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金屬材料在高溫下長(zhǎng)期承受低于屈服強(qiáng)度的應(yīng)力作用時(shí)會(huì)發(fā)生永久形變，通常稱(chēng)為蠕變。蠕變會(huì)導(dǎo)致高溫金屬構(gòu)件的變形失效，是高溫合金的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)。通過(guò)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(lái)合金制備工藝復(fù)雜、成本居高不下等一系列問(wèn)題。進(jìn)一步提升高溫合金的抗蠕變性能面臨巨大挑戰(zhàn)。 

　　在常溫下，增加晶界是強(qiáng)化金屬材料的一個(gè)重要手段，但在高溫下，晶界遷移、晶界滑動(dòng)、晶界擴(kuò)散等失穩(wěn)機(jī)制會(huì)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(huì)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(zhǎng)期以來(lái)材料領(lǐng)域的一個(gè)重大科學(xué)難題，也是發(fā)展高性能高溫合金的主要瓶頸之一。 

　　近期，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心納米金屬科學(xué)家工作室張寶兵副研究員、唐贏廣博士生、李秀艷研究員、盧柯研究員與武漢大學(xué)梅青松教授合作，在這一科學(xué)難題研究上取得重要突破。研究團(tuán)隊(duì)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9 nm，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(dòng)、晶界擴(kuò)散蠕變等失穩(wěn)機(jī)制的啟動(dòng)，從而保持了晶界的強(qiáng)化作用。晶界一直被普遍認(rèn)為在高溫下是合金抗蠕變的“短板”，這一結(jié)果系統(tǒng)演示了通過(guò)結(jié)構(gòu)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(duì)合金元素的依賴(lài)，為高性能高溫合金的可持續(xù)發(fā)展開(kāi)辟了一條新路。相關(guān)研究結(jié)果于11月11日發(fā)表在《科學(xué)》（Science）周刊上。 

　　這是繼該團(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）、發(fā)現(xiàn)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，向提升工程合金的使役行為方面邁出了重要一步。該研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和中國(guó)科學(xué)院科學(xué)家工作室項(xiàng)目的資助。 

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　　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，及其與其它牌號(hào)高溫合金性能對(duì)比