Покрытие, защищающее сталь от проникновения водорода

Лукас Гренер из центра MikroTribologie Centrum μTC при Фраунгоферовском институте механики материалов разработал покрытие, эффективно защищающее сталь от проникновения водорода. Барьерный эффект этого так называемого MAX-фазного слоя в 3500 раз сильнее, чем у необработанной стали.

Восстановленный водород — это экологически чистый энергоноситель, который можно использовать в качестве топлива для автомобилей и для выработки электроэнергии и тепла в топливных элементах. Его также можно смешивать с природным газом и использовать в газовых электростанциях для генерации энергии. Однако атомарный водород зачастую вызывает охрупчивание металлов при высоких температурах, что может привести к разрушению компонентов.

В поисках решения данной проблемы в своей докторской диссертации физик Лукас Гренер1 разработал и испытал специальные покрытия для стальных компонентов, которые практически предотвращают проникновение атомарного водорода, и успешно создал тонкие MAX-фазные покрытия2, которые эффективно защищают сталь от коррозии и водородного охрупчивания.

«MAX-фазы обладают удивительными свойствами, поскольку сочетают в себе характеристики керамики и металлов», — поясняет Гренер.

Известно, что MAX-фазы, как и керамика, невосприимчивы к воздействию кислорода и крайне устойчивы к воздействию тепла, однако, в отличие от керамики, они не такие хрупкие.

Более того, они проводят электрический ток, как металлы.

ПРОЦЕСС РАЗРАБОТКИ

В вакуумной камере Гренер сначала наносил на стальную поверхность чередующиеся слои нитрида алюминия, соединения алюминия с азотом и титана методом напыления конденсацией из паровой фазы. Затем он нагревал эту многослойную структуру толщиной всего около 3 мкм, чтобы сформировать очень тонкий MAX-фазный слой титана, алюминия и азота (Ti2AlN).

Задача Гренера состояла в том, чтобы контролировать осаждение титана и нитрида алюминия таким образом, чтобы при последующем нагревании сформировались параллельные пластинки Ti2AlN. «Пластинки плотно прилегают друг к другу как кирпичи в кладке», — так описывает Гренер свой успех в решении этой проблемы.

В своей докторской диссертации Лукас Гренер также рассматривает, как ведет себя MAX-фазное покрытие при интенсивном нагреве, который может иметь место в газовых турбинах или топливных элементах. Для имитации нормальных условий эксплуатации он нагревал материал до 700 градусов и оставлял его в печи на 1000 часов. При этом на поверхности покрытия образовался тонкий слой особого оксида алюминия (α -Al2O3), который значительно усиливает барьерный эффект защитного слоя от проникновения водорода.

REM-изображение края излома покрытия Ti2AlN с зернами пластинчатой формы.

REM-изображения многослойной поверхности Ti-AlN (a) и края излома (b), а также поверхности (c) и края излома (d) полученного MAX-фазного слоя Ti2AlN.

Чтобы проверить, настолько хорошо MAX-фазный слой предотвращает проникновение водорода в металл, Лукас Гренер разработал новую испытательную установку для тонких металлических листов. В ходе испытаний он сравнивал сталь без покрытия и сталь с MAX-фазным покрытием. Результаты оказались впечатляющими: сталь с MAX-фазным покрытием, которую не нагревали, удерживала водород в 50 раз лучше (PRF 50), чем необработанная сталь. Однако особенно интересные результаты были получены для стали с покрытием после нагревания и образования слой α-Al2O3. В данном случае проникновение водорода в металл блокировалось в 3500 раз лучше, чем для необработанной стали.

НОВЫЕ ИСПЫТАНИЯ

Совместно с Юлихским исследовательским центром и другими партнерами, Гренер в настоящее время проводит испытания на эффективность MAX-фазных покрытий при нанесении, например, на высокотемпературные топливные элементы (твердооксидные ТЭ), работающие при температуре около 600 °C.

«MAX-фазные покрытия идеально подходят для таких областей применений, поскольку они защищают металлические компоненты от воздействия тепла и в то же время могут рассеивать электрический ток, который генерируется внутри топливного элемента», — говорит Гренер.

Результаты работы Лукаса Гренера недавно были опубликованы в журнале Materials.3

  1. Lukas Gröner, Untersuchungen zur Synthese und Mikrostruktur von Ti2AlN-Dünnschichten sowie deren Schutzwirkung auf ferritische Stähle, Fraunhofer IWM Forschungsberichte, Band 24, Fraunhofer Verlag, Freiburg, 2020, ISBN 978-3-8396-1619-2. Ссылка на докторскую диссертацию: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-593436.html.
  2. MAX-фазы (Mn + 1AXn, где M – переходный металл, A — элемент группы A, X — углерод или азот, n = 1–3) — слоистые тройные карбиды или нитриды, обладающие комбинацией свойств металлических и керамических материалов, ред.
  3. Гренер, Л.; Менгис, Л.; Галец, М.; Кирсте, Л.; Даум, П.; Вирт, М.; Мейер, Ф.; Фромм, А.; Благ, Б.; Бурмейстер, Ф. Исследование проницаемости относительно дейтерия Ti2AlN покрытий после осаждения и окисления. Журнал Materials 2020, 13, 2085, https://www.mdpi.com/1996-1944/13/9/2085.

Катарина Хейн, Фраунгоферовский институт механики материалов, Фрайбург, Германия

Связаться с нами

Готово, ваша заявка успешно отправлена.
Ошибка, попробуйте обновить страницу и попробовать снова.

Вам будет интересно

Покрытия снижающие адгезию к йогурту
Покрытия снижающие адгезию к йогурту
Ученые сообщают о получении скользких покрытий, не содержащих растворителей, из пищевого сырья для снижения адгезии…
02.03.2022
375
Морское противообрастающее покрытие с контролируемым высвобождением ионов меди
Морское противообрастающее покрытие с контролируемым высвобождением ионов меди
В новом исследовании представлены морские противообрастающие покрытия на основе оксида меди с контролируемым высвобождением ионов…
16.09.2022
58
Поддержание сохранности отслуживших сооружений – краткосрочные решения вопросов нанесения покрытий
Поддержание сохранности отслуживших сооружений – краткосрочные решения вопросов нанесения покрытий
Существует множество отслуживших объектов, особенно у компании N Sea, которые, скорее всего, в ближайшее время…
Саймон Хоуп
17.03.2021
276
Новые обивочные ткани, отталкивающие комаров
Новые обивочные ткани, отталкивающие комаров
Недавно проведенное исследование было направлено на разработку тканей, отпугивающих насекомых, путем нанесения покрытия и печати,…
15.03.2022
378
Твердое, но растяжимое защитное покрытие
Твердое, но растяжимое защитное покрытие
В недавнем исследовании использовали высокопрозрачный и эластичный композит на основе уретанметакрилата и силоксана для получения…
24.02.2022
128
Как антистатические покрытия предотвращают поражение электрическим током
Как антистатические покрытия предотвращают поражение электрическим током
Главным свойством антистатических покрытий является то, что во многих ситуациях они предотвращают удар током. Когда…
Саша Тавеннер Кругер
07.07.2020
783
Экологичное огнестойкое покрытие для древесины
Экологичное огнестойкое покрытие для древесины
В недавно проведенной работе были получены экологически безопасные, высококачественные, огнестойкие, водорастворимые покрытия для древесины с…
07.03.2022
390
Влияния ультрафиолетового излучения на уложенные в штабеля трубы с наплавленным эпоксидным покрытием ч.2
Влияния ультрафиолетового излучения на уложенные в штабеля трубы с наплавленным эпоксидным покрытием ч.2
В этой статье рассказывается о втором этапе программы масштабного ремонта труб, хранящихся в Северной Америке,…
Кит И.У. Колсон, Джеймс Фергюсон
17.11.2021
404
Противомикробная технология в составах покрытий на водной основе
Противомикробная технология в составах покрытий на водной основе
Технология совместима с системами нанесения тонкослойных покрытий и обеспечивает повышенную устойчивость к ультрафиолетовому излучению
23.11.2022
32