Bislang ließen sich Lebensdauervorhersagen nur mit großen Unsicherheiten treffen. Klassische bruchmechanische Berechnungen fallen häufig zu konservativ aus und liefern zu geringe Lebensdauern. Grund dafür sind zahlreiche Einflussfaktoren, die sich bislang nur schwer gemeinsam erfassen lassen.
Für Lebensdauervorhersagen müssen Entwickler zahlreiche Faktoren berücksichtigen: Wasserstoffdruck, Gasreinheit, Temperatur, Material- und Oberflächenbedingungen sowie mechanische Belastung. Deren Zusammenwirken lässt sich nicht in einem einzelnen Versuch abbilden. Das erhöht den Entwicklungsaufwand, da Hersteller viele Versuche durchführen müssen. Im Werkstoff laufen zudem, auch wasserstoffinduziert, mehrere Degradations- und Schädigungsprozesse gleichzeitig ab, die zu Materialermüdung führen und Lebensdauer kosten.
Die Entstehung und das Wachstum kurzer Risse von etwa 20 Mikrometer bis zum technischen Anriss von etwa 1 Millimeter machen bis zu 90 Prozent der tatsächlichen Bauteillebensdauer aus. Diese Phase bezeichnet die Fachwelt als Low Cycle Fatigue (LCF). Wasserstoff erhöht das Risswachstum in dieser Phase um den Faktor 100 und mehr. Bislang lässt sich dieser Einfluss nicht auf Basis physikalischer Grundlagen abbilden. Deshalb müssen Hersteller Bauteile mit hohen Sicherheitsfaktoren auslegen. Forschende des Fraunhofer IWM haben nun erstmals ein anrissbasiertes Simulationsmodell entwickelt, das diesen Zusammenhang physikalisch begründet abbildet.
HELP-Effekt bildet zentralen Schädigungsmechanismus ab
Das neue Modell bildet den Einfluss von Wasserstoff auf das Ermüdungsverhalten in dieser LCF-Phase erstmals anhand physikalischer Zusammenhänge ab. Es berücksichtigt Einflussfaktoren wie Wasserstoffdruck, Belastungsfrequenz und mechanische Lastschwingbreite. Damit lässt sich die Lebensdauer für hochbeanspruchte Bauteile etwa in Gasturbinen und Triebwerken vorhersagen. Grundlage ist die elastisch-plastische Bruchmechanik.
Als zentralen Schädigungsmechanismus berücksichtigt es den HELP-Effekt (Hydrogen Enhanced Localized Plasticity): Wasserstoff, der zur Rissspitze gelangt, besetzt dort Versetzungen im Metallgitter. Das erhöht die lokale Plastizität und beschleunigt das Risswachstum. Bei Temperaturen über 400 Grad Celsius berücksichtigt das Modell zusätzlich Sauerstoffdiffusion entlang von Korngrenzen als weiteren Schädigungsbeitrag.
Modell reduziert Prüfaufwand in frühen Entwicklungsphasen
Das Modell basiert nicht auf Erfahrungswerten, sondern erklärt die physikalische Ursache der Schädigung: Wasserstoffatome mobilisieren Versetzungen im Metallgitter und beschleunigen dadurch das Risswachstum. Das Simulationsmodell erfasst diese Komplexität der verschiedenen Einflussfaktoren mathematisch und schätzt die Lebensdauer auch unter extremen Betriebsbedingungen ab, so Fabien Ebling, Projektleiter am Fraunhofer IWM. Diese Grundlage soll die aufwendige und teure Prüfung von Bauteilen in Wasserstoff-Prüfständen reduzieren.
Besonderen Nutzen bietet das Modell in frühen Entwicklungsphasen, wenn Bauteilgeometrien und Betriebskonzepte noch nicht feststehen. Entwickler können damit bereits vor dem ersten Prototyp Parameterstudien durchführen, Druckgrenzen definieren und den Einfluss der Prüffrequenz auf die Schädigung bewerten.
Die Forschungsergebnisse sind im Rahmen der vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderten Projekte AdHyBau (20M1904E) und AdHyBau2 (20M2202C) entstanden. AdHyBau befasst sich mit Hybridbauweisen aus generativen Metallstrukturen und Faserverbunden für Hochleistungselektromotoren. AdHyBau2 entwickelt ein zulassungsfähiges wasserstoff-elektrisches Antriebssystem für Flugzeuge und erprobt den kryogen gekühlten Elektromotor.
