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Durch Auslagerungs- und elektrochemische Tests im Labor kann das Korrosionsverhalten verschiedener metallener Werkstoffe beurteilt werden. Aus den Versuchsergebnissen, die in verschiedenen synthetischen Geothermalwässern im Labor erzielt wurden, lassen sich die folgenden Schlussfolgerungen ziehen:
• Die Anfälligkeit für Spaltkorrosion wurde als wichtigster Aspekt für die Werkstoffqualifizierung ermittelt.
• Der niedriglegierte Stahl 25CrMo4 zeigte bei niedrigem Salzgehalt in MB-Geothermalwasser eine gleichmäßige Korrosion unterhalb der akzeptierten Schwelle von 0,3 mm/Jahr. Daher kann er als geeignet für geothermische Bedingungen mit niedrigem Salzgehalt angesehen werden, wie sie für MB getestet wurden. Es besteht keine Notwendigkeit, auf höherlegierte (teurere) Werkstoffe auszuweichen. Ein niedrigerer pH-Wert (wie bei LHD) führt zu Korrosionsraten oberhalb der akzeptablen Grenzwerte, so dass die niedriglegierten Werkstoffe nicht für Flüssigkeiten mit niedrigem pH-Wert geeignet sind.
• Stark salzhaltige Geothermalwässer erfordern höherlegierte Werkstoffe, da die Korrosionsrate von niedriglegiertem Stahl zu hoch ist.
• Der Duplexstahl X2CrNiMo22-5-3 und der Superduplexstahl X2CrNiMoCuWN25-7-4 wurden aufgrund ihrer kritischen Anfälligkeit für örtliche Korrosion in Form von Loch- und Spaltkorrosion unter Betriebsbedingungen nicht als geeignet für geothermische Anwendungen in Geothermalwässern mit einer mit NDB und ORG vergleichbaren Zusammensetzung angesehen.
• Der superaustenitische Stahl X1CrNiMoCu32-28-7 eignet sich für ORG und salzarme Wässer. In NDB-Geothermalwasser wurde er bei 100 °C als geeignet angesehen. Jedoch schränkt seine Anfälligkeit für Spaltkorrosion seine Anwendbarkeit ein. Neben seiner guten Korrosionsbeständigkeit ist sein Repassivierungsverhalten für seine begrenzte Anwendbarkeit in Geothermalwässern mit niedrigem pH-Wert verantwortlich.
• Die Nickelbasislegierung NiCr23Mo16Al wurde als geeignet erachtet und stellt eine sichere Option für den Einsatz in geothermischen Anlagen dar, selbst wenn mit stark salzhaltigem Geothermalwasser gearbeitet wird.
Durch Auslagerungs- und elektrochemische Tests im Labor kann das Korrosionsverhalten verschiedener metallener Werkstoffe beurteilt werden. Aus den Versuchsergebnissen, die in verschiedenen synthetischen Geothermalwässern im Labor erzielt wurden, lassen sich die folgenden Schlussfolgerungen ziehen:
• Die Anfälligkeit für Spaltkorrosion wurde als wichtigster Aspekt für die Werkstoffqualifizierung ermittelt.
• Der niedriglegierte Stahl 25CrMo4 zeigte bei niedrigem Salzgehalt in MB-Geothermalwasser eine gleichmäßige Korrosion unterhalb der akzeptierten Schwelle von 0,3 mm/Jahr. Daher kann er als geeignet für geothermische Bedingungen mit niedrigem Salzgehalt angesehen werden, wie sie für MB getestet wurden. Es besteht keine Notwendigkeit, auf höherlegierte (teurere) Werkstoffe auszuweichen. Ein niedrigerer pH-Wert (wie bei LHD) führt zu Korrosionsraten oberhalb der akzeptablen Grenzwerte, so dass die niedriglegierten Werkstoffe nicht für Flüssigkeiten mit niedrigem pH-Wert geeignet sind.
• Stark salzhaltige Geothermalwässer erfordern höherlegierte Werkstoffe, da die Korrosionsrate von niedriglegiertem Stahl zu hoch ist.
• Der Duplexstahl X2CrNiMo22-5-3 und der Superduplexstahl X2CrNiMoCuWN25-7-4 wurden aufgrund ihrer kritischen Anfälligkeit für örtliche Korrosion in Form von Loch- und Spaltkorrosion unter Betriebsbedingungen nicht als geeignet für geothermische Anwendungen in Geothermalwässern mit einer mit NDB und ORG vergleichbaren Zusammensetzung angesehen.
• Der superaustenitische Stahl X1CrNiMoCu32-28-7 eignet sich für ORG und salzarme Wässer. In NDB-Geothermalwasser wurde er bei 100 °C als geeignet angesehen. Jedoch schränkt seine Anfälligkeit für Spaltkorrosion seine Anwendbarkeit ein. Neben seiner guten Korrosionsbeständigkeit ist sein Repassivierungsverhalten für seine begrenzte Anwendbarkeit in Geothermalwässern mit niedrigem pH-Wert verantwortlich.
• Die Nickelbasislegierung NiCr23Mo16Al wurde als geeignet erachtet und stellt eine sichere Option für den Einsatz in geothermischen Anlagen dar, selbst wenn mit stark salzhaltigem Geothermalwasser gearbeitet wird.
In recent years, many protocols in computational materials science have been automated and made available within software packages (primarily Python-based). This ranges from the automation of simple heuristics (oxidation states, coordination environments) to the automation of protocols, including multiple DFT and post-processing tools such as (an)harmonic phonon computations or bonding analysis. Such developments also shorten the time frames of projects after such developments have been made available and open new possibilities. For example, we can now easily make data-driven tests of well-known rules and heuristics or develop quantum chemistry-based materials descriptors for machine learning approaches. These tests and descriptors can have applications related to magnetic ground state predictions of materials relevant for spintronic applications or for predicting thermal properties relevant for thermal management in electronics. Combining high-throughput ab initio computations with fitting, fine-tuning machine learning models and predictions of such models within complex workflows is also possible and promises further acceleration in the field. In this talk, I will show our latest efforts to link automation with data-driven chemistry and materials science.
The presentation gives an overview of BAM's activities on processing influences and application properties of MPEAs in the form of joined and machined high and medium entropy alloys (CoCrFeMnNi and CoCrNi). In the case of welding, the focus is on defect-free welded joints with sufficient mechanical properties. In the case of machining, the focus is on the possible influence on the surface quality of the materials through adequate milling parameters. In addition, the hydrogen absorption and diffusion properties as well as the electrochemical corrosion behavior are fundamentally examined.
Impact of organic phosphates on the structure and composition of short-range ordered iron nanophases
(2024)
Organic phosphates (OP) are important nutrient components for living cells in natural environments, where they readily interact with ubiquitous iron phases such as hydrous ferric oxide, ferrihydrite (FHY). FHY partakes in many key bio(geo)chemical reactions including iron-mediated carbon storage in soils, or iron-storage in living organisms. However, it is still unknown how OP affects the formation, structure and properties of FHY. Here, we document how β-glycerophosphate (GP), a model OP ligand, affects the structure and properties of GP–FHY nanoparticles synthesized by coprecipitation at variable nominal molar P/Fe ratios (0.01 to 0.5). All GP–FHY precipitates were characterized by a maximum solid P/Fe ratio of 0.22, irrespective of the nominal P/Fe ratio. With increasing nominal P/Fe ratio, the specific surface area of the GP–FHY precipitates decreased sharply from 290 to 3 m2 g−1, accompanied by the collapse of their pore structure. The Fe–P local bonding environment gradually transitioned from a bidentate binuclear geometry at low P/Fe ratios to monodentate mononuclear geometry at high P/Fe ratios. This transition was accompanied by a decrease in coordination number of edge-sharing Fe polyhedra, and the loss of the corner-sharing Fe polyhedra. We show that Fe(III) polymerization is impeded by GP, and that the GP–FHY structure is highly dependent on the P/Fe ratio. We discuss the role that natural OP-bearing Fe(III) nanophases have in biogeochemical reactions between Fe–P and C species in aquatic systems.
Laser-induced periodic surface structures (LIPSS) enable a large variety of different surface functionalizations for applications in the fields of optics, fluidics, tribology, or medicine. Moreover, high spatial frequency LIPSS (HSFL) provide an appealing and straightforward way for the generation of surface nanostructures featuring spatial periods even below 100 nm – far beyond the optical diffraction limit. However, the imposed surface functionalities are usually caused by both, topographic and chemical surface alterations. For exploring these effects in detail, multi-method characterization was performed here for HSFL processed on Ti-6Al-4V alloy upon irradiation with near-infrared ps-laser pulses (1030 nm wavelength, ~1 ps pulse duration, 1 – 400 kHz pulse repetition rate) under different scan processing conditions. The subsequent sample characterization involved morphological and topographical investigations by scanning electron microscopy (SEM), atomic force microscopy (AFM), stylus profilometry (SP), as well as near-surface chemical analyses by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), hard X-ray photoelectron spectroscopy (HAXPES) and depth-profiling time-of-flight secondary ion mass spectrometry (TOF-SIMS). The results allow to qualify the laser ablation depth, the geometrical HSFL characteristics and provide detailed insights into the depth extent and the nature of the ps-laser-induced near-surface oxidation arising from the laser-processing in ambient air and into the relevance of heat-accumulation effects at high pulse repetition rates. Moreover, the direct comparison of the HAXPES and XPS data reveals the role of surface-covering organic contaminants adsorbed from the ambient atmosphere without ion-sputter depth profiling. Furthermore, reduction of the oxides by sputtering can be avoided.
Advances in ultrafast laser manufacturing: nanostructures, thin films, and scaling perspectives
(2024)
Advanced ultrafast laser technology is a rapidly growing field that currently enables many new industrial and scientific applications. During the last decades, this has been significantly driven by the availability of high-repetition-rate laser sources and novel beam delivery concepts. At the laser side, Moore’s law equally manifests for ultrafast laser technologies, since the average output power of such lasers doubles approximately every two years. This development is mainly driven by the increase of the pulse repetition rates of energetic laser pulses, currently enforcing the development of smart beam control and novel scanning strategies for preventing heat-accumulation and plasma-shielding effects during laser-based materials processing. This keynote presentation addresses the advantages, recent developments, and perspectives of laser processing with ultrashort laser pulses. A special focus is laid on the tailored structuring of thin films as well as the manufacturing and probing of sub-diffraction surface nanostructures – an ongoing race to extreme scales. Current limitations are identified and an outlook to future scaling perspectives will be provided.
Solvent-free sample preparation offers some advantages over solvent-based techniques, such as improved accuracy, reproducibility and sensitivity, for matrix-assisted laser desorption/ionization (MALDI) analysis. However, little or no information is available on the application of solvent-free techniques for the MALDI analysis of polymer blends. Solvent-free sample preparation by ball milling was applied with varying sample-to-matrix ratios for MALDI time-of-flight mass spectrometry analysis of various polymers, including polystyrenes, poly(methyl methacrylate)s and poly(ethylene glycol)s. The peak intensity ratios were compared with those obtained after using the conventional dried droplet sample preparation method. In addition, solvent-assisted milling was also applied to improve sample homogeneities.
Depending on the sample preparation method used, different peak intensity ratios were found, showing varying degrees of suppression of the signal intensities of higher mass polymers. Ball milling for up to 30 min was required to achieve constant intensity ratios indicating homogeneous mixtures. The use of wet-assisted grinding to improve the homogeneity of the blends was found to be disadvantageous as it caused partial degradation and mass-dependent segregation of the polymers in the vials.The results clearly show that solvent-free sample preparation must be carefully considered when applied to synthetic polymer blends, as it may cause additional problems with regard to homogeneity and stability of the blends.
The presentation demonstrates an application of multi-scale optical imaging methods such as spectroscopic imaging ellipsometry and white light interference microscopy for the investigation of wide-bandgap semiconductors for power electronics. The capabilities of these methods for the development of new reference calibration samples for scanning microwave microscopes (SMM) and conductive atomic force microscopes (C AFM) are discussed.