屬材料在高溫下長期承受低于屈服強(qiáng)度的應(yīng)力作用時會發(fā)生永久形變，通常稱為蠕變。蠕變會導(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，但這帶來合金制備工藝復(fù)雜、成本居高不下等一系列問題。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)化金屬材料的一個重要手段，但在高溫下，晶界遷移、晶界滑動、晶界擴(kuò)散等失穩(wěn)機(jī)制會導(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)散蠕變成為長期以來材料領(lǐng)域的一個重大科學(xué)難題，也是發(fā)展高性能高溫合金的主要瓶頸之一。 

近期，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國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、晶界擴(kuò)散蠕變等失穩(wěn)機(jī)制的啟動，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合金元素的依賴，為高性能高溫合金的可持續(xù)發(fā)展開辟了一條新路。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家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和中國科學(xué)院科學(xué)家工作室項(xiàng)目的資助。  

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，及其與其它牌號高溫合金性能對比

SCIENCE，10 Nov 2022，Vol 378, Issue 6620，pp. 659-663，DOI: 10.1126/science.abq7739