16岁上大学，38岁当选院士，卢柯今日再发Science！

蠕变（Creep）是材料在屈服强度以下的随时间变化的变形，是高温下大量部件失效的原因。由于材料中的晶界(GBs)通常促进蠕变中的扩散过程，消除GBs是抵抗金属高温蠕变的主要方法，如单晶高温合金涡轮叶片。

2022年11月10日，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Science 在线发表题为“Inhibiting creep in nanograined alloys with stable grain boundary networks”的研究论文，该研究报告了一个不同的策略，以抑制蠕变使用稳定的GB网络。

塑性变形触发了纳米颗粒单相镍钴铬合金中高密度GBs的结构弛豫，形成了具有丰富双晶界的稳定GBs网络。稳定的GB网络有效地抑制了高温下的扩散蠕变过程。该研究获得了前所未有的抗蠕变能力，在700°C(约61%熔点)的1Gpa应力下，蠕变速率约为每秒10–7，优于传统的高温合金。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。

当一种金属在高温下受到远低于其屈服强度的应力时，通常会引起不断增加的应变——这一过程被称为蠕变。在高温下使用的材料和部件的大量失效都是由于蠕变或蠕变与其他退化过程的结合造成的，每年用于先进设备零件的修理和更换要花费数十亿美元。随着涡轮机、核反应堆和化学工业中设备对更高燃料效率和可靠性的日益增长的需求，要求不断提高先进合金的高温蠕变性能。

蠕变是受原子扩散和位错滑移控制的随时间变化的变形过程。为了抵抗材料的蠕变，可以增加其高温强度，减少原子扩散，或两者兼有。合金化可以在高温下通过高温合金中的耐热元素钨(W)、钼(Mo)和铼(Re)的固溶硬化来强化材料，或者通过在高温下形成更稳定的相来强化或固定晶界(GB)运动。例如，温度高于650℃的高温合金是大量合金化的，其中强化γ′/γ”相占体积的60%。

材料中的GBs通常被认为对蠕变有害。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。GBs在Nabarro-Herring蠕变中促进了空穴迁移和晶粒变形。此外，GBs的强化效应虽然在室温(RT)下金属中显著，但在0.5 Tm以上通常消失。此时，GB过程(迁移或滑动)变得突出。因此，消除材料中的GB是减少原子扩散和抵抗高温蠕变的另一种主要方法，如生产单晶或定向凝固高温合金的涡轮叶片时所实践的那样。但到目前为止，合金的抗蠕变能力是中等的。即使对于最重合金单晶高温合金(CMSX-4)，在>0.5 Tm处的蠕变应力水平也低于0.8 GPa。

具有弛豫晶界的纳米晶MP35N合金的结构

与消除GBs的传统智慧相反，研究人员提出引入大量的GBs在金属中形成稳定的GB网络，通过抑制原子扩散和在高温下硬化的方法来抑制蠕变。这一想法的灵感来自于最近对金属中GB弛豫的研究——即，在许多具有纳米颗粒的金属和合金中，通过与部分位错的相互作用，GB可以将其结构调整到低能态。此外，稳定的GBs的强化作用可能在较高的温度下仍然存在。只要GBs能够抑制扩散并在高应力和高温的联合刺激下保持强度，这两种特性都可以抵抗蠕变变形。

该研究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10–7s–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。

注：部分解析参考自中国科学院金属研究所官网介绍。

部分解析链接：

http://www.imr.cn/xwzx/kydt/202211/t20221111_6547242.html

参考消息：

DOI: 10.1126/science.abq7739

转自：“iNature”微信公众号

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