高温合金

非晶合金具有组织均一、高强度、高硬度、耐磨蚀、热膨胀系数小、纳米级表面结构复写等特性，在其过冷液相区可快速实现从宏观至微米、纳米的多尺度一体化热塑成型，是制备高精密模具的理想材料。然而，传统非晶合金的玻璃转变温度低，高温强度及热稳定性差，使役温度难以超过600K，不能满足目前光学玻璃模压成型温度的要求。研发高温高强高稳定性块体非晶合金（简称“高温非晶合金”）有望将光学玻璃模压模具的磨削加工转变为热塑加工，突破磨削加工无法制备微纳米表面结构的先天限制，孕育变革性的光学玻璃元件“微纳模压成型”技术。基于此，在国家重点研发计划变革性技术关键科学问题专项的支持下，中国科学院宁波材料技术与工程研究所和中国科学院物理研究所、燕山大学、深圳大学、北京航空航天大学联合开展了“高温高强高热稳定性块体非晶合金新材料与应用基础”（项目编号：2018YFA0703600）的研究工作。其中，中科院宁波材料所非晶合金磁电功能特性团队主要负责课题“高温非晶合金的氧化与腐蚀机理研究”。近期，在王军强研究员和霍军涛研究员的指导下，该组课题生杨晓东等人围绕前期项目组开发的Ir-Ni-Ta-（B）高温非晶合金[Nature 569 （2019） 99–103]的腐蚀行为开展了深入系统的研究。研究发现在酸性溶液中Ir-Ni-Ta-（B）高温非晶合金相比于其它合金体系拥有更好的耐蚀性，归因于其可以形成由金属Ir以及Ni和Ta的氧化物组合而成的相对稳定的钝化膜。这种钝化膜具有较好的保护性，从而表现出很强的耐点蚀能力，因而腐蚀多发生于缺陷处。另外，研究发现微量添加类金属B元素可以显著提高Ir-Ni-Ta非晶合金的耐蚀性，Ir-Ni-Ta-B样品钝化电流要比Ir-Ni-Ta样品降低了一个数量级。在Ir-Ni-Ta和Ir-Ni-Ta-B非晶合金表面形成的钝化膜具有几乎相同的成分，但具有不同的厚度和孔密度。这些差异是由添加B引起的，B促进钝化膜的快速形成，同时抑制活性金属的溶解。金属Ir的表面富集和[BO3]3-的吸附进一步提高了Ir-Ni-Ta-B非晶合金的耐蚀性。相关结果表明，可以通过电化学钝化处理优先生成具有保护性的钝化膜以增加Ir基非晶合金作为模具材料的耐蚀性能，为增强高温高强高稳定性块体非晶合金在严苛服役环境中的使用寿命提供了重要实验基础和理论支撑。相关结果发表在Corrosion Science 200 （2022） 110227（https://doi.org/10.1016/j.corsci.2022.110227）。以上工作成果得到国家重点研发计划（2018YFA0703604、2018YFA0703602），国家自然科学基金（52001319、52071327、51922102、52171148），中科院青促会 （2019296）, 浙江省自然科学基金 （LR22E010004、LR18E010002）, 宁波市2025科技创新项目（2019B10051）和宁波市自然科学基金（202003N4354）等项目的资助。图1 左图为Ir-Ni-Ta-（B）非晶态合金与其他合金体系的晶化活化能对比图；右图为不同材料在硫酸溶液中的点蚀电位和钝化电流对比图图2 各种离子和电子在硫酸溶液中的传输和钝化膜形成示意图

人物小传：1920年生于河北省徐水县，1945年毕业于西北工学院矿冶系，1952年获美国欧丹特大学冶金博士学位，1955年回国。他是我国著名的物理冶金学家、材料科学家、战略科学家，中国科学院院士，中国工程院院士，第三世界科学院院士。曾任中科院金属所所长、中国科学院部技术科学部主任、国家自然科学基金委副主任、中国工程院副院长。 　　这是一位九旬老人的退休生活：每天上午8点钟离开家，9点钟到办公室，来访的客人有时一天好几拨，请他提供咨询意见的、指导科研工作的、题词的、写序的……几乎有求必应。此外，去年一年，北到哈尔滨、南到广州，他出了10次差，还在北京主持、参与了几十个学术会议。 　　这位乐此不疲、退而不休的老人，就是2010年度荣获国家科技奖最高奖的两位得主之一，我国高温合金材料的奠基人、在材料腐蚀、镁合金、碳纤维等多个领域贡献卓著的战略科学家师昌绪先生。 　　“我这样的生活很没意思，也不希望别人都像我一样。”师先生自我解嘲说：“但我已经是这么个定型了，在家反而苦恼，所以天天工作，生活很充实，觉得能对得起国家、民族，也就是这个样子。 　　“美国人做出来了，我们怎么做不出来?” 　　1月7日上午，在国家自然科学基金委(以下简称基金委)的一间会议室里，记者见到了91岁的师先生。虽然发已掉光、牙已全无，但老先生却背不驼、眼不花，步伐稳健、思维敏捷。听着后辈和老同事讲述他的往事，师先生时而会心一笑，时而神色凝重 他对数十年前的事情记得一清二楚，时不时插话补充两句 说到激动处，忍不住用手指敲得桌子“笃笃“直响。 　　“北京、上海，这两个地方任你选。”1955年6月，时任中科院技术科学部主任的严济慈，对刚从美国回来的师昌绪说。 　　结果，这位35岁的洋博士选择了沈阳，因为中科院金属所在沈阳。到金属所后，他被指定为鞍钢工作组的负责人，由物理冶金理论研究，转向炼钢、轧钢工艺开发。两年之后，师昌绪又服从国家需要，转任金属所高温合金研究组的负责人，带领一支小分队常驻抚顺钢厂，研制航空发动机的核心材料——高温合金。师昌绪带领科研人员奋力攻关，很快开发出代替镍基合金GH33的铁基高温合金GH135，用这种新材料制作的航空发动机关键部件——涡轮盘，装备了大量飞机。 　　更难啃的骨头在后面。1964年，中国的新型战斗机设计出来了，就差发动机用的耐高温高压涡轮叶片。此前，只有美国能研制这种空心叶片，国内的人都没见过。一天晚上八九点钟，航空材料研究所的副总工程师荣科找到师昌绪家里，问他能不能牵头搞空心叶片。“我也没见过空心叶片，也不知道怎么做。”师先生回忆说，“但我当时就想，美国人做出来了，我们怎么做不出来?中国人不比美国人笨，只要肯做，就一定能做出来。” 　　第二天，他与时任金属所所长的李薰先生研究决定接受这个任务。荣科听到这一消息自然高兴，但同时也“提醒”师昌绪：我可是立了军令状的，做不出来，我把脑袋割下来。师昌绪一笑：咱们就共同承担吧。 　　为啃下这块硬骨头，由师昌绪挂帅，从金属所的相关研究室挑选了“一百单八将”，成立了专门的项目组。他们采纳了容科“设计——材料——制造一体化”的建议，与发动机设计和制造厂等合力攻关。在当时的条件下，要在100毫米的叶片上均匀做出粗细不等、最小直径只有0.8毫米的9个小孔，谈何容易!他们攻克了型芯定位、造型、浇注、脱芯，以及断芯无损检测等一道道难关，于1965年研制出中国第一代铸造多孔空心叶片，使我国成为世界上第二个能研制这种叶片的国家。 　　后来，国家决定把空心叶片的生产转移到远在贵州的一个工厂，航空部点名师昌绪带队到生产第一线，帮助解决生产中的技术难题。当时从沈阳到贵阳要坐48个小时的闷罐火车，路上连喝的水都没有。工厂的条件极为艰苦，一日三餐吃的都是发霉的大米和红薯干，以至于厂里的总工程师过意不去，利用星期天到集市上买来白面，给科研人员蒸馍改善生活。师昌绪他们日夜在车间里鏖战。经过几个月的努力，他们终于克服了实际生产中的技术难关，至今所生产的数十万个叶片没出过一起质量问题。 　　“当时当然有压力了，但关键看你敢不敢往前冲。”忆当年，师先生雄心不改，“只要努力，肯定能做出来，除非你不努力。” 　　“我自己最大的特点，就是好管闲事” 　　“师先生，这个事您可别管!”2000年春，年近80的师昌绪找到基金委材料科学部原常务副主任李克健，说想和他一起抓一下碳纤维。李克健听后立马摇头，“这事太复杂!谁抓谁麻烦!” 　　李克健说的是大实话。质量轻、强度高的碳纤维是航天、航空用基础原材料，我国从1975年就开始攻关，大会战搞了不少，钱花了很多，但就是拿不出合格稳定的产品，以至于许多人避之唯恐不及。 　　“我们的国防太需要碳纤维了，不能总是靠进口。”师先生说，“如果碳纤维搞上不去，拖了国防的后腿，我死不瞑目。” 　　李克健听后深受感动，接受了师先生的邀请。这年8月，师先生召集了由原国防科工委、科技部、总装备部、基金委等相关单位58人参加的座谈会，探讨怎样把碳纤维搞上去。大家的一致意见是，碳纤维能搞上去。会议纪要里，专门写了这样一句：请师昌绪院士作为技术顾问和监督。 　　师先生欣然从命，很快又召集了第二次座谈会，讨论具体方法。座谈会上，有人给师先生泼凉水：上亿的资金哪里去找?就是钱弄来了，谁去协调指挥?过去几个部委联合起来都没弄好，你师老能指挥得动么? 　　“只要国家需要，困难再大也要干!”不服输的师先生上书中央，陈说利害。很快，这封信批转到科技部，科技部在863计划中专门增设了1亿元的碳纤维专项。在实施过程中，师先生吸取以前的教训，定了一条规矩：统一领导，谁拿专项的钱，谁就归我们管，不管你是哪个单位的。然后，专项领导小组派人到申报单位，现场取样，让第三方单位统一测试。数据出来后，大家一起讨论，优胜劣汰，结果。志在必得的一所知名大学落选，产品过硬的民营企业威海拓展一举中标。师先生一抓到底，不仅多次到威海实地指导，还专门给航空总公司写信化缘3000万元，帮助相关单位开展应用试验。现在，无论是航天还是航空，我国所需的碳纤维已可立足国内，完全依赖进口成为历史。 　　“我自己最大的特点，就是好管闲事”。师先生笑称。 　　凡是对国家有益的，对别人有益的，他都不避利害，乐于去管。 　　“师老很有眼光，他所管的闲事，要么是刚刚起步、困难很多，要么是涉及面广、关系复杂。只要这些闲事关系到国家的重大需求，师先生就抓住不放，该呼吁的呼吁，能扶持的扶持。”李克健说。 　　这样的例子还有很多。 　　从上世纪五六十年代开始，多个部委在全国各地陆续建立了26个材料环境腐蚀试验查与监测网站，检测材料在大气、海洋、土壤等环境中的腐蚀数据，为今后的大工程建设提供选材和防腐设计的决策依据。据基金委原秘书长袁海波回忆，80年代中期，我国开始大刀阔斧地推进科技体制和拨款制度改革，期间出现盲区，许多腐蚀监测站成为被遗忘的角落，陷入人走站亡的困境。1986年，基金委会成立，出任副主任的师昌绪力排众议，说服有关部委的领导，把腐蚀监测站的的数据检测分析建设列为基金委的重大项目，常年给予支持。后来等三峡大坝和核电站等工程上马时，大家才发现：腐蚀监测站提供的数据资料太重要了! 　　上世纪90年代，生物医用材料在国际上方兴未艾。由于我国起步晚，跟国外的差距很大，搞生物医用材料的学者和企业地位不高，这方面的研究没有引起应有的重视。李克健回忆说，当时师先生敏锐地觉察到，生物医用材料将是事关13亿国人健康的大产业，应该加快发展。经过他多方奔走，中国生物材料委员会在1996年宣告成立。由于该委员会的人员涉及十几个学会，关系比较复杂，找不到合适的主席人选，75岁的师先生只好勉为其难，连续干了两届。去年，中国科协批准成立中国生物材料学会 明年，世界生物材料大会明年将在成都举行。 　　…… 　　数十年“管闲事”的结果，是“管”出了一位名副其实的战略科学家。 “与师先生相处20多年，我感受最深的，就是他的亲和力。不管到哪儿，在哪个地方工作，都有很强的亲和力、吸引力和凝聚力。”说到这里，袁海波很是感慨，“作为一个大科学家，做到这一点是很不容易的。在技术科学和工程科学领域，尤其需要团队精神，需要德高望重的学术牵头人，把方方面面的力量凝聚起来。“这一点，当前在我国科技界特别重要，也特别不容易！” 亲和力来自淡泊名利的品格。国际材料联合会是世界材料学界的权威学术机构，加入该组织对促进我国材料科学的发展非常重要。据曾任中国材料研究学会副理事长的袁海波回忆，1986年国际材料联在美国举行会议，师先生与清华大学的李恒德教授应约参加，期间做了大量工作，妥善处理了与台湾相关的议题，终于在1991年底说服国际材联修改章程，接纳中国材料联合会代表中国成为其会员，台湾作为中国的一个地区与中国材料联合会并存。1991年，中国材料研究学会在中国材料联合会的基础上正式成立，许多人认为师先生是该研究会理所当然的理事长。结果，师先生主动让贤，自己只做顾问。 “师先生就是这样，以事业为重，以把大家的积极性调动起来为重，从不考虑自己的位子、自己的利益。”袁海波说。 亲和力来自尊重他人的作风。“1964年我担任师先生研究室的学术秘书，刚开始挺拘谨的，后来发现他一点架子也没有。”说起40多年前的往事，中科院金属所前所长李依依院士至今仍很动感情，“师先生非常尊重别人，从不把自己摆得很高。他带领我们研究高温合金，不像有的老师，要求你一定要照着他说的去做，而是划一个大的范围，让你放手去干；你有什么不同的想法，他也支持你做，哪怕做错了再重来都可以。跟师先生工作心情是非常愉快的，在他的团结指导下，完全可以指到哪儿就能打到哪儿。” 让李依依特别钦佩的，是师先生对每一个人都平等相待，哪怕对方只是普通的工人。“在金属所工作时，从他家到科研大楼只有一两百米的距离，5分钟的路程他要走半个小时，因为一路上老有人找他聊天。前几年，我跟师先生重回贵州叶片生产厂，老工人们都围过来跟他握手：‘师老师，您好久没来了！’。” 亲和力来自严谨求实的学风。虽然年事已高，但师先生开会做演讲、报告，不管是学术的还是管理类的，极少让别人“代劳”；凡是让他办的事情，都一丝不苟，绝不马虎。袁海波刚担任基金委秘书长不久，把大家精心编辑的《科技成果汇编》送给师先生过目。“我原以为他大的方面看一看就完了，没想到每一篇他都认真修改，改了一半多，连每一项成果的英文标题都不放过！” 1998年，鉴于师先生在高温合金材料领域的卓越贡献，包括GE等大公司在内的11个国际跨国公司联合授予他“突出贡献奖”，并称他为“中国高温合金之父”。 “这不对！”师先生听说后立即纠正，“在国内搞高温合金有人比我早，我只是做了较大的贡献。” 师先生说：“我这个人没什么本事，就在于能团结大家。”

航空发动机被誉为现代工业“皇冠上的明珠”。叶片是航空发动机的关键零部件，其在服役寿命内承受高温高周甚至超高周次(107)循环载荷作用。同时，实际零部件在材料的制备、加工以及使用过程中通常不可避免地存在各种类型缺陷。因此，揭示钛合金高温高周和超高周疲劳特性以及其缺陷敏感性具有重要科学意义和工程应用价值。力学所非线性力学国家重点实验室微结构计算力学课题组，研究揭示航空发动机叶片用TC17钛合金高温(200℃和400℃)高周疲劳裂纹起源于试样表面或内部(图1)，表面裂纹萌生是由于富氧层开裂或氧化物脱落导致的(图1a-1g)，内部裂纹萌生是位错相互作用导致晶粒细化进而诱导的(图2)。在实验结果基础上，提出400℃时TC17钛合金表面裂纹萌生和内部裂纹萌生竞争模型(图3)。进一步研究表明，含表面缺陷TC17钛合金应力-寿命数据在高周和超高周(107)阶段具有平台区特征。表面缺陷显著降低TC17钛合金室温和高温疲劳强度，但高温并未降低含缺陷试样的疲劳强度(图4a)，一个重要原因是高温下形成较硬的氧化层抑制了表面裂纹萌生，提升了疲劳性能。研究还发现，高温和缺陷对TC17钛合金高周和超高周疲劳强度的影响可以近似表示成(图4b)：其中σfs疲劳强度(单位：MPa)，t是温度(单位：℃)，是缺陷垂直于主应力轴的投影面积(单位：μm)，。研究成果对于理解钛合金高温高周和超高周疲劳失效机制以及含缺陷钛合金的疲劳强度预测具有重要价值。图1光滑试样疲劳断口SEM图像。a-c：氧化物入侵诱导的表面裂纹萌生(200℃，σa=650 MPa，R=-1，Nf=2.7×104 cyc)，b和c分别是a中上面和右侧裂纹萌生区域的放大图。d-g：氧化物脱落诱导的表面裂纹萌生(400℃，σa=520 MPa，R=-1，Nf=7.6×105 cyc)，e是d中裂纹萌生区域的放大图，f和g分别是e中相应区域的放大图。h-j：内部裂纹萌生(400℃，σa=520 MPa，R=-1，Nf=1.0×106 cyc)，i和j分别是h和i中裂纹萌生区域的放大图。图2 400℃光滑试样(σa=520 MPa，R=-1，Nf=1.0×106)疲劳断口粗糙区域微结构观测结果。a：SEM图像，短线为提取位置。b：a中位置b沿主应力方向剖面SEM观测结果。c-e：a中位置c沿主应力方向剖面的反极图、相图和TEM图片。f和g：分别为e中区域1的暗场像和区域2的放大图。图3 400℃时TC17钛合金表面裂纹萌生和内部裂纹萌生竞争模型。a和b：富氧部位脆性断裂引发表面裂纹萌生的横截面图和侧面图。c和d：氧化物脱落引发表面裂纹萌生的横截面图和侧面图。e和f：内部裂纹萌生的横截面图和侧面图。图4 a: 光滑试样和缺陷试样疲劳强度(2×107 cyc)与温度之间关系. b: 高温和缺陷对TC17钛合金超高周(2×107 cyc)疲劳强度的影响模型与实验数据比较，空心符号表示光滑试样的疲劳强度. 这里应力均为名义应力, 计算截面为试样最小截面相关研究成果发表在J Mater Sci Technol 2022, 122: 128–140. 力学所特别研究助理李根为论文第一作者，孙成奇研究员为通讯作者。研究得到基金委重大研究计划“航空发动机高温材料/先进制造及故障诊断科学基础”培育项目(91860112)支持。