高溫合金是航空發動機的重要結構材料，也是我國研發新一代航空發動機的瓶頸所在。近日，浙江大學研究人員發現
高溫合金中貴金屬“錸”的最佳添加位置是界面位錯網的位錯核心。在這個關鍵的位置，錸能發揮一種特殊的作用，通過強化界面強度使材料不易斷裂，進而促進材料性能優化。這項研究成果發表在近日上線的金屬材料領域頂級期刊《Acta Materialia》。這篇論文也成為高溫合金研究領域最高水平的科研論文之一。論文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645418303859
本工作的研究對象為航空發動機的重要戰略結構材料——鎳基高溫合金。新一代高溫合金相較於前，最大的差異就是元素“錸”（Re）。科研人員依託浙江大學電鏡中心的球差校正電鏡，首次從原子層面“看清了”錸元素在高溫合金中的分佈，這也是該研究的創新點之一。
圖1 相界面位錯核原子結構圖和成分分析。(a) 界面位錯核的高分辨HAADF-STEM圖。(b) (a)圖中位錯核的γ相形成元素Re, Cr, Co和Mo的分佈EDS圖。
而依託原位電鏡，浙大科研人員還對錸發生作用的過程有了清楚的瞭解，並將材料性能和結構進行關聯研究。將這些研究方式結合起來用於高溫合金的研究，在國際上還是第一次實現。
材料斷裂是航空發動機損毀的致命原因。而斷裂往往是由裂紋造成的。防止裂紋發生和裂紋發生後的快速生長，就成了決定材料強度的關鍵一環。材料的軟肋在哪裡？就在兩相界面！在高溫合金中，兩相界面中會形成緻密的界面位錯網。通過特定的熱處理，科研人員可以通過控制擴散的手段，將錸有目的性的放到相關位置，進而開展研究。本課題組發現，當把錸放置在界面位錯網的核心位置時，錸會很明顯地強化界面位錯網，進而強化這個界面。界面強化後，兩相之間的“剪切”就會很困難，不易失效。為什麼會有這樣神奇的效果呢？
圖2 熱處理條件不同的樣品A-F中界面位錯核Re濃度統計結果（統計樣本均約50個）。 圖片右上角為熱處理過程和對應樣品平均Re濃度。
他們進一步研究發現，界面錯位網上錸的存在讓界面變得非常穩固，進而讓材料中的裂紋不易貫穿。“當力的作用不斷加大，有錸的高溫合金也會出現裂紋，但裂痕生長在單相中呈現鋸齒形，延緩了快速開裂。”在相同作用力下，界面位錯網上沒有錸時，材料容易出現裂紋，而且沒有了阻擋，裂紋會呈直線型快速生長，貫穿整個材料，從而導致斷裂。
圖3 相界面位錯網含Re量不同的樣品A（左列）和樣品C（右列）中的位錯行為。(a,b) 原位TEM拉伸試驗截圖。樣品A中位錯直接穿過相界面位錯網，而樣品C中位錯無法穿過相界面形成鋸齒狀滑移帶。(c, d) (a)圖和(b)圖中區域的低倍STEM圖（左）和清晰顯示γ/γ´相界面的Cr元素分佈圖（右）。樣品A為直裂紋，而樣品C中為鋸齒狀裂紋。
圖4 相界面位錯網含Re量不同的樣品A（左列）和樣品C（右列）在750°C沿[001]方向拉伸斷裂後的SEM圖。 (a, b) 樣品A和C斷裂後的裂紋。(c, d) 樣品A和C表面的滑移帶。
浙江大學電子顯微鏡中心主任張澤院士一直非常重視結構材料的研究，特別是國家發展重大需求的戰略材料。李吉學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。餘倩於2014年加盟浙江大學，成為當時學校最年輕的博士生導師。近年來她一直從事傳統金屬的研究，“可能這不是個時髦的研究，但卻有著重大的戰略意義。”
課題組的這項研究可以說是研究所成立後的第一項重要成果，在航空發動機高溫材料領域發出了浙江大學的聲音。本課題受到國家基金委的資助。（文 柯溢能 吳雅蘭）
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