Hydrogen diffusion of sputter-deposited coating materials described by electrochemical permeation methods

Abstract

Hydrogen-related materials research is a fast-growing field, as energy production via hydrogen-based technologies will be an essential sector in the future. Using hydrogen as the future alternative fuel in storage or conversion implies materials withstanding hydrogen’s specific, reactive nature. Hydrogen can quickly diffuse in materials (in detail metals) because of its small size, making it a very harmful element with respect to deteriorating mechanisms such as hydrogen embrittlement. The increasing interest and the harmful character drive the desire to protect metallic components against hydrogen permeation with diverse coating barriers. This work employs an electrochemical permeation method by applying the Devanathan-Stachurski cell (well-established for bulk materials) to describe the hydrogen diffusion of selected thin film model materials grown on ferritic steels. Titanium nitride (TiN) and niobium carbide (NbC) coatings are synthesized by PVD magnetron sputtering on ferritic steel substrates and investigated using a Devanathan-Stachurski set-up. Moreover, mathematical models are applied to determine the hydrogen diffusion characteristics in terms of diffusion coefficients, permeability, and solubility for the coated samples compared to bare, uncoated ferrite. The applied coating materials show promising behaviour with reduced permeability and diffusion coefficients compared to the ferritic steel substrate. The TiN coating exhibits a permeation reduction factor (PRF) of 1.38, while a PRF of 3.76 is obtained for NbC film deposited growing by HiPIMS techniques. The highest PRF of 4.49 is obtained by depositing NbC using pulsed DCMS. In summary, this work proves electrochemical permeation methods as a reliable and versatile testing method suitable for describing hydrogen permeation in thin film coating materials.

Wasserstoff ist im Energiesektor und in der chemischen Industrie von zunehmendem Interesse. Aufgrund seiner geringen Größe kann Wasserstoff leicht in Metalle diffundieren, was ihn zu einem sehr schädlichen Element für Komponenten in elektro-katalytischen oder Speicher Anwendungen macht. Der stetig steigende Einsatz von Wasserstoff-basierten Technologien treibt hier die akademische Forschung voran, um auch Diffusionsbarrieren basierend auf dünnen Schichten zu erforschen. In dieser Arbeit wird daher eine elektrochemische Permeationsmethode, eingesetzt um das Wasserstoffdiffusionsverhalten in Dünnschichtmaterialien zu untersuchen. Da es sich um eine Machbarkeitsstudie handelt, wurde auf bereits bekannte Modelmaterialien zurückgegriffen. Beschichtungen aus Titannitrid (TiN) und Niobcarbid (NbC) wurden durch physikalische Gasphasenabscheidung (kurz PVD, phyiscal vapor deposition) auf ferritischen Stahl Substraten abgeschieden und mit Hilfe einer Devanathan-Stachurski-Zelle untersucht. Darüber hinaus wurden mathematische Modelle verwendete, um Kennwerte wie Diffusionskoeffizienten, Permeabilität und Löslichkeit von beschichteten Proben im Vergleich zu blanken, unbeschichteten Stahlsubstraten zu bestimmen. Die untersuchten Beschichtungsmaterialien zeigen eine effektive Wirkung als Permeationsbarrieren für Wasserstoff mit reduzierten Permeabilitäts- und Diffusionskoeffizienten im Vergleich zu den unbeschichteten Ferriten. Die TiN-Beschichtung weist einen Permeationsreduktionsfaktor (PRF) von 1.38 auf, während für die mittels HiPIMS abgeschiedenen NbC Schicht ein PRF von 3.76 bestimmt wurde. Die besten Ergebnisse mit einem PRF von 4.49 konnten für eine NbC Schicht, welche mittels gepulster DCMS Technik abgeschieden wurde, erzielt werden. Diese Arbeit zeigt, dass elektrochemische Permeationsmethoden eine verlässliche und vielseitige Technik darstellen zur Analyse des Permeationsverhalten von dünnen Schichten.