Muchas tecnologías actuales y futuras requieren aleaciones que puedan soportar altas temperaturas sin corroerse. Ahora, los investigadores de la Universidad Tecnológica de Chalmers, Suecia, han elogiado un gran avance en la comprensión del comportamiento de las aleaciones a altas temperaturas, señalando el camino hacia mejoras significativas en muchostecnologías. Los resultados se publican en la revista altamente calificada Materiales de la naturaleza .
El desarrollo de aleaciones que puedan soportar altas temperaturas sin corroerse es un desafío clave para muchos campos, como las tecnologías de energía renovable y sostenible como la energía solar concentrada y las celdas de combustible de óxido sólido, así como la aviación, el procesamiento de materiales y la petroquímica.
A altas temperaturas, las aleaciones pueden reaccionar violentamente con su entorno, causando que los materiales fallen por corrosión. Para protegerse contra esto, todas las aleaciones de alta temperatura están diseñadas para formar una escala protectora de óxido, que generalmente consiste en óxido de aluminio u óxido de cromo.Esta escala de óxido juega un papel decisivo para evitar que los metales se corroan, por lo tanto, la investigación sobre la corrosión a altas temperaturas se centra mucho en estas escamas de óxido: cómo se forman, cómo funcionan a altas temperaturas y cómo a veces fallan.
El artículo en Materiales de la naturaleza responde a dos problemas clásicos en el área. Uno se aplica a los aditivos muy pequeños de los llamados "elementos reactivos", a menudo itrio y circonio, que se encuentran en todas las aleaciones de alta temperatura. El segundo problema es sobre el papel del aguavapor.
"Agregar elementos reactivos a las aleaciones da como resultado una gran mejora en el rendimiento, pero nadie ha podido proporcionar una prueba experimental sólida de por qué", dice Nooshin Mortazavi, investigador de materiales en el Departamento de Física de Chalmers, y primer autor del estudio"Del mismo modo, el papel del agua, que siempre está presente en ambientes de alta temperatura, en forma de vapor, ha sido poco entendido. Nuestro artículo ayudará a resolver estos enigmas".
En este documento, los investigadores de Chalmers muestran cómo están unidos estos dos elementos. Demuestran cómo los elementos reactivos en la aleación promueven el crecimiento de una escala de óxido de aluminio. La presencia de estas partículas de elementos reactivos hace que la escala de óxido crezca hacia adentro,en lugar de hacia afuera, lo que facilita el transporte de agua desde el medio ambiente, hacia el sustrato de aleación. Los elementos reactivos y el agua se combinan para crear una escala de óxido nanocristalino de rápido crecimiento.
"Este documento desafía varias 'verdades' aceptadas en la ciencia de la corrosión a altas temperaturas y abre nuevas y emocionantes vías de investigación y desarrollo de aleaciones", dice Lars Gunnar Johansson, profesor de Química Inorgánica en Chalmers, Director del Centro de Competencia para la AltaTemperatura de corrosión HTC y coautor del artículo.
"Todos en la industria han estado esperando este descubrimiento. Este es un cambio de paradigma en el campo de la oxidación a alta temperatura", dice Nooshin Mortazavi. "Ahora estamos estableciendo nuevos principios para comprender los mecanismos de degradación en esta clase de materiales".a temperaturas muy altas "
Además de sus descubrimientos, los investigadores de Chalmers sugieren un método práctico para crear aleaciones más resistentes. Demuestran que existe un tamaño crítico para las partículas del elemento reactivo. Por encima de cierto tamaño, las partículas del elemento reactivo causan grietas en la escala de óxido, queproporciona una ruta fácil para que los gases corrosivos reaccionen con el sustrato de la aleación, causando una corrosión rápida. Esto significa que se puede lograr una escala de óxido mejor y más protectora controlando la distribución del tamaño de las partículas del elemento reactivo en la aleación.
Esta investigación innovadora de la Universidad Tecnológica de Chalmers señala el camino hacia aleaciones más fuertes, más seguras y más resistentes en el futuro.
Más sobre: posibles consecuencias del avance de la investigación
Las aleaciones de alta temperatura se usan en una variedad de áreas, y son esenciales para muchas tecnologías que sustentan nuestra civilización. Son cruciales para las tecnologías de energía renovable nuevas y tradicionales, como la electricidad "verde" de biomasa, gasificación de biomasa, bio-energía con captura y almacenamiento de carbono BECCS, energía solar concentrada y celdas de combustible de óxido sólido. También son cruciales en muchas otras áreas tecnológicas importantes como motores a reacción, petroquímica y procesamiento de materiales.
Todas estas industrias y tecnologías dependen completamente de materiales que pueden soportar altas temperaturas - 600 ° C y más - sin fallar debido a la corrosión. Existe una demanda constante de materiales con resistencia al calor mejorada, ambos para desarrollar nuevas temperaturas altastecnologías y para mejorar la eficiencia del proceso de las existentes.
Por ejemplo, si las aspas de la turbina en los motores a reacción de un avión pudieran soportar temperaturas más altas, el motor podría funcionar de manera más eficiente, lo que resultaría en un ahorro de combustible para la industria de la aviación. O, si puede producir tuberías de vapor con una mejor capacidad de alta temperatura, las centrales eléctricas alimentadas con biomasa podrían generar más energía por kilogramo de combustible.
La corrosión es uno de los principales obstáculos para el desarrollo de materiales dentro de estas áreas. El artículo de los investigadores de Chalmers proporciona nuevas herramientas para que los investigadores y la industria desarrollen aleaciones que resistan temperaturas más altas sin corroerse rápidamente.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad Tecnológica de Chalmers . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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