СПЛАВЫ И ВОДОРОД: ПРОНИЦАЕМОСТЬ И ДЕГРАДАЦИЯ Текст научной статьи по специальности «Физика»

Второй международный симпозиум «Безопасность и экономика водородного транспорта»

IFSSEHT-2003

СПЛАВЫ И ВОДОРОД: ПРОНИКНОВЕНИЕ И ДЕГРАДАЦИЯ

В. М. Чертов

Инженерно-физический центр, Москва, Россия Телефон: (095) 280-58-57, e-mail: chertovv@mail.ru

Выбор сплавов для водородного тракта будущих устройств энергетики определяется, прежде всего, способом хранения запаса водорода. Сжиженный водород, находящийся в криогенном баке, снимает проблему деградации материала бака и прилегающих элементов из-за низкой температуры. Удаленные и нагретые элементы требуют применения сплавов, не ох-рупчивающихся в интервале температуры от -100 до +100 0С (170-370 К) и, тем более, не разупрочняю-щихся. Аналогичные требования предъявляются к сплавам при использовании сжатого водорода.

Для баллонов высокого давления придется использовать высокопрочные стали и сплавы. Рабочее давление водорода в энергетических установках обычно невелико, порядка 0,1-0,3 МПа, но и при таком давлении вполне возможно проникновение мельчайших протонов сквозь любой сплав.

Повышенная взрывоопасность смесей водорода с кислородом воздуха, хоть и смягчается весьма высокой испаряемостью водорода, заставляет искать сплавы и покрытия, наименее проницаемые для водорода. На проблемы защиты от инициируемой водородом деградации свойств наслаиваются проблемы защиты от попадания водорода в процессах производства сплавов, а также функциональных и антикоррозионных покрытий. Таким образом, при выборе сплава необходимо учитывать множество факторов. Адсорбция водорода сплавами — это первый фактор. Степень адсорбции — физической или активированной — весьма различна для разных сплавов. Диффузия водорода изучена наиболее полно, но и она зависит как от природы сплава, так и от их структуры и уровня остаточных напряжений: сжимающие напряжения ее снижают, растягивающие — увеличивают. В качестве примера можно привести значения коэффициента диффузии для никеля, различающиеся в зависимости от метода определения и состояния образцов в 2 раза. Растворение водорода в сплаве — весьма важный показатель при выборе, так как водород может образовывать либо псевдотвердые растворы, либо гидриды. Разброс значений коэффициента растворимости также велик — до 2 раз. В общем случае ни один из этих факторов не определяет однозначно поведение водорода в сплаве, а их аддитивное действие весьма противоречиво. В первом при-

ближении могут быть применены аустенитные стали 10Х4Г16, 10Х18Н18,03Х20Н16АГ6, титановые сплавы ВТ6, ВТ9, ВТ23 (не забудем, что, например, для электромобиля на водороде минимизация веса конструкции остается важнейшей задачей вследствие чрезмерного веса пока еще маломощных топливных элементов, и потому возможность применения высокопрочных сплавов нельзя отбрасывать). Применимы аморфные сплавы на базе титан-никель-кобальтовой композиции, никелевый сплав ЭИ435, сталь 30ХГСН2А, 60С2А и даже 65С2ВА. Упомянутые титановые сплавы и высокопрочная сталь, естественно, должны подвергаться соответствующей термической обработке, создающей структуру и минимальный уровень остаточных напряжений, а также химической или электрохимической обработке, предотвращающей наводороживание при контакте с водородом или с электролитом. Из числа металлов и сплавов, которые могут быть применены в качестве покрытий, укажем на серебро, сплав никеля с 9 и более процентов фосфора или фосфора и бора(аморфный), а также золота. Аморфный сплав никеля с фосфором мало наводороживается при его нанесении и легко отдает водород при прогреве, а также служит хорошим подслоем при нанесении тонких слоев золота. 0тметим, что двойные и тройные сплавы-накопители водорода, применяемые в виде пудры явно кристаллического строения, могли бы, вероятно, существенно повысить свою емкость по водороду в случае их аморфизации или изменения их структуры на нанокристалличес-кую. Не испытаны до сих пор и перспективные объемно аморфизирующиеся сплавы. При этом, конечно, нельзя упускать из вида и экономическую сторону их применения.

Так как нельзя заранее ответить на большинство вопросов, возникающих при эксплуатации водородных энергетических систем, необходимо проведение натурных испытаний в тех условиях, в которых система будет работать. В известном смысле задача решается аналогично выбору материалов и покрытий: только после тщательной и неоднократной проверки.

Работа выполнена при финансовой поддержке Международного научно-технического центра (МНТЦ) (проект № 1580).