金屬材料在高溫下長期承受低于屈服強(qiáng)度的應(yīng)力作用時(shí)會發(fā)生永久形變，通常稱為蠕變。蠕變會導(dǎo)致高溫金屬構(gòu)件的變形失效，是高溫合金的重要性能指標(biāo)。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(fù)雜、成本高等問題。進(jìn)一步提升高溫合金的抗蠕變性能面臨挑戰(zhàn)。 

　　常溫下，增加晶界是強(qiáng)化金屬材料的重要手段；而高溫下，晶界遷移、晶界滑動、晶界擴(kuò)散等失穩(wěn)機(jī)制會導(dǎo)致晶界軟化、晶界強(qiáng)化效應(yīng)消失。此外，增加晶界密度會加劇晶界擴(kuò)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(shí)間耦合作用下晶界的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，進(jìn)而抑制晶界高溫軟化和擴(kuò)散蠕變成為長期以來材料領(lǐng)域的重大科學(xué)難題，也是發(fā)展高性能高溫合金的瓶頸。 

　　近期，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心納米金屬科學(xué)家工作室副研究員張寶兵、博士研究生唐贏廣、研究員李秀艷、研究員盧柯與武漢大學(xué)教授梅青松合作，利用自主研發(fā)的特種塑性變形技術(shù)，在一種商用單相高溫合金Ni-Co-Cr-Mo（MP35N）中將晶粒細(xì)化至9nm，晶界結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯弛豫。研究發(fā)現(xiàn)，弛豫態(tài)晶界在熱及熱/力耦合下均保持穩(wěn)定，大幅提升了高溫合金的高溫強(qiáng)度、高溫蠕變等關(guān)鍵力學(xué)性能。該結(jié)構(gòu)在700攝氏度、1GPa應(yīng)力下的蠕變速率可低至10^-7s^-1，顯著優(yōu)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(kuò)散，阻礙了高溫下晶界遷移、晶界滑動、晶界擴(kuò)散蠕變等失穩(wěn)機(jī)制的啟動，從而保持了晶界的強(qiáng)化作用。晶界被普遍認(rèn)為在高溫下是合金抗蠕變的“短板”，這一成果系統(tǒng)演示了通過結(jié)構(gòu)弛豫，晶界可大幅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(xù)發(fā)展開辟了新道路。11月11日，相關(guān)研究成果發(fā)表在《科學(xué)》（Science）上。 

　　本研究是繼該團(tuán)隊(duì)在金屬中發(fā)現(xiàn)弛豫晶界的反常熱穩(wěn)定性（Science，2018）、受限晶體結(jié)構(gòu)（Science，2020）以及受限晶體結(jié)構(gòu)的抑制原子擴(kuò)散效應(yīng)（Science，2021）之后，利用晶界結(jié)構(gòu)調(diào)控材料性能的又一突破，向著提升工程合金的使役行為方面邁出了重要一步。研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中科院的支持。 

　　論文鏈接 

圖1.具有弛豫晶界的納米晶MP35N合金的結(jié)構(gòu)

圖2.具有弛豫晶界的納米晶MP35N合金的蠕變性能，以及與其他牌號高溫合金性能對比