我国关于航空发动机中铼的应用研究再获突破

高温合金是航空发动机的重要结构材料，也是我国研发新一代航空发动机的瓶颈所在。浙江大学科学家日前找到了在高温合金中添加贵金属“铼”的最佳位置，让材料不易断裂。

在浙江大学张泽院士的指导下，其团队的李吉学教授、余倩教授、丁青青博士与美国宾夕法尼亚州立大学陈龙庆教授合作，通过长时间的研究，发现高温合金中贵金属“铼”的最佳添加位置是界面位错网的位错核心。在这个关键的位置，铼能发挥一种特殊的作用，通过强化界面强度使材料不易断裂，进而促进材料性能优化。科研人员表示，通过对铼的研究及调节，能够在更高温度下保护飞机发动机的安全。

研究成果已发表在5月23日上线的金属材料领域顶级期刊《Acta Materialia》。据了解，这是浙大电子显微镜中心首次通过材料结构和性能的同步研究，将科研工作延伸到发动机战略材料研究领域。这篇论文也成为高温合金研究领域最高水平的科研论文之一。

材料的薄弱环节在两相界面，即两种不同成分或不同结构的接触面。举个常见的例子，河流结冰后，冰与水就会有一个两相界面，一边是固态一边是液体，这个界面是极不稳定的。金属材料的两相界面稍有不同，界面两边都是固态的，只是两边是由不同成分或是由不同结构组成。而在高温合金中，两相界面中会形成致密的界面位错网。

通过特定的热处理，科研人员可以通过控制扩散的手段，将铼有目的性的放到相关位置，进而开展研究。课题组发现，当把铼放置在界面位错网的核心位置时，铼会很明显地强化界面位错网，进而强化这个界面。界面强化后，两相之间的“剪切”就会很困难，不易失效。

课题组依托浙大电镜中心先进的科研设备，首次从原子层面看清了铼元素在高温合金中的分布。专家们看到清晰的图案如同我们生活中的砖块墙，不同的晶体间由水泥一样的“缝”粘连。这些“缝”就像隔离带一样，可以有效阻止裂纹的生长。而在这“砖块”与“缝”的界面位错网上，课题组找到了大量的铼。他们进一步研究发现，界面错位网上铼的存在让“砖块”间的“缝”变得非常稳固，进而让材料中的裂纹不易贯穿。“当力的作用不断加大，有铼的高温合金也会出现裂纹，但裂痕生长在单相中呈现锯齿形，延缓了快速开裂。”余倩说。

此前，人们已经认识到铼这种贵金属是研发新一代高温合金的关键元素，很多时候，判断高温合金代际就是看铼的含量。浙大科学家的一系列新发现让我们对铼在高温合金中的作用认识更加深刻。

“可能这不是个时髦的研究，但却有着重大的战略意义。”就拿航空发动机来说，飞机起飞和降落时发动机叶片的服役温度至少在1300℃以上，同时材料还会受到应力的影响，几乎没有材料能完全胜任这样苛刻的工作条件。而高温合金是近几十年发展起来的一个重要材料。作为单晶的高温合金还被称为不被破坏的金属材料。余倩坦言，在每一个国家高温合金的研究都是高度保密的。这次研究的顺利开展还得益于浙大新成立的材料科学与工程学院高温合金研究所，研究所的目标领域就是国家重大需求的高性能结构材料。