Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

H2BS - Neuartige Wasserstoff-Barriereschichten für kostengünstige sowie hochfeste Stähle der Wasserstofftechnologie

Im IGF-Vorhaben H2BS sollen neuartige Wasserstoffbarriereschichten für den Einsatz auf kostengünstigen bzw. hochfesten Duplex- und Triplexstählen entwickelt werden. Damit sollen die Kosten von Stahlwerkstoffen für Bauteile in stationären und mobilen Anwendungen der Wasserstofftechnologie gesenkt werden. Durch die neue Beschichtungstechnologie soll die Eindiffusion des Wasserstoffs in die Stahloberfläche gesenkt und für Stähle, die vorteilhafte mechanische Eigenschaften wie gute Umformbarkeit aufweisen, sowie für hochfeste Stähle, deren Einsatz leichtere Druckbehälter erlauben würde, eine ausreichende Resistenz gegen Wasserstoffversprödung gewährleistet werden. Speziell ausgewählte Stähle werden im Projekt mittels Plasmaverfahren mit keramischen Schichtsystemen aus Al2O3 und TiC beschichtet und die Schutzwirkung der Barriereschicht gegen die Wasserstoffversprödung sowie deren Stabilität mittels hochmoderner Strukturuntersuchungen (z. T. mit atomarer Auflösung), Permeationsmessungen und mikromechanischer Tests untersucht. Am Ende des Projektes soll ein Beschichtungsprozess für die Erzeugung von Barriereschichten mit optimierten, wohldefinierten Eigenschaften für zwei ausgewählte Wasserstoffdruck und -temperaturfenster vorliegen. Potentielle Einsatzmöglichkeit der beschichteten Stähle sind Druckbehälter, aber auch für Hochdruckleitungen, Ventile und andere Bauteile der Wasserstofftechnologie. Potentielle Nutznießer des Projektes sind vorwiegend mittelständische Lohnbeschichter, Komponenten-, Druckbehälter- und Anlagenbauer, aber auch Stahlentwickler, Gasleitungsbauer und Endanwender von Wasserstofftechnologien z. B. im automotiven Bereich oder der Energiespeicherung mittels Wasserstoff.

Ergebniszusammenfassung:

Der Fokus der INP-seitigen Arbeiten lag auf der Abscheidung dünner Schichten aus Al2O3, AlN, TiN und Tian und ihrer Untersuchung hinsichtlich mikrostruktureller Eigenschaften und ihrer Barrierewirkung. Des weiteren wurden plasmaelektrolytische Prozesse erprobt und im Hinblick auf die Zielstellung des Projektes angepasst. Auch hier konnte die Untersuchung der Morphologie und Kristallinität wichtige Anhaltspunkte zur Prozessoptimierung liefern.

Die Arbeiten am Hereon umfassten im Wesentlichen die Ausarbeitung der Konstruktion der Permeationsmesszelle, R&I Diagramm, Zulassung der Messzelle durch TÜV, Konstruktion der Aufnahme der Messzelle in den Sicherheitsprüfraum, Bau der Messzelle, Bau der Verrohrung und Sensorik, Modifikationen des Sicherheitsprüfraums (Bedienpanel, Leitungsdurchführungen), Inbetriebnahme von Messzellenaufbau, erste Funktionstests, Dichtheitsprüfungen, sowie Betrachtungen zur Auswertung von Messdaten.

Die Arbeiten am MPIE haben ergeben, dass die Präparation und Untersuchung der Proben mittels Rasterionenmikroskopie, Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und Rastertransmissionselektronenmikroskopie (STEM) zwar sehr aufwendig, aber zielführend sind. Es konnten damit die Mikrostruktur vor und nach der Wasserstoffbeladung im Querschnitt und die einhergehenden Veränderungen an Al2O3 Schichten entschlüsselt werden. Mechanischen Tests erforderten mehrere Modifikationen, um die Schichten zielführend zu analysieren. So wurden statt Mikrodruckversuche Ritztests durchgeführt und die Proben auch rückseitig von der Stahlsubstratseite mit Wasserstoff beladen, um zu sehen ob es zu einem großflächigen Versagen der Schichten kommt. Mittels Atomsondentomographie-Messungen konnte lokal der Wasserstoff in den Al2O3 Schichten nach der H-Beladung an der Grenzfläche zum Substrat nachgewiesen werden. Zusammen mit den TEM/STEM Messungen konnte gezeigt werden, dass es dennoch nicht zur Ablösung der Schicht vom Substrat kommt.