[논문 리뷰] An experimental high-throughput to high-fidelity study towards discovering Al-Cr containing corrosion-resistant compositionally complex alloys

Debashish Sur, Emily F. Holcombe외 10명|arXiv (Cornell University)|2023. 02. 15.

Advanced Materials Characterization Techniques참고 문헌 76인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 높은 통량에서 높은 정밀도에 이르는 실험적 접근법을 제시하여 알루미늄-크롬을 포함하는 구성 복합 합금(CCAs)에서 뛰어난 부식 내성을 가지는 조합을 규명한다. 빠른 합성, 전기화학적 임피던스 분석 및 확장된 엑스선 흡수 미세 구조(EXAFS) 분석을 융합함으로써, 저온에서의 피로 및 자가 복구 행동이 뛰어난 특정 알루미늄- cobalt-크롬-iron-nickel 조합을 규명하였으며, 니켈-알루미늄의 국소 원자 배열이 부식 내성 저하와 관련이 있음을 밝혔다.

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.

연구 동기 및 목표

• 알루미늄-코발트-크롬-iron-니켈 구성 복합 합금의 광범위한 조성 공간을 신속하게 탐색하여 부식 내성을 향상시키는 것을 목적으로 한다.
• 복잡한 합금 체계에서 고속 걸러내기와 고정밀 성능 검증 사이의 격차를 메우는 것을 목적으로 한다.
• 산성 환경에서 뛰어난 피로 및 자가 복구 행동을 보이는 특정 스토이히오메트리 조합을 규명하는 것을 목적으로 한다.
• EXAFS를 사용하여 원자 척도의 화학적 국소 순서와 거시적 부식 성능 간의 상관관계를 규명하는 것

제안 방법

• 고속 조합 박막 증착을 통해 알루미늄-코발트-크롬-iron-니켈의 다양한 조합을 신속하게 합성한다.
• 전기화학적 임피던스 분석(EIS)을 통해 공기 중에 형성된 산화막의 탄성 모odulus를 측정하고, 탈기된 0.1 mol/L H2SO4에서 자가 복구 동역학을 평가한다.
• 다중 원소 확장된 엑스선 흡수 미세 구조(EXAFS) 분석을 통해 국소 원자 구조를 탐구하며, 특히 니켈-알루미늄의 첫 번째 근접 이웃 배치를 중심으로 분석한다.
• 빠른 전기화학적 시험을 통해 통제 조건 하에서 피로 행동과 막 안정성을 평가한다.
• EIS로 유도된 막 탄성 모odulus와 자가 복구 속도 간의 상관관계를 설정하여 구조-성능 관계를 수립한다.
• 고정밀 검증을 활용하여 고속 걸러내기에서 관찰된 부식 내성 경향을 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 알루미늄-코발트-크롬-iron-니켈 체계에서 알루미늄-크롬 함유 조합 중 산성 환경에서 가장 효과적인 피로 및 자가 복구 행동을 보이는 것은 무엇인가?
• RQ2 노출 후 수정된 공기 중 산화막의 전기화학적 임피던스 모odulus는 구성 복합 합금의 자가 복구 속도와 어떻게 관련이 있는가?
• RQ3 니켈-알루미늄 화학적 국소 순서는 CCAs의 부식 내성 결정에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 고속 걸러내기는 다성분 주요 원소 합금에서 고정밀 부식 성능을 신뢰성 있게 예측할 수 있는가?
• RQ5 EXAFS로 드러난 국소 원자 구조의 변화는 거시적 전기화학적 거동에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 특정 알루미늄-코발트-크롬-iron-니켈 조합은 탈기된 0.1 mol/L H2SO4에서 뛰어난 피로 행동과 높은 자가 복구 속도를 보이며, 강력한 부식 내성을 나타낸다.
• 노출 후 수정된 공기 중 산화막의 전기화학적 임피던스 모odulus와 자가 복구 속도 사이에 강한 정적 상관관계가 관찰되어, 막의 안정성이 복구 능력을 결정짓는다고 밝혔다.
• EXAFS 분석 결과, 니켈-알루미늄의 첫 번째 근접 이웃 층에서의 질서가 증가할수록 부식 내성이 떨어지는 것으로 나타나, 해로운 국소 원자 구조가 관련되어 있음을 시사한다.
• 이 연구는 고속 걸러내기가 복잡한 합금 체계에서 고정밀 검증을 위한 유망한 조합를 효과적으로 좁혀낼 수 있음을 입증하였다.
• 확인된 합금들은 높은 임피던스를 가지는 안정한 천연 산화막을 보이며, 강력한 피로층 형성과 파손에 대한 저항성을 나타낸다.
• 고속 걸러내기와 고정밀 전기화학적 및 구조 분석의 통합을 통해 빠르고 데이터 기반의 부식 내성 CCAs 발견이 가능해졌다.