Scienziato del Fraunhofer Institute sviluppa una vernice che protegge l'acciaio dalla penetrazione dell'idrogeno

Lukas Gröner del Fraunhofer IWM, MikroTribologie Centrum µTC, ha sviluppato una vernice che protegge efficacemente l'acciaio dalla penetrazione di idrogeno. L'effetto barriera di questo cosiddetto strato in fase MAX è 3500 volte maggiore di quello dell'acciaio non trattato.

L'idrogeno prodotto in modo rigenerativo è un vettore energetico ecologico, che può essere usato come combustibile nelle automobili o per generare elettricità e calore nelle celle a combustibile. Può anche essere miscelato con gas naturale e utilizzato in centrali elettriche a gas per generare energia. Tuttavia, l'idrogeno atomico spesso induce un comportamento fragile nei metalli ad alte temperature, che può portare a guasti dei componenti.

Per fornire una soluzione a questo problema, nella sua tesi di dottorato il fisico Lukas Gröner ha sviluppato e testato vernici speciali per i componenti in acciaio che impediscono virtualmente la penetrazione dell'idrogeno atomico ed è riuscito a produrre sottili vernici in fase MAX^[1] che proteggono molto bene l'acciaio dalla corrosione e dall'infragilimento da idrogeno.

"Le fasi MAX hanno proprietà sorprendenti perché combinano le caratteristiche sia della ceramica che dei metalli", spiega Gröner.

Infatti, le fasi MAX, come la ceramica, sono insensibili all'attacco dell'ossigeno e molto resistenti al calore, ma a differenza della ceramica pura, non sono fragili, quindi non si rompono. Inoltre, sono elettricamente conduttive come i metalli.

Il processo di sviluppo

In una camera a vuoto, Gröner prima ha depositato molto accuratamente strati alternati di nitruro di alluminio, un composto di alluminio-azoto e titanio su una superficie di acciaio usando la deposizione fisica a vapore (PVD).

Questa struttura a sandwich, che ha uno spessore di soli tre micrometri, è stata quindi riscaldata per formare uno strato di fase MAX molto sottile di titanio, alluminio e azoto (Ti₂AlN).

La sfida per Gröner era controllare la deposizione di titanio e nitruro di alluminio in modo tale che durante il successivo riscaldamento si formassero piastrine parallele Ti₂AlN. "Le piastrine sono disposte in modo fitto come mattoni in un muro", è così che Lukas Gröner ha descritto il successo nel superare la sfida.

Nella sua tesi di dottorato, Lukas Gröner ha anche studiato il comportamento del rivestimento in fase MAX quando viene riscaldato intensamente, come accadrebbe con le future turbine a gas o celle a combustibile. Per simulare le normali condizioni operative, ha riscaldato il materiale a 700 gradi e lo ha lasciato in forno per un massimo di 1000 ore. Ciò ha creato uno strato sottile di uno speciale ossido di alluminio sul lato superiore del rivestimento - α -Al2O3, che aumenta considerevolmente l'effetto barriera dello strato protettivo contro l'idrogeno.

Per testare come lo strato in fase MAX impedisce all'idrogeno di penetrare nel metallo, Lukas Gröner ha inizialmente sviluppato un nuovo banco di prova per lamiere sottili. In questo test ha confrontato gli acciai non rivestiti con gli acciai rivestiti in fase MAX.

I risultati sono impressionanti: gli acciai con uno strato in fase MAX che non sono stati riscaldati hanno trattenuto l'idrogeno 50 volte meglio (PRF 50) rispetto agli acciai non trattati. Ma i risultati sono stati particolarmente impressionanti per gli acciai rivestiti che sono stati riscaldati e hanno formato uno strato α-Al₂O₃. Ciò ha impedito all'idrogeno di entrare nel metallo circa 3500 volte meglio rispetto all'acciaio non trattato.

Nuovi test in corso

In collaborazione con partner di cooperazione come il Forschungszentrum Jülich, Gröner sta attualmente testando il funzionamento degli strati in fase MAX quando applicati, ad esempio su celle a combustibile ad alta temperatura (SOFC) che funzionano a temperature di circa 600 gradi Celsius.

"Le vernici in fase MAX sono l'ideale per questo tipo di applicazioni perché proteggono i componenti metallici dal calore e allo stesso tempo possono dissipare la corrente elettrica generata all'interno della cella a combustibile", afferma Gröner.

I risultati del lavoro di Lukas Gröner sono stati pubblicati recentemente sul giornale Materials.

//[1]: Le fasi MAX (Mn + 1AXn, dove M è un metallo di transizione precoce, A è un gruppo A, X è carbonio e/o azoto e n = 1-3) sono carburi esagonali e nitruri stratificati che presentano una combinazione di proprietà di materiali metallici e ceramici.//