纳米金属拥有优异的低温力学性能，但高温抗蠕变变形性能却很差。近来，科研人员研究出一种材料解决了这一难题。在小编看来，这篇文章提供了一种思想，同时也给出了一种可行的结构。利用这种思想有望在未来成功解决高温合金工业应用中材料高温蠕变性能差的难题。

在高温条件下应用的金属材料需要有优异的强度和抗蠕变性能，蠕变是指在长时间应力作用下的变形。今天，镍基高温合金是在燃气轮机受热最强部分关键部件上应用的关键材料。

 这主要归因于它们在1100oC条件下应用时的抗蠕变性能。这一温度几乎是其熔化温度的90%。在过去的40多年时间里，这些高温合金的应用显著减少了燃料的消耗，减少了它们对环境的影响。

 为了减少航空器燃料的消耗所带来的环境变暖问题，寻找新的且比现有镍基合金更耐高温的轻质金属材料已经成为****的挑战。

 近来，Darling等人开发出了一种纳米合金，它拥有极高的机械强度同时还有良好的抗高温蠕变性能。纳米金属及合金由极小的晶粒构成，晶粒的尺寸通常小于100纳米。

 鉴于这种结构，纳米材料在低温条件下拥有优异的机械性能。然而，这种材料的抗蠕变性能较差已经制约了其在高温领域的应用。

 Darling和他的同事们开发的纳米合金基于一个由平均晶粒尺寸为50纳米的铜合金晶粒。他们在铜合金纳米晶粒的晶界上引入了金属钽纳米粒子，其尺寸在3至32纳米。

图1 纳米合金材料抗蠕变特性。Darling等人构建了一种纳米晶合金材料，这种材料拥有较高的高温抗蠕变性能。a.合金内的晶粒由晶界分开。b.当长期在应力作用下，铜原子扩散到新的位置，增加了晶粒的尺寸。c.研究人员在晶界上填加了坦颗粒。当长期在应力作用下，晶粒的尺寸不再显著增加，合金拥有了更好的抗蠕变性能。

 为了制备这种材料铜合金和钽颗粒首先在低温下，约-196oC进行机械研磨4个小时，制备达到预期目标颗粒尺寸的粉末。

 随后，粉末被送入一个通道，通道温度700oC，制备合金杆，称为坯料。研发人员随后重复最后一个工艺步骤4次，这导致在合金内部产生严重的塑性变形。最后，坯料在这种工艺下被延长了460%，保证具有超细的晶粒尺寸。

 这种材料超强的抗蠕变性能主要来自于其微观组织结构的稳定性，钽颗粒能够稳定晶界，阻碍晶界在高温条件下在应力的作用下移动到新的位置。

 研究人员发现蠕变发生的速率比大多数其它纳米晶金属低6至8个数量级，这意味着在耐久性方面实现了极大的提升。

 然而，目前这种金属还很难替代现有的镍基合金材料，因为它只有在极低的温度下才具有极高的机械强度和抗蠕变性能，但是这种材料的出现为解决高温蠕变问题打开了一扇大门，前提是几个关键问题可以得到解决。

 要解决的首要问题是制备流程，尤其是航空工业领域，需要极其稳定的生产工艺。第二个重要问题是抗氧化。另外就是高温工业应用的标准。

 增加材料内部的晶界含量虽然能够起到抗氧化的作用，但是它极大地增加了晶界的迁移速率。然而，作为纳米晶材料，如果能在其表面上快速形成一层致密的氧化膜层可以保护金属免受氧化。

这个可以通过使用铝和铬实现，这些材料可以极大地提高金属抵抗环境侵蚀性能。此外，需要开发一种特殊的涂层保护纳米材料。这种涂层从成分上应与基体纳米材料是相容的，也需要含有较高的铝和铬等元素，以便保证具有优异的抗氧化性能和耐蚀性。

 最后，为了能够在上述的燃汽轮机零件上应用，研究人员需要保持纳米材料在600oC以上的温度条件下使之具有极高的强度以及抗蠕变性能。

 取代铜，晶粒应该由镍或钴制成，这些金属具有更高的熔点，同时在较高的温度具有更高的结构稳定性。合金的蠕变性能可能要达到现今使用的镍基合金的水平，同时应具有更高的机械强度。

 这种更高的机械强度将允许承载部件更小，也因此在重量上得到极大的减轻，提高燃汽轮机的效率并减少燃料消耗。