中科院金属所卢柯院士/李秀艳研究员 Science：晶界弛豫可大幅提升纳米晶高温合金的抗蠕变性能

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，是高温合金的一项重要性能指标。通过合金化和减少晶界（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、成本居高不下等一系列问题。进一步提升高温合金的抗蠕变性能面临巨大挑战。 

在常温下，增加晶界是强化金属材料的一个重要手段，但在高温下，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一个重大科学难题，也是发展高性能高温合金的主要瓶颈之一。 

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张宝兵副研究员、唐赢广博士生、李秀艳研究员、卢柯研究员与武汉大学梅青松教授合作，在这一科学难题研究上取得重要突破。研究团队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9 nm，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 ^-7 s ^-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。晶界一直被普遍认为在高温下是合金抗蠕变的“短板”，这一结果系统演示了通过结构弛豫，晶界可以大幅度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一条新路。相关研究结果于11月11日发表在《科学》（ Science ）周刊上。 

这是继该团队在金属中发现弛豫晶界的反常热稳定性（ Science , 2018）、发现受限晶体结构（ 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。该研究工作得到了国家重点研发计划和中国科学院科学家工作室项目的资助。   

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，及其与其它牌号高温合金性能对比

原文链接

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq7739

相关进展

中科院李秀艳研究员、卢柯研究员、周鑫特别研究助理与上交大金朝晖教授合作: 在极细多晶体铜中发现一种新型亚稳固态-受限晶体结构