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

中國(guó)科普博覽
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中國(guó)科協(xié)、中科院攜手“互聯(lián)網(wǎng)+科普”平臺(tái),深耕科普內(nèi)容創(chuàng)作
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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(jué)得有些陌生。然而,換個(gè)說(shuō)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)摰闹鹘牵秃娇蘸教烀芮邢嚓P(guān)。

那么,今天介紹的主角是誰(shuí)呢?在這里先賣個(gè)關(guān)子,我們從高溫合金開始說(shuō)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(lái)源:鋼研高納招股說(shuō)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(lái)源:Veer圖庫(kù))

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(guò)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(lái)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(wèn)題,一度困擾一眾科學(xué)家們多年。

近一個(gè)世紀(jì)以來(lái),學(xué)界主要通過(guò)合金化和減少晶界(制備單晶)的方式來(lái)提升高溫合金的抗蠕變性能。然而,隨之而來(lái)的合金制備工藝復(fù)雜、成本居高不下等一系列問(wèn)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(lái)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(wèn)題來(lái)了——這種失穩(wěn)是晶界的本征特性,還是可以通過(guò)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(wèn)題是長(zhǎng)期以來(lái)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(lái)重要突破

近期,中國(guó)科學(xué)院金屬研究所沈陽(yáng)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(guò)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(yǔ),指的是在某一個(gè)漸變物理過(guò)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(guò)程)。而傳統(tǒng)塑性變形方法根本無(wú)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(wèn)題。

研究人員利用自主研發(fā)的特種塑性變形技術(shù),通過(guò)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(guò)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(lái),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。)

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