7 aug. 2020
3 minuten
Waterstof wordt steeds vaker toegepast in de industrie. Het heeft echter een probleem, bij hoge temperaturen tast het metalen aan. Hiervoor heeft een onderzoeker van het Fraunhofer IVM nu een oplossing gevonden.
Lukas Gröner, werkzaam voor het MikroTribologie Centrum µTC binnen het Fraunhofer, heeft een coating ontwikkeld die staal effectief beschermt tegen het binnendringen van waterstof. Het barrière-effect van deze zogenaamde MAX-fase laag is 3500 keer groter dan dat van onbehandeld staal. Het onderzoek werd gepubliceerd in het blad Materials.
Een van de uitdagingen van het gebruik van waterstof is dat het metalen bros maakt, wat kan leiden tot het falen van onderdelen. Atomaire waterstof hoopt zich op in de onderdelen van een component die aan bijzondere spanningen onderhevig zijn, zoals bij lasnaden of in gebieden die onder spanning staan. Waterstofbrosheid wordt dan een probleem, vooral in onderdelen die worden blootgesteld aan hoge bedrijfstemperaturen.
MAX-fasematerialen
Gröner ontwikkelde en testte speciale coatings voor stalen onderdelen die het binnendringen van atoomwaterstof vrijwel onmogelijk maken. Dit zijn zogenaamde MAX-fasematerialen. ‘MAX-fasen hebben verbazingwekkende eigenschappen omdat ze eigenschappen van zowel keramiek als metalen combineren’, zegt Gröner. MAX-fasen zijn net als keramiek ongevoelig voor aantasting door zuurstof en zeer hittebestendig. Tegelijkertijd zijn ze net als metalen elektrisch geleidend. In tegenstelling tot zuiver keramiek zijn ze niet broos, zodat ze niet breken.
Gröner is er nu in geslaagd om dunne MAX-fase coatings te produceren die het staal zeer goed beschermen tegen corrosie en waterstofbrosheid. In een vacuümkamer legde hij eerst zeer nauwkeurig afwisselende lagen aluminiumnitride, een aluminium-stikstofverbinding, en titanium op een stalen oppervlak af met behulp van fysische dampdepositie (PVD). Deze sandwichstructuur, die slechts ongeveer drie micrometer dik is, werd vervolgens verhit tot een zeer dunne MAX-fase laag van titanium, aluminium en stikstof (Ti2AlN). De uitdaging voor Gröner was om de afzetting van titaan- en aluminiumnitride zodanig te beheersen dat tijdens de daaropvolgende verhitting parallelle Ti2AlN-plaatjes werden gevormd. Dat is hem gelukt. ‘De plaatjes zijn dicht op elkaar als bakstenen in een muur’, zo omschrijft Gröner het succes.
Verhitting
In zijn proefschrift onderzocht Lukas Gröner ook hoe de MAX-fase coating zich gedraagt wanneer deze intensief wordt verhit – zoals in toekomstige gasturbines of brandstofcellen het geval zou kunnen zijn. Om de normale bedrijfsomstandigheden te simuleren, verwarmde hij het materiaal tot 700 graden en liet het tot 1000 uur in de oven liggen. Hierdoor ontstond een dunne laag van een speciaal aluminiumoxide aan de bovenzijde van de coating – α -Al2O3. Zoals in het verdere verloop van het onderzoek is gebleken, verhoogt deze dunne aluminiumoxidelaag de barrièrewerking van de beschermlaag tegen waterstof aanzienlijk.
Om te testen hoe goed de MAX-fase laag voorkomt dat waterstof in het metaal dringt, ontwikkelde Lukas Gröner eerst een nieuwe testopstelling voor dunne metalen platen. In deze test vergeleek hij ongecoat staal met MAX-fase gecoat staal. Voor het eerst was het bij het Fraunhofer IWM mogelijk om de penetratie van waterstof nauwkeurig te kwantificeren en de zogenaamde permeatie reductiefactor (PRF) als maatstaf voor het barrière-effect te bepalen. Staalsoorten met een MAX-fase laag die niet verhit werden weerhielden waterstof vijftig keer beter dan onbehandeld staal. Na verhitten blokkeerden de gecoate staalsoorten met α-Al2O3-laag het binnendringen van waterstof in metaal tot 3500 keer beter dan bij onbehandeld staal.
Toekomst
Gröner kan niet zeggen of het nieuwe coatingproces in de toekomst door de industrie als dienst zal worden aangeboden of dat het in een andere vorm zijn weg naar de markt zal vinden. Ook de afzonderlijke stappen van het coatingproces moeten nog worden geoptimaliseerd. Gröner heeft echter in ieder geval bewezen dat MAX-fase coatings een uitstekende bescherming tegen waterstof kunnen bieden.
