PROYECTO

Molécula H2

OBJETIVOS

El proyecto H2MAT tiene como objetivo principal diseñar, fabricar y evaluar estructuras multicapa, Aleación de Alta Entropía (HEA)–interfase–acero, como alternativa a las limitaciones del acero inoxidable usado en la actualidad en aplicaciones de transporte de hidrógeno.

subobjetivos

COMPRENDER Y CONTROLAR

la naturaleza física y química de la interfase HEA-acero, de forma que sirva de barrera a la difusión de hidrógeno hacia el acero, incluyendo la introducción de materiales extrínsecos, i.e. aleaciones de Cobre u otros.

EVALUAR EL COMPORTAMIENTO

frente al Hidrógeno de aleaciones de alta entropía no convencionales, tanto de base Hierro como de base Cobre, así como la compatibilidad de los primeros con aceros.

Optimización de las tecnologías NSF, fundición y HIP

para producir uniones híbridas con interfases controladas y de forma que se minimice la difusión de Carbono hacia la HEA durante el procesado.

Evaluación técnico-económica de las estructuras obtenidas

frente al uso de las actuales de acero inoxidable en el transporte de Hidrógeno, así como su posible utilización en condiciones criogénicas u otros ambientes ricos en Hidrógeno.

ALCANCE TECNOLÓGICO

Para poder avanzar hacia un futuro donde el hidrógeno pueda ser utilizado de manera eficiente como fuente de energía en diversos usos finales, hay que diseñar y optimizar tanto los materiales como la fabricación de los mismos para soportar las condiciones a las que va a estar expuesto. Por todo ello, H2MAT plantea:

Infografia HEA Interfase acero

Desarrollar nuevos materiales que resistan y disminuyan la difusión del hidrógeno

Los aceros utilizados actualmente no presentan buenas propiedades en entornos ricos en hidrogeno, pudiendo llegar hasta su fragilización en casos extremos, al contrario que en las aleaciones de altas entropía (HEA).

Es por ello que H2MAT quiere comprobar si mediante el recubrimiento de los aceros con HEA se puede extender su vida útil sin necesidad de sobredimensionar las tuberías. El desarrollo de tuberías únicamente de HEA no parece económicamente viable en aplicaciones extensivas, ni siquiera con la aleación Cantor que es la más común. Aplicaciones específicas, i.e. aeronáutica, son un posible campo a explorar.

Otro campo de desarrollo tecnológico está en la creación de una interfase entre la HEA y el acero que evite la difusión de Carbono de un material al otro. Existe literatura que sugiere que la presencia de este elemento incrementa la tendencia a la fragilización no solo del acero, sino también de la aleación Cantor. El efecto del Carbono en el resto de HEAs que se usarán en este proyecto es también algo a evaluar.

Como se ha ido indicando con anterioridad, se analizarán distintas combinaciones de materiales y se estudiará su comportamiento en contacto con el hidrógeno para su futura utilización en el transporte de este. Con ello se quiere conseguir:

 

  • Reducir el peso del material utilizado.
  • Reducir las densidades de los aceros.
  • Reducir costes.
  • Fabricar tuberías de mayor calidad.
  • Analizar la posibilidad de exportar las combinaciones a otros sectores como el aeronáutico.

Plantear sistemas híbridos con diferentes materiales para funcionalizar el equipamiento y, así, poder asegurar una baja difusión, una larga vida del equipamiento y un menor coste por componente.

A lo largo del proyecto, se analizarán y se pondrán a prueba distintas tecnologías de hibridación de las capas de HEA – Interface – Acero para comprobar cómo se compartan las uniones.

Cofundición
Cofundición

Co-fundición (TECNALIA y AZTERLAN)

La tecnología de Co-fundición está basada en el empleo de injertos metálicos o cerámicos para mejorar las propiedades finales de las piezas obtenidas, especialmente las de desgaste o las propiedades mecánicas.

El proceso comienza con la colocación del injerto/s en la cavidad del molde. Este se cierra y se vierte el metal fundido.

El metal recubre una parte del injerto y este queda embebido, pudiendo obtenerse en función de los materiales empleados una continuidad metálica entre el injerto (metálico en este caso) y la pieza o simplemente el injerto queda embutido en el metal por la fuerza creada en la contracción que se da en la solidificación.

Se obtiene así una pieza metálica con refuerzos puntuales que permite reducir el peso final de la pieza y aumentar sus características mecánicas y de desgaste.

NSF MU

NSF (Near Solidus Forming) (cerca del punto de fusión) (Mondragon Unibertsitatea)

El proceso de fabricación Near Solidus Forming (NSF) consiste en deformar el material sólido a muy altas temperaturas (cerca del punto de fusión) y a volumen cerrado. Estas altas temperaturas le dan al material una gran ductilidad que, junto con el utillaje en formato de volumen cerrado, permiten conseguir piezas metálicas complejas con un menor gasto energético y de materia prima en comparación con otros procesos similares.

Además, las propiedades mecánicas de los componentes son equivalentes a las obtenidas en forja en caliente. De manera adicional y dada la experiencia previa, este proceso también parece idóneo como método de unión de los materiales disimilares considerados en el proyecto.

Las tan altas temperaturas del proceso permiten una mayor interacción entre los materiales que, junto con las deformaciones/presiones generadas, permite lograr muy buenas uniones por difusión de los elementos presentes (equivalentes, e incluso mejores, que las obtenidas por Friction Stir Welding (FSW)).

Diffusion Bonding mediante HIP (Hot isostatic pressing) (CEIT)

La unión por difusión o soldadura por difusión es un proceso de soldadura en estado sólido que produce coalescencia entre dos superficies en contacto a temperaturas elevadas y cierta presión. La soldadura por difusión en estado sólido mediante HIP se diferencia de otras técnicas de soldadura de estado sólido por proporcionar una unión soldada fuerte y densa con propiedades de estabilidad a pesar del área y las configuraciones de las superficies de contacto de los materiales soldados. Dependiendo de los materiales a unir, puede ser necesario aplicar una capa intermedia, para promover la difusión y por tanto la unión entre las dos partes, o para limitar la difusión de alguno de los elementos aleantes de los componentes a unir, y evitar la formación de compuestos frágiles en la intercara. Además, es posible aumentar o reducir la velocidad de difusión al aumentar o reducir la temperatura y/o la presión del HIP y así evitar la nucleación y el crecimiento de fases indeseables en la zona de contacto.

Diffusion Bonding mediante HIP (Hot isostatic pressing) (CEIT)

Resultados esperados

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Adquirir una comprensión y control de la naturaleza físico-química de la interfase HEA-acero, de forma que sirva de barrera a la difusión de hidrógeno.

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Capacidad de proponer combinaciones de material con un mejor comportamiento frente a la fragilización por el hidrógeno.

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Evaluación de tecnologías extremas de forma que se puedan proponer parámetros de proceso optimizados.

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Evaluación técnico-económica respecto a la viabilidad del uso de los materiales desarrollados en el presente proyecto.
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Desarrollo de los ensayos para validar la fragilización y permeación del hidrógeno en los materiales híbridos resultantes.
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Avance en el campo de la modelización termodinámica (CALPHAD) tanto de las uniones como de la difusividad del hidrógeno en la estructura multicapa.

Principales indicadores

14
publicaciones científicas indexadas
2
solicitudes de patentes EPO y PCT

Actividades

Esquema h2mat

En el CONSORCIO de este proyecto convergemos diversos agentes

El proyecto está coordinado por MONDRAGON UNIBERTSITATEA y contará además con la participación de otros siete socios agentes de la Red Vasca de Ciencia Tecnología e Innovación, concretamente: AZTERLAN, CEIT, SIDENOR I+D, TECNALIA, TUBACEX INNOVACIÓN, UPV/EHU y CLUSTER DE ENERGÍA.

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