新方法實現超強鋁合金製備

天津大學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奈米的氧化物顆粒在鋁合金中的單粒子級均勻分佈,從而使所製備的氧化物彌散強化鋁合金在高達500℃的溫度下,仍具有史無前例的抗拉強度(約200兆帕)與抗高溫蠕變性能。該工藝過程簡單、物料成本低廉、易於規模化生産,因而具有顯著的工業應用價值。相關研究成果近期發表于《自然-材料》。

航空航太、交通運輸等領域提速減重的需求,對輕質金屬材料的耐熱性能提出了更高要求。傳統鋁合金在300℃以上服役性能就達到瓶頸,因此,對於當前航空航太等重要領域最為關注的300℃~500℃溫度區間,鋁合金使役時出現的力學性能迅速衰退成為制約結構設計、影響服役安全的關鍵短板。

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奈米顆粒。相比于前者,陶瓷顆粒通常具有較高的熔點與彈性模量,因而具有更高的熱穩定性和變形穩定性。其中,氧化物陶瓷顆粒備受研究者青睞。然而,以上途徑的原理不適用於與氧反應活性高、不可化學還原的輕金屬材料如鋁、鎂、鈦等。

為此,何春年團隊提出並通過“界面置換”分散策略,製備了5奈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,將奈米顆粒之間較強結合的化學鍵替換為石墨包覆層之間較弱的范德華力結合,從而使奈米顆粒之間的黏附力降低了2~3個數量級。在此基礎上,通過簡單的機械球磨-粉末冶金工藝實現了高體積分數的單粒子級超細氧化物顆粒在鋁基體內的均勻分散,使鋁合金具有極其突出的高溫力學性能與抗高溫蠕變性能。其在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10-7每秒。此性能大幅超過了國際上已報道的鋁基材料的最好水準。(記者 陳彬 通訊員 白翔仁)

相關論文資訊:

https://doi.org/10.1038/s41563-024-01884-2

《中國科學報》 (2024-05-08第1版要聞)