德国Dierk Raabe院士：极端环境下材料腐蚀研究进展与机遇挑战
2024-05-08 16:08:08
作者：腐蚀与防护 来源：腐蚀与防护
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当今世界正面临着气候变化等一系列极端环境挑战，这些极端环境对材料的服役性能提出了更高的要求。极端环境条件下的材料性能研究成为了材料领域研究关注和探索的重点之一。从事不同类型极端环境材料研究的顶尖专家在Nature Reviews Materials期刊发表了评述文章《Materials for extreme environments》，其中来自德国马克斯·普朗克研究所的Dierk Raabe院士针对极端腐蚀和氢环境材料研究领域的最新进展、机遇和瓶颈问题进行了评述。
腐蚀是材料（主要是金属）与其环境相互作用导致的材料性能退化现象。材料的腐蚀限制了产品的寿命、安全性和功能性，有时会导致突然和灾难性的失效。
腐蚀是一个涉及材料、涂层、环境、微生物学、应力和/或电磁作用等多种因素共同作用的系统现象。每年由腐蚀造成的不可挽回的损失大约占据全球国民生产总值的4%~5%，年成本超过2万亿美元。通过使用更好的材料和防腐措施可以节省其中三分之一的经济损失。
因此，腐蚀科学（包括氢相关材料退化的研究）成为从化石能源时代向可持续发展时代过渡中影响最大的学科。防腐科技的发展不但提高了材料的寿命，从而有助于减少全球变暖，而且因不需更换产品和基础设施更有助于削减合成和制造相关的温室气体排放和能源消耗。
材料耐蚀性对基础设施的可持续性至关重要，如风力发电，使用液态熔盐的直接太阳热发电，受氢脆和腐蚀影响的聚变和裂变反应堆，使用绿氢作为（额外）燃料的发电厂涡轮和航空发动机，输送氢气的管道基础设施以及在全球变暖时期为干旱地区提供补给的海水淡化厂。
该领域中的一个突出问题是材料强度与其耐蚀性之间的倒置关系。特别是在交通运输领域，尤其是对于电动汽车和轻量化结构至关重要。因此，中锰和多相钢的使用更加广泛，锌、铜和镁掺杂的铝合金等超高强度合金的使用也在增多。它们的高强度主要来自复杂的微观结构、化学成分和内部应力场。这三种特征使得这些材料易受腐蚀，特别是易受氢脆的影响，腐蚀机理为通过加速沿晶缺陷的扩散、形成多个局部电偶对以及应力驱动的氢在内部界面的捕获和累积等。已有研究提出了一些对策，例如在高强度钢的微观结构中有意引入不均匀性，从而抑制氢驱动的裂纹扩展。在高强度铝合金中，镁和锆与氢的化学相互作用可能导致脆化，因此通过对受影响界面的钝化以及对这些元素的控制和（或）替换，进而增加材料的韧性。在钛和镍合金中，已经明确了纳米氢化物对腐蚀和氢脆的发生至关重要。
开发用于氢能源载体的材料也是腐蚀学科未来的重要研究方向之一。这需要使用抗氢钢来设计能够承受高氢分压的格栅。还必须考虑负的Joule-Thomson系数，因为氢的膨胀不会导致冷却，而是导致加热，从而导致更高的氢吸收。在这方面，研究人员正在开发适用于氢能安全基础设施的耐氢脆的贝氏体和回火马氏体钢。将氢作为燃料输入到燃气涡轮中也可能导致材料氢脆，这是由于交替的机械载荷和加热/冷却循环，从而诱发氢损伤。具体而言，它可能导致氢稳定的过剩空位，这些空位聚集形成孔隙，氢增强的局部塑性和/或氢增强的界面脱粘。用于这种涡轮（飞行或静止）的材料范围从高温钢到钛合金和镍基高温合金，都容易受到氢脆的影响。最近的研究结果表明，一些掺杂了间隙原子的中等和高熵合金变体具有良好的耐腐蚀和抗氢脆性能，有望与已成熟应用的合金相媲美。进一步的挑战是合金中回收成分的增加（用于减少主要合成环节的温室气体排放），以及由此产生的与腐蚀相关的影响。在一些产品中，回收成分可超过80%，其中一部分含有受污染的消费后废料。生产含有最高可能回收废料含量的高性能材料是即将到来的循环经济中的一个重要支柱。然而，这种方法会将杂质引入先前在很大程度上具有耐蚀性的合金中，影响腐蚀和氢脆，并导致液态金属脆化。例如，铁、铜、镁或锌等杂质引起的金属间化合物相互作用导致了电偶元素的形成，以及高强度铝合金中的氢脆。增加钢铁废料中锰含量会导致先进钢的更高腐蚀敏感性，也会产生类似的影响。较为严重的问题是铜和锌在钢铁废料中的积累。这些杂质通过低熔点共晶形成的液态金属脆化，将会导致灾难性失效。而这两种元素在钢铁废料熔炼过程中很难去除。该领域的其他重要研究课题包括先进的缓蚀剂，阴极保护，先进的涂层，基于第一性原理的计算腐蚀科学，人工智能在腐蚀科学中的应用，高分辨率氢探测和电偶特征定量的分析和原位方法的进展，油气工业中的腐蚀以及核设施中的腐蚀。
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