EO

Metaal beschermen tegen waterstof met een coating

07 augustus 2020 om 11:40 uur

De breukrand van een Ti2AIN-coating met een plaatjes-achtige structuur. (Foto: Fraunhofer IWM)

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.
 

Gerelateerd nieuws

Fotovoltaïsche verf?

Fotovoltaïsche verf?

Hoe handig zou het niet zijn als je je auto, je huis, of je boot kon voorzien van een likje fotovoltaïsche verf. Pogingen om dit te realiseren, bleven tot nu toe steken op laboratoriumschaal. Maar nu is er een doorbraak…

Cyborg sprinkhanen detecteren bommen

Cyborg-sprinkhanen detecteren bommen

Onderzoekers van de McKelvey School of Engineering hebben een manier ontwikkeld om het olfactorische systeem van de sprinkhaan te 'kapen' om de geur van explosieven in milliseconden te detecteren en localiseren…

MIT-robot sluit kabels aan

En de MIT-robot sluit de kabels aan (video)

Ontwikkelaars van het Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSail) van het MIT hebben robots gemaakt die dunne flexibele objecten als touwen, draden en kabels kunnen manipuleren met behulp van een…

Webshop

webshop

 

Gratis nieuwsbrief

EOL

 

Product van de maand

RSS
Encoder WDGR - de incrementele redundantie

Het hoeft niet altijd SIL te zijn ... de incrementele redundante encoder WDGR.

Focus op

ABB BV
ABB BV

Machineveiligheid, systemen en componenten

B&R Industriële Automatisering BV *
B&R Industriële Automatisering BV *

Perfection in Automation

Elobau Benelux BV *
Elobau Benelux BV *

creating sustainable solutions

Pilz Nederland
Pilz Nederland

Voor industriële (veilige) automatiseringsoplossingen

Ringspann Benelux BV
Ringspann Benelux BV

Partner in aandrijf- en opspantechniek

Rotero Holland BV
Rotero Holland BV

Stappenmotor - Servomotor - Elektro Magneet

Download gratis engineering boeken

A gratis boeken downloaden

 

Agenda

22 september 2020, Vianen

Masterclass Machineveiligheid XL

22, 23, 29, 30 september 202

23 september 2020, online

FHI Online Kennisweken: Predictive Maintenaince

Met praktijk ervaringen van onder andere Tata Steel en ProRail.

24 september 2020, Vianen

Machineveiligheid in een dag

24 september en 1 oktober 2020 (avond) 1 dag of 2 avonden 09.00-16.00 uur incl. lunch of 17.00-21.30...

Meer agendapunten »