科学新发现！高性能高温合金的发展新思路

出品：科普中国

作者：张宝兵 李秀艳（中国科学院金属研究所）

监制：中国科普博览

提到高温合金，或许有些人会觉得有些陌生。然而，换个说法，如果改聊火箭发射升天，相信航天迷们就按捺不住了，甚至近期关注到我国航天事业成就的朋友们也能侃上几句。而我们今天谈论的主角，正和航空航天密切相关。

那么，今天介绍的主角是谁呢？在这里先卖个关子，我们从高温合金开始说起。

高温合金及其蠕变——科学界多年未解难题

高温合金是现代航空发动机的基石，也是航天动力、燃气轮机，以及超超临界电站、核能、油气开采、石化等领域中的关键材料。由于需要在高温及一定应力条件下长期工作，高温合金零部件常常因蠕变强度不够而发生故障。

先进航空发动机中关键的热端承力部件全部为高温合金（红色为高温合金）

（图片来源：钢研高纳招股说明书）

蠕变是指金属材料在高温和低于屈服强度的应力作用下，其形变随时间增加而逐渐增大的现象。日常生活中，我们经常遇到家用晾衣绳用久了绳子会变松弛的现象，究其根本，蠕变正是导致绳子变形的“幕后黑手”。

使用晾衣绳晾晒衣服

（图片来源：Veer图库）

对于金属材料而言，蠕变会导致高温金属构件的变形失效，从而影响到这类材料使役行为和相关部件效能。举个例子，金属螺栓蠕变伸长后会产生应力松弛，从而失去紧固效果；航空发动机涡轮叶片在服役过程中，其尺寸会因蠕变而缓慢伸长，一旦蠕变断裂，发动机涡轮叶片就会失效，甚至可能会造成严重的后果。

飞机发动机涡轮叶片失效案例

（图片来源：Reed, R.C. The superalloys: Fundamentals and Applications (Cambridge Univ. Press, 2006)）

因此，如何攻克高温金属蠕变这一难题，就成为发展高性能高温合金的关键问题，一度困扰一众科学家们多年。

近一个世纪以来，学界主要通过合金化和减少晶界（制备单晶）的方式来提升高温合金的抗蠕变性能。然而，随之而来的合金制备工艺复杂、成本居高不下等一系列问题，导致进一步提升高温合金的抗蠕变性能面临巨大挑战。

晶界——高温条件下合金抗蠕变的“短板”

金属通常以多晶体的形式存在，多晶体由晶粒所组成，晶粒是外形不规则的小晶体。晶粒与晶粒之间的接触界面叫做晶界。

多晶体金属典型形貌

（图片来源：Li, X.Y., Lu, K. Playing with defects in metals, Nat. Mater. 2017）

在常温条件下，想要强化金属材料，其中一个方法就是增加晶界数量。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，导致晶界强化效应消失。

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。因此，在高温条件下，晶界一直被普遍认为是合金抗蠕变的“短板”。

既然晶界在高温下失稳是其蠕变性能恶化的根源，那么问题来了——这种失稳是晶界的本征特性，还是可以通过其它手段进行调控呢？如果可以使晶界在热-力-时间耦合作用下保持稳定，那么是否就可以抑制晶界的高温软化和扩散蠕变，进而大幅提升高温合金的抗蠕变性能？

这些问题是长期以来材料领域的重大科学难题，也是发展高性能高温合金的主要瓶颈之一。

高温合金抗蠕变研究迎来重要突破

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纳米金属研究团队基于前期在金属中发现的弛豫晶界的反常热稳定性（Science, 2018）、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）等结果，发现晶界结构调控是改善材料力学性能的一个新途径。团队快速聚焦这一新型结构在高温合金中的应用，并最终在晶界抗蠕变这一科学难题研究上取得重要突破。

通过塑性变形方法制备的纳米晶，只有当其晶粒尺寸小到一定程度后，才会激发晶界的自发弛豫（*弛豫，为物理学用语，指的是在某一个渐变物理过程中，从某一个状态逐渐地达到另一个能量更低的状态的过程）。而传统塑性变形方法根本无法触及这一维度，因此，如何有效细化晶粒成为摆在科研人员面前的首要问题。

研究人员利用自主研发的特种塑性变形技术，通过施加低温、高应变速率变形条件，成功在一种商用单相高温合金Ni-Co-Cr-Mo（MP35N）中将晶粒细化至9nm，晶界结构发生明显弛豫。弛豫后，晶界呈现低指数平直界面特征，且与晶内高密度孪晶/层错形成稳定晶界网络。

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℃、1GPa应力下的蠕变速率可低至10-7s-1，显著优于目前常用变形高温合金的性能。

“实力”强劲的弛豫态晶界

为什么弛豫态晶界的“实力”如此强大呢？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。

在高温条件下，晶界一直被普遍认为是合金抗蠕变的“短板”，最新这一研究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出一条新路。相关研究结果于11月11日发表在《科学》（Science）周刊上。

弛豫晶界是该研究团队在2018年发现的一种调控金属材料性能的新型结构与手段，除在抑制高温合金扩散方面有所突破以外，近年来，在铜、铝、镍及其合金上均获得了诸多突破性进展。

例如，弛豫晶界强化的纯铜，其强度可媲美钢材；弛豫晶界强化的铝合金，除具有超高的强度、热稳定性外，还具有优异的抗腐蚀性能；此外，弛豫晶界由于具有较高的稳定性，还为探索晶粒细化极限以及寻找新型亚稳结构（受限晶体）的研究开辟了新的空间。

编辑：应奕可

（注：文中拉丁文部分应为斜体。）

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