Tulenkestävät korkean entropian metalliseokset energiateknisissä prosesseissa

Abstract

Kasvava energiantarve ja halu tehdä energiajärjestelmästä kestävämpi ovat ohjanneet tutkijat tekemään parannuksia nykyiseen energiantuotantoon ja etsimään kokonaan uusia tuotantomuotoja. Nykyisin käytössä olevat materiaalit eivät kuitenkaan kykene vastaamaan parannusten ja uusien tuotantomuotojen tuomiin haasteisiin, minkä takia tarvitaan ominaisuuksiltaan entistä parempia materiaaleja. Yksi mahdollisista vaihtoehdoista ovat tulenkestävät korkean entropian metalliseokset (RHEA). Tässä kandidaatintyössä esitellään RHEA-materiaalien perusteet, energiasektorin sovelluskohteita sekä pohditaan materiaalien tulevaisuudennäkymiä.

Jotkut RHEA:t ovat haastavissa olosuhteissa ominaisuuksiltaan parempia kuin perinteiset metalliseokset, ja niillä on erityisen hyvät mekaaniset ominaisuudet korkeissa (yli 1000 °C) lämpötiloissa, minkä takia niitä kaavaillaan sovellettavaksi esimerkiksi kaasuturbiineissa ja vedyn varastoinnissa. Materiaaleissa on kuitenkin myös heikkouksia, jotka liittyvät mm. huonelämpötilan ominaisuuksiin sekä suunnittelu- ja valmistusprosesseihin. Aihe on kuitenkin varsin uusi ja kiinnostus sitä kohtaan on kasvanut viime vuosina, joten uusia tutkimuksia ja läpimurtoja on odotettavissa. Jos materiaaleihin liittyvät haasteet saadaan selätettyä, RHEA:t voivat tulevaisuudessa olla käyttökelpoinen materiaalivaihtoehto energiantuotannon yhä haastavampiin olosuhteisiin.

The growing demand for energy and the desire to make the energy system more sustainable has led scientists to improve the current system and to seek novel energy production methods. However, the currently available materials are not suited for the harsh conditions of the improved and novel production methods, which has generated a need for new and better materials. One of the possible options is refractory high entropy alloys (RHEAs). This bachelor’s thesis presents the fundamentals of RHEAs, possible applications in the energy sector and future prospects.

Some RHEAs exhibit superior properties in demanding conditions when compared to traditional alloys and they possess especially impressive mechanical properties in high (over 1000 °C) temperatures. This is why they have been proposed to be used in gas turbines and hydrogen storage, for example. RHEAs do have weaknesses, which include but are not limited to room temperature properties and challenges related to the design/manufacturing processes. However, the topic is relatively new, and it has gained increasing interest in recent years, which suggests that further studies and breakthroughs are to be expected. If the weaknesses can be overcome, RHEAs could possibly be a viable option for the increasingly challenging conditions of future energy production.