团队开发出用于设计可承受极端环境的复杂金属合金的预测工具

Josiah · 发表于 2024-6-15 10:40:22

　　厨师们喜欢不锈钢，因为它耐用、防锈，加热后也能烹饪。但很少有人知道不锈钢如此受欢迎的秘密。不锈钢中的金属铬与空气中的氧气发生反应，形成一层稳定且具有保护作用的薄涂层，保护下面的钢材。
　　如今，科学家和工程师们正在努力设计能够抵抗极端环境的合金，用于核聚变反应堆、高超音速飞行和高温喷气发动机等应用。对于此类极端应用，科学家们正在试验将多种金属以等比例混合的复杂组合，即所谓的多主元合金或中高熵合金。这些合金旨在实现强度、韧性、耐腐蚀等设计目标。
　　具体来说，研究人员寻求能够抵抗腐蚀的合金，这种腐蚀发生在金属与大气中的氧气发生反应时，这一过程称为氧化。这些合金通常采用“烹饪和观察”程序进行测试，即将合金材料暴露在高温氧化环境中，以观察其反应。
　　但现在，由美国能源部太平洋西北国家实验室和北卡罗来纳州立大学的科学家领导的多学科研究小组将原子级实验与理论相结合，创建了一种工具来预测这种高熵合金在高温氧化环境下的表现。这项研究发表在《自然通讯》杂志上，为抗氧化复杂金属合金的快速设计和测试周期提供了路线图。
　　“我们正在致力于开发这些复杂合金材料降解的原子级模型，然后可应用该模型设计具有卓越抗极端环境能力的下一代合金，以供航空航天和核电工业等广泛应用，”该研究的联合首席研究员、专门研究极端环境下金属降解的 PNNL 材料科学家 Arun Devaraj 说。
　　“这里的目标是找到方法来快速识别具有所需特性和抗氧化性能的中高熵合金。”
　　材料科学家 Arun Devaraj 在太平洋西北国家实验室的原子探针断层扫描仪器上工作。这种精密仪器可以显示金属合金等微小材料样本中原子的位置。
　　复杂的合金配方
　　在最近的实验中，研究小组研究了一种高熵合金的降解情况，这种合金含有等量的金属钴、铬、铁、镍和锰（CoCrFeNiMn，也称为 Cantor 合金）。研究小组使用各种先进的原子尺度方法检查了 Cantor 合金上形成的氧化物，以了解每种元素在合金和氧化物中的排列方式。
　　他们发现，铬和锰往往会快速迁移到表面，形成稳定的铬和锰氧化物。随后，铁和钴会扩散到这些氧化物中，形成额外的层。
　　通过添加少量的铝，他们发现氧化铝可以作为其他元素迁移形成氧化物的屏障，从而减少含铝康托合金的整体氧化，并提高其在高温下的抗降解能力。
　　“这项研究揭示了原子级复杂合金的氧化机制，”这项研究的共同通讯作者 Bharat Gwalani 说道。Gwalani 在 PNNL 担任科学家时开始了这项研究，并在他目前担任北卡罗来纳州立大学材料科学与工程助理教授期间继续了这项研究。他补充说：“通过了解所涉及的基本机制，这项研究让我们对所有复杂合金的氧化有了更深入的了解。”
　　将复杂金属合金的微观样品放置在取样容器中，然后进入原子探针断层扫描仪器。
　　预测模型
　　Devaraj 表示：“目前还没有普遍适用的管理模型来推断一种复杂的多主元合金在高温氧化环境中会如何随时间氧化和降解。这是朝着这个方向迈出的重要一步。”
　　研究团队经过仔细分析，发现了一些可以预测这些复杂合金中氧化过程如何进行的普遍规则。北卡罗莱纳州立大学的计算同事开发了一种称为优先交互参数的模型，用于早期预测复杂金属合金中的氧化行为。
　　最终，研究团队希望扩大这项研究的范围，开发出具有出色高温性能的复杂合金，并通过快速取样和分析迅速实现这一目标。Devaraj 说，最终目标是选择有利于形成粘附氧化物的元素组合。“你知道会形成氧化物，但你想要一种非常稳定的氧化物，这种氧化物具有保护作用，不会随着时间的推移而改变，并能承受火箭发动机或核反应堆内的极端高温。”
　　下一步将是引入自动化实验，并整合增材制造方法和先进的人工智能，以快速评估有前景的新合金。该项目目前正在 PNNL 进行，作为通过边缘自主学习 (AT SCALE) 计划实现合成和控制的自适应可调性的一部分。
　　“这种材料发现的发现循环对于进一步扩展我们对这些新型合金的认识非常重要，”Devaraj 说，他同时还担任科罗拉多矿业学院的联合教师。
　　除了 Gwalani 和 Devaraj，PNNL 的科学家 Sten Lambeets、Matthew Olszta、Anil Krishna Battu 和 Thevuthasan Suntharampillai 也做出了贡献；此外还有北卡罗莱纳州立大学的 Martin Thuo、Aram Amassian、Andrew Martin、Aniruddha Malakar 和 Boyu Guo；北卡罗来纳州立大学核工程助理教授 Elizabeth Kautz（同时受聘于 PNNL）；劳伦斯伯克利国家实验室的 Feipeng Yang 和 Jinghua Guo；以及布鲁克海文国家实验室的 Ruipeng Li。
　　为了研究样品中原子的排列，研究小组在太平洋西北国家实验室 (PNNL) 使用了原位原子探针断层扫描技术。这些结果与美国国家同步加速器光源 II (BNL) 的电子显微镜和同步加速器掠入射广角 X 射线散射以及在劳伦斯伯克利国家实验室 (LBNL) 的先进光源进行的 X 射线吸收测量结果相关联。

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