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中国发明不会疲劳的金属 国产发动机指日可待

 
为什么国产的航空发动机总是难以突破,为什么国产大飞机C919要使用从美国进口的铝合金,就是因为我们在材料科学上的短板。别人的材料可以耐几千度的高温,我们的材料就要少几百度,别人的材料可以几千小时不用大修,我们的材料用了一半的时间就开始出问题。
 
其中一个必须解决的问题,就是金属疲劳的问题。
 
由于金属内部结构并不均匀,从而造成应力传递的不平衡,有的地方会成为应力集中区。而且金属内部的缺陷处还存在许多微小的裂纹。在力的持续作用下,裂纹会越来越大,材料中能够传递应力部分越来越少,直至剩余部分不能继续传递负载时,金属构件就会全部毁坏。 
 
从专业上说,疲劳就是指反复施加循环载荷(远小于材料的屈服应力极限)而引起的一种材料弱化过程。
 
实际服役过程中约90%金属构件的失效均由疲劳断裂引起,其原因是材料在循环加载过程中微观结构不断变化、遭受严重且不可逆转的累积损伤,从而导致材料循环硬化或软化直至最终失效。
 
因此,抗疲劳损伤材料发展的重大瓶颈问题,就是如何减小或抑制循环变形过程中微观结构局域化和不可逆损伤。
 
10月30日在线发表于《自然》杂志的一篇论文,揭示了中国科学家在这一领域取得的突破性进展。中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家(联合)实验室研究员卢磊研究组和美国布朗大学教授高华健研究组合作,发现具有晶体学对称结构的纳米孪晶金属不但具有循环稳定响应,而且疲劳累计损伤非常有限。
 
这种具有独特的稳定循环响应特征和有限累计损伤的纳米结构为发展抗疲劳损伤的高性能工程金属材料提供了新思路。
 
纳米孪晶是一种新型晶体结构。其晶粒尺寸在纳米量级,由于晶粒内部空间减小和晶界的约束作用,使晶格位错的形核及运动在不同程度上均受到严重抑制,位错形核及运动在材料塑性变形过程和力学行为中的作用将呈现新的特征。
 
2004年,卢磊研究组发现了具有超高强度和导电性的新一类纳米结构金属——纳米孪晶金属铜(Science, 304 (2004) 422),随后于2009年又发现了纳米孪晶铜中的极值强度和超高加工硬化效应(Science, 323(2009)607),这些结果表明,纳米孪晶结构金属材料具有独特的塑性变形机制和力学行为。晶粒尺寸越小,临界孪晶片层尺寸也越小,从而材料的极值强度越高。
在高强高导材料领域,卢磊的研究是一个非常重要的突破,开辟了一个新的材料研究领域,未来的纳米孪晶结构材料不仅能够减少输电线的电能损耗,应用在微电子领域后,这些材料还能让我们的电脑、手机等产品越来越薄、越来越小,使用寿命也会越长久。
 
如何得到纳米孪晶结构?研究人员利用直流电解沉积技术,成功制备了块体择优取向纳米孪晶纯铜样品。
 
通过传统拉-压变幅应变控制疲劳实验,研究了该样品的相关循环应力响应,发现在恒定应变幅下,其应力响应迅速稳定(既不硬化也不软化)。
 
尤为重要的是,当应变幅阶梯式递进增加以及随后阶梯式递进减小时,该样品的应力-应变响应完全可逆,即当应变幅恒定时,应力和应变具有一一对应关系,且循环滞后环完全重合。
 
该结果表明,经过上万次循环加载变形之后,纳米孪晶金属的塑性变形是可逆的且没有累积损伤,表现出一种独特的与历史无关的稳定循环响应特征。
 
微观结构分析与大规模分子动力学计算模拟发现,循环载荷作用下,纳米孪晶结构中仅有单滑移位错启动,并在纳米尺度孪晶间形成大量超级稳定、相互平行的高度关联项链状位错。
 
这种关联项链状位错结构往复可逆运动承担塑性变形,但相互之间并无交互作用,既不破坏纳米孪晶结构的稳定性也不造成累积损伤。纳米孪晶金属与历史无关的稳定循环响应特征与传统单晶、粗晶和纳米晶体金属具有的结构非稳定化和严重损伤累积的循环变形行为截然不同。
 
航空发动机的特点是体积小,功率大,各部件的工作条件严酷,特别是转动件在不同的温度、载荷、环境介质(空气,燃气)下工作,大多须用比强度高、耐热性好和抗腐蚀能力强的材料制造。军用飞机发动机一般使用寿命为100~1000小时;民用机发动机甚至要求1万小时以上,所用材料的组织和性能须保持长时间稳定。
 
航空发动机早期采用铝合金、镁合金、高强度钢和不锈钢等制造;后期为适应增加发动机推力、提高飞机飞行速度的需要,钛合金、高温合金和复合材料相继得到应用。
 
而纳米孪晶这一新型晶体结构的发现和利用,为中国发现新的高硬度、长寿命材料提供了可能。
 
去年6月,南京理工大学陈光教授团队在《Nature Materials》上发表论文,报道了他们采用纳米孪晶强韧化方法制备出高温PST钛铝单晶新材料,在新型航空航天材料钛铝(TiAl)合金方面取得的突破。
 
对于这一研究成果,中国科学院院士、钛合金和钛-铝系金属间化合物专家、中国钛合金研究与应用创始人之一曹春晓表示,飞机发动机叶片的主要材料镍基单晶高温合金的承温能力每提高25~30℃,即为一代新合金。而陈光团队发明的钛铝单晶合金,一下将承温能力提高了150~250度以上。
 
“这项关键材料技术对我国的航空航天事业的发展具有重大价值,有助于中国飞机拥有一颗更强的‘中国心’。”
 
其实不仅在金属领域,在2014年,燕山大学教授田永君团队与吉林大学教授马琰铭、美国芝加哥大学教授王雁宾合作,在高温高压下成功合成出硬度两倍于天然金刚石的纳米孪晶结构金刚石块材,这是他们继2013年合成出极硬纳米孪晶立方氮化硼之后又一新突破。
 
这一研究成果将在制造独特性能的新材料领域具有广阔前景。
 
近年来中国在新材料领域突飞猛进,开始弥补上这一工业制造领域最大的短板。比如京东方推出的柔性显示屏,已经打破了三星的垄断,又比如中国隐形战机歼20,已经换装了石墨烯吸波材料,不仅大幅度减重,而且大幅度提高了稳定性,隐身性能也超过F35。
现在有了不会疲劳的金属材料,中国在工业制造尤其是飞机、航母、火箭这样的高精尖领域,更将如虎添翼。
 
以后,美国就要从中国进口材料了吧。当然还要看中国肯不肯卖。
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