金属所发现晶界弛豫可提升纳米晶高温合金的抗蠕变性能

　　颗粒在线讯：金属材料在高温下长期承受低于屈服强度的应力作用时会发生永久形变，通常称为蠕变。蠕变会导致高温金属构件的变形失效，是高温合金的重要性能指标。合金化和减少晶界（制备单晶）可提升高温合金抗蠕变性能，但这带来合金制备工艺复杂、成本高等问题。进一步提升高温合金的抗蠕变性能面临挑战。 

　　常温下，增加晶界是强化金属材料的重要手段；而高温下，晶界迁移、晶界滑动、晶界扩散等失稳机制会导致晶界软化、晶界强化效应消失。此外，增加晶界密度会加剧晶界扩散（Coble）蠕变，合金晶粒尺寸越小，抗蠕变性能越差。如何有效提升热-力-时间耦合作用下晶界的结构稳定性，进而抑制晶界高温软化和扩散蠕变成为长期以来材料领域的重大科学难题，也是发展高性能高温合金的瓶颈。 

　　近期，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心纳米金属科学家工作室副研究员张宝兵、博士研究生唐赢广、研究员李秀艳、研究员卢柯与武汉大学教授梅青松合作，利用自主研发的特种塑性变形技术，在一种商用单相高温合金Ni-Co-Cr-Mo（MP35N）中将晶粒细化至9nm，晶界结构发生明显弛豫。研究发现，弛豫态晶界在热及热/力耦合下均保持稳定，大幅提升了高温合金的高温强度、高温蠕变等关键力学性能。该结构在700摄氏度、1GPa应力下的蠕变速率可低至10-7s-1，显著优于目前常用多晶高温合金以及单晶高温合金的性能。这是由于弛豫晶界可有效抑制晶界扩散，阻碍了高温下晶界迁移、晶界滑动、晶界扩散蠕变等失稳机制的启动，从而保持了晶界的强化作用。晶界被普遍认为在高温下是合金抗蠕变的“短板”，这一成果系统演示了通过结构弛豫，晶界可大幅提升高温合金的抗蠕变性能。此外，这种晶界弛豫纳米晶高温合金可大幅降低对合金元素的依赖，为高性能高温合金的可持续发展开辟了新道路。11月11日，相关研究成果发表在《科学》（Science）上。 

　　本研究是继该团队在金属中发现弛豫晶界的反常热稳定性（Science，2018）、受限晶体结构（Science，2020）以及受限晶体结构的抑制原子扩散效应（Science，2021）之后，利用晶界结构调控材料性能的又一突破，向提升工程合金的使役行为方面迈出了重要一步。研究工作得到国家重点研发计划、中科院的支持。 

图1.具有弛豫晶界的纳米晶MP35N合金的结构

图2.具有弛豫晶界的纳米晶MP35N合金的蠕变性能，以及与其他牌号高温合金性能对比

来源：金属研究所