Когда металл подвергается нагрузке намного ниже его предела текучести при повышенных температурах, может произойти процесс, известный как ползучесть. Ползучесть, зависящая от времени деформация материалов, является причиной большого количества отказов компонентов при высоких температурах. Ученым известно, что устранение границ зерен в материалах является полезным способом сопротивления ползучести металлов при высоких температурах. Однако группа исследователей разработала другую стратегию подавления ползучести с помощью стабильных сетей границ зерен.

Их выводы опубликованы в журнале Science 10 ноября 2022 года.

Стратегия команды по улучшению собственности принципиально отличается от традиционных стратегий. «Поведение сетей границ зерен может быть существенно предупреждено, когда структурная релаксация границ зерен запускается из-за их взаимодействия с частичными дислокациями ниже критического размера зерна», — сказал Ли Сюян, профессор Института исследований металлов Китайской академии наук. Используя свой новый метод, команда получила беспрецедентное сопротивление ползучести, которое превзошло показатели обычных суперсплавов.

Ползучесть — дорогостоящая проблема. Большое количество отказов материалов и деталей при высоких температурах связано с ползучестью или ее сочетанием с другими процессами деградации. Эти отказы ежегодно обходятся в миллиарды долларов на ремонт и замену деталей в передовых устройствах. Спрос на более высокую эффективность использования топлива и более надежные турбины, ядерные реакторы и устройства в химической промышленности продолжает расти. В связи с этим растущим спросом растет потребность в улучшении сопротивления ползучести при высоких температурах в современных сплавах.

«Традиционная разработка сплавов для высокотемпературных применений в первую очередь зависит от умелого добавления различных легирующих элементов для упрочнения матрицы или границ раздела или для формирования упрочняющих выделений», — сказал Ли. «Такая стратегия сталкивается с дилеммой ограниченного улучшения свойств при интенсификации легирования и повышенной стоимости».

Границы зерен, дефекты в кристаллической структуре , представляют собой границы раздела, где встречаются два кристалла, имеющие разную ориентацию. Хотя общепринятое мнение указывает на устранение границ зерен для решения проблемы ползучести, исследовательская группа предложила ввести обильные границы зерен для формирования стабильных сетей границ зерен в металле , чтобы предотвратить ползучесть путем одновременного подавления диффузии атомов и закалки при высоких температурах. Идея использовать этот подход была вдохновлена ​​недавними исследованиями релаксации границ зерен в металлах.

Команда обнаружила, что границы зерен можно использовать для упрочнения сплавов при повышенных температурах, вопреки общепринятому мнению , что они всегда ослабляют сплавы при высоких температурах. Известно, что границы зерен в металлах и сплавах обычно рассматриваются как «слабый компонент», так как они могут мигрировать или скользить при нагружении при повышенных температурах.

«Мы обнаружили, что границы зерен в нанозернистом однофазном сплаве можно эффективно стабилизировать за счет структурной релаксации, а характеристики ползучести сплава значительно улучшаются при повышенных температурах», — сказал Ли. В отличие от традиционного подхода к легированию, релаксация границ зерен предлагает новую и устойчивую стратегию улучшения свойств и характеристик сплавов для высокотемпературных применений.

В преддверии будущих исследований команда видит возможности для повышения стабильности за счет адаптации сетей границ зерен в металлах и сплавах. «Поэтому следующим шагом этого исследования является распространение этого принципа на другие семейства технических сплавов для высокотемпературных применений, включая сплавы и стали на основе никеля», — сказал Ли.

Команда планирует выполнить разработку обработки, чтобы еще больше повысить стабильность сетей границ зерен и подготовить образцы большого размера для измерения большего количества свойств и производительности при высоких температурах. «В конечном итоге мы надеемся реализовать промышленное применение высокоэффективных конструкционных сплавов со стабильной сетью границ зерен», — сказал Ли.