鎳合金具有抗腐蝕、抗氧化、抗輻照、高強韌性等優異的冶金物理化學性能，其中Ni-Cr合金是非常核心的一類體系，其工業牌號（比如Inconel、Incoloy、Nimonic、Waspaloy等）的研發歷史已逾百年。Ni-Cr合金表面會自發生成保護性的鈍化膜（比如Cr₂O₃和NiO），使其能有效抵御各種苛刻使役環境（比如高溫氣體/熔鹽、海洋、核設施環境、催化/電池電解液等）的侵蝕。鈍化膜的生長規律緊密依賴于合金的結構、元素分布和環境條件，而合金的結構和元素分布又極大依賴于化學組分和熱處理條件（如圖1所示）。這種冶金科學問題的高度復雜性使得其背后決定性的微觀原理長期得不到體系化、定量精準、多角度自洽的描述。這不僅影響了人類對傳統優異Ni-Cr合金的清晰理解，也極大限制了人類開發更多新型優異Ni-Cr合金的能力。

　　近期，寧波材料所前沿交叉科學研究中心的黃良鋒研究員（理論）、美國亞利桑那州立大學的Yusi Xie博士和Karl Sieradzki教授（實驗）、美國西北大學的James M. Rondinelli教授（理論）進行了多方合作研究，在量子力學框架下，開發了一種高精度的第一性原理集成計算方法，精確計算了Ni-Cr合金的自由能、熱力學相圖、鈍化膜的自由能、電化學相圖等重要的冶金物理化學量（如圖2所示）。在此基礎上，科研人員成功構建了合金組分、熱處理條件、元素分離、鈍化膜生長規律、抗腐蝕和抗氧化性能、熱學/電化學環境服役規律等重要方面之間的復雜多元依賴關系，解釋了眾多已報道的歷史/最新的實驗結果，也糾正了一些理論/實驗上的不準確理解。此外，研究人員還通過聯合評估熱處理作用和抗腐蝕規律，發現Ni-Cr合金存在一個最佳的Cr組分范圍（14～34 at.%），擴展探討了更多合金元素的冶金效果，廣泛解釋了決定各類現代Ni-Cr合金工業牌號組分選擇和熱處理要求背后的關鍵微觀機理。

　　該項研究成果不僅為Ni-Cr合金工業牌號一百多年研發歷史背后的經驗智慧構建了定量精準的熱力學+電化學機理體系，也能給未來更多新型高性能合金的優化設計提供可靠的基礎科學原理。相關成果以“Elemental partitioning and corrosion resistance of Ni-Cr alloys revealed by accurate ab-initio thermodynamic and electrochemical calculations”為題發表在腐蝕領域學術期刊npj Materials Degradation上（L.-F. Huang, npj Mater. Degrad. 2023, 7, 94）。該研究得到了中國工程物理研究院表面物理與化學國家重點實驗室（XKFZ202101）、中國國家自然科學基金（U21A20127、22272192）、美國國家自然科學基金（DMR-2208865、DMR-2208848）的資助，以及寧波材料所超算中心的計算資源和專業技術支持。

圖1 鎳合金和鋼鐵合金中的元素分離行為和腐蝕規律（圖片中部分數據來自文獻Miller, Acta Materialia 157, 1 (2018); Xie, Nature Materials 20, 789 (2021); Duarte, Science 341, 372 (2013)）

圖2 Ni-Cr合金的第一性原理計算建模及其熱力學+電化學性能的綜合評估

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