突破性的發(fā)現(xiàn)可以創(chuàng)造出具有多種應(yīng)用的優(yōu)質(zhì)合金

許多當(dāng)前和未來的技術(shù)需要能夠承受高溫而不會腐蝕的合金?，F(xiàn)在，研究人員在理解合金在高溫下的表現(xiàn)方面取得了重大突破，為許多技術(shù)的重大改進(jìn)指明了方向。許多當(dāng)前和未來的技術(shù)需要能夠承受高溫而不會腐蝕的合金?，F(xiàn)在，瑞典查爾姆斯理工大學(xué)的研究人員在理解合金在高溫下的表現(xiàn)方面取得了重大突破，為許多技術(shù)的重大改進(jìn)指明了方向。結(jié)果發(fā)表在排名靠前的期刊Nature Materials上。

開發(fā)能夠承受高溫而不腐蝕的合金是許多領(lǐng)域的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，例如可再生和可持續(xù)能源技術(shù)，如聚光太陽能和固體氧化物燃料電池，以及航空，材料加工和石化。

在高溫下，合金會與環(huán)境發(fā)生劇烈反應(yīng)，迅速導(dǎo)致材料因腐蝕而失效。為了防止這種情況，所有高溫合金都設(shè)計成形成保護(hù)性氧化皮，通常由氧化鋁或氧化鉻組成。這種氧化物垢在防止金屬腐蝕方面起著決定性的作用。因此，對高溫腐蝕的研究非常關(guān)注這些氧化皮 - 它們是如何形成的，它們在高溫下的表現(xiàn)，以及它們有時會失效。

“自然材料”中的文章回答了該領(lǐng)域的兩個經(jīng)典問題。一種適用于所有高溫合金中所謂的“活性元素”的非常小的添加劑 - 通常是釔和鋯。第二個問題是關(guān)于水蒸氣的作用。

“向合金中添加活性元素可以大大提高性能 - 但是沒有人能夠提供可靠的實驗證明原因，”Chalmers物理系材料研究員Nooshin Mortazavi說道，該研究的第一作者。“同樣，水在蒸汽形式中始終存在于高溫環(huán)境中的作用也很少被人理解。我們的論文將有助于解決這些謎團(tuán)。”

在本文中，查爾莫斯的研究人員展示了這兩個元素是如何聯(lián)系在一起的。他們展示了合金中的活性元素如何促進(jìn)氧化鋁垢的生長。這些反應(yīng)性元素顆粒的存在導(dǎo)致氧化皮向內(nèi)生長而不是向外生長，從而有利于水從環(huán)境向合金基底的輸送。反應(yīng)元素和水結(jié)合在一起，形成快速生長的納米晶氧化物。

“這篇論文挑戰(zhàn)了高溫腐蝕科學(xué)中幾個被接受的'真理'，并開辟了令人興奮的新研究和合金開發(fā)途徑，”Chalmers無機(jī)化學(xué)教授，高溫腐蝕技術(shù)中心主任Lars Gunnar Johansson說。 (HTC)和該論文的共同作者。

“行業(yè)中的每個人都在等待這一發(fā)現(xiàn)。這是高溫氧化領(lǐng)域的一種范式轉(zhuǎn)變，”Nooshin Mortazavi說。“我們現(xiàn)在正在建立新的原則，以便在非常高的溫度下理解這類材料的降解機(jī)理。”

繼他們的發(fā)現(xiàn)之后，Chalmers的研究人員提出了一種制造更耐用合金的實用方法。它們表明存在活性元素顆粒的臨界尺寸。超過一定尺寸時，活性元素顆粒會在氧化皮中產(chǎn)生裂縫，這為腐蝕性氣體與合金基材反應(yīng)提供了一條簡便的途徑，導(dǎo)致快速腐蝕。這意味著通過控制合金中反應(yīng)性元素顆粒的尺寸分布，可以獲得更好，更具保護(hù)性的氧化皮。

高溫合金用于各種領(lǐng)域，對于支撐我們文明的許多技術(shù)至關(guān)重要。它們對新的和傳統(tǒng)的可再生能源技術(shù)至關(guān)重要，例如來自生物質(zhì)的“綠色”電力，生物質(zhì)氣化，具有碳捕獲和儲存的生物能源(BECCS)，聚光太陽能和固體氧化物燃料電池。它們在許多其他重要技術(shù)領(lǐng)域也至關(guān)重要，例如噴氣發(fā)動機(jī)，石油化學(xué)和材料加工。

所有這些行業(yè)和技術(shù)完全依賴于能夠承受600°C及以上高溫的材料，而不會因腐蝕而失效。對于開發(fā)新的高溫技術(shù)和提高現(xiàn)有技術(shù)的工藝效率，不斷需要具有改進(jìn)的耐熱性的材料。

例如，如果飛機(jī)噴氣發(fā)動機(jī)中的渦輪葉片能夠承受更高的溫度，則發(fā)動機(jī)可以更有效地運行，從而為航空工業(yè)節(jié)省燃料?；蛘撸绻梢陨a(chǎn)具有更好高溫能力的蒸汽管道，生物質(zhì)燃料發(fā)電廠每千克燃料可以產(chǎn)生更多的電力。

腐蝕是這些領(lǐng)域內(nèi)材料開發(fā)的主要障礙之一。查爾莫斯研究人員的文章為研究人員和工業(yè)界開發(fā)了一種新工具，用于開發(fā)能夠承受更高溫度而不會快速腐蝕的合金。