Nature子刊：一种制备耐高温腐蚀合金的新技术

    高温合金决定着高温领域技术的发展速度，因此开发可承受高温且不会腐蚀的合金是很多领域的关键挑战，如可再生和可持续能源技术、太阳能和固体氧化物燃料电池，以及航空、材料加工和石油化学等领域都需要应用到高温合金。近日，瑞典查尔姆斯理工大学的研究人员，对合金在高温下的行为方式做了一些系统的研究，并在技术上取得了重大进展。该成果被发表在了《Nature Materials》杂志上，其采用理论和计算的方法观察和分析氧化铝生长过程中元素和水的相互作用，为提高合金性能提出了新的方法。

    聚光太阳能便是一种迫切需要高强度、耐高温腐蚀合金的技术。图片为位于西班牙的PS20太阳能发电厂，该发电厂于2009年开始投入运营。

    在高温下，合金会与环境发生剧烈的反应，导致材料的腐蚀失效。为了防止这种情况的发生，人们通常会在高温合金的表面镀上一层氧化铝或氧化铬的薄膜。这种氧化薄膜在防止金属腐蚀方面起着决定性的作用。因此，对高温腐蚀中氧化膜的研究就显得格外重要，我们需要搞清楚它们的形成机理，高温下抗腐蚀的原因，以及它们是如何失效的。

    《Nature Materials》中的这篇文章回答了该领域的两个经典问题。一个是高温合金中普遍存在的所谓“活性元素”（通常为钇和锆）的影响；第二个是关于水蒸汽在防腐中的作用。

    查尔姆斯大学物理系材料研究员，也是该研究的第一作者Nooshin Mortazavi说：“在合金中添加活性元素会使性能得到巨大改善，但是迄今为止还没有人能够提供可靠的实验来证明。同样，水也一直以蒸汽的形式存在于高温环境中，但人们对此也知之甚少。我们的工作将有助于解开这些谜题。”

    在这篇文章中，查尔姆斯的研究人员向人们展示了这两种因素之间的联系。并演示了合金中的活性元素是如何促进氧化铝薄膜生长的，正是由于这些活性元素的存在，才导致了氧化膜向内生长，从而促进了水蒸汽能从环境向合金基底运输。活性元素和水之间的相互作用，又促进了亚稳态“杂乱”纳米氧化铝层的形成。

    “这篇报道推翻了高温腐蚀科学界中几个被公认的‘真理’，并为新合金的研究和开发开辟了令人振奋的新途径，”高温腐蚀中心主任Lars Gunnar Johansson教授说。

    “业界所有人都在期待这一发现，这是高温氧化领域的一个里程碑，”Nooshin Mortazavi说，“我们现在正在制定新的理论，以便在非常高的温度下了解这类材料的降解机理。”

    除此之外，查尔姆斯的研究人员还提出了一种制备更耐蚀合金的方法。他们表明，活性元素颗粒存在一个临界尺寸，当其超过一定尺寸时，活性元素颗粒便会引起氧化膜的开裂，从而使合金基材更多的暴露于腐蚀环境中，导致腐蚀加剧。这也意味着我们可以通过控制合金中活性元素颗粒的尺寸，来获得一种更耐腐蚀的高温氧化膜。

    来自查尔姆斯理工大学的这项开创性研究，为未来制备出一种更坚固、更安全、更耐腐蚀的合金指明了道路。

    高温合金在很多领域都有着极其重要的应用，因此它们对新型和可再生能源技术也是至关重要的，如生物质“绿色”能源，生物质气化、碳捕获和储存生物能源、聚光太阳能和固体氧化物燃料电池等。它们在许多其他重要技术领域如喷气发动机、石油化学和材料加工领域也发挥着极大的作用。

    随着对耐高温材料需求的不断增长，该成果既可用于开发新的高温技术，也可用于提高现有技术的制备效率。

    例如，如果飞机喷气式发动机中的涡轮叶片可以承受更高的温度，则发动机便可以更高效地运转，从而为航空工业节约大量的燃料。或者，如果人们能够生产出具有更优异性能的耐高温蒸汽管道，那么生物质燃料发电厂便可大幅提升每千克燃料的产热效率。

    腐蚀是这些领域内材料开发的主要障碍之一，而查尔姆斯的研究人员为人们提供了开发耐高温腐蚀合金的新工具，为氧化物的研究开辟了新途径，这无疑是为高温材料领域的研究人员打了一剂强心针。

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