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 для водородной технологии
Покрытия для водородной технологии
Немецкий поставщик покрытий, компания Holzapfel Group (Зинн, Гессен, Германия), разрабатывает покрытия для технологий производства водорода…
04.10.2022
143
Графеновая добавка к краске
Графеновая добавка к краске
Добавка на основе графена для защиты стальных конструкций от коррозии может удвоить средний срок службы…
11.04.2023
122
Покрытие удаляет остатки ПВХ при высоких температурах
Покрытие удаляет остатки ПВХ при высоких температурах
Покрытие CS-1331 для большинства черных и цветных металлов
24.11.2022
141
Пригодность к эксплуатации пассивной противопожарной защиты
Пригодность к эксплуатации пассивной противопожарной защиты
Будут рассмотрены дефекты и аномалии, связанные с цементирующими портландцементными и эпоксидно-вспучивающимися системами ППЗ.
Крис Файф
11.04.2023
200
Цинк-ламельные покрытия для защиты от коррозии — вчера, сегодня, завтра
Цинк-ламельные покрытия для защиты от коррозии — вчера, сегодня, завтра
С тех пор, как немецкая компания Dörken MKS выпустила свое первое цинк-ламельное покрытие, она стала…
Детлеф Стекерт
25.10.2021
612
Уникальное покрытие снижает трение
Уникальное покрытие снижает трение
Чрезвычайно тонкое, твердое алмазоподобное покрытие от компании Oerlikon Balzers уменьшает коэффициент трения компонентов почти до…
10.03.2022
520
Металлические наночастицы для защиты древесины
Металлические наночастицы для защиты древесины
Исследователи провели предварительный эксперимент, чтобы оценить способность металлических наночастиц обеспечивать защиту деревянных поверхностей от ультрафиолетового…
04.11.2022
131
Предотвращение растрескивания под напряжением клеевых соединений
Предотвращение растрескивания под напряжением клеевых соединений
Немецкий центр пластмасс (SKZ) и Институт производственных технологий и прикладных исследований материалов им. Фраунгофера (IFAM)…
08.12.2022
150
Прозрачные и гибкие покрытия для защиты от граффити
Прозрачные и гибкие покрытия для защиты от граффити
Недавно разработанное покрытие обладает отличными антивандальными свойствами, светопроницаемостью и гибкостью. Его без особых усилий можно…
28.12.2021
171