突破性的发现可以创造出具有多种应用的优质合金

许多当前和未来的技术需要能够承受高温而不会腐蚀的合金。现在，研究人员在理解合金在高温下的表现方面取得了重大突破，为许多技术的重大改进指明了方向。许多当前和未来的技术需要能够承受高温而不会腐蚀的合金。现在，瑞典查尔姆斯理工大学的研究人员在理解合金在高温下的表现方面取得了重大突破，为许多技术的重大改进指明了方向。结果发表在排名靠前的期刊Nature Materials上。

开发能够承受高温而不腐蚀的合金是许多领域的关键挑战，例如可再生和可持续能源技术，如聚光太阳能和固体氧化物燃料电池，以及航空，材料加工和石化。

在高温下，合金会与环境发生剧烈反应，迅速导致材料因腐蚀而失效。为了防止这种情况，所有高温合金都设计成形成保护性氧化皮，通常由氧化铝或氧化铬组成。这种氧化物垢在防止金属腐蚀方面起着决定性的作用。因此，对高温腐蚀的研究非常关注这些氧化皮 - 它们是如何形成的，它们在高温下的表现，以及它们有时会失效。

“自然材料”中的文章回答了该领域的两个经典问题。一种适用于所有高温合金中所谓的“活性元素”的非常小的添加剂 - 通常是钇和锆。第二个问题是关于水蒸气的作用。

“向合金中添加活性元素可以大大提高性能 - 但是没有人能够提供可靠的实验证明原因，”Chalmers物理系材料研究员Nooshin Mortazavi说道，该研究的第一作者。“同样，水在蒸汽形式中始终存在于高温环境中的作用也很少被人理解。我们的论文将有助于解决这些谜团。”

在本文中，查尔莫斯的研究人员展示了这两个元素是如何联系在一起的。他们展示了合金中的活性元素如何促进氧化铝垢的生长。这些反应性元素颗粒的存在导致氧化皮向内生长而不是向外生长，从而有利于水从环境向合金基底的输送。反应元素和水结合在一起，形成快速生长的纳米晶氧化物。

“这篇论文挑战了高温腐蚀科学中几个被接受的'真理'，并开辟了令人兴奋的新研究和合金开发途径，”Chalmers无机化学教授，高温腐蚀技术中心主任Lars Gunnar Johansson说。 (HTC)和该论文的共同作者。

“行业中的每个人都在等待这一发现。这是高温氧化领域的一种范式转变，”Nooshin Mortazavi说。“我们现在正在建立新的原则，以便在非常高的温度下理解这类材料的降解机理。”

继他们的发现之后，Chalmers的研究人员提出了一种制造更耐用合金的实用方法。它们表明存在活性元素颗粒的临界尺寸。超过一定尺寸时，活性元素颗粒会在氧化皮中产生裂缝，这为腐蚀性气体与合金基材反应提供了一条简便的途径，导致快速腐蚀。这意味着通过控制合金中反应性元素颗粒的尺寸分布，可以获得更好，更具保护性的氧化皮。

高温合金用于各种领域，对于支撑我们文明的许多技术至关重要。它们对新的和传统的可再生能源技术至关重要，例如来自生物质的“绿色”电力，生物质气化，具有碳捕获和储存的生物能源(BECCS)，聚光太阳能和固体氧化物燃料电池。它们在许多其他重要技术领域也至关重要，例如喷气发动机，石油化学和材料加工。

所有这些行业和技术完全依赖于能够承受600°C及以上高温的材料，而不会因腐蚀而失效。对于开发新的高温技术和提高现有技术的工艺效率，不断需要具有改进的耐热性的材料。

例如，如果飞机喷气发动机中的涡轮叶片能够承受更高的温度，则发动机可以更有效地运行，从而为航空工业节省燃料。或者，如果您可以生产具有更好高温能力的蒸汽管道，生物质燃料发电厂每千克燃料可以产生更多的电力。

腐蚀是这些领域内材料开发的主要障碍之一。查尔莫斯研究人员的文章为研究人员和工业界开发了一种新工具，用于开发能够承受更高温度而不会快速腐蚀的合金。