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前沿科学动态|浙大:Acta Mater. 界面强化使材料不易断裂

2018年05月25日 08:52  点击:[]

高温合金是航空发动机的重要结构材料,也是我国研发新一代航空发动机的瓶颈所在。近日,浙江大学研究人员发现高温合金中贵金属“铼”的最佳添加位置是界面位错网的位错核心。在这个关键的位置,铼能发挥一种特殊的作用,通过强化界面强度使材料不易断裂,进而促进材料性能优化。这项研究成果发表在近日上线的金属材料领域顶级期刊《Acta Materialia》。这篇论文也成为高温合金研究领域最高水平的科研论文之一。

论文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645418303859

本工作的研究对象为航空发动机的重要战略结构材料——镍基高温合金。新一代高温合金相较于前,最大的差异就是元素“铼”(Re)。科研人员依托浙江大学电镜中心的球差校正电镜首次从原子层面“看清了”铼元素在高温合金中的分布,这也是该研究的创新点之一。

图1 相界面位错核原子结构图和成分分析。(a) 界面位错核的高分辨HAADF-STEM图。(b) (a)图中位错核的γ相形成元素Re, Cr, Co和Mo的分布EDS图。

而依托原位电镜,浙大科研人员还对铼发生作用的过程有了清楚的了解,并将材料性能和结构进行关联研究。将这些研究方式结合起来用于高温合金的研究,在国际上还是第一次实现。

材料断裂是航空发动机损毁的致命原因。而断裂往往是由裂纹造成的。防止裂纹发生和裂纹发生后的快速生长,就成了决定材料强度的关键一环。材料的软肋在哪里?就在两相界面!在高温合金中,两相界面中会形成致密的界面位错网。通过特定的热处理,科研人员可以通过控制扩散的手段,将铼有目的性的放到相关位置,进而开展研究。本课题组发现,当把铼放置在界面位错网的核心位置时,铼会很明显地强化界面位错网,进而强化这个界面。界面强化后,两相之间的“剪切”就会很困难,不易失效。为什么会有这样神奇的效果呢?

图2 热处理条件不同的样品A-F中界面位错核Re浓度统计结果(统计样本均约50个)。 图片右上角为热处理过程和对应样品平均Re浓度。

他们进一步研究发现,界面错位网上铼的存在让界面变得非常稳固,进而让材料中的裂纹不易贯穿。“当力的作用不断加大,有铼的高温合金也会出现裂纹,但裂痕生长在单相中呈现锯齿形,延缓了快速开裂。”在相同作用力下,界面位错网上没有铼时,材料容易出现裂纹,而且没有了阻挡,裂纹会呈直线型快速生长,贯穿整个材料,从而导致断裂。


图3 相界面位错网含Re量不同的样品A(左列)和样品C(右列)中的位错行为。(a,b) 原位TEM拉伸试验截图。样品A中位错直接穿过相界面位错网,而样品C中位错无法穿过相界面形成锯齿状滑移带。(c, d) (a)图和(b)图中区域的低倍STEM图(左)和清晰显示γ/γ´相界面的Cr元素分布图(右)。样品A为直裂纹,而样品C中为锯齿状裂纹。


图4 相界面位错网含Re量不同的样品A(左列)和样品C(右列)在750°C沿[001]方向拉伸断裂后的SEM图。 (a, b) 样品A和C断裂后的裂纹。(c, d) 样品A和C表面的滑移带。

浙江大学电子显微镜中心主任张泽院士一直非常重视结构材料的研究,特别是国家发展重大需求的战略材料。李吉学是浙大求是特聘教授,是浙大电镜中心最资深的建造者之一。余倩于2014年加盟浙江大学,成为当时学校最年轻的博士生导师。近年来她一直从事传统金属的研究,“可能这不是个时髦的研究,但却有着重大的战略意义。”

课题组的这项研究可以说是研究所成立后的第一项重要成果,在航空发动机高温材料领域发出了浙江大学的声音。本课题受到国家基金委的资助。                                  (文 柯溢能 吴雅兰)




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