高溫合金在很多領域都有著極其重要的應用，開發可承受高溫且不會腐蝕的合金是很多領域的關鍵挑戰。它們對新型和可再生能源技術的升級也是至關重要的，如生物質“綠色”能源，生物質氣化、碳捕獲和儲存生物能源、新型追日聚光太陽能和固體氧化物燃料電池等。在許多重要技術領域如噴氣航空發動機、石油化學和材料加工領域，耐高溫抗腐蝕合金也發揮著極大的作用。
發展迅猛的聚光太陽能清潔能源系統迫切需要高強度、耐高溫腐蝕合金
在高溫下，很多合金會反應劇烈，導致材料因腐蝕而失效。為了防止腐蝕，高溫合金表面通常會形成一層緻密的氧化鋁或氧化鉻保護層。這種保護層對防止金屬腐蝕起著決定性的作用。近日，瑞典查爾姆斯理工大學的研究人員，對高溫合金做了一些系統的研究，解釋了高溫合金保護層形成的原理、失效的原因以及其抗腐蝕的原理，併為提高合金性能提出了新的方法。該重大進展成果被髮表在了《Nature Materials》雜誌上，其採用理論和計算的方法觀察和分析氧化鋁生長過程中元素和水的相互作用。原文題目為“Ground-breaking discoveries could create superior alloys with many applications”。
《Nature Materials》對高溫合金領域的兩個經典問題做出瞭解釋：①高溫合金中普遍存在的“活性元素”（通常為釔和鋯）的影響；②關於水蒸汽在防腐中的作用。在這篇文章中，查爾姆斯的研究人員展示了這兩種因素之間的聯繫，並演示了合金中的活性元素是如何促進氧化鋁保護層生長的，正是由於這些活性元素的存在，才導致了氧化鋁防護層向內生長，從而促進了水蒸汽能從周邊環境向合金基底轉移。活性元素和水之間的相互作用，又促進了亞穩態“雜亂”納米氧化鋁層的形成。
“這篇報道推翻了高溫腐蝕科學界中幾個被公認的'真理'，併為新合金的研究和開發開闢了令人振奮的新途徑，”高溫腐蝕中心主任Lars Gunnar Johansson教授說。“業界所有人都在期待這一發現，這是高溫氧化領域的一個里程碑”，查爾姆斯大學物理系材料研究員，也是該研究的第一作者Nooshin Mortazavi說，“我們現在正在制定新的理論，以便在非常高的溫度下了解這類材料的降解機理。”
除此之外，查爾姆斯的研究人員還提出了一種製備更耐蝕合金的方法。經試驗表明，活性元素顆粒存在一個臨界尺寸，當其超過這個尺寸時，活性元素顆粒會引起氧化膜保護層的開裂，從而使合金基材更多的暴露於腐蝕環境中，導致腐蝕加劇。可以這樣理解，通過控制合金中活性元素顆粒的尺寸，可獲得穩定的、更耐腐蝕的高溫氧化膜保護層。
隨著對耐高溫材料需求的不斷增長，該成果既可用於開發新的高溫技術，也可用於提高現有合金的製備效率。例如，提高噴氣式飛機發動機中的渦輪葉片的可承受溫度，將為航空工業節約大量的燃料。或是能夠生產出具有更優異性能的耐高溫蒸汽管道，使生物質燃料發電廠大幅提升燃料的產熱效率。
該成果既可用於開發新的高溫技術，也可用於提高現有技術的製備效率。例如，如果飛機噴氣式發動機中的渦輪葉片可以承受更高的溫度，則發動機便可以更高效地運轉，從而為航空工業節約大量的燃料。如果人們能夠生產出具有更優異性能的耐高溫蒸汽管道，那麼生物質燃料發電廠便可大幅提升每千克燃料的產熱效率。
腐蝕是高溫材料開發的主要障礙之一，而查爾姆斯的研究人員為人們提供了開發耐高溫腐蝕合金的新工具，為氧化物高溫材料領域的研究開闢了新途徑。讓我們持續關注該新技術的實際應用於推廣。最新的耐腐蝕鋼材信息，最廣的特鋼行業應用，關注“特鋼100秒”知識百科，持續更新，真實、有用，喜歡就多多轉發吧！
閱讀更多 特鋼100秒 的文章
