Werkstoffforschung
Gasturbinen: Wasserstoff versprödet Werkstoffe
Wasserstoff gilt als Hoffnungsträger für klimaneutrale Gasturbinen. Forschende zeigen nun jedoch, dass er Nickelbasis-Superlegierungen bei bestimmten Temperaturen deutlich stärker schädigt als bislang angenommen. Das könnte neue Werkstoffkonzepte erforderlich machen.
Gasturbinen, die mit fossilen Brennstoffen betrieben werden, liefern 22 Prozent des globalen Stroms. Gleichzeitig sind sie für 15 Prozent der weltweiten CO2-Emissionen verantwortlich. Um Gasturbinen CO2-frei zu betreiben, könnte Wasserstoff als umweltfreundliche Alternative in Gasturbinen zur Stromerzeugung und in der Luftfahrt eingesetzt werden. Doch wie beeinflusst Wasserstoff Nickelbasis-Superlegierungen – der Werkstoff aus dem die Turbinenschaufeln bestehen – unter den extremen Bedingungen innerhalb der Turbine?
Während die Wirkung von Wasserstoff auf metallische Werkstoffe bei Raumtemperatur bereits intensiv untersucht wurde, ist über das Verhalten bei erhöhten Temperaturen wie in Gasturbinen, bislang deutlich weniger bekannt. Ein internationales Forschungsteam unter anderem vom Max-Planck-Institut für Nachhaltige Materialien (MPI-SusMat) hat untersucht, wie sich Wasserstoff bei erhöhten Temperaturen auf Nickelbasis-Superlegierungen auswirkt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Turbinenschaufeln bei erhöhten Temperaturen mindestens doppelt so schnell verspröden wie bei Raumtemperatur. Dies stellt eine erhebliche Herausforderung für Bauteile dar, die höchsten Anforderungen an Sicherheit und Zuverlässigkeit genügen müssen.
Die Forschungsergebnisse wurden jetzt in der Fachzeitschrift Nature Materials veröffentlicht.
Warum Wasserstoff bei hohen Temperaturen schädlicher ist
„Dringt Wasserstoff bei Raumtemperatur in eine Nickelbasis-Superlegierung ein, setzt er sich in der Regel an Grenzflächen und Versetzungen fest und führt zur Versprödung. Bei erhöhten Temperaturen kommt noch ein weiterer Effekt hinzu: Wasserstoff dringt in die Karbide, die eigentlich für die Festigkeit des Werkstoffs verantwortlich sind, und verbindet sich dort mit Kohlenstoff. Wasserstoff und Kohlenstoff reagieren zu Methan, welches einen hohen lokalen Druck auf die Grenzflächen zwischen Karbiden und Nickelmatrix ausübt und so schneller zu Materialversagen führt“, erklärt Dr. Xizhen Dong, Postdoktorandin am MPI-SusMat und eine der Erstautorinnen der Studie.
Die Temperatur ist entscheidend
Dong und ihr Team untersuchten, wie sich Wasserstoff auf Nickelbasis-Superlegierungen bei Temperaturen zwischen 400°C und 1000°C auswirkt. Mithilfe der Atomsonde analysierten sie den Werkstoff auf atomarer Ebene und simulierten die Bildung von Methan mit Methoden der Dichtefunktionaltheorie. Dabei konnten sie zeigen, dass wasserstoffbedingte Schädigungen aufgrund thermodynamischer Bedingungen ausschließlich bei 400°C auftreten. Denn nur bei dieser Temperatur ist die Reaktion von Wasserstoff und Kohlenstoff zu Methan thermodynamisch begünstigt. Oberhalb von 400 °C wurde keine Methanbildung beobachtet.
»Dieses Ergebnis ist insbesondere für Gasturbinen in der Energieerzeugung und für Flugtriebwerke von großer Bedeutung«, erklärt Professor Dierk Raabe, Direktor am MPI-SusMat und einer der korrespondierenden Autoren der Studie. »Im Gegensatz zu stationären Dampfturbinen, die dauerhaft bei sehr hohen Temperaturen laufen, werden Gasturbinen häufig an- und abgeschaltet. Dadurch sind sie einem deutlich größeren Temperatur- und Belastungsspektrum ausgesetzt und genau in diesem Bereich kann wasserstoffbedingte Versprödung verstärkt auftreten.«
Zwischen hoher Festigkeit und Wasserstoffresistenz
Karbide erhöhen die Festigkeit von Nickelbasis-Superlegierungen, Stählen und Verbundwerkstoffen. Die jetzigen Untersuchungen zeigen allerdings, dass bei erhöhten Temperaturen und der Verwendung von Wasserstoff als Energieträger Karbide die Eintrittspforte für Wasserstoffversprödung sein können. Um zukünftig Gasturbinen mit Wasserstoff und somit CO2-frei betreiben zu können, sollten alternative Verfestigungsmechanismen gefunden werden. Alternativ müssten die Werkstoffe so angepasst werden, dass ein ausgewogenes Verhältnis zwischen der durch Karbide erzielten Festigkeit und der Widerstandsfähigkeit gegenüber wasserstoffinduzierter Versprödung erzielt wird.
Die Ergebnisse unterstreichen, wie wichtig es ist vorhandene Legierungen unter realen Einsatzbedingungen zu testen, um deren Sicherheit und Lebensdauer optimieren zu können.
Die Studie wurde von Forschenden der East China University of Science and Technology (China), des Max-Planck-Instituts für Nachhaltige Materialien (Deutschland) und der Hunan University (China) geleitet.