提到高溫合金，或許有些人會(huì )覺(jué)得有些陌生。然而，換個(gè)說(shuō)法，如果改聊火箭發(fā)射升天，相信航天迷們就按捺不住了，甚至近期關(guān)注到我國航天事業(yè)成就的朋友們也能侃上幾句。而我們今天談?wù)摰闹鹘?，正和航空航天密切相關(guān)。

那么，今天介紹的主角是誰(shuí)呢？在這里先賣(mài)個(gè)關(guān)子，我們從高溫合金開(kāi)始說(shuō)起。

高溫合金及其蠕變——科學(xué)界多年未解難題

高溫合金是現代航空發(fā)動(dòng)機的基石，也是航天動(dòng)力、燃氣輪機，以及超超臨界電站、核能、油氣開(kāi)采、石化等領(lǐng)域中的關(guān)鍵材料。由于需要在高溫及一定應力條件下長(cháng)期工作，高溫合金零部件常常因蠕變強度不夠而發(fā)生故障。

先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機中關(guān)鍵的熱端承力部件全部為高溫合金（紅色為高溫合金）（圖片來(lái)源：鋼研高納招股說(shuō)明書(shū)）

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(shí)間增加而逐漸增大的現象。日常生活中，我們經(jīng)常遇到家用晾衣繩用久了繩子會(huì )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”。

                                                使用晾衣繩晾曬衣服（圖片來(lái)源：Veer圖庫）

對于金屬材料而言，蠕變會(huì )導致高溫金屬構件的變形失效，從而影響到這類(lèi)材料使役行為和相關(guān)部件效能。舉個(gè)例子，金屬螺栓蠕變伸長(cháng)后會(huì )產(chǎn)生應力松弛，從而失去緊固效果；航空發(fā)動(dòng)機渦輪葉片在服役過(guò)程中，其尺寸會(huì )因蠕變而緩慢伸長(cháng)，一旦蠕變斷裂，發(fā)動(dòng)機渦輪葉片就會(huì )失效，甚至可能會(huì )造成嚴重的后果。

                                              飛機發(fā)動(dòng)機渦輪葉片失效案例（圖片來(lái)源：Reed, R.C. The superalloys: Fundamentals and Applications (Cambridge Univ. Press, 2006)）

因此，如何攻克高溫金屬蠕變這一難題，就成為發(fā)展高性能高溫合金的關(guān)鍵問(wèn)題，一度困擾一眾科學(xué)家們多年。

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

  高溫合金抗蠕變研究迎來(lái)重要突破

    近期，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國家研究中心納米金屬科學(xué)家工作室納米金屬研究團隊基于前期在金屬中發(fā)現的弛豫晶界的反常熱穩定性（Science, 2018）、受限晶體結構（Science, 2020）、以及受限晶體結構的抑制原子擴散效應（Science, 2021）等結果，發(fā)現晶界結構調控是改善材料力學(xué)性能的一個(gè)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(xué)難題研究上取得重要突破。

通過(guò)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(huì )激發(fā)晶界的自發(fā)弛豫（*弛豫，為物理學(xué)用語(yǔ)，指的是在某一個(gè)漸變物理過(guò)程中，從某一個(gè)狀態(tài)逐漸地達到另一個(gè)能量更低的狀態(tài)的過(guò)程）。而傳統塑性變形方法根本無(wú)法觸及這一維度，因此，如何有效細化晶粒成為擺在科研人員面前的首要問(wèn)題。

研究人員利用自主研發(fā)的特種塑性變形技術(shù)，通過(guò)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(fā)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(wǎng)絡(luò )。

研究發(fā)現，弛豫態(tài)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(guān)鍵力學(xué)性能。該結構在700℃、1GPa應力下的蠕變速率可低至10-7s-1，顯著(zhù)優(yōu)于目前常用變形高溫合金的性能。

“實(shí)力”強勁的弛豫態(tài)晶界

    為什么弛豫態(tài)晶界的“實(shí)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(dòng)、晶界擴散蠕變等失穩機制的啟動(dòng)，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(guò)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(lài)，為高性能高溫合金的可持續發(fā)展開(kāi)辟出一條新路。相關(guān)研究結果于11月11日發(fā)表在《科學(xué)》（Science）周刊上。

弛豫晶界是該研究團隊在2018年發(fā)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(lái)，在銅、鋁、鎳及其合金上均獲得了諸多突破性進(jìn)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(yōu)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(kāi)辟了新的空間。