高性能高溫合金的發展新思路

張寶兵 李秀艷

提到高溫合金，或許有些人會覺得陌生。然而，換個說法，如果改聊火箭發射升天，相信航天迷們就按捺不住了，甚至近期關注到我國航天事業成就的朋友們也能侃上幾句。而我們今天談論的主角，正和航空航天密切相關。

那么，今天介紹的主角是誰呢？在這里先賣個關子，我們從高溫合金說起。

高溫合金及其蠕變——科學界多年未解難題

高溫合金是現代航空發動機的基石，也是航天動力、燃氣輪機以及超臨界電站、核能、油氣開采、石化等領域中的關鍵材料。由于需要在高溫及一定應力條件下長期工作，高溫合金零部件常常因蠕變強度不夠而發生故障。

蠕變是指金屬材料在高溫和低于屈服強度的應力作用下，其形變隨時間增加而逐漸增大的現象。日常生活中，我們經常遇到家用晾衣繩用久了繩子會變松弛的現象，究其根本，蠕變正是導致繩子變形的“幕后黑手”。

對于金屬材料而言，蠕變會導致高溫金屬構件的變形失效，從而影響到這類材料使役行為和相關部件效能。舉個例子，金屬螺栓蠕變伸長后會產生應力松弛，從而失去緊固效果；航空發動機渦輪葉片在服役過程中，其尺寸會因蠕變而緩慢伸長，一旦蠕變斷裂，發動機渦輪葉片就會失效，甚至可能會造成嚴重的后果。

因此，如何攻克高溫金屬蠕變這一難題，就成為發展高性能高溫合金的關鍵問題，一度困擾一眾科學家們多年。

近一個世紀以來，學界主要通過合金化和減少晶界（制備單晶）的方式來提升高溫合金的抗蠕變性能。然而，隨之而來的合金制備工藝復雜、成本居高不下等一系列問題，導致進一步提升高溫合金的抗蠕變性能面臨巨大挑戰。

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，晶粒是外形不規則的小晶體。晶粒與晶粒之間的接觸界面叫做晶界。

在常溫條件下，想要強化金屬材料，其中一個方法就是增加晶界數量。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及強化效應消失。

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。因此，在高溫條件下，晶界一直被普遍認為是合金抗蠕變的“短板”。

既然晶界在高溫下失穩是其蠕變性能惡化的根源，那么問題來了——這種失穩是晶界的本征特性，還是可以通過其他手段進行調控呢？如果可以使晶界在熱-力-時間耦合作用下保持穩定，那么是否就可以抑制晶界的高溫軟化和擴散蠕變，進而大幅提升高溫合金的抗蠕變性能？

這些問題是長期以來材料領域的重大科學難題，也是發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重要突破

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納米金屬研究團隊，基于前期在金屬中發現的弛豫晶界的反常熱穩定性、受限晶體結構、受限晶體結構的抑制原子擴散效應等結果，發現晶界結構調控是改善材料力學性能的一個新途徑。團隊快速聚焦這一新型結構在高溫合金中的應用，并最終在晶界抗蠕變這一科學難題研究上取得重要突破。

通過塑性變形方法制備的納米晶，只有當其晶粒尺寸小到一定程度后，才會激發晶界的自發弛豫（弛豫，為物理學用語，指的是在某一個漸變物理過程中，從某一個狀態逐漸地達到另一個能量更低的狀態的過程）。而傳統塑性變形方法根本無法觸及這一維度，因此，如何有效細化晶粒成為首要問題。

研究人員利用自主研發的特種塑性變形技術，通過施加低溫、高應變速率變形條件，成功在一種商用單相高溫合金Ni-Co-Cr-Mo（MP35N）中將晶粒細化至9nm，晶界結構發生明顯弛豫。弛豫后，晶界呈現低指數平直界面特征，且與晶內高密度孿晶/層錯形成穩定晶界網絡。

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℃、1GPa應力下的蠕變速率可低至10-7s-1，顯著優于目前常用變形高溫合金的性能。

“實力”強勁的弛豫態晶界

為什么弛豫態晶界的“實力”如此強大呢？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。

在高溫條件下，晶界一直被普遍認為是合金抗蠕變的“短板”，最新這一研究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出一條新路。相關研究結果于11月11日發表在《Science》周刊上。

弛豫晶界是該研究團隊在2018年發現的一種調控金屬材料性能的新型結構與手段，除在抑制高溫合金擴散方面有所突破以外，近年來，在銅、鋁、鎳及其合金上均獲得了諸多突破性進展。

例如，弛豫晶界強化的純銅，其強度可媲美鋼材；弛豫晶界強化的鋁合金，除具有超高的強度、熱穩定性外，還具有優異的抗腐蝕性能。此外，弛豫晶界由于具有較高的穩定性，還為探索晶粒細化極限以及尋找新型亞穩結構（受限晶體）的研究開辟了新的空間。