盧柯院士&李秀艷研究員最新Science!

一、【導讀】

蠕變是固體材料在保持應力不變的條件下，應變隨時間延長而增加的現象。材料會因蠕變而發生塑性變形，蠕變在較高溫度下會被放大，這也是高溫下大量部件失效的主要原因，每年為此維修和更換先進設備中的部件花費數十億美元。避免蠕變通常需要制作大型合金單晶，這既昂貴又耗時。材料中的晶界（GBs）通常有利于蠕變的擴散過程，因此目前認為消除GBs是抵抗金屬高溫蠕變的主要方法。

二、【成果掠影】

受到關于金屬中GB弛豫的研究的啟發，中國科學院金屬研究所盧柯院士和李秀艷研究員團隊認為，與消除GBs的傳統認知相反，建議引入大量的GB，以在金屬中形成穩定的GB網絡，通過同時抑制原子擴散和高溫硬化來抑制蠕變。作者以單相鎳鈷鉻（NiCoCr，MP35N）合金為例進行了實驗研究，發現在具有穩定GB網絡的納米晶粒合金中，擴散蠕變過程被有效抑制。研究獲得了前所未有的抗蠕變特性，在700°C（~61%熔點）和每Gpa下的蠕變率為~10^-7·s^-1，優于傳統高溫合金。相關研究成果以題為“Inhibiting creep in nanograined alloys with stable grain boundary networks”發表在知名期刊Science上。

三、【圖文導讀】

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圖一、具有穩定GBs的納米晶NiCoCr合金的結構 ? 2022 AAAS

圖二、熱穩定性和溫度依賴性 ? 2022 AAAS

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圖三、壓痕蠕變響應及機制研究 ? 2022 AAAS

圖四、700℃下各種合金的抗蠕變性能 ? 2022 AAAS

四、【前景展望】

在過去的幾十年里，已經開發了各種技術來在納米結構材料中引入高密度的GBs。通過不同的物理和化學方法穩定GBs已經在廣泛的金屬和合金中得到證實。本研究結果表明，納米顆粒合金中穩定的GB網絡能夠同時提高熱穩定性、高溫強度和高溫抗蠕變性。這樣的性能提升與傳統的策略有根本的不同。因此，使用穩定的GB網絡為設計具有高性能的先進穩定的合金，特別是高溫應用的合金，提供了一個可行的范式。

文獻鏈接：Inhibiting creep in nanograined alloys with stable grain boundary networks (Science 2022, 378, 659-663)