科学家开发预测工具设计抗极端环境金属合金

厨师们喜欢不锈钢，因为它耐用、防锈。但很少有人知道不锈钢如此受欢迎的秘密。那就是不锈钢中的金属铬，它与空气中的氧气发生反应，形成一层稳定的保护性薄涂层，保护下面的钢。

如今，科学家和工程师正致力于设计可抵抗极端环境的合金，以用于核聚变反应堆、高超音速飞行和高温喷气发动机等应用。为了应对这些极端环境，研究人员正在尝试将多种金属按相同比例混合，形成复杂组合，即中高熵合金。这些合金旨在实现强度、韧性、耐腐蚀等设计目标，尤其是抵抗当金属与大气中的氧气发生反应时（即氧化）的腐蚀。

新工具的诞生

传统上，这些合金通常采用“烹煮观察”程序进行测试，即将合金材料暴露在高温氧化环境中，以观察其反应。然而，现在由美国能源部太平洋西北国家实验室（PNNL）和北卡罗来纳州立大学（NCSU）的科学家领导的多学科研究小组将原子级实验与理论相结合，创建了一种工具来预测这种高熵合金在高温氧化环境下的表现。该研究发表在《自然通讯》杂志上，为抗氧化复杂金属合金的快速设计和测试周期提供了路线图。

复杂合金的秘密

在最近的实验中，研究团队研究了一种高熵合金的降解情况，这种合金含有等量的钴、铬、铁、镍和锰（CoCrFeNiMn）。研究小组使用各种先进的原子尺度方法检查了该合金上形成的氧化物，以了解每种元素在合金和氧化物中的排列方式。

他们发现，铬和锰倾向于快速迁移到表面，形成稳定的铬和锰氧化物。随后，铁和钴会扩散到这些氧化物中，形成额外的层。通过添加少量的铝，他们发现氧化铝可以作为其他元素迁移形成氧化物的屏障，从而减少整体氧化，并提高其在高温下的抗降解能力。获取更多有价值信息 访问：https://byteclicks.com

深入理解氧化机制

这项研究揭示了原子级复杂合金的氧化机制，通过了解所涉及的基本机制，这项研究让我们对所有复杂合金的氧化有了更深入的理解。

预测模型的开发

研究团队经过仔细分析，发现了一些可以预测这些复杂合金中氧化过程如何进行的普遍规则。北卡罗来纳州立大学的计算同事开发了一种称为“优先交互参数”的模型，用于早期预测复杂金属合金中的氧化行为。

目前还没有普遍适用的管理模型来推断特定复杂多主元素合金在高温氧化环境中会如何随时间氧化和降解。这是朝着这个方向迈出的重要一步。获取更多有价值信息 访问：https://byteclicks.com

未来的研究方向

最终，研究团队希望扩大这项研究的范围，开发出具有卓越高温性能的复杂合金，并通过快速取样和分析迅速实现这一目标。最终目标是选择有利于形成粘附氧化物的元素组合。

下一步将是引入自动化实验，并整合增材制造方法和先进的人工智能，以快速评估有前景的新合金。该项目目前正在PNNL进行，作为通过边缘自主学习 (AT SCALE) 计划实现合成和控制的自适应可调性的一部分。

该研究对于进一步扩展我们对这些新型合金的认识非常重要。

这项研究标志着在开发能够承受极端环境的高性能金属合金方面迈出了重要一步。通过结合先进的实验技术和理论模型，科学家们不仅揭示了复杂合金的氧化机制，还开发了预测其氧化行为的工具。这将大大加速新材料的发现和应用，特别是在需要高温抗氧化性能的领域，如航空航天和核能工业。获取更多有价值信息 访问：https://byteclicks.com