Nature：美國陸軍研究實驗室成功研制出高溫下仍能兼具強度和抗蠕變性的納米晶合金

引言：近日，美國陸軍研究實驗室的K.A.Darling和亞利桑那州立大學的M.Rajagopalan等人在《Nature》上發布一篇題為“Extreme creep resistance in a microstructurally stable nanocrystalline alloy”的論文, 文中提出了一種能使納米晶合金在保留高強度的同時，還能得到極佳抗蠕變性的方法。

成果簡介：納米晶合金是指晶粒平均尺寸在100nm以下的合金。相比于普通合金，該類合金的晶粒尺寸大大減小，因此它們的室溫強度大大增加，但是晶粒細化也使得其他力學性能如抗蠕變性的下降，這限制了合金的實用性。

該文報道了一種具有前所未有的性能組合的合金——在高溫下仍能兼具強度和抗蠕變性的納米晶銅鉭合金（Cu-10at%Ta）。

為了得到該合金，研究人員首先通過機械合金化即用高能研磨機或球磨機實現固態合金化的技術得到納米晶Cu-10at%Ta粉末，隨后對獲得的粉末進行?等徑角擠壓制成合金塊。制成的合金中銅基體晶粒平均尺寸為50±17.5nm，鉭基粒子尺寸在3.18±0.86nm到32±7.5nm之間。

在0.5-0.64T_m施加0.85%-1.2%剪切模量的蠕變實驗條件下，Cu-Ta合金表現出低于10^-6/ s的穩定的蠕變速率，該速率比大部分納米晶金屬要低6-8個數量級。

該研究成果對于設計同時具有多種高溫性能的納米晶合金具有重要意義，作者希望該成果能夠改變對于高溫下納米晶合金變形的理論思考和期望值，從而帶來新的應用。

圖文導讀：

圖1：Cu-10at%Ta合金的壓縮蠕變曲線

a.在不同溫度和恒應力條件下的傳統“時間—蠕變應力曲線”

b.晶粒平均尺寸為50nm的納米晶銅的理論變形機理圖

圖2：納米晶Cu-10at%Ta合金中的鉭基納米團簇的TEM圖像

a.不同尺寸高密度納米團簇的STEM明場像

b.原子序數反差下富鉭團簇的STEM高角環形暗場像

c.a圖和b圖內綠框區域高倍放大后的高角環形暗場像

d.納米團簇核殼結構的STEM明場像

e.d圖紅框區域的高速反傅里葉變換圖像

f.位于高角度（93°）晶界直徑為3nm的粒子

圖3：蠕變測試后納米晶Cu-10at%Ta合金的TEM圖像

a,b. 蠕變測試前（a）后（b）的粒子數量分布

c.與鉭原子簇交互的晶界弓出處的高分辨STEM明場像

圖4：表明蠕變測試后的納米晶Cu-10at%Ta合金穩定性的模型數據

a,b. 600℃、295MPa下，純銅納米晶（a）和Cu-10at%Ta納米晶（b）三維原子蠕變模擬中的二維切片

文獻鏈接：Extreme creep resistance in a microstructurally stable nanocrystalline alloy（Nature, 2016, DOI:10.1038/nature19313）

本文由材料人編輯部汪慶供稿，材料牛編輯整理。

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