Undersøgelse undersøger oxidvækst i additivt fremstillede metaller i et superkritisk kuldioxidmiljø

En ny fælles undersøgelse fra Southwest Research Institute og Sandia National Laboratories undersøger forskellene i oxidfilmvækst på additivt fremstillede (AM) metaller og bearbejdet rustfrit stål i en superkritisk kuldioxid (sCO₂ ) miljø.

sCO₂ er kuldioxid, der holdes over en kritisk temperatur og et kritisk tryk, hvilket får det til at kombinere egenskaberne af gas og væske. Nuværende kraftværker bruger typisk vand som et termisk medium i strømkredsløb. Udskiftning af vand med sCO₂ øger effektiviteten med så meget som 10 procent, hvilket også giver mulighed for betydeligt mindre turbomaskineri og et mindre fodaftryk. Dens superkritiske tilstand gør sCO₂ en meget effektiv væske til at generere strøm, fordi små ændringer i temperatur eller tryk forårsager betydelige skift i dens tæthed.

SwRI er førende inden for sCO₂ strømcyklusser. Instituttet har modtaget adskillige energiministerium og industrifinansierede projekter for at implementere pilotskala sCO₂ strømcykluskomponenter og udstyr på systemniveau ud over 10 MWe Supercritical Transformational Electric Power (STEP) pilotanlæg under opførelse på SwRI.

Senior forskningsingeniør Dr. Florent Bocher begyndte at undersøge, hvordan oxidation påvirker AM-materialer som en del af en eksisterende sCO₂ samarbejde med Sandia National Laboratories.

"Det mindre, mere komplekse maskineri, der er nødvendigt for de små turbiner, som sCO₂ strømcyklusser udnytter gør additiv fremstilling til en attraktiv ressource," sagde Bocher.

Additiv fremstilling er en ny proces, der bruger 3D-print eller hurtig prototyping til at bygge et emne ved at lægge plastik, metal og andre materialer i lag til et brugerdefineret, computergenereret design. Fordi AM skaber robuste komponenter med indviklede designkvaliteter, appellerer den til en bred vifte af brugere, herunder rumfarts-, medicinal- og fremstillingsindustrien.

"De høje temperaturer og tryk af sCO₂ miljø gør oxidation til et problem for metalkomponenter," forklarede Bocher. "Når disse to industrier bevæger sig fremad, er det vigtigt at forstå, hvordan oxidation påvirker dem."

For at teste holdbarheden af ​​AM-metaller i forhold til traditionelt smedede rustfrit stål i sCO₂ miljø, udsatte Bocher og hans samarbejdspartnere prøver af begge for en simuleret sCO₂ strømcyklusmiljø, inklusive en temperatur på 450 grader Celsius og et tryk på 76 bar, i to uger. AM-materialerne blev bygget og analyseret af Sandia National Laboratory.

"Begge typer metaller viste oxidvækst," sagde Bocher. "Men oxidet dækkede omkring 72 % af det smedede rustfri stål og 54 % af AM-materialet, hvor kornstørrelsen og tykkelsen af ​​oxidlaget var statistisk større og tykkere for det smedede materiale. I sidste ende beviser dette dog ikke at den ene er mere pålidelig end den anden. Der er brug for flere data, men det tyder bestemt på, at AM-processer bør optimeres fremadrettet til disse typer forhold."

Undersøgelsen blev offentliggjort i Corrosion Science . + Udforsk yderligere

Team skaber superkritisk kuldioxid-turbomaskineri til koncentreret solenergianlæg