[論文レビュー] An experimental high-throughput to high-fidelity study towards discovering Al-Cr containing corrosion-resistant compositionally complex alloys

Debashish Sur, Emily F. Holcombe+10 more|arXiv (Cornell University)|Feb 15, 2023

Advanced Materials Characterization Techniques参考文献 76被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、優れた耐腐食性を示すAl-Cr含有コンポジショナルリー複雑な合金（CCAs）を特定するための高スループットから高信頼性への実験的手法を提示する。急速合成、電気化学的インピーダンス分光法、および拡張X線吸収細乱構造（EXAFS）分析を組み合わせることで、酸性環境下で優れたパスエーションおよび自己修復挙動を示す特定のAl-Co-Cr-Fe-Ni組成が同定され、Ni-Alの短距離秩序が腐食抵抗性の低下に関与することを明らかにした。

ABSTRACT

Compositionally complex alloys hold the promise of simultaneously attaining superior combinations of properties, such as corrosion resistance, light-weighting, and strength. Achieving this goal is a challenge due in part to a large number of possible compositions and structures in the vast alloy design space. High-throughput methods offer a path forward, but a strong connection between the synthesis of an alloy of a given composition and structure with its properties has not been fully realized to date. Here, we present the rapid identification of corrosion-resistant alloys based on combinations of Al and Cr in a base Al-Co-Cr-Fe-Ni alloy. Previously unstudied alloy stoichiometries were identified using a combination of high-throughput experimental screening coupled with key metallurgical and electrochemical corrosion tests, identifying alloys with excellent passivation behavior. The alloy native oxide performance and its self-healing attributes were probed using rapid tests in deaerated 0.1 mol/L H2SO4. Importantly, a correlation was found between the electrochemical impedance modulus of the exposure-modified air-formed film and self-healing rate of the CCAs. Multi-element extended x-ray absorption fine structure analyses connected more ordered type chemical short-range order in the Ni-Al 1st nearest-neighbor shell to poorer corrosion resistance. This report underscores the utility of high throughput exploration of compositionally complex alloys for the identification and rapid screening of a vast stoichiometric space.

研究の動機と目的

• Al-Co-Cr-Fe-Niコンポジショナルリー複雑な合金の広大な組成空間を迅速に探索し、耐腐食性を向上させること。
• 複雑な合金系において、高スループットスクリーニングと高信頼性の特性検証の間のギャップを埋めること。
• 酸性環境下で優れたパスエーションおよび自己修復挙動を示す特定の化学 stoichiometry を同定すること。
• EXAFSを用いて、原子スケールの化学的短距離秩序とマクロな腐食性能の相関を明らかにすること。

提案手法

• 高スループットコンビナトリアル薄膜堆積を用いて、広範なAl-Co-Cr-Fe-Ni組成を迅速に合成する。
• 電気化学的インピーダンス分光法（EIS）を用いて、酸素を除いた0.1 mol/L H2SO4中で、空気中酸化被膜の弾性率を測定し、自己修復挙動の動態を評価する。
• 多元素拡張X線吸収細乱構造（EXAFS）分析を用いて、特にNi-Al第一近隣配位子の局所的原子構造を調査する。
• 迅速な電気化学的試験を実施し、制御された条件下でのパスエーション挙動および被膜安定性を評価する。
• EISで得られた被膜弾性率と自己修復速度の相関を分析し、構造-性質関係を確立する。
• 高信頼性の検証を用いて、高スループットスクリーニングで観察された耐腐食性のトレンドを確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Al-Co-Cr-Fe-Ni系におけるAl-Cr含有組成の中で、酸性環境下で最も効果的なパスエーションおよび自己修復を示すのはどれか？
• RQ2 酸化被膜の電気化学的インピーダンス弾性率は、コンポジショナルリー複雑な合金の自己修復速度とどのように相関するか？
• RQ3 Ni-Alの化学的短距離秩序は、CCAsの腐食抵抗性にどのような役割を果たすか？
• RQ4 高スループットスクリーニングは、複雑な多主成分合金における高信頼性の腐食性能を信頼性を持って予測できるか？
• RQ5 EXAFSで明らかになった局所的原子構造の変化は、マクロな電気化学的挙動にどのように影響するか？

主な発見

• 特定のAl-Co-Cr-Fe-Ni組成は、酸素を除いた0.1 mol/L H2SO4中で優れたパスエーション挙動と高い自己修復速度を示し、強力な耐腐食性を示した。
• 電気化学的インピーダンス弾性率と自己修復速度の間に強い正の相関が観察され、被膜の安定性が修復能力を支配することが示された。
• EXAFS分析により、Ni-Al第一近隣配位子殻の秩序度が高まると腐食抵抗性が低下することが分かっており、有害な局所的原子配置が関与していると示唆された。
• 本研究では、高スループットスクリーニングが、複雑な合金系における高信頼性の検証のための有望な組成を的確に絞り込めることが実証された。
• 同定された合金は、高インピーダンスを示す安定な自然酸化被膜を有しており、強固なパッシブ層の形成と破壊に対する耐性を示した。
• 高スループットスクリーニングと高信頼性の電気化学的および構造的分析を統合することで、腐食に強く、データ駆動型のCCAsの迅速な発見が可能になった。