Forskningsgenombrott kan ge tåligare legeringar för framtidens energisystem

Framtidens energisystem kräver legeringar som tål hög värme utan att korrodera. 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. Upptäckterna publiceras i den mycket högrankade tidskriften Nature Materials.

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.

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

Artikeln 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.

– Legeringarnas prestanda förbättras oerhört när man tillsätter reaktiva element, säger Nooshin Mortazavi, fysikforskare på Chalmers och försteförfattare 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.

– 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 RE-tillsatserna 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.

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

Mer om: Vad forskningsgenombrottet kan leda till

Högtemperaturlegeringar används inom en mängd områden. De är avgörande för både nya och traditionella teknologier för förnybar energi, såsom ”grön” el från biomassa, förgasning av biomassa, infångning och lagring av koldioxid vid förbränning av biomassa (BECCS), koncentrerad solenergi och fastoxid-bränsleceller. De är också avgörande inom många andra viktiga teknikområden som jetmotorer, petrokemi och materialbehandling.

Alla dessa industrier och teknologier 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. Och om man kan tillverka ångrör som tål högre temperatur så blir det möjligt att producera mer elkraft per kilo ved i ångkraftverken.

Korrosion är en de främsta utmaningarna inom dessa områden. Chalmersforskarnas artikel erbjuder nya verktyg för forskare och industri för att utveckla legeringar som tål högre temperaturer utan att korrodera sönder.

Mer om: Forskningen

De nya upptäckterna är resultatet av en kombination av korrosionsexperiment och analystekniker i världsklass, inklusive kvantkemiska beräkningar.
Forskningen utfördes vid Kompetenscentrum för högtemperaturkorrosion (HTC www.htc.chalmers.se), i ett samarbete mellan institutionerna för fysik och kemi på Chalmers, samt Kanthal som tillverkar högtemperaturlegeringar och som ägs av Sandvik. HTC finansieras gemensamt av Energimyndigheten, 21 medlemsföretag och Chalmers.

Nooshin Mortazavi har nyligen erbjudits finansiering från Vetenskapsrådet, Wenner-Gren Stiftelserna och Wallenbergstiftelserna.

För mer information, kontakta:

Nooshin Mortazavi, doktor i fysik, Chalmers, 073-387 32 26, 031-772 67 83

nooshin.mortazavi@chalmers.se

Lars-Gunnar Johansson, professor i kemi, Chalmers, 031-772 28 72

lg@chalmers.se