Wasserstoff schädigt Turbinenlegierung bei 400 °C, doch wie realistisch ist das?
Wasserstoff kann Nickelbasis-Superlegierungen bei 400 °C über Methanbildung schwächen. Ob das reale Gasturbinen betrifft, ist noch offen.
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 gilt als möglicher Brennstoff für künftige Gasturbinen und Flugtriebwerke. Doch ein internationales Forschungsteam zeigt nun einen bislang wenig beachteten Schädigungsmechanismus in Nickelbasis-Superlegierungen: Bei 400 °C kann Wasserstoff Karbide im Metallgefüge angreifen. Dabei kann lokal Methan entstehen, das Grenzflächen schwächt und Risse begünstigt.
Der Befund ist werkstoffwissenschaftlich relevant. Offen bleibt allerdings eine entscheidende Frage: Treten die dafür nötigen Bedingungen in einer realen Wasserstoff-Gasturbine überhaupt auf? Denn die Forschenden arbeiteten mit Proben unter einem Wasserstoffdruck von 2 MPa. Eine solche Kombination aus hoher Temperatur und hohem Wasserstoff-Partialdruck ist für viele heiße Turbinenbauteile nicht ohne Weiteres gegeben.
Die Studie ist in der Fachzeitschrift Nature Materials erschienen.
Inhaltsverzeichnis
- Wasserstoff greift Metalle von innen an
- Inconel 718 unter 2 MPa Wasserstoff
- Karbide werden zur Schwachstelle
- Methan baut Druck im Gefüge auf
- Schäden entstehen schon ohne Zugbelastung
- Warum 400 °C besonders kritisch waren
- Doch gibt es dieses Temperaturfenster in realen Turbinen?
- Andere Bauteile könnten anders exponiert sein
- Wasserstoffflammen stellen zusätzliche Anforderungen
- Auch zweite Superlegierung zeigt den Mechanismus
- Neue Legierungen könnten Karbide gezielt verändern
- Studie zeigt einen Mechanismus – noch kein Turbinenproblem
Wasserstoff greift Metalle von innen an
Wasserstoffatome sind sehr klein und können in metallische Werkstoffe eindringen. Bei Raumtemperatur sammeln sie sich bevorzugt an Korngrenzen, Versetzungen und anderen Fehlstellen. Dort können sie die Verformbarkeit verringern und die Bildung von Rissen fördern.
Dieser Effekt ist als Wasserstoffversprödung bekannt. Bei höheren Temperaturen wird Wasserstoff beweglicher und kann viele dieser Bindungsstellen leichter wieder verlassen. Die neue Studie zeigt jedoch: Damit verschwindet das Problem nicht zwangsläufig. Stattdessen können chemische Reaktionen mit Bestandteilen der Legierung einsetzen.
Inconel 718 unter 2 MPa Wasserstoff
Im Mittelpunkt der Untersuchung stand Inconel 718, kurz IN718. Die Nickelbasis-Superlegierung wird wegen ihrer hohen Festigkeit sowie ihrer Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit unter anderem in Gasturbinen und Flugtriebwerken eingesetzt.
Die Forschenden untersuchten Proben bei 400 °C unter einem Wasserstoffdruck von 2 MPa, also 20 bar. Vergleichsversuche liefen unter Argon.
Dabei zeigte sich: Unter Wasserstoff verlor die Legierung deutlich stärker an Verformbarkeit als bei Raumtemperatur. Die Gesamtdehnung bis zum Bruch verringerte sich bei 400 °C gegenüber der Referenz um rund 14,9 %. Die Querschnittsabnahme an der Bruchstelle sank um etwa 18,8 %. Bei Raumtemperatur fiel der Effekt deutlich geringer aus.
Karbide werden zur Schwachstelle
Entscheidend für die Schädigung sind sogenannte Karbide im Metallgefüge. Sie bestehen aus Metall und Kohlenstoff und tragen zu den Eigenschaften vieler Hochtemperaturlegierungen bei.
Unter Wasserstoffeinfluss können diese Karbide jedoch zur Schwachstelle werden. Wasserstoff wandert in Kohlenstoffleerstellen innerhalb der Karbide und fördert deren teilweise Umwandlung. Dabei nimmt der Kohlenstoffgehalt ab.
Die Analysen und Berechnungen der Forschenden legen nahe, dass der freigesetzte Kohlenstoff mit Wasserstoff reagiert und lokal Methan bildet.
Methan baut Druck im Gefüge auf
Die Methanbildung erfolgt den Berechnungen zufolge vor allem an den Grenzflächen zwischen Karbiden und der umgebenden Nickelmatrix. Das Gas kann dort nicht ohne Weiteres entweichen.
Dadurch kann lokal ein hoher Druck entstehen. Für eine untersuchte Karbidstruktur errechnete das Team bei 400 °C einen möglichen Gleichgewichtsdruck von etwa 0,4 GPa, also rund 4.000 bar. Das ist allerdings kein direkt gemessener Gasdruck, sondern ein thermodynamisch berechneter Wert für einen mikroskopisch kleinen Bereich im Werkstoff.
Der hohe lokale Druck kann die Grenzfläche zwischen Karbid und Metallmatrix schwächen. Bei mechanischer Belastung lösen sich beide Bereiche leichter voneinander oder das Karbid selbst bricht.
Schäden entstehen schon ohne Zugbelastung
Der Effekt trat nicht erst während eines Zugversuchs auf. Das Team setzte Proben rund 30 Minuten lang bei 400 °C einem Wasserstoffdruck von 2 MPa aus.
Bereits danach fanden die Forschenden deutlich mehr abgelöste Grenzflächen zwischen Karbiden und Metallmatrix als in unbehandelten Proben. Unter zusätzlicher mechanischer Belastung nahmen die Schäden weiter zu.
Das spricht dafür, dass Wasserstoff das Material zunächst auf atomarer Ebene verändert. Eine spätere Belastung kann die bereits geschwächten Stellen anschließend aufbrechen.
Warum 400 °C besonders kritisch waren
Der Mechanismus wird nicht automatisch stärker, je höher die Temperatur steigt. Die Untersuchungen konzentrierten sich auf einen Bereich zwischen 400 und 600 °C. Bei 400 °C war die angenommene Methanbildung thermodynamisch begünstigt. Bei 600 °C beobachteten die Forschenden den Effekt nicht in gleicher Weise.
Offenbar müssen mehrere Bedingungen gleichzeitig erfüllt sein: Wasserstoff und Kohlenstoff müssen ausreichend beweglich sein, gleichzeitig muss das entstehende Methan stabil genug bleiben, um sich an den Grenzflächen anzureichern. Damit entsteht ein bestimmtes Temperaturfenster, in dem die Schädigung besonders stark ausfallen kann.
Doch gibt es dieses Temperaturfenster in realen Turbinen?
Genau hier liegt die zentrale Einschränkung der Studie. Die Versuche zeigen zuverlässig, was mit der Legierung unter 400 °C und einem Wasserstoffdruck von 2 MPa passiert. Sie zeigen jedoch nicht, dass Turbinenbauteile im realen Betrieb genau dieser Kombination aus Temperatur und Wasserstoff-Partialdruck ausgesetzt sind.
Besonders bei Turbinenschaufeln hinter der Brennkammer ist diese Übertragung nicht selbstverständlich. Dort herrschen zwar sehr hohe Temperaturen, das Gas besteht nach der Verbrennung aber überwiegend aus Verbrennungsprodukten. Bei Wasserstoffbetrieb steigt insbesondere der Anteil an Wasserdampf.
Ein hoher H₂-Partialdruck wie im Laborversuch ist dort nicht automatisch zu erwarten. Damit bleibt offen, ob der neu entdeckte Mechanismus für heiße Turbinenschaufeln tatsächlich eine relevante Lebensdauerbegrenzung darstellt.
Andere Bauteile könnten anders exponiert sein
Das bedeutet allerdings nicht, dass der Mechanismus für Gasturbinen generell bedeutungslos ist. Innerhalb eines Wasserstoffsystems gibt es Bauteile mit sehr unterschiedlichen Temperaturen, Drücken und Gaszusammensetzungen. Dazu gehören Brennstoffleitungen, Ventile, Einspritzsysteme, Brennkammerkomponenten und Übergangsbereiche.
Für jedes dieser Bauteile müsste geprüft werden, ob gleichzeitig genügend Wasserstoff, ein entsprechender Partialdruck und ein kritischer Temperaturbereich auftreten.
Genau diese Übertragung von Laborbedingungen auf reale Komponenten leistet die aktuelle Studie noch nicht.
Wasserstoffflammen stellen zusätzliche Anforderungen
Hinzu kommt ein weiterer Unterschied zwischen Labor und Turbine: In einer realen Brennkammer reagieren Wasserstoff und Sauerstoff miteinander.
Dadurch entsteht viel Wasserdampf. Dieser verändert Wärmeübertragung, Oxidation und Korrosion an den heißen Bauteilen. Untersuchungen unter realen Wasserstoffflammen zeigen deshalb teilweise andere Randbedingungen als klassische Hochdrucktests mit reinem Wasserstoff.
Für die Bewertung künftiger Wasserstoffturbinen reicht es daher nicht, Werkstoffe nur in reinem H₂ zu testen. Entscheidend sind Versuche unter möglichst realistischen Gaszusammensetzungen, Temperaturen, Drücken und Lastwechseln.
Auch zweite Superlegierung zeigt den Mechanismus
Die Forschenden untersuchten zusätzlich die Nickelbasis-Superlegierung CM247LC. Auch dort veränderte Wasserstoff die Karbide und schwächte die Verbindung zur Metallmatrix.
Die Verformbarkeit nahm dabei deutlich ab. Das zeigt, dass der Mechanismus nicht auf Inconel 718 beschränkt sein muss.
Zwei untersuchte Legierungen reichen allerdings nicht aus, um die Ergebnisse auf sämtliche Turbinenwerkstoffe zu übertragen.
Neue Legierungen könnten Karbide gezielt verändern
Für die Werkstoffentwicklung ist der Mechanismus dennoch wichtig. Karbide tragen zu den Eigenschaften vieler Hochtemperaturlegierungen bei. Gleichzeitig können sie unter bestimmten Wasserstoffbedingungen offenbar bevorzugte Angriffspunkte bilden.
Künftige Legierungen könnten deshalb andere Karbidtypen verwenden, deren Verteilung verändern oder teilweise auf alternative Verstärkungsmechanismen setzen.
Das Ziel wäre ein Werkstoff, der seine Hochtemperaturfestigkeit behält, aber weniger empfindlich auf Wasserstoff reagiert.
Studie zeigt einen Mechanismus – noch kein Turbinenproblem
Die Arbeit liefert damit keinen Nachweis dafür, dass Wasserstoff-Gasturbinen bei 400 °C grundsätzlich ein Materialproblem bekommen.
Sie zeigt vielmehr, dass Nickelbasis-Superlegierungen unter bestimmten Bedingungen einen bislang wenig beachteten chemischen Schadensmechanismus entwickeln können.
Der nächste entscheidende Schritt ist deshalb nicht nur weitere Werkstoffforschung. Es muss geklärt werden, wo in realen Wasserstoff-Gasturbinen überhaupt Temperaturen, H₂-Partialdrücke und Expositionszeiten auftreten, bei denen dieser Mechanismus relevant werden könnte.
Erst dann lässt sich beurteilen, ob aus dem interessanten Laborbefund tatsächlich ein praktisches Problem für Gasturbinen wird.
Quellen
- Nature Materials: Hydrogen-induced damage in Ni-based superalloys at elevated temperatures
- Nature Materials: How hydrogen damages Ni-based superalloys in the heat
- Max-Planck-Institut für Nachhaltige Materialien: Are gas turbines ready for the hydrogen economy?
- Communications Materials: Untersuchung von IN718 unter Wasserstoffverbrennungsbedingungen
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