Muchas tecnologías actuales y futuras requieren aleaciones que puedan soportar altas temperaturas sin corroerse. Ahora, investigadores de la Universidad Tecnológica de Chalmers, Suecia, han aclamado un gran avance en la comprensión de cómo se comportan las aleaciones a altas temperaturas, señalando el camino hacia mejoras significativas en muchas tecnologías. Los resultados se publican en la revista altamente calificada Materiales de la naturaleza .

Desarrollar 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 pilas de combustible de óxido sólido, así como la aviación, procesamiento de materiales y petroquímica.

A altas temperaturas, las aleaciones pueden reaccionar violentamente con su entorno, haciendo que los materiales fallen rápidamente por corrosión. Para protegerse contra esto, Todas las aleaciones de alta temperatura están diseñadas para formar una capa protectora de óxido. generalmente consiste en óxido de aluminio u óxido de cromo. Esta cascarilla de óxido juega un papel decisivo en la prevención de la corrosión de los metales. Por lo tanto, La investigación sobre la corrosión a alta temperatura se centra mucho en estas escamas de óxido:cómo se forman, cómo se desempeñan a altas temperaturas, y cómo a veces fallan.

El artículo en Materiales de la naturaleza responde a dos cuestiones clásicas 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. La segunda cuestión se refiere al papel del vapor de agua.

"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. "Igualmente, el papel del agua, que siempre está presente en entornos de alta temperatura, en forma de vapor, ha sido poco entendido. Nuestro papel ayudará a resolver estos enigmas ".

En este papel, los investigadores de Chalmers muestran cómo se vinculan estos dos elementos. Demuestran cómo los elementos reactivos de la aleación promueven el crecimiento de una cascarilla 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, facilitando así el transporte de agua del medio ambiente, hacia el sustrato de aleación. Los elementos reactivos y el agua se combinan para crear un nanocristalino, escala de óxido.

"Este documento desafía varias 'verdades' aceptadas en la ciencia de la corrosión a alta temperatura y abre nuevas y emocionantes vías de investigación y desarrollo de aleaciones, "dice Lars Gunnar Johansson, Profesor de Química Inorgánica en Chalmers, Director del Competence Center for High Temperature Corrosion (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 de los elementos reactivos provocan grietas en la escala de óxido. que proporcionan una ruta fácil para que los gases corrosivos reaccionen con el sustrato de aleación, provocando una rápida corrosión. Esto significa que una mejor Se puede lograr una escala de óxido más protectora controlando la distribución de tamaño de las partículas del elemento reactivo en la aleación.

Esta innovadora investigación de la Universidad Tecnológica de Chalmers señala el camino hacia una más seguro aleaciones más resistentes en el futuro.

Las aleaciones de alta temperatura se utilizan en una variedad de áreas, y son esenciales para muchas tecnologías que sustentan nuestra civilización. Son cruciales para las tecnologías de energía renovable tanto nuevas como tradicionales, como la electricidad "verde" a partir de biomasa, gasificación de biomasa, bioenergía con captura y almacenamiento de carbono (BECCS), energía solar concentrada, y pilas de combustible de óxido sólido. También son cruciales en muchas otras áreas tecnológicas importantes, como los motores a reacción, petroquímica y procesamiento de materiales.

Todas estas industrias y tecnologías dependen completamente de materiales que puedan soportar altas temperaturas (600 ° C y más) sin fallar debido a la corrosión. Existe una demanda constante de materiales con mejor resistencia al calor, tanto para el desarrollo de nuevas tecnologías de alta temperatura, y para mejorar la eficiencia del proceso de los existentes.

Por ejemplo, si las palas de la turbina en los motores a reacción de un avión pudieran soportar temperaturas más altas, el motor podría funcionar de manera más eficiente, resultando en ahorros de combustible para la industria de la aviación. O, si puede producir tubos de vapor con una mejor capacidad de alta temperatura, Las centrales eléctricas de biomasa podrían generar más energía por kilogramo de combustible.

La corrosión es uno de los obstáculos clave para el desarrollo material 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.

La explicación de los investigadores de Chalmers sobre cómo se produce el crecimiento de las incrustaciones de óxido, que se ha desarrollado utilizando varios métodos complementarios para la experimentación y el modelado de la química cuántica, es completamente nueva tanto para la comunidad investigadora. y la industria en el campo de los materiales de alta temperatura.

La investigación fue realizada por el Centro de Corrosión por Alta Temperatura (HTC) en una colaboración entre los Departamentos de Química y Física de Chalmers, junto con el fabricante de materiales líder mundial Kanthal, parte del grupo Sandvik. HTC está financiado conjuntamente por la Agencia Sueca de Energía, 21 empresas miembro y Chalmers.

El artículo fue publicado en Materiales de la naturaleza .