Caracterización Material para las Aplicaciones de la Producción de Energía

La mayor parte de la potencia generada en los Estados Unidos es generada con las turbinas usando un Ciclo de Rankine (con el vapor creado por los reactores nucleares o quemando el carbón o la biomasa) o un ciclo de Brayton (con la gas-despedida natural o de la síntesis). En ambos casos, la estrategia principal para la eficiencia cada vez mayor de estas turbinas es aumentar la temperatura máxima del ciclo.

La meta de la investigación limpia del carbón es aumentar la temperatura del vapor del promedio actual de la instalación de los E.E.U.U. de ~550°C a 700°-760°C, que aumentaría eficiencia (y disminuir emisiones) en el >30%. Similar a los motores a reacción en los aviones, la temperatura máxima en las turbinas de gas cones base en tierra de la eficacia más alta es 1500°-1700°C, que es más alto que la temperatura que funde de la mayoría de las aleaciones convencionales. En estas condiciones, las láminas y las veletas de la superaleación de la Ni-Base en la turbina son protegidas por los sistemas de enfriamiento sofisticados de película y por las capas de barrera térmica.

Estas capas consisten en una capa de cerámica (circona inferior de la conductividad térmica) encima de una capa metálica oxidación-resistente.¹ Las temperaturas altas y los ambientes corrosivos (vapor, gas de combustión) pueden degradar los materiales rápidamente. Sin Embargo, la producción de energía para la matriz eléctrica comercial requiere un alto nivel de confiabilidad con los períodos extendidos (años) de la operación con paradas normales mínimas.

Así, un tema de investigación de los materiales dominantes está estudiando la degradación da alta temperatura de los materiales del candidato (capas protectoras incluyendo) y está cuantificando el índice de degradación usando diversas técnicas de la caracterización. La Degradación puede ser debido a la carga mecánica o debido a la corrosión del material debido al ambiente reactivo.

La herramienta primaria de la caracterización para las aleaciones estructurales convencionales (tales como aceros ferríticos o austeníticos o aleaciones de la Ni-Base) usadas en la mayoría de las aplicaciones de la producción de energía es cortes transversales metalográficos. El Material se corta, se monta en epóxido u otros media y se pule para examinar la microestructura de la aleación y la profundidad del ataque. Los Exámenes están por microscopia pálida y, para magnificaciones más altas, microscopia electrónica.

Usando microscopia electrónica, las composiciones químicas pueden ser determinadas midiendo las radiografías características emitidas del material debido a la excitación por el haz electrónico el afectar. Usando el análisis de radiografía dispersivo de la energía (típico en los microscopios electrónicos de la exploración) o el análisis de radiografía dispersivo de la longitud de onda (típico en los microsondeos electrónicos del electrón), la composición química del producto superficial de la reacción y la aleación subyacente puede ser resuelto, especialmente en función de la profundidad para determinar cambios.

Los Ejemplos se muestran en los Cuadros 1 y 2 para una aleación comercial de la Ni-Base. Como óxido Cr-Más Rico forma en la superficie en un tiempo más largo y exposiciones más altas de la temperatura, Cr se agotan de la aleación subyacente (el Cuadro 2), que puede afectar a las propiedades mecánicas. Eventual, tal agotamiento llevará a un incidente acelerado del tipo y del componente de corrosión. Este tipo de caracterización es esencial para el modelado del funcionamiento a largo plazo (50-250kh) de esto y de otros materiales y predecir las temperaturas del curso de la vida y máximas del uso.

Cuadro 1. imagen seccionada transversalmente del microscopio electrónico de exploración del electrón Secundario de la aleación comercial 230 (Ni-22wt.%Cr-14W) después de 5,000h en 1000°C en aire del laboratorio. El espécimen Cu-Fue Chapado antes de montar para proteger el óxido superficial. Los datos de la línea de exploración son uno de los perfiles en el Cuadro 2.

Técnicas Más sofisticadas de la caracterización se utilizan para estudiar los mecanismos de la degradación. Por ejemplo, ¹⁸los trazadores de O se pueden utilizar para determinar el mecanismo del incremento del óxido o de la escala superficial.^2,3 La difracción de Radiografía (XRD) es de uso general determinar la composición de la fase. XRD "in-situ" puede ayudar a entender las transformaciones de la fase y los fenómenos dinámicos que ocurren durante servicio en la temperatura alta.^4,5

Cuadro 2. perfiles de composición del Cr del microsondeo electrónico del Electrón de muestras de la aleación 230 expuesta en tres diversas condiciones en aire del laboratorio. Cerca de la superficie, el contenido del Cr es más arriba debido a la formación de un óxido Cr-Rico. Debajo de la escala externa, la aleación se agota en Cr dependiendo del tiempo y de la temperatura de exposición.

La microscopia electrónica de transmisión Analítica se utiliza para estudiar la escala térmicamente crecida en incluso magnificaciones más altas y puede determinar la ubicación de dopantes.⁶ Las técnicas analíticas Superficiales (espectroscopia e.g., de la barrena o del fotoelectrón de la radiografía) pueden determinar el estado de la composición y de la substancia química de los productos de la reacción y de los segregants superficiales finos del interfaz. Actualmente⁷ , las nuevas técnicas de la caracterización se están explorando para estudiar el papel propuesto del hidrógeno en los materiales de degradación expuestos para tratar con vapor o el gas de escape (que contiene HO).₂ ³

Referencias

1. B. Gleeson, “Capas de Barrera Térmica para las Aplicaciones del Aeromotor,” J. Prop. Potencia, 22 (2006) 375-383.
2. ¿B.A. Pint, J.R. Martin y L.W. Hobbs, “Caracterización 18O/SIMS del Mecanismo del Incremento de Dopado y Sin Impurificar? - Al2O3,” Oxid. Encontrado. 39 (1993) 167-95.
3. W.J. Quadakkers, J. Zurek, y M. Hänsel, “Efecto del vapor de agua sobre la oxidación da alta temperatura de FeCr alea,” JOM 61(7) (2009) 44-50.
4. B.A. Pint, S.A. Speakman, C.J. Rawn y Transformaciones de Y. Zhang, “de la Deformación y de la Fase Durante la Oxidación Cíclica de Nial y del Ni-Pinta-Al,” JOM 58(1) (2006) 47-52.
5. P.Y. Hou, A.P. Paulikas, y B.W. Veal, “Deformaciones del Incremento en las Escalas Térmicamente Crecidas Al2O3 Estudiadas Usando la Radiación de Sincrotrón,” JOM 61(7) (2009) 51-55.
6. B.A. Pint y K.L. Más, “Caracterización de los Interfaces del Alúmina en Sistemas de TBC,” J. Mater. Sci. 44 (2009) 1676-86.
7. P.Y. Hou, “Fenómenos de la Segregación en los Interfaces Térmicamente Crecidos de la Aleación Al2O3,” Annu. Rev. Mater. Res., 38 (2008) 275-98.