NC-24004 Razumevanje mehanizmov vodikove krhkosti v nerjavnih jeklih izdelanih z aditivnimi tehnologijami

Vodja projekta: prof. dr. Bojan Podgornik

Povzetek projekta

Izpostavljenost vodiku škodljivo vpliva na lastnosti običajnih kovinskih zlitin, kar povzroči vodikov induciran prehod iz duktilne v krhko, znan kot vodikova krhkost (HE). Obseg poslabšanja je odvisen od materiala in njegove mikrostrukture, specifičnega okolja, mehanskih obremenitev in notranjih napetosti, ki nastanejo med proizvodnjo. Mikrostruktura jekel kljub enaki kemijski sestavi močno odstopa pri uporabi različnih tehnologij izdelave. Značilnosti lasersko temelječih procesov AM so visoki temperaturni gradienti, zaostale napetosti, anizotropija, zelo kompleksne in hierarhične mikrostrukture z visoko gostoto dislokacij in kemična nehomogenost. Te posebnosti lahko kritično vplivajo na dovzetnost za HE. HE se lahko pojavi prek različnih mehanizmov, vendar pa so, ko gre za materiale AM, natančni osnovni mehanizmi še vedno predmet intenzivnih raziskav in razprav.

Glavni izzivi, povezani s proizvodnjo, skladiščenjem, transportom in uporabo zelenega vodika kot bodočega nosilca energije, so vodikova krhkost običajno uporabljenega materiala - nerjavnega jekla, in kako se HE razlikuje glede na njegovo vrsto, mikrostrukturo in proizvodnjo. Za odgovor na ta vprašanja je predlagani raziskovalni projekt na področju materialov za nove energetske tehnologije osredotočen predvsem na definiranje in razumevanje mehanizmov vodikove krhkosti (HE) v dveh reprezentativnih 3D natisnjenih nerjavnih jeklih (avstenitnem in martenzitnem) in v tem, kako se razlikujejo v primerjavi s konvencionalno proizvedenimi jekli.

Cilji projekta

Medtem ko zeleni vodik predstavlja ključno komponento v prihodnji podnebno nevtralni družbi, njegova proizvodnja, skladiščenje, transport in uporaba kot prihodnjega nosilca energije postavljajo visoke zahteve in varnostne pomisleke s strani ustreznosti materialov. To je še posebej kritično, ko gre za visoko zmogljive aditivno izdelane (AM) kovinske zlitine, za katere je značilna mikrostruktura finih steblastih zrn, visoka gostota dislokacij, mikrosegregacije, napake in anizotropija. Izpostavljenost vodiku negativno vpliva na mehanske lastnosti kovinskih materialov, kar povzroči vodikovo krhkost (HE). Pogoji delovanja v proizvodnji energije, pa tudi v drugih industrijah, lahko privedejo do HE in morebitne korozije, kar povzroči nenadno in nepredvidljivo odpoved struktur. HE se lahko pojavi prek različnih mehanizmov, vendar se o natančnih osnovnih mehanizmih še vedno razpravlja in jih ne razumemo, ko gre za različna nerjavna jekla, odporna proti koroziji, proizvedenih z AM tehnologijami. Značilnosti lasersko temelječih procesov AM so ponavljanje segrevanja, taljenja, strjevanja in ponovnega taljenja z visokimi temperaturnimi gradienti, kar povzroči visoke zaostale napetosti, anizotropijo, zelo kompleksne in hierarhične mikrostrukture z visoko gostoto dislokacij in kemijsko nehomogenostjo. Te posebnosti, v kombinaciji z vrsto nerjavnega jekla, imajo lahko kritičen vpliv na HE in tudi na njegovo odkrivanje.

Glavni izzivi, povezani s proizvodnjo, skladiščenjem, transportom in uporabo zelenega vodika, so vodikova krhkost in razpoke zaradi napetostne korozije ter kako se ti razlikujejo glede na vrsto in proizvodnjo nerjavnega jekla. Za reševanje teh izzivov, neposredno povezanih z materiali za nove energetske tehnologije, se projekt osredotoča na naslednje cilje:

- analizirati obnašanje 3D-tiskanih nerjavnih jekel v okoljih, bogatih z vodikom, in oceniti zmogljivost uporabe

- identificirati in optimizirati eksperimentalne metode za spremljanje začetka in širjenja razpok zaradi vodikove krhkosti

- temeljito razumeti mehanizme vodikove krhkosti (HE) v nerjavnih jeklih in kako se razlikujejo glede na vrsto nerjavnega jekla in način izdelave (konvencionalno proti AM)

- identificirati glavne parametre, ki vplivajo na občutljivost za HE kot funkcijo mikrostrukture

Metodologija in koncepti

Projektni predlog na področju novih energetskih tehnologij/materialov združuje pet aktivnosti, namenjenih identifikaciji in razumevanju mehanizmov in dovzetnosti za vodikovo krhkost pri aditivno izdelanih nerjavnih jeklih. Le to v primerjavi s konvencionalno proizvedenimi jekli in v odvisnosti od vrste nerjavnega jekla (mikrostruktura in faze). Projekt naslavlja 5 raziskovalnih osi, ki so podrobno opisane spodaj in postavljajo temelje za poglobljeno raziskavo mehanizmov HE aditivno izdelanih nerjavnih jekel. Dejavnosti bodo vključevale:

(i) 3D tisk z LPBF metodo, predobdelava in naknadna obdelava ter ugotavljanje korelacije med parametri vodičenja in dejansko koncentracijo H za tipična nerjavna jekla (avstenitna, martenzitna), izdelana na konvencionalni način in s 3D-tiskanjem;

(ii) podroben pregled in karakterizacija mikrostrukture in mikrostrukturnih sprememb, povezanih z H, za opredelitev in kvantificiranje porazdelitve mikrostrukturnih napak in njihovega razvoja v prisotnosti vodika ter med obremenjevanjem (analizator elementov ONH, ICP-OES, TDS, SEM, FIB-SIMS, FIB-DIC, EBSD, XRD, AES, XPS, TEM, APT);

(iii) testiranje in ugotavljanje izpostavljenosti in difuzije H na lastnosti in obnašanje jekla pod obremenitvijo. Preskusi bodo vključevali določanje običajnih mehanskih lastnosti (trdota, žilavost, natezna trdnost) po vodičenju, predvsem obnašanje napetosti in deformacije pri počasni stopnji deformacije (SSRT), tako na zraku kot v elektrolitu pri dodatnem katodnem vodičenju. Določena bo tudi odpornost proti utrujanju in obrabi;

(iv) ugotavljanje primernosti različnih metod za spremljanje in odkrivanje začetka in širjenja razpok, povezanih z HE, kot tudi poslabšanja lastnosti (elektrokemični šum (EN), akustična emisija (AE), optično spremljanje (DIC), mikroračunalniška tomografija, tehnika vodikovega mikrotiska) in

(v) opredelitev in razumevanje mehanizmov HE v aditivno izdelanih nerjavnih jeklih in njihove razlike v primerjavi s konvencionalnimi. Rezultati porazdelitve/prerazporeditve vodika in spremljanja razpok HE, podroben mikrostrukturni pregled in karakterizacija po izpostavljenosti/po zlomu skupaj z razumevanjem difuzije vodika in lovljenja (razporeditve) med obremenitvijo. Le-to bo služilo kot osnova za opredelitev in razumevanje mehanizmov HE v različnih nerjavnih jeklih.

Raziskovalna skupina

Projekt je financiran s strani ARISa z 2016 urami cenovnega razreda C: 1. 1. 2024 – 31. 12. 2025.