輕質(zhì)高強(qiáng)耐熱鋁合金是航空航天、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域需求日益迫切的重要基礎(chǔ)材料。氧化物彌散強(qiáng)化（Oxide Dispersed Strengthened, ODS）合金具有高的熱穩(wěn)定性和高溫力學(xué)性能，如能在鋁合金內(nèi)引入細(xì)小彌散分布的氧化物納米顆粒有望大幅提高其耐熱性能。然而目前，ODS合金主要通過內(nèi)氧化或金屬基體還原等化學(xué)方法制備，該方法不適用于鋁、鈦、鎂等不可化學(xué)還原輕質(zhì)金屬。為此，天津大學(xué)材料學(xué)院何春年教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新地提出了一種“界面置換”分散策略，成功實(shí)現(xiàn)了全共格、高密度的~5 nm MgO顆粒在鋁合金中的單粒子級均勻分布，從而使所制備的ODS鋁合金在高達(dá)500 ℃的溫度下仍然具有史無前例的抗拉強(qiáng)度（~200 MPa）與抗高溫蠕變性能。該工藝過程簡單、物料成本低廉、易于規(guī)?；a(chǎn)，因而具有顯著的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。

相關(guān)研究成果以“Heat-resistant super-dispersed oxide strengthened aluminium alloys”為題發(fā)表于Nature Materials期刊上。論文第一作者為博士生白翔仁，通訊作者為何春年教授與張翔副研究員，合作作者有天津大學(xué)趙乃勤教授、趙冬冬副教授、劉恩佐副教授、戎旭東副研究員、博士生謝昊男、河北工業(yè)大學(xué)靳慎豹副教授。該工作得到了國家杰出青年基金、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目等項(xiàng)目的資助。

航空航天、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域提速減重的重大需求對輕質(zhì)金屬材料的耐熱性能提出了更高要求，傳統(tǒng)鋁合金由于高溫下析出相粗化力學(xué)性能急劇下降，300 ℃以上服役性能已達(dá)瓶頸（300 ℃ 抗拉強(qiáng)度小于200 MPa，500 ℃ 抗拉強(qiáng)度小于50 MPa）。由此對于當(dāng)前航空航天等重要領(lǐng)域最為關(guān)心的300~500 ℃溫度區(qū)間，鋁合金使役時出現(xiàn)的力學(xué)性能迅速衰退成為大動力/大功率工作條件下制約結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、影響服役安全的關(guān)鍵短板。因此，持續(xù)推進(jìn)我國關(guān)于耐熱高強(qiáng)鋁合金的自主研發(fā)工作，特別是面向300~500 ℃中高溫、高應(yīng)力的耐熱鋁合金材料具有重要意義。

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(wěn)定性；另一條出路是引入高穩(wěn)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(diǎn)（>1000 ℃）與彈性模量，因而具有更高的熱穩(wěn)定性和變形穩(wěn)定性。其中，氧化物陶瓷顆粒由于具有優(yōu)良的強(qiáng)度、熱傳導(dǎo)、耐高溫、耐氧化、耐腐蝕、低成本等特性，備受研究者青睞，如研究者在眾多金屬體系（如鐵、銅、鎳、鈦、鉬等）中通過原位合成氧化物納米顆粒的思路實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的高溫力學(xué)性能。然而，以上實(shí)現(xiàn)彌散分布的原理是基于氧化物顆粒在基體內(nèi)溶解—析出或是液相混合后將金屬前驅(qū)體還原成金屬基體，對于與氧反應(yīng)活性高、不可化學(xué)還原的輕金屬材料如鋁、鎂、鈦等，上述方法則無法適用。迄今為止，如何在鋁合金中實(shí)現(xiàn)納米氧化物彌散強(qiáng)化進(jìn)而改善其高溫力學(xué)性能，仍是鋁合金甚至輕合金體系的國際性科學(xué)與技術(shù)難題。

為此，天津大學(xué)材料學(xué)院何春年教授團(tuán)隊(duì)提出并通過“界面置換”分散策略制備了5 nm級ODS鋁合金，即首先利用金屬鹽前驅(qū)體分解過程中的自組裝效應(yīng)制得了少層石墨包覆的超細(xì)MgO顆粒（~5 nm），將納米顆粒之間較強(qiáng)結(jié)合的化學(xué)鍵替換為石墨包覆層之間較弱的范德華力結(jié)合，從而使納米顆粒之間的粘附力降低了2~3個數(shù)量級；在此基礎(chǔ)上，通過簡單的機(jī)械球磨-粉末冶金工藝實(shí)現(xiàn)了高體積分?jǐn)?shù)（8 vol.%）的單粒子級超細(xì)MgO顆粒在鋁基體內(nèi)的均勻分散。研究發(fā)現(xiàn)，該材料具有超高的顆粒密度（~9×1023 m-3）和界面密度（~1.4×108 m-1），且MgO顆粒與鋁基體之間的界面具有完美的全共格特性，并形成了Mg-O-Al的強(qiáng)結(jié)合，這類界面有效抑制了空位與原子沿界面和跨界面擴(kuò)散，顯著降低了界面處的原子擴(kuò)散速率，因而該ODS鋁合金展示出極其突出的高溫力學(xué)性能與抗高溫蠕變性能，其在300 ℃和500 ℃下的抗拉強(qiáng)度分別為420 MPa和200 MPa；在500 ℃-80 MPa的蠕變條件下，穩(wěn)態(tài)蠕變速率為~10-7 s-1，大幅超越了國際上已報(bào)道的鋁基材料的最好水平。

該工作發(fā)展了針對輕質(zhì)金屬材料“高分散性-超細(xì)顆粒尺寸-界面共格”協(xié)同調(diào)控的制備新技術(shù)，揭示了超細(xì)納米顆粒增強(qiáng)輕質(zhì)金屬的超常耐熱機(jī)制，并為開發(fā)耐熱高強(qiáng)輕質(zhì)金屬材料及其航空航天、交通運(yùn)輸?shù)戎匾I(lǐng)域應(yīng)用提供了新思路。

研究工作在Nature Materials上發(fā)表后，國際著名金屬材料專家、法國格勒諾布爾國立理工學(xué)院Alexis Deschamps教授在Nature Materials的News&views欄目，以“Nano-oxides boost aluminium heat resistance”為題，對這一工作的重要性和潛在影響做了詳細(xì)的評論和深入解讀，認(rèn)為該工作“發(fā)展了新型超細(xì)納米氧化物彌散強(qiáng)化合金設(shè)計(jì)新策略，使得所制備的鋁合金在高達(dá)500 °C時仍具有前所未有的高拉伸強(qiáng)度和抗高溫蠕變性能；發(fā)現(xiàn)了超細(xì)氧化物/金屬高度共格特性對界面處空位形成的強(qiáng)烈抑制并阻礙晶粒粗化的新機(jī)制，也為鋁合金在高溫環(huán)境中的應(yīng)用開辟了嶄新領(lǐng)域，具有更輕質(zhì)的優(yōu)勢使它們能夠與某些鈦合金一較高下”。

圖1：超細(xì)MgO納米顆粒在鋁基體中的均勻分散

圖2：材料優(yōu)異的室/高溫力學(xué)性能

圖3：優(yōu)異的蠕變性能

圖4：全共格的MgO/Al界面結(jié)合

圖5：優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性

相關(guān)論文信息： https://www.nature.com/articles/s41563-024-01884-2