Developing next generation high temperature MoSi2 materials
- Reference number
- ID18-0064
- Start and end dates
- 190101-240630
- Amount granted
- 2 500 000 SEK
- Administrative organization
- Chalmers University of Technology
- Research area
- Materials Science and Technology
Summary
The project is aimed at developing a new generation of alumina forming ceramic composites for structural applications in demanding environments. The formation of a protective alumina scale will allow operation at temperatures up to 1400-1500 °C under conditions where other silica forming structural ceramics cannot be used, while an optimization of the chemistry and structure of the material for mechanical performance will allow it to outperform state-of-the-art FeCrAl-based materials for structural use. This will be achieved by a systematic exploration of the chemical composition and microstructure of the molybdenum aluminosilicide (Mo(Si,Al)2) system currently used for non-structural electrical heating applications. The structure and properties will be tailored by optimizing the aluminium content and use of additional alloying elements to obtained a balance between high temperature oxidation/corrosion resistance and mechanical properties. The alloying development will be supported by thermodynamic modelling and advanced characterization techniques to reveal the underlying mechanisms. The result is two-fold: (i) it will increase the competitiveness of Swedish industry through new products in the field of high-temperature materials and allow Kanthal to explore completely new markets; (ii) it will lead to higher thermal efficiencies in many energy generating or consuming processes, thereby directly contribute to a more sustainable future.
Popular science description
En ökad effektivitet i både energiproducerande och energikonsumerande processer är avgörande för ett hållbart samhälle. Detta inkluderar till exempel olika typer av termiska processer såsom förbränning av biomassa och andra ”gröna” bränslen, men även tillverkningsprocesser där stora mängder energi går åt till uppvärmning. En ökad effektivitet i termiska processer åstadkoms enklast genom en ökning av temperaturen, vilket i sin tur ställer ökade krav på materialen. Det är främst två materialegenskaper som är begränsande vid de aktuella temperaturerna (över 1000 °C): oxidationsmotstånd och mekanisk hållfasthet. Oxidation (eller korrosion) är en process där materialet reagerar med ämnen i den omgivande miljön (oftast syre) och bildar en oxid på ytan. Om den processen är snabb och oxiden inte är skyddande (dvs tät och vidhäftande) kommer materialet att ”ätas upp” på kort tid. Oxidationshastigheten ökar typiskt exponentiellt med temperaturen. Den mekaniska hållfastheten, i form av krypmotstånd, minskar med ökande temperatur, vilket snabbt leder till formförändringar och problem i konstruktionen. För att tillåta fortsatt ökning av temperaturen, dvs verkningsgraden, och minska miljöpåverkan från dessa processer krävs nya material som kombinerar oxidationsmotstånd och mekanisk hållfasthet vid höga temperaturer i väldigt aggressiva miljöer. En sådan materialgrupp är strukturella keramer och deras kompositer, som uppvisar mycket goda mekaniska egenskaper upp till höga temperaturer, t.ex. molybden-disilicid (MoSi2). Ett problem är dock att dessa skyddas av kiseloxid, vilken har bra oxidationsmotstånd i syrerika miljöer, men helt förlorar sina skyddande egenskaper i andra industriellt relevanta miljöer. En utveckling av dessa keramer, så kallade aluminosilicider (Mo(Si,Al)2), bildar aluminumoxid istället för kiseloxid, vilken ger mycket bättre oxidationsmotstånd i krävande miljöer. Dessa lider dock av begräsningar i mekanisk hållfasthet, då den höga andelen aluminium påverkar materialets struktur, och används främst i tex värmeelement i ugnar. Vi kommer att utveckla en ny typ av strukturell keramkomposit, baserad på molybden-aluminosilicid med ytterligare legeringsämnen för att skapa en med optimerad kemi och struktur. På det sättet kommer vi att kunna skapa ett material som kombinerar det goda oxidationsmotståndet hos material som bildar aluminiumoxid, med mekaniska egenskaper som överträffar dagens mest avancerade legeringar för strukturella tillämpningar.