De nombreuses technologies actuelles et futures nécessitent des alliages capables de résister à des températures élevées sans se corroder. Maintenant, chercheurs de l'Université de technologie Chalmers, Suède, ont salué une avancée majeure dans la compréhension du comportement des alliages à haute température, ouvrant la voie à des améliorations significatives dans de nombreuses technologies. Les résultats sont publiés dans la revue hautement cotée Matériaux naturels .

Développer des alliages capables de résister à des températures élevées sans se corroder est un enjeu majeur pour de nombreux domaines, telles que les technologies énergétiques renouvelables et durables comme l'énergie solaire concentrée et les piles à combustible à oxyde solide, ainsi que l'aviation, transformation des matériaux et pétrochimie.

A hautes températures, les alliages peuvent réagir violemment avec leur environnement, provoquant rapidement la défaillance des matériaux par corrosion. Pour se protéger de cela, tous les alliages haute température sont conçus pour former une calamine protectrice, généralement constitué d'oxyde d'aluminium ou d'oxyde de chrome. Ce tartre d'oxyde joue un rôle déterminant dans la prévention de la corrosion des métaux. Par conséquent, la recherche sur la corrosion à haute température est très focalisée sur ces écailles d'oxydes - comment elles se forment, comment ils fonctionnent à haute température, et comment ils échouent parfois.

L'article dans Matériaux naturels répond à deux problématiques classiques du domaine. L'une s'applique aux très petits additifs d'éléments dits « réactifs » – souvent l'yttrium et le zirconium – que l'on trouve dans tous les alliages à haute température. La deuxième question concerne le rôle de la vapeur d'eau.

"L'ajout d'éléments réactifs aux alliages entraîne une énorme amélioration des performances - mais personne n'a été en mesure de fournir une preuve expérimentale robuste pourquoi, " dit Nooshin Mortazavi, chercheur en matériaux au département de physique de Chalmers, et premier auteur de l'étude. "De même, le rôle de l'eau, qui est toujours présent dans les environnements à haute température, sous forme de vapeur, a été peu compris. Notre article aidera à résoudre ces énigmes".

Dans ce document, les chercheurs de Chalmers montrent comment ces deux éléments sont liés. Ils démontrent comment les éléments réactifs de l'alliage favorisent la croissance d'une couche d'oxyde d'aluminium. La présence de ces particules d'éléments réactifs provoque la croissance du tartre d'oxyde vers l'intérieur, plutôt que vers l'extérieur, facilitant ainsi le transport de l'eau de l'environnement, vers le substrat d'alliage. Les éléments réactifs et l'eau se combinent pour créer une croissance rapide, nanocristallin, tartre d'oxyde.

"Cet article remet en question plusieurs "vérités" acceptées dans la science de la corrosion à haute température et ouvre de nouvelles voies passionnantes pour la recherche et le développement d'alliages, " dit Lars Gunnar Johansson, Professeur de chimie inorganique à Chalmers, Directeur du Competence Center for High Temperature Corrosion (HTC) et co-auteur de l'article.

« Tout le monde dans l'industrie attendait cette découverte. Il s'agit d'un changement de paradigme dans le domaine de l'oxydation à haute température, ", explique Nooshin Mortazavi. "Nous établissons maintenant de nouveaux principes pour comprendre les mécanismes de dégradation de cette classe de matériaux à très haute température."

Suite à leurs découvertes, les chercheurs de Chalmers proposent une méthode pratique pour créer des alliages plus résistants. Ils démontrent qu'il existe une taille critique pour les particules d'éléments réactifs. Au-dessus d'une certaine taille, les particules d'élément réactif provoquent des fissures dans l'échelle d'oxyde, qui fournissent une voie facile pour que les gaz corrosifs réagissent avec le substrat d'alliage, provoquant une corrosion rapide. Cela signifie qu'un meilleur, un tartre d'oxyde plus protecteur peut être obtenu en contrôlant la distribution granulométrique des particules d'élément réactif dans l'alliage.

Cette recherche révolutionnaire de l'Université de technologie Chalmers montre la voie à une plus forte, plus sûr, alliages plus résistants à l'avenir.

Les alliages à haute température sont utilisés dans une variété de domaines, et sont essentiels à de nombreuses technologies qui sous-tendent notre civilisation. Ils sont cruciaux pour les technologies d'énergies renouvelables nouvelles et traditionnelles, comme l'électricité « verte » issue de la biomasse, gazéification de la biomasse, bioénergie avec captage et stockage du carbone (BECCS), énergie solaire concentrée, et les piles à combustible à oxyde solide. Ils sont également essentiels dans de nombreux autres domaines technologiques importants tels que les moteurs à réaction, pétrochimie et transformation des matériaux.

Toutes ces industries et technologies sont entièrement dépendantes de matériaux capables de résister à des températures élevées – 600°C et au-delà – sans défaillance à cause de la corrosion. Il y a une demande constante de matériaux avec une meilleure résistance à la chaleur, à la fois pour le développement de nouvelles technologies haute température, et pour améliorer l'efficacité des processus existants.

Par exemple, si les aubes de turbine des moteurs à réaction d'un avion pouvaient résister à des températures plus élevées, le moteur pourrait fonctionner plus efficacement, entraînant des économies de carburant pour l'industrie aéronautique. Ou, si vous pouvez produire des tuyaux de vapeur avec une meilleure capacité à haute température, les centrales électriques à biomasse pourraient produire plus d'électricité par kilogramme de carburant.

La corrosion est l'un des principaux obstacles au développement des matériaux dans ces zones. L'article des chercheurs de Chalmers fournit de nouveaux outils aux chercheurs et à l'industrie pour développer des alliages qui résistent à des températures plus élevées sans se corroder rapidement.

L'explication des chercheurs de Chalmers sur la façon dont se produit la croissance de l'échelle d'oxyde - qui a été développée à l'aide de plusieurs méthodes complémentaires d'expérimentation et de modélisation de la chimie quantique - est complètement nouvelle à la fois pour la communauté des chercheurs, et l'industrie dans le domaine des matériaux à haute température.

La recherche a été menée par le Centre de corrosion à haute température (HTC) en collaboration entre les départements de chimie et de physique de Chalmers, en collaboration avec le premier fabricant mondial de matériaux Kanthal, fait partie du groupe Sandvik. HTC est financé conjointement par l'Agence suédoise de l'énergie, 21 sociétés membres et Chalmers.

Le document a été publié en Matériaux naturels .