Många nuvarande och framtida tekniker kräver legeringar som tål höga temperaturer utan att korrodera. Nu, forskare vid Chalmers tekniska universitet, Sverige, har hyllat ett stort genombrott när det gäller att förstå hur legeringar beter sig vid höga temperaturer, pekar vägen mot betydande förbättringar inom många tekniker. Resultaten publiceras i den högt rankade tidskriften Naturmaterial .
Att utveckla legeringar som tål höga temperaturer utan att korrodera är en viktig utmaning för många områden, såsom förnybar och hållbar energiteknik som koncentrerad solenergi och fasta oxidbränsleceller, samt flyg, materialbearbetning och petrokemi.
Vid höga temperaturer, legeringar kan reagera våldsamt med sin omgivning, snabbt orsaka att materialet misslyckas av korrosion. För att skydda mot detta, alla högtemperaturlegeringar är utformade för att bilda en skyddande oxidskala, vanligtvis bestående av aluminiumoxid eller kromoxid. Denna oxidskala spelar en avgörande roll för att förhindra att metaller korroderar. Därför, forskning om korrosion vid hög temperatur är mycket fokuserad på dessa oxidskalor - hur de bildas, hur de fungerar vid hög värme, och hur de ibland misslyckas.
Artikeln i Naturmaterial svarar på två klassiska frågor i området. Den ena gäller de mycket små tillsatserna av så kallade "reaktiva element"-ofta yttrium och zirkonium-som finns i alla högtemperaturlegeringar. Den andra frågan handlar om vattenångans roll.
"Att lägga till reaktiva element i legeringar resulterar i en enorm förbättring av prestanda - men ingen har kunnat tillhandahålla robusta experimentella bevis på varför, "säger Nooshin Mortazavi, materialforskare vid Chalmers institution för fysik, och första författare till studien. "Likaså, vattnets roll, som alltid finns i högtemperaturmiljöer, i form av ånga, har blivit lite förstådd. Vårt papper kommer att hjälpa till att lösa dessa gåtor ".
I det här pappret, Chalmersforskarna visar hur dessa två element är sammanlänkade. De visar hur de reaktiva elementen i legeringen främjar tillväxten av en aluminiumoxidskala. Närvaron av dessa reaktiva elementpartiklar får oxidskalan att växa inåt, snarare än utåt, vilket underlättar transporten av vatten från miljön, mot legeringssubstratet. Reaktiva element och vatten kombineras för att skapa ett snabbt växande, nanokristallint, oxidskala.
"Detta dokument utmanar flera accepterade" sanningar "inom vetenskapen om korrosion vid hög temperatur och öppnar spännande nya vägar för forskning och legeringsutveckling, säger Lars Gunnar Johansson, Professor i oorganisk kemi på Chalmers, Direktör för Competence Center for High Temperature Corrosion (HTC) och medförfattare till tidningen.
"Alla i branschen har väntat på denna upptäckt. Detta är ett paradigmskifte inom högtemperaturoxidation, "säger Nooshin Mortazavi." Vi etablerar nu nya principer för att förstå nedbrytningsmekanismerna i denna materialklass vid mycket höga temperaturer. "
Vidare till deras upptäckter, Chalmersforskarna föreslår en praktisk metod för att skapa mer resistenta legeringar. De visar att det finns en kritisk storlek för de reaktiva elementpartiklarna. Över en viss storlek, reaktiva elementpartiklar orsakar sprickor i oxidskalan, som ger en enkel väg för korrosiva gaser att reagera med legeringssubstratet, orsakar snabb korrosion. Det betyder att en bättre, mer skyddande oxidskala kan uppnås genom att kontrollera storleksfördelningen av de reaktiva elementpartiklarna i legeringen.
Denna banbrytande forskning från Chalmers tekniska universitet pekar vägen till starkare, säkrare, mer resistenta legeringar i framtiden.
Högtemperaturlegeringar används i en mängd olika områden, och är avgörande för många tekniker som ligger till grund för vår civilisation. De är avgörande för både ny och traditionell teknik för förnybar energi, såsom "grön" el från biomassa, förgasning av biomassa, bioenergi med kolavskiljning och lagring (BECCS), koncentrerad solenergi, och fasta oxidbränsleceller. De är också avgörande på många andra viktiga teknikområden som jetmotorer, petrokemi och materialbearbetning.
Alla dessa industrier och tekniker är helt beroende av material som tål höga temperaturer - 600 ° C och därefter - utan att misslyckas på grund av korrosion. Det finns en ständig efterfrågan på material med förbättrad värmebeständighet, både för att utveckla nya högtemperaturtekniker, och för att förbättra processeffektiviteten hos befintliga.
Till exempel, om turbinbladen i flygplanets jetmotorer tål högre temperaturer, motorn kunde fungera mer effektivt, vilket resulterar i bränslebesparingar för flygindustrin. Eller, om du kan producera ångrör med bättre högtemperaturförmåga, biomassakraftverk skulle kunna generera mer kraft per kilo bränsle.
Korrosion är ett av de viktigaste hindren för materialutveckling inom dessa områden. Chalmersforskarnas artikel ger nya verktyg för forskare och industri för att utveckla legeringar som tål högre temperaturer utan att snabbt korrodera.
Chalmersforskarnas förklaring av hur tillväxten av oxidskal uppstår - som har utvecklats med hjälp av flera kompletterande metoder för experiment och kvantkemimodellering - är helt ny för både forskarsamhället, och industrin inom högtemperaturmaterial.
Forskningen utfördes av High Temperature Corrosion Center (HTC) i ett samarbete mellan avdelningarna för kemi och fysik på Chalmers, tillsammans med den världsledande materialtillverkaren Kanthal, del av Sandvik -gruppen. HTC finansieras gemensamt av Energimyndigheten, 21 medlemsföretag och Chalmers.
Tidningen publicerades i Naturmaterial .
