Tema

Effektivare rostskydd ger bättre energisystem

Tekniken för förnybar energi kräver legeringar som tål hög värme utan att korrodera. Forskare på Chalmers har upptäckt hur de skyddande oxidskikten samverkar med vattenånga, och att oxidpartiklarnas storlek påverkar korrosionen. Genombrottet ger en förståelse för nedbrytningsmekanismerna, och kan leda till stora förbättringar inom viktiga teknologier.

Att utveckla legeringar som tål hög värme utan att korrodera är en nyckelutmaning inom många områden. Det gäller till exempel teknik för förnybar energi såsom ”grön” el från biomassa, fastoxid-bränsleceller och koncentrerad solenergi, liksom teknik för jetmotorer, petrokemi och materialbearbetning.

Alla metaller som används vid hög temperatur reagerar spontant med omgivningen och bildar till exempel oxider, karbider och nitrider. Om de reaktionerna fortgår obehindrat så korroderar materialet mycket snabbt sönder. Därför innehåller alla högtemperaturlegeringar vissa element, särskilt krom och aluminium, som bildar skyddande skikt av kromoxid respektive aluminiumoxid på ytan.

Material måste tåla höga temperaturer
Högtemperaturlegeringar används inom en mängd områden. De är avgörande för både nya och traditionella teknologier för förnybar energi. De är också avgörande inom många andra viktiga teknikområden som jetmotorer, petrokemi och materialbehandling.

Alla dessa industrier är helt beroende av material som tål höga temperaturer – över 600 °C – utan att brytas ner genom korrosion. Efterfrågan på material med förbättrad värmetålighet ökar ständigt. Dels för att kunna utveckla ny teknologi, dels för att öka energieffektiviteten i existerande processer och teknologier.

Om till exempel turbinbladen i flygplanens jetmotorer kan utformas så att de tål högre temperatur så möjliggörs en effektivare motor och minskad bränsleförbrukning.

Oxidskal skyddar mot korrosion
Dessa skyddande ”oxidskal” växer långsamt och spelar en avgörande roll för att förhindra att metallerna korroderar sönder. Därför handlar all forskning om högtemperaturkorrosion just om hur dessa skyddande oxidskal bildas, hur de tillväxer och varför de ibland inte förmår skydda metallen.

Korrosion (från latinets corrodere, som betyder fräta sönder) innebär att ett material, vanligtvis en metall, löses upp genom en kemisk, oftast elektrokemisk, reaktion till en mer stabil form, som exempelvis oxider, hydroxider och sulfider. Rost är resultatet av att järn korroderar i närvaro av syre och vatten.

Källa: Wikipedia

Forskare på Chalmers har nått ett genombrott för förståelsen av hur korrosion går till i legeringar vid hög temperatur, vilket kan leda till omfattande förbättringar av många samhällsbärande teknologier.

Studien, som publicerats i Nature Materials, besvarar två klassiska frågeställningar inom området. Den ena gäller de mycket små tillsatser av så kallade reaktiva element (RE) – ofta yttrium och zirkonium – som finns i alla högtemperaturlegeringar. Den andra frågeställningen handlar om vattenångans roll.

Reaktiva element samverkar med vattenånga
– Legeringarnas prestanda förbättras oerhört när man tillsätter reaktiva element, säger Nooshin Mortazavi, fysikforskare på Chalmers och förstaförfattare till artikeln. Men varför det är så har ingen hittills kunnat visa i detalj. Man har heller inte riktigt förstått vattenångans roll, som alltid är närvarande i miljön. Vår artikel presenterar ett helt nytt koncept för att förstå dessa två centrala frågor om det skyddande oxidskalet.

Forskarna visar att de reaktiva elementens roll och vattnets betydelse är sammanlänkade. Närvaron av yttriumoxid gör att aluminiumoxid till en början blir genomsläpplig för vatten, och kombinationen av yttriumoxid och vattenånga ger därmed ett snabbväxande skikt av nanokristallin aluminiumoxid som efterhand omvandlas till ett skyddande aluminiumoxidskal.

Paradigmskifte för legeringar
– Artikeln ifrågasätter flera etablerade ”sanningar” inom korrosionsvetenskapen, och ger en ny förståelse som öppnar upp för nya forskningsidéer och strategier för att utveckla bättre legeringar, säger medförfattaren Lars-Gunnar Johansson, professor i oorganisk kemi och föreståndare för Kompetenscentrum för högtemperaturkorrosion (HTC) på Chalmers.

– Alla inom högtemperaturbranschen har väntat på den här upptäckten, säger Nooshin Mortazavi. Den innebär ett paradigmskifte inom forskningsfältet, i och med att vi etablerar nya principer för att förstå nedbrytningsmekanismerna för en hel materialklass.

Chalmersforskarna presenterar dessutom en ny idé för att öka tåligheten hos legeringar inom befintliga tillverkningssystem. De har upptäckt att tillsatsen av reaktiva element (RE) i de undersökta legeringarna förekommer som oxid-nanopartiklar och att partiklarnas storleksfördelning är kritisk. Alltför stora RE-partiklar orsakar sprickor i det skyddande aluminiumoxidskiktet, så att korrosiva gaser läcker in till legeringen som snabbt korroderar. Forskarna visar att det går att skapa ett mer skyddande oxidskal genom att reglera RE-partiklarnas storleksfördelning.

Artikeln:
Interplay of water and reactive elements in oxidation of alumina-forming alloys (Nature Materials)

Kontakt:
Nooshin Mortazavi, doktor i fysik, Chalmers, nooshin.mortazavi@chalmers.se, 031-772 67 83, 073-387 32 26

Lars-Gunnar Johansson, professor i kemi, Chalmers, lg@chalmers.se, 031-772 28 72

Läs också

Vi finns där du är @forskningsnyhet

Effektivare rostskydd ger bättre energisystem

 lästid ~ 3 min