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
- 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.
- 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.
- 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
