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Oberflächenveredelung Spezialbeschichtung schützt Stahl vor Wasserstoff

| Redakteur: Dorothee Quitter

Atomarer Wasserstoff kann bei hohen Temperaturen Metall verspröden lassen. Forscher vom Fraunhofer IWM haben jetzt eine robuste Beschichtung entwickelt, die Stahl wirkungsvoll vor dem Eindringen von Wasserstoff schützt. Die Barrierewirkung dieser sogenannten MAX-Phasen-Schicht ist 3500-mal größer als die von unbehandeltem Stahl.

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REM-Aufnahme der Bruchkante einer Ti2AlN-Schicht mit plättchenartigem Gefüge.
REM-Aufnahme der Bruchkante einer Ti2AlN-Schicht mit plättchenartigem Gefüge.
(Bild: Fraunhofer IWM)

Wasserstoff ist ein umweltfreundlicher Energieträger, der sich sehr gut speichern lässt. Er kann Erdgas beigemischt und in Gaskraftwerken zur Energieerzeugung genutzt werden. Er kann in Autos als Treibstoff dienen oder Strom und Heizwärme in Brennstoffzellen erzeugen. Jedoch lässt atomarer Wasserstoff Metalle verspröden. Das kann dazu führen, dass Bauteile versagen. Atomarer Wasserstoff sammelt sich ausgerechnet an jenen Stellen im Bauteil an, die besonders beansprucht sind, etwa an Schweißnähten oder in Bereichen, die unter Spannung stehen. Insbesondere bei Bauteilen, die hohen Betriebstemperaturen ausgesetzt sind, kann die Wasserstoffversprödung zum Problem werden.

Der Physiker Lukas Gröner hat in seiner Promotionsarbeit am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM, MikroTribologie Centrum µTC, und am Institut für Mikrosystemtechnik der Universität Freiburg im Breisgau deshalb spezielle Beschichtungen für Bauteile aus Stahl entwickelt und getestet, die das Eindringen von atomarem Wasserstoff nahezu unterbinden. Dabei handelt es sich um sogenannte MAX-Phasen-Materialien, an denen international seit mehr als zehn Jahren geforscht wird. MAX-Phasen vereinen Merkmale von Keramiken und Metallen. Sie sind, wie Keramiken, unempfindlich gegen Angriff durch Sauerstoff und sehr hitzebeständig. Zugleich sind sie elektrisch leitend wie Metalle. Und anders als reine Keramiken sind sie nicht spröde, weshalb sie nicht zerbrechen.

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In einer Vakuumkammer schied der Physiker dazu zunächst sehr präzise abwechselnde Lagen aus Alumniniumnitrid und Titan auf einer Stahloberfläche ab. Anschließend wurde dieser nur etwa 3 µm dicke Sandwichaufbau erhitzt, wobei sich eine sehr dünne MAX-Phasen-Schicht aus Titan, Aluminium und Stickstoff (Ti2AlN) bildete. Die Herausforderung bestand darin, das Abscheiden von Titan und Aluminiumnitrid so zu steuern, dass sich beim anschließenden Erhitzen parallele Ti2AlN-Plättchen ausbildeten. In seiner Promotionsarbeit untersuchte Lukas Gröner auch, wie sich die MAX-Phasen-Beschichtung verhält, wenn sie stark erhitzt wird – so wie es künftig in Gasturbinen oder Brennstoffzellen der Fall sein könnte. Um übliche Betriebsbeanspruchungen nachzustellen, erwärmte er das Material auf 700 °C und ließ es bis zu 1000 Stunden im Ofen. Dabei entstand an der Oberseite der Beschichtung eine dünne Lage aus einem speziellen Aluminium-Oxid – dem α-Al2O3. Wie sich im weiteren Verlauf der Untersuchungen zeigte, verstärkt dieser dünne Aluminium-Oxid-Belag die Barrierewirkung der Schutzschicht gegenüber Wasserstoff ganz erheblich.

Wie gut die MAX-Phasen-Schichten in der Anwendung funktionieren, testet Lukas Gröner derzeit in Zusammenarbeit mit Kooperationspartnern wie dem Forschungszentrum Jülich – beispielsweise an Hochtemperaturbrennstoffzellen (SOFC), die mit Betrie bstemperaturen von rund 600 °C arbeiten. (qui)

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