报告内容

主要作者、机构及发表信息

本文的主要作者为C.C. Liu、L.M. Zhang、Z. Liu、A.L. Ma、Z.X. Liu及Y.G. Zheng，主要隶属于中国科学院金属研究所核材料与安全评估重点实验室（CAS Key Laboratory of Nuclear Materials and Safety Assessment, Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences），中国科学技术大学材料科学与工程学院（School of Materials Science and Engineering, University of Science and Technology of China）与湖南大学材料科学与工程学院（College of Materials Science and Engineering, Hunan University）。该研究发表于国际期刊《Corrosion Science》，具体发文时间为2024年3月26日，文章编号为112010。文章研究主题聚焦于研究铝（Al）合金化对钛-铝（Ti-Al）合金的显微结构和在高温浓硝酸环境中的耐腐蚀性的影响。

学术背景

这项研究主要涉及核材料科学与腐蚀行为领域。文章旨在应对乏燃料再处理（spent fuel reprocessing）过程中设备材料耐腐蚀性的挑战。乏燃料再处理通常采用PUREX工艺，其核心是使用高温浓硝酸溶解乏燃料并提取可再用的燃料成分。由于环境具有强酸性、强氧化性和放射性，对设备材料的耐腐蚀性提出了极高要求。

传统材料如不锈钢、钛合金和锆合金，虽被广泛使用，但在高温硝酸环境中均存在性能限制。例如，不锈钢易发生晶间腐蚀，锆合金容易发生应力腐蚀，而纯钛的耐腐蚀性在高温浓硝酸环境下亦较为不足。钛通过形成致密、稳定、惰性及自粘附的氧化膜展现出其耐腐蚀特性，但在高温浓硝酸中，其单纯氧化膜的稳定性仍需提升。

在此背景下，研究人员提出通过合金化来解决纯钛耐腐蚀性不足的问题。以铝作为一种α相稳定元素，其在强化钛合金力学性能和耐腐蚀性方面表现出显著潜力。这样的研究对于推动核燃料再处理设备材料的发展具有重要意义。

研究目标是探索铝合金化对钛-铝合金显微结构和热硝酸腐蚀性能的影响，阐释铝合金化如何改变材料微观结构及其耐硝酸腐蚀性机制。

研究方法与流程

整体研究流程
文章使用了实验评估与理论计算相结合的方法，从材料制备、显微机构观察、电化学测试到理论计算进行了详细研究。

材料制备
研究通过真空熔炼炉以6×10^-3 Pa的真空水平制备钛-铝合金锭，采用多次重熔（至少五次）以实现成分均匀化。六种不同铝含量（0%、1%、2%、3%、4%、5%）的实验样本被切割成特定形状以满足各类测试需求。表面处理包含从粗研磨到超声波清洗，以确保测试表面平整且接触均匀。

显微结构表征与硬度测试
通过X射线衍射（XRD）测定了不同铝含量合金的晶相组成，通过光学显微镜（OM）观察了显微组织特征。使用维氏硬度计系统（HVS-1000M）评估硬度性能。

电化学测试
研究设计了在6M浓硝酸并在100°C进行电化学实验的体系，包括开路电位（OCP）、交流阻抗谱（EIS）、动电位极化及Mott-Schottky（M-S）测试，用以评估被动膜的稳定性和耐腐蚀性。

理论计算与数据分析
采用基于密度泛函理论（DFT）的Vienna Ab-initio Simulation Package（VASP）进行工作函数（WF）与费米能级（EF）的计算。建模中加入了铝原子并构建不同铝含量的超晶胞，通过电子局域化函数（ELF）与Bader电荷计算分析材料的电子特性及化学键状态。

主要研究结果

显微结构和硬度性能
XRD结果表明，各合金仅存在α相，未观察到第二相沉淀现象。随着铝含量的增加，其（101）衍射峰向高角度方向偏移，表明晶格参数减小。显微组织显示Widmanstätten结构占主导，随着铝含量的增加，α片层呈现更加错综的交织分布，且硬度从纯钛的150 HV增长至含5 wt%铝的256 HV。

电化学测试与腐蚀行为
- 动电位极化曲线显示，含4 wt%铝的Ti-4Al合金表现出最低的被动电流密度（14.43 μA/cm²），耐腐蚀性最优。被动膜主要由Al2O3和TiO2构成，其厚度随着铝含量增加而逐步增长，在铝含量为4 wt%时达到峰值（7.87 nm）。 - EIS测试显示Ti-4Al合金的极化电阻（Rp）最大，与腐蚀率呈反比关系。 - Mott-Schottky分析表明被动膜表现为n型半导体，含4 wt%铝的合金拥有最低的施主密度（Nd），说明其氧化膜的保护性能最佳。

DFT理论计算的支持
密度泛函理论分析表明，随铝含量增加，合金的工作函数（WF）先增后减，而费米能级（EF）呈现相反趋势。含4 wt%铝的合金展现出稳定的热力学特性，凸显其耐蚀性优势。ELF与Bader电荷计算还指出，铝原子具有更高电荷，更倾向于失电子并形成稳定氧化膜。

被动膜组成与迁移行为
XPS分析表明，铝的外扩散和氧化导致更高比例的Al2O3存在于被动膜内。与TiO2协同作用，共同提升了被动膜的致密性和耐腐蚀性。

研究结论与意义

这项研究系统揭示了铝合金化如何通过微观结构调整与被动膜增强机制来提高Ti-Al合金在热硝酸环境下的耐腐蚀性。研究表明，适量的铝添加（≤4 wt%）能够优化钛基合金的结构性能及抗腐蚀能力，而过高的铝含量（5 wt%）可能带来负面影响。研究既具有重要的材料科学意义，也为乏燃料再处理设备提供了一种高性能的材料解决方案。

研究亮点

1. 创新性：结合实验和DFT计算，全面揭示铝对钛合金显微结构、电子特性及被动膜行为的影响机制。
2. 实际应用：为乏燃料再处理设备提供更耐用、更高效的材料选择。
3. 科学贡献：院核了微观结构、腐蚀行为与热力学特性间的相互关系，为材料设计提供理论与实验依据。

总结

这项研究通过实验与理论双重框架，实现了对Ti-Al合金性能优化的深入剖析。文章不仅在金属腐蚀领域具有前沿性，也对未来高性能核材料的开发提供了重要参考。研究逻辑清晰、方法科学，尤其在被动膜行为及相关电子特性上的研究值得推广与拓展。