原子有序性显著影响合金腐蚀

Pennsylvania州立大学的研究人员报告了证据，表明对材料原子级有序性的微小调整可以显著影响腐蚀的速率和程度，即使基准化学成分完全相同。

在这项最近发表于《Corrosion Science》的研究中，团队对镍铬基合金进行了模拟。这类合金具有优异的强度、抗蠕变性和对辐射诱导降解的耐受性，使其成为熔盐堆及其他先进能源系统的首选候选材料。

来自作者：“保持材料稳定性对任何反应堆都是一项挑战，但熔盐堆尤其面临腐蚀问题，”该研究的作者、Penn State核工程助理教授Miaomiao Jin说。“许多因素在这种腐蚀中起作用，其中许多我们并不完全了解，包括温度、特定的盐类，甚至材料在微观结构层面的化学构成。”

“这些反应堆中的高温和辐射的存在，使得通过实验研究腐蚀如何在镍铬合金中开始和扩展变得困难，”通讯作者、Penn State核工程博士生Hamdy Arkoub补充道。“我们的工作旨在利用建模和模拟来填补这些空白。”

Arkoub表示，其他研究已观察到镍铬合金样品腐蚀速率的显著差异，但将这种效应归因于机械应力。本研究发现，微观结构可以发挥突出作用，铬原子的有序化有可能简化腐蚀路径。

研究：团队创建了具有不同原子排列的模拟，这导致了原子在材料中迁移或渗透方式的差异。

“我们在测试前就知道渗透会影响合金的腐蚀行为，但在考虑原子有序性时，我们并不理解起作用的具体机制，”Jin说。

一种排列方式中，铬原子从样品表面到内部结构呈长程、连续的延伸，在与FLiNaK盐的模拟相互作用后，发现其腐蚀速度显著加快，相比之下，具有短程或随机有序的构型则不然。

根据Penn State关于该研究的新闻稿，“在暴露于熔盐中仅仅三纳秒后……长程有序镍铬合金的表面变得粗糙并出现点蚀，而短程有序和随机排列的模拟表面保持光滑，这进一步证明了这些渗透路径是这种腐蚀的主要原因。”

在论文中，作者指出，这项工作提供了首个原子尺度的证据，证明化学有序性从根本上改变了镍铬合金中早期腐蚀的动力学。

下一步：“利用这一新认识，我们正试图构建一个大尺度模型，使我们能够看到某些合金材料在暴露于熔盐时行为的实时演变，”Arkoub说。“科学家们之前曾尝试这样做，但存在很多限制，因为我们缺乏对这种腐蚀在原子尺度上如何运作的深入理解——基于我们的发现，我们可以创建更好的预测模型来模拟这些合金如何腐蚀。”