis auswirkt – dem Material der Wahl für Gasturbinen in der Stromerzeugung und in der Luftfahrt.
Foto: Max-Planck-Institut für Nachhaltige Materialien GmbH
Wasserstoff soll Gasturbinen und Flugtriebwerke klimafreundlicher machen. Doch der Brennstoff kann die eingesetzten Hochleistungswerkstoffe stärker schädigen als bislang angenommen. Besonders kritisch ist offenbar ein Temperaturbereich um 400 °C.
Ein internationales Forschungsteam hat untersucht, wie Wasserstoff auf Nickelbasis-Superlegierungen wirkt. Das überraschende Ergebnis: In den Legierungen kann lokal Methan entstehen. Das Gas sammelt sich an mikroskopisch kleinen Grenzflächen, baut dort Druck auf und erleichtert die Bildung von Rissen.
Die Studie ist in der Fachzeitschrift Nature Materials erschienen.
Inhaltsverzeichnis
- Wasserstoff greift Metalle von innen an
- Inconel 718 im Wasserstofftest
- Methan entsteht an den Grenzflächen
- Legierung wird deutlich weniger verformbar
- Schädigung auch ohne äußere Belastung
- Nicht jede höhere Temperatur ist automatisch gefährlicher
- Lastwechsel könnten wichtig werden
- Auch andere Legierungen könnten betroffen sein
Wasserstoff greift Metalle von innen an
Wasserstoffatome sind extrem klein. Sie können in Metalle eindringen und sich im Kristallgitter verteilen. Sammeln sie sich an Korngrenzen, Versetzungen oder anderen Fehlstellen, verliert der Werkstoff an Verformbarkeit. Im ungünstigsten Fall entstehen Risse.
Dieser Effekt ist als Wasserstoffversprödung bekannt. Er wurde bislang vor allem bei Raumtemperatur untersucht. Bei höheren Temperaturen können Wasserstoffatome viele ihrer bisherigen Bindungsstellen leichter verlassen. Deshalb könnte man erwarten, dass die Gefahr abnimmt.
Die neue Studie zeigt jedoch: Bei höheren Temperaturen verschwindet das Problem nicht. Stattdessen verändert sich der Schadensmechanismus.
Inconel 718 im Wasserstofftest
Die Forschenden untersuchten vor allem Inconel 718, kurz IN718. Die Nickelbasis-Superlegierung wird unter anderem in Gasturbinen, Flugtriebwerken und anderen stark beanspruchten Hochtemperaturbauteilen eingesetzt.
Der Werkstoff besteht nicht aus einem einheitlichen Metall. In die Nickelmatrix sind unterschiedliche Partikel und Ausscheidungen eingebettet. Dazu gehören sogenannte Karbide, die Metalle und Kohlenstoff enthalten. Sie tragen zu den Eigenschaften der Legierung bei, können unter Wasserstoffeinfluss aber zur Schwachstelle werden.
In ihrem Kristallgitter gibt es Stellen, an denen Kohlenstoffatome fehlen. Wasserstoff lagert sich bevorzugt an diesen Leerstellen an und fördert eine Umwandlung der Karbide. Dabei verlieren sie Kohlenstoff.
Methan entsteht an den Grenzflächen
Die Analysen zeigen, dass Wasserstoff die Karbide teilweise zersetzt. Thermodynamische Berechnungen legen nahe, dass der freigesetzte Kohlenstoff mit Wasserstoff zu Methan reagiert.
Diese Reaktion läuft vor allem an der Grenzfläche zwischen Karbid und Nickelmatrix ab. Das Methan kann dort nicht ohne Weiteres entweichen. Dadurch entsteht ein hoher lokaler Druck.
Für eine der untersuchten Karbidstrukturen berechnete das Team bei 400 °C einen möglichen Gleichgewichtsdruck von rund 0,4 GPa. Das entspricht etwa 4.000 bar. Dabei handelt es sich nicht um einen direkt gemessenen Druck, sondern um einen berechneten Wert für einen sehr kleinen Bereich im Material.
Der Druck kann die Verbindung zwischen Karbid und Metallmatrix schwächen. Bei mechanischer Belastung lösen sich die Bereiche leichter voneinander oder die Karbide brechen.
Legierung wird deutlich weniger verformbar
Die Forschenden belasteten Proben bei 400 °C unter einem Wasserstoffdruck von 2 MPa. Als Vergleich dienten Tests unter Argon.
Unter Wasserstoff sank die Gesamtdehnung bis zum Bruch um 15,7 %. Die Querschnittsabnahme an der Bruchstelle ging um 18,8 % zurück. Beide Werte zeigen, wie stark sich ein Werkstoff verformen kann, bevor er versagt.
Bei Raumtemperatur fielen die Verluste mit 8,9 beziehungsweise 9,4 % deutlich geringer aus. Unter den gewählten Versuchsbedingungen beeinträchtigte Wasserstoff die Verformbarkeit bei 400 °C damit ungefähr doppelt so stark.
Bei langsamerer Belastung nahm die Schädigung weiter zu. Das spricht dafür, dass der Wasserstoff Zeit benötigt, um in die Karbide einzudringen und die Reaktionen auszulösen.
Schädigung auch ohne äußere Belastung
Der Wasserstoff veränderte das Material bereits, bevor eine Zugkraft wirkte. Das Team setzte Proben etwa 30 Minuten lang bei 400 °C einem Wasserstoffdruck von 2 MPa aus.
Danach fanden die Forschenden deutlich mehr abgelöste Grenzflächen zwischen Karbiden und Metallmatrix als in unbehandelten Proben. Unter zusätzlicher Zugbelastung traten sowohl solche Ablösungen als auch gebrochene Karbide häufiger auf.
Wasserstoff bereitet die Schädigung demnach zunächst im Inneren des Werkstoffs vor. Eine spätere mechanische Belastung kann die geschwächten Stellen anschließend aufbrechen.
Nicht jede höhere Temperatur ist automatisch gefährlicher
Der neu entdeckte Mechanismus wird nicht mit steigender Temperatur immer stärker. Die Untersuchungen konzentrierten sich auf Temperaturen zwischen 400 und 600 °C. Bei 400 °C war die angenommene Methanbildung thermodynamisch begünstigt. Bei 600 °C beobachtete das Team den Effekt nicht in gleicher Weise.
Für die Reaktion müssen offenbar mehrere Bedingungen zusammenkommen. Wasserstoff und Kohlenstoff müssen beweglich genug sein, gleichzeitig muss das Methan stabil bleiben und sich an den Grenzflächen sammeln können.
Das ergibt ein bestimmtes Temperaturfenster, in dem die Schädigung besonders stark ausfällt.
Lastwechsel könnten wichtig werden
Für Gasturbinen und Flugtriebwerke ist deshalb nicht nur die maximale Betriebstemperatur entscheidend. Beim Starten, Abschalten und bei Lastwechseln durchlaufen die Bauteile unterschiedliche Temperaturbereiche.
Dadurch könnten sie wiederholt in das kritische Fenster um 400 °C gelangen. Ob dies unter realen Betriebsbedingungen tatsächlich die Lebensdauer verkürzt, ist allerdings noch offen.
Die Studie untersuchte kleine Werkstoffproben unter kontrollierten Laborbedingungen. Reale Turbinenkomponenten sind dagegen über Jahre wechselnden Temperaturen, Drücken, Schwingungen und Verbrennungsgasen ausgesetzt.
Eine konkrete Lebensdauerprognose lässt sich aus den Ergebnissen daher nicht ableiten.
Auch andere Legierungen könnten betroffen sein
Das Team untersuchte zusätzlich die Nickelbasis-Superlegierung CM247LC. Auch dort veränderte Wasserstoff die Karbide und schwächte ihre Verbindung zur Metallmatrix.
Das zeigt, dass der Mechanismus nicht nur bei Inconel 718 auftreten kann. Zwei Legierungen reichen jedoch nicht aus, um die Ergebnisse auf sämtliche Turbinenwerkstoffe zu übertragen.
Grundsätzlich könnten auch andere karbidhaltige Werkstoffe betroffen sein, darunter bestimmte Stähle und Metall-Keramik-Verbundwerkstoffe. Das muss jeweils gesondert geprüft werden.
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