Banebrydende opdagelser kan skabe overlegne legeringer med mange anvendelsesmuligheder

Mange nuværende og fremtidige teknologier kræver legeringer, der kan modstå høje temperaturer uden at korrodere. Nu, forskere ved Chalmers Tekniske Universitet, Sverige, har hyldet et stort gennembrud i forståelsen af, hvordan legeringer opfører sig ved høje temperaturer, viser vejen til væsentlige forbedringer i mange teknologier. Resultaterne er publiceret i det højt rangerede tidsskrift Naturmaterialer .

At udvikle legeringer, der kan modstå høje temperaturer uden at korrodere, er en nøgleudfordring for mange felter, såsom vedvarende og bæredygtige energiteknologier som koncentreret solenergi og fast oxid brændselsceller, samt luftfart, materialebearbejdning og petrokemi.

Ved høje temperaturer, legeringer kan reagere voldsomt med deres omgivelser, hurtigt får materialerne til at svigte ved korrosion. For at beskytte mod dette, alle højtemperaturlegeringer er designet til at danne en beskyttende oxidskala, normalt bestående af aluminiumoxid eller chromoxid. Denne oxidskala spiller en afgørende rolle for at forhindre metallerne i at korrodere. Derfor, forskning i højtemperaturkorrosion er meget fokuseret på disse oxidskalaer – hvordan de dannes, hvordan de klarer sig ved høj varme, og hvordan de nogle gange fejler.

Artiklen i Naturmaterialer besvarer to klassiske spørgsmål på området. Det ene gælder de meget små additiver af såkaldte 'reaktive grundstoffer' – ofte yttrium og zirconium – som findes i alle højtemperaturlegeringer. Det andet spørgsmål handler om vanddampens rolle.

"At tilføje reaktive elementer til legeringer resulterer i en enorm forbedring af ydeevnen - men ingen har været i stand til at levere robuste eksperimentelle beviser, hvorfor, " siger Nooshin Mortazavi, materialeforsker ved Chalmers Institut for Fysik, og første forfatter til undersøgelsen. "Ligeledes, vands rolle, som altid er til stede i højtemperaturmiljøer, i form af damp, har været lidt forstået. Vores papir vil hjælpe med at løse disse gåder."

I denne avis, Chalmers-forskerne viser, hvordan disse to elementer hænger sammen. De demonstrerer, hvordan de reaktive elementer i legeringen fremmer væksten af ​​en aluminiumoxidskala. Tilstedeværelsen af ​​disse reaktive grundstofpartikler får oxidskalaen til at vokse indad, snarere end udadtil, derved lette transporten af ​​vand fra miljøet, mod legeringsunderlaget. Reaktive elementer og vand kombineres for at skabe en hurtigt voksende, nanokrystallinsk, oxidskala.

"Dette papir udfordrer adskillige accepterede 'sandheder' inden for videnskaben om højtemperaturkorrosion og åbner spændende nye veje til forskning og legeringsudvikling, siger Lars Gunnar Johansson, Professor i uorganisk kemi på Chalmers, Direktør for Kompetencecenter for Højtemperaturkorrosion (HTC) og medforfatter til papiret.

"Alle i branchen har ventet på denne opdagelse. Dette er et paradigmeskifte inden for højtemperaturoxidation, " siger Nooshin Mortazavi. "Vi er nu ved at etablere nye principper for at forstå nedbrydningsmekanismerne i denne klasse af materialer ved meget høje temperaturer."

I forlængelse af deres opdagelser, Chalmers-forskerne foreslår en praktisk metode til at skabe mere modstandsdygtige legeringer. De viser, at der eksisterer en kritisk størrelse for de reaktive grundstofpartikler. Over en vis størrelse, reaktive grundstofpartikler forårsager revner i oxidskalaen, som giver en nem vej for korrosive gasser til at reagere med legeringssubstratet, forårsager hurtig korrosion. Det betyder, at en bedre, mere beskyttende oxidskala kan opnås ved at kontrollere størrelsesfordelingen af ​​de reaktive grundstofpartikler i legeringen.

Denne banebrydende forskning fra Chalmers Tekniske Universitet peger på vejen til stærkere, sikrere, mere modstandsdygtige legeringer i fremtiden.

Højtemperaturlegeringer bruges i en række forskellige områder, og er afgørende for mange teknologier, som understøtter vores civilisation. De er afgørende for både nye og traditionelle vedvarende energiteknologier, såsom "grøn" elektricitet fra biomasse, biomasse forgasning, bioenergi med kulstoffangst og -lagring (BECCS), koncentreret solenergi, og fast oxid brændselsceller. De er også afgørende inden for mange andre vigtige teknologiområder såsom jetmotorer, petrokemi og materialebearbejdning.

Alle disse industrier og teknologier er helt afhængige af materialer, der kan modstå høje temperaturer – 600 ° C og derover – uden at fejle på grund af korrosion. Der er en konstant efterspørgsel efter materialer med forbedret varmebestandighed, både til udvikling af nye højtemperaturteknologier, og for at forbedre proceseffektiviteten af ​​eksisterende.

For eksempel, hvis turbinebladene i et flys jetmotorer kunne modstå højere temperaturer, motoren kunne fungere mere effektivt, resulterer i brændstofbesparelser for luftfartsindustrien. Eller, hvis du kan producere damprør med bedre højtemperaturkapacitet, biomassefyrede kraftværker kunne generere mere strøm pr. kilogram brændstof.

Korrosion er en af ​​de vigtigste hindringer for materialeudvikling inden for disse områder. Chalmers-forskernes artikel giver forskere og industri nye værktøjer til at udvikle legeringer, der tåler højere temperaturer uden hurtigt at korrodere.

Chalmers-forskernes forklaring på, hvordan oxidskalvækst opstår – som er udviklet ved hjælp af flere komplementære metoder til eksperimentering og kvantekemisk modellering – er helt ny for både forskningsmiljøet, og industrien inden for højtemperaturmaterialer.

Forskningen er udført af High Temperature Corrosion Center (HTC) i et samarbejde mellem Institut for Kemi og Fysik på Chalmers, sammen med verdens førende materialeproducent Kanthal, en del af Sandvik-koncernen. HTC er i fællesskab finansieret af den svenske energimyndighed, 21 medlemsvirksomheder og Chalmers.

Avisen blev udgivet i Naturmaterialer .