Tribological and Corrosion Behavior of Coatings for Geothermal Applications.

Abstract

The increasing global demand for renewable energy has resulted in the increased exploration of geothermal energy resources, which presents corrosion and wear challenges. The objective of the PhD project is to investigate the friction, wear and corrosion behavior of available and novel coatings designed to add wear and corrosion resistance to steels currently used in geothermal applications. The coatings include tungsten carbide (WC) cermet-, nickel alloy based-, amorphous iron based-, graphene oxide based-, electroless nickel-phosphorus duplex-, and high entropy alloy (HEA) based- coatings. The results demonstrated that the coatings’ hardness influenced abrasion and wear resistance, but the surface roughness complicated friction and sliding behavior. Further autoclave testing revealed that, the wear-resistant coatings acted as a physical barrier in the test solution, preventing steel corrosion. However, deviations were dependent on the coating microstructure, physical properties, and the chemistry of the test environment, promoting localized corrosion effects. In the 120 °C water test, all the coatings were protective by resisting substrate corrosion. After liquid/vapor phase exposure in the challenging environment (i.e., 250 °C with H2S/CO2), the coatings were subjected to either internal attack, surface deposits or substrate corrosion. This work revealed good corrosion resistance of the wear resistant HVOF developed HEA in all test environments and thus encouraging industrial exploitation of the coating in CO2/H2S-containing fluid commonly encountered in geothermal fields. The findings established systems that produce suitable corrosion- and wear- resistant coatings for targeted applications that can be incorporated into early project phases in geothermal energy exploration.

Aukin eftirspurn á heimsvísu eftir endurnýjanlegri orku hefur leitt til aukinnar nýtingu á jarðvarmaauðlindum, sem hefur í för með sér áskoranir um tæringu og slit efna sem notuð eru í nýtingu jarðvarmans. Markmið doktorsverkefnisins er að rannsaka núning, slit og tæringarhegðun fáanlegra og nýrra húðunarefna sem eru hönnuð til að bæta slit og tæringarþol stáls sem nú er notað í nýtingu jarðhita. Húðunarefnin sem voru rannsökuð eru wolframkarbíð (WC) keramík samsetningar, nikkelmelmi, myndlaust járn-melmi, fjölliðusamsetningur með grafín-oxíð, nikkel-fosfór samsetningar og há óreiðu málmblöndur (e. High Entropy Alloys (HEA)). Niðurstöðurnar sýndu fram á að harka húðunarefnanna hafði mikil áhrif á núning og slitþol, en hrýfi yfirborðsins flækti núning og renni-hegðun. Frekari tilraunir í háhita og þrýsti kúti (e. autoclave) leiddi í ljós að slitþolnu húðunarefnin virkuðu sem hindrun gegn tæringu í tilraunaumhverfinu og komu í veg fyrir tæringu á undirliggjandi stáli. Hins vegar voru frávik háð örbyggingu húðunarefnanna, eðliseiginleikum og efnafræði tilrauna umhverfisins, sem stuðlaði að staðbundnum tæringaráhrifum. Í tilraunum við 120 °C í vatni við 50 bar voru öll húðunarefnin verndandi með því að verja undirliggjandi stálið gegn tæringu. En í tilraunum í vökva-/gufufasa í hærri hita og auknu tærandi umhverfi (250 °C með CO2/H2S gasi) urðu meiri hluti húðunarefnanna fyrir annaðhvort tæringarskemmdum í innri lögum, yfirborðsútfellingum eða tæringu á undirliggjandi stáli. Þessi rannsókn leiddi einnig í ljós gott tæringarþol nýlegra þróaðs slitþolins HEA húðunarefnis í öllum tilraunar umhverfum rannsóknarinnar og sem hvetur til mögulegrar nýtingar á húðunarefninu í CO2/H2S-innihaldandi jarðhitaumverfi. Niðurstöðurnar gefa góðan grunn sem hægt er að byggja á til þróunar og framleiðslu í framtíðinni á viðeigandi tæringar- og slitþolnum húðunarefnum fyrir notkun í jarðhitaumhverfi við nýtingu jarðhita.