Die Wirkung von Wasserstoff auf Werkstoffe verstehen, beherrschen und nutzen

Wasserstoffforschung am Fraunhofer IWM

Wasserstoff spielt in allen Zukunftsszenarien der Energiewirtschaft eine prominente Rolle. Als verbindendes Element zwischen unterschiedlichen Bereichen der Energieversorgung trägt Wasserstoff zu einer nachhaltigen Umwandlung, Speicherung und Nutzung von Energie bei. Wasserstofftechnologie unterstützt den Ausbau erneuerbarer Energiesyteme und die Vermeidung des CO2-Ausstoßes.
Fertigungs- oder betriebsbedingt kann Wasserstoff in atomarer Form eingelagert werden und strukturelle Schädigungsmechanismen in Gang setzen, die Bauteilversagen bewirken. Daher sind bei vielen Materialien, insbesondere Hochleistungswerkstoffen im Kontakt mit Wasserstoff, während der Entwicklung, der Fertigung und des Einsatzes Diffusions-, Reaktions- und Schädigungsprozessen zu beachten, um einen sicheren Betrieb und eine lange Lebensdauer von Systemen im Kontakt mit Wasserstoff zu gewährleisten.

 

Wasserstoff @ Fraunhofer IWM


Eine fortschrittliche Beschreibung und Bewertung der Wirkung von Wasserstoff auf Werkstoffe berücksichtigt Mechanismen auf makroskopischen und mikrostrukturellen Skalen ebenso wie auf der atomaren Skala und überträgt diese Mechanismen in zuverlässige Lebensdauervorhersagen und Risikoeinschätzungen. Genau diesen Ansprüchen wird das Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM mit seinem Forschungs- und Entwicklungsschwerpunkt Werkstoffe im Kontakt mit Wasserstoff gerecht.

Unsere Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zielen darauf ab, Wechselwirkungen von atomarem oder molekularem Wasserstoff im Kontakt mit Werkstoffen mit experimentellen Methoden und theoretischen Modellen zu beschreiben: Adsorption, Desorption, Dissoziation und Assoziation von molekularen wasserstoffhaltigen Gasen oder Fluiden an Werkstoffoberflächen, Absorption, Permeation, Diffusion und Reaktion von atomarem Wasserstoff in Werkstoffgefügen. Damit ermöglichen wir eine zielsichere mechanistische Beschreibung von Schädigungsabläufen, eine Bewertung des Werkstoff- und Bauteilverhaltens und die Ableitung von Designrichtlinien und Lebensdauervorhersagen.

© Fraunhofer IWM

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Laboreröffnung und Fachworkshop Wasserstoff am 10. und 11. April 2019

 

Den Workshop »Die Wirkung von Wasserstoff auf Werkstoffe beherrschen« nehmen wir zum Anlass, gemeinsam mit prominenten Vertretern aus Industrie und Wissenschaft aktuelle Lösungen zum Einsatz von Werkstoffen im Kontakt mit Wasserstoff vorzustellen und zukunftsweisende Konzepte zu diskutieren.

Wir haben am Fraunhofer IWM eine erhebliche Erweiterung unserer praktischen und theoretischen Möglichkeiten zur Werkstoff-Wasserstoff-Mechanik aufgebaut: neue Laborräumlichkeiten, neue Experimentiertechniken und neue Simulationswerkzeuge, die wir Ihnen Rahmen dieses Workshops vorstellen.

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Anwendungsspezifische Bewertung und Qualifizierung von Werkstoffen

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Zugversuch mit Wasserstoffbeaufschlagung / Permeationsversuch unter Last.
  • Experimentelle Bestimmung des diffusiblen und getrappten Wasserstoffs in Werkstoffen, Dichte der Wasserstofffallen und deren Bindungsenergien.
  • In situ-Degradations- und Festigkeitsuntersuchungen unter statischer, dynamischer, zyklischer und thermischer Belastung.
  • Bestimmung bruchmechanischer Kennwerte unter Druck- oder elektrochemisch angebotenem Wasserstoff.
     

Kontakt: 

Ken Wackermann, Telefon: +49 761 5142-492, E-Mail senden 
Wulf Pfeiffer, Telefon: +49 761 5142-166, E-Mail senden

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Werkstoffdesign für Wasserstofftechnologien

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  • Mikro- und multiskalige mechanistische Modellierung von Wasserstoff in Werkstoffen mit quantenmechanischen und atomistischen Computersimulationsmethoden
  • Simulation der Diffusion und Reaktion von Wasserstoff in metallischen und keramischen Werkstoffen
  • Berechnung von Bindungsenergien, Aktivierungsenergien, struktur- und temperaturabhängigen Diffusivitäten von Wasserstoff in Materialgefügen
  • Computational Design, Optimierung und Screening von Einlagerungsverbindungen für Wasserstoff als Funktionsmaterialien für Energiesysteme, Metallhydridspeicher, Ionenbatterien und Brennstoffzellen
  • Experimentelle mikromechanische Beobachtung und Aufklärung von wasserstoffinduzierten Materialschädigungsprozessen an mikroskaligen Werkstoffproben


Kontakt:

Daniel Urban, Telefon: +49 761 5142-492-378, E-Mail senden

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Wasserstoff in tribologischen Systemen

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White etching cracks unterhalb der wälzbeanspruchten Lagerlaufbahn.
  • Risikobewertung von Schmierstoffen hinsichtlich wasserstoffinduzierter Gleit- und Wälzlagerschäden
  • Konzepte zur Vermeidung von wasserstoffinduzierter Oberflächenschädigung unter tribologischer Beanspruchung
  • Modellierung von Wasserstoff im Tribokontakt 

Kontakt:

Dr. Dominik Kürten, Telefon: +49 761 5142-148, E-Mail senden 

 

 

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Wasserstoff in Fertigungsprozessen

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Galvanisch abgeschiedene, mikrorissige Hartchromschicht
  • Analyse der Fertigungskette hinsichtlich temporärem und dauerhaftem Wasserstoffeintrag
  • Modellierung von Effusionsbehandlungen
  • Modellierung und Bewertung von Kaltrissen in Schweißverbindungen

 

Kontakt:

Johannes Preußner, Telefon: +49 761 5142-101, E-Mail senden 
Frank Schweizer, Telefon: +49 761 5142-122, E-Mail senden

 

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Festigkeitsanalysen und Lebensdauermodellierung

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Skalenübergreifende Modellierung der wasserstoffunterstützten Rissausbreitung.
  • Festigkeitsanalysen und Versagensbewertung für Bauteile
  • Modelle für diffusionsgesteuerte Rissausbreitung
  • Lebensdauermodelle (DTMF) für Bauteile unter Wasserstoffversprödung
     

Kontakt:

Johannes Preußner, Telefon: +49 761 5142-101, E-Mail senden
Ken Wackermann, Telefon: +49 761 5142-492, E-Mail senden

 

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Fraunhofer IWM Videoserie: Wasserstoffversprödung

Dr. Ken Wackermann

Neue Prüfstände zur Wasserstoffversprödung in Metallen

Autoklav für Wasserstoffbeladung am Fraunhofer IWM

Themen

 

Schädigung metallischer Werkstoffe durch Wasserstoff

 

Atomarer Wasserstoff ist in der Lage, die Zähigkeit metallischer Werkstoffe entscheidend zu reduzieren. Dies kann zu unerwartetem Versagen von Bauteilen und Komponenten führen. Man spricht generell von Wasserstoffversprödung. Die unterschiedlich ausgeprägte Anfälligkeit für Wasserstoffversprödung bei sonst vergleichbaren Festigkeitseigenschaften schränkt die Werkstoffauswahl ein…

 

Wasserstoff in Eisen und Stahl


Das Eindringen von Wasserstoff in Metalle verursacht eine Degradation von deren mechanischer Stabilität, ein als Wasserstoffversprödung bekanntes Phänomen. Die Wasserstoffversprödung beeinflusst fast alle Metalle und verursacht erhebliche technische und wirtschaftliche Schäden.  Am IWM werden die Einlagerung und die Wanderung von Wasserstoffatomen in Eisen und Nickel durch quantenmechanische und atomistische Computersimulationen ... 

 

NZP-Materialien als Festkörperelektrolyte für Lithium-Ionen-Batterien


Ionenleitende Festkörper als Elektrodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien können deren Betriebssicherheit deutlich erhöhen. Von NaZr2(PO4)3 (NZP) abgeleitete Materialien zeigen durch ein dreidimensionales Kanalnetz in der Kristallstruktur hohe Ionenleitfähigkeiten. Mit Methoden der Dichtefunktionaltheorie und mit atomistischen Simulationen wird die Li-Ionen-Diffusion ...

 

Schweißverbindungen

 

Wir entwickeln für Sie Lösungen, mit denen Sie den Schweißprozess in Ihrer Anwendung verbessern können, und unterstützen Sie bei der Bewertung von Schweißverbindungen: Wurde die Schweißung richtig ausgeführt? Sind Hohlräume, Poren oder Bindefehler entstanden oder wurde nicht vollständig durchgeschweißt, haben Sie ungünstige Eigenspannungszustände...

 

Ganzheitliche Schadensanalysen über alle relevante Fertigungsstufen

 

Wir beantworten Ihre Fragestellungen, die sich durch Ausfälle im Betrieb oder in der Qualitätssicherung von Prozessen der industriellen Fertigung ergeben. Die fundierte Aufklärung von Schadensfällen an...

 

Mikrostrukturaufklärung und -bewertung

 

Die Mikrostruktur ist verantwortlich für die Eigenschaften von Werkstoffen und damit auch für die Eigenschaften der daraus hergestellten Bauteile. Die Mikrostruktur wird durch die verschiedenen Fertigungsschritte eingestellt. Sie kann sich auch im Betrieb positiv und negativ verändern. Wir decken die Beziehungen zwischen den Eigenschaften des Werkstoffs und dessen Mikrostruktur auf und nutzen diese für...

 

Wasserstoffpermeation messen und steuern

 

Im Zuge der wachsenden Bedeutung von Power-to-Gas und Brennstoffzellenanwendungen müssen oftmals metallische Bauteile vor Wasserstoffversprödung geschützt werden. Beispiele sind Bipolarplatten in SOFC- Brennstoffzellen, die korrosiven Sauer- und Wasserstoffatmosphären ausgesetzt sind, sowie wasserstoffinduzierte, lebensdauerbegrenzende »white etching cracks« in Lagern von Windkraftturbinen. Eine Möglichkeit, um Strukturbauteile vor Wasserstoff zu schützen, ist die derartige Applikation dünner Schichten auf PVD-Basis. Um im Zuge der Schichtentwicklung deren Barriereeigenschaften messen und vergleichend bewerten zu können, wurde ein Gaspermeationsprüfstand aufgebaut.

Gruppen am Fraunhofer IWM, die sich mit dem Thema Wasserstoff befassen

Mikrostruktur, Eigenspannungen

 

Wir untersuchen den Einfluss von Herstellungsverfahren und Betriebsbeanspruchungen auf die Mikrostruktur und den Eigenspannungszustand von Werkstoffen ...

Verschleißschutz, Technische Keramik

 

Wir prüfen, bewerten und simulieren numerisch die Wirkung von gewollten und ungewollten Veränderungen in tribologischen Kontakten von Keramik...

 

Materialmodellierung

 

Mit simulatorischen Methoden, basierend auf der theoretischen Festkörperphysik und Werkstoffmechanik, klären wir Materialverhalten auf und sagen Materialeigenschaften vorher...

Tribologische und funktionale Schichtsysteme

 

Ein Schlüssel zur Reibungsreduzierung und zum Verschleißschutz ist die Beschichtung der Bauteile mit diamantähnlichen Kohlenstoff-Schichten (DLC: Diamond Like Carbon) oder mit Kohlenwasserstoff-Schichten. Weitere Funktionalitäten von Bauteilen wie Reflexion, Sensorik, und Barrierewirkung werden durch eine PVD-Beschichtung eingestellt. Durch den Einbau netzwerkmodifizierender Elemente in die Plasmabeschichtung stellen wir die Benetzbarkeit durch Schmiermittel exakt ein und vermeiden so unerwünschte Anhaftungen. Unterstützt durch Plasmadiagnostik erlaubt unsere Prozesstechnologie eine getrennte Steuerung von inhärenten und topographischen Eigenschaften von Schichten aus der Familie der amorphen Kohlenwasserstoffe sowie der binären und ternären Hartstoffe.