金屬材料在高溫下長期承受低于屈服強度的應力作用時會發生永久形變，通常稱為蠕變。蠕變會導致高溫金屬構件的變形失效，是高溫合金的重要性能指標。合金化和減少晶界（制備單晶）可提升高溫合金抗蠕變性能，但這帶來合金制備工藝復雜、成本高等問題。進一步提升高溫合金的抗蠕變性能面臨挑戰。 

　　常溫下，增加晶界是強化金屬材料的重要手段；而高溫下，晶界遷移、晶界滑動、晶界擴散等失穩機制會導致晶界軟化、晶界強化效應消失。此外，增加晶界密度會加劇晶界擴散（Coble）蠕變，合金晶粒尺寸越小，抗蠕變性能越差。如何有效提升熱-力-時間耦合作用下晶界的結構穩定性，進而抑制晶界高溫軟化和擴散蠕變成為長期以來材料領域的重大科學難題，也是發展高性能高溫合金的瓶頸。 

　　近期，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心納米金屬科學家工作室副研究員張寶兵、博士研究生唐贏廣、研究員李秀艷、研究員盧柯與武漢大學教授梅青松合作，利用自主研發的特種塑性變形技術，在一種商用單相高溫合金Ni-Co-Cr-Mo（MP35N）中將晶粒細化至9nm，晶界結構發生明顯弛豫。研究發現，弛豫態晶界在熱及熱/力耦合下均保持穩定，大幅提升了高溫合金的高溫強度、高溫蠕變等關鍵力學性能。該結構在700攝氏度、1GPa應力下的蠕變速率可低至10^-7s^-1，顯著優于目前常用多晶高溫合金以及單晶高溫合金的性能。這是由于弛豫晶界可有效抑制晶界擴散，阻礙了高溫下晶界遷移、晶界滑動、晶界擴散蠕變等失穩機制的啟動，從而保持了晶界的強化作用。晶界被普遍認為在高溫下是合金抗蠕變的“短板”，這一成果系統演示了通過結構弛豫，晶界可大幅提升高溫合金的抗蠕變性能。此外，這種晶界弛豫納米晶高溫合金可大幅降低對合金元素的依賴，為高性能高溫合金的可持續發展開辟了新道路。11月11日，相關研究成果發表在《科學》（Science）上。 

　　本研究是繼該團隊在金屬中發現弛豫晶界的反常熱穩定性（Science，2018）、受限晶體結構（Science，2020）以及受限晶體結構的抑制原子擴散效應（Science，2021）之后，利用晶界結構調控材料性能的又一突破，向著提升工程合金的使役行為方面邁出了重要一步。研究工作得到國家重點研發計劃、中科院的支持。 

　　論文鏈接 

圖1.具有弛豫晶界的納米晶MP35N合金的結構

圖2.具有弛豫晶界的納米晶MP35N合金的蠕變性能，以及與其他牌號高溫合金性能對比