宁波材料所在Ni-Cr合金设计准则的高精度量子计算方面取得进展

         镍合金具有抗腐蚀、抗氧化、抗辐照、高强韧性等优异的冶金物理化学性能，其中Ni-Cr合金是非常核心的一类体系，其工业牌号（比如Inconel、Incoloy、Nimonic、Waspaloy等）的研发历史已逾百年。Ni-Cr合金表面会自发生成保护性的钝化膜（比如Cr₂ O₃ 和NiO），使其能有效抵御各种苛刻使役环境（比如高温气体/熔盐、海洋、核设施环境、催化/电池电解液等）的侵蚀。钝化膜的生长规律紧密依赖于合金的结构、元素分布和环境条件，而合金的结构和元素分布又极大依赖于化学组分和热处理条件（如图1所示）。这种冶金科学问题的高度复杂性使得其背后决定性的微观原理长期得不到体系化、定量精准、多角度自洽的描述。这不仅影响了人类对传统优异Ni-Cr合金的清晰理解，也极大限制了人类开发更多新型优异Ni-Cr合金的能力。

　　近期，宁波材料所前沿交叉科学研究中心的黄良锋研究员（理论）、美国亚利桑那州立大学的Yusi Xie博士和Karl Sieradzki教授（实验）、美国西北大学的James M. Rondinelli教授（理论）进行了多方合作研究，在量子力学框架下，开发了一种高精度的第一性原理集成计算方法，精确计算了Ni-Cr合金的自由能、热力学相图、钝化膜的自由能、电化学相图等重要的冶金物理化学量（如图2所示）。在此基础上，科研人员成功构建了合金组分、热处理条件、元素分离、钝化膜生长规律、抗腐蚀和抗氧化性能、热学/电化学环境服役规律等重要方面之间的复杂多元依赖关系，解释了众多已报道的历史/最新的实验结果，也纠正了一些理论/实验上的不准确理解。此外，研究人员还通过联合评估热处理作用和抗腐蚀规律，发现Ni-Cr合金存在一个最佳的Cr组分范围（14～34 at.%），扩展探讨了更多合金元素的冶金效果，广泛解释了决定各类现代Ni-Cr合金工业牌号组分选择和热处理要求背后的关键微观机理。

　　该项研究成果不仅为Ni-Cr合金工业牌号一百多年研发历史背后的经验智慧构建了定量精准的热力学+电化学机理体系，也能给未来更多新型高性能合金的优化设计提供可靠的基础科学原理。相关成果以“Elemental partitioning and corrosion resistance of Ni-Cr alloys revealed by accurate ab-initio thermodynamic and electrochemical calculations”为题发表在腐蚀领域学术期刊npj Materials Degradation上（L.-F. Huang, npj Mater. Degrad. 2023, 7, 94）。该研究得到了中国工程物理研究院表面物理与化学国家重点实验室（XKFZ202101）、中国国家自然科学基金（U21A20127、22272192）、美国国家自然科学基金（DMR-2208865、DMR-2208848）的资助，以及宁波材料所超算中心的计算资源和专业技术支持。

图1 镍合金和钢铁合金中的元素分离行为和腐蚀规律（图片中部分数据来自文献Miller, Acta Materialia 157, 1 (2018); Xie, Nature Materials 20, 789 (2021); Duarte, Science 341, 372 (2013)）

图2 Ni-Cr合金的第一性原理计算建模及其热力学+电化学性能的综合评估

（前沿交叉科学研究中心 叶锦涛）