Wasserstoffversprödung von additiv gefertigtem AISI 316L

Der Klimawandel und das menschliche Bestreben, ihm entgegenzuwirken, erfordern geeignete und speicherfähige Energieträger für erneuerbare Energien. Eine vielversprechende Lösung ist Wasserstoff, der durch elektrolytische Spaltung von Wasser mithilfe erneuerbarer Energien hergestellt wird – sogenannter „grüner Wasserstoff“. Wasserstoff kann jedoch in kritischer Weise mit Werkstoffen interagieren – etwa in Pipelines oder in den Rohrleitungen von Elektrolyseuren –, was unter anderem zur unerwünschten Wasserstoffversprödung und infolgedessen vorzeitiges Materialversagen verursachen kann.
Die additive Fertigung, insbesondere das pulverbettbasierte Laserstrahlschmelzen, eröffnet neue Möglichkeiten zur Herstellung hochkomplexer Bauteile und führt zu einzigartigen Gefügestrukturen. In dieser Arbeit wird dies für die Herstellung von Bauteilen und Prüfkörpern aus der Edelstahllegierung 316L verwendet.
Aufgrund des Fertigungsprozesses entstehen Poren unterschiedlicher Form und Größe im Material, zudem bilden sich Schmelzbadgrenzen, die die einzeln gefertigten Lagen verbinden. Durch die extrem hohen Abkühlraten im Material entsteht ein zellartiges Versetzungsnetzwerk, das besonders hohe mechanische Festigkeiten des Stahls ermöglicht. ... mehrSo weist die untersuchte Legierung im additiv gefertigten Zustand eine bis zu $75{\%}$ höhere Streckgrenze auf als das konventionell hergestellte Material. Der Einfluss von Wasserstoff auf diese Eigenschaften ist für 316L wie für die meisten anderen Stähle jedoch bislang weitgehend unerforscht.
In dieser Arbeit wird AISI 316L durch ein pulverbettbasiertes Verfahren mit Laserlicht lokal aufgeschmolzen (PBF-LM), um Bauteile bzw. Prüfkörper herzustellen. 316L zählt zu den meistverwendeten Werkstoffen in der chemischen Industrie und der Lebensmittelbranche und wird insbesondere in korrosiven Umgebungen, sowie in Wasserstoffanwendungen eingesetzt.
Im Rahmen einer umfassenden Parameterstudie, die auch das Ausgangsmaterial in Pulverform untersucht, wird das eigens additiv gefertigte Material, 316L-AM genannt, analysiert. Dabei bildet sich ein für dieses Verfahren typisches Gefüge aus. Die Körner erstrecken sich entlang der Aufbaurichtung mit einer Länge von bis zu $750{\mu m}$ und sind in der Aufbauebene mit $50{\mu m}$ deutlich kleiner. Zudem weist das Material eine leicht ausgeprägte (100)-Erstarrungstextur auf. Die Schmelzbäder erreichen eine Breite von bis zu $100{\mu m}$. Das Versetzungsnetzwerk formt nahezu nadelförmige Zellen.
Der Ausgangszustand des Materials nach der Fertigung wird durch quasistatische Zugversuche bei Dehnraten von $\dot{\epsilon}=10^{-3}s^{-1}$ und $5 \cdot 10^{-5}s^{-1}$, sowie Ermüdungsstudien charakterisiert. Dabei werden der Einfluss der rauen, gedruckten Oberfläche sowie der darunterliegenden Poren herausgearbeitet. Um den Einfluss der Oberfläche und der randnahen Poren auszuschließen, werden auch nachbearbeitete Proben untersucht. Ebenso fließt die Probenorientierung zur Aufbaurichtung in die Analyse ein. Der Verformungsmechanismus unter quasistatischer Belastung wird detailliert untersucht: Es wird gezeigt, dass die plastische Verformung des additiv gefertigten Materials hauptsächlich über Zwillingsbildung erfolgt, während im Bereich der Einschnürung das Versetzungsgleiten dominiert. Besonders in diesem Bereich bildet sich $\alpha$'-Martensit als Defektaggregat. Im Allgemeinen gilt diese Phase als besonders anfällig für Wasserstoffversprödung, es wird diskutiert, warum dies im Rahmen der gezeigten Arbeit nicht der Fall ist. Durch die lokale Messung des $\alpha$'-Martensitgehalts mithilfe eines Feritscopes kann der Bruchort sowohl im quasistatischen als auch im zyklischen Belastungsfall vorhergesagt werden. Da die Bildung von $\alpha$'-Martensit als Defektaggregat in Anwesenheit von Wasserstoff unverändert bleibt, ist anzunehmen, dass dieser nicht an der Versprödung beteiligt ist.
Die Wasserstoffdiffusion im additiv gefertigten Material wird quantifiziert, und Prüfkörper für Zugversuche, sowie Ermüdungsstudien werden entsprechend dieser Erkenntnisse mit Wasserstoff beladen. Durch thermische Desorptionsstudien des Wasserstoffs aus dem 316L-AM wird nachgewiesen, dass sich der Wasserstoff diffusibel im zellulären Versetzungsnetzwerk befindet. Die beladenen Proben enthalten etwa $22{wppm}$ gelösten Wasserstoff. Es wurde ein Diffusionskoeffizient von $D_{H}=7\cdot10^{-12}m^2 s^{-1}$ ermittelt, der zwei bis drei Größenordnungen größer ist als in konventionellem Material. Diese beschleunigte Diffusion von Wasserstoff wird im Rahmen der weiteren Arbeit als kritisch für die Wasserstoffversprödung von additiv gefertigtem 316L bewertet.
Die mechanischen Tests an beladenen additiv gefertigten Proben zeigen, dass unter quasistatischer Belastung nur leichte Versprödungseffekte im Bereich der Einschnürung auftreten. Die Bildung des \textalpha'-Martensit ist durch den interstitiellen Wasserstoff unbeeinflusst. Da die plastische Verformung von 316L in der Einschnürung hauptsächlich über Versetzungsgleiten abläuft, ist anzunehmen, dass der Versprödungsmechanismus auf der Versetzungsdynamik basiert. Hierzu käme beispielsweise HELP in Frage.
Bei erhöhter Dehnrate wird gefundenm, dass sogar eine Mischkristallverfestigung durch Wasserstoff im 316L-AM auftritt.
Die Ermüdungsstudien hingegen zeigen einen deutlich negativen Einfluss von Wasserstoff auf die Lebensdauer der gedruckten Prüfkörper. Die leichten morphologischen Veränderungen auf den Bruchflächen lassen sich ebenfalls durch den HELP-Mechanismus erklären.