Повара любят нержавеющую сталь за ее прочность, устойчивость к ржавчине и даже к приготовлению пищи при нагревании. Но мало кто знает секрет, который делает нержавеющую сталь такой популярной. Это металлический хром в нержавеющей стали, который вступает в реакцию с кислородом воздуха, образуя прочное и тонкое защитное покрытие для защиты стали под ним.

В наши дни ученые и инженеры работают над созданием сплавов, способных противостоять экстремальным условиям эксплуатации, для таких применений, как термоядерные реакторы, гиперзвуковые полеты и высокотемпературные реактивные двигатели. Для таких экстремальных применений ученые экспериментируют со сложными комбинациями многих металлов, смешанных в равных пропорциях, в так называемых сплавах с несколькими основными элементами или сплавах со средней и высокой энтропией. Эти сплавы предназначены для достижения таких конструктивных целей, как прочность, вязкость, устойчивость к коррозии и так далее. В частности, исследователи ищут сплавы, устойчивые к коррозии, которая может возникнуть, когда металлы вступают в реакцию с кислородом в атмосфере, - процесс, называемый окислением. Эти сплавы обычно тестируются в режиме "готовь и смотри", когда материалы из сплавов подвергаются высокотемпературному окислению, чтобы увидеть, как они реагируют.

Но теперь междисциплинарная исследовательская группа, возглавляемая учеными из Тихоокеанской Северо-Западной национальной лаборатории Министерства энергетики и Университета штата Северная Каролина, объединила эксперименты атомного масштаба с теорией, чтобы создать инструмент для прогнозирования того, как такие высокоэнтропийные сплавы будут вести себя в высокотемпературных окислительных средах. Исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, предлагает план быстрого проектирования и испытаний сложных металлических сплавов, стойких к окислению.

"Мы работаем над созданием модели разрушения материалов этих сложных сплавов в атомном масштабе, которая затем может быть использована для создания сплавов следующего поколения с превосходной устойчивостью к экстремальным условиям окружающей среды для широкого спектра применений, таких как аэрокосмическая промышленность и атомная энергетика", - сказал Арун Деварадж, один из главных исследователей автор исследования и специалист по материаловедению PNNL, специализирующийся на изучении процессов деградации металлов в экстремальных условиях. "Цель здесь - найти способы быстрого определения средне- и высокоэнтропийных сплавов с желаемыми свойствами и стойкостью к окислению для выбранного вами применения".

Сложный состав сплава

В своих недавних экспериментах исследовательская группа изучала разрушение высокоэнтропийного сплава с равными количествами металлов кобальта, хрома, железа, никеля и марганца (CoCrFeNiMn, также называемого сплавом Кантора). Исследовательская группа изучила оксид, образовавшийся в сплаве Кантора, используя различные передовые методы атомного анализа, чтобы понять, как каждый элемент распределяется в сплаве и оксиде.

Они обнаружили, что хром и марганец имеют тенденцию быстро мигрировать к поверхности и образовывать стабильные оксиды хрома и марганца. Впоследствии железо и кобальт диффундируют через эти оксиды, образуя дополнительные слои.

Добавляя небольшое количество алюминия, они обнаружили, что оксид алюминия может выступать в качестве барьера для других элементов, мигрирующих для образования оксида, тем самым снижая общее окисление алюминийсодержащего сплава Кантора и повышая его устойчивость к разрушению при высоких температурах.

"Эта работа проливает свет на механизмы окисления в сложных сплавах на атомном уровне", - сказал Бхарат Гвалани, соавтор исследования. Гвалани начал исследование, будучи ученым в PNNL, и продолжил его в своей нынешней должности доцента кафедры материаловедения и инженерии в Университете штата Северная Каролина. Он добавил: "Благодаря пониманию фундаментальных механизмов, задействованных в этой работе, эта работа дает нам более глубокое понимание процессов окисления во всех сложных сплавах".

Прогнозирующие модели

"В настоящее время не существует универсальных моделей, позволяющих экстраполировать то, как данный сложный сплав, состоящий из нескольких основных элементов, будет окисляться и разлагаться с течением времени в условиях высокотемпературного окисления", - сказал Деварадж. "Это существенный шаг в этом направлении".

Тщательный анализ, проведенный командой, выявил некоторые универсальные правила, которые могут предсказать, как будет протекать процесс окисления в этих сложных сплавах. Коллеги-вычислители из NCSU разработали модель под названием "Предпочтительный параметр интерактивности" для раннего прогнозирования процессов окисления в сложных металлических сплавах.

В конечном счете, исследовательская группа планирует расширить свои исследования, чтобы разработать сложные сплавы с исключительными высокотемпературными свойствами, и сделать это очень быстро за счет быстрого отбора проб и анализа. Конечная цель - выбрать комбинацию элементов, которые способствуют образованию адгезивного оксида, сказал Деварадж. "Вы знаете, что образование оксидов будет происходить, но вы хотите получить очень стабильный оксид, который будет защитным, не изменяющимся со временем и выдерживающим экстремальные температуры внутри ракетного двигателя или ядерных реакторов".

Следующим шагом будет внедрение автоматизированных экспериментов и интеграция методов аддитивного производства наряду с передовым искусственным интеллектом для быстрой оценки перспективных новых сплавов. В настоящее время этот проект реализуется в PNNL в рамках инициативы "Адаптивная настраиваемость для синтеза и управления с помощью автономного обучения на грани (В МАСШТАБЕ)".

"Такой цикл исследований материалов будет очень полезен для дальнейшего расширения наших знаний об этих новых сплавах", - сказал Деварадж, который также работает преподавателем в Горной школе Колорадо.

В дополнение к Гвалани и Девараджу, свой вклад внесли ученые из PNNL Стен Ламбитс, Мэтью Ольшта, Анил Кришна Батту и Вутасан Сунтхарампиллаи, а также Мартин Туо, Арам Амассиан, Эндрю Мартин, Анируддха Малакар и Бойю Го из NCSU; Элизабет Каутц, доцент кафедры ядерной инженерии в штате Северная Каролина, которая также работает совместно с PNNL; Фейпен Ян и Цзинхуа Го из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли; и Руйпен Ли из Брукхейвенской национальной лаборатории.

Чтобы исследовать расположение атомов в образцах, исследовательская группа использовала атомно-зондовую томографию in situ в PNNL. Эти результаты были сопоставлены с результатами электронной микроскопии и широкоугольного рассеяния рентгеновских лучей с помощью синхротрона на Национальном синхротронном источнике света II, BNL, и измерениями поглощения рентгеновских лучей, проведенными на национальном пользовательском оборудовании Advanced Light Source, LBNL, финансируемом Научным управлением Министерства энергетики США. Исследование также было частично поддержано Отделом науки, фундаментальных энергетических наук, материаловедения и инженерии Министерства энергетики США в рамках исследовательской программы "Начало карьеры".