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通過蠕變可以對材料進行塑性變形，且蠕變在較高溫度下會放大。同時，避免蠕變通常需要制造大型合金單晶，這既昂貴又耗時。在此，中國科學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。

蠕變是應力低于屈服強度的材料的與時間有關(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散過程，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。

本文報告了一種通過使用穩(wěn)定的GB網(wǎng)絡(luò)來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，包含高密度的位錯和一些變形孿晶。通過在1075℃下退火2h，制備了平均粒徑為110±31m的粗粒度樣品。

具體來說，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散蠕變過程。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）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)定性和溫度與強度的關(guān)系

圖3. 壓痕蠕變響應及機理

圖4. 700°C時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)能夠同時提高熱穩(wěn)定性，高溫強度，以及高溫蠕變阻力，這種屬性增強與傳統(tǒng)策略有著根本的不同。在過去的幾十年里，已經(jīng)開發(fā)了各種技術(shù)來在納米結(jié)構(gòu)材料中引入高密度GBs。通過不同的物理和化學方法穩(wěn)定GBs已在各種金屬和合金中得到證明。因此，預計使用穩(wěn)定的GB網(wǎng)絡(luò)為設(shè)計具有高性能的先進穩(wěn)定合金，特別是用于高溫應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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