全球視野 | 德國Dierk Raabe院士：極端環(huán)境下材料腐蝕研究進展與機遇挑戰(zhàn)
2024-10-14 10:32:28
作者：本網(wǎng)整理 來源：《腐蝕與防護之友》
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當(dāng)今世界正面臨著氣候變化等一系列極端環(huán)境挑戰(zhàn)，這些極端環(huán)境對材料的服役性能提出了更高的要求。極端環(huán)境條件下的材料性能研究成為了材料領(lǐng)域研究關(guān)注和探索的重點之一。從事不同類型極端環(huán)境材料研究的頂尖專家在Nature Reviews Materials期刊發(fā)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(huán)境材料研究領(lǐng)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(huán)境相互作用導(dǎo)致的材料性能退化現(xiàn)象。材料的腐蝕限制了產(chǎn)品的壽命、安全性和功能性，有時會導(dǎo)致突然和災(zāi)難性的失效。
腐蝕是一個涉及材料、涂層、環(huán)境、微生物學(xué)、應(yīng)力和/或電磁作用等多種因素共同作用的系統(tǒng)現(xiàn)象。每年由腐蝕造成的不可挽回的損失大約占據(jù)全球國民生產(chǎn)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(jié)省其中三分之一的經(jīng)濟損失。
因此，腐蝕科學(xué)（包括氫相關(guān)材料退化的研究）成為從化石能源時代向可持續(xù)發(fā)展時代過渡中影響最大的學(xué)科。防腐科技的發(fā)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(chǎn)品和基礎(chǔ)設(shè)施更有助于削減合成和制造相關(guān)的溫室氣體排放和能源消耗。
材料耐蝕性對基礎(chǔ)設(shè)施的可持續(xù)性至關(guān)重要，如風(fēng)力發(fā)電，使用液態(tài)熔鹽的直接太陽熱發(fā)電，受氫脆和腐蝕影響的聚變和裂變反應(yīng)堆，使用綠氫作為（額外）燃料的發(fā)電廠渦輪和航空發(fā)動機，輸送氫氣的管道基礎(chǔ)設(shè)施以及在全球變暖時期為干旱地區(qū)提供補給的海水淡化廠。
該領(lǐng)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(guān)系。特別是在交通運輸領(lǐng)域，尤其是對于電動汽車和輕量化結(jié)構(gòu)至關(guān)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(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分和內(nèi)部應(yīng)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(yīng)力驅(qū)動的氫在內(nèi)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(jié)構(gòu)中有意引入不均勻性，從而抑制氫驅(qū)動的裂紋擴展。在高強度鋁合金中，鎂和鋯與氫的化學(xué)相互作用可能導(dǎo)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(jīng)明確了納米氫化物對腐蝕和氫脆的發(fā)生至關(guān)重要。
開發(fā)用于氫能源載體的材料也是腐蝕學(xué)科未來的重要研究方向之一。這需要使用抗氫鋼來設(shè)計能夠承受高氫分壓的格柵。還必須考慮負的Joule-Thomson系數(shù)，因為氫的膨脹不會導(dǎo)致冷卻，而是導(dǎo)致加熱，從而導(dǎo)致更高的氫吸收。在這方面，研究人員正在開發(fā)適用于氫能安全基礎(chǔ)設(shè)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(dǎo)致材料氫脆，這是由于交替的機械載荷和加熱/冷卻循環(huán)，從而誘發(fā)氫損傷。具體而言，它可能導(dǎo)致氫穩(wěn)定的過剩空位，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(jié)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(yīng)用的合金相媲美。進一步的挑戰(zhàn)是合金中回收成分的增加（用于減少主要合成環(huán)節(jié)的溫室氣體排放），以及由此產(chǎn)生的與腐蝕相關(guān)的影響。在一些產(chǎn)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(chǎn)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(huán)經(jīng)濟中的一個重要支柱。然而，這種方法會將雜質(zhì)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(dǎo)致液態(tài)金屬脆化。例如，鐵、銅、鎂或鋅等雜質(zhì)引起的金屬間化合物相互作用導(dǎo)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(dǎo)致先進鋼的更高腐蝕敏感性，也會產(chǎn)生類似的影響。較為嚴(yán)重的問題是銅和鋅在鋼鐵廢料中的積累。這些雜質(zhì)通過低熔點共晶形成的液態(tài)金屬脆化，將會導(dǎo)致災(zāi)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(lǐng)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(xué)，人工智能在腐蝕科學(xué)中的應(yīng)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(yè)中的腐蝕以及核設(shè)施中的腐蝕。
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