可调度的太阳能发电是21世纪电网中的关键组成部分之一，同时核能和化石工业也要求继续提高效率以保证竞争力。了解并探索材料在辐射、高温、应力等极限环境下的行为对于提高太阳能、核能和化石系统中的能源生产效率和产量尤为关键。幸运的是，在这三种工业中对于特定的热段部件材料的要求是一致的：合金在1000 oC工作10万小时仍要保证稳定性，同时或者能够最大程度的提高系统效率或者使该系统的技术可行。
这些工段中的发电系统需要耐受住接近或者超过1000 oC的高温。这些系统中的某些特定元件要求更高的温度，以此来达到节省燃料(化石)，产物利用(核热电联产)以及技术设计可行(太阳能)。在所有这些情况中，对于材料的需求不仅仅局限于材料的高温稳定性能，同时还要求材料具有特别优异的微观稳定性能够抵抗在极端循环条件下疲劳失效。
超级合金的研究与开发超级合金这个术语是指在高温(>800 oC)环境下特别稳定的一类合金，通常以铁、钛、钴、镍等金属为基体材料。这些材料的关键特征是组织中包含有两种不同的相，g和g’相。这两种相具有优异的抗高温蠕变性能。镍基g-g’超级合金通常被用于制造航空和地基燃气涡轮发动机，这些设备习惯于在极端环境下工作。
对于候选材料的初步评价聚焦于Haynes 230和Alloy 617两种著名的固溶增强镍基合金。这两种合金具有较高的高温强度，而且其强度性能并不依靠Ni3Alg’相，而后者在高温下长时间服役会出现粗化。折中是缺少g’相后，该材料900oC以上的蠕变强度会明显下降。但是如果考虑长期沉淀派生硬化效果，目前的沉淀硬化镍基合金远不够理想。在较高温度下，较大的沉淀会消耗小的沉淀形成新的组织形貌，这就是所谓的g’沉淀相粗化。加速的固溶原子在高温工作环境下沿着驱动力方向的扩散会减少整个g’相界面面积，通常会引发连续的表面能驱动沉淀粗化过程。这种情况会导致力学性能无法达到最优。
爱达荷国家实验室的材料科学家正致力于开发第二相成分和分布比现有的镍基g-g’超级合金具有更加稳定微观组织结构的镍基合金。针对这种合金的研究结果发现了一致的高温力学性能。该科学突破由爱达荷国家实验室Subhashish Meher领导的团队发表于杂志“科学进展”上。Subhashish Meher提出了一种新奇的被称为“层级微结构”的特别方法来减小或抑制g’相沉积的粗化长大。这种新颖的纳米层级结构能够使超级合金的性能更加优异，延长数千小时的使用寿命。以前的研究显示如果超级合金材料的结构以某种方式重复，从非常小到非常大，类似于盒子套盒子，再套盒子的结构，那材料的性能可以大幅度提高。
这被称为层级微观结构。在超级合金中，它由含有沉淀的金属基体构成，而沉淀区域的成分与其它区域的金属基体不同。在这些沉淀中嵌入了更加细小的颗粒，与沉淀外部基体一样的成分。化学过饱和诱发了g’沉淀的相分离，导致了在其沉淀相中形成了纳米级别的无序伽马沉淀(图1)。得到这种微结构的关键是以特定的形式加热和冷却超级合金。与没有进行过相应热处理的材料对比，具有这种微观结构的材料在高温环境下服役寿命要长6倍。
逆变微观结构层级微观结构——颜色紫色g相，灰色g’相
图1 g-g’镍基超级合金的不同结构的示意图。g’沉淀嵌在连续的g基体中，在g’沉淀中发生逆变，形成了g相沉淀。换句话说，一个层级结构就是在g相基体中形成包含球状g相沉淀的g’沉淀。
研究人员使用透射电子显微镜观察了g’沉淀相的演变过程，发现纳米g沉淀相减慢了800 oC时的大块g‘沉淀相的粗化速度，但是其本身也在一段时间以后溶解，溶解以后，会发生传统g-g’体系的粗化过程。尽管受测合金的粗化抗性是500小时的范围内，通过改变合金的整体成分，能够使层级微结构保持更长的时间。微结构的寿命能够延长数千小时，那么使用这些合金制造的部件的服役时间可以延长数年。
Meher解释道：这些层级结构中嵌入了纳米级别的g相沉淀，能够人为的增大沉淀相的半径。增加的g’相沉淀的尺寸能够抑制高温下的位错迁移。授予其增强的力学性能。”Meher使用了局部电极原子探针对这种特殊的微观结构的结构和化学成分进行了纳米精度的3D成像(图2)。他认为该合金中的铼，钴以及钌促进了层级微结构的形成。
镍基超级合金中的层级微观结构
图2 针对Meher等在科学进展上发表的的镍基超级合金中的层级微观结构的总结。使用不同的实验手段和计算模型围绕这种特殊的微结构进行分析。
这种g-g’层级微结构的实验证据还包括使用爱达荷国家实验室的Multiphysics Object Oriented Simulation Environment框架所给出的2 D相场模型。相场模型的首席科学家Larry Aagesen解释：“通过建立低成本高效率的相场模型，可以避免针对层级微结构进行长期实验研究。如果有足够的实验数据支撑，这个模型能够准确地预测任意时间跨度内的层级结构的演化过程。”使用互补的微观模型方法是开发和理解极限环境服役合金的关键。Meher说在未来，进一步的模型研究将会更好地理解层级结构的形成过程并找到保持稳定的方法。他补充道“我们也会研究层级微结构所带来的高温力学性能的改变，并将它们和商用超极合金比对。”
