Im Verbundprojekt HYDRA – HYdrogen-related Damage Risk Assessment entwickeln das IFOS und das Fachgebiet Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung der Hochschule Kaiserslautern (WWHK) die experimentellen und modellbasierten Grundlagen für eine belastbare Bewertung wasserstoffbelasteter metallischer Werkstoffe.

Die sichere Nutzung von Wasserstoff stellt hohe Anforderungen an Werkstoffe und Bauteile. Insbesondere die Wasserstoffversprödung kann dazu führen, dass metallische Werkstoffe an Festigkeit und Duktilität verlieren und unter mechanischer Belastung vorzeitig versagen. Art und Ausmaß der Schädigung hängen unter anderem davon ab, wie der Wasserstoff in den Werkstoff eingetragen wird, in welcher Konzentration er vorliegt, wie er sich innerhalb des Werkstoffs verteilt und mit welchen mikrostrukturellen Bereichen er wechselwirkt.

HYDRA verbindet daher quantitative Wasserstoffanalytik, hochauflösende Gefügecharakterisierung, mechanische Werkstoffprüfung und Modellierung. Ziel ist eine experimentell abgesicherte Datengrundlage, mit der sich Zusammenhänge zwischen Wasserstoffeintrag, Wasserstoffverteilung, Mikrostrukturveränderungen und Schädigungsinitiation erfassen und bewerten lassen. Die Ergebnisse sollen in ein multiskaliges Vorhersagemodell einfließen und damit die sichere Auslegung wasserstoffführender Komponenten unterstützen.

Für die Bewertung wasserstoffbelasteter Werkstoffe sind zuverlässige Informationen darüber erforderlich, wie viel Wasserstoff ein Werkstoff aufgenommen hat, wie dieser innerhalb des Materials verteilt ist und in welcher Form er gebunden vorliegt. Gleichzeitig muss untersucht werden, welche mikrostrukturellen Veränderungen und mechanischen Schädigungen daraus entstehen.

Bislang fehlen jedoch vielfach standardisierte und quantitativ abgesicherte Verfahren, mit denen Wasserstoffkonzentrationen und Wasserstoffverteilungen zuverlässig bestimmt und direkt mit mikrostrukturellen Schädigungsprozessen verknüpft werden können. Gerade bei sehr geringen Wasserstoffgehalten stellen Restgaseinflüsse, Probenpräparation, Lagerung und Handhabung besondere Herausforderungen dar.

Das IFOS entwickelt deshalb seine massenspektrometrischen Verfahren zur Wasserstoffanalytik gezielt weiter. Dazu gehören insbesondere die Sekundär-Neutralteilchen-Massenspektrometrie (SNMS) und die Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS). Die Verfahren sollen hinsichtlich Sensitivität, Quantifizierbarkeit, Ortsauflösung und Kontrolle störender Restgaseinflüsse methodisch abgesichert werden. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der Weiterentwicklung der am IFOS eingesetzten SNMS für die sensitive und ortsaufgelöste Analyse von Wasserstoff.

Ergänzend kommt die thermische Desorptionsanalyse zum Einsatz. Durch eine kontrollierte Erwärmung der Proben kann untersucht werden, bei welchen Temperaturen Wasserstoff aus dem Werkstoff freigesetzt wird. Dadurch lassen sich Rückschlüsse auf unterschiedlich stark gebundene Wasserstoffanteile und mögliche Wasserstofffallen innerhalb der Mikrostruktur ziehen.

Ein weiterer Schwerpunkt ist die Entwicklung reproduzierbarer Abläufe für Präparation, Transport, Lagerung und Messung wasserstoffbeladener Proben. Hierzu gehören unter anderem eine möglichst geringe Beeinflussung der Proben durch die Umgebung, die Reduktion von Restgaseffekten und die Untersuchung einer kryogenen Probenführung. Damit soll verhindert werden, dass sich die Wasserstoffverteilung bereits vor oder während der Analyse verändert.

Die analytisch bestimmten Wasserstoffkonzentrationen und Wasserstoffgradienten werden anschließend mit hochauflösenden Verfahren zur Gefügecharakterisierung verknüpft. Hierzu zählen insbesondere Rasterelektronenmikroskopie (REM), fokussierte Ionenstrahlpräparation (FIB) und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM). Auf diese Weise sollen lokale Veränderungen der Mikrostruktur erfasst und mit dem Wasserstoffeintrag sowie der Entstehung erster Schädigungen in Beziehung gesetzt werden.

Der Verbundpartner WWHK ergänzt diese Untersuchungen durch mechanische Werkstoffprüfungen und die Bewertung des Werkstoffverhaltens unter Wasserstoffeinfluss. Die experimentellen Ergebnisse beider Partner werden zusammengeführt und in ein multiskaliges Vorhersagemodell überführt. Dieses soll zukünftig dazu beitragen, wasserstoffinduzierte Schädigungs- und Versagensmechanismen besser vorherzusagen und Werkstoffe sowie Bauteile belastbarer zu bewerten.

Mit HYDRA entsteht in Rheinland-Pfalz eine methodisch abgesicherte Analyse- und Bewertungskompetenz für wasserstoffbelastete Werkstoffe. Das Projekt stärkt die regionale Forschungsinfrastruktur, reduziert technologische Risiken für die Wasserstoffwirtschaft und unterstützt insbesondere mittelständische Unternehmen bei der sicheren Auslegung wasserstoffführender Komponenten.

• Weiterentwicklung und methodische Absicherung quantitativer Verfahren zur Wasserstoffanalytik
• Bestimmung von Wasserstoffkonzentrationen, -gradienten und unterschiedlich gebundenen Wasserstoffanteilen
• Verknüpfung der Wasserstoffverteilung mit Mikrostrukturveränderungen und Schädigungsinitiation
• Untersuchung des mechanischen Verhaltens wasserstoffbelasteter metallischer Werkstoffe
• Entwicklung einer experimentell validierten Datengrundlage für ein multiskaliges Vorhersagemodell
• Aufbau einer leistungsfähigen Analyse- und Bewertungskompetenz für wasserstoffbelastete Werkstoffe in Rheinland-Pfalz
• Unterstützung insbesondere mittelständischer Unternehmen bei der sicheren Auslegung wasserstoffführender Komponenten