Ein Pflaster für ein längeres Leben

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In der deutschen Nord- und Ostsee gibt es knapp 1.600 Windenergieanlagen („offshore“). Über Jahrzehnte wirken viele zyklische Belastungen – Betrieb, Wind und Wellen – auf die Struktur ein. An ermüdungskritischen Stellen entlang der Schweißnähte entstehen lokal winzige Risse. Mit der Zeit wachsen sie, bis die Konstruktion saniert oder ersetzt werden muss. 

An der Technischen Universität Hamburg (TUHH) entwickelt ein interdisziplinäres, internationales Team unter Prof. Marcus Rutner, Leiter des Instituts für Metall- und Verbundbau, eine hauchdünne Beschichtung, mit deren Hilfe sich die Haltbarkeit von Schweißnähten vervielfachen ließe.

Nanopflaster für geschweißten Stahl

„Wir beschichten die Oberfläche mit einem Multilayer aus Nickel- und Kupferschichten, deren einzelne Lagen nur wenige Nanometer dick sind“, erklärt Saeid Sarafrazian, einer der Materialwissenschaftler im Team – ein Nanometer ist ein Milliardstel Meter. Das „Nanopflaster“ besteht aus alternierenden harten Nickelschichten und weicheren Kupferschichten. Jede Doppelschicht ist nur etwa 50 Nanometer dünn; so entsteht eine wenige Mikrometer dicke Beschichtung, die gezielt an den ermüdungskritischen Stellen entlang von Schweißnähten aufgetragen wird. 

„Die geschweißte Verbindung ist in der Regel die kritischste Position einer Stahlkonstruktion unter zyklischer Belastung“, erklärt Bauingenieurin Maren Seidelmann. „Hier treffen unterschiedliche Spannungen, Materialstrukturen und Geometrien aufeinander. Risse entstehen fast immer zuerst an der Naht.“ Die lokale Geometrie beeinflusst maßgeblich das Verhalten der geschweißten Verbindung unter Ermüdungsbelastung. Veronika Eggert, ebenfalls Bauingenieurin, untersucht die geometrischen Effekte der Beschichtung mit Hilfe von 3D-Scan-Daten in numerischen Modellen. 

Seidelmann arbeitet derzeit daran, eine Methode für die Applikation des Nanopflasters am Baubestand direkt vor Ort zu entwickeln: „Wir können die Elektrolytlösung in einem speziellen Behälter an die jeweilige Stelle bringen und dort lokal galvanisch beschichten.“

Erstaunlich effektiv

Im Labor hat sich gezeigt, dass das Verfahren erstaunlich effektiv ist. Forschende des Instituts für Metall- und Verbundbau untersuchten geschweißte Proben aus Baustahl. Bei Proben mit Nanopflaster ergab sich dabei eine drei- bis sechsmal längere Lebensdauer im Vergleich zu unbehandelten Proben. „Ehemalige Doktorand*innen am Institut haben die Wirkung an standardisierten Proben nachgewiesen und konnten auch zeigen, dass die Streuung der Ergebnisse geringer ist als bei anderen Verfahren“, sagt Mohammad Fazel, der zweite Materialwissenschaftler im Team. „Das bedeutet: Die Technologie ist nicht nur leistungsfähig, sondern auch verlässlich.“ Die Wirkungsweise des Nanopflasters wird sowohl durch klassische Ermüdungsversuche als auch durch visuelle Analysen mittels Elektronenmikroskopie untersucht.

Vier Effekte sorgen für die Schutzwirkung

Die außergewöhnliche Haltbarkeit entsteht durch ein Zusammenspiel mehrerer Mechanismen:

1. Druckeigenspannungen im Stahl unter der Beschichtung wirken Zugspannungen entgegen und überdrücken mögliche Risse, wie Messungen im Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) belegten.
2. Die Oberflächenrauheit wird durch die galvanische Schicht verringert, potenzielle Kerben werden entschärft.
3. Die Beschichtung unterdrückt sogenannte Gleitbänder – winzige Zonen plastischer Verformung an der Oberfläche, die sonst Ausgangspunkte für Mikrorisse werden können.
4. Im Nanolaminat selbst führen Rissumlenkung und Multicracking (viele kleine Risse, die die Spannungen besser verteilen) zu einer Verzögerung der Rissausbreitung.

Vom Millimeter zum Meter

Bislang beschichtet das Team standardisierte Proben von acht Millimetern Dicke. Der nächste Schritt ist die Übertragung auf großdimensionierte Bauteile. „Wir wollen zeigen, dass das Verfahren auch bei 80 Millimeter dicken Offshore-Strukturen funktioniert“, so Sarafrazian. Die entsprechenden Tests werden mit knapp zwei Meter langen, 360 Kilogramm schweren Proben durchgeführt. Solche Dimensionen sind typisch für Monopfähle, die riesigen Stahlrohrfundamente von Windenergieanlagen. Sie haben Umfänge von bis zu 40 Metern und sind an den ringförmigen Schweißnähten besonders anfällig für Ermüdungsversagen.

Offshore-Windenergieanlagen sind hohen Beanspruchungen ausgesetzt, da nicht nur mechanische Kräfte auf die Struktur einwirken, sondern das salzhaltige Meerwasser außerdem zu Korrosion führt. 

Weniger Stahl, längere Lebensdauer

Die hohe Anfälligkeit der Schweißnähte auf Ermüdungsversagen macht die großen Wandstärken von bis zu 150 Milimetern in der Praxis überhaupt erst erforderlich. Beispielhaft zeigt die Berechnung für den Monopfahl einer 15-Megawatt-Windenergieanlage das Potenzial des Nanopflasters: Wenn alle ringförmigen Schweißnähte mit dem Nanolaminat behandelt würden, könnte die Konstruktion um 28 Prozent leichter ausgeführt werden, weil die bisher maßgebende Ermüdungsanfälligkeit der Nähte entfällt.

Das bedeutet weniger Materialeinsatz und zugleich einen deutlich geringeren CO₂-Fußabdruck bei der Herstellung – ein zentraler Hebel für den Klimaschutz. Denn die Stahlindustrie ist für etwa acht Prozent der globalen CO₂-Emissionen verantwortlich.

Ziel ist es, das Verfahren zu zertifizieren, so dass der Transfer in die Industrie möglich wird. „Wir wollen einen Beitrag leisten, um den Stahlbau nachhaltiger zu machen“, sagt Institutsleiter Marcus Rutner. „Wenn es gelingt, ermüdungskritische Stellen verlässlich und kostengünstig mit einem Nanopflaster zu schützen und die Konstruktion langlebiger oder materialeffizienter zu machen, wäre das ein Paradigmenwechsel im Offshore- und Ingenieurbau: Eben Engineering to Face Climate Change.“

Info:

Das Projekt läuft über drei Jahre und wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz mit 2,2 Millionen Euro finanziert. Verbundpartner sind der Monopfahlhersteller Steelwind Nordenham, die JBO Engineering Group sowie die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM); Assoziierte Partner sind die AG der Dillinger Hüttenwerke, Salzgitter Mannesmann Forschung, Siemens Gamesa Renewable Energy, Vestas Wind Systems, EnBW, RWE und TÜV Süd. Veröffentlichungen sind bereits in „Scientific Reports“, „Scripta Materialia“ sowie in der Zeitschrift „Stahlbau“ erschienen.

English:

A “band-aid” for a longer life

An ultra-thin coating that could revolutionize steel construction: this is what a four-member, interdisciplinary team of TUHH is working on. This so-called “nano-patch,” made of nickel and copper, has the potential to extend the service life of welded steel structures, for example in offshore wind farms, many times over – or to significantly reduce the amount of steel required in the production of material-intensive constructions. The project combines fundamental research with high practical relevance.

In the German North and Baltic Seas, there are nearly 1,600 offshore wind turbines. Over decades, the structures are exposed to numerous cyclic loads – from operation, wind, and waves. At fatigue-critical locations along the weld seams, tiny cracks form locally. Over time, these cracks grow until the structure must be repaired or replaced.

An interdisciplinary, international team at Hamburg University of Technology (TUHH) led by Prof. Marcus Rutner, Head of the Institute of Metal and Composite Structures, is developing an ultra-thin coating that could multiply the durability of welded joints.

Nano-patch for welded steel

“We coat the surface with a multilayer of nickel and copper, with individual layers only a few nanometers thick,” explains Saeid Sarafrazian, one of the materials scientists on the team – a nanometer is one billionth of a meter. The “nano-patch” consists of alternating hard nickel layers and softer copper layers. Each bilayer is only about 50 nanometers thick; altogether, this results in a coating just a few micrometers thick, which is applied selectively at fatigue-critical locations along weld seams.

“The welded joint is usually the most critical part of a steel structure under cyclic loading,” explains civil engineer Maren Seidelmann. “This is where different stresses, material structures, and geometries come together. Cracks almost always form first at the weld.” Local geometry has a decisive influence on the fatigue performance of the welded joint. Veronika Eggert, also a civil engineer, is investigating the geometric effects of the coating using 3D scan data in numerical models.

Seidelmann is currently working on developing a method to apply the nano-patch directly on site to existing structures: “We can bring the electrolyte solution to the specific location in a special container and apply the coating locally by electroplating.”

Remarkably effective

Laboratory tests have shown that the process is remarkably effective. Researchers at the Institute of Steel and Composite Structures examined welded specimens made of structural steel. Specimens treated with the nano-patch exhibited a service life three to six times longer than that of untreated specimens. “Former doctoral researchers at the institute demonstrated the effect on standardized specimens and were also able to show that the scatter in the results is lower than with other methods,” says Mohammad Fazel, the second materials scientist on the team. “This means the technology is not only high-performing, but also reliable.”

The mode of action of the nano-patch is being investigated using both classical fatigue tests and visual analyses by means of electron microscopy.

Four effects ensure the protective action

The exceptional durability results from the interplay of several mechanisms:

1. Compressive residual stresses in the steel beneath the coating counteract tensile stresses and suppress potential cracks, as demonstrated by measurements at the German Electron Synchrotron (DESY).
2. The electroplated layer reduces surface roughness, thereby mitigating potential stress concentrators.
3. The coating suppresses so-called slip bands – tiny zones of plastic deformation at the surface that can otherwise become initiation sites for microcracks.
4. Within the nanolaminate itself, crack deflection and multi-cracking (many small cracks that distribute the stresses better) lead to a slowdown of crack propagation.

From millimeters to meters

So far, the team has coated standardized specimens with a thickness of eight millimeters. The next step is to transfer the process to large-scale components. “We want to demonstrate that the method also works for 80-millimeter-thick offshore structures,” says Sarafrazian. The corresponding tests will be carried out on specimens nearly two meters long and weighing 360 kilograms. Dimensions of this scale are typical for monopiles—the massive steel tubular foundations of wind turbines. They can have circumferences of up to 40 meters and are particularly susceptible to fatigue failure at the circumferential weld seams.

Offshore wind turbines are exposed to high loads, as not only mechanical forces act on the structure, but the saline seawater also leads to corrosion.

Less steel, longer service life

The high susceptibility of weld seams to fatigue failure is what makes the large wall thicknesses of up to 150 mm necessary in practice in the first place.

A calculation for the monopile of a 15-megawatt wind turbine illustrates the potential of the nano-patch: if all circumferential weld seams were treated with the nanolaminate, the structure could be made 28% lighter, as the welds’ previously governing fatigue vulnerability would no longer be the limiting factor.

This would mean reduced material consumption and, at the same time, a significantly lower CO₂ footprint during production—a key lever for climate protection. After all, the steel industry is responsible for around eight percent of global CO₂ emissions.

The goal is to certify the process so that it can be transferred to industry. “We want to make a contribution to more sustainable steel construction,” says Marcus Rutner. “If we succeed in reliably and cost-effectively protecting fatigue-critical areas with a nano-patch and making structures more durable or more material-efficient, this would represent a paradigm shift in offshore and structural engineering: engineering to face climate change.”

Info:

The project runs for three years and is funded by the German Federal Ministry for Economic Affairs and Climate Action with €2.2 million. Consortium partners include the monopile manufacturer Steelwind Nordenham, the JBO Engineering Group, and the Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM); associated partners are Dillinger Hüttenwerke AG, Salzgitter Mannesmann Forschung, Siemens Gamesa Renewable Energy, Vestas Wind Systems, EnBW, RWE, and TÜV Süd. Publications have already appeared in “Scientific Reports”, „Scripta Materialia“ and in the journal „Stahlbau“.