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制備耐高溫超強鋁合金有了新方法
來源： 科技日報
作者：南皮縣產學研科技成果轉化服務中心
日期：
2024-06-12
輕質高強耐熱鋁合金是航空航天、交通運輸等領域需求日益迫切的基礎材料。日前，記者從天津大學獲悉，該校材料學院教授何春年團隊創新性地提出了一種“界面置換”分散策略，成功實現了約5納米的氧化物顆粒在鋁合金中的單粒子級均勻分布，制備的氧化物彌散強化鋁合金在高達500℃的溫度下仍展現出史無前例的抗拉強度（約200兆帕）與抗高溫蠕變性能。論文近日發表于國際期刊《自然·材料》。
高溫下，傳統鋁合金力學性能急劇下降，溫度在300℃以上時，其服役性能已達瓶頸。具體而言，傳統鋁合金在300℃時抗拉強度小于200兆帕，而在500℃時抗拉強度則小于50兆帕。對于當前航空航天等領域最為關注的300℃—500℃這一溫度區間，鋁合金服役時出現的力學性能迅速衰退，成為大動力/大功率工作條件下制約其結構設計、影響服役安全的短板。
目前，提高鋁合金耐熱性能的途徑主要有兩個：一是提升析出相的熱穩定性；二是引入高穩定性的陶瓷相納米顆粒。相比于前者，陶瓷顆粒通常具有較高的熔點（大于1000℃）與彈性模量，因而具有更高的熱穩定性和變形穩定性。
其中，氧化物陶瓷顆粒由于具有優良的強度、耐高溫、耐氧化、耐腐蝕及低成本等特性，備受研究者青睞。何春年介紹，現有相關研究已經通過原位合成氧化物納米顆粒的思路，在眾多金屬體系（如鐵、銅、鎳、鉬等）中實現了優異的高溫力學性能。
“然而，以上實現彌散分布的原理主要是基于氧化物顆粒在基體內溶解—析出，或是液相混合后將金屬前驅體還原成金屬基體，但對于與氧反應活性高、不可化學還原的輕金屬材料如鋁、鎂、鈦等，上述方法則并不適用。”何春年說。
如何在鋁合金中實現納米氧化物彌散強化，進而改善其高溫力學性能，仍是鋁合金乃至輕合金體系的國際性科技難題。
為此，何春年團隊提出并通過“界面置換”分散策略，制備了5納米級氧化物彌散強化鋁合金。他們首先利用金屬鹽前驅體分解過程中的自組裝效應制得了少層石墨包覆的超細氧化物顆粒，將納米顆粒之間較強的化學鍵結合替換為石墨包覆層之間較弱的范德華力結合，從而使納米顆粒之間的粘附力降低了2—3個數量級。
在此基礎上，研究團隊通過簡單的機械球磨—粉末冶金工藝，實現了高體積分數（體積分數為8%）的單粒子級超細氧化物顆粒在鋁基體內的均勻分散，并使鋁合金展示出極其突出的高溫力學性能與抗高溫蠕變性能。該材料在300℃和500℃下的抗拉強度分別為420兆帕和200兆帕；在500℃和80兆帕的蠕變條件下，穩態蠕變速率為10的負7次方每秒，大幅超越了國際上已報道的鋁基材料的最好水平。
該項研究揭示了超細納米顆粒增強輕質金屬的超常耐熱機制，并為開發輕質高強耐熱金屬材料及其在航空航天、交通運輸等領域的應用提供了新
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