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“铼”,强力加固裂纹生长的“隔离带”

浙大一科研成果为航空发动机材料强度加码

发布时间:2018-05-30来源:浙大新闻办作者:柯溢能 吴雅兰浏览次数:1887

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,在中国浙江大学张泽院士的指导下,其团队的李吉学教授、余倩教授、丁青青博士与美国宾夕法尼亚州立大学的陈龙庆教授合作,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。科研人员表示,通过对铼的研究及调节,能够在更高温度下保护飞机发动机的安全。

这项研究成果发表在523日上线的金属材料领域顶级期刊《Acta Materialia》。这是电镜中心首次通过材料结构和性能的同步研究,将科研工作延伸到发动机战略材料研究领域,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。

火眼金睛”看清高温合金

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。虽然这是国外已经发明的材料,但还有许多未被揭示的原理。

新一代高温合金相较于前,最大的差异就是元素“铼”(Re),这是一种在地球上稀缺的贵金属,“很多时候,判断高温合金代际就是看铼的含量,具体的表征就在于服役温度的提高。”

科研人员依托浙江大学电镜中心先进的科研设备,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。课题组通过球差校正电镜,在放大百万倍后,看到了铼的分布。“之前由于设备的限制,科研人员对微观结构的了解还不是很细致,近年来随着科技的发展,设备分辨率越来越高。比如我们电镜中心的这套设备就是最近几年新添置的,达到国际领先水平 。”浙江大学电镜中心现有的技术,能够将性能与结构直接关联,串联起理论和制造两端,可以发现前人没有理解到的奥秘。

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。先前国际上通用的研究方法为“离位研究”。“这种就好像法医的尸检,是一种事后的研究,有一些过程没法还原。”科研人员介绍。

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。

直达软肋筑起牢固“隔离带”

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。如何防止裂纹发生和裂纹发生后如何阻止它快速生长,就成了决定材料强度的关键一环。

那么,材料的软肋在哪里?就在两相界面!

两相界面简单地说就是接触面,一般而言,是材料中的薄弱环节。举个常见的例子,河流结冰后,冰与水就会有一个两相界面,一边是固态一边是液体,这个界面是极不稳定的。金属材料的两相界面稍有不同,界面两边都是固态的,只是两边是由不同成分或是由不同结构组成。而在高温合金中,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?

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


透过现象看本质。浙大科学家看到清晰的图案如同我们生活中的砖块墙,不同的晶体间由水泥一样的“缝”粘连。这些“缝”就像隔离带一样,可以有效阻止裂纹的生长。而在这“砖块”与“缝”的界面位错网上,课题组找到了大量的铼。

他们进一步研究发现,界面错位网上铼的存在让“砖块”间的“缝”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。

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

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


在战略材料领域首次“发声”

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。”

就拿航空发动机来说航空发动机高温合金的服役温度均在千度以上,同时材料还会受到应力的影响,几乎没有材料能完全胜任这样苛刻的工作条件。而高温合金是近几十年发展起来的一个重要材料。作为单晶的高温合金还被称为不被破坏的金属材料。

这次研究的顺利开展还得益于浙江大学新成立的材料科学与工程学院高温合金研究所。“研究所从2014年开始筹备,期间得到了很多单位的大力支持,今年5月正式成立。研究所的目标领域就是国家重大需求的高性能结构材料,我也得以进入战略材料研究领域。”

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)