Команда разрабатывает инструмент прогнозирования для проектирования сложных металлических сплавов, способных противостоять экстремальным условиям окружающей среды

Важные новости

Команда разрабатывает инструмент прогнозирования для разработки сложных металлических сплавов, способных выдерживать экстремальные условия окружающей среды» /></p>
<p> Исследователи разработали инструмент, позволяющий предсказать, как новые высокоэнтропийные сплавы будут вести себя в высокотемпературных окислительных средах. Разработка новых сплавов важна для аэрокосмической и атомной энергетики. Фото: Натан Джонсон | Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория </p>
<p>Повара любят нержавеющую сталь за ее долговечность, устойчивость к ржавчине и возможность приготовления пищи при нагревании. Но мало кто знает секрет, который делает нержавеющую сталь такой популярной. Это металлический хром, содержащийся в нержавеющей стали, который вступает в реакцию с кислородом воздуха, образуя стабильное и защитное тонкое покрытие, защищающее сталь под ним.</p>
<p>В наши дни ученые и инженеры работают над созданием сплавов, способных противостоять экстремальным условиям окружающей среды, 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 направлены на достижение таких целей проектирования, как прочность, ударная вязкость, стойкость к коррозии и т. д.</p>
<p>В частности, исследователи ищут сплавы, устойчивые к коррозии, которая может возникнуть, когда металлы реагируют с кислородом в атмосфере, процесс, называемый окисление. Эти сплавы обычно тестируются по принципу «приготовь и посмотри», когда материалы сплава подвергаются воздействию высокотемпературной среды окисления, чтобы увидеть, как они отреагируют.</p>
<p>Но теперь междисциплинарная исследовательская группа во главе с учеными из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики и Университета штата Северная Каролина объединила эксперименты атомного масштаба с теорией, чтобы создать инструмент, позволяющий предсказать, как такие высокоэнтропийные сплавы будут вести себя под воздействием высокотемпературных окислительных процессов. среды. Исследование, опубликованное в журнале <i>Nature Communications</i>, предлагает план действий по ускорению циклов проектирования и испытаний устойчивых к окислению сложных металлических сплавов.</p>
<p>«Мы работаем над разработкой модели деградации материалов этих сложных сплавов в атомном масштабе, которую затем можно будет применить для разработки сплавов следующего поколения с превосходной устойчивостью к экстремальным условиям окружающей среды для широкого спектра применений, таких как аэрокосмическая и атомная энергетика. », — сказал Арун Деварадж, соруководитель исследования и ученый-материаловед PNNL, специализирующийся на понимании деградации металлов в экстремальных условиях.</p>
<p>«Цель здесь — найти способы быстрой идентификации сплавов со средней и высокой энтропией с желаемыми свойствами и стойкостью к окислению для выбранного вами применения».</p>
<p><img decoding=

Ученый-материаловед Арун Деварадж работает над атомно-зондовым томографом в Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории. Этот прецизионный прибор может показать расположение атомов в крошечных образцах материалов, таких как металлические сплавы. Фото: Андреа Старр | Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория

Рецепт сложного сплава

В своих недавних экспериментах исследовательская группа изучила деградацию высокоэнтропийного сплава с равными количествами металлов: кобальта, хрома, железа, никеля и марганца (CoCrFeNiMn, также называемый сплавом Кантора). Исследовательская группа исследовала оксид, образовавшийся на сплаве Кантора, используя различные передовые методы атомного масштаба, чтобы понять, как каждый элемент располагается в сплаве и оксиде.

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

Добавив небольшое количество алюминия, они обнаружили, что оксид алюминия может действовать как барьер для других элементов, мигрирующих с образованием оксида, тем самым снижая общее окисление алюминийсодержащего сплава Кантора и повышая его устойчивость к деградации при высоких температурах. /п> <р>«Эта работа проливает свет на механизмы окисления в сложных сплавах на атомном уровне», — сказал Бхарат Гвалани, соавтор исследования. Гвалани начал исследование, будучи учёным в PNNL, и продолжил исследования в своей нынешней должности доцента кафедры материаловедения и инженерии в Университете штата Северная Каролина. Он добавил: «Понимая фундаментальные механизмы, эта работа дает нам более глубокое понимание окисления во всех сложных сплавах».

Команда разрабатывает инструмент прогнозирования для проектирования сложных металлических сплавов, способных выдерживать экстремальные условия

Микроскопические образцы сложного металлического сплава помещаются в сосуд для отбора проб и попадают в прибор для атомно-зондовой томографии. Фото: Андреа Старр | Тихоокеанская Северо-Западная национальная лаборатория

Прогностические модели

«В настоящее время не существует универсально применимых управляющих моделей, позволяющих экстраполировать то, как данный сложный сплав, состоящий из многих основных элементов, будет окисляться и разлагаться в течение длительного времени. время в среде высокотемпературного окисления», — сказал Деварадж. «Это существенный шаг в этом направлении».

Тщательный анализ команды выявил некоторые универсальные правила, которые могут предсказать, как будет протекать процесс окисления в этих сложных сплавах. Коллеги-вычислители из NCSU разработали модель под названием «Параметр предпочтительного взаимодействия» для раннего прогнозирования поведения окисления в сложных металлических сплавах.

В конечном итоге исследовательская группа рассчитывает расширить эти исследования для разработки сложных сплавов с исключительными жаростойкими свойствами и сделать это очень быстро за счет быстрого отбора проб и анализа. Конечная цель — выбрать комбинацию элементов, которая будет способствовать образованию прочного оксида, — сказал Деварадж. «Вы знаете, что образование оксида произойдет, но вы хотите иметь очень стабильный оксид, который будет защитным, который не будет меняться со временем и выдерживать экстремальные температуры внутри ракетного двигателя или ядерных реакторов».

Следующим шагом станет внедрение автоматизированных экспериментов и интеграция методов аддитивного производства вместе с передовым искусственным интеллектом для быстрой оценки новых перспективных сплавов. Этот проект сейчас реализуется в PNNL в рамках инициативы «Адаптивная настройка для синтеза и управления» в рамках инициативы автономного обучения на периферии (AT SCALE).

«Такой цикл открытия для открытия материалов будет очень полезным. актуально для дальнейшего расширения наших знаний об этих новых сплавах», — сказал Деварадж, который также работает на совместном факультете Горной школы Колорадо.

Помимо Гвалани и Девараджа, внесли свой вклад ученые PNNL Стен Ламбитс, Мэтью Ольста, Анил Кришна Батту и Тевутасан Сунтарампиллаи; а также Мартин Туо, Арам Амассян, Эндрю Мартин, Анируддха Малакар и Бою Го из NCSU; Элизабет Каутц, доцент кафедры ядерной инженерии в штате Северная Каролина, которая также работает совместно с PNNL; Фейпэн Ян и Цзинхуа Го из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли; и Руйпенг Ли из Брукхейвенской национальной лаборатории.

Чтобы исследовать расположение атомов в образцах, исследовательская группа использовала томографию с атомным зондом in situ в PNNL. Эти результаты были коррелированы с данными электронной микроскопии и широкоугольным рассеянием рентгеновских лучей при скользящем падении на основе синхротрона на Национальном синхротронном источнике света II, BNL, а также с измерениями поглощения рентгеновских лучей, проведенными на Advanced Light Source, LBNL.

< p>

Дополнительная информация: Бхарат Гвалани и др., Механистическое понимание роста определенных оксидов в высокоэнтропийных сплавах, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-49243-8

Информация журнала: Nature Communications

Предоставлено Тихоокеанской северо-западной национальной лабораторией

Новости сегодня

Последние новости