如何制造出耐氢的金属合金

高科技金属合金广泛用于重要材料，如保护核反应堆内燃料的包层。但即使是最好的合金也会随着时间的推移而降解，这是反应堆高温，辐射和富氢环境的受害者。现在，麻省理工学院的一个研究小组已经找到了一种方法，可以大大减少这些金属暴露在氢气中的破坏性影响。

研究人员表示，该团队的分析主要集中在核工业中广泛使用的锆合金，但他们发现的基本原理可适用于其他能源系统和基础设施应用中使用的许多金属合金。该研究结果发表在麻省理工学院副教授Bilge Yildiz，博士后Mostafa Youssef和研究生Ming Yang的论文“ 物理评论应用 ”杂志上。

当来自反应堆冷却剂的水分子分裂时释放的氢可以进入金属并与之反应。这导致金属的延展性降低，或者在压裂之前维持机械载荷的能力。这反过来会导致过早开裂和失效。在核电站，“包层的机械完整性非常重要，”Yildiz说，因此找到改善其寿命的方法是一个高度优先事项。

但事实证明，氢原子初始进入金属主要取决于在金属表面形成的层的特性。

在高温水中锆的表面上天然形成氧化锆涂层，它起到一种保护屏障的作用。如果精心设计，这层氧化物可以抑制氢进入金属的晶体结构。或者，在其他条件下，它可以以气体形式释放氢气。

虽然研究人员几十年来一直在研究氢脆，但Yildiz说，“几乎所有的工作都是关于金属内氢的变化：后果是什么，它在哪里，它是如何导致脆化的?我们学到了这些研究中有很多。“ 但她说，首先如何将氢气放入内部的工作却很少。氢如何通过这个表面氧化层进入，或者它如何作为气体从该层排出，尚未量化。

“如果我们知道它是如何进入或如何从表面排出或排出，这使我们能够预测可以降低​​进入速度的表面修饰，”Yildiz说。她的团队发现可以做到这一点，提高屏障阻止进入氢气的能力，可能高达千倍。

在渗透到下面的大部分金属之前，氢必须首先溶解在氧化物层中。但是氢的溶解可以通过掺杂该层来控制 - 也就是说，通过将另一种元素的原子引入其中来控制氢的溶解。该团队发现氧化物中氢的溶解量遵循谷形曲线，这取决于掺杂元素将电子引入氧化物层的能力。

“有一种特定类型的掺杂元素可以最大限度地降低氢的穿透能力，而其他掺杂元素可以在氧化物中引入最大量的电子，并促进氢气在氧化物表面的喷射，”Mostafa说。因此，能够预测属于每种类型的掺杂剂是制造有效屏障的关键技巧。

该团队的研究结果提出了两种可能的策略，一种旨在最大限度地减少氢渗透，另一种是最大限度地吸收氢原子的喷射。

阻挡策略是“通过合并适当数量的元素(如铬)来”定位谷底“，从而产生这种效果。另一种策略是基于不同的元素，包括铌，将氢从氧化物表面推出并保护下面的锆合金。

该团队表示，掺杂可以通过在初始锆合金基质中加入少量掺杂金属来实现，这样就可以将其掺入到金属上自然形成的氧化层中。

该团队强调，他们发现的可能是一种通用的方法，可以应用于在其表面形成氧化层的各种合金，就像大多数人那样。他们的方法可以改善化石燃料工厂，桥梁，管道，燃料电池和许多其他应用中使用的合金的寿命。

“任何地方都有金属暴露在高温和水中，”Yildiz说 - 例如用于石油和天然气开采的设备 - 是一种潜在的情况，这项工作可能适用。