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通過(guò)蠕變可以對(duì)材料進(jìn)行塑性變形，且蠕變?cè)谳^高溫度下會(huì)放大。同時(shí)，避免蠕變通常需要制造大型合金單晶，這既昂貴又耗時(shí)。在此，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所盧柯院士和李秀艷研究員等人表明在納米晶粒介質(zhì)熵合金中引入穩(wěn)定的晶界網(wǎng)絡(luò)，可以改善高溫下的蠕變行為，所得合金即使在高應(yīng)力下也具有高抗蠕變性，這是結(jié)構(gòu)合金的重要特性。

相關(guān)研究成果“Inhibiting creep in nanograined alloys with stable grain boundary networks”為題發(fā)表在Science上。

蠕變是應(yīng)力低于屈服強(qiáng)度的材料的與時(shí)間有關(guān)的變形，是高溫下大量部件失效的原因。由于材料中的晶界（GBs）通常有利于蠕變的擴(kuò)散過(guò)程，因此消除GBs是抵抗金屬（例如單晶高溫合金渦輪葉片）高溫蠕變的主要方法。

本文報(bào)告了一種通過(guò)使用穩(wěn)定的GB網(wǎng)絡(luò)來(lái)抑制蠕變的不同策略，研究了一種具有面心立方奧氏體結(jié)構(gòu)的商業(yè)化MP35N合金，其棒樣處于冷變形狀態(tài)，維氏硬度為~5 GPa。其化學(xué)成分的重量百分比為34.1Ni-33.9Co-20.9Cr-10.2Mo- 0.9Ti，與AMS 5844一致。Ni/Co/Cr/Mo/Ti的元素在樣品中均勻分布，該結(jié)構(gòu)由平均尺寸為61±23m的粗粒組成，包含高密度的位錯(cuò)和一些變形孿晶。通過(guò)在1075℃下退火2h，制備了平均粒徑為110±31m的粗粒度樣品。

具體來(lái)說(shuō)，塑性變形引發(fā)了納米晶粒單相鎳鈷鉻合金中高密度GBs的結(jié)構(gòu)松弛，形成了具有豐富孿晶邊界的穩(wěn)定GBs網(wǎng)絡(luò)，穩(wěn)定的GBs網(wǎng)絡(luò)有效地抑制了高溫下的擴(kuò)散蠕變過(guò)程。結(jié)果表明，本文獲得了前所未有的抗蠕變特性，在700°C（~61%熔點(diǎn)）和每Gpa下的蠕變率為~10^-7/s，優(yōu)于傳統(tǒng)高溫合金。

圖1. 具有穩(wěn)定GB的納米晶粒NiCoCr合金的結(jié)構(gòu)

圖2. 熱穩(wěn)定性和溫度與強(qiáng)度的關(guān)系

圖3. 壓痕蠕變響應(yīng)及機(jī)理

圖4. 700°C時(shí)各種合金的抗蠕變性

本研究結(jié)果表明，納米晶粒合金中穩(wěn)定的GB網(wǎng)絡(luò)能夠同時(shí)提高熱穩(wěn)定性，高溫強(qiáng)度，以及高溫蠕變阻力，這種屬性增強(qiáng)與傳統(tǒng)策略有著根本的不同。在過(guò)去的幾十年里，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了各種技術(shù)來(lái)在納米結(jié)構(gòu)材料中引入高密度GBs。通過(guò)不同的物理和化學(xué)方法穩(wěn)定GBs已在各種金屬和合金中得到證明。因此，預(yù)計(jì)使用穩(wěn)定的GB網(wǎng)絡(luò)為設(shè)計(jì)具有高性能的先進(jìn)穩(wěn)定合金，特別是用于高溫應(yīng)用的合金提供了可行的范例。

B. B. Zhang et al., Inhibiting creep in nanograined alloys with stable grain boundary networks, 2022, Science,

https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/science.abq7739

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