可調度的太陽能發電是21世紀電網中的關鍵組成部分之一，同時核能和化石工業也要求繼續提高效率以保證競爭力。了解并探索材料在輻射、高溫、應力等極限環境下的行為對于提高太陽能、核能和化石系統中的能源生產效率和產量尤為關鍵。幸運的是，在這三種工業中對于特定的熱段部件材料的要求是一致的：合金在1000 oC工作10萬小時仍要保證穩定性，同時或者能夠最大程度的提高系統效率或者使該系統的技術可行。
這些工段中的發電系統需要耐受住接近或者超過1000 oC的高溫。這些系統中的某些特定元件要求更高的溫度，以此來達到節省燃料(化石)，產物利用(核熱電聯產)以及技術設計可行(太陽能)。在所有這些情況中，對于材料的需求不僅僅局限于材料的高溫穩定性能，同時還要求材料具有特別優異的微觀穩定性能夠抵抗在極端循環條件下疲勞失效。
超級合金的研究與開發超級合金這個術語是指在高溫(>800 oC)環境下特別穩定的一類合金，通常以鐵、鈦、鈷、鎳等金屬為基體材料。這些材料的關鍵特征是組織中包含有兩種不同的相，g和g’相。這兩種相具有優異的抗高溫蠕變性能。鎳基g-g’超級合金通常被用于制造航空和地基燃氣渦輪發動機，這些設備習慣于在極端環境下工作。
對于候選材料的初步評價聚焦于Haynes 230和Alloy 617兩種著名的固溶增強鎳基合金。這兩種合金具有較高的高溫強度，而且其強度性能并不依靠Ni3Alg’相，而后者在高溫下長時間服役會出現粗化。折中是缺少g’相后，該材料900oC以上的蠕變強度會明顯下降。但是如果考慮長期沉淀派生硬化效果，目前的沉淀硬化鎳基合金遠不夠理想。在較高溫度下，較大的沉淀會消耗小的沉淀形成新的組織形貌，這就是所謂的g’沉淀相粗化。加速的固溶原子在高溫工作環境下沿著驅動力方向的擴散會減少整個g’相界面面積，通常會引發連續的表面能驅動沉淀粗化過程。這種情況會導致力學性能無法達到最優。
愛達荷國家實驗室的材料科學家正致力于開發第二相成分和分布比現有的鎳基g-g’超級合金具有更加穩定微觀組織結構的鎳基合金。針對這種合金的研究結果發現了一致的高溫力學性能。該科學突破由愛達荷國家實驗室Subhashish Meher領導的團隊發表于雜志“科學進展”上。Subhashish Meher提出了一種新奇的被稱為“層級微結構”的特別方法來減小或抑制g’相沉積的粗化長大。這種新穎的納米層級結構能夠使超級合金的性能更加優異，延長數千小時的使用壽命。以前的研究顯示如果超級合金材料的結構以某種方式重復，從非常小到非常大，類似于盒子套盒子，再套盒子的結構，那材料的性能可以大幅度提高。
這被稱為層級微觀結構。在超級合金中，它由含有沉淀的金屬基體構成，而沉淀區域的成分與其它區域的金屬基體不同。在這些沉淀中嵌入了更加細小的顆粒，與沉淀外部基體一樣的成分。化學過飽和誘發了g’沉淀的相分離，導致了在其沉淀相中形成了納米級別的無序伽馬沉淀(圖1)。得到這種微結構的關鍵是以特定的形式加熱和冷卻超級合金。與沒有進行過相應熱處理的材料對比，具有這種微觀結構的材料在高溫環境下服役壽命要長6倍。
逆變微觀結構層級微觀結構——顏色紫色g相，灰色g’相
圖1 g-g’鎳基超級合金的不同結構的示意圖。g’沉淀嵌在連續的g基體中，在g’沉淀中發生逆變，形成了g相沉淀。換句話說，一個層級結構就是在g相基體中形成包含球狀g相沉淀的g’沉淀。
研究人員使用透射電子顯微鏡觀察了g’沉淀相的演變過程，發現納米g沉淀相減慢了800 oC時的大塊g‘沉淀相的粗化速度，但是其本身也在一段時間以后溶解，溶解以后，會發生傳統g-g’體系的粗化過程。盡管受測合金的粗化抗性是500小時的范圍內，通過改變合金的整體成分，能夠使層級微結構保持更長的時間。微結構的壽命能夠延長數千小時，那么使用這些合金制造的部件的服役時間可以延長數年。
Meher解釋道：這些層級結構中嵌入了納米級別的g相沉淀，能夠人為的增大沉淀相的半徑。增加的g’相沉淀的尺寸能夠抑制高溫下的位錯遷移。授予其增強的力學性能。”Meher使用了局部電極原子探針對這種特殊的微觀結構的結構和化學成分進行了納米精度的3D成像(圖2)。他認為該合金中的錸，鈷以及釕促進了層級微結構的形成。
鎳基超級合金中的層級微觀結構
圖2 針對Meher等在科學進展上發表的的鎳基超級合金中的層級微觀結構的總結。使用不同的實驗手段和計算模型圍繞這種特殊的微結構進行分析。
這種g-g’層級微結構的實驗證據還包括使用愛達荷國家實驗室的Multiphysics Object Oriented Simulation Environment框架所給出的2 D相場模型。相場模型的首席科學家Larry Aagesen解釋：“通過建立低成本高效率的相場模型，可以避免針對層級微結構進行長期實驗研究。如果有足夠的實驗數據支撐，這個模型能夠準確地預測任意時間跨度內的層級結構的演化過程。”使用互補的微觀模型方法是開發和理解極限環境服役合金的關鍵。Meher說在未來，進一步的模型研究將會更好地理解層級結構的形成過程并找到保持穩定的方法。他補充道“我們也會研究層級微結構所帶來的高溫力學性能的改變，并將它們和商用超極合金比對。”
