Leichtbaualternative für den Einsatz in wasserstoffführenden Komponenten
So arbeitet LEIBER an einer Legierungsweiterentwicklung innerhalb der Normlegierungen EN AW-6061A, die speziell auf die Anforderungen wasserstoffführender Bauteile abgestimmt ist. Sie wird unter dem Namen AluResist vermarktet. Die Basislegierung EN AW-6061A ist neben hochlegierten Stählen (1.4404 & 1.4435) einer der wenigen metallischen Werkstoffe, der nach SAE J 2579 (Standard for Fuel Systems in Fuel Cell and Other Hydrogen Vehicles) für den Einsatz in wasserstoffführenden Komponenten freigegeben ist. Der Gewichtsvorteil der Aluminiumlegierung im Vergleich zu den alternativ zugelassenen hochlegierten Stählen liegt hier klar auf der Hand, bei dem hier vorgestellten Bauteil beträgt er bis zu 76%.
Legierungsoptimierung
Die Basislegierung EN AW-6061A ist eine aushärtbare Aluminiumlegierung, die sich durch hohe mechanische Kennwerte, gute Umform- und Schweißbarkeit sowie hohe Korrosionsbeständigkeit auszeichnet. Die chemische Zusammensetzung nach DIN EN 573-3 ist in Tabelle 1 wiedergegeben. Diese etablierte Legierung findet Anwendung im Schiffsbau, im Schienenfahrzeugbau, in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Automobilindustrie. Im Automobilbereich hauptsächlich im nordamerikanischen Raum.
Bei der Entwicklung von AluResist wurde die chemische Zusammensetzung nach EN 573-3 kritisch analysiert. Die festigkeitsbestimmenden Legierungselemente Silizium und Magnesium wurden so begrenzt, dass einerseits hohe Bauteilfestigkeiten erreicht werden, andererseits aber der Siliziumüberschuss begrenzt wird. Diese Begrenzung dient zur Minimierung der Anfälligkeit gegen Stress Corrosion Cracking (SCC) und Humid-Gas Stress Corrosion Cracking (HG-SCC).
Die gezielte Zugabe der Elemente Mangan und Chrom dient ebenfalls der Begrenzung des Siliziumüberschusses. Diese Zusätze führen auch zu einer Erhöhung der Gefügestabilität, so dass eine unerwünschte rekristallisierte grobkörnige Randzone in den geschmiedeten Bauteilen minimiert wird.
Erprobung / Validierung
AluResist ist für den Einsatz in wasserstoffführenden Komponenten optimiert. Ein verbreitetes Beispiel hierfür sind Wasserstofftanks. Für diese Tanksysteme ist mittlerweile der Typ IV Tank weit verbreitet, dessen Aufbau schematisch in Bild 1 dargestellt ist. Diese besitzen eine Innenauskleidung aus Verbundwerkstoffen und sind von einer Außenhülle aus Kohlenstofffasern und anderen verwobenen thermoplastischen Polymeren umgeben. Der Anschlussbereich, die sogenannten Bosse, sowie die darin eingesetzten On Tank Valves (OTV) sind Anwendungsbeispiele für AluResist.
Zur Erprobung von AluResist wurde ein manuelles On Tank Valve (MOTV) als Demonstrator gewählt. Dieses On Tank Valve wurde im durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) geförderten Projekt AluScaL zusammen mit der Argo-Anleg GmbH entwickelt. In Bild 2 ist links die Originalgeometrie aus hochlegiertem Edelstahl rein zerspanend gefertigten MOTVs dargestellt. Auf der rechten Seite ist das gewichtsoptimierte Schmiedebauteil aus Aluminium dargestellt. Die alleinige Substitution des hochlegierten Stahls mit Aluminium ermöglicht eine Gewichtseinsparung von ca. 2.200 g auf ca. 750 g. Durch die Geometrieanpassungen konnte das Gewicht noch weiter auf ca. 520 g reduziert werden.
Die Auslegung erfolgte dahingehend, dass die Performance des Aluminiumschmiedeteils nicht schlechter sein durfte als das aktuell eingesetzte Bauteil aus hochlegiertem Stahl. Dazu wurde das Verhalten unter einen angenommen Innendruck von 845 bar mit der Simulationssoftware Inspire simuliert. Dieser Innendruck entspricht dem Maximaldruck, der beim Befüllen der Flaschen auftreten kann.