Hochaufgelöste in situ-Untersuchungen zum Materialverhalten von Fe-basierten CrNiMo-Legierungen in synthetischen Geothermalfluiden

• Antragsteller: Dr. Niklas Mundhenk
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 290015776

In technischen Anwendungen, in denen Korrosion als kritisch zu betrachten ist, kommen meist Fe-basierte CrNiMo Legierungen zum Einsatz. Zu dieser Klasse gehören auch die austenitisch/ferritischen Duplexlegierungen, die für viele Anwendungen als besonders aussichtsreich gelten. In dem Forschungsprojekt wird das Materialverhalten von CrNiMo Legierungen unter Bedingungen untersucht, die relevant für die Nutzung des tiefen geologischen Untergrunds sind (z.B. geothermische Stromerzeugung, CO2 Speicherung, nukleare Endlagerung). Basierend auf Ergebnissen aktueller Geothermieforschung werden Laborexperimente mit synthetischen Geothermalfluiden (Na-K-Ca-Mg-Cl-SO4-H2O System) bei Temperaturen bis zu 300°C durchgeführt, deren Zusammensetzung sich an natürlichen Fluiden aus Geothermie-Tiefbohrungen in Deutschland orientiert. Die Experimente dienen einem verbesserten Verständnis von bisher unzureichend untersuchten geothermalen Korrosionsumgebungen, auf dessen Grundlage eine optimierte Materialqualifikation stattfinden kann. Zentrale Punkte sind: 1.) Evaluierung der Korrosionsresistenz in Geothermalumgebungen 2.) Verständnis der Grenzflächenreaktivität (Passivität, Zusammenbruch Passivität). Anstatt den Fokus auf die makroskopische Korrosionsresistenz zu legen, wird das Materialverhalten auf die Reaktivität der Phasengrenzfläche heruntergebrochen und als intrinsisch und extrinsisch kontrolliertes Systemverhalten aufgefasst. Hierzu werden elektrochemische (Zyklische Voltammetrie CV, Impedanzspektroskopie EIS), spektroskopische (in-situ oberflächenverstärkte Raman Spektroskopie SERS) und mikroskopische Methoden (Rasterkraftmikroskopie) eingesetzt. CV und EIS dienen der Untersuchung des Korrosionsverhaltens, der Passivierung und der Stabilität des Passivfilms. Mit SERS können strukturelle und chemische Eigenschaften über die Passivschicht, bzw. deren Modifikation gewonnen werden, während die Probe potentiostatisch oder dynamisch polarisiert wird. Dies erlaubt die Identifikation stabilitätslimitierender Grenzflächenprozesse (z.B. chloridinduzierte Lokalkorrosion). AFM, bzw. in-situ hydrothermale AFM (HAFM) wird zur phänomenologischen Analyse der Oberflächenalteration und zur Bestimmung kinetischer Parameter eingesetzt. Mit HAFM kann die Alteration bei Temperaturen bis zu 150°C auf der Subnanometerskala zeitaufgelöst nachvollziehen zu können. Basierend auf einem interdisziplinären Ansatz erschließt das Projekt ein Forschungsfeld zwischen Grundlagen und angewandter Materialforschung für die Nutzung des geologischen Untergrunds. Versuche bei anwendungsrelevanten Temperaturen und Fluidmineralisationen liefern wertvolle Ergebnisse zum elektrochemischen und physikalischen Verhalten von Fe basierten CrNiMo Legierungen, ohne jedoch auf diese Legierungsklasse bzw. diese Korrosionsumgebungen beschränkt zu sein. Generell haben die im Projekt verwendeten in situ Methoden und die komplementäre Anwendung von Methoden eine hohe Relevanz für die Korrosionsforschung.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Dr. Thomas Devine, Ph.D.; Dr. Kevin Knauss, Ph.D.