Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM
Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM

Entwicklung von Werkstoffkonzepten und in situ Legierungsmethoden zum Fügen und Beschichten von Komponenten für die Verbrennung, Speicherung und den Transport von wasserstoffbasierten Energieträgern

Laufendes Forschungsprojekt

Wasserstoff ist der Schlüssel zur Energiewende – doch die Werkstoffe für Transport, Speicherung und Verbrennung stoßen an ihre Grenzen: Schweißnähte in Druckspeichern verspröden, Motorventile korrodieren und verschleißen unter H₂-Verbrennung schneller. EWIG entwickelt dafür ein neues Konzept: Mittels in situ Legierungsbildung aus bis zu vier handelsüblichen Drähten werden Hochentropie- und Komplexlegierungen (HEA/CCA) direkt beim Schweißen und Beschichten erzeugt – ohne Sonderwerkstoffe vorproduzieren zu müssen. Ein begleitendes digitales Materialdesigntool verknüpft atomistische Simulation, thermodynamische Modellierung und experimentelle Daten und verkürzt die Legierungsentwicklung von Jahren auf Monate. 

Projektbeschreibung

Besonders kritisch bei Transport, Speicherung und Verbrennung von Wasserstoff und seinen Derivaten sind Schweißverbindungen, wo prozessbedingte Defekte, Eigenspannungen und martensitische Gefüge die Versprödungsneigung zusätzlich erhöhen. Bei der Wasserstoff-Direktverbrennung in Großmotoren kommen höhere Temperaturen und verstärkte Korrosion hinzu. Bisherige Lösungen wie austenitische Edelstähle, Nickelbasislegierungen oder Dünnschicht-Barrieren sind entweder zu teuer, nicht reparaturfähig oder für große und komplex belastete Bauteile ungeeignet. Es fehlen gezielt entwickelte, industrietaugliche Werkstoff- und Verarbeitungskonzepte für Fügeverbindungen und Beschichtungen in der Wasserstofftechnik.

EWIG verfolgt einen disruptiven Ansatz: Das Werkstoffkonzept der Hochentropie- und Komplexlegierungen (HEA/CCA) wird so weiterentwickelt, dass mechanische und korrosive Eigenschaften in Schweißnähten und Beschichtungen in situ, also direkt im Fertigungsprozess, gezielt und lokal eingestellt werden können. Die gewünschte Legierungszusammensetzung entsteht erst beim Schweißen oder Beschichten – flexibel, gradierbar und ohne kostenintensive Vorlegierung. Ein digitales Materialdesigntool verknüpft atomistische und thermodynamische Simulationen mit experimentellen Prozess- und Materialdaten und ermöglicht mit maschinellem Lernen schnelle Vorhersagen zu Phasenbildung und Eigenschaften. Die Praxistauglichkeit wird an zwei Demonstratoren auf TRL 5–6 nachgewiesen: einer geschweißten Druckspeicherkomponente mit gradierter Schweißnaht (Wasserstoff-beständige Wurzel, zäher Mittelteil, korrosionsbeständige Decklage) und einem auftraggeschweißten Ventilsitz für Großmotoren. Ergänzt wird dies durch erweiterte Prüfverfahren für Werkstoffe in Wasserstoff-haltigen Atmosphären sowie ein Bewertungskonzept zur Auslegung von Schweißverbindungen unter Wasserstoffbelastung. 

Die Arbeitspakete des Fraunhofer IWM:

Das Fraunhofer IWM führt atomistische Berechnungen auf Basis der Dichtefunktionaltheorie (DFT) durch, um Phasenstabilitäten in den Hochentropie-/Komplexlegierungssystemen vorherzusagen – einschließlich des Einflusses von Wasserstoff auf die Phasenbildung. Parallel werden thermodynamische Simulationen (CALPHAD) mit systematischer Elementvariation durchgeführt, um den riesigen Kompositionsraum der HEA/CCA effizient einzugrenzen und Schmelzintervalle sowie Wärmebehandlungsparameter zu berechnen. Aus diesen Ergebnissen leitet das IWM gezielt Legierungszusammensetzungen für das experimentelle High-Throughput-Screening (gemeinsam mit IWS) ab. Die besondere Stärke des IWM liegt dabei in der automatisierten, kombinatorischen Hochdurchsatz-Methodik. Daraus entsteht das Materialdesigntool – ein auf Streamlit basierendes Web-Tool, das Simulationsdaten, experimentelle Material- und Prozessdaten sowie ML-gestützte Vorhersagen (z. B. zur chemischen Zusammensetzung auf Basis der Drahtzufuhr, zur Phasenbildung und zu Werkstoffeigenschaften) anschaulich aufbereitet und für alle Partner nutzbar macht.

Das Fraunhofer IWM übernimmt die strukturelle und mechanische Charakterisierung aller erzeugten Schichten und Schweißverbindungen. Dies umfasst Mikrostrukturanalysen (REM/EDX/EBSD, XRD), erweiterte Beugungsmethoden (STRAP) sowie Paarverteilungsfunktions-Analysen (PDF) zur Aufklärung der lokalen atomaren Ordnung in den komplexen Legierungen. Ein zentraler Beitrag liegt in der Werkstoffprüfung in Wasserstoffatmosphären: Mit einer am IWM entwickelten Mikrozugapparatur können lokale mechanische Kennwerte einzelner Schweißnahtzonen auch unter Wasserstoff-Druck ermittelt werden. Die Prüftechnik wird im Projekt gezielt auf Mischgase (Wasserstoff mit verschiedenen Beimischungen), erhöhte Temperaturen und vorbeladene Proben erweitert.

Das Fraunhofer IWM prüft die geschweißten Druckspeicherkomponenten unter einsatznahen Bedingungen (mechanische Belastung in Wasserstoff-Atmosphäre, Korrosion) und baut eine tribologische Prüfkette für die Ventilpanzerungen auf, um deren Verschleißverhalten unter Wasserstoffangebot zu bewerten. Zudem erarbeitet das Fraunhofer IWM ein Bewertungskonzept für Schweißnähte in H₂: Aufbauend auf fraktographischen Untersuchungen werden bestehende Auslegungskonzepte (FAT-Klassen nach IIW-Richtlinie, FKM-Richtlinie) erstmals auf in Wasserstoff getestete Proben angewandt und Konzepte zur Erweiterung dieser Richtlinien entwickelt. 

Auf der Basis der Projektarbeiten kann das Fraunhofer IWM Industrieunternehmen folgende neue FuE-Leistungen anbieten:

  • Materialdesign für Komplexlegierungen: Simulationsgestützte, datengetriebene Entwicklung maßgeschneiderter HEA/CCA-Zusammensetzungen für Schweißverbindungen und Beschichtungen – anwendbar auf H₂-Technologien, aber auch auf korrosive, tribologische und Hochtemperaturanwendungen. 
  • Qualifizierung von Schweißverbindungen in Druckwasserstoff: Mechanische Prüfung ganzer Schweißnähte und einzelner Schweißnahtzonen (WEZ, Schmelzgut, Wurzel) mittels Mikrozug- und Makroprobenversuchen in H₂-haltigen Druckgasen bei verschiedenen Temperaturen und Mischgaszusammensetzungen. 
  • Atomistisches und thermodynamisches Screening für wasserstoffresistente Werkstoffe: High-Throughput-Berechnungen (DFT, CALPHAD) zur Vorhersage von Phasenstabilität, H₂-Versprödungsneigung und Korrosionsbeständigkeit neuer Legierungszusammensetzungen. 
  • Tribologische Prüfung und Bewertung von Beschichtungen in H₂-Atmosphäre: Aufbau und Nutzung einer tribologischen Prüfkette für auftraggeschweißte Ventilpanzerungen und andere Beschichtungssysteme unter definierten Lasten und Wasserstoffangebot. 
  • Strukturcharakterisierung komplexer Legierungen (HEA/CCA): Erweiterte Beugungsanalysen (STRAP) und Paarverteilungsfunktions-Analysen (PDF) zur Aufklärung der lokalen atomaren Ordnung sowie des Einflusses von Wasserstoff auf die Realstruktur. 
  • Digitale Werkstoffdatenplattform für H₂-Anwendungen: Strukturierte Bereitstellung von Werkstoffkennwerten (mechanisch, korrosiv, tribologisch) in Wasserstoffumgebung.