Caracterização Material para Aplicações da Produção de Electricidade

A Maioria da potência gerada nos Estados Unidos é gerada com turbinas usando um ciclo de Rankine (com o vapor criado por reactores nucleares ou queimando o carvão ou a biomassa) ou um ciclo de Brayton (com gás-despedimento natural ou da síntese). Em qualquer dos casos, a estratégia principal para a eficiência crescente destas turbinas é aumentar a temperatura máxima do ciclo.

O objetivo da pesquisa limpa de carvão é aumentar a temperatura do vapor da média actual da planta dos E.U. de ~550°C a 700°-760°C, que aumentaria a eficiência (e para diminuir emissões) por >30%. Similar aos motores de jato em aviões, a temperatura máxima nas turbina a gás terrestres da eficiência a mais alta é 1500°-1700°C, que é mais alto do que a temperatura de derretimento da maioria de ligas convencionais. Nestas circunstâncias, as lâminas e as aletas do superalloy da Ni-Base na turbina são protegidas por sistemas de refrigeração sofisticados do filme e por revestimentos de barreira térmica.

Estes revestimentos consistem em uma camada cerâmica (baixa zircônia da condutibilidade térmica) sobre um revestimento metálico oxidação-resistente.¹ As altas temperaturas e os ambientes corrosivos (vapor, gás de combustão) podem degradar materiais rapidamente. Contudo, a produção de electricidade para a grade elétrica comercial exige um alto nível da confiança com períodos prolongados (anos) de operação com as paradas programadas mínimas.

Assim, um assunto de pesquisa dos materiais chaves está estudando a degradação de alta temperatura dos materiais do candidato (que incluem revestimentos protectores) e está determinando a taxa de degradação usando várias técnicas da caracterização. A Degradação pode ser devido à carga mecânica ou devido à corrosão do material devido ao ambiente reactivo.

A ferramenta preliminar da caracterização para as ligas estruturais convencionais (tais como aços ferritic ou austeníticos ou ligas da Ni-Base) usadas na maioria de aplicações da produção de electricidade é secções transversais metalográficos. O Material é cortado, montado na cola Epoxy ou nos outros media e lustrado para examinar a microestrutura da liga e a profundidade do ataque. Os Exames são pela fotomicroscopia e, para umas ampliações mais altas, pela microscopia de elétron.

Usando a microscopia de elétron, as composições quimicas podem ser determinadas medindo os raios X característicos emissores do material devido à excitação pelo feixe de elétron da usurpação. Usar a análise de raio X dispersiva da energia (típica em microscópios electrónicos da exploração) ou a análise de raio X dispersiva do comprimento de onda (típica em microprobes do elétron), a composição quimica do produto de superfície da reacção e liga subjacente pode ser determinada, em função da profundidade para determinar especialmente mudanças.

Os Exemplos são mostrados em Figuras 1 e 2 para uma liga comercial da Ni-Base. Como um óxido Cr-Mais Rico forma na superfície em um tempo mais longo e umas exposições mais altas da temperatura, Cr tornam-se esgotadas da liga subjacente (Figura 2), que pode afectar as propriedades mecânicas. Eventualmente, tal prostração conduzirá a uma falha acelerada da taxa e do componente de corrosão. Este tipo de caracterização é essencial a modelar o desempenho (50-250kh) a longo prazo disto e de outros materiais e a prever as temperaturas do vida e as máximas do uso.

Figura 1. imagem de secção transversal do microscópio de elétron da exploração do elétron Secundário da liga comercial 230 (Ni-22wt.%Cr-14W) após 5,000h em 1000°C no ar do laboratório. O espécime Cu-Foi Chapeado antes de montar para proteger o óxido de superfície. Os dados da linha de varredura são um dos perfis em Figura 2.

Umas técnicas Mais sofisticadas da caracterização são usadas para estudar os mecanismos da degradação. Por exemplo, ¹⁸os projétis luminosos de O podem ser usados para determinar o mecanismo do crescimento do óxido ou da escala de superfície.^2,3 A difracção de Raio X (XRD) é de uso geral identificar a composição da fase. XRD In Situ pode ajudar a compreender as transformações da fase e os fenômenos dinâmicos que ocorrem durante o serviço na alta temperatura.^4,5

Figura 2. perfis de composição do Cr do microprobe do Elétron das amostras da liga 230 expor em três condições diferentes no ar do laboratório. Perto da superfície, o índice do Cr é mais altamente devido à formação de um óxido Cr-Rico. Abaixo da escala externo, a liga é esgotada no Cr segundo o tempo e a temperatura de exposição.

A microscopia de elétron de transmissão Analítica é usada para estudar a escala tèrmica crescida mesmo em umas ampliações mais altas e pode identificar o lugar dos entorpecentes.⁶ As técnicas analíticas De Superfície (espectroscopia por exemplo, do eixo helicoidal ou do fotoelectrão do raio X) podem identificar o estado da composição e do produto químico de produtos da reacção e de segregants de superfície finos da relação. Actualmente⁷ , as técnicas novas da caracterização estão sendo exploradas para estudar o papel propor do hidrogênio nos materiais de degradação expor para cozinhar ou no gás de exaustão (que contem HO).₂ ³

Referências

1. B. Gleeson, “Revestimentos de Barreira Térmica para Aplicações do Motor De Avião,” J. Suporte. Potência, 22 (2006) 375-383.
2. B.A. Pinta, J.R. Martin e L.W. Hobbs, “Caracterização 18O/SIMS do Mecanismo do Crescimento do Lubrificado e Undoped? - Al2O3,” Oxid. Encontrado. 39 (1993) 167-95.
3. W.J. Quadakkers, J. Zurek, e M. Hänsel, “Efeito do vapor de água na oxidação de alta temperatura de FeCr ligam,” JOM 61(7) (2009) 44-50.
4. B.A. Pinta, S.A. Speakman, C.J. Rawn e Transformações de Y. Zhang, de “Deformação e de Fase Durante a Oxidação Cíclica de Nial e de Ni-Pinta-Al,” JOM 58(1) (2006) 47-52.
5. P.Y. Hou, A.P. Paulikas, e B.W. Vitela, do “Tensões Crescimento em Al2O3 Tèrmica Crescido Escalam Estudado Usando a Radiação de Synchrotron,” JOM 61(7) (2009) 51-55.
6. B.A. Pinta e K.L. Mais, “Caracterização de Relações da Alumina em Sistemas de TBC,” J. Mater. Sci. 44 (2009) 1676-86.
7. P.Y. Hou, da “Fenômenos Segregação em Relações Tèrmica Crescidas da Liga Al2O3,” Annu. Rev. Mater. Res., 38 (2008) 275-98.