高溫合金決定著高溫領域技術的發展速度，因此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，如可再生和可持續能源技術、太陽能和固體氧化物燃料電池，以及航空、材料加工和石油化學等領域都需要應用到高溫合金。近日，瑞典查爾姆斯理工大學的研究人員，對合金在高溫下的行為方式做了一些系統的研究，并在技術上取得了重大進展。該成果被發表在了《Nature Materials》雜志上，其采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，為提高合金性能提出了新的方法。

    聚光太陽能便是一種迫切需要高強度、耐高溫腐蝕合金的技術。圖片為位于西班牙的PS20太陽能發電廠，該發電廠于2009年開始投入運營。

    在高溫下，合金會與環境發生劇烈的反應，導致材料的腐蝕失效。為了防止這種情況的發生，人們通常會在高溫合金的表面鍍上一層氧化鋁或氧化鉻的薄膜。這種氧化薄膜在防止金屬腐蝕方面起著決定性的作用。因此，對高溫腐蝕中氧化膜的研究就顯得格外重要，我們需要搞清楚它們的形成機理，高溫下抗腐蝕的原因，以及它們是如何失效的。

    《Nature Materials》中的這篇文章回答了該領域的兩個經典問題。一個是高溫合金中普遍存在的所謂“活性元素”（通常為釔和鋯）的影響；第二個是關于水蒸汽在防腐中的作用。

    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：“在合金中添加活性元素會使性能得到巨大改善，但是迄今為止還沒有人能夠提供可靠的實驗來證明。同樣，水也一直以蒸汽的形式存在于高溫環境中，但人們對此也知之甚少。我們的工作將有助于解開這些謎題。”

    在這篇文章中，查爾姆斯的研究人員向人們展示了這兩種因素之間的聯系。并演示了合金中的活性元素是如何促進氧化鋁薄膜生長的，正是由于這些活性元素的存在，才導致了氧化膜向內生長，從而促進了水蒸汽能從環境向合金基底運輸。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’，并為新合金的研究和開發開辟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，”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制備更耐蝕合金的方法。他們表明，活性元素顆粒存在一個臨界尺寸，當其超過一定尺寸時，活性元素顆粒便會引起氧化膜的開裂，從而使合金基材更多的暴露于腐蝕環境中，導致腐蝕加劇。這也意味著我們可以通過控制合金中活性元素顆粒的尺寸，來獲得一種更耐腐蝕的高溫氧化膜。

    來自查爾姆斯理工大學的這項開創性研究，為未來制備出一種更堅固、更安全、更耐腐蝕的合金指明了道路。

    高溫合金在很多領域都有著極其重要的應用，因此它們對新型和可再生能源技術也是至關重要的，如生物質“綠色”能源，生物質氣化、碳捕獲和儲存生物能源、聚光太陽能和固體氧化物燃料電池等。它們在許多其他重要技術領域如噴氣發動機、石油化學和材料加工領域也發揮著極大的作用。

    隨著對耐高溫材料需求的不斷增長，該成果既可用于開發新的高溫技術，也可用于提高現有技術的制備效率。

    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。或者，如果人們能夠生產出具有更優異性能的耐高溫蒸汽管道，那么生物質燃料發電廠便可大幅提升每千克燃料的產熱效率。

    腐蝕是這些領域內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，為氧化物的研究開辟了新途徑，這無疑是為高溫材料領域的研究人員打了一劑強心針。

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責任編輯：殷鵬飛

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