晶界弛豫可大幅提升纳米晶高温合金抗蠕变性能

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。

《中国科学报》从中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心获悉，近期该中心卢柯院士团队与武汉大学教授梅青松合作，在这一科学难题研究上取得重要突破。相关研究成果11月11日发表于《科学》。

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纳米，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应力下蠕变速率可低至每秒10-7，显著优于目前常用的多晶高温合金以及单晶高温合金的性能。

据了解，金属材料在高温下长期承受低于所能承受的微量塑性变形的应力作用时会发生永久形变，通常被称为蠕变。晶界在高温下一直被普遍认为是合金抗蠕变的短板。

研究团队发现，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。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。

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。