Veel huidige en toekomstige technologieën vereisen legeringen die bestand zijn tegen hoge temperaturen zonder te corroderen. Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de Chalmers University of Technology, Zweden, hebben een grote doorbraak geprezen in het begrijpen hoe legeringen zich gedragen bij hoge temperaturen, de weg wijzen naar significante verbeteringen in veel technologieën. De resultaten worden gepubliceerd in het hoog aangeschreven tijdschrift Natuurmaterialen .

Het ontwikkelen van legeringen die bestand zijn tegen hoge temperaturen zonder te corroderen, is een belangrijke uitdaging voor veel gebieden, zoals hernieuwbare en duurzame energietechnologieën zoals geconcentreerde zonne-energie en vaste-oxidebrandstofcellen, evenals de luchtvaart, materiaalverwerking en petrochemie.

Bij hoge temperaturen, legeringen kunnen heftig reageren met hun omgeving, snel waardoor de materialen bezwijken door corrosie. Om u hiertegen te beschermen, alle legeringen voor hoge temperaturen zijn ontworpen om een ​​beschermende oxidelaag te vormen, meestal bestaande uit aluminiumoxide of chroomoxide. Deze oxideaanslag speelt een beslissende rol bij het voorkomen dat de metalen gaan corroderen. Daarom, onderzoek naar corrosie bij hoge temperatuur is zeer gericht op deze oxide-schalen - hoe ze worden gevormd, hoe ze presteren bij hoge temperaturen, en hoe ze soms falen.

Het artikel in Natuurmaterialen beantwoordt twee klassieke vraagstukken op dit gebied. Een daarvan is van toepassing op de zeer kleine toevoegingen van zogenaamde 'reactieve elementen' – vaak yttrium en zirkonium – die in alle hogetemperatuurlegeringen voorkomen. De tweede kwestie gaat over de rol van waterdamp.

"Het toevoegen van reactieve elementen aan legeringen resulteert in een enorme prestatieverbetering - maar niemand heeft robuust experimenteel bewijs kunnen leveren waarom, " zegt Nooshin Mortazavi, materiaalonderzoeker bij Chalmers' Department of Physics, en eerste auteur van de studie. "Hetzelfde, de rol van water, die altijd aanwezig is in omgevingen met hoge temperaturen, in de vorm van stoom, is weinig begrepen. Ons papier zal helpen deze raadsels op te lossen".

In deze krant, de Chalmers-onderzoekers laten zien hoe deze twee elementen met elkaar verbonden zijn. Ze laten zien hoe de reactieve elementen in de legering de groei van een aluminiumoxide aanslag bevorderen. De aanwezigheid van deze reactieve elementdeeltjes zorgt ervoor dat de oxidehuid naar binnen groeit, in plaats van naar buiten, waardoor het transport van water uit de omgeving wordt vergemakkelijkt, richting het legeringssubstraat. Reactieve elementen en water vormen samen een snelgroeiend, nanokristallijn, oxide schaal.

"Dit artikel daagt verschillende geaccepteerde 'waarheden' in de wetenschap van corrosie bij hoge temperaturen uit en opent spannende nieuwe wegen van onderzoek en legeringsontwikkeling, " zegt Lars Gunnar Johansson, hoogleraar anorganische chemie aan Chalmers, Directeur van het Competence Center for High Temperature Corrosion (HTC) en co-auteur van het artikel.

"Iedereen in de industrie heeft op deze ontdekking gewacht. Dit is een paradigmaverschuiving op het gebied van oxidatie bij hoge temperatuur, " zegt Nooshin Mortazavi. "We stellen nu nieuwe principes vast om de afbraakmechanismen in deze klasse van materialen bij zeer hoge temperaturen te begrijpen."

Naar aanleiding van hun ontdekkingen, de onderzoekers van Chalmers suggereren een praktische methode om meer resistente legeringen te maken. Ze tonen aan dat er een kritische grootte bestaat voor de deeltjes van het reactieve element. Boven een bepaalde maat, deeltjes van reactieve elementen veroorzaken scheuren in de oxidehuid, die een gemakkelijke route bieden voor corrosieve gassen om te reageren met het legeringssubstraat, snelle corrosie veroorzaken. Dit betekent dat een betere, meer beschermende oxideaanslag kan worden bereikt door de grootteverdeling van de reactieve elementdeeltjes in de legering te regelen.

Dit baanbrekende onderzoek van de Chalmers University of Technology wijst de weg naar sterkere, veiliger, meer resistente legeringen in de toekomst.

Legeringen op hoge temperatuur worden gebruikt in een verscheidenheid van gebieden, en zijn essentieel voor veel technologieën die aan onze beschaving ten grondslag liggen. Ze zijn cruciaal voor zowel nieuwe als traditionele technologieën voor hernieuwbare energie, zoals "groene" stroom uit biomassa, biomassavergassing, bio-energie met afvang en opslag van koolstof (BECCS), geconcentreerde zonne-energie, en vaste oxide brandstofcellen. Ze zijn ook cruciaal in veel andere belangrijke technologische gebieden, zoals straalmotoren, petrochemie en materiaalverwerking.

Al deze industrieën en technologieën zijn volledig afhankelijk van materialen die bestand zijn tegen hoge temperaturen – 600 ° C en hoger – zonder te bezwijken door corrosie. Er is een constante vraag naar materialen met verbeterde hittebestendigheid, zowel voor de ontwikkeling van nieuwe hogetemperatuurtechnologieën, en voor het verbeteren van de procesefficiëntie van bestaande.

Bijvoorbeeld, als de turbinebladen in de straalmotoren van een vliegtuig hogere temperaturen zouden kunnen weerstaan, de motor kan efficiënter werken, resulterend in brandstofbesparing voor de luchtvaartindustrie. Of, als je stoompijpen kunt produceren met een beter vermogen op hoge temperatuur, biomassacentrales kunnen per kilogram brandstof meer stroom opwekken.

Corrosie is een van de belangrijkste obstakels voor materiaalontwikkeling in deze gebieden. Het artikel van de onderzoekers van Chalmers biedt nieuwe hulpmiddelen voor onderzoekers en de industrie om legeringen te ontwikkelen die bestand zijn tegen hogere temperaturen zonder snel te corroderen.

De verklaring van de Chalmers-onderzoekers over hoe oxide-schaalgroei plaatsvindt - die is ontwikkeld met behulp van verschillende complementaire methoden voor experimenten en kwantumchemiemodellering - is volledig nieuw voor zowel de onderzoeksgemeenschap, en de industrie op het gebied van materialen voor hoge temperaturen.

Het onderzoek is uitgevoerd door het High Temperature Corrosion Centre (HTC) in een samenwerking tussen de afdelingen Scheikunde en Natuurkunde van Chalmers, samen met de wereldleider op het gebied van materialenfabrikant Kanthal, onderdeel van de Sandvik-groep. HTC wordt gezamenlijk gefinancierd door het Zweedse Energieagentschap, 21 aangesloten bedrijven en Chalmers.

De krant is gepubliceerd in Natuurmaterialen .