高溫合金是航空發(fā)動機的重要結構材料，也是我國研發(fā)新一代航空發(fā)動機的瓶頸所在。浙江大學科學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(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。在這個關鍵的位置，錸能發(fā)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(yōu)化?？蒲腥藛T表示，通過對錸的研究及調(diào)節(jié)，能夠在更高溫度下保護飛機發(fā)動機的安全。

研究成果已發(fā)表在5月23日上線的金屬材料領域頂級期刊《Acta Materialia》。據(jù)了解，這是浙大電子顯微鏡中心首次通過材料結構和性能的同步研究，將科研工作延伸到發(fā)動機戰(zhàn)略材料研究領域。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。

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構的接觸面。舉個常見的例子，河流結冰后，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構組成。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(fā)現(xiàn)，當把錸放置在界面位錯網(wǎng)的核心位置時，錸會很明顯地強化界面位錯網(wǎng)，進而強化這個界面。界面強化后，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。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，進而讓材料中的裂紋不易貫穿?！爱斄Φ淖饔貌粩嗉哟?，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?！庇噘徽f。

此前，人們已經(jīng)認識到錸這種貴金屬是研發(fā)新一代高溫合金的關鍵元素，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?！本湍煤娇瞻l(fā)動機來說，飛機起飛和降落時發(fā)動機葉片的服役溫度至少在1300℃以上，同時材料還會受到應力的影響，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與工程學院高溫合金研究所，研究所的目標領域就是國家重大需求的高性能結構材料。