Wasserstoffversprödung verstehen um den Weg ins Wasserstoffzeitalter zu ebnen
 

Binhan Sun leitet neue Forschungsgruppe "Wasserstoffversprödung in Hochleistungslegierungen" am MPIE
 

11. Oktober 2021

Wasserstoff, das im Universum am häufigsten vorkommende Element, bietet eine reizvolle, nachhaltige Energielösung, die kohlenstoffbasierte Brennstoffe ersetzen und so die CO2-Emissionen reduzieren kann. Die für eine Wasserstoffwirtschaft erforderlichen Infrastrukturen und Transportmittel brauchen erschwingliche und in Massenproduktion hergestellte, hochfeste und nachhaltige Werkstoffe. Wenn jedoch die kleinen und leichten Wasserstoffatome den Weg in eine hochfeste Legierung finden, geht die Belastbarkeit des Materials schlagartig verloren - ein Phänomen, das als Wasserstoffversprödung bekannt ist. Dieser Versprödungseffekt tritt oft in unvorhersehbarer Weise auf. Daher kann Wasserstoffversprödung grundsätzlich alle industriellen und gesellschaftlichen Anwendungen in einer Wasserstoffwirtschaft bedrohen, die darauf abzielen, Hochleistungslegierungen zur Herstellung von Bauteilen zu verwenden.

Der Weg zum Verständnis von Wasserstoffversprödung

Dr. Binhan Sun ist Wissenschaftler in der Abteilung „Mikrostrukturphysik und Legierungsdesign“ und leitet nun die neu gegründete Gruppe „Wasserstoffversprödung in Hochleistungslegierungen“. Ziel der Forschungsgruppe ist es, Wasserstoffversprödung zu verstehen und letztlich Wasserstoff-resistente Legierungen zu entwickeln. Daher werden zunächst die der Wasserstoffversprödung zugrunde liegenden Mechanismen untersucht:

  • Wasserstoffeinschluss und -diffusion,
  • Wasserstoff-Defekt-Wechselwirkungen und
  • Wasserstoff-induzierte Defektverläufe
Abb. 1: Verbesserung der Wasserstoffversprödungs-Resistenz durch lokalen Wasserstoff-Einfang und Verhinderung von Wasserstoff-induzierten Mikrorissen (rekonstruiert aus Sun et al., Nat. Mater., 2021).

Die zweite Aufgabe der Gruppe besteht in der Entwicklung von Mikrostrukturen auf der Grundlage der Thermodynamik, um die Wasserstoffversprödungsresistenz von Legierungen zu verbessern, ohne ihre mechanische Leistungsfähigkeit zu beeinträchtigen. Zu den derzeitigen Strategien gehören die Herstellung von Wasserstoffeinschlüssen zur Unterdrückung der Wasserstoffdiffusion und/oder die Bildung von zähen mikrostrukturellen Bestandteilen zur Unterdrückung der wasserstoffinduzierten Rissbildung, des Risswachstums und der Perkolation (ein Beispiel ist in Abb. 1 dargestellt). Die Forschung wird mit modernsten Charakterisierungstechniken bis auf die atomare Ebene durchgeführt, einschließlich Simulationen in Zusammenarbeit mit Simulationsgruppen am Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE). Letztlich geht es darum, die Entwicklung von hochleistungsfähigen und wasserstofftoleranten Legierungen zu fördern, die für den Weg in die Wasserstoffwirtschaft dringend benötigt werden.

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