高溫合金是航空發(fā)動機(jī)的重要結(jié)構(gòu)材料，也是我國研發(fā)新一代航空發(fā)動機(jī)的瓶頸所在。浙江大學(xué)科學(xué)家日前找到了在高溫合金中添加貴金屬“錸”的最佳位置，讓材料不易斷裂。

在浙江大學(xué)張澤院士的指導(dǎo)下，其團(tuán)隊的李吉學(xué)教授、余倩教授、丁青青博士與美國賓夕法尼亞州立大學(xué)陳龍慶教授合作，通過長時間的研究，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網(wǎng)的位錯核心。在這個關(guān)鍵的位置，錸能發(fā)揮一種特殊的作用，通過強(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。科研人員表示，通過對錸的研究及調(diào)節(jié)，能夠在更高溫度下保護(hù)飛機(jī)發(fā)動機(jī)的安全。

研究成果已發(fā)表在5月23日上線的金屬材料領(lǐng)域頂級期刊《Acta Materialia》。據(jù)了解，這是浙大電子顯微鏡中心首次通過材料結(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。

材料的薄弱環(huán)節(jié)在兩相界面，即兩種不同成分或不同結(jié)構(gòu)的接觸面。舉個常見的例子，河流結(jié)冰后，冰與水就會有一個兩相界面，一邊是固態(tài)一邊是液體，這個界面是極不穩(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，兩相界面中會形成致密的界面位錯網(wǎng)。

通過特定的熱處理，科研人員可以通過控制擴(kuò)散的手段，將錸有目的性的放到相關(guān)位置，進(jìn)而開展研究。課題組發(fā)現(xiàn)，當(dāng)把錸放置在界面位錯網(wǎng)的核心位置時，錸會很明顯地強(qiáng)化界面位錯網(wǎng)，進(jìn)而強(qiáng)化這個界面。界面強(qiáng)化后，兩相之間的“剪切”就會很困難，不易失效。

課題組依托浙大電鏡中心先進(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。專家們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。而在這“磚塊”與“縫”的界面位錯網(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?！爱?dāng)力的作用不斷加大，有錸的高溫合金也會出現(xiàn)裂紋，但裂痕生長在單相中呈現(xiàn)鋸齒形，延緩了快速開裂。”余倩說。

此前，人們已經(jīng)認(rèn)識到錸這種貴金屬是研發(fā)新一代高溫合金的關(guān)鍵元素，很多時候，判斷高溫合金代際就是看錸的含量。浙大科學(xué)家的一系列新發(fā)現(xiàn)讓我們對錸在高溫合金中的作用認(rèn)識更加深刻。

“可能這不是個時髦的研究，但卻有著重大的戰(zhàn)略意義。”就拿航空發(fā)動機(jī)來說，飛機(jī)起飛和降落時發(fā)動機(jī)葉片的服役溫度至少在1300℃以上，同時材料還會受到應(yīng)力的影響，幾乎沒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)展起來的一個重要材料。作為單晶的高溫合金還被稱為不被破壞的金屬材料。余倩坦言，在每一個國家高溫合金的研究都是高度保密的。這次研究的順利開展還得益于浙大新成立的材料科學(xué)與工程學(xué)院高溫合金研究所，研究所的目標(biāo)領(lǐng)域就是國家重大需求的高性能結(jié)構(gòu)材料。