Fraunhofer研究人员开发出一种用于可靠预测高应力部件低周疲劳（LCF）寿命的模拟模型，可计算氢气环境对部件疲劳寿命的影响。
迄今为止，在氢气环境下，高应力部件的疲劳寿命只能以较大的不确定性进行估算。传统的断裂力学计算往往过于保守，预测出的使用寿命明显短于实际寿命。Fraunhofer IWM的研究人员目前首次开发出一种基于裂纹萌生的预测模型，使得在氢气影响下的低周疲劳寿命能够基于物理机制进行计算。这意味着，在开发初期就可以可靠预测氢气涡轮机和发动机中部件的使用寿命，从而减少成本高昂的测试，并更加合理地设定安全系数。这是推动涡轮机安全、环保地使用氢气的重要一步。
燃气轮机的需求十分庞大。在电厂领域，燃气轮机可以弥补可再生能源发电的波动。人工智能热潮也迫切需要更多用于发电的燃气轮机。在航空发动机领域，更高效的发动机也正在开发之中。许多制造商越来越多地采用氢动力涡轮机，因为这可以大幅降低二氧化碳排放。
相关开发和认证过程耗时且成本高昂。这是因为氢气燃烧后，部件所承受的应力以及所使用材料的状态都会发生变化，同时必须在开发阶段就确保设备的效率和使用寿命。
挑战：预测氢能技术的使用寿命
有效的寿命预测必须考虑诸多影响因素，包括氢气压力、气体纯度、温度、材料及其表面状态，以及机械载荷。然而，这些因素之间的相互作用无法通过单次实验完整捕捉，这也是研发工作成本高昂的原因之一，因为需要进行大量测试。此外，材料内部会同时发生不同的退化和损伤过程，其中部分过程由氢气诱发，进而导致材料疲劳并缩短使用寿命。对这些过程描述和模拟得越准确、越全面，就越能够充分利用材料的性能极限，并对部件安全裕度进行合理校准。
长度约为20微米的短裂纹萌生和扩展，直到达到约1毫米的技术裂纹萌生长度，这一阶段占据了部件实际使用寿命的最高90%。这一过程被称为低周疲劳（LCF）。氢气可能使裂纹扩展速度提高100倍甚至更多。然而，到目前为止，氢气对短裂纹的这种影响尚未基于基本物理原理建立数学模型。因此，部件在设计时不得不采用非常保守的方案，并设置较高的安全系数。
首次模拟氢气影响下的疲劳过程
Fraunhofer IWM的科学家目前开发出一种模拟模型，首次基于物理关系描述氢气对低周疲劳行为的影响。该模型能够考虑温度、氢气压力、加载频率以及机械载荷范围等多种影响因素，并预测燃气轮机、喷气发动机等高应力部件的使用寿命。
该模型基于弹塑性断裂力学，描述约20微米至1毫米范围内受氢气影响的短裂纹扩展过程。其中，HELP效应（氢增强局部塑性）被认为是核心损伤机制：进入裂纹尖端的氢气会占据金属晶格中的位错，从而提高局部塑性，并加速裂纹扩展。在400℃以上的温度下，研究人员还将沿晶界发生的氧扩散作为另一种影响损伤的机制纳入模型。
Fraunhofer IWM项目负责人Fabien Ebling表示：“处于氢气环境中的部件会面临各种各样的运行条件，这些条件来自氢气压力、温度和不同载荷循环的组合。通常不可能通过实验覆盖所有可能的情况。我们的模拟模型能够以数学方式捕捉这种复杂性，即使在极端运行条件下，也能够可靠地估算部件寿命。”
该模型并非基于经验数据，而是解释了损伤产生的物理原因，即氢原子使金属晶格中的位错发生运动，从而加速裂纹扩展。研究人员希望借此大幅减少在氢气测试台架上进行部件测试所需的大量工作和成本。
该模型尤其适用于研发早期阶段，此时部件几何结构和运行方案尚未最终确定。借助该模型，研究人员可以在首个原型机制造之前开展参数研究、确定压力极限，或者评估测试频率对损伤的影响。
资金支持
相关研究成果来自AdHyBau（20M1904E）和AdHyBau2（20M2202C）项目。前者研究采用生成式金属结构和纤维复合材料的混合制造方法，用于高性能电机；后者则致力于开发可获认证的氢电推进系统，用于航空器，并测试低温冷却电机。这两个项目均由德国联邦经济与能源部（BMWE）资助。
（素材来自：Fraunhofer 全球氢能网、新能源网综合）
热门跟贴