Molte tecnologie attuali e future richiedono leghe in grado di resistere alle alte temperature senza corrodersi. Ora, ricercatori della Chalmers University of Technology, Svezia, hanno salutato un importante passo avanti nella comprensione del comportamento delle leghe alle alte temperature, indicando la strada per miglioramenti significativi in ​​molte tecnologie. I risultati sono pubblicati nella rivista di alto livello Materiali della natura .

Lo sviluppo di leghe in grado di resistere alle alte temperature senza corrodersi è una sfida chiave per molti settori, come le tecnologie energetiche rinnovabili e sostenibili come l'energia solare concentrata e le celle a combustibile ad ossido solido, così come l'aviazione, lavorazione dei materiali e petrolchimica.

Ad alte temperature, le leghe possono reagire violentemente con il loro ambiente, causando rapidamente il cedimento dei materiali per corrosione. Per proteggersi da questo, tutte le leghe ad alta temperatura sono progettate per formare una scala protettiva di ossido, generalmente costituito da ossido di alluminio o ossido di cromo. Questa scala di ossido svolge un ruolo decisivo nell'impedire la corrosione dei metalli. Perciò, la ricerca sulla corrosione ad alta temperatura è molto focalizzata su queste scaglie di ossido:come si formano, come si comportano a fuoco vivo, e come a volte falliscono.

L'articolo in Materiali della natura risponde a due questioni classiche della zona. Uno si applica ai piccolissimi additivi dei cosiddetti "elementi reattivi" - spesso ittrio e zirconio - che si trovano in tutte le leghe per alte temperature. La seconda questione riguarda il ruolo del vapore acqueo.

"L'aggiunta di elementi reattivi alle leghe si traduce in un enorme miglioramento delle prestazioni, ma nessuno è stato in grado di fornire una solida prova sperimentale del perché, "dice Nooshin Mortazavi, ricercatore di materiali presso il Dipartimento di Fisica di Chalmers, e primo autore dello studio. "Allo stesso modo, il ruolo dell'acqua, che è sempre presente in ambienti ad alta temperatura, sotto forma di vapore, è stato poco compreso. Il nostro giornale aiuterà a risolvere questi enigmi".

In questo documento, i ricercatori di Chalmers mostrano come questi due elementi siano collegati. Dimostrano come gli elementi reattivi nella lega promuovono la crescita di una scala di ossido di alluminio. La presenza di queste particelle di elementi reattivi fa sì che la scala di ossido cresca verso l'interno, piuttosto che verso l'esterno, facilitando così il trasporto di acqua dall'ambiente, verso il substrato di lega. Gli elementi reattivi e l'acqua si combinano per creare un ambiente in rapida crescita, nanocristallino, scala di ossido.

"Questo documento sfida diverse 'verità' accettate nella scienza della corrosione ad alta temperatura e apre nuove entusiasmanti vie di ricerca e sviluppo di leghe, "dice Lars Gunnar Johansson, Professore di Chimica Inorganica a Chalmers, Direttore del Centro di competenza per la corrosione ad alta temperatura (HTC) e coautore del documento.

"Tutti nel settore stavano aspettando questa scoperta. Si tratta di un cambio di paradigma nel campo dell'ossidazione ad alta temperatura, " afferma Nooshin Mortazavi. "Stiamo ora stabilendo nuovi principi per comprendere i meccanismi di degradazione in questa classe di materiali a temperature molto elevate".

In seguito alle loro scoperte, i ricercatori di Chalmers suggeriscono un metodo pratico per creare leghe più resistenti. Dimostrano che esiste una dimensione critica per le particelle dell'elemento reattivo. Al di sopra di una certa dimensione, le particelle di elementi reattivi causano crepe nella scala di ossido, che forniscono un percorso facile per i gas corrosivi per reagire con il substrato di lega, provocando una rapida corrosione. Ciò significa che una migliore, una scala di ossido più protettiva può essere ottenuta controllando la distribuzione dimensionale delle particelle dell'elemento reattivo nella lega.

Questa ricerca innovativa della Chalmers University of Technology indica la strada per una più forte, più sicuro, leghe più resistenti in futuro.

Le leghe ad alta temperatura sono utilizzate in una varietà di aree, e sono essenziali per molte tecnologie che sono alla base della nostra civiltà. Sono fondamentali sia per le nuove e tradizionali tecnologie di energia rinnovabile, come l'elettricità "verde" da biomasse, gassificazione della biomassa, bioenergia con cattura e stoccaggio del carbonio (BECCS), energia solare concentrata, e celle a combustibile ad ossido solido. Sono anche cruciali in molte altre importanti aree tecnologiche come i motori a reazione, petrolchimica e lavorazione dei materiali.

Tutte queste industrie e tecnologie dipendono interamente da materiali in grado di resistere a temperature elevate - 600 ° C e oltre - senza cedere a causa della corrosione. C'è una domanda costante di materiali con una migliore resistenza al calore, sia per lo sviluppo di nuove tecnologie ad alta temperatura, e per migliorare l'efficienza dei processi di quelli esistenti.

Per esempio, se le pale delle turbine nei motori a reazione di un aereo possono resistere a temperature più elevate, il motore potrebbe funzionare in modo più efficiente, con conseguente risparmio di carburante per l'industria aeronautica. O, se puoi produrre tubi del vapore con una migliore capacità ad alta temperatura, le centrali elettriche a biomassa potrebbero generare più energia per chilogrammo di combustibile.

La corrosione è uno dei principali ostacoli allo sviluppo materiale all'interno di queste aree. L'articolo dei ricercatori Chalmers fornisce nuovi strumenti ai ricercatori e all'industria per sviluppare leghe che resistono a temperature più elevate senza corrodersi rapidamente.

La spiegazione dei ricercatori di Chalmers su come avviene la crescita della scala di ossido - che è stata sviluppata utilizzando diversi metodi complementari per la sperimentazione e la modellazione della chimica quantistica - è completamente nuova sia per la comunità di ricerca, e l'industria nel campo dei materiali ad alta temperatura.

La ricerca è stata condotta dall'High Temperature Corrosion Center (HTC) in collaborazione tra i Dipartimenti di Chimica e Fisica di Chalmers, insieme al produttore di materiali leader mondiale Kanthal, parte del gruppo Sandvik. HTC è finanziato congiuntamente dall'Agenzia svedese per l'energia, 21 aziende associate e Chalmers.

Il documento è stato pubblicato in Materiali della natura .