Legeringars sammansättning för hållbar energiomvandling

Projektförslag för kandidatarbete inom inst. Kemi och kemiteknik och Biologi och bioteknik

Avdelningen för Energi och Material
Institutionen för Kemi och kemiteknik, Chalmers tekniska högskola 
 
Projektexamenskod: KBTX10-21-05

Bakgrund 
Vårt högteknologiska samhälle uppvisar ett stort behov av högtemperaturlegeringar. Sådana material används i exempelvis kemisk processindustri, i flygplansturbiner och ångturbiner för produktion av elkraft oavsett om de drivs med kol, naturgas, biomassa eller kärnkraft. Många av de processer som omvandlar bränsle till elektricitet och avgaser, aska och andra avfall skulle kunna göras mer effektivare om det fanns legeringar som klarade högre temperaturer än dagens material gör, med ytterligare minskning av CO2 utsläppen som följd.
Bättre korrosionsbeständighet är liktydigt med förbättrad effektivitet. Dagens kraftgenereringssystem baseras på vattenånga som energibärare. Det avspeglar valet av legering. Men superkritisk CO2, istället för vattenånga, leder till helt nya krav på motståndskraft hos högtemperaturlegerningarna. De flesta högtemperatur materialen bildar ett tunt skikt av täta korrosionsprodukter, d.v.s. den rena metallytan oxideras och en täckande oxidskikt bildas. Om skiktet har god vidhäftning så bildar den en barriär som separerar metallen från omgivningen, vilket får korrosionsprocesserna att med tiden gå allt långsammare. De avstannar dock aldrig helt, eftersom metall- och/eller syrejoner diffunderar genom den skyddande oxiden. Följden blir att oxidskiktet växer även om hastigheten kan vara mycket långsam när barriärskiktet är tätt. Joners och elektroners möjlighet att röra sig genom skiktet ökar dock snabbt med temperaturen varför korrosionsangreppet generellt är snabbare vid hög temperatur. En av de viktigaste egenskaperna hos högtemperaturlegeringarna är att det skyddande skiktet är självläkande. Om t.ex. oxiden flagar så kommer luft i kontakt med metall och ny oxid bildas som skyddar mot vidare reaktion.
I vår forskning utvecklar vi begrepp för att förstå komplexa korrosionsprocesser. Vi studerar styrkor och svagheter hos tre av de viktigaste barriäroxiderna. De är alumina, kromia och zirkonia. Vi beskriver och förklarar på atomär nivå hur olika omgivningar, temperaturer och tillsatser inverkar på korrosionsegenskaperna. Våra arbetshypoteser tar avstamp i kantmekanisk förståelse samt kvantkemiska beräkningar. Teoribygget baserar sig även på en övergripande elektrokemisk förståelse av korrosionsprocessen, att den kan liknas vid ett batteri. På ett kemiskt plan är faktiskt korrosion ofta också liktydigt med processerna i en bränslecell. Vi utvecklar vår grundläggande förståelse genom att hela tiden utmana den med hjälp av modellexperiment i laboratoriet. Syftet är att få fram kritiska samverkande faktorer som framkallar korrosion. Således förklarar vi hur kväve tränger igenom orenheter i skyddande oxidskikt och prövar en analog förståelse för kolinträngning; hur vatten vars syreatom bygger oxidlarget samtidigt drar med sig väte in i oxiden. När så väte avgår som vätgas eller tas upp i legeringen - för övrigt en källa till väteförsprödning - uppstår elektiskt fält i oxiden som gör att den växer långsammare. Om detta fält skärmas med positiva joner sk reaktiva element, så kan kontroll av transportprocesserna i barriäroxiden uppnås. Liknande effekter uppnås med klorid- eller sulfidjoner i gränsytan metall/oxid. På så sätt utvecklar och testar vi koncept för att kunna skräddarsy legeringar för framtidens kraftgenereringssystem.
Vår modellering av korrosionsprocesserna är baserade på kvantkemisk beräkningar samt teoretiska och experimentella modellstudier,  kompletterat med avancerade analysmetoder som transmissionselektronmikroskopi, nano-SIMS och atomsond i våra nätverk. Detta, att experimentellt validera vår förståelse ger oss unika möjligheten att skapa ny kunskap för ett hållbart samhälle. Syftet med denna kunskap är att utveckla nya material med bättre korrosionsegenskaper, bättre värmeledningsförmåga över tid och förbättrad mekanisk beständighet.
   
Problembeskrivning (välj något av följande):
1. faktorer som bestämmer oxiders skyddande egenskaper
2. faktorer som bestämmer motståndskraft mot sprickbildning
3. faktorer som bestämmer legeringars hårdhet
 
Genomförande /Viktiga moment/teknikinnehåll  
1. Litteraturstudie
2. Modellering
3. Industriell relevans i tillverkning och användning
 
Speciella förkunskapskrav: KF
Möjlig målgrupp: KF
Gruppstorlek: 4-6 studenter 
Förslagsställare/kontaktperson/huvudhandledare: Itai Panas
Övriga handledare: Vedad Babic, Christine Geers (ej tillfrågade)

Sidansvarig Publicerad: må 02 nov 2020.