晶界弛豫可大幅提升納米晶高溫合金抗蠕變性能

如何有效提升熱—力—時間耦合作用下晶界的結構穩定性，進而抑制晶界高溫軟化和擴散蠕變，成為長期以來材料領域的一個重大科學難題，也是發展高性能高溫合金的主要瓶頸之一。

《中國科學報》從中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心獲悉，近期該中心盧柯院士團隊與武漢大學教授梅青松合作，在這一科學難題研究上取得重要突破。相關研究成果11月11日發表于《科學》。

研究團隊利用自主研發的特種塑性變形技術，在一種商用單相高溫合金Ni-Co-Cr-Mo（MP35N）中將晶粒細化至9納米，晶界結構發生明顯弛豫。研究發現，弛豫態晶界在熱及熱/力耦合下均保持穩定，大幅提升了高溫合金的高溫強度、高溫蠕變等關鍵力學性能。該結構在700攝氏度、1GPa應力下蠕變速率可低至每秒10-7，顯著優于目前常用的多晶高溫合金以及單晶高溫合金的性能。

據了解，金屬材料在高溫下長期承受低于所能承受的微量塑性變形的應力作用時會發生永久形變，通常被稱為蠕變。晶界在高溫下一直被普遍認為是合金抗蠕變的短板。

研究團隊發現，弛豫態晶界在熱及熱/力耦合下均保持穩定，大幅提升了高溫合金的高溫強度、高溫蠕變等關鍵力學性能。這是由于弛豫晶界可有效抑制晶界擴散，阻礙了高溫下晶界遷移、晶界滑動、晶界擴散蠕變等失穩機制的啟動，從而保持了晶界的強化作用。

這一結果系統演示了通過結構弛豫，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合金元素的依賴，為高性能高溫合金的可持續發展開辟了一條新路。