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    發現晶界弛豫可大幅提升納米晶高溫合金的抗蠕變性能
     
    2022-11-11 | 文章來源:納米金屬科學家工作室        【 】【打印】【關閉

      金屬材料在高溫下長期承受低于屈服強度的應力作用時會發生永久形變,通常稱為蠕變。蠕變會導致高溫金屬構件的變形失效,是高溫合金的一項重要性能指標。通過合金化和減少晶界(制備單晶)可提升高溫合金抗蠕變性能,但這帶來合金制備工藝復雜、成本居高不下等一系列問題。進一步提升高溫合金的抗蠕變性能面臨巨大挑戰。 

      在常溫下,增加晶界是強化金屬材料的一個重要手段,但在高溫下,晶界遷移、晶界滑動、晶界擴散等失穩機制會導致晶界軟化,晶界強化效應消失。此外,增加晶界密度會加劇晶界擴散(Coble)蠕變,合金晶粒尺寸越小,抗蠕變性能越差。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。 

      近期,中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心納米金屬科學家工作室張寶兵副研究員、唐贏廣博士生、李秀艷研究員、盧柯研究員與武漢大學梅青松教授合作,在這一科學難題研究上取得重要突破。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 nm,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應力下的蠕變速率可低至10-7s-1,顯著優于目前常用多晶高溫合金以及單晶高溫合金的性能。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。晶界一直被普遍認為在高溫下是合金抗蠕變的“短板”,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。相關研究結果于11月11日發表在《科學》(Science)周刊上。 

      這是繼該團隊在金屬中發現弛豫晶界的反常熱穩定性(Science, 2018)、發現受限晶體結構(Science, 2020)、以及受限晶體結構的抑制原子擴散效應(Science, 2021)之后,利用晶界結構調控材料性能的又一突破,向提升工程合金的使役行為方面邁出了重要一步。該研究工作得到了國家重點研發計劃和中國科學院科學家工作室項目的資助。 

       全文鏈接

     

      圖1 具有弛豫晶界的納米晶MP35N合金的結構

    圖2 具有弛豫晶界的納米晶MP35N合金的蠕變性能,及其與其它牌號高溫合金性能對比

     

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