科學(xué)新發(fā)現(xiàn)！高性能高溫合金的發(fā)展新思路

出品：科普中國(guó)

作者：張寶兵 李秀艷（中國(guó)科學(xué)院金屬研究所）

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

提到高溫合金，或許有些人會(huì)覺得有些陌生。然而，換個(gè)說法，如果改聊火箭發(fā)射升天，相信航天迷們就按捺不住了，甚至近期關(guān)注到我國(guó)航天事業(yè)成就的朋友們也能侃上幾句。而我們今天談?wù)摰闹鹘?，正和航空航天密切相關(guān)。

那么，今天介紹的主角是誰呢？在這里先賣個(gè)關(guān)子，我們從高溫合金開始說起。

高溫合金及其蠕變——科學(xué)界多年未解難題

高溫合金是現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的基石，也是航天動(dòng)力、燃?xì)廨啓C(jī)，以及超超臨界電站、核能、油氣開采、石化等領(lǐng)域中的關(guān)鍵材料。由于需要在高溫及一定應(yīng)力條件下長(zhǎng)期工作，高溫合金零部件常常因蠕變強(qiáng)度不夠而發(fā)生故障。

先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)中關(guān)鍵的熱端承力部件全部為高溫合金（紅色為高溫合金）

（圖片來源：鋼研高納招股說明書）

蠕變是指金屬材料在高溫和低于屈服強(qiáng)度的應(yīng)力作用下，其形變隨時(shí)間增加而逐漸增大的現(xiàn)象。日常生活中，我們經(jīng)常遇到家用晾衣繩用久了繩子會(huì)變松弛的現(xiàn)象，究其根本，蠕變正是導(dǎo)致繩子變形的“幕后黑手”。

使用晾衣繩晾曬衣服

（圖片來源：Veer圖庫）

對(duì)于金屬材料而言，蠕變會(huì)導(dǎo)致高溫金屬構(gòu)件的變形失效，從而影響到這類材料使役行為和相關(guān)部件效能。舉個(gè)例子，金屬螺栓蠕變伸長(zhǎng)后會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力松弛，從而失去緊固效果；航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片在服役過程中，其尺寸會(huì)因蠕變而緩慢伸長(zhǎng)，一旦蠕變斷裂，發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片就會(huì)失效，甚至可能會(huì)造成嚴(yán)重的后果。

飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片失效案例

（圖片來源：Reed, R.C. The superalloys: Fundamentals and Applications (Cambridge Univ. Press, 2006)）

因此，如何攻克高溫金屬蠕變這一難題，就成為發(fā)展高性能高溫合金的關(guān)鍵問題，一度困擾一眾科學(xué)家們多年。

近一個(gè)世紀(jì)以來，學(xué)界主要通過合金化和減少晶界（制備單晶）的方式來提升高溫合金的抗蠕變性能。然而，隨之而來的合金制備工藝復(fù)雜、成本居高不下等一系列問題，導(dǎo)致進(jìn)一步提升高溫合金的抗蠕變性能面臨巨大挑戰(zhàn)。

晶界——高溫條件下合金抗蠕變的“短板”

金屬通常以多晶體的形式存在，多晶體由晶粒所組成，晶粒是外形不規(guī)則的小晶體。晶粒與晶粒之間的接觸界面叫做晶界。

多晶體金屬典型形貌

（圖片來源：Li, X.Y., Lu, K. Playing with defects in metals, Nat. Mater. 2017）

在常溫條件下，想要強(qiáng)化金屬材料，其中一個(gè)方法就是增加晶界數(shù)量。但在高溫下，晶界遷移、晶界滑動(dòng)、晶界擴(kuò)散等失穩(wěn)機(jī)制會(huì)導(dǎo)致晶界軟化，導(dǎo)致晶界強(qiáng)化效應(yīng)消失。

此外，增加晶界密度會(huì)加劇晶界擴(kuò)散（Coble）蠕變，合金晶粒尺寸越小，抗蠕變性能越差。因此，在高溫條件下，晶界一直被普遍認(rèn)為是合金抗蠕變的“短板”。

既然晶界在高溫下失穩(wěn)是其蠕變性能惡化的根源，那么問題來了——這種失穩(wěn)是晶界的本征特性，還是可以通過其它手段進(jìn)行調(diào)控呢？如果可以使晶界在熱-力-時(shí)間耦合作用下保持穩(wěn)定，那么是否就可以抑制晶界的高溫軟化和擴(kuò)散蠕變，進(jìn)而大幅提升高溫合金的抗蠕變性能？

這些問題是長(zhǎng)期以來材料領(lǐng)域的重大科學(xué)難題，也是發(fā)展高性能高溫合金的主要瓶頸之一。

高溫合金抗蠕變研究迎來重要突破

近期，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國(guó)家研究中心納米金屬科學(xué)家工作室納米金屬研究團(tuán)隊(duì)基于前期在金屬中發(fā)現(xiàn)的弛豫晶界的反常熱穩(wěn)定性（Science, 2018）、受限晶體結(jié)構(gòu)（Science, 2020）、以及受限晶體結(jié)構(gòu)的抑制原子擴(kuò)散效應(yīng)（Science, 2021）等結(jié)果，發(fā)現(xiàn)晶界結(jié)構(gòu)調(diào)控是改善材料力學(xué)性能的一個(gè)新途徑。團(tuán)隊(duì)快速聚焦這一新型結(jié)構(gòu)在高溫合金中的應(yīng)用，并最終在晶界抗蠕變這一科學(xué)難題研究上取得重要突破。

通過塑性變形方法制備的納米晶，只有當(dāng)其晶粒尺寸小到一定程度后，才會(huì)激發(fā)晶界的自發(fā)弛豫（*弛豫，為物理學(xué)用語，指的是在某一個(gè)漸變物理過程中，從某一個(gè)狀態(tài)逐漸地達(dá)到另一個(gè)能量更低的狀態(tài)的過程）。而傳統(tǒng)塑性變形方法根本無法觸及這一維度，因此，如何有效細(xì)化晶粒成為擺在科研人員面前的首要問題。

研究人員利用自主研發(fā)的特種塑性變形技術(shù)，通過施加低溫、高應(yīng)變速率變形條件，成功在一種商用單相高溫合金Ni-Co-Cr-Mo（MP35N）中將晶粒細(xì)化至9nm，晶界結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯弛豫。弛豫后，晶界呈現(xiàn)低指數(shù)平直界面特征，且與晶內(nèi)高密度孿晶/層錯(cuò)形成穩(wěn)定晶界網(wǎng)絡(luò)。

研究發(fā)現(xiàn)，弛豫態(tài)晶界在熱及熱/力耦合下均保持穩(wěn)定，大幅提升了高溫合金的高溫強(qiáng)度、高溫蠕變等關(guān)鍵力學(xué)性能。該結(jié)構(gòu)在700℃、1GPa應(yīng)力下的蠕變速率可低至10-7s-1，顯著優(yōu)于目前常用變形高溫合金的性能。

“實(shí)力”強(qiáng)勁的弛豫態(tài)晶界

為什么弛豫態(tài)晶界的“實(shí)力”如此強(qiáng)大呢？這是由于弛豫晶界可有效抑制晶界擴(kuò)散，阻礙了高溫下晶界遷移、晶界滑動(dòng)、晶界擴(kuò)散蠕變等失穩(wěn)機(jī)制的啟動(dòng)，從而保持了晶界的強(qiáng)化作用。

在高溫條件下，晶界一直被普遍認(rèn)為是合金抗蠕變的“短板”，最新這一研究結(jié)果系統(tǒng)演示了通過結(jié)構(gòu)弛豫，晶界可以大幅度提升高溫合金的抗蠕變性能。此外，這種晶界弛豫納米晶高溫合金可大幅降低對(duì)合金元素的依賴，為高性能高溫合金的可持續(xù)發(fā)展開辟出一條新路。相關(guān)研究結(jié)果于11月11日發(fā)表在《科學(xué)》（Science）周刊上。

弛豫晶界是該研究團(tuán)隊(duì)在2018年發(fā)現(xiàn)的一種調(diào)控金屬材料性能的新型結(jié)構(gòu)與手段，除在抑制高溫合金擴(kuò)散方面有所突破以外，近年來，在銅、鋁、鎳及其合金上均獲得了諸多突破性進(jìn)展。

例如，弛豫晶界強(qiáng)化的純銅，其強(qiáng)度可媲美鋼材；弛豫晶界強(qiáng)化的鋁合金，除具有超高的強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性外，還具有優(yōu)異的抗腐蝕性能；此外，弛豫晶界由于具有較高的穩(wěn)定性，還為探索晶粒細(xì)化極限以及尋找新型亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)（受限晶體）的研究開辟了新的空間。

編輯：應(yīng)奕可

（注：文中拉丁文部分應(yīng)為斜體。）