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

開發能夠承受高溫而不腐蝕的合金是許多領域的關鍵挑戰，例如可再生和可持續能源技術，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，合金會與環境發生劇烈反應，迅速導致材料因腐蝕而失效。為了防止這種情況，所有高溫合金都設計成形成保護性氧化皮，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注這些氧化皮 - 它們是如何形成的，它們在高溫下的表現，以及它們有時會失效。

“自然材料”中的文章回答了該領域的兩個經典問題。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。”

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系在一起的。他們展示了合金中的活性元素如何促進氧化鋁垢的生長。這些反應性元素顆粒的存在導致氧化皮向內生長而不是向外生長，從而有利于水從環境向合金基底的輸送。反應元素和水結合在一起，形成快速生長的納米晶氧化物。

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

“行業中的每個人都在等待這一發現。這是高溫氧化領域的一種范式轉變，”Nooshin Mortazavi說。“我們現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理。”

繼他們的發現之后，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生裂縫，這為腐蝕性氣體與合金基材反應提供了一條簡便的途徑，導致快速腐蝕。這意味著通過控制合金中反應性元素顆粒的尺寸分布，可以獲得更好，更具保護性的氧化皮。

高溫合金用于各種領域，對于支撐我們文明的許多技術至關重要。它們對新的和傳統的可再生能源技術至關重要，例如來自生物質的“綠色”電力，生物質氣化，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領域也至關重要，例如噴氣發動機，石油化學和材料加工。

所有這些行業和技術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。對于開發新的高溫技術和提高現有技術的工藝效率，不斷需要具有改進的耐熱性的材料。

例如，如果飛機噴氣發動機中的渦輪葉片能夠承受更高的溫度，則發動機可以更有效地運行，從而為航空工業節省燃料?；蛘?，如果您可以生產具有更好高溫能力的蒸汽管道，生物質燃料發電廠每千克燃料可以產生更多的電力。

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