当金属在高温下承受的应力远低于其屈服强度时，就会发生称为蠕变的过程。蠕变是材料随时间变化的变形，它是高温下大量部件失效的原因。科学家们知道，消除材料中的晶界是抵抗金属高温蠕变的有用方法。然而，一组研究人员开发了一种不同的策略，通过使用稳定的晶界网络来抑制蠕变。

有效防止金属部件失效的新策略

他们的发现发表在2022年11月10日的《科学》杂志上。

该团队的物业提升策略与传统策略有着根本的不同。“当晶界的结构松弛通过与临界晶粒尺寸以下的部分位错相互作用而触发时，晶界网络的行为可能会从根本上得到警觉，”中国科学院金属研究所教授李修岩说。使用他们的新方法，该团队获得了优于传统高温合金的前所未有的抗蠕变性。

蠕变是一个代价高昂的问题。大量材料和部件在高温下的失效归因于蠕变或其与其他降解过程的结合。这些故障每年花费数十亿美元来维修和更换先进设备中的零件。化工行业对更高燃料效率和更可靠的涡轮机、核反应堆和设备的需求持续增长。随着这种不断增长的需求，对改进先进合金的高温抗蠕变性的需求也在不断增长。

“用于高温应用的合金的传统开发主要依靠巧妙地添加各种合金元素来强化基体或界面，或形成强化沉淀物，”李说。“这种策略面临着性能改善有限、合金强化和成本上升的两难境地。”

晶界，晶体结构中的缺陷，是两种不同取向的晶体相遇的界面。尽管传统观点认为消除晶界以解决蠕变问题，但研究小组建议引入丰富的晶界以在金属中形成稳定的晶界网络，同时通过抑制原子扩散和高温硬化来抑制蠕变。采用这种方法的想法受到最近对金属晶界弛豫的研究的启发。

研究小组发现，晶界可用于在高温下强化合金，这与传统观念相反，它们总是在高温下削弱合金。众所周知，金属和合金中的晶界通常被认为是“弱成分”，因为它们在高温加载时可能会迁移或滑动。

“我们发现纳米晶单相合金中的晶界可以通过结构松弛有效地稳定，并且合金的蠕变性能在高温下显着增强，”李说。与传统的合金化方法不同，晶界松弛为提高高温应用合金的性能和性能提供了一种新颖且可持续的策略。

展望未来的研究，该团队看到了通过调整金属和合金中的晶界网络来提高稳定性的空间。“因此，这项研究的下一步是将这一原理扩展到其他用于高温应用的工程合金系列，包括镍基合金和钢，”李说。

该团队计划进行工艺开发，以进一步提高晶界网络的稳定性，并准备大尺寸样品以测量高温下的更多特性和性能。“最终，我们希望实现具有稳定晶界网络的高性能工程合金的工业应用，”李说。