Utveckling av nästa generations MoSi2 högtemperaturmaterial
- Diarienummer
- ID18-0064
- Start- och slutdatum
- 190101-240630
- Beviljat belopp
- 2 500 000 kr
- Förvaltande organisation
- Chalmers University of Technology
- Forskningsområde
- Materialvetenskap och materialteknologier
Summary
Projektet syftar till att utveckla nästa generations alumina-bildande keramkompositer för strukturella tillämpningar i mycket krävande miljöer. Bildandet av ett skyddande alumina-skikt på ytan skulle tillåta användandet vid temperaturer upp till 1400-1500 °C i förhållanden där andra kiseloxid-bildande strukturella keramer inte kan användas, medan en optimering av materialets kemi och struktur för mekaniska egenskaper gör att det kan klart överträffa dagens FeCrAl-baserade legeringar. Detta kommer att uppnås genom att systematiskt utforska den kemiska sammansättningen och mikrostrukturen hos den molybden-aluminosilicid (Mo(Si,Al)2) som i dagsläget används för icke-strukturella tillämpningar i värmeelement för elektrisk uppvärmning. Strukturen och egenskaperna kommer att skräddarsys genom att optimera aluminum-halten och tillsätta ytterligare element för att balansera oxidations/korrosions-motstånd och mekaniska egenskaper vid höga temperaturer. Legeringsutvecklingen stöttas av termodynamisk modellering och avancerad materialkaraktärisering för att fastställa de grundläggande mekanismerna. Resultatet kan sammanfattas i två punkter: (i) en ökad konkurrenskraft i svensk industri genom nya avancerade produkter samt möjligheten för Kanthal att utforska helt nya marknader; (ii) en ökad effektivitet i både energiproducerande och energikonsumerande processer, och därigenom direkt bidrag till ett mer hållbart samhälle.
Populärvetenskaplig beskrivning
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.