錸，錸，錸！速來圍觀這個航空發動機新型材料

新聞 05-26

科技日報記者江耘通訊員柯溢能吳雅蘭

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。

在浙江大學張澤院士的指導下，其團隊的李吉學教授，余倩教授，丁青青博士與美國賓夕法尼亞州立大學陳龍慶教授合作，通過長時間的研究，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。

科研人員表示，通過對錸的研究及調節，能夠在更高溫度下保護飛機發動機的安全。

「火眼金睛」看清高溫合金

此次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。雖然這是國外已經發明的材料，但還有許多未被揭示的原理。

新一代高溫合金相較於前，最大的差異就是元素「錸」（Re），這是一種在地球上稀缺的貴金屬。「很多時候，判斷高溫合金代際就是看錸的含量，具體的表徵就在於服役溫度的提高。」浙江大學教授余倩解釋道。

科研人員依託浙江大學電鏡中心先進的科研設備，首次從原子層面「看清了」錸元素在高溫合金中的分布，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的分布EDS圖.

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了解，並將材料性能和結構進行關聯研究。先前國際上通用的研究方法為「離位研究」。「這種就好像法醫的屍檢，是一種事後的研究，有一些過程沒法還原。」余倩介紹。

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。

直達軟肋築起牢固「隔離帶」

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，如何防止裂紋發生和裂紋發生後如何阻止它快速生長，就成了決定材料強度的關鍵一環。

那麼，材料的軟肋在哪裡？就在兩相界面！

兩相界面簡單地說就是接觸面，一般而言，是材料中的薄弱環節。舉個常見的例子，河流結冰後，冰與水就會有一個兩相界面，一邊是固態一邊是液體，這個界面是極不穩定的。

金屬材料的兩相界面稍有不同，界面兩邊都是固態的，只是兩邊是由不同成分或是由不同結構組成。而在高溫合金中，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。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

透過現象看本質。浙大科學家看到清晰的圖案如同我們生活中的磚塊牆，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」的界面位錯網上，課題組找到了大量的錸。

他們進一步研究發現，界面錯位網上錸的存在讓「磚塊」間的「縫」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元素分布圖（右）. 樣品A為直裂紋，而樣品C中為鋸齒狀裂紋.