19.07.2021 • Energie

Materialien für die Wasserstoffwirtschaft

Hochfeste Stähle werden widerstandsfähiger gegen Rissbildung.

Wasserstoff ist das kleinste aller Atome und wird doch immer wichtiger zur Erreichung einer klimaneutralen Wirtschaft. Während Politik, Industrie und Forschung darauf hinarbeiten, möglichst viel Wasserstoff als nachhaltigen Energieträgern zu nutzen, ist die Wasserstoff­versprödung von hochfesten Legierungen zu einem der Hauptprobleme geworden, die die Realisierung der Wasserstoff­wirtschaft behindern. Hochfeste Legierungen werden in der Automobil- und Luftfahrt­industrie dringend benötigt für den Bau von Leichtbau­komponenten und in allen anderen Bauteilen, die zur Speicherung und zum Transport von Wasserstoff eingesetzt werden. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Eisenforschung (MPIE) und ihre Kollegen von der Tsinghua University China und der Norwegian University of Science and Technology haben einen Weg gefunden, wasserstoff­induzierte Risse in hochfesten Stählen zu stoppen.

 

Abb.: Chemische Heterogenität innerhalb der Mikrostruktur führt zu einer...
Abb.: Chemische Heterogenität innerhalb der Mikrostruktur führt zu einer verbesserten Beständigkeit gegen wasserstoff­induzierte Riss­bildung und unterdrückt damit vorzeitiges Material­versagen. (Bild: B. Sun et al, Nat. Mater. 2021, Springer Nature)

„Stähle machen neunzig Prozent des weltweiten Marktes für Metall­legierungen aus und hochfeste Stähle können besonders anfällig für Wasserstoff­versprödung sein. Deshalb war es unser Ziel, eine kostengünstige, skalierbare Strategie zu finden, um hochfeste Stähle unter Beibehaltung ihrer mechanischen Leistungs­fähigkeit widerstandsfähiger gegen Wasserstoff zu machen.“, erklärt Binhan Sun, Postdoktorand, Themenleiter für Wasserstoff­versprödung in Hochleistungs­legierungen am MPIE und Erstautor der Publikation.

Die Wissenschaftler implementierten manganreiche Bereiche in die Mikrostruktur des Stahls, um Risse abzustumpfen und Wasserstoff darin einzufangen und so die Riss­ausbreitung zu stoppen. „Wir haben unsere Methode mit hochfesten Manganstählen getestet, in denen wir eine extrem hohe Anzahldichte von mangan­reichen Pufferzonen erzeugt haben. Diese Pufferzonen stellen Sackgassen für Risse dar, indem sie scharfe Risse abstumpfen. Dadurch wird der Stahl doppelt so widerstandsfähig gegen Wasserstoff wie herkömmliche chemisch homogene Stähle, unabhängig davon, wann und wie Wasserstoff in das Material eingedrungen ist“, sagt Dirk Ponge, Leiter der MPIE-Gruppe „Mechanism-based Alloy Design“, der das Forschungsprojekt betreut.

Die vorgestellte Methode lässt sich prinzipiell auf über zehn etablierte Stahlsorten anwenden. Mögliche Anwendungen sehen die Wissenschaftler auch für andere Legierungs­systeme (etwa mehrphasige Titanlegierungen), die fest, duktil und wasserstoff­beständig sein sollen. Bevor jedoch das Spektrum der Legierungen erweitert wird, wollen die Forscher nun verschiedene Methoden finden, um Pufferzonen mit chemischer Heterogenität innerhalb des Gefüges präzise zu erzeugen. Diese verschiedenen Methoden könnten den Effekt der Riss­beständigkeit weiter verstärken und besser zu den etablierten industriellen Verarbeitungsrouten passen.

MPIE / DE

 

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