德國Dierk Raabe院士：極端環境下材料腐蝕研究進展與機遇挑戰
2024-05-08 16:08:08
作者：腐蝕與防護 來源：腐蝕與防護
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當今世界正面臨著氣候變化等一系列極端環境挑戰，這些極端環境對材料的服役性能提出了更高的要求。極端環境條件下的材料性能研究成為了材料領域研究關注和探索的重點之一。從事不同類型極端環境材料研究的頂尖專家在Nature Reviews Materials期刊發表了評述文章《Materials for extreme environments》，其中來自德國馬克斯·普朗克研究所的Dierk Raabe院士針對極端腐蝕和氫環境材料研究領域的最新進展、機遇和瓶頸問題進行了評述。
腐蝕是材料（主要是金屬）與其環境相互作用導致的材料性能退化現象。材料的腐蝕限制了產品的壽命、安全性和功能性，有時會導致突然和災難性的失效。
腐蝕是一個涉及材料、涂層、環境、微生物學、應力和/或電磁作用等多種因素共同作用的系統現象。每年由腐蝕造成的不可挽回的損失大約占據全球國民生產總值的4%~5%，年成本超過2萬億美元。通過使用更好的材料和防腐措施可以節省其中三分之一的經濟損失。
因此，腐蝕科學（包括氫相關材料退化的研究）成為從化石能源時代向可持續發展時代過渡中影響最大的學科。防腐科技的發展不但提高了材料的壽命，從而有助于減少全球變暖，而且因不需更換產品和基礎設施更有助于削減合成和制造相關的溫室氣體排放和能源消耗。
材料耐蝕性對基礎設施的可持續性至關重要，如風力發電，使用液態熔鹽的直接太陽熱發電，受氫脆和腐蝕影響的聚變和裂變反應堆，使用綠氫作為（額外）燃料的發電廠渦輪和航空發動機，輸送氫氣的管道基礎設施以及在全球變暖時期為干旱地區提供補給的海水淡化廠。
該領域中的一個突出問題是材料強度與其耐蝕性之間的倒置關系。特別是在交通運輸領域，尤其是對于電動汽車和輕量化結構至關重要。因此，中錳和多相鋼的使用更加廣泛，鋅、銅和鎂摻雜的鋁合金等超高強度合金的使用也在增多。它們的高強度主要來自復雜的微觀結構、化學成分和內部應力場。這三種特征使得這些材料易受腐蝕，特別是易受氫脆的影響，腐蝕機理為通過加速沿晶缺陷的擴散、形成多個局部電偶對以及應力驅動的氫在內部界面的捕獲和累積等。已有研究提出了一些對策，例如在高強度鋼的微觀結構中有意引入不均勻性，從而抑制氫驅動的裂紋擴展。在高強度鋁合金中，鎂和鋯與氫的化學相互作用可能導致脆化，因此通過對受影響界面的鈍化以及對這些元素的控制和（或）替換，進而增加材料的韌性。在鈦和鎳合金中，已經明確了納米氫化物對腐蝕和氫脆的發生至關重要。
開發用于氫能源載體的材料也是腐蝕學科未來的重要研究方向之一。這需要使用抗氫鋼來設計能夠承受高氫分壓的格柵。還必須考慮負的Joule-Thomson系數，因為氫的膨脹不會導致冷卻，而是導致加熱，從而導致更高的氫吸收。在這方面，研究人員正在開發適用于氫能安全基礎設施的耐氫脆的貝氏體和回火馬氏體鋼。將氫作為燃料輸入到燃氣渦輪中也可能導致材料氫脆，這是由于交替的機械載荷和加熱/冷卻循環，從而誘發氫損傷。具體而言，它可能導致氫穩定的過?？瘴?，這些空位聚集形成孔隙，氫增強的局部塑性和/或氫增強的界面脫粘。用于這種渦輪（飛行或靜止）的材料范圍從高溫鋼到鈦合金和鎳基高溫合金，都容易受到氫脆的影響。最近的研究結果表明，一些摻雜了間隙原子的中等和高熵合金變體具有良好的耐腐蝕和抗氫脆性能，有望與已成熟應用的合金相媲美。進一步的挑戰是合金中回收成分的增加（用于減少主要合成環節的溫室氣體排放），以及由此產生的與腐蝕相關的影響。在一些產品中，回收成分可超過80%，其中一部分含有受污染的消費后廢料。生產含有最高可能回收廢料含量的高性能材料是即將到來的循環經濟中的一個重要支柱。然而，這種方法會將雜質引入先前在很大程度上具有耐蝕性的合金中，影響腐蝕和氫脆，并導致液態金屬脆化。例如，鐵、銅、鎂或鋅等雜質引起的金屬間化合物相互作用導致了電偶元素的形成，以及高強度鋁合金中的氫脆。增加鋼鐵廢料中錳含量會導致先進鋼的更高腐蝕敏感性，也會產生類似的影響。較為嚴重的問題是銅和鋅在鋼鐵廢料中的積累。這些雜質通過低熔點共晶形成的液態金屬脆化，將會導致災難性失效。而這兩種元素在鋼鐵廢料熔煉過程中很難去除。該領域的其他重要研究課題包括先進的緩蝕劑，陰極保護，先進的涂層，基于第一性原理的計算腐蝕科學，人工智能在腐蝕科學中的應用，高分辨率氫探測和電偶特征定量的分析和原位方法的進展，油氣工業中的腐蝕以及核設施中的腐蝕。
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