(Düsseldorf / Deutschland) – Wasserstoff reagiert auf metallische Werkstoffe bei Raumtemperatur hoch aggressiv. Dies ist bekannt, wurde bereits intensiv untersucht und bedeutet für Teile der Wasserstoffwirtschaft noch immer ein kostspieliges Problem. Ein internationales Forschungsteam ist der Frage nachgegangen, wie sich Wasserstoff bei hohen Temperaturen in Gasturbinen auf die Schaufeln aus Nickelbasis-Superlegierungen auswirkt. Ergebnis: Wasserstoff versprödet den Turbinenwerkstoff bei erhöhten Temperaturen mindestens doppelt so schnell wie bei Raumtemperatur.
Methan führt zu Materialversagen
Untersucht wurde, wie sich Wasserstoff auf Nickelbasis-Superlegierungen bei Temperaturen zwischen 400 und 1.000 Grad Celsius auswirkt. Das Team unter Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Nachhaltige Materialien (MPI-SusMat) analysierte den Werkstoff und fand heraus, dass wasserstoffbedingte Schädigungen ausschließlich bei 400 Grad Celsius auftraten. „Nur bei dieser Temperatur ist die Reaktion von Wasserstoff und Kohlenstoff zu Methan thermodynamisch begünstigt.“ Oberhalb von 400 wurde keine Methanbildung beobachtet.
„Dringt Wasserstoff bei Raumtemperatur in eine Nickelbasis-Superlegierung ein, setzt er sich in der Regel an Grenzflächen und Versetzungen fest und führt zur Versprödung“, sagt Xizhen Dong, Postdoktorandin am MPI-SusMat und eine der Erstautorinnen der Studie. Bei erhöhten Temperaturen komme noch ein weiterer Effekt hinzu: „Wasserstoff dringt in die Karbide, die eigentlich für die Festigkeit des Werkstoffs verantwortlich sind, und verbindet sich dort mit Kohlenstoff.“ Das daraus resultierende Methan übe einen hohen Druck auf die Grenzflächen zwischen Karbiden und Nickelmatrix aus, was „schneller zu Materialversagen führt“, so die Wissenschaftlerin. „Um Gasturbinen mit Wasserstoff zu betreiben, müssen künftige Legierungen auf andere Festigungsmechanismen zurückgreifen.“
Bedeutsam für Gasturbinen und Flugtriebwerke
„Dieses Ergebnis ist insbesondere für Gasturbinen in der Energieerzeugung und für Flugtriebwerke von großer Bedeutung“, erklärt Mit-Autor Dierk Raabe, Direktor am MPI-SusMat. „Im Gegensatz zu stationären Dampfturbinen, die dauerhaft bei sehr hohen Temperaturen laufen, werden Gasturbinen häufig an- und abgeschaltet. Dadurch sind sie einem deutlich größeren Temperatur- und Belastungsspektrum ausgesetzt und genau in diesem Bereich kann wasserstoffbedingte Versprödung verstärkt auftreten.“
An der Studie waren die East China University of Science and Technology (China), das Max-Planck-Instituts für Nachhaltige Materialien (Deutschland) und der Hunan University (China) beteiligt.
Die Ergebnisse wurden in „Nature Materials“ veröffentlicht: „Hydrogen-induced damage in Ni-based superalloys at elevated temperatures“.
Weiteres zum Thema: Das Max-Planck-Institut für Nachhaltige Materialien hat im Februar dieses Jahres die Entwicklung eines „kostengünstigen und leistungsstarken“ rostfreien Stahls für die Wasserstoffwirtschaft (4,15 Dollar pro Kilogramm) verkündet. Die Implementierung kleiner Mengen von Nickel, Mangan und Kupfer führe zu „extrem niedrigen Wasserstoffdiffusionskoeffizienten“. Dies verhindere „effektiv die Wasserstoffdiffusion“ und vermeide wasserstoffinduzierte Schäden. Die Ergebnisse wurden unter dem Titel „Segregation passivation makes cost-effective stainless less resistant to corrosion and hydrogen embrittlement“ in Science Advances 12 (2026) publiziert.
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Wissenschaftlerin Xizhen Dong analysiert, wie Wasserstoff sich auf Nickelbasis-Superlegierungen, dem Werkstoff für Turbinenschaufeln, bei erhöhten Temperaturen auswirkt. © Max-Planck-Institut für Nachhaltige Materialien GmbH
