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

Какова толщина вашего покрытия?
Какова толщина вашего покрытия?
Начиная с цеха единичного производства и заканчивая роботизированной линией сборки, жизненно важно, чтобы продукт был…
Дел Уильямс
30.06.2020
575
Комплексные решения для композиционных материалов
Комплексные решения для композиционных материалов
Компания FreiLacke, немецкий производитель покрытий, разработала новые порошковые технологии для производства композиционных материалов
Оливер Заннер
01.03.2023
199
Внутренние покрытия резервуаров для питьевой воды
Внутренние покрытия резервуаров для питьевой воды
Выпущены новые футеровочные материалы, разработанные специально для рынков водоснабжения и водоотведения.
10.04.2023
122
Антибактериальные покрытия на основе хитозана
Антибактериальные покрытия на основе хитозана
Ученые представили новый способ получения антибактериальных нецитотоксичных покрытий для применения в медицинских устройствах. Хитозан представляет…
13.09.2022
182
Коррозионностойкие сверхгидрофобные покрытия на основе графена на медной подложке
Коррозионностойкие сверхгидрофобные покрытия на основе графена на медной подложке
Ученые представили потенциостатическое осаждение, используемое для электроосаждения покрытий на основе никеля (Ni) и никель-графена (Ni-G)…
Притам Рой
06.12.2022
182
Защита от коррозии на основе моллюсков
Защита от коррозии на основе моллюсков
Описывается получение сверхгидрофобных нанолистов из слюды для придания эпоксидным покрытиям противокоррозионных свойств и способности к…
24.04.2023
124
Сверхгидрофобная поверхность с повышенной стойкостью к атмосферным воздействиям
Сверхгидрофобная поверхность с повышенной стойкостью к атмосферным воздействиям
Ученые описывают сверхгидрофобную поверхность на основе оксида церия с повышенной стойкостью к атмосферным воздействиям и…
17.10.2022
143
Новый способ защиты воздушных судов
Новый способ защиты воздушных судов
многослойные полиуретановые градиентные покрытия с использованием легирующей обработки частицами кремнезема разных размеров и концентрации
08.06.2023
161
Итоги «Интерлакокраска-2021»
Итоги «Интерлакокраска-2021»
Со 2 по 5 марта в ЦВК «Экспоцентр» проходила 25-я юбилейная международная выставка лакокрасочных материалов…
Пресс-служба АО «Экспоцентр»
17.03.2021
428