納米金屬擁有優(yōu)異的低溫力學(xué)性能，但高溫抗蠕變變形性能卻很差。近來，科研人員研究出一種材料解決了這一難題。在小編看來，這篇文章提供了一種思想，同時也給出了一種可行的結(jié)構(gòu)。利用這種思想有望在未來成功解決高溫合金工業(yè)應(yīng)用中材料高溫蠕變性能差的難題。

在高溫條件下應(yīng)用的金屬材料需要有優(yōu)異的強度和抗蠕變性能，蠕變是指在長時間應(yīng)力作用下的變形。今天，鎳基高溫合金是在燃?xì)廨啓C受熱最強部分關(guān)鍵部件上應(yīng)用的關(guān)鍵材料。

 這主要歸因于它們在1100oC條件下應(yīng)用時的抗蠕變性能。這一溫度幾乎是其熔化溫度的90%。在過去的40多年時間里，這些高溫合金的應(yīng)用顯著減少了燃料的消耗，減少了它們對環(huán)境的影響。

 為了減少航空器燃料的消耗所帶來的環(huán)境變暖問題，尋找新的且比現(xiàn)有鎳基合金更耐高溫的輕質(zhì)金屬材料已經(jīng)成為****的挑戰(zhàn)。

 近來，Darling等人開發(fā)出了一種納米合金，它擁有極高的機械強度同時還有良好的抗高溫蠕變性能。納米金屬及合金由極小的晶粒構(gòu)成，晶粒的尺寸通常小于100納米。

 鑒于這種結(jié)構(gòu)，納米材料在低溫條件下?lián)碛袃?yōu)異的機械性能。然而，這種材料的抗蠕變性能較差已經(jīng)制約了其在高溫領(lǐng)域的應(yīng)用。

 Darling和他的同事們開發(fā)的納米合金基于一個由平均晶粒尺寸為50納米的銅合金晶粒。他們在銅合金納米晶粒的晶界上引入了金屬鉭納米粒子，其尺寸在3至32納米。

圖1 納米合金材料抗蠕變特性。Darling等人構(gòu)建了一種納米晶合金材料，這種材料擁有較高的高溫抗蠕變性能。a.合金內(nèi)的晶粒由晶界分開。b.當(dāng)長期在應(yīng)力作用下，銅原子擴散到新的位置，增加了晶粒的尺寸。c.研究人員在晶界上填加了坦顆粒。當(dāng)長期在應(yīng)力作用下，晶粒的尺寸不再顯著增加，合金擁有了更好的抗蠕變性能。

 為了制備這種材料銅合金和鉭顆粒首先在低溫下，約-196oC進行機械研磨4個小時，制備達(dá)到預(yù)期目標(biāo)顆粒尺寸的粉末。

 隨后，粉末被送入一個通道，通道溫度700oC，制備合金桿，稱為坯料。研發(fā)人員隨后重復(fù)最后一個工藝步驟4次，這導(dǎo)致在合金內(nèi)部產(chǎn)生嚴(yán)重的塑性變形。最后，坯料在這種工藝下被延長了460%，保證具有超細(xì)的晶粒尺寸。

 這種材料超強的抗蠕變性能主要來自于其微觀組織結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，鉭顆粒能夠穩(wěn)定晶界，阻礙晶界在高溫條件下在應(yīng)力的作用下移動到新的位置。

 研究人員發(fā)現(xiàn)蠕變發(fā)生的速率比大多數(shù)其它納米晶金屬低6至8個數(shù)量級，這意味著在耐久性方面實現(xiàn)了極大的提升。

 然而，目前這種金屬還很難替代現(xiàn)有的鎳基合金材料，因為它只有在極低的溫度下才具有極高的機械強度和抗蠕變性能，但是這種材料的出現(xiàn)為解決高溫蠕變問題打開了一扇大門，前提是幾個關(guān)鍵問題可以得到解決。

 要解決的首要問題是制備流程，尤其是航空工業(yè)領(lǐng)域，需要極其穩(wěn)定的生產(chǎn)工藝。第二個重要問題是抗氧化。另外就是高溫工業(yè)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。

 增加材料內(nèi)部的晶界含量雖然能夠起到抗氧化的作用，但是它極大地增加了晶界的遷移速率。然而，作為納米晶材料，如果能在其表面上快速形成一層致密的氧化膜層可以保護金屬免受氧化。

這個可以通過使用鋁和鉻實現(xiàn)，這些材料可以極大地提高金屬抵抗環(huán)境侵蝕性能。此外，需要開發(fā)一種特殊的涂層保護納米材料。這種涂層從成分上應(yīng)與基體納米材料是相容的，也需要含有較高的鋁和鉻等元素，以便保證具有優(yōu)異的抗氧化性能和耐蝕性。

 最后，為了能夠在上述的燃汽輪機零件上應(yīng)用，研究人員需要保持納米材料在600oC以上的溫度條件下使之具有極高的強度以及抗蠕變性能。

 取代銅，晶粒應(yīng)該由鎳或鈷制成，這些金屬具有更高的熔點，同時在較高的溫度具有更高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。合金的蠕變性能可能要達(dá)到現(xiàn)今使用的鎳基合金的水平，同時應(yīng)具有更高的機械強度。

 這種更高的機械強度將允許承載部件更小，也因此在重量上得到極大的減輕，提高燃汽輪機的效率并減少燃料消耗。