西安交大:新型鋁合金性能提高2-3個數量級!

2020-12-08 中國鋁業網

【鋁道網】現代科技發展對結構金屬材料提出了更加嚴格的要求，一方面希望材料更輕以滿足輕量化需求，另一方面還希望材料耐更高的溫度以保證在大動力/大功率時的服役安全。但是通常金屬材料的安全服役溫度與材料密度呈現反向關係，使得材料的選擇往往顧此失彼。

特別地，當今航空航天、交通運輸等重要領域內的許多部件/構件服役溫度逐漸跨越到250℃-400℃的範圍，但相應的輕質合金材料卻難以承受其「高溫」。相對於其它輕質金屬材料，鋁合金是zui有希望在該溫度範圍內使用的輕合金。但是在傳統鋁合金中，其賴以強化的納米第二相顆粒在250℃以上溫度時將會發生嚴重的粗化，強化效果損失嚴重。

在同時外加應力的高溫蠕變情況下，傳統鋁合金材料將發生快速軟化、導致zui終的失穩。如何提高納米第二相顆粒的高溫穩定性、進而改善鋁合金的抗高溫蠕變性能，成為了鋁合金甚至是輕合金體系「卡脖子」的難題。

近日，西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室博士生高一涵、楊衝與青年教師張金鈺在劉剛和孫軍教授的指導下，與美國約翰霍普金斯大學馬恩教授、重慶大學曹玲飛教授合作，在新型抗高溫蠕變鋁合金材料的研發上取得了突破。他們基於納米第二相顆粒界面原子偏聚的微觀組 織設計思想，通過在原子層次解析不同溶質原子之間的交互作用，藉助相關的熱力學/動力學分析，選用常見的Al-Cu合金並結合Sc元素的微合金化作用，在巧妙的熱處理工藝下，實現了Sc原子在Al2Cu強化相顆粒界面的高濃度偏聚，相當於給Al2Cu強化相顆粒穿上了一件「外衣」，顯著地抑制了該顆粒在高溫下的粗化長大。

圖1 巧妙的熱處理工藝

圖2 組 織表徵

同時還額外析出了穩定的Al3Sc顆粒，使得這兩類本來不在相同時效溫度範圍內析出的強化相顆粒和諧地共存。這種微觀組 織結構讓普通的Al-Cu合金不再普通，而是具有了超常的抗高溫蠕變性能：在300℃以及大於30MPa外加應力的苛刻蠕變環境下，可安全服役長達350小時以上；如果外加應力在20MPa以下，蠕變壽命可超過2000小時。與前人所報導的鋁合金（包括Al-Cu-Mg系、Al-Mg-Si系、Al-Zn-Mg系、Al-Si系和Al-Sc系）和鋁合金複合材料（添加陶瓷第二相顆粒如Al2O3和SiC）相比，此新型Al-Cu-Sc合金在相同的服役條件下其高溫蠕變性能提高了2-3個數量級。

相關部分結果發表在Materials Research Letters 7(2019)18-25上。目前該材料已經得到了行業內的密切關注，其中中航集團和國家電網的相關單位均希望能儘快推動該材料的工業應用。該研究工作得到了國家自然科學基金、111引智基地等項目的資助。（本號綜合自西安交通大學、MRL）

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