西安交通大学科研人员研制出400℃级别耐热高强铝合金

航空航天、交通运输和武器装备等领域对材料轻量化的需求日益迫切，同时许多部件/构件的服役温度逐渐跨越到250℃-400℃范围内，轻质、高强、耐热的新型金属材料应用潜力巨大。但不幸的是合金的耐热温度一般地与其熔点和比重正相关，即熔点越高、比重越大其耐热温度越高，反之亦然，因此轻质低熔点耐热合金的研发就成为了金属材料领域国际竞争的焦点之一。相对于其它金属材料，铝合金是在该温度范围内使用最具竞争力的一类高强轻合金材料。但是传统铝合金中赖以强化的纳米沉淀相颗粒在200℃以上温度将会发生严重的粗化，使其对基体的强化效果损失严重；特别是在施加外力的高温蠕变工况下，传统铝合金材料将发生快速软化、导致最终结构失稳。如何提高纳米沉淀相颗粒的热稳定性、进而改善高强铝合金的抗高温蠕变性能，是铝合金甚至轻合金体系的国际性科学与技术难题。

针对耐热高强铝合金的重大需求，西安交通大学金属材料强度国家重点实验室刘刚教授和孙军院士团队开展了持续研究。近日，该团队博士研究生薛航与青年教师杨冲、张鹏、张金钰和刘福柱合作，在400°C级别耐热高强铝合金材料的研发上取得了突破。他们提出了纳米沉淀相颗粒晶格间隙位置异质原子有序化的全新热稳定化设计策略，在常见的Al-Cu-Mg-Ag合金中添加微量稀土Sc原子，采用双级时效工艺克服了慢扩散原子Sc与快扩散原子Cu之间有效耦合在时间上的“失配”，在原有纳米沉淀相Ω的基础上，通过原位相变路径实现了这两类原子在空间上的周期性自组装(图1)，形成了具有极高热稳定性、同时具有大体积百分数的一种新型纳米沉淀相颗粒(命名为V相)。该纳米沉淀相颗粒即使在400°C(>0.7倍铝合金绝对熔点温度)的长时服役(>200小时)后仍未见粗化，保持了完美的界面共格结构，从而使得材料表现出超常的高温力学性能：400oC拉伸强度>100 MPa，超过所有报导的铝合金1倍以上；400°C下拉伸蠕变稳态蠕变塑性与所有报导的高强铝合金或铝基复合材料相比降低了2-3个数量级，特别是在10-7/s临界稳态蠕变速率下蠕变应力突破了40 MPa(图2)。这一高性能耐热铝合金的研制成功突破了高强铝合金的服役温度极限，为开发新型的耐高温轻质金属材料提供了微观组织设计思路。特别地，研究工作还发现了Ω沉淀相界面上共格台阶提供Sc原子扩散浸入通道的相变新机制(图3)，这是1960年代Aaronson提出台阶为盘片状纳米沉淀相颗粒生长机制以来，所揭示的台阶另一个功能性作用，拓展了台阶在金属材料固态相变中的调控潜力。

图1 Ω相(a&b)与V相(d&e)晶体结构的HAADF照片及其对比，Sc原子在间隙位置的周期性分布可从HAADF照片以及能谱图(c&f)上确定

图2 所研发的新型耐热铝合金在400°C下的拉伸曲线(a)和蠕变性能(b)及其与其它铝合金/铝基复合材料的对比(a中插入图为室温屈服强度vs 400°C拉伸强度的对比)

图3原位相变过程中界面台阶(CL)提供Sc原子扩散通道并诱发Ω相→V相相变的原子尺度HAADF和三维原子探针(APT)实验结果：a、b和c分别代表相变前、相变中和相变后。图d显示出一个Ω相在多处同时发生了V相原位转变(V-1,V-2,V-3)，每一处相变位置均与共格台阶有关

相关研究结果以“Highly stable coherent nanoprecipitates via diffusion-dominated solute uptake and interstitial ordering”为题在线发表在Nature Materials上，博士生薛航和杨冲副教授为文章共同第一作者，刘刚教授和孙军院士为共同通讯作者。文章的合作者还包括法国格勒诺布尔大学的F.De Geuser博士和A.Deschamps教授，兰州大学陈斌博士和彭勇教授，以及意大利帕多瓦大学的边建军博士。

Nature Materials期刊同时还发表了由美国橡树岭国家实验室合金设计团队负责人A.Shyam博士署名的、题目为“耐热铝合金”的专题评述文章，认为该工作“创制新型纳米沉淀相的合金设计新策略，使得所制备的铝合金在近乎其绝对温度熔点的80%，即高达400°C下仍然具有史无前例的高强度和抗高温蠕变性能，将对航空航天、交通运输等关键部件用、近熔点温度下服役的合金设计制备与应用及其未来发展产生深远影响”。

该团队近年来专注于高强铝合金的热稳定化研究，先后提出了沉淀相界面溶质偏聚、多层级组织界面共格互锁、高浓度空位复合体化、沉淀相间隙有序化等多个微观组织设计策略，分别形成了300-400°C温度段高温瞬时和高温持久的设计理念，开发了4个不同体系的新型耐高温铝合金材料，分别在哈尔滨东安发动机(集团)有限公司、西南铝业(集团)有限责任公司和中航工业庆安集团有限公司完成了大尺寸铸件、板材和锻件的中试实验，所制备的材料正在航天科工和中航工业多家单位开展应用合作研究，并入选了中央军委科技委全军重点推广项目手册。同时还在Nature Communications、Acta Materialia、Materials Research Letters等期刊上发表了一系列文章，并获得了Materials Research Letters期刊首届唯一一篇“最具影响力”论文奖。

研究工作得到了国家自然科学基金、111引智基地等项目的资助。文章链接地址：https://www.nature.com/articles/s41563-022-01420-0