Nature Communications 

成功开发可3D打印的抗缺陷、高性能高温合金

基于金属的增材制造（AM）或三维（3D）打印已使具有近终型的金属部件的制造成为可能，而这些几何部件具有通过常规制造技术无法实现的最佳几何形状。提高设计灵活性已引起人们对3D打印方法的极大兴趣。但是，目前仅数量极少的合金可适应金属基增材制造，由于该过程中存在复杂热环境。金属增材制造基本上是重复的焊接过程，使用定向能源来局部熔化和焊合材料。因此，用于AM的候选材料倾向于是可焊接合金，它们不易受到液相中的开裂机制（如液化开裂或热撕裂）或固相应力的影响，例如，应变时效裂纹和延性倾斜裂纹。

由于镍基高温合金在高温下具有出色的力学性能，因此成为飞机发动机结构组件的首选材料。高γ？体积分数的Ni基高温合金，高强度铝合金和耐火合金在内的高性能工程合金的开裂敏感性，代表了在关键应用中将这些合金用于增材制造组件的主要障碍。对于在较低温度下使用的合金（例如高强度铝合金），通过粉末表面的功能化控制熔池中的晶粒成核可以缓解开裂问题。然而，这导致晶粒尺寸小，这对于高温操作是不利的。

在此，加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校、美国桑迪亚国家实验室、橡树岭国家实验室以及卡朋特科技公司（卡本特科技公司）开发了一种可通过选择性激光熔化（SLM）和电子束熔化（EBM）进行加工的CoNi基高温合金，可产生无裂纹的组件。凝固过程中溶质的低偏析降低了液体介导的开裂敏感性，降低的γ？固溶温度可在凝固完成后缓解开裂。室温拉伸试验表明，与目前正在研究AM的其他Ni基高温合金相比，CoNi基高温合金具有出色的延展性和强度的组合。

文献链接：A defect-resistant Co–Ni superalloy for 3D printing，Nature Communications，2020

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

钪硅团簇对Al-Sc合金时效硬化行为的影响

近二十年来，人们对钪（Sc）作为一种合金元素在铝合金中的潜力的研究越来越感兴趣。过饱和Al-Sc合金在时效过程中形成有序的L12纳米级Al3Sc析出相，具有显著的强化和抑制再结晶作用。Si是铝合金中常见的杂质或合金元素，因此进行了许多研究来研究Si对Al3Sc的析出和时效硬化效果的影响。早期的研究表明，Si对Al-Sc合金的沉淀硬化有负面影响。结果表明，在Al-Sc合金中加入Si后，由于Al3Sc的不连续和/或连续析出量的增加，在凝固后冷却过程中，粗大共晶Al3Sc析出相不连续析出，随着Si含量的增加，铸态显微硬度增加。除Al3Sc外，据报道在Al-Sc-Si合金中形成了四方Sc2AlSi2金属间化合物，即V相。降低了增强纳米级Al3Sc析出物的体积分数，并且可以通过限制非常纯的Al-Sc合金中的Si浓度（<0.08 at%）来避免。

为了阐明Sc-Si团簇在Al-Sc和Al-Sc-Zr合金沉淀硬化中的作用，北京工业大学的研究人员采用显微硬度和透射电镜研究了Si添加量在0.05%～0.30%范围内对Al-0.12Sc和Al-0.12Sc-0.2Zr（wt.%）时效硬化行为的影响。结果表明0.15%的Si含量是最佳的，并且在早期时效阶段形成的Sc-Si团簇阻碍了Al3Sc的演化过程。

文献链接：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

金属连接体涂层材料领域取得系列进展

作为金属连接体涂层，尖晶石型氧化物层广泛用于固体氧化物燃料电池（SOFC）中，具有负温度系数电阻特性，其导电性取决于小极化子跃迁导电机制。元素Cu掺杂可取代MnCo2O4尖晶石A位或B位上的阳离子，促进低价态Mn2+、Mn3+向高价态Mn3+、Mn4+转变，增加电子电导率，降低离子缺陷浓度并抑制氧离子向内扩散。

运用高能微弧合金化技术，制备了多类微晶尖晶石型氧化物涂层，并进行了对比研究。研究表明：经750℃长时间氧化后，Cu-Mn涂层仍具有较低的接触电阻值。Cu掺杂的Co-Mn涂层可以有效抑制Fe、Cr元素的外扩散。长时间氧化后Cu掺杂的Co-Mn超细晶涂层的面比电阻值略低于Cu-Mn涂层，展现了良好的综合性能。

文献链接：https://doi.org/10.1016/j.corsci.2020.108738

Nature Communications

镍基新超导体机理研究取得重要进展

铜氧化物超导体自从1986年被发现以来，其超导机理一直被本领域科学家高度关注。具有库仑排斥的两个电子，为什么在高达160多开尔文（约等于零下113度）下仍然能够相互吸引形成电子配对，并凝聚成为宏观的量子相干态，这是横亘在凝聚态物理领域的一个重大科学问题。

超导体内部的单粒子激发需要一定的能量即为超导能隙，这也是超导态为什么能够在一定温度下稳定存在的原因。而两个电子形成配对的内在因素直接决定着超导能隙函数的表现形式。因此探测非常规超导体的机理问题的首要任务是知道超导能隙的函数形式。就镍基超导体实验而言，得到Nd1-xSrxNiO2超导薄膜样品似乎比较困难，因此国际上关于Nd1-xSrxNiO2薄膜的相关实验还不是很多，许多实验并不能直接反映超导的能隙函数。

最近，南京大学闻海虎团队和聂越峰、潘晓晴团队通力合作，成功在Nd1-xSrxNiO2超导薄膜样品中测量到高质量的扫描隧道谱，证明了Nd1-xSrxNiO2中存在两类超导能隙，一类是V型隧道谱即典型的d波超导能隙，能隙最大值为3.9meV，这一点与铜氧化物超导体及其类似；而另一类是完全能隙形式（full gap）的隧道谱，能隙值为2.35meV，这一点又与铜氧化物不一致，而与铁基超导体相似。聂越峰实验组利用分子束外延（MBE）技术制备出高质量的Nd1-xSrxNiO3 （113）薄膜及具有初步超导转变的Nd1-xSrxNiO2 （112）薄膜，闻海虎小组进行了后续的氢化处理，进一步优化了Nd1-xSrxNiO2 （112）镍基薄膜的超导转变温度及表面平整度，这是实验能够获得成功的关键因素之一。这一结果揭示了Nd1-xSrxNiO2超导体的能隙函数，发现与铜氧化物之间既有相似之点也有不同之处，并为接下来继续对镍基超导体开展深入研究奠定了坚实的实验基础。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-19908-1

Acta Mater 

单晶高温合金不同晶面的杂晶形成

镍基单晶高温合金因其在高温下的优异性能而被用作航空发动机及燃气轮机的叶片。然而，单晶叶片在高温高压及复杂燃烧室条件下可能产生各种形式的表面损伤。

近期，西北工业大学物理科学与技术学院相变物理及新材料实验室通过关键实验与理论计算相结合的方式系统地研究了单晶高温合金在不同晶面的杂晶形成能力。该项研究工作利用激光重熔技术对（001）、（011）和（111）晶面上的杂晶形成能力进行了对比研究。结果表明，基体取向对（011）面和（111）面上的杂晶形成有显著影响，但对（001）面的影响较小；这三个晶面表现出不同的CET能力，对杂晶形成的抵抗能力以（111） < （001） < （011）的顺序在增强；为避免单晶高温合金激光重熔或激光修复过程中出现杂晶，选择（011）晶面上的[01-1]激光扫描方向是最佳选择； 除了激光功率、扫描速度和送粉速率之外，基体取向也将作为一个可调节的参数，可在加工过程中使用，以避免杂晶的形成。综上，该研究系统地研究了单晶高温合金在不同晶面的杂晶形成能力，并通过理论计算阐明了基体取向对于杂晶形成能力的潜在机制。

文献链接：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

高强超细层状结构金属材料稳定性获重大突破

金属在经过高应变和超高应变塑性变形之后，微观结构通常表现出层状形态，并且在亚微米和纳米范围内具有层状边界间距。由于其超高强度，过去的20年对这种超细层状结构金属进行了广泛的研究。这种由变形引起的超细结构中存储的能量非常高，为恢复和再结晶提供了很大的驱动力。因此，这些超细层状结构金属通常缺乏热稳定性。目前已经使用几种方法来稳定超细结构，例如固溶体，边界偏析和沉淀物。在热处理过程中，这些稳定化因子本身可以动态地改变，如第二相粒子的析出和溶解。这些变化受到高密度晶界和位错的影响。例如，在几种具有超细晶粒的材料中，观察到了晶界偏析加速相变现象。这意味着在退火过程中，高密度的晶界、晶界偏析和沉淀会相互作用，导致复杂的退火现象。

最近，重庆大学黄天林教授团队通过向高纯度（99.9996％）的Al基体中添加0.3％wt无氧铜，冷轧压下率98%，制造了一种超细层状结构的Al–0.3％Cu合金。在100–175°C恢复退火过程中发现细小Al2Cu析出颗粒优先出现在层状边界。原位观察发现主要的粗化过程是由层状边界形成的Y结的运动导致，层状边界受到位错，位错边界和颗粒的不同程度的钉扎。此外，随着附加位错边界取向差的增大、Al2Cu颗粒的粗化以及连接边界与颗粒的共同作用，这种局部钉扎效应增强。研究结果证实了合金元素在变形和退火过程中稳定精细层状组织的重要性，为制备高稳定性超细组织合金提供了指导。

文献链接：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

高温时效处理对S31042耐热钢组织和蠕变性能的影响

S31042钢是在25Cr-20Ni型奥氏体耐热钢的基础上添加Nb、N等合金元素获得的，较高的Cr和Ni含量使 S31042 钢比传统的 18Cr-8Ni 型奥氏体耐热钢具备更加优异的抗蒸汽氧化和抗烟气腐蚀性能。S31042钢在高温环境中服役时，形成的析出相有MX相、M23C6相、Z相和少量σ相，这些析出相的尺寸、分布和含量均对其高温 性能产生重要影响。

通过OM、SEM和TEM等手段表征了S31042钢蠕变过程析出相的类型和演化规律，并利用蠕变实验分析了高温时效处理对S31042钢高温性能的影响。结果表明，经1050℃时效10 h处理后，S31042钢组织中析出大量尺寸在100 nm左右的Z相，降低了固溶态S31042钢中合金元素Cr和Nb的过饱和度，减小了M23C6相的形核驱动力，将蠕变过程晶界上析出M23C6相的形态由连续的链状调控为断续的短棒状。短棒状M23C6相的形成能够在不影响材料塑性的前提下，增大晶界滑动的阻力，改善材料的持久塑性。