Wytworzenie stopów wysokiej entropii cechujących się wyśmienitą odpornością na korozję wysokotemperaturową w atmosferze zawierającej parę wodną jest celem projektu realizowanego na Politechnice Rzeszowskiej.
Jak podkreśla kierownik projektu, dr inż. Wojciech Nowak z Katedry Nauki o Materiałach na Wydziale Budowy Maszyn i Lotnictwa Politechniki Rzeszowskiej, materiały metaliczne stanowią obecnie najszerzej stosowaną grupę materiałów w niemal każdej dziedzinie naszego życia.
W porównaniu z materiałami ceramicznymi i polimerowymi materiały metaliczne cechują się bardzo dobrym przewodnictwem elektrycznym i cieplnym oraz bardzo dobrymi właściwościami mechanicznymi, m.in. wysoką wytrzymałością i twardością. Są szeroko stosowane w warunkach wysokiej temperatury, np. w silnikach turboodrzutowych lub stacjonarnych turbinach gazowych. W obecnych czasach duży nacisk kładzie się na zmniejszenie emisji gazów cieplarnianych do atmosfery, dlatego obserwujemy silny trend odchodzenia od paliw kopalnych w kierunku paliw alternatywnych, w tym paliw wzbogaconych w wodór – podkreśla dr inż. W. Nowak.
Dodaje przy tym, że spalanie wodoru oprócz obniżenia emisji gazów cieplarnianych do atmosfery wiąże się z pewnymi konsekwencjami. Po pierwsze, zwiększa temperaturę spalin, a co za tym idzie temperaturę pracy materiałów stosowanych w częściach gorących turbin. Po drugie, zwiększa stężenie pary wodnej w spalinach. Podwyższona temperatura spalania praktycznie eliminuje nadstopy niklu z ich zastosowania, ponieważ już na chwilę obecną temperatura ich pracy osiągnęła maksymalny limit temperatury ich stosowania. Dlatego poszukuje się materiałów mogących potencjalnie zastąpić stosowane nadstopy niklu i, co więcej, sprostać nowym wymaganiom.
Obecność pary wodnej w atmosferze podczas ekspozycji nadstopów niklu w wysokiej temperaturze negatywnie wpływa na ich odporność na korozję. Dodatkowo formowanie się zgorzeliny tlenkowej skutkuje zubożeniem materiału w strefie przypowierzchniowej, co z kolei powoduje zmiany w mikrostrukturze materiałów w tych obszarach. Właściwości wytrzymałościowe w dużym stopniu zależą od mikrostruktury materiałów metalicznych, dlatego zmiana mikrostruktury stopów powoduje zmianę ich właściwości mechanicznych. Z tego powodu pożądany jest materiał wykazujący dużą stabilność mikrostruktury w wysokiej temperaturze. Stopy wysokiej entropii (HEA’s) stanowią najbardziej obiecującą grupę materiałów wykazujących dużą stabilność mikrostruktury w wysokiej temperaturze. Mimo że odporność na korozję wysokotemperaturową stopów wysokiej entropii w atmosferach suchych (niezawierających pary wodnej) została zbadana, brak jest informacji dotyczących odporności na korozję wysokotemperaturową w atmosferze zawierającej parę wodną – wyjaśnia badacz.
Celem projektu, finansowanego przez Narodowe Centrum Nauki, jest wytworzenie stopów wysokiej entropii cechujących się wyśmienitą odpornością na korozję wysokotemperaturową w atmosferze zawierającej parę wodną. Warunki procesu obróbki cieplnej zostaną zoptymalizowane, co będzie skutkować różną mikrostrukturą stopów HEA’s. W wyniku tego zostanie jednoznacznie opisany wpływ mikrostruktury stopów HEA’s na ich odporność na korozję wysokotemperaturową w mokrych gazach. Dodatkowo zostanie stworzony model matematyczny pozwalający na przewidywanie odporności na korozję wysokotemperaturową stopów HEA’s w warunkach utleniania w gazach zawierających parę wodną.
Uzyskane wyniki dostarczą zupełnie nowych informacji o zachowaniu stopów HEA’s w atmosferach zawierających parę wodną w wysokiej temperaturze w zależności od ich mikrostruktury. Różna mikrostruktura natomiast zostanie uzyskana dzięki modyfikacji parametrów procesu ich obróbki cieplnej – dodaje rzeszowski naukowiec.
Projekt otrzymał dofinansowanie w wysokości ponad pół mln zł w ramach konkursu OPUS 20. Będzie realizowany do lipca 2025 r.
Anna Worosz, źródło: PRz