新型納米金屬有望大幅提升高溫合金抗蠕變性能

2017-2-8 9:14:19      點(diǎn)擊：

納米金屬擁有優(yōu)異的低溫力學(xué)性能，但高溫抗蠕變變形性能卻很差。近來，科研人員研究出一種材料解決了這一難題。在小編看來，這篇文章提供了一種思想，同時(shí)也給出了一種可行的結(jié)構(gòu)。利用這種思想有望在未來成功解決高溫合金工業(yè)應(yīng)用中材料高溫蠕變性能差的難題。


在高溫條件下應(yīng)用的金屬材料需要有優(yōu)異的強(qiáng)度和抗蠕變性能，蠕變是指在長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)力作用下的變形。今天，鎳基高溫合金是在燃?xì)廨啓C(jī)受熱最強(qiáng)部分關(guān)鍵部件上應(yīng)用的關(guān)鍵材料。

 這主要?dú)w因于它們?cè)?/span>1100oC條件下應(yīng)用時(shí)的抗蠕變性能。這一溫度幾乎是其熔化溫度的90%。在過去的40多年時(shí)間里，這些高溫合金的應(yīng)用顯著減少了燃料的消耗，減少了它們對(duì)環(huán)境的影響。

 為了減少航空器燃料的消耗所帶來的環(huán)境變暖問題，尋找新的且比現(xiàn)有鎳基合金更耐高溫的輕質(zhì)金屬材料已經(jīng)成為****的挑戰(zhàn)。

 近來，Darling等人開發(fā)出了一種納米合金，它擁有極高的機(jī)械強(qiáng)度同時(shí)還有良好的抗高溫蠕變性能。納米金屬及合金由極小的晶粒構(gòu)成，晶粒的尺寸通常小于100納米。

 鑒于這種結(jié)構(gòu)，納米材料在低溫條件下?lián)碛袃?yōu)異的機(jī)械性能。然而，這種材料的抗蠕變性能較差已經(jīng)制約了其在高溫領(lǐng)域的應(yīng)用。

 Darling和他的同事們開發(fā)的納米合金基于一個(gè)由平均晶粒尺寸為50納米的銅合金晶粒。他們?cè)阢~合金納米晶粒的晶界上引入了金屬鉭納米粒子，其尺寸在3至32納米。

 


圖1 納米合金材料抗蠕變特性。Darling等人構(gòu)建了一種納米晶合金材料，這種材料擁有較高的高溫抗蠕變性能。a.合金內(nèi)的晶粒由晶界分開。b.當(dāng)長(zhǎng)期在應(yīng)力作用下，銅原子擴(kuò)散到新的位置，增加了晶粒的尺寸。c.研究人員在晶界上填加了坦顆粒。當(dāng)長(zhǎng)期在應(yīng)力作用下，晶粒的尺寸不再顯著增加，合金擁有了更好的抗蠕變性能。

 為了制備這種材料銅合金和鉭顆粒首先在低溫下，約-196oC進(jìn)行機(jī)械研磨4個(gè)小時(shí)，制備達(dá)到預(yù)期目標(biāo)顆粒尺寸的粉末。

 隨后，粉末被送入一個(gè)通道，通道溫度700oC，制備合金桿，稱為坯料。研發(fā)人員隨后重復(fù)最后一個(gè)工藝步驟4次，這導(dǎo)致在合金內(nèi)部產(chǎn)生嚴(yán)重的塑性變形。最后，坯料在這種工藝下被延長(zhǎng)了460%，保證具有超細(xì)的晶粒尺寸。

 這種材料超強(qiáng)的抗蠕變性能主要來自于其微觀組織結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，鉭顆粒能夠穩(wěn)定晶界，阻礙晶界在高溫條件下在應(yīng)力的作用下移動(dòng)到新的位置。

 研究人員發(fā)現(xiàn)蠕變發(fā)生的速率比大多數(shù)其它納米晶金屬低6至8個(gè)數(shù)量級(jí)，這意味著在耐久性方面實(shí)現(xiàn)了極大的提升。

 然而，目前這種金屬還很難替代現(xiàn)有的鎳基合金材料，因?yàn)樗挥性跇O低的溫度下才具有極高的機(jī)械強(qiáng)度和抗蠕變性能，但是這種材料的出現(xiàn)為解決高溫蠕變問題打開了一扇大門，前提是幾個(gè)關(guān)鍵問題可以得到解決。

 要解決的首要問題是制備流程，尤其是航空工業(yè)領(lǐng)域，需要極其穩(wěn)定的生產(chǎn)工藝。第二個(gè)重要問題是抗氧化。另外就是高溫工業(yè)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。

 增加材料內(nèi)部的晶界含量雖然能夠起到抗氧化的作用，但是它極大地增加了晶界的遷移速率。然而，作為納米晶材料，如果能在其表面上快速形成一層致密的氧化膜層可以保護(hù)金屬免受氧化。

這個(gè)可以通過使用鋁和鉻實(shí)現(xiàn)，這些材料可以極大地提高金屬抵抗環(huán)境侵蝕性能。此外，需要開發(fā)一種特殊的涂層保護(hù)納米材料。這種涂層從成分上應(yīng)與基體納米材料是相容的，也需要含有較高的鋁和鉻等元素，以便保證具有優(yōu)異的抗氧化性能和耐蝕性。

 最后，為了能夠在上述的燃汽輪機(jī)零件上應(yīng)用，研究人員需要保持納米材料在600oC以上的溫度條件下使之具有極高的強(qiáng)度以及抗蠕變性能。

 取代銅，晶粒應(yīng)該由鎳或鈷制成，這些金屬具有更高的熔點(diǎn)，同時(shí)在較高的溫度具有更高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。合金的蠕變性能可能要達(dá)到現(xiàn)今使用的鎳基合金的水平，同時(shí)應(yīng)具有更高的機(jī)械強(qiáng)度。

 這種更高的機(jī)械強(qiáng)度將允許承載部件更小，也因此在重量上得到極大的減輕，提高燃汽輪機(jī)的效率并減少燃料消耗。