高溫合金是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要結(jié)構(gòu)材料，也是我國(guó)研發(fā)新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的瓶頸所在。近日，在中國(guó)浙江大學(xué)張澤院士的指導(dǎo)下，其團(tuán)隊(duì)的李吉學(xué)教授、余倩教授、丁青青博士與美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)的陳龍慶教授合作，發(fā)現(xiàn)高溫合金中貴金屬“錸”的最佳添加位置是界面位錯(cuò)網(wǎng)的位錯(cuò)核心。在這個(gè)關(guān)鍵的位置，錸能發(fā)揮一種特殊的作用，通過(guò)強(qiáng)化界面強(qiáng)度使材料不易斷裂，進(jìn)而促進(jìn)材料性能優(yōu)化?？蒲腥藛T表示，通過(guò)對(duì)錸的研究及調(diào)節(jié)，能夠在更高溫度下保護(hù)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的安全。
這項(xiàng)研究成果發(fā)表在5月23日上線(xiàn)的金屬材料領(lǐng)域頂級(jí)期刊《Acta Materialia》。這是電鏡中心首次通過(guò)材料結(jié)構(gòu)和性能的同步研究，將科研工作延伸到發(fā)動(dòng)機(jī)戰(zhàn)略材料研究領(lǐng)域，這篇論文也成為高溫合金研究領(lǐng)域最高水平的科研論文之一。
“火眼金睛”看清高溫合金
本工作的研究對(duì)象為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要戰(zhàn)略結(jié)構(gòu)材料——鎳基高溫合金。雖然這是國(guó)外已經(jīng)發(fā)明的材料，但還有許多未被揭示的原理。
新一代高溫合金相較于前，最大的差異就是元素“錸”（Re），這是一種在地球上稀缺的貴金屬，“很多時(shí)候，判斷高溫合金代際就是看錸的含量，具體的表征就在于服役溫度的提高?！?/p>
科研人員依托浙江大學(xué)電鏡中心先進(jìn)的科研設(shè)備，首次從原子層面“看清了”錸元素在高溫合金中的分布，這也是該研究的創(chuàng)新點(diǎn)之一。課題組通過(guò)球差校正電鏡，在放大百萬(wàn)倍后，看到了錸的分布?！爸坝捎谠O(shè)備的限制，科研人員對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的了解還不是很細(xì)致，近年來(lái)隨著科技的發(fā)展，設(shè)備分辨率越來(lái)越高。比如我們電鏡中心的這套設(shè)備就是最近幾年新添置的，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平 。”浙江大學(xué)電鏡中心現(xiàn)有的技術(shù)，能夠?qū)⑿阅芘c結(jié)構(gòu)直接關(guān)聯(lián)，串聯(lián)起理論和制造兩端，可以發(fā)現(xiàn)前人沒(méi)有理解到的奧秘。
圖1 相界面位錯(cuò)核原子結(jié)構(gòu)圖和成分分析。(a) 界面位錯(cuò)核的高分辨HAADF-STEM圖。(b) (a)圖中位錯(cuò)核的γ相形成元素Re, Cr, Co和Mo的分布EDS圖。
而依托原位電鏡，浙大科研人員還對(duì)錸發(fā)生作用的過(guò)程有了清楚的了解，并將材料性能和結(jié)構(gòu)進(jìn)行關(guān)聯(lián)研究。先前國(guó)際上通用的研究方法為“離位研究”。“這種就好像法醫(yī)的尸檢，是一種事后的研究，有一些過(guò)程沒(méi)法還原。”科研人員介紹。
將這些研究方式結(jié)合起來(lái)用于高溫合金的研究，在國(guó)際上還是第一次實(shí)現(xiàn)。
直達(dá)軟肋筑起牢固“隔離帶”
材料斷裂是航空發(fā)動(dòng)機(jī)損毀的致命原因。而斷裂往往是由裂紋造成的。如何防止裂紋發(fā)生和裂紋發(fā)生后如何阻止它快速生長(zhǎng)，就成了決定材料強(qiáng)度的關(guān)鍵一環(huán)。
那么，材料的軟肋在哪里？就在兩相界面！
兩相界面簡(jiǎn)單地說(shuō)就是接觸面，一般而言，是材料中的薄弱環(huán)節(jié)。舉個(gè)常見(jiàn)的例子，河流結(jié)冰后，冰與水就會(huì)有一個(gè)兩相界面，一邊是固態(tài)一邊是液體，這個(gè)界面是極不穩(wěn)定的。金屬材料的兩相界面稍有不同，界面兩邊都是固態(tài)的，只是兩邊是由不同成分或是由不同結(jié)構(gòu)組成。而在高溫合金中，兩相界面中會(huì)形成致密的界面位錯(cuò)網(wǎng)。
通過(guò)特定的熱處理，科研人員可以通過(guò)控制擴(kuò)散的手段，將錸有目的性的放到相關(guān)位置，進(jìn)而開(kāi)展研究。本課題組發(fā)現(xiàn)，當(dāng)把錸放置在界面位錯(cuò)網(wǎng)的核心位置時(shí)，錸會(huì)很明顯地強(qiáng)化界面位錯(cuò)網(wǎng)，進(jìn)而強(qiáng)化這個(gè)界面。界面強(qiáng)化后，兩相之間的“剪切”就會(huì)很困難，不易失效。為什么會(huì)有這樣神奇的效果呢？
圖2 熱處理?xiàng)l件不同的樣品A-F中界面位錯(cuò)核Re濃度統(tǒng)計(jì)結(jié)果（統(tǒng)計(jì)樣本均約50個(gè)）。 圖片右上角為熱處理過(guò)程和對(duì)應(yīng)樣品平均Re濃度。
透過(guò)現(xiàn)象看本質(zhì)。浙大科學(xué)家看到清晰的圖案如同我們生活中的磚塊墻，不同的晶體間由水泥一樣的“縫”粘連。這些“縫”就像隔離帶一樣，可以有效阻止裂紋的生長(zhǎng)。而在這“磚塊”與“縫”的界面位錯(cuò)網(wǎng)上，課題組找到了大量的錸。
他們進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，界面錯(cuò)位網(wǎng)上錸的存在讓“磚塊”間的“縫”變得非常穩(wěn)固，進(jìn)而讓材料中的裂紋不易貫穿。“當(dāng)力的作用不斷加大，有錸的高溫合金也會(huì)出現(xiàn)裂紋，但裂痕生長(zhǎng)在單相中呈現(xiàn)鋸齒形，延緩了快速開(kāi)裂?！痹谙嗤饔昧ο拢缑嫖诲e(cuò)網(wǎng)上沒(méi)有錸時(shí)，材料容易出現(xiàn)裂紋，而且沒(méi)有了阻擋，裂紋會(huì)呈直線(xiàn)型快速生長(zhǎng)，貫穿整個(gè)材料，從而導(dǎo)致斷裂。
圖3 相界面位錯(cuò)網(wǎng)含Re量不同的樣品A（左列）和樣品C（右列）中的位錯(cuò)行為。(a, b) 原位TEM拉伸試驗(yàn)截圖。樣品A中位錯(cuò)直接穿過(guò)相界面位錯(cuò)網(wǎng)，而樣品C中位錯(cuò)無(wú)法穿過(guò)相界面形成鋸齒狀滑移帶。(c, d) (a)圖和(b)圖中區(qū)域的低倍STEM圖（左）和清晰顯示γ/γ′相界面的Cr元素分布圖（右）。樣品A為直裂紋，而樣品C中為鋸齒狀裂紋。
圖4 相界面位錯(cuò)網(wǎng)含Re量不同的樣品A（左列）和樣品C（右列）在750°C沿[001]方向拉伸斷裂后的SEM圖。 (a, b) 樣品A和C斷裂后的裂紋。(c, d) 樣品A和C表面的滑移帶。
在戰(zhàn)略材料領(lǐng)域首次“發(fā)聲”
浙江大學(xué)電子顯微鏡中心主任張澤院士一直非常重視結(jié)構(gòu)材料的研究，特別是國(guó)家發(fā)展重大需求的戰(zhàn)略材料。李吉學(xué)是浙大求是特聘教授，是浙大電鏡中心最資深的建造者之一。余倩于2014年加盟浙江大學(xué)，成為當(dāng)時(shí)學(xué)校最年輕的博士生導(dǎo)師。近年來(lái)她一直從事傳統(tǒng)金屬的研究，“可能這不是個(gè)時(shí)髦的研究，但卻有著重大的戰(zhàn)略意義?！?/p>
就拿航空發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫合金的服役溫度均在千度以上，同時(shí)材料還會(huì)受到應(yīng)力的影響，幾乎沒(méi)有材料能完全勝任這樣苛刻的工作條件。而高溫合金是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一個(gè)重要材料。作為單晶的高溫合金還被稱(chēng)為不被破壞的金屬材料。
這次研究的順利開(kāi)展還得益于浙江大學(xué)新成立的材料科學(xué)與工程學(xué)院高溫合金研究所?！把芯克鶑?014年開(kāi)始籌備，期間得到了很多單位的大力支持，今年5月正式成立。研究所的目標(biāo)領(lǐng)域就是國(guó)家重大需求的高性能結(jié)構(gòu)材料，我也得以進(jìn)入戰(zhàn)略材料研究領(lǐng)域?！?/p>
課題組的這項(xiàng)研究可以說(shuō)是研究所成立后的第一項(xiàng)重要成果，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫材料領(lǐng)域發(fā)出了浙江大學(xué)的聲音。
本課題受到國(guó)家基金委的資助。
（文 柯溢能 吳雅蘭）
