Muitas tecnologias atuais e futuras requerem ligas que podem resistir a altas temperaturas sem corrosão. Agora, pesquisadores da Chalmers University of Technology, Suécia, saudaram um grande avanço na compreensão de como as ligas se comportam em altas temperaturas, apontando o caminho para melhorias significativas em muitas tecnologias. Os resultados são publicados na revista altamente conceituada Materiais da Natureza .

O desenvolvimento de ligas que podem suportar altas temperaturas sem corrosão é um desafio chave para muitos campos, como tecnologias de energia renovável e sustentável, como energia solar concentrada e células de combustível de óxido sólido, bem como a aviação, processamento de materiais e petroquímica.

Em altas temperaturas, ligas podem reagir violentamente com seu ambiente, fazendo com que os materiais falhem rapidamente por corrosão. Para se proteger contra isso, todas as ligas de alta temperatura são projetadas para formar uma escala de óxido protetora, geralmente consistindo de óxido de alumínio ou óxido de cromo. Esta escala de óxido desempenha um papel decisivo na prevenção da corrosão dos metais. Portanto, a pesquisa sobre corrosão em alta temperatura está muito focada nessas escamas de óxido - como elas são formadas, como eles atuam em altas temperaturas, e como eles às vezes falham.

O artigo em Materiais da Natureza responde a duas questões clássicas na área. Um se aplica aos aditivos muito pequenos dos chamados 'elementos reativos' - geralmente ítrio e zircônio - encontrados em todas as ligas de alta temperatura. A segunda questão é sobre o papel do vapor d'água.

"Adicionar elementos reativos às ligas resulta em uma grande melhoria no desempenho - mas ninguém foi capaz de fornecer uma prova experimental robusta do porquê, "diz Nooshin Mortazavi, pesquisador de materiais no Departamento de Física de Chalmers, e primeiro autor do estudo. "Da mesma forma, o papel da água, que está sempre presente em ambientes de alta temperatura, na forma de vapor, foi pouco compreendido. Nosso jornal vai ajudar a resolver esses enigmas ".

Nesse artigo, os pesquisadores Chalmers mostram como esses dois elementos estão ligados. Eles demonstram como os elementos reativos na liga promovem o crescimento de uma incrustação de óxido de alumínio. A presença dessas partículas de elemento reativo faz com que a escala de óxido cresça para dentro, ao invés de para fora, facilitando assim o transporte de água do meio ambiente, em direção ao substrato de liga. Os elementos reativos e a água se combinam para criar um nanocristalino, escala de óxido.

"Este artigo desafia várias 'verdades' aceitas na ciência da corrosão em alta temperatura e abre novos caminhos interessantes de pesquisa e desenvolvimento de ligas, "diz Lars Gunnar Johansson, Professor de Química Inorgânica na Chalmers, Diretor do Centro de Competência para Corrosão em Alta Temperatura (HTC) e co-autor do artigo.

"Todos na indústria estavam esperando por esta descoberta. Esta é uma mudança de paradigma no campo da oxidação de alta temperatura, "diz Nooshin Mortazavi." Estamos agora estabelecendo novos princípios para a compreensão dos mecanismos de degradação nesta classe de materiais em temperaturas muito altas. "

Além de suas descobertas, os pesquisadores da Chalmers sugerem um método prático para criar ligas mais resistentes. Eles demonstram que existe um tamanho crítico para as partículas do elemento reativo. Acima de um certo tamanho, partículas de elemento reativo causam rachaduras na escala de óxido, que fornecem uma rota fácil para os gases corrosivos reagirem com o substrato da liga, causando corrosão rápida. Isso significa que um melhor, mais escala de óxido de proteção pode ser alcançada controlando a distribuição de tamanho das partículas do elemento reativo na liga.

Esta pesquisa inovadora da Chalmers University of Technology aponta o caminho para mais mais seguro, ligas mais resistentes no futuro.

Ligas de alta temperatura são usadas em uma variedade de áreas, e são essenciais para muitas tecnologias que sustentam nossa civilização. Eles são cruciais para as tecnologias de energia renovável novas e tradicionais, como eletricidade "verde" de biomassa, gaseificação de biomassa, bioenergia com captura e armazenamento de carbono (BECCS), energia solar concentrada, e células de combustível de óxido sólido. Eles também são cruciais em muitas outras áreas importantes de tecnologia, como motores a jato, petroquímica e processamento de materiais.

Todas essas indústrias e tecnologias são totalmente dependentes de materiais que podem suportar altas temperaturas - 600 ° C e além - sem falhar devido à corrosão. Há uma demanda constante por materiais com maior resistência ao calor, tanto para o desenvolvimento de novas tecnologias de alta temperatura, e para aumentar a eficiência do processo dos existentes.

Por exemplo, se as pás da turbina nos motores a jato de uma aeronave pudessem suportar temperaturas mais altas, o motor poderia operar com mais eficiência, resultando em economia de combustível para a indústria da aviação. Ou, se você pode produzir tubos de vapor com melhor capacidade de alta temperatura, as usinas movidas a biomassa poderiam gerar mais energia por quilograma de combustível.

A corrosão é um dos principais obstáculos ao desenvolvimento de materiais nessas áreas. O artigo dos pesquisadores da Chalmers fornece novas ferramentas para pesquisadores e indústria desenvolverem ligas que resistem a altas temperaturas sem corrosão rápida.

A explicação dos pesquisadores Chalmers de como ocorre o crescimento da escala de óxido - que foi desenvolvida usando vários métodos complementares para experimentação e modelagem química quântica - é completamente nova para a comunidade de pesquisa, e a indústria na área de materiais de alta temperatura.

A pesquisa foi realizada pelo High Temperature Corrosion Center (HTC) em uma colaboração entre os Departamentos de Química e Física da Chalmers, junto com o fabricante de materiais líder mundial Kanthal, parte do grupo Sandvik. HTC é financiado conjuntamente pela Agência Sueca de Energia, 21 empresas associadas e Chalmers.

O artigo foi publicado em Materiais da Natureza .