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突破性发现可以创造出优质合金

时间:2021-11-24 12:55:06 来源:

这是聚焦离子束(FIB)铣削显微镜内的样品架,用于创建用于透射电子显微镜(TEM)研究的薄箔。信贷Johan
Bodell /查尔默斯工业大学

许多当前和未来的技术要求合金能够承受高温而不会腐蚀。现在,瑞典查尔默斯理工大学的研究人员为理解合金在高温下的行为取得了重大突破,这为许多技术的显着改进指明了道路。研究结果发表在高排名的《自然材料》杂志上。

开发可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,例如集中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。

在高温下,合金会与周围环境发生剧烈反应,从而迅速导致材料因腐蚀而失效。为了防止这种情况,所有高温合金都被设计为形成保护性氧化皮,通常由氧化铝或氧化铬组成。该氧化物垢在防止金属腐蚀中起决定性作用。因此,高温腐蚀的研究非常关注这些氧化皮-它们的形成方式,它们在高温下的性能以及它们有时会失效的原因。

《自然材料》中的文章回答了该地区的两个经典问题。一种适用于在所有高温合金中发现的极少量所谓的“反应性元素”(通常是钇和锆)添加剂。第二个问题是关于水蒸气的作用。

该研究的第一作者,查尔默斯大学物理系材料研究员Nooshin Mortazavi说:“向合金中添加反应性元素可显着改善性能,但没人能提供有力的实验证明。”“同样,人们几乎不了解水以蒸汽的形式存在于高温环境中的作用。我们的论文将帮助解决这些难题。”

在本文中,查默斯(Chalmers)研究人员展示了这两个元素是如何联系在一起的。他们证明了合金中的反应性元素如何促进氧化铝水垢的生长。这些反应性元素颗粒的存在使氧化物水垢向内而不是向外生长,从而促进了水从环境向合金基底的传输。反应性元素和水结合在一起,形成快速增长的纳米晶体氧化物水垢。

Chalmers无机化学教授,高温腐蚀能力中心主任Lars Gunnar Johansson说:“本文挑战了高温腐蚀科学中的几个公认的真相,并开辟了令人兴奋的研究和合金开发新途径。” (HTC)和该论文的合著者。

“业内每个人都在等待这一发现。这是高温氧化领域的范式转变,” Nooshin Mortazavi说。“我们现在正在建立新的原理,以了解这类材料在高温下的降解机理。”

除了他们的发现,查默斯(Chalmers)研究人员还提出了一种实用的方法来制造更具抵抗力的合金。他们证明反应性元素颗粒存在临界尺寸。超过一定尺寸后,反应性元素颗粒会导致氧化皮产生裂纹,从而为腐蚀性气体与合金基材反应提供便捷的途径,从而导致快速腐蚀。这意味着可以通过控制合金中反应性元素颗粒的尺寸分布来获得更好,更具保护性的氧化皮。

查尔默斯理工大学的这项开创性研究为将来开发更坚固,更安全,更耐用的合金指明了道路。

更多关于:研究突破的潜在后果

高温合金广泛应用于各个领域,并且对支撑我们文明的许多技术必不可少。它们对于新的和传统的可再生能源技术都是至关重要的,例如来自生物质的“绿色”电力,生物质气化,带有碳捕获和存储(BECCS)的生物能源,集中的太阳能以及固体氧化物燃料电池。它们在许多其他重要技术领域(例如喷气发动机,石油化学和材料加工)中也至关重要。

所有这些行业和技术都完全依赖于能够承受600℃甚至更高的高°温而不会因腐蚀而失效的材料。对于开发新的高温技术以及提高现有技术的工艺效率,一直存在对具有改进的耐热性的材料的持续需求。

例如,如果飞机的喷气发动机中的涡轮叶片可以承受更高的温度,则发动机可以更高效地运行,从而为航空业节省燃料。或者,如果您可以生产具有更高耐高温能力的蒸汽管道,那么使用生物质燃料的发电厂每千克燃料可以产生更多的电力。

腐蚀是这些区域内材料发展的主要障碍之一。Chalmers研究人员的文章为研究人员和工业界提供了新的工具,以开发可承受更高温度而不会迅速腐蚀的合金。

出版物:N. Mortazavi等人,“氧化铝形成合金的氧化过程中水和反应性元素的相互作用”,《自然材料》(2018年)


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