Interdisziplinäre Studie der Materialfestigkeit bei hohen Temperaturen und unter Wasserstoff zum sicheren Einsatz fortgeschrittener Hochtemperatur-Wasserstofftechnologien

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Reiner Kirchheim; Professorin Dr. Cynthia A. Volkert
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 514742965

Die Untersuchung der Auswirkungen von Wasserstoff auf Materialien ist für eine kohlenstoffneutrale und nachhaltige Zukunft unerlässlich. Strukturelle Werkstoffe wie Legierungen auf Fe- und Ni-Basis werden eine zentrale Rolle in Prozessen und Geräten für die Erzeugung, Speicherung, den Transport und die Endnutzung von Wasserstoff spielen. Bislang wurde die Degradation dieser Werkstoffe (Wasserstoffversprödung), die eine ernsthafte Bedrohung für die Zuverlässigkeit der Energieinfrastruktur darstellt, eingehend untersucht. Unsere Erkenntnisse haben gezeigt, dass die Versprödung bei Raumtemperatur entweder durch eine verstärkte lokale Plastizität durch Wasserstoff oder durch wasserstoffinduzierte Spaltung verursacht wird. Aber nur sehr wenig wissen wir, wie Wasserstoff die Festigkeit von Strukturlegierungen von der Atom- bis zur Makroebene bei den Betriebstemperaturen (>500°C) von Festoxid-Elektrolysezellen (SOEC) und Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC) für die Wasserstoff- und Stromerzeugung beeinflusst. Jüngste Studien auf makroskopischer Ebene zeigen, dass Wasserstoff bei 600°C die Kriechverformung beschleunigt, aber die grundlegenden Mechanismen sind nicht bekannt.Das Forschungsvorhaben konzentriert sich auf das makroskopische Verhalten von Materialien bei hohen Temperaturen (>500°C), um die Wechselwirkung von Wasserstoff mit Defekten, wie Leerstellen, Versetzungen und Korngrenzen zu messen und auf atomarer Ebene zu verstehen. Diese Studien dienen dem mechanistischen Verständnis der Kriechverformung von nichtrostenden Stählen. Am Ende des Vorhabens sollen makroskopisch konstitutive Gesetze für das Kriechverhalten der nichtrostenden Stähle 304 und 310 basierend auf dem Verständnis der atomaren Wechselwirkung von Wasserstoff mit Defekten entwickelt werden. Diese spezifischen Gesetze sind bei der Konstruktion von SOECs und SOFCs erforderlich. Dieses Ziel erreichen wir über einen skalenübergreifenden Ansatz bestehend aus (i) makroskopischen Hochtemperatur-Kriechversuchen unter Wasserstoff, um quantitativ Kriechdehnungsraten als Funktion von Wasserstoffdruck und der Mikrostruktur zu erhalten, (ii) mechanischen In-situ-TEM-Tests mit und ohne In-situ-Wasserstoffbelastung, um direkt zu beobachten, wie Wasserstoff mit Defekte reagiert, (iii) physikalisch basierte Modellen der Defektkinetik des Kriechens, die die Rolle der Mikrostruktur auf die Wasserstoffdegradation vorherzusagen können, und (iv) auf der Grundlage dieses mechanistischen Verständnisses die Prozesse zu identifizieren, die gehemmt werden müssen, um die Schadensmechanismen zu reduzieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Japan
• Mitverantwortlich(e): Lin Tian, Ph.D.
• Kooperationspartner: Professor Masanobu Kubota; Professor Petros Sofronis