Nature Communications 

成功開發可3D打印的抗缺陷、高性能高溫合金

基于金屬的增材制造（AM）或三維（3D）打印已使具有近終型的金屬部件的制造成為可能，而這些幾何部件具有通過常規制造技術無法實現的最佳幾何形狀。提高設計靈活性已引起人們對3D打印方法的極大興趣。但是，目前僅數量極少的合金可適應金屬基增材制造，由于該過程中存在復雜熱環境。金屬增材制造基本上是重復的焊接過程，使用定向能源來局部熔化和焊合材料。因此，用于AM的候選材料傾向于是可焊接合金，它們不易受到液相中的開裂機制（如液化開裂或熱撕裂）或固相應力的影響，例如，應變時效裂紋和延性傾斜裂紋。

由于鎳基高溫合金在高溫下具有出色的力學性能，因此成為飛機發動機結構組件的首選材料。高γ？體積分數的Ni基高溫合金，高強度鋁合金和耐火合金在內的高性能工程合金的開裂敏感性，代表了在關鍵應用中將這些合金用于增材制造組件的主要障礙。對于在較低溫度下使用的合金（例如高強度鋁合金），通過粉末表面的功能化控制熔池中的晶粒成核可以緩解開裂問題。然而，這導致晶粒尺寸小，這對于高溫操作是不利的。

在此，加利福尼亞大學圣塔芭芭拉分校、美國桑迪亞國家實驗室、橡樹嶺國家實驗室以及卡朋特科技公司（卡本特科技公司）開發了一種可通過選擇性激光熔化（SLM）和電子束熔化（EBM）進行加工的CoNi基高溫合金，可產生無裂紋的組件。凝固過程中溶質的低偏析降低了液體介導的開裂敏感性，降低的γ？固溶溫度可在凝固完成后緩解開裂。室溫拉伸試驗表明，與目前正在研究AM的其他Ni基高溫合金相比，CoNi基高溫合金具有出色的延展性和強度的組合。

文獻鏈接：A defect-resistant Co–Ni superalloy for 3D printing，Nature Communications，2020

https://doi.org/10.1038/s41467-020-18775-0

鈧硅團簇對Al-Sc合金時效硬化行為的影響

近二十年來，人們對鈧（Sc）作為一種合金元素在鋁合金中的潛力的研究越來越感興趣。過飽和Al-Sc合金在時效過程中形成有序的L12納米級Al3Sc析出相，具有顯著的強化和抑制再結晶作用。Si是鋁合金中常見的雜質或合金元素，因此進行了許多研究來研究Si對Al3Sc的析出和時效硬化效果的影響。早期的研究表明，Si對Al-Sc合金的沉淀硬化有負面影響。結果表明，在Al-Sc合金中加入Si后，由于Al3Sc的不連續和/或連續析出量的增加，在凝固后冷卻過程中，粗大共晶Al3Sc析出相不連續析出，隨著Si含量的增加，鑄態顯微硬度增加。除Al3Sc外，據報道在Al-Sc-Si合金中形成了四方Sc2AlSi2金屬間化合物，即V相。降低了增強納米級Al3Sc析出物的體積分數，并且可以通過限制非常純的Al-Sc合金中的Si濃度（<0.08 at%）來避免。

為了闡明Sc-Si團簇在Al-Sc和Al-Sc-Zr合金沉淀硬化中的作用，北京工業大學的研究人員采用顯微硬度和透射電鏡研究了Si添加量在0.05%～0.30%范圍內對Al-0.12Sc和Al-0.12Sc-0.2Zr（wt.%）時效硬化行為的影響。結果表明0.15%的Si含量是最佳的，并且在早期時效階段形成的Sc-Si團簇阻礙了Al3Sc的演化過程。

文獻鏈接：The influence of Sc–Si clusters on aging hardening behavior of dilute Al-Sc-（Zr）-（Si） alloy，Journal of Alloys and Compounds，2020

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0925838820321903

金屬連接體涂層材料領域取得系列進展

作為金屬連接體涂層，尖晶石型氧化物層廣泛用于固體氧化物燃料電池（SOFC）中，具有負溫度系數電阻特性，其導電性取決于小極化子躍遷導電機制。元素Cu摻雜可取代MnCo2O4尖晶石A位或B位上的陽離子，促進低價態Mn2+、Mn3+向高價態Mn3+、Mn4+轉變，增加電子電導率，降低離子缺陷濃度并抑制氧離子向內擴散。

運用高能微弧合金化技術，制備了多類微晶尖晶石型氧化物涂層，并進行了對比研究。研究表明：經750℃長時間氧化后，Cu-Mn涂層仍具有較低的接觸電阻值。Cu摻雜的Co-Mn涂層可以有效抑制Fe、Cr元素的外擴散。長時間氧化后Cu摻雜的Co-Mn超細晶涂層的面比電阻值略低于Cu-Mn涂層，展現了良好的綜合性能。

文獻鏈接：https://doi.org/10.1016/j.corsci.2020.108738

Nature Communications

鎳基新超導體機理研究取得重要進展

銅氧化物超導體自從1986年被發現以來，其超導機理一直被本領域科學家高度關注。具有庫侖排斥的兩個電子，為什么在高達160多開爾文（約等于零下113度）下仍然能夠相互吸引形成電子配對，并凝聚成為宏觀的量子相干態，這是橫亙在凝聚態物理領域的一個重大科學問題。

超導體內部的單粒子激發需要一定的能量即為超導能隙，這也是超導態為什么能夠在一定溫度下穩定存在的原因。而兩個電子形成配對的內在因素直接決定著超導能隙函數的表現形式。因此探測非常規超導體的機理問題的首要任務是知道超導能隙的函數形式。就鎳基超導體實驗而言，得到Nd1-xSrxNiO2超導薄膜樣品似乎比較困難，因此國際上關于Nd1-xSrxNiO2薄膜的相關實驗還不是很多，許多實驗并不能直接反映超導的能隙函數。

最近，南京大學聞海虎團隊和聶越峰、潘曉晴團隊通力合作，成功在Nd1-xSrxNiO2超導薄膜樣品中測量到高質量的掃描隧道譜，證明了Nd1-xSrxNiO2中存在兩類超導能隙，一類是V型隧道譜即典型的d波超導能隙，能隙最大值為3.9meV，這一點與銅氧化物超導體及其類似；而另一類是完全能隙形式（full gap）的隧道譜，能隙值為2.35meV，這一點又與銅氧化物不一致，而與鐵基超導體相似。聶越峰實驗組利用分子束外延（MBE）技術制備出高質量的Nd1-xSrxNiO3 （113）薄膜及具有初步超導轉變的Nd1-xSrxNiO2 （112）薄膜，聞海虎小組進行了后續的氫化處理，進一步優化了Nd1-xSrxNiO2 （112）鎳基薄膜的超導轉變溫度及表面平整度，這是實驗能夠獲得成功的關鍵因素之一。這一結果揭示了Nd1-xSrxNiO2超導體的能隙函數，發現與銅氧化物之間既有相似之點也有不同之處，并為接下來繼續對鎳基超導體開展深入研究奠定了堅實的實驗基礎。

文獻鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-19908-1

Acta Mater 

單晶高溫合金不同晶面的雜晶形成

鎳基單晶高溫合金因其在高溫下的優異性能而被用作航空發動機及燃氣輪機的葉片。然而，單晶葉片在高溫高壓及復雜燃燒室條件下可能產生各種形式的表面損傷。

近期，西北工業大學物理科學與技術學院相變物理及新材料實驗室通過關鍵實驗與理論計算相結合的方式系統地研究了單晶高溫合金在不同晶面的雜晶形成能力。該項研究工作利用激光重熔技術對（001）、（011）和（111）晶面上的雜晶形成能力進行了對比研究。結果表明，基體取向對（011）面和（111）面上的雜晶形成有顯著影響，但對（001）面的影響較小；這三個晶面表現出不同的CET能力，對雜晶形成的抵抗能力以（111） < （001） < （011）的順序在增強；為避免單晶高溫合金激光重熔或激光修復過程中出現雜晶，選擇（011）晶面上的[01-1]激光掃描方向是最佳選擇； 除了激光功率、掃描速度和送粉速率之外，基體取向也將作為一個可調節的參數，可在加工過程中使用，以避免雜晶的形成。綜上，該研究系統地研究了單晶高溫合金在不同晶面的雜晶形成能力，并通過理論計算闡明了基體取向對于雜晶形成能力的潛在機制。

文獻鏈接：A comparable study on stray grain susceptibilities on different crystallographic planes in single crystal superalloys，Acta Materialia，2020

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.116558

高強超細層狀結構金屬材料穩定性獲重大突破

金屬在經過高應變和超高應變塑性變形之后，微觀結構通常表現出層狀形態，并且在亞微米和納米范圍內具有層狀邊界間距。由于其超高強度，過去的20年對這種超細層狀結構金屬進行了廣泛的研究。這種由變形引起的超細結構中存儲的能量非常高，為恢復和再結晶提供了很大的驅動力。因此，這些超細層狀結構金屬通常缺乏熱穩定性。目前已經使用幾種方法來穩定超細結構，例如固溶體，邊界偏析和沉淀物。在熱處理過程中，這些穩定化因子本身可以動態地改變，如第二相粒子的析出和溶解。這些變化受到高密度晶界和位錯的影響。例如，在幾種具有超細晶粒的材料中，觀察到了晶界偏析加速相變現象。這意味著在退火過程中，高密度的晶界、晶界偏析和沉淀會相互作用，導致復雜的退火現象。

最近，重慶大學黃天林教授團隊通過向高純度（99.9996％）的Al基體中添加0.3％wt無氧銅，冷軋壓下率98%，制造了一種超細層狀結構的Al–0.3％Cu合金。在100–175°C恢復退火過程中發現細小Al2Cu析出顆粒優先出現在層狀邊界。原位觀察發現主要的粗化過程是由層狀邊界形成的Y結的運動導致，層狀邊界受到位錯，位錯邊界和顆粒的不同程度的釘扎。此外，隨著附加位錯邊界取向差的增大、Al2Cu顆粒的粗化以及連接邊界與顆粒的共同作用，這種局部釘扎效應增強。研究結果證實了合金元素在變形和退火過程中穩定精細層狀組織的重要性，為制備高穩定性超細組織合金提供了指導。

文獻鏈接：Segregation and precipitation stabilizing an ultrafine lamellar-structured Al-0.3%Cu alloy，Acta Materailia，2020

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359645420310326

高溫時效處理對S31042耐熱鋼組織和蠕變性能的影響

S31042鋼是在25Cr-20Ni型奧氏體耐熱鋼的基礎上添加Nb、N等合金元素獲得的，較高的Cr和Ni含量使 S31042 鋼比傳統的 18Cr-8Ni 型奧氏體耐熱鋼具備更加優異的抗蒸汽氧化和抗煙氣腐蝕性能。S31042鋼在高溫環境中服役時，形成的析出相有MX相、M23C6相、Z相和少量σ相，這些析出相的尺寸、分布和含量均對其高溫 性能產生重要影響。

通過OM、SEM和TEM等手段表征了S31042鋼蠕變過程析出相的類型和演化規律，并利用蠕變實驗分析了高溫時效處理對S31042鋼高溫性能的影響。結果表明，經1050℃時效10 h處理后，S31042鋼組織中析出大量尺寸在100 nm左右的Z相，降低了固溶態S31042鋼中合金元素Cr和Nb的過飽和度，減小了M23C6相的形核驅動力，將蠕變過程晶界上析出M23C6相的形態由連續的鏈狀調控為斷續的短棒狀。短棒狀M23C6相的形成能夠在不影響材料塑性的前提下，增大晶界滑動的阻力，改善材料的持久塑性。