Nature Communications 

成功開發(fā)可3D打印的抗缺陷、高性能高溫合金

基于金屬的增材制造（AM）或三維（3D）打印已使具有近終型的金屬部件的制造成為可能，而這些幾何部件具有通過常規(guī)制造技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的最佳幾何形狀。提高設(shè)計(jì)靈活性已引起人們對(duì)3D打印方法的極大興趣。但是，目前僅數(shù)量極少的合金可適應(yīng)金屬基增材制造，由于該過程中存在復(fù)雜熱環(huán)境。金屬增材制造基本上是重復(fù)的焊接過程，使用定向能源來局部熔化和焊合材料。因此，用于AM的候選材料傾向于是可焊接合金，它們不易受到液相中的開裂機(jī)制（如液化開裂或熱撕裂）或固相應(yīng)力的影響，例如，應(yīng)變時(shí)效裂紋和延性傾斜裂紋。

由于鎳基高溫合金在高溫下具有出色的力學(xué)性能，因此成為飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)組件的首選材料。高γ？體積分?jǐn)?shù)的Ni基高溫合金，高強(qiáng)度鋁合金和耐火合金在內(nèi)的高性能工程合金的開裂敏感性，代表了在關(guān)鍵應(yīng)用中將這些合金用于增材制造組件的主要障礙。對(duì)于在較低溫度下使用的合金（例如高強(qiáng)度鋁合金），通過粉末表面的功能化控制熔池中的晶粒成核可以緩解開裂問題。然而，這導(dǎo)致晶粒尺寸小，這對(duì)于高溫操作是不利的。

在此，加利福尼亞大學(xué)圣塔芭芭拉分校、美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室以及卡朋特科技公司（卡本特科技公司）開發(fā)了一種可通過選擇性激光熔化（SLM）和電子束熔化（EBM）進(jìn)行加工的CoNi基高溫合金，可產(chǎn)生無(wú)裂紋的組件。凝固過程中溶質(zhì)的低偏析降低了液體介導(dǎo)的開裂敏感性，降低的γ？固溶溫度可在凝固完成后緩解開裂。室溫拉伸試驗(yàn)表明，與目前正在研究AM的其他Ni基高溫合金相比，CoNi基高溫合金具有出色的延展性和強(qiáng)度的組合。

文獻(xiàn)鏈接：A defect-resistant Co–Ni superalloy for 3D printing，Nature Communications，2020

https://doi.org/10.1038/s41467-020-18775-0

鈧硅團(tuán)簇對(duì)Al-Sc合金時(shí)效硬化行為的影響

近二十年來，人們對(duì)鈧（Sc）作為一種合金元素在鋁合金中的潛力的研究越來越感興趣。過飽和Al-Sc合金在時(shí)效過程中形成有序的L12納米級(jí)Al3Sc析出相，具有顯著的強(qiáng)化和抑制再結(jié)晶作用。Si是鋁合金中常見的雜質(zhì)或合金元素，因此進(jìn)行了許多研究來研究Si對(duì)Al3Sc的析出和時(shí)效硬化效果的影響。早期的研究表明，Si對(duì)Al-Sc合金的沉淀硬化有負(fù)面影響。結(jié)果表明，在Al-Sc合金中加入Si后，由于Al3Sc的不連續(xù)和/或連續(xù)析出量的增加，在凝固后冷卻過程中，粗大共晶Al3Sc析出相不連續(xù)析出，隨著Si含量的增加，鑄態(tài)顯微硬度增加。除Al3Sc外，據(jù)報(bào)道在Al-Sc-Si合金中形成了四方Sc2AlSi2金屬間化合物，即V相。降低了增強(qiáng)納米級(jí)Al3Sc析出物的體積分?jǐn)?shù)，并且可以通過限制非常純的Al-Sc合金中的Si濃度（<0.08 at%）來避免。

為了闡明Sc-Si團(tuán)簇在Al-Sc和Al-Sc-Zr合金沉淀硬化中的作用，北京工業(yè)大學(xué)的研究人員采用顯微硬度和透射電鏡研究了Si添加量在0.05%～0.30%范圍內(nèi)對(duì)Al-0.12Sc和Al-0.12Sc-0.2Zr（wt.%）時(shí)效硬化行為的影響。結(jié)果表明0.15%的Si含量是最佳的，并且在早期時(shí)效階段形成的Sc-Si團(tuán)簇阻礙了Al3Sc的演化過程。

文獻(xiàn)鏈接：The influence of Sc–Si clusters on aging hardening behavior of dilute Al-Sc-（Zr）-（Si） alloy，Journal of Alloys and Compounds，2020

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0925838820321903

金屬連接體涂層材料領(lǐng)域取得系列進(jìn)展

作為金屬連接體涂層，尖晶石型氧化物層廣泛用于固體氧化物燃料電池（SOFC）中，具有負(fù)溫度系數(shù)電阻特性，其導(dǎo)電性取決于小極化子躍遷導(dǎo)電機(jī)制。元素Cu摻雜可取代MnCo2O4尖晶石A位或B位上的陽(yáng)離子，促進(jìn)低價(jià)態(tài)Mn2+、Mn3+向高價(jià)態(tài)Mn3+、Mn4+轉(zhuǎn)變，增加電子電導(dǎo)率，降低離子缺陷濃度并抑制氧離子向內(nèi)擴(kuò)散。

運(yùn)用高能微弧合金化技術(shù)，制備了多類微晶尖晶石型氧化物涂層，并進(jìn)行了對(duì)比研究。研究表明：經(jīng)750℃長(zhǎng)時(shí)間氧化后，Cu-Mn涂層仍具有較低的接觸電阻值。Cu摻雜的Co-Mn涂層可以有效抑制Fe、Cr元素的外擴(kuò)散。長(zhǎng)時(shí)間氧化后Cu摻雜的Co-Mn超細(xì)晶涂層的面比電阻值略低于Cu-Mn涂層，展現(xiàn)了良好的綜合性能。

文獻(xiàn)鏈接：https://doi.org/10.1016/j.corsci.2020.108738

Nature Communications

鎳基新超導(dǎo)體機(jī)理研究取得重要進(jìn)展

銅氧化物超導(dǎo)體自從1986年被發(fā)現(xiàn)以來，其超導(dǎo)機(jī)理一直被本領(lǐng)域科學(xué)家高度關(guān)注。具有庫(kù)侖排斥的兩個(gè)電子，為什么在高達(dá)160多開爾文（約等于零下113度）下仍然能夠相互吸引形成電子配對(duì)，并凝聚成為宏觀的量子相干態(tài)，這是橫亙?cè)谀蹜B(tài)物理領(lǐng)域的一個(gè)重大科學(xué)問題。

超導(dǎo)體內(nèi)部的單粒子激發(fā)需要一定的能量即為超導(dǎo)能隙，這也是超導(dǎo)態(tài)為什么能夠在一定溫度下穩(wěn)定存在的原因。而兩個(gè)電子形成配對(duì)的內(nèi)在因素直接決定著超導(dǎo)能隙函數(shù)的表現(xiàn)形式。因此探測(cè)非常規(guī)超導(dǎo)體的機(jī)理問題的首要任務(wù)是知道超導(dǎo)能隙的函數(shù)形式。就鎳基超導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)而言，得到Nd1-xSrxNiO2超導(dǎo)薄膜樣品似乎比較困難，因此國(guó)際上關(guān)于Nd1-xSrxNiO2薄膜的相關(guān)實(shí)驗(yàn)還不是很多，許多實(shí)驗(yàn)并不能直接反映超導(dǎo)的能隙函數(shù)。

最近，南京大學(xué)聞海虎團(tuán)隊(duì)和聶越峰、潘曉晴團(tuán)隊(duì)通力合作，成功在Nd1-xSrxNiO2超導(dǎo)薄膜樣品中測(cè)量到高質(zhì)量的掃描隧道譜，證明了Nd1-xSrxNiO2中存在兩類超導(dǎo)能隙，一類是V型隧道譜即典型的d波超導(dǎo)能隙，能隙最大值為3.9meV，這一點(diǎn)與銅氧化物超導(dǎo)體及其類似；而另一類是完全能隙形式（full gap）的隧道譜，能隙值為2.35meV，這一點(diǎn)又與銅氧化物不一致，而與鐵基超導(dǎo)體相似。聶越峰實(shí)驗(yàn)組利用分子束外延（MBE）技術(shù)制備出高質(zhì)量的Nd1-xSrxNiO3 （113）薄膜及具有初步超導(dǎo)轉(zhuǎn)變的Nd1-xSrxNiO2 （112）薄膜，聞海虎小組進(jìn)行了后續(xù)的氫化處理，進(jìn)一步優(yōu)化了Nd1-xSrxNiO2 （112）鎳基薄膜的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度及表面平整度，這是實(shí)驗(yàn)?zāi)軌颢@得成功的關(guān)鍵因素之一。這一結(jié)果揭示了Nd1-xSrxNiO2超導(dǎo)體的能隙函數(shù)，發(fā)現(xiàn)與銅氧化物之間既有相似之點(diǎn)也有不同之處，并為接下來繼續(xù)對(duì)鎳基超導(dǎo)體開展深入研究奠定了堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

文獻(xiàn)鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-19908-1

Acta Mater 

單晶高溫合金不同晶面的雜晶形成

鎳基單晶高溫合金因其在高溫下的優(yōu)異性能而被用作航空發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)的葉片。然而，單晶葉片在高溫高壓及復(fù)雜燃燒室條件下可能產(chǎn)生各種形式的表面損傷。

近期，西北工業(yè)大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院相變物理及新材料實(shí)驗(yàn)室通過關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)與理論計(jì)算相結(jié)合的方式系統(tǒng)地研究了單晶高溫合金在不同晶面的雜晶形成能力。該項(xiàng)研究工作利用激光重熔技術(shù)對(duì)（001）、（011）和（111）晶面上的雜晶形成能力進(jìn)行了對(duì)比研究。結(jié)果表明，基體取向?qū)Γ?11）面和（111）面上的雜晶形成有顯著影響，但對(duì)（001）面的影響較小；這三個(gè)晶面表現(xiàn)出不同的CET能力，對(duì)雜晶形成的抵抗能力以（111） < （001） < （011）的順序在增強(qiáng)；為避免單晶高溫合金激光重熔或激光修復(fù)過程中出現(xiàn)雜晶，選擇（011）晶面上的[01-1]激光掃描方向是最佳選擇； 除了激光功率、掃描速度和送粉速率之外，基體取向也將作為一個(gè)可調(diào)節(jié)的參數(shù)，可在加工過程中使用，以避免雜晶的形成。綜上，該研究系統(tǒng)地研究了單晶高溫合金在不同晶面的雜晶形成能力，并通過理論計(jì)算闡明了基體取向?qū)τ陔s晶形成能力的潛在機(jī)制。

文獻(xiàn)鏈接：A comparable study on stray grain susceptibilities on different crystallographic planes in single crystal superalloys，Acta Materialia，2020

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.116558

高強(qiáng)超細(xì)層狀結(jié)構(gòu)金屬材料穩(wěn)定性獲重大突破

金屬在經(jīng)過高應(yīng)變和超高應(yīng)變塑性變形之后，微觀結(jié)構(gòu)通常表現(xiàn)出層狀形態(tài)，并且在亞微米和納米范圍內(nèi)具有層狀邊界間距。由于其超高強(qiáng)度，過去的20年對(duì)這種超細(xì)層狀結(jié)構(gòu)金屬進(jìn)行了廣泛的研究。這種由變形引起的超細(xì)結(jié)構(gòu)中存儲(chǔ)的能量非常高，為恢復(fù)和再結(jié)晶提供了很大的驅(qū)動(dòng)力。因此，這些超細(xì)層狀結(jié)構(gòu)金屬通常缺乏熱穩(wěn)定性。目前已經(jīng)使用幾種方法來穩(wěn)定超細(xì)結(jié)構(gòu)，例如固溶體，邊界偏析和沉淀物。在熱處理過程中，這些穩(wěn)定化因子本身可以動(dòng)態(tài)地改變，如第二相粒子的析出和溶解。這些變化受到高密度晶界和位錯(cuò)的影響。例如，在幾種具有超細(xì)晶粒的材料中，觀察到了晶界偏析加速相變現(xiàn)象。這意味著在退火過程中，高密度的晶界、晶界偏析和沉淀會(huì)相互作用，導(dǎo)致復(fù)雜的退火現(xiàn)象。

最近，重慶大學(xué)黃天林教授團(tuán)隊(duì)通過向高純度（99.9996％）的Al基體中添加0.3％wt無(wú)氧銅，冷軋壓下率98%，制造了一種超細(xì)層狀結(jié)構(gòu)的Al–0.3％Cu合金。在100–175°C恢復(fù)退火過程中發(fā)現(xiàn)細(xì)小Al2Cu析出顆粒優(yōu)先出現(xiàn)在層狀邊界。原位觀察發(fā)現(xiàn)主要的粗化過程是由層狀邊界形成的Y結(jié)的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致，層狀邊界受到位錯(cuò)，位錯(cuò)邊界和顆粒的不同程度的釘扎。此外，隨著附加位錯(cuò)邊界取向差的增大、Al2Cu顆粒的粗化以及連接邊界與顆粒的共同作用，這種局部釘扎效應(yīng)增強(qiáng)。研究結(jié)果證實(shí)了合金元素在變形和退火過程中穩(wěn)定精細(xì)層狀組織的重要性，為制備高穩(wěn)定性超細(xì)組織合金提供了指導(dǎo)。

文獻(xiàn)鏈接：Segregation and precipitation stabilizing an ultrafine lamellar-structured Al-0.3%Cu alloy，Acta Materailia，2020

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359645420310326

高溫時(shí)效處理對(duì)S31042耐熱鋼組織和蠕變性能的影響

S31042鋼是在25Cr-20Ni型奧氏體耐熱鋼的基礎(chǔ)上添加Nb、N等合金元素獲得的，較高的Cr和Ni含量使 S31042 鋼比傳統(tǒng)的 18Cr-8Ni 型奧氏體耐熱鋼具備更加優(yōu)異的抗蒸汽氧化和抗煙氣腐蝕性能。S31042鋼在高溫環(huán)境中服役時(shí)，形成的析出相有MX相、M23C6相、Z相和少量σ相，這些析出相的尺寸、分布和含量均對(duì)其高溫 性能產(chǎn)生重要影響。

通過OM、SEM和TEM等手段表征了S31042鋼蠕變過程析出相的類型和演化規(guī)律，并利用蠕變實(shí)驗(yàn)分析了高溫時(shí)效處理對(duì)S31042鋼高溫性能的影響。結(jié)果表明，經(jīng)1050℃時(shí)效10 h處理后，S31042鋼組織中析出大量尺寸在100 nm左右的Z相，降低了固溶態(tài)S31042鋼中合金元素Cr和Nb的過飽和度，減小了M23C6相的形核驅(qū)動(dòng)力，將蠕變過程晶界上析出M23C6相的形態(tài)由連續(xù)的鏈狀調(diào)控為斷續(xù)的短棒狀。短棒狀M23C6相的形成能夠在不影響材料塑性的前提下，增大晶界滑動(dòng)的阻力，改善材料的持久塑性。