基于分子动力学和可解释机器学习的机制导向预测γ-TiAl合金力学行为

《Materials Today Communications》：Mechanism-Informed Prediction of γ-TiAl Alloy Mechanical Behavior via Molecular Dynamics and Explainable Machine Learning

激光直接能量沉积与真空烧结制备的B4C/Al复合材料对比研究，发现LDED法制备的复合材料10B面密度高1.1倍，其腐蚀性能更优，主要归因于AlB2和Al4C3沉淀物的阴极保护作用。

　　B₄C/Al中子吸收复合材料的研究在核能领域具有重要意义。随着核能技术的快速发展，核电站的运行为人类社会提供了大量清洁能源，但同时也产生了大量放射性核废料。这些核废料的储存、运输和再处理成为核能发展过程中不可回避的技术挑战。因此，开发具有优异中子吸收性能且耐腐蚀的材料，对于提高核废料处理的安全性和经济性至关重要。

B₄C/Al复合材料因其轻质、良好的机械性能以及显著的中子吸收能力，被广泛应用于核废料储存池支架和储存运输容器中。这种材料的中子吸收性能主要依赖于硼化物的含量和分布。研究表明，当B₄C含量达到30?wt%时，其中子吸收率可以达到99%。然而，当硼化物含量超过这一临界值时，其对机械性能的负面影响会逐渐显现，甚至可能影响材料的可制造性。因此，30?wt%的B₄C含量被认为是平衡中子吸收性能与材料强度的理想选择。

目前，制备B₄C/Al复合材料的主要方法包括铸造技术、粉末冶金技术和浸渗技术。铸造技术通常涉及熔融金属的浇注、挤压铸造或搅拌铸造等方式，而粉末冶金技术则包括热压烧结、微波烧结、火花等离子烧结、常规烧结以及等静压烧结等。浸渗技术主要通过压力浸渗或无压力浸渗的方式，将硼化物颗粒嵌入铝基体中。不同的制备工艺对材料的微观结构和性能有着显著影响，例如铸造过程中需要较高的温度以确保基体与增强相之间的充分润湿，而粉末冶金则依赖于粉末的混合、压制和烧结过程。

近年来，激光定向能量沉积（LDED）作为一种新兴的材料加工技术，被广泛应用于铝基复合材料的制备。LDED利用高能激光束快速加热并局部熔化材料，随后迅速冷却和固化。该技术的优势在于能够实现高密度的材料结构，并且在加工过程中可以精确控制材料成分和微观结构。例如，Lee等人使用LDED技术结合新型核壳粉末制备了B₄C/6061Al复合材料，并研究了B₄C对裂纹消除、气孔减少和晶粒细化的影响。Jiang等人则通过LDED技术制备了含有5?wt% B₄C颗粒的复合材料，并发现形成了针状的AlB₁₂和Al₄C₃微结构。

本研究采用了LDED和真空烧结（VS）两种技术制备了含有30?wt% B₄C的B₄C/Al中子吸收复合材料，并对其在硼酸（H₃BO₃）溶液中的腐蚀性能进行了比较研究。研究结果表明，LDED制备的复合材料的¹⁰B面密度（¹⁰BAD）是VS制备的复合材料的1.1倍，显示出更优异的中子吸收性能。此外，扫描电镜（SEM）观察显示，LDED制备的复合材料中形成了AlB₂和Al₄C₃析出物，这可能是其提高中子吸收性能的原因之一。

在腐蚀性能方面，研究发现LDED和VS制备的B₄C/Al复合材料在H₃BO₃溶液中的主要腐蚀形式是点蚀。这是因为铝在空气中容易氧化，形成一层保护性的氧化膜，而由于B₄C粒子的不规则形状，这层氧化膜在复合材料表面是不连续的。这种不连续性可能导致腐蚀在某些区域集中发生，从而形成点蚀。同时，研究还发现LDED制备的复合材料在H₃BO₃溶液中的耐腐蚀性能优于VS制备的复合材料。其主要原因是LDED过程中生成的AlB₂和Al₄C₃析出物为铝基体提供了阴极保护作用。

阴极保护是一种常见的腐蚀控制方法，通过在金属表面形成一个电化学环境，使得金属成为阴极，从而减少其被腐蚀的可能性。在本研究中，LDED过程中形成的AlB₂和Al₄C₃析出物可能起到了类似的作用，它们在材料表面形成了保护层，减少了铝基体与腐蚀性介质之间的直接接触。这种保护作用可能是LDED制备的复合材料在H₃BO₃溶液中表现出更高耐腐蚀性的关键因素。

此外，研究还发现B₄C/Al复合材料在H₃BO₃溶液中的腐蚀行为受到多种因素的影响，包括B₄C的含量、溶液的浓度以及材料的微观结构。例如，Li等人研究了不同浓度的H₃BO₃溶液对粉末冶金制备的B₄C/Al复合材料的腐蚀性能的影响，指出其腐蚀机制主要由氧化膜的形成与溶解速率之间的动态平衡决定。Jung等人则通过加速腐蚀试验研究了粉末冶金制备的B₄C/Al复合材料在4200?ppm B的H₃BO₃溶液中的腐蚀行为，发现B₄C/Al复合材料在H₃BO₃溶液中腐蚀轻微，但在含有Cl^-的溶液中腐蚀严重，且两种溶液均优先攻击铝与B₄C之间的界面。

这些研究结果表明，B₄C/Al复合材料在不同的腐蚀环境中表现出不同的腐蚀行为，这与其微观结构和材料组成密切相关。因此，在设计和应用这类材料时，需要综合考虑其中子吸收性能和腐蚀抵抗能力，以确保其在核废料处理等关键应用场景中的可靠性和安全性。

在本研究中，通过LDED和VS两种技术制备的B₄C/Al复合材料在H₃BO₃溶液中的腐蚀性能进行了系统的比较。研究发现，LDED制备的复合材料不仅具有更高的¹⁰BAD，而且其在H₃BO₃溶液中的耐腐蚀性能也优于VS制备的复合材料。这一结果为LDED技术在制备高性能中子吸收复合材料中的应用提供了新的思路和依据。

为了进一步理解这两种材料的性能差异，研究还对它们的微观结构进行了分析。扫描电镜观察显示，LDED制备的复合材料中形成了AlB₂和Al₄C₃析出物，这些析出物可能在材料表面形成了保护层，从而减少了铝基体的腐蚀速率。而VS制备的复合材料由于其加工过程中的固态烧结，可能未能形成类似的析出物，导致其在H₃BO₃溶液中的腐蚀速率较高。

此外，研究还发现，B₄C/Al复合材料在H₃BO₃溶液中的腐蚀行为受到材料成分和加工工艺的共同影响。例如，B₄C的含量越高，其对材料的中子吸收性能越优，但同时也会对材料的机械性能产生负面影响。因此，在实际应用中，需要在B₄C含量与材料强度之间找到最佳平衡点，以确保材料在满足中子吸收需求的同时，也能具备足够的机械强度和耐腐蚀能力。

综上所述，本研究通过LDED和VS两种技术制备了含有30?wt% B₄C的B₄C/Al中子吸收复合材料，并对其在H₃BO₃溶液中的腐蚀性能进行了比较研究。研究结果表明，LDED制备的复合材料在中子吸收性能和耐腐蚀性方面均优于VS制备的复合材料。这一发现不仅为LDED技术在制备高性能中子吸收复合材料中的应用提供了理论支持，也为未来核废料处理材料的设计和优化提供了新的方向。

在实际应用中，B₄C/Al复合材料的耐腐蚀性能对于其在核废料处理等长期服务环境中的可靠性至关重要。因此，未来的研究可以进一步探索如何优化材料的微观结构，以提高其在不同腐蚀环境中的性能。例如，通过调整B₄C的含量、优化加工工艺或引入其他保护性成分，可以进一步提高材料的耐腐蚀能力，同时保持其优异的中子吸收性能。此外，还可以研究材料在不同浓度的H₃BO₃溶液中的腐蚀行为，以更全面地评估其在实际应用中的表现。

总的来说，B₄C/Al中子吸收复合材料的制备和性能研究对于核能领域的发展具有重要意义。通过LDED和VS两种技术的比较，可以更深入地理解不同加工工艺对材料性能的影响，从而为未来材料的优化和应用提供科学依据。同时，研究还揭示了材料在H₃BO₃溶液中的腐蚀机制，为提高材料的耐腐蚀性提供了新的思路。这些研究成果不仅有助于提升核废料处理的安全性和效率，也为其他相关领域的材料开发提供了参考价值。