Nouvel acier inoxydable pour un transport et un stockage sûrs de l'hydrogène
La stratégie de passivation permet de surmonter la corrosion et la fragilisation par l'hydrogène
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L'hydrogène est la pierre angulaire des futurs systèmes énergétiques sans impact sur le climat. Pourtant, le stockage et le transport de l'hydrogène en toute sécurité restent un défi majeur pour les matériaux. Les aciers inoxydables sont des candidats intéressants parce qu'ils sont solides, abordables et largement utilisés. Cependant, même les aciers de qualité supérieure sont vulnérables à la corrosion et à la fragilisation par l'hydrogène, un processus au cours duquel l'hydrogène pénètre dans le métal, affaiblit les liaisons internes et peut finalement conduire à une défaillance soudaine. Dans une nouvelle étude, une équipe de recherche internationale dirigée par l'Université des sciences et technologies de Pékin et l'Institut Max Planck pour les matériaux durables (MPI-SusMat) a mis au point un nouvel acier inoxydable austénitique qui permet de relever les deux défis à la fois. Les résultats ont été publiés dans la revue Science Advances.
Utiliser l'azote pour protéger les joints de grains
Les joints de grains sont parmi les défauts les plus vulnérables des métaux.
Ils constituent des voies de diffusion rapide de l'hydrogène et des sites actifs pour les réactions de corrosion électrochimique. La fragilisation par l'hydrogène se produit lorsque de l'hydrogène mobile s'accumule à ces interfaces, créant des concentrations de contraintes locales qui peuvent déclencher la décohésion et la fissuration. La corrosion, quant à elle, résulte des interactions électrochimiques entre la microstructure du matériau et son environnement.
"Le défi consistait à développer un acier inoxydable qui reste mécaniquement fiable en présence d'hydrogène tout en offrant une résistance élevée à la corrosion", explique Dierk Raabe, directeur au MPI-SusMat et auteur correspondant de l'étude. "En même temps, le matériau devait être rentable et compatible avec les procédés de fabrication établis. Les joints de grains étant les défauts les plus vulnérables, nous nous sommes concentrés sur la prévention de la pénétration de l'hydrogène à ces endroits précis.
La passivation à l'échelle atomique assure une protection à long terme
Plutôt que de s'appuyer uniquement sur un film d'oxyde de surface conventionnel, les chercheurs ont introduit des atomes d'azote directement dans les joints de grain de l'acier. Cette décoration à l'échelle atomique bloque efficacement l'accès à l'hydrogène et supprime l'activité des défauts avant qu'un dommage ne se produise.
Le résultat est un alliage (Fe-20Cr-9Ni-2,5Mn-1,6Mo-1Cu-0,2N) qui présente une résistance à la corrosion multipliée par 3,8 et une résistance à la fragilisation par l'hydrogène multipliée par 1,35 par rapport à l'acier inoxydable 316L commercial.
Une solution évolutive et durable
Contrairement aux stratégies qui piègent l'hydrogène dans des précipités, qui peuvent rapidement devenir saturés, la passivation des joints de grains offre une protection à long terme.
Le nouvel alliage est rentable, compatible avec les procédés industriels établis et son empreinte carbone est inférieure à celle de nombreuses autres solutions à hautes performances. En combinant durabilité, tolérance à l'hydrogène et prix abordable, il offre une voie réaliste vers des pipelines, des réservoirs et des composants plus sûrs pour le transport et le stockage de l'hydrogène.
Cette stratégie de conception à l'échelle atomique pourrait être étendue à d'autres alliages, ce qui ouvrirait de nouvelles perspectives pour les matériaux durables dans les domaines de l'énergie, de la chimie et des infrastructures.
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